圆锥角膜治疗的新曙光：角膜基质再生的潜在策略

　　

　　

　　圆锥角膜是一种进行性、扩张性和致盲性的角膜疾病，其特征是角膜基质变薄。圆锥角膜在青少年中非常普遍，已成为世界范围内角膜移植的主要适应症。然而，供体角膜的严重短缺是一个全球性的问题，传统的角膜移植手术可能会叠加多种并发症，需要努力开发更有效的治疗圆锥角膜的策略。在这篇综述中，我们总结了几种促进角膜基质再生或改善角膜基质厚度的策略，包括细胞治疗、诱导角膜再生的生物合成替代品、微创基质内植入和生物工程组织植入。这些策略从不同角度为圆锥角膜治疗提供了更容易获得但更安全的选择，为早期阻止圆锥角膜进展铺平了道路。这些方法将为圆锥角膜以外的角膜扩张性疾病的治疗提供重要的参考，拓宽了非供体组织的治疗选择。

　　圆锥角膜是一种进行性角膜膨胀性疾病，其特征是角膜基质变薄，角膜呈不对称的圆锥形突出，可导致视力损害甚至失明[1,2,3]。圆锥角膜是世界范围内角膜移植手术的主要适应症之一[4,5]，其在普通人群中的发病率为1/2000，在年轻人中的发病率更高[2,6]。圆锥角膜是复杂的遗传和环境相互作用的结果[7,8,9]。圆锥角膜最严重的阶段表现为过度扩张、瘢痕形成和基质变薄，严重损害视力，患者唯一的选择是角膜移植[1]。然而，可用于移植的供体角膜的严重短缺代表了全球失明的负担，每70个等待的受者中有一个角膜[10]。此外，传统的角膜移植手术会引起各种并发症，如角膜神经丛切断、干眼、青光眼和组织排斥等。由于角膜移植术后的免疫排斥反应和慢性角膜移植功能障碍，角膜移植术后的长期移植成活率差，往往给患者带来巨大的负担。由于这些原因，大量的研究工作集中在角膜基质再生以增加圆锥角膜患者的角膜厚度，并探索了多种治疗模式作为保留和改善视力的替代治疗方式[11,12,13,14]。本文综述了角膜基质再生的策略，重点介绍了圆锥角膜治疗的潜在途径。

　　目前，角膜胶原交联和角膜移植仍然是圆锥角膜治疗的首选甚至是唯一的选择。然而，这两种方法都不能从根本上解决这种疾病的潜在问题。角膜基质约占角膜厚度的80-85%，其中胶原原纤维和细胞外基质紧密排列[15,16]。角膜细胞丢失和基质金属蛋白酶对胶原纤维的过度降解是圆锥角膜发病的罪魁祸首[17,18]。因此，替换或恢复角膜基质细胞可能是一种理想和直接的方法;因此，以细胞为基础的治疗圆锥角膜间质再生的方法应运而生，并受到人们的广泛关注。

　　迄今为止，圆锥角膜细胞治疗的各种想法和选择已经出现(图1，表1)。角膜中的角化细胞来源于神经嵴细胞。体内角质细胞的数量有限，但它们可以在体外培养，并作为可靠的细胞来源提供给间质内注射[19,20]。此外，角化细胞祖细胞，维持自我更新和分化能力的干细胞群，被认为是圆锥角膜治疗的潜在选择。将健康的角化细胞祖细胞移植到圆锥角膜中可能会提供一种新的治疗方式，可以减缓圆锥角膜的进展[21]。此外，角膜基质干细胞是一种罕见的细胞群，存在于角膜周围和角膜缘，可以通过特定的表面标记从角膜缘基质组织中分离出来[22,23,24,25]。Du等人将人角膜基质干细胞注射到小鼠角膜中，在很长一段时间内未观察到引起免疫排斥反应，这提示了开发基于细胞的角膜基质疾病治疗方法的机会[26]。

　　图1

　　

　　用于圆锥角膜治疗的细胞来源。该图由我们小组制作，图中的部分元素由Figdraw (http://www.figdraw.com)提供。

　　表1角膜基质再生的治疗方法综述

　　然而，上述几种细胞类型仍然依赖于角膜组织，供体角膜组织的短缺和特定细胞群的数量有限是一个重大挑战。角膜基质细胞被发现具有与来自各种组织的其他间充质干细胞相似的特性[24,27,28]，包括脂肪组织[29,30,31]、造血干细胞[32]、牙髓[33,34]和脐带血[35]，已被证明可用于圆锥角膜细胞治疗[11]。例如，自体脂肪组织源性干细胞(ADSCs)植入角膜基质已被成功用于治疗圆锥角膜[30,31,36,37]。此外，胚胎干细胞(ESCs)和诱导多能干细胞(iPSCs)也提供了足够的细胞来源，可分化为圆锥角膜治疗所需的角化细胞[38]。

