Ch.8 Cornea 角膜

一、本章重點與角膜無血管性

本章重點（Highlights）

• 角膜的 avascularity（無血管性）由 soluble vascular endothelial growth factor receptor 1（可溶性 VEGF 受體 1）維持。p.271
• 角膜幹細胞所在的 corneal limbus（角膜輪部），特徵是基質向內凹陷的構造，在人類稱為 palisades of Vogt（Vogt 柵欄）。p.271
• 角膜幹細胞補充不斷脫落的上皮；近期研究提示角膜幹細胞除了輪部，中央角膜也有。p.271
• 角膜上皮是 hydrophilic（親水性）分子擴散的屏障，但 corneal proteoglycans（角膜蛋白聚醣）使基質具親水性；因此局部點用的親水性藥物，分子必須改變其生化性質才能到達前房。p.271
• 基質內 collagen fibrils（膠原纖維絲）與 fibers（fibril bundles，纖維絲束）排列規則、直徑變異極小；這種一致性對角膜透明至關重要。p.271

角膜無血管性與 VEGF

• 無血管性是維持光學透明的必要條件，並促成角膜的 immune privilege（免疫赦免）。p.271
• 角膜中存在的 VEGF-A 是強效的促血管新生因子；其作用被 VEGF receptor 1 的可溶形式（又稱 sFlt-1）阻斷。p.271
• 抑制 sFlt-1 → 未結合的 VEGF-A 增加 → 角膜長出血管。p.271

二、氧與葡萄糖供應、葡萄糖代謝

氧與葡萄糖來源

• 角膜沒有血管，氧氣經 tear film（淚膜；其氧氣來自空氣與眼瞼血管）與 aqueous humor（房水）供應。p.271
• Glucose（葡萄糖）是上皮細胞、基質 keratocytes（角膜細胞；位於基質中的角膜纖維母細胞）與內皮細胞的主要代謝受質。p.271
• 基質的葡萄糖主要來自房水，經內皮以 carrier-mediated transport（載體媒介運輸）進入；上皮則經由基質的 passive diffusion（被動擴散）及從淚膜取得葡萄糖⁠^Q828。p.271
• 淚膜與 limbal vessels（輪部血管）合計供應角膜所用葡萄糖的 約 10%⁠^Q828。p.271

出處 p.271, p.278

葡萄糖代謝途徑

• 角膜以全部 3 條代謝途徑代謝葡萄糖：hexose monophosphate（HMP）shunt（單磷酸己糖分流）、tricarboxylic acid（TCA）cycle（三羧酸循環）、glycolysis（糖解作用）⁠^Q185。p.271
• 上皮與內皮中，HMP 途徑分解 35%–65% 的葡萄糖；基質 keratocytes 經此途徑代謝的葡萄糖極少；keratocytes 缺乏 HMP 途徑的重要酵素 6-phosphogluconate dehydrogenase⁠^Q185。p.272
• Glycolysis 的終產物 pyruvic acid（丙酮酸）：有氧時經 TCA cycle 轉為二氧化碳與水，無氧時轉為 lactic acid（乳酸）⁠^Q185。p.272
• NADPH 是 HMP 途徑的主要產物之一；它是還原劑，參與 redox（氧化還原）反應，保護角膜免受持續 ultraviolet（UV，紫外線）照射所產生的 oxidative stress（氧化壓力）。p.272
• Polyol pathway（多元醇途徑，又稱 sorbitol pathway）在 BCSC 2 第 10 章水晶體部分討論：糖濃度顯著升高的某些情況下，部分葡萄糖（或半乳糖）經此途徑代謝，關鍵酵素為 aldose reductase（醛糖還原酶）；正常情況下此途徑很少或沒有活性⁠^Q185。BCSC 2 p.302

乳酸堆積與隱形眼鏡

• 缺氧時乳酸生成增加，例如配戴緊而低透氧的 contact lens（隱形眼鏡）。p.272
• 角膜乳酸堆積對視力有不良後果，例如 edema（水腫；滲透溶質負荷增加所致）或 stromal acidosis（基質酸中毒），後者可改變內皮的形態與功能。p.272
• Clinical pearl：乳酸堆積是導致 contact lens overwear（隱形眼鏡過度配戴）併發症的因素之一。p.272

