圓錐角膜發病的力學因素及其機制

李玉萍,曾慶延，2，3

0 引言

圓錐角膜是一種以角膜進行性變薄、錐形向前突起為特征的擴張性角膜病，變薄突起主要發生在角膜中央和顳下方，引起高度不規則散光和最佳矯正視力下降[1]。隨著角膜地形圖、光學相干斷層掃描、角膜生物力學分析儀等新設備的廣泛應用,圓錐角膜的患病率呈現升高的趨勢，1980年代文獻報道圓錐角膜在一般人群中的患病率約為54.5/10萬[2]，2020年一項研究表明其全球范圍內的患病率約為138/10萬[3]。圓錐角膜被認為是一種復雜的多因素疾病,可能參與其發病的因素主要包括遺傳和環境兩大類[1]，臨床觀察發現環境因素中長時間且劇烈的揉眼、由睡姿引起的眼球壓迫等力學因素與圓錐角膜發病相關[4-6]。本文就力學因素對角膜基質細胞、角膜組織及其在圓錐角膜發病機制中可能的作用進行闡述，強調對揉眼行為及不良睡姿進行早期干預和糾正的重要性，以期為預防和管理圓錐角膜提供新的思路。

1 力學刺激對角膜基質細胞的影響

角膜由上皮層、前彈力層、基質層、后彈力層及內皮層構成。占角膜90%的基質層是角膜的主要結構，由膠原纖維、基質細胞(包括由其轉化而來的成纖維細胞和肌成纖維細胞)及蛋白聚糖等構成。由基質細胞分泌的膠原纖維是其主要成分，可提供足夠的抗張強度以抵抗眼內壓及維持角膜的正常形狀。因此，基質細胞對力學刺激的響應在細胞外基質的代謝中有著十分重要的作用[7]。研究發現，相較于其他角膜細胞而言，力學刺激對角膜基質細胞的影響最大，基質細胞在受到力學刺激后會發生多種變化。Feng等[7]通過對兔角膜成纖維細胞進行體外實驗發現，機械牽拉可以促進角膜細胞外基質的降解、增加基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase, MMPs)的表達。同時，機械牽拉與常見于角膜上皮損傷后釋放的炎性介質白細胞介素-1β(interleukin-1β,IL-1β)聯合作用可以使兔角膜成纖維細胞Ⅰ型膠原合成減少[8]。另外，有研究分別對人體正常角膜和圓錐角膜的成纖維細胞進行體外培養后，發現圓錐角膜細胞活性氧(reactive oxygen species,ROS)、IL-1β、白細胞介素-6(interleukin-6,IL-6)、腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)、MMP-9的表達水平均顯著高于正常角膜細胞；而兩種細胞經過體外周期性牽拉之后，ROS、相關炎性因子及MMP-9的表達水平均明顯增加；并且力學刺激還造成正常角膜成纖維細胞部分抗氧化酶基因表達上調[9]。可見無論是圓錐角膜還是正常角膜，力學刺激均可能通過升高氧化應激水平和炎癥因子濃度而損傷其基質細胞。上述研究說明力學因素可能會改變角膜基質的代謝環境，基質細胞受到牽拉之后，通過使角膜成纖維細胞Ⅰ型膠原合成減少以及增殖受到抑制、氧化應激水平顯著增加、部分炎性因子及基質降解酶的過度表達等多種機制加速細胞外基質的降解，這些最終可能與圓錐角膜的發生發展有關。

2 眼部常見力學刺激及其對角膜影響

2.1揉眼揉眼是常見于眼部疲勞、暴露于過敏原或粉塵、配戴角膜接觸鏡前后、睡覺前后或情緒波動等諸多情況下的一種生理反應[10-11]。適當力度及頻率的揉眼能夠在一定程度上緩解各種因素所致的眼部不適感。但當揉眼的頻率過高、持續時間過久及強度過于劇烈則屬于異常揉眼。異常揉眼可見于春季角膜結膜炎(vernal keratoconjunctivitis,VKC)、過敏性角結膜炎(allergic keratoconjunctivitis, AKC)、Tourette綜合征、Leber先天性黑矇癥、唐氏綜合征、眼瞼松弛綜合征等多種疾病[12-15]。揉眼作為一種動態壓力外載荷，使角膜法向受壓、縱向受拉、表面受剪切力作用[16]。Hafezi等[17]測量發現不同圓錐角膜患者在揉眼過程中眼瞼所受機械力的差異很大，使用手指關節揉眼時產生的力量最大,分別是指尖或指甲摩擦的2.2倍和3.7倍。但由于人們揉眼的方式、摩擦的頻率和用力的大小有很大的差異,常規研究多未進行細化及量化評估,導致不同研究之間數據差異可能很大[18]，未來還需要對此進行更多的研究以更好地評估揉眼對角膜的影響。

