近视眼巩膜胶原的研究现状

作者：李涛,王超英,刘迎庆

【摘要】  　　病理性近视常引致视功能不可逆性损害。通过对实验性近视眼和人类近视眼研究发现，巩膜胶原变化与该病发生、发展关系密切。本文就胶原结构、力学特性、近视眼及后巩膜加固术后胶原变化等方面进行综述。

【关键词】  病理性近视；巩膜；胶原　　病理性近视是以视功能不可逆性损害、眼轴延长、视网膜、脉络膜进行性损害为特点的慢性眼病，据文献报道其世界人口患病率为０.３％~９.６％，亚州人群可高达１６％［１］。多数学者认为其原因为遗传和多种先天性、后天性因素引起巩膜质地异常、巩膜代谢紊乱造成巩膜变薄，相对不能承受眼内压而扩张，进而引起眼球形态改变［２］。巩膜主要由胶原纤维束构成，在生理、病理情况下对限制眼轴延长有重要作用。动物实验性近视眼和人类近视眼的巩膜均有胶原纤维的改变或异常，故巩膜胶原的变化与近视的发生、发展关系密切。

    １  胶原概述

    细胞外基质由胶原、结构性糖蛋白及蛋白多糖等复杂成分构成，它们不但起支架作用，且有特殊生理功能。各种基质间关系密切，共同维持组织精细结构和微环境，控制着一定的生理活动。细胞与基质相互作用才能完成细胞特定功能［３］。

    胶原分子作为细胞外基质中的重要组成部分，属大分子蛋白质，ＨＥ染色胶原呈粉红色，其超微结构单位是胶原原纤维，而形成胶原原纤维的基本单位则是胶原蛋白，胶原蛋白（或称胶原）是由三条?琢多肽链形成的三股螺旋结构，这也是胶原蛋白的基本特征。这种三螺旋结构可作为分子杆物理性分解蛋白质内球形区，其侧链的不同决定了不同类型胶原分子的相应功能，迄今在人类已发现的胶原亚型共有２１种［４~６］，具有种属差别。

    超分子聚合力强是胶原的特性。在旋转喷涂复型法透射电镜下可见到单体、二体、三体、四体和八体等超分子聚合形态。各型胶原的聚合方式不同，决定了它们功能各异。

    ２  正常人眼巩膜胶原的分布及功能

    人眼巩膜由细胞外基质及少量细胞组成，胶原纤维是细胞外基质的重要组成部分，约占巩膜干重的７５％。结构上其致密交错呈网状，故在眼球壁的三层组织中，巩膜是对眼内压抵抗力最强的一层。巩膜浅层胶原纤维的直径为１６６ ｎｍ，深层为１００ ｎｍ。在眼球的不同部位，胶原纤维束排列的方式不同：在眼球前部近角膜缘处、眼球后部视乳头周围，包括睫状后短动脉及神经穿入巩膜的部位，胶原纤维束呈环形排列，少部分呈网状，适于作为力的支点、眼外肌附着；从眼球前部近角膜缘至眼球后部的近巩膜筛板，胶原纤维束排列的总趋势为前后方向（子午线方向），其中后极部巩膜网状纤维较多，有一定的可扩张性［７］。

    巩膜中胶原亚型主要为Ｉ、ＩＩＩ 、ＩＶ型，Ｉ型分布于眼球赤道与后极部之间，占巩膜总胶原的绝大部分，与ＩＶ型胶原侧相连，使巩膜具很强韧性，故胶原对于维持眼球形态结构起到重要作用［８］。

    ３  近视眼巩膜胶原的变化

    Ｂｅｌｌ等［９］认为，有四个因素决定了巩膜是否成比例扩张发展为正视眼，或超前发展为高度近视葡萄肿，这些因素有：巩膜厚度、巩膜胶原状态、胶原纤维交织相连的程度及温度对巩膜的影响。胶原变化直接影响巩膜的功能，而其功能之一是为支持视觉、眼内血管、分泌、神经组成，提供稳定的框架结构，另外，发育眼的大小、形状也取决于巩膜对眼内压的抵抗力［１０］。

