角膜的结构与功能

一、角膜的解剖与组织结构

（一）角膜的大体形态

角膜的后面观呈正圆形。由于角膜表面的上、下角膜缘被结膜和巩膜覆盖较多，因此从前面看角膜呈横椭圆形。成年男性角膜平均横径为11．04mm，女性为10．05mm；垂直径男性为10．13mm，女性为10．08mm，3岁以上儿童角膜直径基本与成人相同。成人活体角膜中央厚0．5～0．8mm，平均约为0．52mm，周边厚度约增加50%。3岁以下的婴幼儿角膜稍厚于正常成人，6岁以后角膜发育完全，其厚度和成年人一样。

（二）角膜的组织结构

组织学上由前向后将角膜分为5层，即上皮细胞层、前弹力层、实质层、后弹力层和内皮细胞层，其中实质层为角膜的主体部分，占角膜厚度的90%（图14－1，彩图42）。

1．上皮层（epithelial　layer）　角膜上皮属复层鳞状上皮，细胞有细胞核，不角化，于角膜缘部与结膜上皮相移行。一般有5～7层，总厚度为50～100μm。从形态上角膜上皮细胞可分为三种类型：表层的扁平细胞，其下的翼状细胞和基底层的柱状细胞基底膜厚30～50μm，由一种特殊类型的上皮细胞分泌产生。

图14－1　角膜的组织结构

2．前弹力层（Bowman膜）　厚10～16μm，不是一层真正的组织膜，而是角膜基质浅层特化的一部分前弹力层，对机械性损伤，如钝挫伤或棒棍伤等的抵抗力较高，而对化学性损伤的抵抗力较低。前弹力层不能再生，受破坏后通过瘢痕组织填补修复，遗留角膜混浊。

3．基质层（stroma）　又称实质或间质层，构成角膜的主要部分，厚约500μm，占角膜厚度的90%，由纤细胶原纤维、角膜细胞及细胞外黏性物质所构成。角膜基质是由200～250层胶原纤维板构成，板层交错排列每层纤维板是由许多交错平行排列的胚胎性胶原纤维组成。

4．后弹力膜（descemet膜）　是一层真正的弹力膜，为角膜内皮的基底膜，后弹力膜可以再生，并且随年龄增长而增厚。

5．内皮层（endothelium　layer）　内皮层是由数以万计的单层扁平细胞镶嵌连接而成，细胞呈独特的六角形，厚4～5μm，宽18～20μm，平均细胞表面积约为400μm2，单层排成，一面覆盖在后弹力层的内面，另一面直接与前房水接触，当内皮细胞密度低于300～500个／mm2时，残存的角膜内皮细胞失去代偿能力，不能将基质内的多余水分泵到前房，将造成角膜水肿。

（三）角膜的血管

角膜本身没有血管，在角膜缘部却有丰富的血管丛，它来自睫状前动脉。睫状前动脉由眼动脉分出，共7支，通过眼球的4个直肌（外直肌1支，其余直肌各有2支），行至距角膜缘4～8mm处发出分支，穿入巩膜，在巩膜静脉窦的后面穿入睫状体本部，并通过分支与虹膜动脉吻合，构成虹膜大环。没有穿过巩膜的睫状前动脉，继续在巩膜浅层前行并发出小支，成为结膜前动脉，与结膜后动脉分支（来自眼睑周边部动脉弓的上升支）吻合，于角巩膜缘处形成角巩膜血管网。

（四）角膜的淋巴

角膜没有真正的淋巴管，它的淋巴主要是依靠以下的淋巴系统：①血管周围淋巴沟管（perivascular　lymph　channels），位于静脉周围；②角膜缘部与血管无关的淋巴网，有的形成盲管，有的互相吻合；③结膜淋巴管，在角膜缘附近的表浅结膜淋巴管，常形成较大的吻合支，有的可伸入角膜。

（五）角膜的神经

角膜神经主要是感觉神经，绝大部分来源于三叉神经的眼支，少量是自主神经，包括肾上腺素能和乙酰胆碱能自主神经系统。角膜神经分布是躯体神经分布中最密集的部位。随着角膜感觉神经的不断分支和汇合，从周边到角膜中央神经末梢密度逐渐增多，所以角膜中央感觉特别敏感。部分角膜基质细胞被基质神经纤维支配，上皮基底细胞和翼状细胞直接受上皮神经纤维支配。

