等等，你说可以用力学解释青光眼的致病机理？

在看到这个标题的时候，很多人第一反应是揉了揉眼睛，再读了一遍。是不是写错了？青光眼不应该是生物学、医学的研究课题吗？跟力学有什么关系？

但只要你仔细读下去，就会发现，要想治疗青光眼，还真离不开力学！这究竟是怎么回事呢？还要从现在青光眼的诊断和治疗困境说起。

什么是青光眼？

青光眼是一组以视神经乳头形成杯状凹陷、视神经萎缩、视野缺陷为共同特征的疾病。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数达到8000万。

我国是青光眼病高发国家。2020年，我国青光眼患者的人数达到2100万，占世界青光眼患者总数的1/4。其中，致盲人数达到567万。随着人口老龄化日益加剧，青光眼的患病率也将逐年增加。青光眼疾病不但严重影响患者的生活质量，而且给家庭与社会带来沉重的压力与负担。所以，搞清楚导致青光眼的致病机理，不仅是研究者责无旁贷的责任，也是老百姓翘首以待的愿望。

图1青光眼概况（图片来源：https://www.mattaxneuprater.com/vision-services/glaucoma/ 参考文献[1]）

根据前房角形态、病因机制及发病年龄，临床上通常将青光眼分为原发性青光眼、继发性青光眼与先天性青光眼三类。其中，根据房角开放与否，原发性青光眼又可分为开角与闭角两种类型（图2）。

图2开角型(open angle)与闭角型(closed angle)青光眼示意图（图片来源：https://www.stepwards.com/?page_id=6616 参考文献[2]）

各种类型的青光眼的临床表现及特点各不相同。例如，闭角型青光眼急性发作时，患者眼压会迅速升高，并通常伴随眼胀、眼痛、头痛、呕吐、虹视（看灯光出现“彩虹”样）、视力锐减等症状。

但是，大多数青光眼的疾病进展会比较缓慢（如开角型青光眼），在早期没有任何警告症状，随着病情的发展，视野逐渐缺损，到晚期时最终变为管状视野与颞侧视岛（图3），此时患者才能通过认知感觉到。因此，青光眼又被形象地称为“无声的视力盗贼（silent thief of sight）”。

图3青光眼病人视野恶化发展——无声的视力盗贼(Silent thief of sight)

（图片来源：自制）

当患者出现视力模糊、眼胀、头痛等症状时，青光眼已发展到中期或者晚期，此时已错过了最佳治疗时期，导致视力的永久性不可逆损害。因此，早检查、早发现、早治疗是青光眼的防治原则。

青光眼该如何检测与治疗？

当前，青光眼的检查方式主要包括：眼压检查、房角检查、视野检查与视盘检查。一般而言，在视野检查时，通过眼底镜、裂隙灯前置镜或眼底照相的方法，观察得到的“杯盘比”（视杯与视盘的纵向尺寸比）大小达到0.6即可定义为青光眼（图4）。

图4正常眼与青光眼的眼底照（图片来源：https://www.intechopen.com/books/the-mystery-of-glaucoma/the-optic-nerve-in-glaucoma 参考文献[3]）

不过青光眼的发病机理尚未完全明确，年龄、种族、近视眼、基因因素、继发因素都与青光眼发病因素有关。现已证实，青光眼的原发部位是视乳头内的结缔组织——筛板。眼部重要的血管和神经纤维就从筛板上的筛孔中穿过（图1、图5）。

筛板处于两个具有不同压力的腔体之间，其前方承受眼球内的压力，即眼内压（IOP），而后方承受颅内蛛网膜下腔的压力，即颅内压（ICP）。

图5眼球及视乳头筛板结构图（图片来源参考文献[4]）

随着研究的不断深入，大量证据表明，青光眼的病因很大程度上归因于两个最重要的力学因素——眼内压及其诱导的筛板变形：高眼内压会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，通过药物治疗、激光治疗、手术治疗和辅助治疗来控制眼内压是缓解青光眼发展的唯一有效途径(图6)。

图6青光眼治疗手段（动画来源：https://www.mattaxneuprater.com/vision-services/glaucoma/ 参考文献[1]）

由此可见，青光眼致病机制研究是一个不折不扣的力学问题。由于技术的限制，人们还无法对筛板进行实时原位观测。如果能够构建眼内压作用下筛板变形及响应的力学模型，将对揭示青光眼发病机制、提高其临床诊治水平具有关键性意义。

力学是如何揭示青光眼发病机制的？

首先，如上文所述，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。要研究力学环境变化对筛板变形的影响，就必须确定IOP与ICP之间的关系。

医学临床上对于IOP与ICP的关系尚存争议，没有确切的关系表达式。目前，现有研究多采用分段模型表征二者的关系（图4蓝色虚线所示）。具体而言就是，当IOP 时，ICP随IOP增加而呈线性增加；当IOP > 20mmHg时，ICP随IOP增加将不再发生变化。但该关系式存在奇异性，即在IOP = 20mmHg时ICP的变化率不连续。由于IOP与ICP均为液体导致的压力，二者的变化应具有连续性，所以分段模型并不能描述生理条件下IOP与ICP的变化规律。

