在看到這個(ge) 標題的時候，很多人第一反應是揉了揉眼睛，再讀了一遍。是不是寫(xie) 錯了？青光眼不應該是生物學、醫學的研究課題嗎？跟力學有什麽(me) 關(guan) 係？

　　但隻要你仔細讀下去，就會(hui) 發現，要想治療青光眼，還真離不開力學！這究竟是怎麽(me) 回事呢？還要從(cong) 現在青光眼的診斷和治療困境說起。

　　什麽(me) 是青光眼？

　　青光眼是一組以視神經乳頭形成杯狀凹陷、視神經萎縮、視野缺陷為(wei) 共同特征的疾病。它是全球第一大不可逆性致盲眼病。2020年，全世界青光眼患病人數達到8000萬(wan) 。

　　我國是青光眼病高發國家。2020年，我國青光眼患者的人數達到2100萬(wan) ，占世界青光眼患者總數的1/4。其中，致盲人數達到567萬(wan) 。隨著人口老齡化日益加劇，青光眼的患病率也將逐年增加。青光眼疾病不但嚴(yan) 重影響患者的生活質量，而且給家庭與(yu) 社會(hui) 帶來沉重的壓力與(yu) 負擔。所以，搞清楚導致青光眼的致病機理，不僅(jin) 是研究者責無旁貸的責任，也是老百姓翹首以待的願望。

　　圖1青光眼概況（圖片來源：https://www.mattaxneuprater.com/vision-services/glaucoma/ 參考文獻[1]）

　　根據前房角形態、病因機製及發病年齡，臨(lin) 床上通常將青光眼分為(wei) 原發性青光眼、繼發性青光眼與(yu) 先天性青光眼三類。其中，根據房角開放與(yu) 否，原發性青光眼又可分為(wei) 開角與(yu) 閉角兩(liang) 種類型（圖2）。

　　圖2開角型(open angle)與(yu) 閉角型(closed angle)青光眼示意圖（圖片來源：https://www.stepwards.com/?page_id=6616 參考文獻[2]）

　　各種類型的青光眼的臨(lin) 床表現及特點各不相同。例如，閉角型青光眼急性發作時，患者眼壓會(hui) 迅速升高，並通常伴隨眼脹、眼痛、頭痛、嘔吐、虹視（看燈光出現“彩虹”樣）、視力銳減等症狀。

　　但是，大多數青光眼的疾病進展會(hui) 比較緩慢（如開角型青光眼），在早期沒有任何警告症狀，隨著病情的發展，視野逐漸缺損，到晚期時最終變為(wei) 管狀視野與(yu) 顳側(ce) 視島（圖3），此時患者才能通過認知感覺到。因此，青光眼又被形象地稱為(wei) “無聲的視力盜賊（silent thief of sight）”。

　　圖3青光眼病人視野惡化發展——無聲的視力盜賊(Silent thief of sight)

　　（圖片來源：自製）

　　當患者出現視力模糊、眼脹、頭痛等症狀時，青光眼已發展到中期或者晚期，此時已錯過了最佳治療時期，導致視力的永久性不可逆損害。因此，早檢查、早發現、早治療是青光眼的防治原則。

　　青光眼該如何檢測與(yu) 治療？

　　當前，青光眼的檢查方式主要包括：眼壓檢查、房角檢查、視野檢查與(yu) 視盤檢查。一般而言，在視野檢查時，通過眼底鏡、裂隙燈前置鏡或眼底照相的方法，觀察得到的“杯盤比”（視杯與(yu) 視盤的縱向尺寸比）大小達到0.6即可定義(yi) 為(wei) 青光眼（圖4）。

　　圖4正常眼與(yu) 青光眼的眼底照（圖片來源：https://www.intechopen.com/books/the-mystery-of-glaucoma/the-optic-nerve-in-glaucoma 參考文獻[3]）

　　不過青光眼的發病機理尚未完全明確，年齡、種族、近視眼、基因因素、繼發因素都與(yu) 青光眼發病因素有關(guan) 。現已證實，青光眼的原發部位是視乳頭內(nei) 的結締組織——篩板。眼部重要的血管和神經纖維就從(cong) 篩板上的篩孔中穿過（圖1、圖5）。

　　篩板處於(yu) 兩(liang) 個(ge) 具有不同壓力的腔體(ti) 之間，其前方承受眼球內(nei) 的壓力，即眼內(nei) 壓（IOP），而後方承受顱內(nei) 蛛網膜下腔的壓力，即顱內(nei) 壓（ICP）。