角膜神经不仅具有感觉功能，而且对角膜提供代谢营养和支持作用，对维持角膜组织的正常结构极为重要。角膜营养信息的接收与传递必须依赖完整的角膜感觉神经支配，其破坏可导致角膜感觉和营养障碍，角膜神经特别是自主神经在上皮的离子转换中起重要的作用。

（六）角巩膜缘（limbus）

在透明角膜与不透明巩膜移行处有一个半透明状环形区域，称为角膜缘。角膜缘上、下方较宽，两侧较窄，国人上下方平均为1．7～2mm，两侧为0．64～1mm。角膜缘结构与角膜明显不同，表现为：前弹力膜消失，基质层逐渐失去透明性，胶原纤维变得排列不规则，粗细不均，并向巩膜过渡；后弹力膜增厚向房角内隆起，终止于角膜缘深部的schwalbe线；内皮细胞在角膜缘与小梁网相连；在外2／3可见Vogt栅栏。所谓Vogt栅栏（palisades　of　Vogt）是指由角膜缘基底层的乳头状突起形成的特殊网状结构，呈放射状排列，内含色素细胞、郎格汉斯细胞和丰富的血管网和淋巴管，每1mm角膜缘宽度约有4条（图14－2）。

图14－2　角巩膜缘（原图发表于cornea　2003，22）

角膜缘处细胞增厚达10～15层，厚度80～90μm，排列不规则。一般认为角膜缘干细胞（corneal　stem　cells）就位于角膜缘细胞层的基底层，据估计角膜缘干细胞仅占基底层细胞的10%。基底层细胞的平均面积为39．5±2．8μm2，表层细胞与基底细胞面积之比约为13∶1。上皮层下的基底膜呈波浪状，逐渐变薄而不规整，向结膜上皮基底膜过渡。基底细胞与基底膜仍有半桥粒连接。角膜缘上皮逐渐过渡为结膜上皮，出现杯状细胞，鼻侧比其他象限为多。由于角膜缘含有丰富的毛细血管网、淋巴管、成纤维细胞以及少量巨噬细胞，因此，它与角膜的营养、外伤的修复、炎症和免疫反应以及疾病的转归有着密切关系。

二、角膜的视光学生理特性

眼球最外层的角膜与巩膜不仅起到保护眼球的作用，而且精致透明的角膜还具有透光和屈光两大功能。角膜是眼球最前面的一层透明膜，是眼球最重要的屈光成分。角膜发挥正常生理功能的基础有赖于其巨大的屈光度、高度的透明性、灵敏的感觉、特殊的代谢方式和丰富的感觉神经和敏感的知觉。

（一）角膜的屈光度

角膜似一面凸凹球镜，由于角膜的中心部分较周边薄，角膜和泪膜的屈光指数平均为1．376，角膜前表面的曲率半径为7．7～8．4mm，后表面曲率半径为6．22～6．8mm，角膜前表面的屈光力为48．8D，后表面的屈光力为－5．8D，因此角膜的绝对屈光力（前后表面屈光力的代数和）为43．0D，由于角膜的凸度约为晶状体的1．5倍，故其屈光力强，占眼球屈光力的70%。正常角膜前表面有角膜上皮覆盖，而表层角膜上皮细胞有微绒毛，因此并不光滑，不是理想的光学界面，但是由于泪膜的附着，使角膜前表面非常光滑，最大限度地避免了光的反射。

（二）角膜的透光性

正常角膜非常透明，少数人到一定年龄时在周边部角膜出现白色环状混浊。角膜的透明性及其维持与特殊的角膜解剖组织学结构和生理特点是分不开的。

1．解剖组织学因素　物质的透明性不仅取决于其透光力，还涉及其对光线的透过形式，其中光散射的程度至关重要，从这个意义上讲，角膜是一个非常完美的透镜，其光散射不足1%，故其保持高度透明性。角膜之所以特别透明，与其表面光滑，不角化，无血管，上皮不含色素，始终维持半脱水状态，特别是基质的完美结构密切相关，角膜基质层的特殊构型最大限度的避免了光散射，是角膜高度透明的主要基础。