大量研究表明，揉眼是圓錐角膜發病的重要危險因素。2000年,Bawazeer等[19]通過多元分析發現,在圓錐角膜發病過程中,揉眼是在單變量和多變量水平上均顯著的唯一危險因素。2020年一項Meta分析顯示,每天有異常揉眼習慣的人發生圓錐角膜的風險是沒有該習慣之人的3倍,其比值比(odd ratio,OR)僅次于被認為是最強危險因素的家族史[3]。例如：一名60歲的健康男性患者,由于右手因工作需要被占用,在長期習慣性用左手揉搓左眼之后被確診為左眼的圓錐角膜[20]。另外，一項圓錐角膜患者434例670眼的回顧性分析發現,特應性綜合征(包括過敏性哮喘、特應性皮炎、過敏性鼻炎、過敏性角結膜炎等)以及與之相關的異常揉眼行為是一個可以觸發圓錐角膜的早期表現的因素[21]。可見,揉眼與圓錐角膜的發生和發展是密切相關的。

2.2與睡姿相關的眼球壓迫揉眼并非是與圓錐角膜相關的唯一力學因素。早在1991年,Donnenfeld等[22]便報告了5例與圓錐角膜相關的眼瞼松弛綜合征,其中1例患者長期臉朝下睡覺而壓迫雙眼，表現為雙眼圓錐角膜；另外4例患者均偏向眼瞼松弛綜合征更為嚴重的一側睡覺，在機械壓力的作用下呈現出不同程度的不對稱圓錐角膜，他們認為這些發現支持圓錐角膜至少在這部分患者中與眼部受到的機械壓力有關。此外，有研究發現在否認有揉眼病史的患者中，睡眠中由手或枕頭直接對眼球造成的壓迫可能是圓錐角膜進展的重要因素，并且圓錐角膜在睡眠呼吸暫停綜合征中的患病率較普通人群更高，因為該群體更喜愛側臥以減少打鼾或呼吸暫停的傾向[23]。近來，Mazharian等[24]在一項病例對照研究中發現錯誤睡姿與單側或高度不對稱圓錐角膜的發生和發展顯著相關。總而言之，這些研究均強調，除了揉眼之外，另外一個導致圓錐角膜發生的重要力學因素可能是在側睡或者面朝下睡覺時用枕頭或手直接擠壓眼球，而這通常是一個在圓錐角膜病程中被低估的因素[25]。未來還需要進一步的研究來證實這些條件之間的聯系。

