004 角膜与氧气 - 角膜接触学

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004 角膜与氧气

2009-11-28 14:52:16 来源:网络作者: 【大中小】浏览:54635次评论:0条

一、角膜氧供的来源和作用
角膜的完整性需要：①足够的氧气。维持角膜正常功能需要15~20.9%的氧分压，防止上皮有丝分裂受到抑制需要的氧分压不低于1%，8%的氧分压可以防止角膜敏感度下降，5%的氧分压防止糖原耗竭。②及时清除CO2，对于避免pH和代谢的改变是必要条件。③适量的葡萄糖是角膜代谢的物质基础。
（一）角膜氧的来源
1．氧气在大气中的分布氧气在地表大气中的比例大约为21%，大气中的主要成分是体积比占78%的氮气。在标准大气压（温度15°C，压强为760mmHg）下，氧分压（PO2）为156.54mmHg，通常用的PO2近似值为155mmHg。
2．眼睛的氧供睁眼时，角膜上皮主要通过大气中的氧溶解到泪膜中获取氧供，也有部分来自于角巩缘和睑结膜血管，然后传送到角膜基质。角膜内皮的氧主要来源于房水，然后弥散到角膜基质。
闭眼时，来自大气的氧供基本中断，而仅能从睑结膜血管、房水、角巩缘血管获取氧。闭眼时氧分压大约为55mmHg，闭眼8小时后角膜水肿量为3.5%（不戴镜），睁眼后水肿快速消退。眼睛闭合的影响包括氧供减少、泪液渗透压下降、CO2张力（分压）上升、泪液和角膜基质pH下降、角膜温度上升（37°C）等（图1-8）。

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3．影响氧供的因素
（1）海拔高度：在海平面氧气占空气的21%，即氧气的分压近似为155mmHg。当海拔高于海平面时，虽然氧气在大气混合气体中所占的比例不变，但是因为混合气体的总压下降了，所以氧分压随之下降。角膜获得的实际氧气减少了，如果此时戴上接触镜（该镜片在海平面时是能提供足够的氧气从而避免水肿的发生），则诱发水肿发生可能性增大。因此除考虑镜片的透氧性以外，还须考虑海拔高度（图1-9）。
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（2）接触镜配戴：接触镜直接影响了大气与角膜之间的气体交流，与镜片有关的影响因素包括镜片材料、厚度、配适状况等，将在其他部分阐述。
（二）角膜氧的作用
角膜需要葡萄糖、氨基酸、氧来进行正常的代谢活动。角膜无血管，其营养物质和氧主要自泪液、房水和通过泪液的大气。如果氧供不足，角膜需氧代谢平衡就会丧失，角膜中的糖原储备将迅速耗竭，乳酸聚积，发生失代偿。由于角膜组织渗透压负荷增加，导致角膜上皮和基质水肿。由此可见角膜的健康与其氧供休戚相关。角膜糖代谢的主要形式有：有氧代谢，无氧糖酵解和磷酸戊糖途径（图1-10）。
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1．有氧代谢角膜各层均可由大气获得氧。由于氧的脂溶特性，它容易透过角膜上皮和内皮，另外还可由角膜扩散到房水。角膜摄取的氧主要被上皮和内皮消耗，这两层的QO2（氧系数，即每小时每微克组织摄取的氧微升数）比基质层高25~30倍，角膜上皮每1cm×1cm每小时从大气中摄取氧约4.8μl；如按组织体积计算，内皮比上皮耗氧速度快5倍。除直接来源大气外，角膜上皮的氧来自角膜瓣泪膜或角巩膜缘毛细血管；眼睑闭合时，还可来自睑结膜的毛细血管，内皮的氧可来自房水。
泪液中的氧张力为20.7kPa；房水的氧主要由虹膜血管供给，氧张力为7.3kPa，所以二者间存在一个梯度，为保证其正常功能，角膜需要氧张力3.3~4kPa，最低甚至可到2~2.7kPa的临界范围，低于此，角膜即发生水化和肿胀。
角膜糖的有氧代谢是通过三羧酸循环生成CO2和H2O。三羧酸循环，通过利用丙酮酸和氧，每分子葡萄糖能产生36分子ATP，所以上皮含有的ATP和氧化酶远较基质层高，而乳酸量仅1~3μg/（h·mg）干重，角膜之所以能保持透明，有氧氧化起到重要作用。
2．无氧糖酵解无氧酵解是角膜葡萄糖分解的重要形式。无氧酵解时，每分子葡萄糖转变成两分子乳酸，并生成两分子ATP，通常角膜上皮的乳酸含量高于基质层；乳酸由角膜输入房水，所以房水中乳酸较多。
3．磷酸戊糖途径角膜上皮的葡萄糖可以通过此途径代谢，经6-磷酸葡萄糖生成5-磷酸核糖和NADPH,最终生成磷酸丙糖，再代谢为丙酮酸，丙酮酸转化为乳酸，或参与三羧酸循环氧化。NADPH是角膜上皮合成脂类时所必需；产生的磷酸核糖被用以合成核糖。

