角膜移植术后角膜生物力学变化的研究进展

韩晶 吴梦亮 王艳

(复旦大学附属眼耳鼻喉科医院眼科 上海 200031)

角膜生物力学[1]是角膜受外力作用时产生形变及恢复平衡的特性，与角膜的黏弹性有关，它对维持角膜形态起重要作用。许多眼部疾病会引起角膜生物力学变化，已有大量研究报道圆锥角膜[2]、Fuchs角膜内皮营养不良[3]、高度近视[4]、青光眼[5]、准分子激光原位角膜磨镶术后[6]等的角膜生物力学参数同健康受试者比较有明显差异。随着角膜供体的增加、角膜植片保存技术及角膜移植术的发展，角膜移植术在临床中的应用越来越多，但无论是穿透性角膜移植术，还是成分角膜移植术，都会直接对角膜生物力学产生影响。近年来，各种角膜移植术后角膜生物力学的改变也成为国内外研究热点之一，在此本文予以综述。

1 角膜的生物力学特性

角膜具有黏弹性[7-8]，包括弹性与黏滞性。弹性是指弹性材料在外力作用下发生形变，外力去除后恢复原有形态的特性。黏滞性是指黏滞性材料在受到外部剪切力作用时发生形变，其内部产生对形变抵抗的特性。了解角膜的这些特性对理解角膜生物力学测量原理有帮助。

2 在体角膜生物力学测量方法

2.1 眼反应分析仪 眼反应分析仪( ocular response analyzer，ORA)在2005年投入使用，是第1个用来检测在体角膜生物力学性能的设备[9]。ORA[9]是一个非接触式压力计，由快速气体脉冲装置和红外线发射及感应装置组成。当快速气体脉冲装置逐渐加大压力致中央角膜逐渐向内凹陷，角膜被压平时的压力被称为P1；然后压力逐渐减少，角膜由于自身的弹性逐渐恢复原有的形态过程中再一次达到压平状态的压力称P2，角膜形变的整个过程被红外线感应装置感应。依据P1和P2计算出ORA的4个参数(图1)：①角膜滞后量(corneal hysteresis ,CH)，CH=P1-P2，反映角膜的黏滞性[2, 10-13]。②角膜阻力因子(corneal resistance factor,CRF)，CRF=P1-kP2( 其中k为常数[8])，CRF与角膜弹性相关[2, 10-13]。这2个参数与眼压(intraocular pressure, IOP)[13]、年龄[14-16]、眼轴长度[17]呈负相关。大部分学者认为中央角膜厚度(central corneal thickness，CCT)与CH和CRF呈正相关[14-16, 18-19]，但是亦有学者[20]认为两者无相关性。角膜曲率(corneal curvature， CC)与CH及CRF的相关性有较大的争议，可能与人种不同有关[15]。③角膜代偿眼压(cornea-corrected IOP，IOPcc)，IOPcc受角膜特性影响小，有学者认为IOPcc对于角膜膨胀性疾病可能更为准确[2]。但Clemmensen等[3]认为对Fuchs角膜内皮营养不良及角膜内皮移植术后患者IOPcc不如Goldmann压平眼压(Goldmann applanation tonometer IOP，IOPGAT)和动态轮廓眼压(dynamic contour tonometer IOP，IOPDCT)精确。④Goldman相关眼压(Goldmann correlated intraocular pressure，IOPg)，IOPg是P1和P2的平均值。正是由于ORA测得的角膜生物力学参数包含经验性的测量结果[21]及受许多因素的影响，有研究者[22]认为ORA可能不能完全反映角膜生物力学的全部特性。

图1. ORA在正常人眼中做出的图形

2.2 可视化角膜生物力学分析仪 可视化角膜生物力学分析仪(corneal visualization scheimpflug technology，Corvis ST，CST)是另一种非接触式的设备，采用气冲印压技术(恒定的气体脉冲[23])引起角膜形变并逐渐恢复至初始状态。同时Scheimpflug 高速相机(每秒获得4 330帧图像[24])动态记录角膜中央水平截面形变的全过程，在有效测得IOP、CCT的同时获得反应角膜生物力学特性相关的10余种参数[25](图2)。这些参数中的大部分与IOP、眼轴长度、年龄、CCT相关[25]，少部分与角膜曲率相关[22, 26]。CST能够动态记录角膜形变的细节[16, 22]，对许多疾病的检测具有良好的重复性[27]。但是当角膜混浊时，Scheimpflug成像技术在清晰成像上是有限的[10]。

随着角膜生物力学测量方法在临床上的应用，使得认识和评价角膜生物力学特性成为可能，为进一步加深对某些疾病的认识，对精确测量IOP、疾病的早期诊断以及评价不同手术方式等提供了有力的工具。

