蝦青素藥理學(xué)作用及其在眼科疾病治療中的應(yīng)用

董學(xué)衛(wèi),孫 敏,顏世超,賈懷峰,張 偉,姜 曼

(濟寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院 生物與化學(xué)工程系,山東 濟寧 272000)

蝦青素又稱為變胞藻黃素或蝦紅素，是一種天然的類胡蘿卜素，20世紀(jì)90年代中期開始，美國的Cyanotech和日本的Itano等公司就將其作為一種天然的膳食補充劑進行銷售。隨著健康中國2030戰(zhàn)略的實施，國內(nèi)對蝦青素的研究正方興未艾。

1 蝦青素的結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)

1.1 蝦青素的來源

蝦青素廣泛存在于細菌、藻類、酵母、植物、甲殼類動物和鮭魚等魚類中，主要商業(yè)來源是微藻和甲殼類動物。其中，雨生紅球藻的蝦青素含量最高，約占細胞干重的2.0%～3.0%[1]，光強和缺磷脅迫有利于雨生紅球藻積累蝦青素及脂肪酸酯衍生物。

1.2 蝦青素的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)

根據(jù)來源不同，蝦青素通常與不同的脂肪酸酯化，如棕櫚酸、油酸和亞油酸等，以單酯或雙酯形式存在。人工合成的蝦青素是自由形式，而從微藻中提取的蝦青素為單酯和雙酯的混合物。蝦青素分子式為C40H52O4，其物質(zhì)的量質(zhì)量為596.84 g/moL。

蝦青素含有由共軛多烯系統(tǒng)連接的兩個末端環(huán)，位于苯環(huán)3,3′位置的兩個不對稱碳原子含有羥基(-OH)，兩端的4,4′處含有酮基(=O)。蝦青素存在三種異構(gòu)體，包含兩個對映體結(jié)構(gòu)(3S,3'S和3R,3'R)和消旋結(jié)構(gòu)(3R,3'S)(圖1)[2]。其中3S,3'S在自然界中最豐富，雨生紅球藻合成的蝦青素為(3S,3'S)異構(gòu)體。人工合成的蝦青素是包含兩個對映體和外消旋結(jié)構(gòu)的消旋混合物，(3S,3'S)、(3R,3'S)和(3R,3'R)異構(gòu)體的比例為1∶2∶1[3]。

圖1 不同蝦青素反式異構(gòu)體構(gòu)型

1.3 蝦青素的毒理學(xué)研究

石麗麗等[4]研究發(fā)現(xiàn)，蝦青素對雌、雄大鼠的急性經(jīng)口最大耐受量(MTD)均大于19.09/kg·BW。Ames試驗、小鼠骨髓微核試驗和精子畸形試驗結(jié)果均未見致突變作用，大鼠30d喂養(yǎng)試驗各項指標(biāo)也均未見明顯毒性反應(yīng)。梅素歡等[5]綜述了蝦青素的毒理學(xué)研究概況，對其安全性做出了總結(jié)，為蝦青素的安全性研究提供參考。1999年美國食品和藥物管理局(USFDA)批準(zhǔn)雨生紅球蝦青素為一種新膳食成分，我國也相繼將蝦青素和雨生紅球藻批準(zhǔn)為飼料添加劑和新食品資源[5]。

1.4 蝦青素的生物利用度

蝦青素水中的溶解度低，在普通食用油(如長鏈三酰甘油酯)中的溶解度有限，分散性低，吸收率低，與其他營養(yǎng)功能性脂質(zhì)化合物相比，生物利用度低[6]，且在加工或儲存過程中易降解，限制了其在功能性食品和膳食補充劑中的應(yīng)用。雨生紅球藻在不同環(huán)境中具有不同細胞形態(tài)，其中不動孢子階段雨生紅球藻可大量積累高濃度的蝦青素。不動孢子細胞壁較厚，既是防氧化和化學(xué)攻擊的天然屏障，也是人類消化和吸收的障礙[7]。

2 蝦青素的藥理學(xué)作用

2.1 抗氧化活性

氧化應(yīng)激是細胞前體反應(yīng)和抗氧化反應(yīng)間的微妙平衡被破壞而引起，在一些人類疾病的發(fā)病機制中起關(guān)鍵中介作用。蝦青素通過淬滅單線態(tài)氧、清除自由基、降低膜通透性、限制氧化劑滲透進細胞內(nèi)、增加抗氧化酶活性、降低DNA的氧化損傷、抑制脂質(zhì)過氧化等方式進行抗氧化作用[8]。Naguib等研究表明，蝦青素比其他類胡蘿卜素(如α-胡蘿卜素、番茄紅素、葉黃素和β-胡蘿卜素)具有更高的抗氧化活性[9]。王素玲等[10]發(fā)現(xiàn)蝦青素可降低儲存懸浮紅細胞內(nèi)外的氧化應(yīng)激水平，減輕細胞膜的過氧化損傷，紅細胞儲存期細胞內(nèi)ROS、MDA含量、細胞外FHb和H2O2含量均低于對照。