　　圖5眼球及視乳頭篩板結構圖（圖片來源參考文獻[4]）

　　隨著研究的不斷深入，大量證據表明，青光眼的病因很大程度上歸因於(yu) 兩(liang) 個(ge) 最重要的力學因素——眼內(nei) 壓及其誘導的篩板變形：高眼內(nei) 壓會(hui) 導致篩板結構與(yu) 形態發生變化，進而擠壓穿過篩板的視覺神經，造成視覺神經損傷(shang) ，產(chan) 生不可逆的視覺損失。

　　目前，通過藥物治療、激光治療、手術治療和輔助治療來控製眼內(nei) 壓是緩解青光眼發展的唯一有效途徑(圖6)。

　　圖6青光眼治療手段（動畫來源：https://www.mattaxneuprater.com/vision-services/glaucoma/ 參考文獻[1]）

　　由此可見，青光眼致病機製研究是一個(ge) 不折不扣的力學問題。由於(yu) 技術的限製，人們(men) 還無法對篩板進行實時原位觀測。如果能夠構建眼內(nei) 壓作用下篩板變形及響應的力學模型，將對揭示青光眼發病機製、提高其臨(lin) 床診治水平具有關(guan) 鍵性意義(yi) 。

　　力學是如何揭示青光眼發病機製的？

　　首先，如上文所述，在生理條件下，篩板前、後分別承受眼內(nei) 壓（IOP）與(yu) 顱內(nei) 壓（ICP）。二者形成的壓差是造成篩板變形的關(guan) 鍵力學因素。要研究力學環境變化對篩板變形的影響，就必須確定IOP與(yu) ICP之間的關(guan) 係。

　　醫學臨(lin) 床上對於(yu) IOP與(yu) ICP的關(guan) 係尚存爭(zheng) 議，沒有確切的關(guan) 係表達式。目前，現有研究多采用分段模型表征二者的關(guan) 係（圖4藍色虛線所示）。具體(ti) 而言就是，當IOP < 20mmHg時，ICP隨IOP增加而呈線性增加；當IOP > 20mmHg時，ICP隨IOP增加將不再發生變化。但該關(guan) 係式存在奇異性，即在IOP = 20mmHg時ICP的變化率不連續。由於(yu) IOP與(yu) ICP均為(wei) 液體(ti) 導致的壓力，二者的變化應具有連續性，所以分段模型並不能描述生理條件下IOP與(yu) ICP的變化規律。

　　在對前期研究與(yu) 臨(lin) 床實驗數據分析的基礎上，中科院力學所的研究人員提出了新的關(guan) 係式（圖4紅色實線所示）。該關(guan) 係式不僅(jin) 與(yu) 臨(lin) 床實驗數據更吻合，還克服了分段關(guan) 係式具有奇異性的缺陷。

　　圖7 IOP 與(yu) ICP 的關(guan) 係（圖片來源參考文獻[5]）

　　其次，中科院力學所的研究人員建立了一個(ge) 研究篩板變形的力學模型，研究了在IOP與(yu) ICP共同作用下篩板的變形以及纖維板層間錯動。

　　圖8將篩板豎向變形的理論模型計算結果與(yu) 實驗數據進行了對比，這裏展示了三個(ge) 不同理論模型的結果，其中的紅色曲線是新建模型的計算結果，黑色圓點則是已有的實驗結果。可以看出：新建模型的理論計算結果與(yu) 實驗結果吻合得最好，從(cong) 而驗證了該力學模型的正確性。

　　圖8篩板理論模型計算的豎向變形w結果與(yu) 實驗結果對比（圖片來源參考文獻[6]）

　　基於(yu) 這個(ge) 力學模型，研究人員進一步分析了篩板在變形前/後（before / after deformation）的性狀。重點研究了距離篩板邊緣較近（channel A）和較遠（channel B）的兩(liang) 個(ge) 代表性的篩孔。其中，篩孔內(nei) 有視神經纖維（Optic nerve fiber）穿過（圖9）。這個(ge) 模型看來很簡化，但它抓住了篩板的主要特征並可以給出重要的現象。

　　早在40年前，研究人員就曾猜想，在眼內(nei) 壓作用下，篩孔的形狀可能由圓柱變為(wei) “喇叭”狀，但一直缺乏相應的理論或者實驗證明。基於(yu) 該力學模型，中科院力學所的研究人員通過分析發現，在壓力作用下，由於(yu) 篩板各層徑向變形存在差異，使得篩板各層間發生了變形移位。在篩板邊緣的橫截麵上，篩孔均變形成為(wei) 扭曲的“喇叭”狀（圖9），從(cong) 而證明了持續了40年的關(guan) 於(yu) 篩孔形狀變化的猜想。該計算結果也揭示了篩孔形狀變化的力學機製。