图2. CST在正常人眼中做出的图形和CST参数及其定义

3 角膜移植术后角膜生物力学的变化

3.1 穿透性角膜移植术 穿透性角膜移植术(penetrating keratoplasty，PK)是最传统的角膜移植手术方式，手术更换了患者病变的全层角膜。 Shin等[13]首次使用ORA对不同疾病PK术后角膜生物力学变化进行观察，发现同对侧健眼比较，术眼CH值降低，CRF值升高，但无统计学意义；同时发现IOPg和IOPcc较对侧健眼明显升高，CCT降低，认为PK术后角膜生物力学的变化可能与IOP及CCT的变化有关，但该研究受限于样本量小(26例)、受试个体异质性及角膜缝线的影响。Yenerel等[2]对不同阶段的圆锥角膜及PK术后患者角膜生物力学特征进行比较，发现与正常人相比，不同阶段的圆锥角膜患者CH、CRF均降低,而且病程越严重，改变越明显。虽然PK术后患者CH、CRF值较正常人明显降低，但较圆锥角膜患者仍有升高，认为PK有助于圆锥角膜患者生物力学的恢复，但仍不能恢复至正常水平，可能与保留病变角膜组织有关。Elham等[28]却发现，使用CST检测不同病程严重程度的圆锥角膜患者角膜生物力学参数无明显差异，与ORA检测结果不一致，可能与不同测量仪器、不同测量标准、不同分组方法有关。Feizi等[29]首次对PK术中供体直径和CCT对角膜生物力学的影响进行研究，发现供体直径越大，CCT越厚，则CH和CRF值就越大，认为可能与供体直径越大，能提供更多的角膜内皮细胞，而且切口边缘横截面积更大，有利于减小术后散光等有关。研究者还发现，角膜植片-植床差0.5 mm组的CH和CRF值明显高于0.25 mm组。但是供体直径越大，可能会导致更高概率的免疫排斥及术后近视的发生。 Modis等[30]使用CST对不同疾病患者PK术后角膜生物力学变化进行研究，平均随访43个月，发现PK术后除HC-time、RoC、CCT明显降低外，其余参数无明显差异，认为PK术后角膜生物力学性能可能仍保持稳定。

综上所述，PK术后角膜生物力学特性变化的研究结果不一致，同时PK术前不同原发疾病的结论也不一致。大部分研究证实圆锥角膜患者CH和CRF明显低于健康受试者[2, 27]，CST的检测结果显示同正常对照组比较也有明显差异。Elham等[28]发现A1T能辨别出93%的圆锥角膜患者，认为A1T可能是诊断圆锥角膜十分有价值的参数。Del等[31]发现同正常对照组比较，Fuchs角膜内皮营养不良患者CH、CRF明显降低，CCT、IOPcc明显升高，IOPGAT、IOPg无明显差异。Lenk等[32]对29例(29眼)边缘角膜变性患者进行观察，发现同正常对照组相比，边缘角膜变性患者CH、CRF明显降低；但调整IOP、CCT后，CH、CRF同正常对照组比较无明显差异，CST参数也无明显差异，认为可能CST不能用于鉴别边缘角膜变性患者和正常人。Trufanov等[33]发现大疱性角膜病变患者CH及CRF值明显低于正常对照组。是否角膜移植术前眼部疾病对术后角膜生物力学特性存在决定性影响有待进一步研究。

3.2 深部前板层角膜移植术 随着角膜移植术技术的发展，角膜病变未累积内皮层患者可实施深部前板层角膜移植术(deep anterior lamellar keratoplasty，DALK)。DALK由于保留患者后弹力层和内皮层，提高了手术的安全性及降低了患者术后免疫排斥率，与PK相比，其对角膜生物力学的影响也吸引了研究者的关注。Hosny等[34]首次使用ORA比较PK和DALK后角膜生物力学的不同，PK组、DALK组及正常对照组均为21例(21眼)；术后2个月,发现PK组CH和CRF值明显低于DALK组及正常对照组，而DALK组CH和CRF值同正常对照组无明显差异，认为连续的后弹力层对移植角膜起支撑作用并能够维持角膜生物力学特性稳定。Acar等[35]随访至术后21个月也得出相似结果。Jafarinasab等[36]却得出不一样的结果。Jafarinasab的研究中，PK组45眼, DALK组23眼，平均随访至PK术后31.4个月及DALK术后29.2个月，未设正常对照组，发现2组CH和CRF值无明显差异。Abdelkder等[37]也进行了类似的研究,DALK组20眼，PK组25眼,正常对照组20眼。不同之处在于, Abdelkder设立了2个随访时间点,即术后6个月及术后1年，发现术后6个月，PK组CH和CRF值明显低于DALK组及正常对照组；而术后1年，3组间CH值无明显差异，仅PK组CRF值低于正常对照组；DALK组在术后6个月及术后1年CH及CRF值与正常对照组无明显差异。他认为DALK术后角膜生物力学的恢复可能较PK术后快，可能的原因是DALK术后角膜损伤修复有2个来源：一是深部角膜板层界面，二是角膜移植切口边缘，而PK术后角膜损伤修复仅来自角膜移植切口边缘，即DALK术后的角膜损伤修复来源更广泛，所以在术后早期能够更快地恢复角膜生物力学性能。同时可能与DALK对眼内压力及周边内环境的改变不如PK大，短期类固醇激素的使用及角膜缝线的影响有关。