3 力學刺激導致圓錐角膜發病的可能機制

力學刺激引起圓錐角膜發生和發展的具體機制仍然不明,本文根據現有的相關研究推測其可能引起角膜重塑的機制如下。

3.1淚液中炎癥因子水平升高介導細胞凋亡Balasubramanian等[26]通過研究發現,正常受試者在持續揉眼60s后,MMP-13、IL-6和TNF-α的含量明顯升高。因而在圓錐角膜患者持續而有力的揉眼過程中,淚液中的蛋白酶、蛋白酶活性和炎癥介質增加的程度可能會更大。Ionescu等[27]發現圓錐角膜及其親屬淚液中的IL-1β、白細胞介素-4(interleukin-4,IL-4)、IL-6、白細胞介素-10(interleukin-10,IL-10)、干擾素-γ(interferon-γ,IFN-γ)和TNF-α的表達與正常人相比均是升高的。Mutlu等[28]研究發現,圓錐角膜患者的淚液中MMP-9水平明顯升高,并且MMP-9升高水平分別與疾病嚴重程度呈正相關和與角膜厚度呈負相關。另一研究小組[29]則發現合并有過敏性眼病的圓錐角膜患者均有異常揉眼的習慣，并且他們淚液中較高水平的MMP-9很可能與圓錐角膜的快速進展有關，表現為矯正視力更差、最大角膜曲率值(maximum keratometry,Kmax)更高、角膜厚度更薄。另外，di Martino等[30]指出角膜中MMPs活性的失衡可能有助于圓錐角膜的發展。圓錐角膜患者由于角膜受到力學作用后淚液中各種蛋白酶功能的失衡以及炎癥因子水平的升高，其角膜中活性氧的水平也會相應地上升，而活性氧的積累不僅可通過與蛋白質、DNA和膜磷脂反應而對角膜細胞造成極大的損害,還可通過氧化應激介導角膜基質細胞的凋亡，造成角膜細胞結構蛋白的分解與角膜膠原纖維的直接降解,導致角膜結構和功能發生改變[31-32]。由此可見，圓錐角膜的發生發展是有炎癥因素參與的，而既往對圓錐角膜的定義是非炎癥性角膜擴張[33]，從而與Terrin邊緣角膜變性等明顯可見炎癥改變的疾病相區別。隨著技術手段的不斷進步，早期輕度炎癥的可檢測讓我們對于圓錐角膜發病機制的認識會不斷深入全面甚至更新。

3.2眼壓變化多項研究報道,通過增加揉眼時施加在眼球表面的壓迫力,眼壓會明顯升高[34-36]。Turner等[36]對與揉眼相關的眼壓升高在清醒的非人類靈長類動物(nonhuman primates,NHP)中進行了體內定量研究,發現NHP在揉眼后眼壓比基線眼壓高3～310mmHg(1kPa=7.5mmHg)，平均比基線眼壓高109mmHg，并且眼壓升高的峰值出現在用手背腕部揉眼,而非手指指腹或手指關節。當揉搓發癢的眼睛或擦拭流淚的眼睛時,摩擦帶來的剪切力會在角膜上來回傳遞,直接升高眼壓并引起角膜膨脹力增加，會對角膜基質膠原纖維的正常產生及排布造成嚴重干擾，繼而引起角膜表面的曲率發生改變,導致角膜變陡或凸起[31]。揉眼相關的機械組織創傷和與之相關的眼壓及膨脹壓力升高可能還會增加圓錐角膜患者發生急性角膜水腫(acute corneal hydrops,ACH)和角膜穿孔的風險,這可能是由于角膜組織變薄和與疾病相關的改變導致角膜對眼壓升高的抵抗力下降所致[37-38]。此外,揉眼引起眼壓的顯著波動還會對角膜細胞造成間接創傷,繼而促進圓錐角膜的發生和發展[39]。但在一項病例對照研究中發現,圓錐角膜的患者在揉眼之后眼壓較對照組的正常受試者而言是顯著降低的,這可能和圓錐角膜患者角膜變薄之后硬度的下降有關[40]，也可能與眼壓測量距離揉眼的時長不同有關。

3.3角膜生物力學改變人類的角膜為黏彈性組織[41]。眼反應分析儀(cular response analyzer,ORA)是一種測定角膜黏滯性(corneal hysteresis,CH)和角膜阻力因子(corneal resistance factor,CRF)的設備,可用于評估活體角膜生物力學[42]。CH反映角膜的黏彈性或阻尼特性,是衡量角膜吸收能量能力的指標，CH越大，表明角膜越硬，能量吸收能力越強；而CRF反映了角膜的整體抗變形能力[35,42-43]。有研究發現，揉眼后角膜的生物力學性能發生了顯著性改變,主要表現為CH和CRF的降低,并推測揉眼后CH和CRF值的降低可能是角膜受到剪切力作用后角膜基質層里的蛋白多糖凝膠基質黏度降低的結果[35]。Sedaghat等[44]發現圓錐角膜患者的CH和CRF較正常人而言均是下降的,且與角膜透明邊緣變性較為接近，說明圓錐角膜患者角膜的硬度是明顯降低的。此外,Ionescu等[27]還發現CH和CRF與淚液中的IL-10、IFN-γ等炎性細胞因子之間有很強的負相關性,即CH和CRF是隨著淚液中炎性細胞因子水平的增加而降低的，這或許有助于解釋為何患有眼部過敏性疾病的患者在長期揉眼之后發生了圓錐角膜。