　　其次，研究人員發現在篩板上、下表麵，中央區域孔口仍保存圓形，但邊緣區域孔口形狀變為(wei) 橢圓，該結果為(wei) 實驗觀測結果提供了理論解釋。最後，計算還表明篩孔邊緣存在應力集中。

　　這些篩板變形會(hui) 擠壓篩孔內(nei) 的視神經纖維軸突，阻斷軸漿運輸，影響神經細胞的正常生理活動，進而損害視網膜神經節細胞及其軸突，引起視野損害，形成青光眼杯。

　　上述結果進一步支持了青光眼視神經損害的機械學說，揭示了青光眼視神經損傷(shang) 機製。

　　圖9基於(yu) 力學模型得到的篩板變形結果（左）以及臨(lin) 床觀測得到的篩板邊緣處的篩孔形狀（右）（圖片來源參考文獻[6]）

　　此外，臨(lin) 床上的臨(lin) 界杯盤比（0.6）僅(jin) 僅(jin) 為(wei) 經驗值。中科院力學所的研究人員發現在臨(lin) 界杯盤比附近，篩板在徑向方向上的變形梯度最大，從(cong) 而為(wei) 臨(lin) 界杯盤比提供了物理解釋。

　　臨(lin) 床上大多數的青光眼的眼壓都會(hui) 升高，但是也有一種眼壓是正常的青光眼，稱之為(wei) 正常眼壓性青光眼。該模型的結果顯示，在相同壓差情況下，IOP越小，篩板的豎向變形反而越大，對視神經的損害也越大，從(cong) 而揭示了正常眼壓青光眼發病機製。

　　研究人員通過關(guan) 係式的提出以及力學模型的建立，幫助揭示青光眼視神經損傷(shang) 機製，為(wei) 提高青光眼的治療水平提供了重要參考。

　　青光眼的發病過程複雜，目前仍有諸多問題亟待解決(jue) 。例如，變形後的篩板如何擠壓、損傷(shang) 視神經乳頭以篩板變形對視神經血液循環的影響等問題仍無定論。此外，篩板在高眼壓作用下會(hui) 涉及不同尺度的響應，不僅(jin) 包括上述的篩板宏觀變形，還涉及篩板基質重構、細胞響應以及分子機製（圖10）。為(wei) 了全麵揭示青光眼發病機製，提高其治療、診斷水平，需要建立篩板的多尺度生物力學模型。

　　圖10高眼壓下篩板的多尺度力學響應（圖片來源參考文獻[7]）

　　針對青光眼這樣複雜的問題，需要多學科（如醫學、生物學、力學）參與(yu) 才能完成。其實，在科學發展過程中，很多問題不是單一學科能夠解決(jue) 的。

　　現代科學發展到今天，也誕生了越來越多的交叉學科，例如生物力學、生物化學、物理化學、生物物理等。這些交叉學科的不斷發展大大地推動了以往被專(zhuan) 業(ye) 學科所忽視的領域的研究，打破了專(zhuan) 業(ye) 化的壟斷現象，增加了各學科之間的交流，形成了許多新的學科。

　　以生物力學學科為(wei) 例，它是應用力學原理與(yu) 方法對生物體(ti) 中的力學問題定量研究的交叉學科。生物力學學科對於(yu) 探索生命科學的奧秘、解決(jue) 醫學學科中的疑難問題發揮了重要作用。當前重要的新興(xing) 產(chan) 業(ye) ，如康複工程、人工器官、生物醫學儀(yi) 器等產(chan) 業(ye) 的迅速崛起無不與(yu) 生物力學學科的貢獻息息相關(guan) 。

　　隨著現代科學技術的發展，越尖端、前沿的研究越需要突破單一學科的限製，多學科交叉和多領域協同研究的趨勢會(hui) 愈加明顯。

　　參考資料：

　　[1] https://www.mattaxneuprater.com/vision-services/glaucoma/

　　[2] https://www.stepwards.com/?page_id=6616

　　[3]https://www.intechopen.com/books/the-mystery-of-glaucoma/the-optic-nerve-in-glaucoma

　　[4] M. J. A. Girard, N. G. Strouthidis, A. Desjardins, et al., J. R. Soc. Interface, 2013, 10: 20130459.

　　[5] H. J. Tian, R. Q. Du, F. Song, Theor. Appl. Mec. Lett., 2016, 6: 148-150.

　　[6] H. J. Tian, L. Li, F. Song, Acta Biomater., 2017, 55: 340-348.

　　[7] L. Li, F. Song, Natl. Sci. Rev., 2020, 7: 1277-1279.

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