　　用角膜移植替代受损组织是治疗角膜失明被广泛接受的方法。十多年前，Per Fagerholm等人开发了一种重组人III型胶原蛋白(RHCIII)，经酵母合成，化学交联，模压制成生物合成角膜模拟物[39]。他们进行了一项一期临床研究，将生物合成角膜模拟物植入10例圆锥角膜或中心瘢痕患者的变形角膜。引人注目的是，所有患者的角膜都发生了再上皮化，神经再生和触觉敏感性也得到了恢复，这表明生物合成模拟物促进内源性组织再生的特性。之后，对生物合成角膜植入物进行进一步优化[40,41]。更重要的是，Christopher D. McTiernan等人开发了一种刺激再生的液体角膜替代物，该替代物在注射器中原位凝胶，即LiQD角膜，由短胶原样肽、聚乙二醇和纤维蛋白原组成[42]。自组装合成胶原类似物，作为一种低成本和免疫兼容的替代品，提供了一种安全有效的选择，帮助解决目前供体角膜短缺的问题。表1列出了这些方法的详细信息。

　　摘要。

　　背景

　　角膜基质再生的策略

　　提高角膜造口厚度的机械方法

　　讨论

　　结论

　　数据和材料的可用性

　　缩写

　　参考文献。

　　致谢。

　　作者信息

　　道德声明

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　　在圆锥角膜治疗中，除了角膜间质细胞替代策略外，恢复角膜间质物理特性也不可忽视[14]。大量的生物力学失衡和角膜的减弱会明显恶化眼表的内稳态[43,44]。我们知道，揉眼是进展性圆锥角膜的主要危险因素之一，可引起角膜生物力学的明显改变[45,46,47]。我们的研究发现，机械拉伸是圆锥角膜发育的触发因素，生物力学-酶轴在圆锥角膜中起致病作用[48]。因此，在治疗圆锥角膜时应考虑加强角膜的生物力学特性。

　　近年来，角膜胶原交联治疗作为进行性圆锥角膜的主要手术矫正方法，被常规用于增加角膜的生物力学稳定性。然而，对于进展到最严重阶段的圆锥角膜，角膜移植是唯一的选择[1](表2)。穿透性角膜移植术(PK)是一种全层切除角膜的移植手术，然后将其与全层供体角膜移植，直到20世纪末，这一直是圆锥角膜的首选治疗方法[49,50,51]。当有需要时，改进手术方法，如深前板层角膜移植术(DALK)[49,50,51]和前板层角膜移植术(ALK)[52]，这是切除部分角膜的外科手术。例如，DALK包括将病理角膜基质置换至Descemet膜，但保留功能性角膜内皮，提供了一种有效的替代手术，可以降低PK中移植物排斥和不规则散光等风险。尽管DALK在恢复锥角膜患者视力方面取得了成功，但在操作复杂性、恢复角膜基质物理特性方面仍有改进的空间。保存角膜前结构和神经丛，以及缝合线相关的并发症。因此，使用更小切口的无缝线实施可能是阻止圆锥角膜进展的首选手术选择，如表皮角膜ophakia (EP)[53,54]、Bowman层(BL)移植[55,56]和同种异体小晶状体植入术[57,58,59,60]。此外，我组还介绍了一种治疗晚期圆锥角膜的有效新方法——飞秒激光辅助微创板层角膜移植术(FL-MILK)。其中，部分厚度的角膜基质(基质按钮)通过飞秒激光小切口植入异体角膜基质(基质内袋)[61](如图2所示)。我们的研究还表明，FL-MILK在24个月的随访中可以稳定轻度至中度和晚期患者的进展性KC，并具有持续的角膜前曲率平坦效果[62]。的确，在改善角膜间质厚度的同时，这种微创手术方法可以最大限度地保持角膜的结构完整性和物理特性，为圆锥角膜的治疗提供了一种可行的选择，应该提上日程。

　　表2改善角膜造口厚度的机械入路综述

　　图2

　　