在对前期研究与临床实验数据分析的基础上，中科院力学所的研究人员提出了新的关系式（图4红色实线所示）。该关系式不仅与临床实验数据更吻合，还克服了分段关系式具有奇异性的缺陷。

图7 IOP 与ICP 的关系（图片来源参考文献[5]）

其次，中科院力学所的研究人员建立了一个研究筛板变形的力学模型，研究了在IOP与ICP共同作用下筛板的变形以及纤维板层间错动。

图8将筛板竖向变形的理论模型计算结果与实验数据进行了对比，这里展示了三个不同理论模型的结果，其中的红色曲线是新建模型的计算结果，黑色圆点则是已有的实验结果。可以看出：新建模型的理论计算结果与实验结果吻合得最好，从而验证了该力学模型的正确性。

图8筛板理论模型计算的竖向变形w结果与实验结果对比（图片来源参考文献[6]）

基于这个力学模型，研究人员进一步分析了筛板在变形前/后（before / after deformation）的性状。重点研究了距离筛板边缘较近（channel A）和较远（channel B）的两个代表性的筛孔。其中，筛孔内有视神经纤维（Optic nerve fiber）穿过（图9）。这个模型看来很简化，但它抓住了筛板的主要特征并可以给出重要的现象。

早在40年前，研究人员就曾猜想，在眼内压作用下，筛孔的形状可能由圆柱变为“喇叭”状，但一直缺乏相应的理论或者实验证明。基于该力学模型，中科院力学所的研究人员通过分析发现，在压力作用下，由于筛板各层径向变形存在差异，使得筛板各层间发生了变形移位。在筛板边缘的横截面上，筛孔均变形成为扭曲的“喇叭”状（图9），从而证明了持续了40年的关于筛孔形状变化的猜想。该计算结果也揭示了筛孔形状变化的力学机制。

其次，研究人员发现在筛板上、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了理论解释。最后，计算还表明筛孔边缘存在应力集中。

这些筛板变形会挤压筛孔内的视神经纤维轴突，阻断轴浆运输，影响神经细胞的正常生理活动，进而损害视网膜神经节细胞及其轴突，引起视野损害，形成青光眼杯。

上述结果进一步支持了青光眼视神经损害的机械学说，揭示了青光眼视神经损伤机制。

图9基于力学模型得到的筛板变形结果（左）以及临床观测得到的筛板边缘处的筛孔形状（右）（图片来源参考文献[6]）

此外，临床上的临界杯盘比（0.6）仅仅为经验值。中科院力学所的研究人员发现在临界杯盘比附近，筛板在径向方向上的变形梯度最大，从而为临界杯盘比提供了物理解释。

临床上大多数的青光眼的眼压都会升高，但是也有一种眼压是正常的青光眼，称之为正常眼压性青光眼。该模型的结果显示，在相同压差情况下，IOP越小，筛板的竖向变形反而越大，对视神经的损害也越大，从而揭示了正常眼压青光眼发病机制。

研究人员通过关系式的提出以及力学模型的建立，帮助揭示青光眼视神经损伤机制，为提高青光眼的治疗水平提供了重要参考。

青光眼的发病过程复杂，目前仍有诸多问题亟待解决。例如，变形后的筛板如何挤压、损伤视神经乳头以筛板变形对视神经血液循环的影响等问题仍无定论。此外，筛板在高眼压作用下会涉及不同尺度的响应，不仅包括上述的筛板宏观变形，还涉及筛板基质重构、细胞响应以及分子机制（图10）。为了全面揭示青光眼发病机制，提高其治疗、诊断水平，需要建立筛板的多尺度生物力学模型。

图10高眼压下筛板的多尺度力学响应（图片来源参考文献[7]）

针对青光眼这样复杂的问题，需要多学科（如医学、生物学、力学）参与才能完成。其实，在科学发展过程中，很多问题不是单一学科能够解决的。

现代科学发展到今天，也诞生了越来越多的交叉学科，例如生物力学、生物化学、物理化学、生物物理等。这些交叉学科的不断发展大大地推动了以往被专业学科所忽视的领域的研究，打破了专业化的垄断现象，增加了各学科之间的交流，形成了许多新的学科。

以生物力学学科为例，它是应用力学原理与方法对生物体中的力学问题定量研究的交叉学科。生物力学学科对于探索生命科学的奥秘、解决医学学科中的疑难问题发挥了重要作用。当前重要的新兴产业，如康复工程、人工器官、生物医学仪器等产业的迅速崛起无不与生物力学学科的贡献息息相关。

随着现代科学技术的发展，越尖端、前沿的研究越需要突破单一学科的限制，多学科交叉和多领域协同研究的趋势会愈加明显。

参考资料：

[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.