角膜基质层占角膜全厚的90%，由200～250层胶原纤维小板构成，这些胶原板大小一致、平行排列、结构紧凑合理，每层厚1．52～9．5μm，由许多交错平行排列的胚胎性胶原小纤维束排列而成。这些胚胎性胶原小纤维的屈折率为1．4，其外包裹的酸性黏多糖、部分弹性纤维和糖蛋白的屈折率为1．34，其屈折率的差异不会引起散射。电镜下，纤维束直径一致，为20～25nm，排列规则，束与束之间的间隙约为60nm，均短于可见光的波长（400～750nm），故光散射较少；此外，依照角膜纤维与其周围基质屈光指数的差别，光传播时碰到纤维束理应偏离原来的传播方向，产生散射，表现为混浊组织，但由于每束纤丝走行的方向与相邻纤维束互成直角，呈晶格状平行排列，其格孔大小均短于光波的波长，致使所发生的散射由于光的干涉作用，使其互相抵消，散射光强度实际上近于零。

2．泪膜的充填与保护　角膜上皮表面并不光滑，有许多微绒毛和微皱襞，但是覆盖其前表面的泪膜充填了角膜表面的微小凹陷，使角膜前表面非常光滑，并且随着眼睑的开闭，泪膜不断更新，新鲜的泪液不仅带给角膜营养物质，同时使角膜湿润并带走细胞碎屑及代谢产物，另外，泪液中还有杀菌物质，完整的泪膜为角膜上皮健康生存提供保障。

3．角膜的半脱水状态　角膜透明靠其半脱水状态，正常情况角膜含水量为72%～82%，角膜基质的水肿压部分来自于渗透压，部分与维持角膜透明状态的内部组分及结构有关，如构成角膜基质小板层的胶原纤维及环绕胶原纤维的黏多糖等，角膜基质每根胶原小板周围的糖胺多糖能产生8kPa的渗透压，弹力纤维仅含6%的水分，可见角膜具有很强的吸水倾向和吸水能力。虽然角膜内存在如此强大的吸水倾向和吸水力，但是角膜仍能保持维持透明必需的半脱水状态，这是由于角膜中存在着一种去除基质层过多液体的转运机制，包括结构完整的角膜上皮、内皮和功能正常的代谢过程。

4．角膜屈光度稳定的维持　稳定的角膜屈光度不但需要稳定的屈折率和半脱水状态，还需要良好的可塑性。在外力的作用下角膜可以发生形变，但是当外力消除后又可恢复。

三、角膜的创伤与修复机制

角膜组织没有血管和淋巴管，却有丰富的神经支配，其创伤修复过程具有自己的特点，通常包括细胞的激活、增殖、分化、细胞因子释放，细胞外基质的合成与结构重塑等。角膜创伤的修复过程是由多种细胞和细胞因子在时间和空间上高度协调完成的。角膜修复反应的类型和质量直接影响视功能，除外伤之外，各种角膜屈光手术、角膜移植术以及涉及到角膜的各种手术操作，也同时涉及角膜的创伤修复，因此，研究角膜损伤的修复过程，具有重要的临床意义。理想的角膜修复应不影响其高度的透光率和屈光度。

（一）影响角膜上皮修复的主要因素有

1．对细胞有丝分裂的影响　抗生素、麻醉药、制剂中的防腐剂、羊毛脂等常影响上皮的有丝分裂。上皮生长因子可以促进角膜上皮、特别是基底细胞的大量增殖。

2．对细胞移动的影响　纤维连接蛋白可以通过肌动蛋白丝收缩，帮助细胞移动，覆盖缺损区，而细胞松弛素B则阻断肌动蛋白细丝在上皮细胞浆中的集合，从而抑制上皮的移动。

3．健康的角膜缘　角膜缘干细胞是角膜上皮细胞分裂增殖的源泉，角膜缘微环境是维持角膜细胞正常表型，阻挡血管、结膜侵入的基础。

4．光滑的角膜表面　在前弹力层完整及健康的情况下，上皮修复较快；而前弹力层缺损或病变时，上皮修复缓慢，新生的上皮容易脱落。

（二）基质层的伤口愈合

基质层占角膜厚度的90%，是构成角膜的主要部分，由纤细的胶原纤维、角膜细胞及细胞外黏性物质所组成，与前弹力膜一致，损伤愈合后遗留瘢痕组织，由于再生修复的基质失去了正常的格子状排列，破坏了角膜基质精妙的光干涉效应，散射光大量增多，透明度将大大降低，甚或变为完全混浊。