除ORA外，可視化角膜生物測量儀(Corvis ST)目前也廣泛用于角膜生物力學特性的評估，并能夠聯合Pentacam提供新的角膜生物力學參數及綜合評估參數，如Corvis生物力學參數(corneal biomechanical index,CBI)和角膜斷層形態學聯合生物力學指數(tomographic biomechanical index,TBI)。CBI是綜合考慮角膜變形反應指數及角膜厚度信息的生物力學指標；TBI是基于Scheimpflug的角膜斷層掃描和生物力學評估得出的一個綜合參數。研究發現，CBI和TBI對區分圓錐角膜眼和正常眼均有很高的敏感性和特異性[45-46]。Wang等[47]運用Corvis ST研究發現，揉眼頻率更高的過敏性結膜炎組相較于非過敏性結膜炎組而言，表面變異指數(index of surface variance,ISV)、垂直不對稱指(index of vertical asymmetry,IVA)、圓錐角膜指數(keratoconus index,Ki)、高度偏心指數(index of height decentration,IHD)和Belin/Ambrosio增強型擴張性總偏斜指數(Belin/Ambrosio D value,BAD-D)均明顯增高(P<0.05)，且過敏性結膜炎組TBI也明顯升高(P=0.04)。這說明長期揉眼后，角膜形態及生物力學會均發生相應的改變。

3.4機械摩擦直接損傷角膜組織異常揉眼或不正確的睡姿會造成瞼結膜與角膜上皮之間的持續機械性摩擦而引起上皮細胞微損傷,導致角膜上皮細胞持續丟失,角膜厚度變薄,隨后角膜的硬度下降,引起角膜重塑,繼而引起角膜曲率發生改變而變薄前凸[31,48-49]。圓錐角膜早期常表現為角膜上皮厚度變薄及重塑[50]。一項研究發現,在正常角膜中，輕度到中度揉眼15s后，中央和中周部角膜上皮厚度立即減少18.4%[51]。而Wang等[47]首次發現揉眼較為頻繁的過敏性結膜炎患者角膜上皮厚度變薄及角膜厚度分布不均，并且角膜上皮厚度的減少與揉眼次數密切相關。但是,在另外一項研究中又發現揉眼后上皮厚度并沒有顯著變化[52]。這可能與兩項研究中揉眼的力度、頻率、持續時間以及揉眼到檢測的時間不同有關。

3.5角膜上皮溫度升高膠原蛋白結構的生物力學特性在很大程度上還取決于溫度。血液的溫度為38℃，而角膜上皮的溫度為33.7℃，揉眼時有著豐富血管的瞼結膜會與角膜形成緊密接觸,繼而將熱量傳遞給角膜,直接引起角膜上皮溫度升高;同時,在閉眼條件下還會抑制眼球前表面的熱損失而間接提高角膜上皮的溫度[53]。綜上所述，揉眼通過直接和間接兩種方式升高角膜上皮溫度，而有文獻報道上皮溫度增加后可能會導致角膜基質黏度降低,繼而引起角膜發生重塑[31]。

4 小結

綜上所述，圓錐角膜是一種病因復雜的眼病,多種因素參與其發病過程，力學因素的作用尤其不應被忽視。所以,很有必要提高個人特別是圓錐角膜患者對揉眼及錯誤睡姿所含風險的認識。對于正常人應建議盡量避免揉眼和調整錯誤的睡姿；對于繼發于過敏性結膜炎等其他疾病的揉眼行為，應積極治療原發病；建議避免配戴不必要的角膜接觸鏡,以減少戴/取鏡片時不可避免的摩擦對眼部造成不必要的機械損傷；而對于已經確診圓錐角膜的患者,停止揉眼或調整睡姿以減緩疾病的進一步進展應該是非手術治療的第一步。此外，對于有異常揉眼習慣的群體，特別是兒童和青春期過敏患者，尤其需要定期行角膜斷層掃描及生物力學檢測，以進行早期圓錐角膜的篩查。未來還需要進行更多的研究來探索圓錐角膜的病因及發病機制，從而更好的預防和延緩疾病的發生和發展。