    ３.１  胶原组织学变化

    ＭｃＢｒｉｅｎ等［１,４］用电镜对比了正常人的巩膜和高度近视后巩膜葡萄肿的巩膜发现：近视眼巩膜变薄，胶原积聚减少，胶原组织丢失，巩膜纤维生长，组织排列紊乱，胶原原纤维直径减小，长度缩短，纵向纤维条纹丢失，原纤维分布弥散，巩膜横断面中异常锯齿样、星状原纤维数量增多，直径极细的纤维群占优势。正常巩膜纤维以交织和板层两种形式存在，交织状态占优势，而近视眼多为板层结构，比正常眼薄，造成胶原纤维可伸展性增大，巩膜变薄与胶原纤维束变薄、分离及直径减少有关。树鼠及猴的诱导性近视眼胶原纤维改变类似于人眼。 Ｂｅｌｌ等［９］报道，利用超微切片法发现在高度近视眼巩膜胶原纤维呈进行性破坏，表现为胶原纤维直径缩小，分裂明显，呈梳子状或毛刷状，胶原结构稀疏，“胶原复合体”中央区变得稀疏（在正常巩膜，该复合体位于成纤维细胞附近，中心致密，周边稀疏）。另外，成纤维细胞有吞噬细胞的功能，在成纤维细胞的胞质内含有破坏胶原纤维的吞噬体,这些变化的直接后果是巩膜变薄，造成近视发展。

    在豚鼠形觉剥夺性近视眼中，巩膜胶原构架主要是在胶原纤维部位有超微结构的规律性变化，表现为原纤维分解，分解程度随近视度数加深而增大，高度近视时达到最大限度。除此之外，还有胶原纤维完全分解、纤维间区域增大，均加重巩膜变薄，故巩膜胶原纤维的改变可能决定近视的发生与发展，巩膜是重要的发病环节［１１］。

    ３.２  胶原含量变化

    巩膜的主要成分是胶原，胶原占哺乳动物巩膜干重的９０％，而羟脯氨酸（Ｈｙｐ）是胶原组织的主要成分之一，约占胶原氨基酸总量的１３％，胶原以外的其他蛋白，除弹性蛋白含少量Ｈｙｐ（约为１％）外，均不含Ｈｙｐ，因此，组织的Ｈｙｐ含量测定已成为衡量人体或其他有机体组织胶原含量的特异性指标［１２］。胡文政等［１２］通过建立豚鼠形觉剥夺性近视模型发现实验性近视眼前部和后部巩膜的Ｈｙｐ含量差异显著，主要是后极部Ｈｙｐ含量减少，即后极部的巩膜胶原在近视的发病中首先受到影响。形觉剥夺主要使后极部胶原减少是因为巩膜从前到后的发育模式，即巩膜发育过程中，前部巩膜较后部更接近成熟期，故胶原形成受到影响先发生在较不成熟的后部巩膜，指出巩膜胶原代谢障碍是高度近视的病因之一。在发育期的树鼠，Ⅰ型胶原ｍＲＮＡ水平在后极部巩膜较高，赤道前较低，表明在发育期前巩膜更成熟，故形觉剥夺主要影响不太成熟的后巩膜［１２］。在人眼，大部分巩膜在６岁之前发育至成年厚度，但后极部巩膜继续增厚至１３岁。如某些过程干扰了这种较晚发育的后部巩膜胶原层的形成，导致该区抗压性不足，将形成葡萄肿［13］。

    鸡眼巩膜与人类不同，由浅层纤维层和深层软骨层组成。鸡诱导性近视眼软骨层增厚，纤维层变薄，但巩膜总厚度不变，提示鸡近视眼眼轴延长不是源于巩膜被动牵拉，而是存在巩膜主动生长与重塑。如排除其软骨层胶原的影响，其纤维层变薄与哺乳动物结果一致［１４，１５］。