二、角膜氧供需指标
低氧传导性会导致角膜生理改变，如产生上皮微囊、内皮多形变，角膜pH改变（如果二氧化碳潴留，会出现酸化）、角膜水肿、角膜内皮油滴状改变等。
配戴接触镜时的角膜氧供情况的描述或测量指标有：
①离体测量：如Dk和Dk/t。②在体（间接）测量：如临界氧需求（COR）和等效氧分压（EOP）等。
（一）氧通透性（Dk）和氧传导性（Dk/L或Dk/t）
Dk是描述镜片材料对氧通透的物理指标，是接触镜材料的一个非常重要的属性，是材料本身的固有属性，和镜片厚度、后顶点度数（BVP）无关。要提高材料透氧率需要较高的温度、减少材料聚合物的交联结构、或增大大气压。
Dk/L或Dk/t是描述接触镜片传导氧气的能力，其中L或t代表镜片中央厚度或者局部厚度，不仅受Dk值的影响，还受镜片厚度的影响，与临床关系较Dk更为密切。氧气通过镜片的传导和泪液泵的作用到达角膜，Dk/L是大致估计接触镜传导氧气到达角膜能力的指标。Dk/L用于描述接触镜对角膜氧供的影响，也有人用其他方法来表示。
气体通过硬性接触镜到达角膜表面的途径有：①气体首先溶解到镜片前表面，然后弥散入镜片材料基质；②气体到达镜片后表面后离开，溶解到镜后泪膜并到达角膜表面。
气体通过软性接触镜则不同，气体经材料中的水分传递，因此受材料含水量的影响。聚合物材料中的水分为结合水和自由水，只有自由水才能传递气体所以结合水/自由水比率非常重要。
硅水凝胶是一种较好的接触镜材料，其氧通透性很高，在材料基质中存在许多微小“通道”使得气体分子、离子和水分子可比较自由地通过镜片，使得氧通透性不必受镜片材料含水量的限制。
（二）临界氧需求（COR）
临界氧需求，即为能维持角膜正常生理的最低氧压，一般用Dk/L值来表示，临床上常用字的参数是根据Holden和Mertz在1984的研究资料获得的，如：
1．理想日戴值 24×10-9（cm×ml O2）/（sec×ml×mmHg）
2．理想长戴值 87×10-9（cm×ml O2）/（sec×ml×mmHg）
3．可接受长戴值 34×10-9（cm×ml O2）/（sec×ml×mmHg）
可接受长戴值是指戴镜过夜角膜水肿不超过8%时所需的最小Dk/L值。
（三）等效氧分压（EOP）
EOP表达配戴镜片后角膜面实际的氧分压，以测量不同的接触镜在角膜上产生的缺氧压力的方法而获得，具体测量方法多种，常见的是测量正常的眼耗氧速率，即在将眼睛暴露于用潜水镜制造的已知缺氧气体（包括氮气）中测量一系列的消耗决定因素，在戴镜结束后立即测量氧气消耗速率，通过比较镜后结果和气体系列结果得出镜片的EOP。
（四）配戴接触镜时的角膜氧需求
1．日戴为使角膜水肿为零，需要Dk/L=24.1±2.7×10-9，为9.9%。这个指标一般现在许多软镜和RGP接触镜都可以达到。
普通软镜中央厚度分别为0.13mm、0.07mm和0.03mm时，配戴8小时后角膜水肿各为8%、5%和1%。而含水量为75%的水凝胶软镜，配戴同样长时间后角膜水肿为2%（中心厚度0.3mm）和0.5%（中心厚度0.15mm）。低Dk/L值的RGP镜片引起的为3~4%，中Dk/L者为1%，高Dk/L的为0。
2．过夜配戴要使角膜水肿不超过4.0%，Dk/L至少为87；水肿减少到3.5%，则要求Dk/L在107以上；如将水肿减到3.2%以下，则要有至少125的Dk/L值。

