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力学所在青光眼致病机理研究中获进展

2020-09-25 力学研究所
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  青光眼被形象地称为“无声的视力盗贼”(silent thief of sight)。已有研究证实,青光眼的原发部位是视乳头内的结缔组织——筛板,但青光眼的发病机理尚未完全明确。究其病因,很大程度上归因于两个力学因素——眼内压及其诱导的筛板变形:高眼内压导致筛板结构与形态发生变化,进而挤压穿过筛板的视觉神经,造成视觉神经损伤,产生不可逆的视觉损失。目前,控制眼内压是控制青光眼发展的有效途径。但技术的限制使目前无法实时原位观测筛板。因此,如果能够构建眼内压作用下筛板变形及响应的力学模型,将有利于揭示青光眼发病机制、提高其临床诊治水平。

  中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室(LNM)“生物及仿生材料力学”课题组研究员宋凡等围绕青光眼视神经损伤机制,通过建立筛板力学模型开展研究工作,取得系列研究成果。

  在生理条件下,筛板前、后分别承受眼内压(IOP)与颅内压(ICP),二者形成的压差是造成筛板变形的关键力学因素。医学临床上对于IOP与ICP的关系尚存争议,无确切关系式。目前,现有研究多采用分段模型表征二者的关系(图1),但该关系式存在奇异性,暗含ICP变化率不连续等与生理规律不符的特性。在分析前期研究与临床实验数据基础上,研究人员提出修正关系式:ICP = 10erf(0.088×IOP),以描述IOP与ICP的关系。该修正关系式弥补已有关系式的缺陷,与临床试验更加吻合(Theor. Appl. Mec. Lett. 2016,6:148-150)。

  研究人员采用考虑剪切变形的Reissner型平板理论,建立筛板变形的力学模型,理论计算结果与实验结果相吻合(图2)。通过分析筛板变形,研究发现:(1)在横截面上,筛孔均变形成为扭曲的“喇叭”状,解释了此前提出的关于筛孔形状变化的临床结果的缘由;(2)在筛板上下表面,中央区域孔口仍保存圆形,但边缘区域孔口形状变为椭圆,该结果为实验观测结果提供理论解释;(3)筛孔边缘存在应力集中。上述研究结果进一步支持青光眼视神经损害的机械学说,揭示青光眼视神经损伤机制,为临界杯盘比提供物理解释(Acta Biomater. 2017,55:340-348)。

  在前期研究基础上,宋凡等在《国家科学评论》(National Science Review)发表论文,针对青光眼原发部位——筛板,分析筛板生物力学研究中的科学问题、研究现状和发展机遇。分析筛板结构、性质及所处的力学微环境;介绍相关力学模型构建的研究进展,讨论基于该力学模型获得的高眼压作用下筛板在不同尺度上的响应,包括筛板的整体变形、基质重构、细胞响应及分子机制(图4)。

  在已有研究基础上,针对目前青光眼致病机制研究及其诊断、治疗所面临的挑战,研究人员提出应重点关注的研究方向:构建力学模型,以准确反映视神经和毛细血管在高眼压下的损伤演变;确定在杯盘比临界点附近,视神经和毛细血管变形与损伤的关系;探索筛板变形中涉及的应力集中问题与流固耦合问题,确定筛板的各向异性粘弹性本构关系。

  该研究提出建立筛板的多尺度生物力学模型,有利于进一步揭示青光眼发病机制,提高其治疗、诊断水平。(Natl. Sci. Rev,2020,7:1277-1279)。

  博士田晗菁(已毕业)(Theor. Appl. Mec. Lett. 2016;Acta Biomater. 2017)、助理研究员李龙(Natl. Sci. Rev,2020)为上述研究论文的第一作者,宋凡为论文通讯作者。研究工作得到国家自然科学基金、中科院战略性先导科技专项(B类)、国家重点研发计划等的资助。

图1.IOP与ICP的关系

图2.筛板理论模型计算挠度w结果与实验结果对比

图3.基于Reissner型平板理论得到的筛板变形结果

图4.高眼压下筛板的多尺度力学响应

打印 责任编辑:张芳丹

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