综上所述，术后随访时间不同可能是造成上述研究结果不同的原因，即DALK术后角膜生物力学性能的恢复可能较PK术后更快。而使用CST的研究较少，VELLARA等[38]使用CST比较PK及DALK术后角膜生物力学不同，选取PK组42眼，DALK组27眼，正常对照组152眼，发现PK组DA明显高于其他2组，且PK组有更多CST参数异于正常对照组，认为同PK比较，DALK术后角膜生物力学特性更接近于正常对照组。

3.3 撕除后弹力层的角膜内皮移植术 撕除后弹力层的角膜内皮移植术(Descemets stripping automated endothelial keratoplasty，DSAEK)目前被应用于内皮功能失代偿但是角膜基质仍健康的患者，不仅利于更快的术后恢复，而且大大地降低了术后散光及创伤性切口裂开的发生率。Clemmensen等[3]首次对Fuchs角膜内皮营养不良及DSAEK术后患者角膜生物力学变化进行研究，Fuchs组18例(18眼)，DSAEK组17例(17眼)(DSAEK术后3个月)，正常对照组35例(35眼)，发现同正常对照组比较，Fuchs组及DSAEK组CH及CRF值明显降低，而Fuchs组CH及CRF值同DSAEK组比较差异无统计学意义。认为可能供体的基质层和Descemet膜并没有完整地成为受体角膜的一部分，所以不能增强角膜生物力学特性。另外，角膜本身病变及相关水肿可能造成角膜长期甚至永久损伤，导致角膜内皮移植术后角膜生物力学性能未增强。Faramarzi等[39]也做了相似研究，选取22例大疱性角膜病变患者，一眼行DSAEK，对侧健眼为对照组，发现术前大疱性角膜病变患者CH和CRF明显低于对侧健眼，但术后6个月，CH和CRF明显升高且接近对侧健眼。这2项研究的差异可能在于受试者年龄及供体角膜组织厚度等不同。Maeda等[23]首次使用CST比较3种角膜移植手术后角膜生物力学的不同，选取PK组20例(20眼)，DALK组14例(14眼)，DSAEK组15例(15眼)，正常对照组50例(50眼)，术后3个月余，发现与正常对照组比较，PK组和DALK组DA明显升高，RoC明显降低。研究者认为DA升高以及RoC降低代表角膜硬度降低，故认为PK和DALK术后角膜生物力学特性较正常对照组降低；DSAEK术后DA值较PK和DALK术后明显降低，认为可能DSAEK术后角膜完整性较PK和DALK术后高，但是DSAEK术后RoC较正常对照组明显降低的原因有待进一步研究，而且该研究受限于DSAEK组年龄明显高于其他各组及缝线的影响。Feizi等[40]也进行了相似研究，不同点在于研究者使用ORA进行检测，发现同正常对照组比较，DSAEK组CH和CRF值明显降低，而PK组和DALK组同正常对照组比较差异无统计学意义，认为DSAEK术后角膜生物力学特性降低可能是由于去除患者后弹力层，以及术后患者基质层成分发生改变，组织病理学也发现大疱性角膜病变患者DSAEK术后浅层基质积聚的胶原蛋白及纤维蛋白-1等成分减少，同时可能与DSAEK术后缺少角膜损伤修复界面有关。但此研究受限于DSAEK组年龄及CCT明显大于其他各组。Hugo等[41]使用CST研究DALK术后和DSAEK术后角膜生物力学变化，发现DALK组和DSAEK组RoC较正常对照组明显降低，而DA虽有升高，但差异无统计学意义；同时发现CCT与RoC正相关，与DA负相关。Trufanov等[33]比较大疱性角膜病变患者PK术后及DSAEK术后角膜生物力学变化，发现术前患者CH和CRF较正常对照组明显降低。虽然术后6个月CH和CRF值升高，但直至观察至术后5年，CH和CRF值仍明显低于正常对照组，而PK组与DSAEK组无明显差异。综上所述，DSAEK术后同PK和DALK术后角膜生物力学的比较仍有争议，有待进一步研究。

4 结语

研究角膜移植术后角膜生物力学特性变化，有助于进一步理解不同角膜移植术的特点及术后角膜愈合的规律，对角膜移植提供了新的评估方法，同时也提高了患者术后真实眼压评估的准确性。随着ORA和CST等在体角膜生物力学测量方法临床上的应用，使得评价角膜移植术后角膜生物力学特性变化成为可能；但在测量角膜生物力学特性时，不同的测量仪器间有差异；同时测量结果可能受CCT、IOP、角膜缝线等影响，也可能与原发病、术后测量时间等有关，使得部分测量结果有争议。另外，由于角膜生物力学参数众多，特别是CST，提供了大量的生物力学参数，其在临床中的具体意义及应用仍有待进一步的研究。