    ３．３  与近视有关的胶原基因

    病理性近视患者ＨＬＡ０５０１／０５０１纯合子频率增高，其附近存在胶原基因ＣＯＬＬ１１Ａ２可能为病理性近视的致病基因。另外，两种并发高度近视的常染色体显性遗传病的相关基因被认为是病理性近视的侯选基因：Ｓｔｉｃｋｌｅｒ综合征Ｉ型（遗传性进行性关节眼病综合征），由胶原２Ａ１突变引起，该基因突变使蛋白质合成提前终止，导致胶原纤维生物合成数量缺陷。另一种为Ｍａｒｓｈａｌｌ综合征（非典型外胚叶发育异常综合征），其位于１ｐ２１编码Ｘ１型胶原纤维的ＣＯＬ１１Ａ１基因突变［８］。

    另外，Norton等[16]，Siegwart等[17]通过动物实验发现，视觉环境、视觉刺激信号可选择性调控基质金属蛋白酶及基质金属蛋白酶抑制剂的基因表达进而控制巩膜重塑，从而影响巩膜力学特性、眼轴延长及屈光状态。

    3．4  近视胶原亚型的改变  在哺乳动物形觉剥夺性近视眼，Ⅰ型胶原含量减少，Ⅲ、Ⅴ型胶原含量无明显变化，致Ⅲ/Ⅰ、Ⅴ/Ⅰ比值增大，表明近视眼巩膜胶原沉积减少是胶原合成减少与胶原降解增加共同作用的结果。胶原合成的改变直接受Ⅰ型胶原产量下降的影响。Ⅲ/Ⅰ、Ⅴ/Ⅰ比值增大可增加巩膜小直径胶原纤维数量，而这些最终将加速巩膜葡萄肿的发展[18]。

４  胶原的生物力学及其与近视的关系

    胶原纤维对人体组织有增强作用，在拉伸时，这些纤维既强又硬，约有１００ ＭＰａ的断裂强度。胶原存在于围绕细胞的细胞外基质中，细胞对组织的活性起着关键作用，但细胞在力学性能上很弱，细胞外基质对组织的强度起着关键作用，其中胶原纤维具有拉伸增强作用，当胶原纤维排列方向与外加应力方向相近时，这些外加的力将被纤维中的恢复应力所抵抗［１9］。

    胶原纤维也对组织的韧性起作用，当材料被损伤时，韧性是一种抵抗应力的能力。断裂一般开始发生于细胞外基质中较弱的胶体内，往往不沿组织传播，这正是由于具有较高强度的胶原纤维使其转向［20］。

    胶原纤维为黏弹性体，有明显的滞后、应力松弛特性，很小的应变就会引起很高的应力，刚性很强。在拉伸实验中，胶原纤维开始稍有伸长，随着载荷增加，其强度迅速增大直至到达屈服点，其后发生非弹性变形。正常情况下，胶原纤维的变形范围为６％~８％，破坏时最大应变只有１０％~１５％，故其韧性大，抗张力强。胶原纤维的力学特性以其正常结构为物质基础。形成胶原纤维的任一环节发生改变都可引起胶原合成减少或结构变异，从而引起胶原纤维的力学特性发生异常。

    器官的生物力学特性取决于它的组织结构，如胶原纤维、弹性纤维、蛋白多糖、实质细胞的多少及空间排列情况。生理情况下，各器官胶原纤维排列方式不同，但其排列方式均与器官功能相适应。在生长发育、创伤修复和某些病理过程中，由于应力的变化，胶原纤维的合成与聚合发生适应性改变，包括数量和直径变化、各型胶原含量变化和空间排列的重建，从而引起器官力学性质变化。总之，胶原纤维的多少、粗细、排列直接影响器官的力学性质；反之，器官力学性质的改变对胶原纤维的形成也有调节作用［21］。