　　圆锥角膜的微创手术方法及生物工程移植物治疗。利用飞秒激光形成小切口的角膜间质袋，将人基质钮扣(a)或生物工程BPCDX移植物(b)轻轻插入角膜间质袋以增加角膜厚度。这个数字是我们小组准备的

　　角膜移植治疗圆锥角膜，有几种材料可作为生物医学植入物。天然角膜在力学性能和结构上具有独特的优势，而供体角膜的严重短缺是全球关注的问题。因此，激烈的研究工作集中在有效的替代传统的角膜移植。May griffith等人成功地用永生化细胞系构建了多层角膜等效物[63]。Per Fagerholm等人进行了一项1期临床研究，植入生物合成的角膜细胞外基质模拟物诱导角膜再生[39]。我们的团队开发了一种保护性脱细胞策略，用于制备脱细胞猪角膜(DPC)，与人类角膜移植物相比，该策略在许多特性上达到了相同的水平[64]。这些研究为角膜失明的视力康复提供了前景。更重要的是，Mehrdad Rafat及其同事描述了一种无细胞工程角膜组织，该组织来源于纯化的I型猪胶原蛋白，应用了双重化学和光化学交联，称为生物工程猪结构，双交联(BPCDX)[65](图2)。作者从食品工业的副产品——猪皮中提取并纯化胶原蛋白。为植入物提供丰富、可持续、经济的原材料供应。同时，同样地，作者通过微创手术将植入物插入角膜基质。值得注意的是，经过2年的随访，没有不良事件的报告，所有参与者的视力改善到与标准供体组织移植相同的程度。这项工作提出的策略是将可获得的生物工程角膜组织和微创手术方法精心结合起来，这将是治疗晚期圆锥角膜的一个有吸引力的选择，特别是在资源有限的情况下。表2列出了本部分所提到的具体方法。

　　在这篇综述中，我们总结了几种促进角膜基质再生或改善角膜基质厚度的方法，包括细胞疗法、诱导角膜再生的生物合成替代品、微创基质内植入和生物工程组织植入。其中，一系列提高角膜造口厚度的机械方法已应用于圆锥角膜的临床治疗。例如，历史上，PK因其良好的视觉效果而成为晚期圆锥角膜手术治疗的金标准方法[50,51]。然而，在当代实践中，DALK越来越成为首选的主要手术选择，因为它减少了PK并发症的排斥和散光。但DALK并发症的手术复杂性和缝合线相关并发症的风险不容忽视，促使微创手术方法的出现[49,50,51]。例如，FL-MILK在改善角膜间质厚度的同时，能最大限度地保持角膜的结构完整性和物理特性，其更精确和快速的恢复可能使其成为治疗晚期圆锥角膜的有效选择[61]。此外，结合更容易获得的生物工程角膜组织和微创方法将是圆锥角膜治疗的一个有吸引力的选择。事实上，一些新的改进方法需要更长的随访期和更多的病例。

　　此外，供体组织的严重短缺阻碍了通过角膜移植手术治疗圆锥角膜，特别是在资源有限的情况下。因此，对促进角膜基质再生策略的探索从未停止。理想的以细胞为基础的治疗方法是通过诱导再生或外源移植角质细胞来替代或恢复病变的角质细胞。在这里，我们列出了各种细胞治疗方法的来源、研究阶段、优点和局限性。其中，自体ADSCs植入角膜基质治疗圆锥角膜已在临床试验中获得成功[30,31,36,37]，其细胞来源丰富且易于获取。此外，诱导角膜再生的生物合成替代品，包括RHCIII[39]和LiQD角膜[42]，提供了低成本和免疫兼容的替代品，有助于解决供体角膜短缺问题。

　　综上所述，本文综述了促进角膜间质再生或改善角膜间质厚度的治疗策略在圆锥角膜治疗中的进展，为开发潜在的干预措施提供了重要的参考和基础。这些方法为圆锥角膜治疗带来了希望，提供了更安全、更容易获得的替代选择，减少了手术并发症和全球有限供体角膜的负担。一般来说，DALK已成为PK的替代方案，而微创手术将成为未来圆锥角膜治疗的一大趋势。角质细胞再生疗法也将迎来一个新的时代，尤其是基于adscs的治疗，尽管一些新疗法实现有效基质再生的潜力有待进一步探索。当然，还需要进一步的研究来确定圆锥角膜干预的最佳治疗方法和条件，并开发新的方法来控制和阻止圆锥角膜的早期进展，这有望推迟或防止有创性角膜手术。对于圆锥角膜的治疗，光线在治疗过程中更加明亮。

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