基質可溶性蛋白

• 人類角膜含極高量的 aldehyde dehydrogenase（醛去氫酶）與 transketolase（轉酮醇酶），兩者合計占角膜基質可溶性蛋白的 40%–50%。p.272
• 兩者類似水晶體的 enzyme crystallins（酵素型晶體蛋白），被認為有助於角膜的光學性質；也被認為藉吸收 ultraviolet-B（UVB）保護角膜細胞免受自由基與氧化傷害。p.272

三、角膜生物力學

• 角膜的 biomechanical properties（生物力學性質）影響其功能反應；了解這些性質有助於預期或理解角膜對 stress 與 strain 的反應，並有助於角膜疾病的診斷與治療。p.272
• 已確認的臨床相關原則①：paracentral（旁中央）與 peripheral（周邊）角膜比中央角膜硬，因其膠原纖維絲的方向與數量不同。p.272
• 原則②：基質的 elastic strength（彈性強度）在前方最大、往後遞減；因此 laser in situ keratomileusis（LASIK）製作角膜瓣及切斷前基質板層，被認為會不成比例地削弱角膜並促成 ectasia（角膜擴張）。p.272
• 原則③：角膜硬度隨年齡增加，看來是自然 collagen crosslinking（膠原交聯）的結果（Fig 8-1）。p.272
• Fig 8-1（thiobarbituric acid assay 測角膜膠原 glycation（糖化）隨年齡的變化）：膠原同時含 lysyl oxidase 交聯與 glycation 誘發的交聯；5-hydroxymethyl furfural（HMF）是此試驗中的糖化產物；糖化起初增加，曲線在年齡增加後（40 歲以後）看似趨於平緩。p.273
• Clinical pearl：由於角膜的自然膠原交聯，ectatic disorders（擴張性疾病，如 keratoconus（圓錐角膜））患者需要 collagen crosslinking 手術的需求隨年齡下降。p.273

四、角膜上皮（Epithelium）與角膜幹細胞

上皮構造與功能

• 上皮厚 約 50 μm，占角膜總厚度 5%–10%。p.273
• 最表層細胞的頂端表面有 microvilli（微絨毛）與 microplicae（微皺褶），表面覆有絲狀物質 glycocalyx（醣萼）；glycocalyx 的主要成分 mucin glycoproteins（黏蛋白醣蛋白）被認為可促進淚膜穩定與角膜表面的 wettability（可濕潤性）⁠^Q947。p.273
• 上皮細胞的 plasma membrane（細胞膜）蛋白與脂質高度糖基化，在 cell–cell adhesion（細胞間黏附）及基底細胞黏附於下方 basement membrane（基底膜）上扮演重要角色。p.273
• 膜醣蛋白與醣脂的 sugar residues（醣基）：①參與傷口癒合，媒介上皮細胞片在受傷後遷移覆蓋傷口；②作為微生物的附著位點，促成角膜感染的致病機轉。p.273
• 正常上皮細胞遷移速率為 每天 2 mm，會受到局部點眼藥中 preservatives（防腐劑）的不良影響。p.273