    虽然鸟类与哺乳动物巩膜在解剖上不同，但在实验性近视眼中，二者细胞外基质合成增加，伴蛋白水解酶活性变化，导致Ⅰ型胶原纤维的重塑，其强度改变使巩膜扩张性受到影响。在树鼠长期诱导性近视眼，后部巩膜小直径胶原纤维数量有增长，与人眼结果一致，小直径纤维可降低组织紧张度，使巩膜基质对内在力学压力（眼内压）的抵抗力降低，进而减弱巩膜的生物力学，这可能是近视眼屈光不正变化与后葡萄肿形成的原因［22］。

    ５  后巩膜加固术后胶原变化

    作为针对病理性近视病因进行治疗的后巩膜加固术，是在巩膜变薄的部分，用不同种类的加固材料对其加固，增强这一部位球壁，防止眼轴进一步延长，保护已损害的视网膜、脉络膜，以达到稳定屈光度、阻止视功能进一步恶化的目的。术后胶原变化从以下两方面阐述：

    ５.１  胶原产生及替换

    加固术本身及加固条带均可造成宿主局部损伤，进而引起伤口炎症反应，当急性炎症反应消退后形成肉芽组织，这些肉芽组织围绕植入物形成纤维囊，包括毛细血管、成纤维细胞、慢性炎细胞等，其中成纤维细胞分泌胶原，胶原在组织内沉积，随时间进展，胶原与组织功能相适应，Ⅰ型胶原替代Ⅲ型胶原，而后胶原沉积逐渐减少，达到稳态，此时排斥反应最小。Ⅰ型胶原是致密纤维组织中最主要的间质胶原，胶原粗大，排列整齐，强度大，抗张力强，适于牵拉变形，吸收传递应力；Ⅲ型胶原纤维细小，呈网状，抗张力弱，被认为是一种伤后的初期胶原。Ⅰ型胶原替代Ⅲ型胶原后，组织抗张力增大，对眼内压的抵抗力增强。

    加固物周围纤维囊形成是机体对异体的生物学反应，不能被消除，其最终的平衡状态以纤维囊基质内Ⅰ型胶原代替Ⅲ型胶原为特征。不同加固条带术后Ⅰ型胶原替换Ⅲ型胶原的比例各不相同：多孔加固材料允许细胞长入，增加了植入物的稳定性，其周纤维囊的胶原为Ⅰ型，无Ⅲ型；而固体加固条带基本无细胞长入，在术后的很长时间内可在囊壁内进行微小运动，术后纤维囊的胶原主为Ⅰ型，仍有少量Ⅲ型，成纤维细胞继续进行胶原沉积，故多孔条带稳定性大于固体条带，能更早达到稳态［２3，２4］。

５.２  胶原重建与伤口愈合

    后巩膜加固术后，新生成的胶原原纤维直径小，胶原原纤维及纤维细胞呈无定向、杂乱无章的随机排列，组织抗张力低，随时间延长，原纤维直径增加，排列趋于平行应力方向，变得有组织条理性，因氢键形成及分子间共价连接更加稳定，原纤维集结成胶原纤维，胶原密度升高，纤维对酶的抵抗力增强，纤维间交叉连接成熟，这一过程称为胶原的重建。重建后的组织张力强度增大。在此过程中，力学刺激起了重要作用。在缺少张力时，再生组织可长期保持随机排列的外观，当功能活动恢复及轴性张力开始起作用时，胶原纤维会加快沿张力的应力线重新排列，组织排序具一定条理性后就能承受更大张力负荷，此张力再对胶原排列及组织重塑起任用，如此循环，直至组织恢复接近正常的结构［２5］。

    ６  结语

    因胶原在病理性近视的产生、发展中起到了重要作用，有关胶原的研究也不断深入，但仍有许多问题待解决：胶原与其他细胞外基质间如何协调作用控制巩膜生长？巩膜功能受胶原含量及胶原亚型变化的双重影响，后巩膜加固术后各型胶原的变化规律是什么？除免疫组化法、偏振光显微镜法可定性区分胶原亚型外，有无精确定量测定各型胶原的实验方法等。随着相关研究的进展，人们对近视胶原的认识必将更加全面，从而对如何预防近视、如何阻止近视进展起到积极作用。