三、接触镜对角膜氧供求的影响
上皮前表面到底需要多少氧气才能保证角膜正常的呼吸、营养和细胞活动，这是角膜和接触镜研究者日益重视的研究课题。在正常的氧环境，如在海平面，大气中氧含量为21%，即氧分压为155mmHg，此时维持正常的代谢，在该氧水平，角膜上皮表面可以获得足够的氧而避免产生水肿和其他生化、生理改变。当闭眼时，或者当配戴接触镜时，氧气的利用率将下降，保证角膜健康的关键是确定角膜的临界氧，即氧气下降到该值以下将会出现角膜功能异常（表1-1）。同时个体之间存在差异。
表1-1 保持正常角膜生理所需要的最低氧需求
指标最低氧分压（%）指标最低氧分压（%）
角膜肿胀日戴9.9%，长戴落17.9%
上皮有丝分裂 13.2%
上皮愈合 10.4%
角膜敏感度 8%糖原耗竭 5%
内皮油滴状改变 15~16.6%
神经末梢密度 9~10%
环境氧分压（20.946±0.002）%

接触镜造成的缺氧对角膜的影响
1．角膜水肿缺氧状态下无氧代谢增加，导致乳酸聚积产生水肿，并因日戴或配戴过夜等配戴方式而不同。并受镜片厚度、镜片含水量、度数和最低泪液交换量的影响。镜片的配适特征对于氧供有重要影响。
角膜水肿是乳酸聚积产生的渗透压梯度引起的，由于很多镜片甚至不能达到日戴所需的必要的Dk/L，许多配戴者会有轻度角膜水肿，但无临床表现，上述状况在戴镜过夜或戴镜时间过长时更加严重。
角膜水肿反应被广泛用来评价配戴接触镜后角膜的氧供水平。当接触镜不能提供给角膜以足够的氧气时，角膜水肿就会发生，但是水肿反应因个体适应状况和测量的时间而异。此外，许多因素，如睁眼闭眼对角膜水肿也产生明显作用。
在配戴同样材料接触镜时，角膜水肿反应的个体差异非常大，尤其是配戴镜片过夜。当然可以将不同透氧性的镜片配戴在同一个患者的角膜上来测定角膜的水肿反应，通过这种方法，算出个体患者日戴或长戴最低需氧量。
除了个体之间的差异外，同样镜片材料、不同度数透氧性也有差异，如高负度数镜片比低负度数产生的中央水肿明显，这说明前者有较大的平均厚度（边缘较厚）；如由于镜片形状的差异，镜片下氧的利用从中央到周边有差异；研究也发现多年长戴患者对镜片材料的水肿反应比新配戴者的少。
2．角膜pH 可用荧光测定法进行测定。导致pH下降即酸度升高的主要原因是眼睛闭合、缺氧、接触镜配戴等。酸度过高可出现内皮油滴状改变反应。
维持正常的pH，角膜上皮需要21%的氧分压，内皮/房水需要8%的氧分压。
3．上皮有丝分裂配戴接触镜造成的缺氧可能会抑制上皮细胞有丝分裂，从而抑制细胞再生。一般需要13.2%以上的氧气分压来防止抑制有丝分裂。
4．角膜神经末梢在动物实验中发现缺氧减少神经末梢密度，至少需要9~10%的氧气来阻止这种变化。
5．角膜敏感度导致阈值上升（即敏感度下降）的主要原因有长时间闭眼、配戴接触镜、缺氧。需要8%以上的氧分压用来维持阈值。

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责任编辑：peijingshi

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