编者按：目前医学界普遍认为，人眼的调节是通过睫状肌牵引悬韧带，引起晶状体变形，由此导致晶状体屈光力的改变，使得眼球能将不同范围内的光线实时聚焦在视网膜上，让人看清不同景深范围内的物体。在这个调节的过程中，晶状体是视觉调节功能的物质基础，而晶状体的受力及变形则是视觉调节功能的行为核心。大量的理论和实验研究被用于揭示调节机理以及病理演化的实质，力学作为调节机制的核心问题，晶状体的力学性能和力学行为是解开谜题的重要钥匙。在ARVO2024年会上，眼科专家们齐聚一堂，带来了一场关于晶状体生物力学研究的学术盛宴。 晶状体透镜空间变化力学性能的测量及其在调节丧失中的功能作用 随着年龄的增长，老视影响着每个人，并且与晶状体的机械性能有着深刻的联系。缺乏晶状体力学性能的体内表征是开发新疗法的主要障碍，此疗法解决了该疾病的生物力学性质。在Schumacher等人的研究中，晶体透镜的空间变化力学性能与它们的整体弹性模量有关，并证明了它们在调节损失中的结构功能作用。 研究方法是用活检冲头和金标准机械压缩测试分析了新鲜猪眼晶状体，以评估晶状体空间尺寸对整体弹性模量的影响。同时也用布里渊显微镜测量猪眼晶状体，以表征分析其空间变化机制。接下来，再用体内布里渊显微镜获得数据，使用调节的结构光学模型来验证空间变化模量和几何形状对调节振幅的影响。 压缩数据显示，猪眼晶状体的细胞核模量高于皮层模量，随着活检直径的减小，其范围从2.14kPa到15.0kPa。结合空间变化的双组分模型，提取皮层模量和细胞核模量分别为1.14kPa和15kPa。发现空间平均布里渊模量在经验上与透镜的整体弹性模量在对数-对数关系中一致。当同时考虑模量和几何形状变化时，使用患者布里渊数据的结构光学模型的调节幅度从19YO的5.91D下降到61YO的1.74D，当单独考虑刚度变化时为2.85D，而当单独考虑几何形状变化时为4.85D。 讲题：Measurements of spatial-varying mechanical properties of the crystalline lens and their functional role in accommodation loss. 第一作者：Justin Schumacher 共同作者：Raymundo Rodriguez Lopez, Kirill Larin, Fabrice Manns, Giuliano Scarcelli 透镜是如何确定尺寸和形状的？ 晶状体的大小和形状因物种和年龄的不同而有很大差异。然而，目前尚不清楚晶状体是如何“知道”它应该是什么尺寸和形状的。在Matthew等人的研究中，他们评估了机械生物学因素影响晶状体尺寸的假设。 他们建立了晶状体生长的机械生物学模型。简言之，晶状体囊中的应变与底层上皮细胞的增殖率有因果关系。角膜缘的半径被认为随着年龄的增长而线性增加到成年人的大小。使用眼睛生长的有限元模型来近似评估晶状体囊上的应变，其中角膜缘半径的增加导致小带张力的增加，从而导致晶状体囊中的应变。然后计算所得的晶状体体积作为不调节物种（斑马鱼、小鼠、猪）年龄的函数。将这些结果与人类晶状体进行对比，以确定调节在决定晶状体大小和形状方面的潜在作用。人类晶状体的一部分寿命都处于调节状态。 研究结果显示，成年后随着眼睛停止生长，小鼠囊中产生的拉伸应变下降到接近零。缺乏6个月以上猪眼大小和晶状体形状的数据；然而，很明显的是猪眼晶状体的体积生长可能是由较大的角膜缘尺寸驱动的。这也可以解释猪眼中密集的带状结构。人类晶状体最初的大小与年轻猪晶状体的大小相同，但其出生后体积的增加速度要慢得多，这可能是由于其调节能力降低了晶状体囊中的时间平均应变。 该研究证明可能存在控制晶状体尺寸和形状的机械生物学反馈回路，尤其是眼睛的生长可能是晶状体生长的驱动力。调节可以有效地延缓晶状体生长以及改变晶状体形状。 讲题：How Does the Lens Determine Its Size and shape? 作者：Matthew A. Reilly 年龄相关性白内障形成过程中纤维细胞形态建立和钙稳态机制 Xiaohua等人使用129S4（129）和C57BL/6J（B6）菌株的连接蛋白46敲除（Cx46KO）晶状体，研究与年龄相关性白内障的发生和纤维细胞形态建立及钙稳态紊乱的机制关系。探究细胞-细胞连接复合体、细胞骨架及其相关的支架蛋白，如perioxin（Prx），如何参与纤维细胞形状和表面互锁结构的调节以及维持晶状体的稳态。 该研究方法是通过裂隙灯检查和影像学分析对小鼠晶状体表型进行表征。纤维细胞形态建立通过特异性标记物免疫染色和高分辨率共聚焦成像进行表征。通过蛋白质印迹、特异性标记物共标记或质谱分析评估晶状体蛋白变化和蛋白-蛋白相互作用。用茜素红染色法检测钙沉积物。 共聚焦成像结果显示，晶状体深层皮质区域的细胞形状、表面互锁结构和细胞骨架受到破坏，没有明显的混浊，但129-Cx46KO晶状体核心的纤维严重变形，膜/细胞骨架聚集体异常，伴有严重核性白内障。在纤维细胞突起中检测到129种Prx蛋白，并在体内外与F-肌动蛋白共定位。在129-Cx46KO PrxKO（DKO）晶状体中，perioxin的缺失可预防严重的核性白内障。鉴定出129种Prx相关连接蛋白。茜素红染料染色显示129-Cx46KO、B6-Cx46KO和DKO晶状体的晶状体缝合区有钙沉积。在129-Cx46KO、B6-Cx46KO和DKO晶状体匀浆中检测到裂解的α-结晶蛋白。 Xiaohua等人根据研究结果认为Periaxin在调节膜/细胞骨架复合物以控制纤维细胞形态形成中是重要的。129-Prx促进129-Cx46KO核白内障中由膜/细胞骨架蛋白复合物组成的光散射聚集体的形成。单独增加的钙沉积与DKO和B6 Cx46KO晶状体缝合区的轻度白内障有关。 这项研究揭示了细胞连接/支架蛋白连接物/细胞骨架超结构复合物在晶状体形成和年龄相关性白内障形成中纤维细胞形态建立中的作用。 讲题：Fiber cell morphogenesis and calcium homeostasis in age related cataract formation 第一作者： Xiaohua Gong 共同作者： Chun-hong Xia，Xinyang Su 总结 测量晶状体的生物力学大多数是在离体情况下进行，离体情况下测量的差异比较大，体内测量的仪器将会越发先进测量得更加准确，使晶状体相关的疾病得到有效、高效的诊治，同时增强手术预测性，使患者得到更好的治疗。探索晶状体在人体视觉调节的生理和病理机制中的作用，不仅在材料的多尺度力学和跨尺度关联的基础研究上具有重大的理论价值，而且在基础眼科学以及对老视和白内障等晶状体相关疾病的康复和治疗上具有重要的临床指导价值。