Limbal stem cells（輪部幹細胞）與上皮更新

• 從發現角膜中的 centripetal（向心性）細胞遷移開始，早期上皮更新研究得出上皮增生來源位於輪部的結論；較近期一項研究的結果則提示角膜幹細胞可能也存在於中央角膜。p.274
• 輪部的特徵是基質內凹構造，人類稱 palisades of Vogt；這些乳突狀突起具獨特血管構造，動脈與靜脈成分呈放射狀排列。p.274
• Palisades of Vogt 被提出作為幹細胞的儲存庫，其功能：①保護幹細胞免受外傷與環境傷害；②允許 epithelial–mesenchymal interactions（上皮－間質交互作用）；③可接觸由下方豐富血管網擴散而來的化學訊號。p.274
• 正常上皮處於 steady state（穩定狀態），需要細胞增生來補充因 terminal differentiation（終末分化）與 desquamation（脫落）而失去的細胞（Fig 8-2）。p.274
• 中央角膜的基底細胞活躍增生；輪部的基底細胞則是 slow-cycling stem cells（慢週期幹細胞）與其子代 transient amplifying（TA）cells（短暫增殖細胞）的混合，受 growth factors（生長因子）、cytokines（細胞激素）與 extracellular matrix（細胞外基質）影響。p.274
• 以 cryopreserved amniotic membrane（冷凍保存羊膜）治療角膜傷口時，TA cells 很可能被上調以促進傷口癒合。p.274
• Fig 8-2：幹細胞自輪部向中央遷移，產生 TA cells 與 basal epithelial cells（基底上皮細胞）；細胞再向表面移動成為 wing cells（翼狀細胞）、squamous cells（鱗狀細胞），最後 shedding（脫落）。p.274

五、藥物穿透角膜上皮

• Hydrophilic（親水性）分子穿透上皮的能力差，但若 polar molecule（極性分子）質量低於 500 Da，可能可通過 tight junctions（緊密連接）。p.274
• 上皮受損或發炎時，親水性藥物也可達到非常高的角膜穿透量。p.274–275
• Dissociation constant（解離常數，又稱 ionization constant 離子化常數）同樣是決定分子穿透角膜能力的重要因素。p.275
• 要擴散通過上皮，有機分子應呈不帶電狀態；但帶電分子較容易穿透基質。因此有機分子要穿透角膜進入前房，應能在生理 pH 與溫度下（即在基質內）解離。p.275

出處 p.271, p.274–275

六、Bowman layer（包氏層）

• 位於上皮 basal lamina（基底層）正下方，由隨機排列的 type I 與 type V collagen（第一型與第五型膠原）纖維組成，纖維直徑 30 nm，埋於由蛋白聚醣與醣蛋白構成的基質中。p.275
• 於胚胎發育期由前基質 keratocytes 與上皮分泌；無細胞（acellular），受損後不會再生⁠^Q168。p.275
• 一般認為此層因無細胞及其排列方式，可阻止基質 keratocytes 接觸上皮細胞分泌的生長因子，例如 transforming growth factor β（TGF-β，轉化生長因子 β）。p.275
• Excimer laser（準分子雷射）手術 photorefractive keratectomy（PRK）或 laser subepithelial keratomileusis（LASEK）會移除 Bowman layer 及前基質組織；術後可能嚴重的併發症 corneal haze（角膜霧狀混濁），推測是因 Bowman layer 缺失、keratocytes 因此暴露於生長因子。p.275
• LASIK 則是將 Bowman layer 切開但保留，因此術後中央角膜 haze 極為罕見。p.275

七、基質（Stroma）

構造與透明性

• 基質占角膜總厚度 約 90%。p.275
• 基質細胞 keratocytes 占角膜體積 10%–40%（依年齡而異）；keratocyte 密度隨年齡下降；這些細胞通常位於膠原板層之間。p.275
• 基質由 約 200 層 lamellae（板層）構成，每層厚 1.5–2.5 μm，由膠原纖維絲埋於蛋白聚醣、蛋白質與醣蛋白構成的基質中。p.275
• 每一板層內的纖維絲細且直徑一致；人類平均纖維絲直徑 30 nm。p.275
• 基質後方較不緻密，有利於將 intrastromal ring segments（基質內環）置於較深處以治療 keratoconus⁠^Q947。p.275
• 每一板層內的膠原纖維絲彼此平行，從輪部延伸到輪部；板層彼此間的方向依位置而定：前 1/3 斜向交錯、後 2/3 互相垂直。p.275
• 每一板層內纖維絲規則排列，中心間距 55–60 nm；纖維絲直徑細而一致及其規則排列，是角膜基質膠原的特徵，也是此組織透明所必需（Fig 8-3）⁠^Q1663。p.275
• Fig 8-3（角膜 vs 鞏膜）：兩者由相似的膠原纖維絲構成，但纖維絲直徑與纖維密度在角膜全區一致，在鞏膜則不一致；鞏膜纖維密度下降、纖維絲直徑變異增加，儘管兩者膠原纖維組成相似，此異質性促成鞏膜相對於角膜的不透明。p.276
• BCSC 3 第 2 章自我評量解答：健康角膜中排列緊密、間距規則的膠原可將 scattering（散射）的影響降到最低；角膜水腫時，基質多餘液體破壞規則的膠原結構而造成light scattering（光散射）⁠^Q1663。BCSC 3 p.141