（三）后弹力层及内皮细胞层的创伤与修复

后弹力层创伤后可以通过内皮细胞分泌加以修复，一般情况下，后弹力层的损伤，往往伴随着内层的破坏。单纯后弹力层损伤而内皮层保持完好者极为少见，甚至是不可能的。后弹力层破裂后，边缘往往卷曲，很难贴合于角膜基质上，可重叠起来形成双层的透明膜或进到前房内或贴到邻近角膜处，房水从伤口进入基质而致基质水肿。通常情况下，后弹力层的修复要在内皮修复愈合1个月后才逐渐开始。后弹力层虽可再生，但新生的后弹力层较正常为薄，卷曲的后弹力层断端，可在后弹力层修复后终生残留。

一般认为，成人的角膜内皮细胞不能增生，儿童的角膜内皮细胞具有有丝分裂能力。人角膜内皮创伤愈合的另一特点是愈合过程波及范围大，细胞形态恢复缓慢，体外培养20岁以下的人类角膜内皮细胞可见不同程度的有丝分裂现象。

成人角膜内皮受损伤后，主要通过缺损区附近的正常角膜内皮细胞体积扩张和延伸而遮盖内皮缺损区，损伤修复时间因创面大小而不同。内皮创口愈合能影响上皮愈合，如内皮正常愈合，上皮不会植入前房；如内皮不能正常愈合或变性，则上皮细胞有可能植入前房。

（四）相关的细胞生长因子

角膜的创伤和修复过程自始至终伴有诸多生物活性因子的参与，这些因子调控角膜伤口的愈合。

1．表皮细胞生长因子（EGF）　EGF是一种性质稳定的单体多肽，分子量为6．045kD。几乎所有的体液和分泌物中都存在EGF，它与细胞膜上专一的受体结合，对外胚层、中胚层源性组织都有促分裂和促成熟作用。人角膜的上皮细胞、实质层角膜细胞及内皮细胞均能编码EGF及其受体的mRNA。后来进一步证实了EGF对角膜细胞及内皮细胞的促分裂作用，并证实其对角膜内皮细胞的促分裂作用强于成纤维细胞生长因子。EGF对诱导角膜的细胞增殖，尤其是角膜缘和周边部的细胞再生，加速损伤愈合，起着重要作用。

EGF具有下列作用：①在角膜上皮层和基质层同时存在时，具有刺激上皮增殖的作用，同时可使上皮细胞内纤维连接蛋白合成增加；②促进角膜基质层胶原合成和激活的基质细胞或纤维母细胞增殖；③实验条件下可促进角膜内皮细胞的再生；④促进角膜上皮细胞、基质成纤维细胞和内皮细胞的移行；⑤有显著促进角膜张力强度的作用。

2．纤维连接蛋白（FN）　FN（Fibronectin）为含糖蛋白质，分子量为440kD，由两条相似但多肽键不同的片段组成。FN主要分布于血浆、细胞表面及活性组织中。除前弹力层外，FN存在于正常人角膜各层组织中，其中以基质中含量最高，在角膜受伤后的数小时内即发现沉积在伤口表面，并持续存在于迁移上皮细胞之下，直到伤口完全闭合。FN在角膜创伤中的作用有：FN能与胶原特异性地结合，介导细胞和胶原之间的附着和粘连。FN是角膜上皮修复时存在于基底膜中的暂时成分，它为上皮的迅速移行和附着提供支架。另外，在缺乏基底膜的创面上，FN可与基质胶原紧密结合，同时促使上皮细胞黏附于基质上，为上皮细胞的迅速移行、完成修复提供了不可缺少的基础。构成细胞附着和迁移的基质，增加上皮细胞和成纤维细胞的移行和转运能力，从而促进角膜伤口的修复。