膠原與蛋白聚醣

• Type I 是基質的主要膠原，約占基質總乾重的 70%。p.277
• 免疫組織化學與生化研究顯示，正常成人基質還含 collagen types V、VI、VII、XII、XIV。p.277
• Type III collagen 的生成獨特地與基質傷口癒合相關。p.277
• Proteoglycans（蛋白聚醣）是僅次於膠原、第二多的生物成分，約占角膜乾重 10%。p.277
• 蛋白聚醣是在蛋白核心上以共價鍵結至少 1 條 glycosaminoglycan（GAG，醣胺聚醣）鏈的糖基化蛋白；GAG 由重複的雙醣構成。p.277
• GAG 具 hygroscopic（吸濕性）而吸引水分，產生 swelling pressure（膨脹壓），並使角膜基質具親水性⁠^Q947。p.277
• 角膜基質中的 GAG 包括：keratan sulfate（硫酸角質素）、chondroitin sulfate（硫酸軟骨素）、dermatan sulfate（硫酸皮膚素）。p.277

Matrix metalloproteinases（MMPs，基質金屬蛋白酶）與蛋白酶抑制劑

• MMPs 是一群 Zn2+ 依賴性酵素，在正常發育與疾病過程中負責分解細胞外基質成分（包括蛋白聚醣與多種膠原）。p.277
• 已知的十多種 MMPs 中，健康角膜只發現 MMP-2 proenzyme（MMP-2 酶原）；角膜受傷後則會合成其他 MMPs（包括 MMP-1、MMP-3、MMP-9）。p.277
• 角膜的 proteinase inhibitors（蛋白酶抑制劑）在角膜發炎、潰瘍與傷口癒合時限制損傷，對角膜保護扮演關鍵角色；許多由角膜常駐細胞合成，部分來自淚液、房水與輪部血管。p.277

八、Descemet membrane（德士密膜）

• Descemet membrane 是位於角膜內皮與後基質之間的特化 basement membrane（基底膜），厚 10–12 μm。p.277
• 由內皮分泌，分為 anterior banded layer（前帶狀層）與 posterior nonbanded layer（後非帶狀層）；後者終生持續分泌，因此成人的 Descemet membrane 比出生時厚 3–4 倍（Fig 8-4）。p.277
• Type IV collagen 是 Descemet membrane 中最多的膠原⁠^Q168。p.277
• 有假說認為基質最後方 15 μm 可能是獨立、堅韌的無細胞層，即 Dua layer（Dua 層）。p.277
• Type IV collagen 也見於其他基底膜：角膜上皮基底細胞分泌的連續基底膜由 type IV collagen、laminin（層黏蛋白）等蛋白組成；BCSC 2 第 2 章亦寫明 Descemet membrane「如同其他 basal laminae」富含 type IV collagen⁠^Q168。BCSC 8 p.11, BCSC 2 p.54

出處 p.275, p.277, p.279, BCSC 8 p.11

九、內皮（Endothelium）

構造與細胞密度

• 角膜內皮位於 Descemet membrane 後方，是由六角形細胞組成的單層，細胞直徑 20 μm。p.277
• 年輕成人眼中，中央正常內皮細胞數約 3000/mm²；周邊細胞數較多，且細胞數隨年齡減少，剩餘細胞同時延展、變薄⁠^Q946。p.277–278
• 正常老化的生理性內皮細胞流失速率據報為 每年 0.6%（Fig 8-5、Table 8-1）。p.278
• BCSC 8 第 1 章：正常中央內皮細胞數在 2000–3000 cells/mm² 之間；細胞流失時（尤其因外傷或手術），缺損區最初由周圍細胞擴大、延展（或可能由周邊幹細胞）覆蓋，在 specular 或 confocal microscopy（鏡面或共軛焦顯微鏡）下表現為 polymegethism（細胞大小不一）與 polymorphism（形狀不一）⁠^Q946。BCSC 8 p.14

出處 p.279

細胞連接與屏障、幫浦功能

• 相鄰內皮細胞以複雜方式互相交錯，形成多種 tight junctions，作為房水滲入的屏障；正常細胞之間從未觀察到 desmosomes（橋粒）⁠^Q161。p.278
• 每個細胞約有 20–30 根短 microvilli 由頂端細胞膜伸入房水。p.278
• 內皮兼具兩種功能：①房水與角膜基質之間的 permeability barrier（通透屏障）；②pump（幫浦），藉產生 negative hydrostatic pressure（負靜水壓）使角膜維持脫水狀態，此負壓也能把游離角膜瓣（例如 LASIK 角膜瓣）固定在位⁠^Q161。p.278
• 內皮利用溫度依賴性 Na+,K+-ATPase 將基質含水量維持在 78%，以維持角膜透明⁠^Q168。p.278
• BCSC 2 第 2 章：年輕內皮細胞通常有大細胞核與豐富 mitochondria（粒線體）；其離子主動運輸使水分自基質移出，維持基質 deturgescence（脫水狀態）與透明⁠^Q168。BCSC 2 p.55
• In vivo，內皮由房水取得足夠氧氣以維持正常幫浦功能。p.278
• Clinical pearl：基質 GAG 本身具吸水特性，水分移入基質形成膨脹壓；內皮幫浦以耗能過程移除水分，將基質含水量維持在 78% 以達透明。上皮與內皮屏障破壞（例如 trauma（外傷）或 acute hydrops（急性水腫）時可能發生）→ 膨脹壓失去對抗 → 基質含水量增加、角膜失去透明⁠^Q1663。p.279

Blood–aqueous barrier（血液－房水屏障）的組成

• 角膜內皮的 tight junctions 構成的是房水與角膜基質之間的通透屏障（房水滲入的屏障）⁠^Q161。p.278
• 眼內液與血液之間由上皮細胞與內皮細胞的 tight junctions 形成的屏障相隔，依位置稱 blood–aqueous 或 blood–retina barrier；blood–aqueous barrier 由以下構造的 tight junctions 組成：nonpigmented ciliary epithelium（NPE，睫狀體無色素上皮）、iris vasculature（虹膜血管）、inner wall endothelium of the Schlemm canal（Schlemm 管內壁內皮）；此屏障限制血漿蛋白進入房水⁠^Q161。BCSC 2 p.281–282

內皮受傷與修復

• 內皮受傷時，主要藉殘餘細胞的 migration（遷移）、rearrangement（重新排列）與 enlargement（擴大）來癒合。p.279
• 大量細胞流失或損傷會造成不可逆水腫，因為人類角膜內皮細胞出生後分裂能力有限⁠^Q946。p.279
• Fig 8-5 圖說：內皮細胞不複製，隨時間相鄰細胞增大以因應老化造成的細胞流失（A 為 18 個月大嬰兒、B 為健康 74 歲男性的 specular micrograph）。p.278
• BCSC 8 第 1 章：過去認為角膜內皮細胞無法複製；這些細胞（特別是角膜周邊的細胞）是否具某些 mitotic potential（有絲分裂潛能）仍在研究中；Rho kinase inhibitors（Rho 激酶抑制劑）等藥物可能增強這些細胞的遷移⁠^Q946。BCSC 8 p.14
• 嚴重角膜損傷時，polymorphonuclear leukocytes（多形核白血球）浸潤可誘使內皮細胞變成 fibroblastic（纖維母細胞樣），合成 retrocorneal fibrous membrane（RCFM，角膜後纖維膜）。p.279
• RCFM 形成於 Descemet membrane 與角膜內皮之間，造成視力顯著下降。p.279
• 健康內皮細胞只累積有限量的 type I collagen 蛋白；由 RCFM 分離的纖維母細胞化細胞則主要表現 type I collagen。p.279