3．转化生长因子－β（TGF－β）　TGF－β（transforming　growth　factor－beta）是多功能细胞因子，属于一个结构相关的调节蛋白家族。人角膜上皮细胞、基质细胞以及内皮细胞均有TGF－βmRNA表达。角膜上皮细胞以表达TGF－β2为主，也有TGF－β1和TGF－β3的表达，其中TGF－β3分布在角膜上皮下的区域；基质细胞中只有TGF－βl和TGF－β3；内皮细胞中则3种均有。房水中亦有TGF－β的存在，其中61%为活性形式，以TGF－β2为主。

生理情况下，TGF－β维持角膜上皮的存在，调节基质代谢而使基质维持与其功能相适应的形态。TGF－β具有促进和抑制细胞增殖的双向功能，既能够促进角膜伤口愈合，又会导致角膜伤口局部瘢痕和纤维化，影响角膜的透明度。

TGF－β与角膜损伤的修复，也有密切关系，在角膜创伤愈合过程中的作用包括：①诱导角膜细胞和单核细胞向伤口处的趋化游走，这些细胞可转化为成纤维细胞，参与伤口的愈合；②促进成纤维细胞和上皮细胞分泌FN，胶原和氨基多糖；③增加Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型胶原与FN的mRNA水平；④直接刺激Ⅰ型胶原启动子和FN启动子的活性；⑤增加细胞与细胞间质的相互作用；⑥促进PN和胶原基质的黏附沉积；⑦对角膜上皮细胞的增殖具有修饰作用，可以避免上皮细胞过度增殖；⑧促进角膜新生血管的愈合。

TGF－β可能作为EGF的修饰剂影响角膜上皮细胞的愈合。另外，TGF－β可能有与EGF相反的作用，即抑制角膜上皮细胞的增殖，机制如下，①促进细胞外基质的合成：能刺激角膜基质成纤维细胞合成胶原和FN，TGF－β在角膜基质损伤修复中，可刺激细胞外基质成分，如胶原、蛋白聚糖、FN等的合成，其促使胶原和FN合成的作用大于EGF；②TGF－β抑制胶原酶等蛋白酶的合成，减少胶原分解，促进伤口愈合；③促进细胞黏附受体的合成。TGF－β可刺激牛角膜内皮细胞的增殖，有调节成纤维细胞生长因子（FGF）和EGF对牛角膜内皮细胞的作用。

4．碱性成纤维细胞生长因子（basic　Fibroblast　Growth　Factor，bFGF）　是人体内存在的一种非常微量的多肽，其生理功能非常广泛，是一种多功能细胞生长因子。bFGF对神经外胚层源性、神经嵴源性和中胚层源性的多种细胞具有生物学活性，主要影响调节细胞的分裂增殖、生长分化、形态结构及再生和衰老等。

（五）角膜神经的损伤修复

神经轴突运送和释放神经肽，营养周围组织和细胞，角膜一旦失去神经支配除了表现为角膜感觉的减退，还可能引起不同程度的角膜营养和代谢的障碍，导致上皮细胞有丝分裂能力下降、通透性增加，细胞骨架减少，上皮细胞黏附能力降低，进而直接影响角膜上皮细胞的恢复。角膜感觉低下或丧失会导致角膜慢性干眼症、角膜感染、溃疡形成。角膜中央完全失去知觉2周以上，角膜上皮化不良，引起持续性上皮糜烂。角膜术后的角膜慢性干燥和感染与角膜感觉缺失有关。角膜神经损伤引起的角膜营养和代谢的障碍包括角膜上皮细胞分裂增殖减少、细胞间粘连活性下降、导致角膜上皮脱落、伤口愈合能力减退、基质融解、穿孔，或新生血管长入、瘢痕形成、角膜混浊和视力下降。

基质浅丛和角膜周丛是角膜神经恢复的主要来源，神经干和上皮丛都是恢复正常角膜知觉所必需的，神经再生程度和时间上的差异不但与角膜切口的位置和深度有关，还与瘢痕组织的厚度和是否植入供体植片有关，若条件适宜，角膜神经可以大致恢复正常。

界面的瘢痕组织是影响神经再生时间和程度的重要因素。只要伤口整齐，对合良好，界面瘢痕薄，一般8个月即可重建大部分的神经支配。