2.2 抗炎作用

炎癥和氧化應(yīng)激是雙端關(guān)系的組成部分。炎癥的本質(zhì)是機體應(yīng)對各種損傷性刺激時自我保護的防御反應(yīng)[11]，炎癥介質(zhì)如白細胞介素(IL)-1B、IL-6、IL-8和TNF-α在許多眼部疾病中上調(diào)，增加ROS的表達，同樣導(dǎo)致炎性細胞因子、趨化因子分泌增加，改變局部環(huán)境的穩(wěn)態(tài)，進而導(dǎo)致細胞損傷、病理性新生血管形成和隨后的功能損害。宋陽等[12]證明蝦青素預(yù)保護能抑制TLR4/MyD88/NF-кB通路相關(guān)蛋白的表達，進而緩解脂多糖刺激RAW264.7細胞產(chǎn)生的炎癥反應(yīng)。市售蝦青素作為一種抗炎藥，其療效與阿司匹林或布洛芬等炎癥藥物相似。體外實驗、早期臨床試驗表明，蝦青素本身或與其他成分結(jié)合，可預(yù)防甚至治愈某些疾病。

2.3 抗凋亡作用

細胞凋亡是細胞程序性死亡的一種形式，在哺乳動物的發(fā)育和組織穩(wěn)態(tài)中起著至關(guān)重要的作用。細胞凋亡與神經(jīng)退行性疾病、缺血性中風(fēng)和心臟病的發(fā)生密切相關(guān)[13]。馬于林等[14]發(fā)現(xiàn)，蝦青素預(yù)處理后，過氧化氫對HA-SMC毒性作用降低，ROS水平降低，線粒體膜電位回升，自噬相關(guān)蛋白表達上調(diào)，抑制凋亡。閆孟利等[15]研究發(fā)現(xiàn)，蝦青素預(yù)處理組細胞活力較對照組提高了29.54%以上且可將H2O2誘導(dǎo)的活性氧降至對照水平，同時提高Nrf2蛋白表達量3倍之多，過氧化氫酶基因相對表達量1.5倍，說明蝦青素可有效緩解H2O2誘導(dǎo)的HeLa細胞氧化應(yīng)激，從而抑制細胞凋亡。

3 蝦青素在眼科學(xué)上的應(yīng)用

3.1 視網(wǎng)膜疾病

視網(wǎng)膜是眼睛最里面、對光敏感的神經(jīng)層，是體內(nèi)代謝最活躍的組織，對氧氣需求量大，不斷地暴露在光線下。從而導(dǎo)致眼睛易受輻射引發(fā)氧化損傷和炎癥。視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞死亡是青光眼、視神經(jīng)病變和糖尿病視網(wǎng)膜病變等視網(wǎng)膜病變的共同特征，多以氧化應(yīng)激、缺血和凋亡為主要致病因素[16]。

Otzuka等研究發(fā)現(xiàn)，濃度為100 mg/kg的蝦青素能抑制光誘導(dǎo)視網(wǎng)膜損傷小鼠模型的視網(wǎng)膜電圖(ERG)和外核層(ONL)厚度評估的視網(wǎng)膜功能障礙。此外，通過降低8-羥基脫氧鳥苷(8-OHdG)水平，可同時降低細胞氧化應(yīng)激[17]。莊海容等[18]探討了蝦青素對過氧化氫誘導(dǎo)人視網(wǎng)膜色素上皮細胞(retinal pigment epithelial cells,RPE)氧化損傷的保護作用。蝦青素可以抑制H2O2誘導(dǎo)的人RPE細胞的凋亡，為尋求防治視網(wǎng)膜損傷的藥物提供可靠的實驗依據(jù)。

3.2 葡萄膜炎

葡萄膜炎會影響眼睛中間層的炎癥，是導(dǎo)致視力下降和眼睛疼痛的常見原因。葡萄膜炎血-水屏障的破壞涉及細胞浸潤、蛋白質(zhì)滲透性增加和葡萄膜區(qū)域細胞因子和趨化因子(如TNF-α、IL-6、MCP-1和MIP-1)的上調(diào)。這種炎癥級聯(lián)與氧化應(yīng)激增加有關(guān)。Suzuki等研究了蝦青素對內(nèi)毒素誘導(dǎo)的葡萄膜炎的影響，測定了有無蝦青素時炎性細胞因子和趨化因子的表達。研究發(fā)現(xiàn)，注射蝦青素的大鼠浸潤細胞數(shù)量明顯減少，且蛋白質(zhì)、NO、TNF-α和PGE2的濃度、虹膜睫狀體NF-kB陽性細胞數(shù)也明顯減少。表明蝦青素通過下調(diào)促炎因子和抑制NF-kB依賴的信號通路來減輕葡萄膜炎患者的眼部炎癥[19]。

3.3 白內(nèi)障

白內(nèi)障會導(dǎo)致自然晶狀體混濁，造成視力下降，是失明的主要原因之一，需要手術(shù)恢復(fù)視力[20]。Ishikawa等發(fā)現(xiàn)蝦青素可有效防止類固醇誘發(fā)白內(nèi)障的實驗?zāi)Ｐ椭芯铙w混濁，恢復(fù)谷胱甘肽水平，表明抗氧化活性是預(yù)防白內(nèi)障的主要機制[21]。此外，楊明等[22]研究了蝦青素對1型糖尿病大鼠代謝性白內(nèi)障的預(yù)防作用及機制，發(fā)現(xiàn)低劑量蝦青素組和高劑量蝦青素組大鼠晶狀體勻漿內(nèi)的AGEs質(zhì)量濃度和MDA濃度均低于糖尿病模型組，低劑量蝦青素組大鼠晶狀體中GSH質(zhì)量濃度和SOD含量明顯低于高劑量蝦青素組。

3.4 眼表

眼睛表面，尤其是角膜和結(jié)膜，幾乎經(jīng)常暴露在陽光下，是氧化應(yīng)激的誘因之一。而炎癥和氧化應(yīng)激密切相關(guān)，是眼表疾病的主要致病因素[23]。可利用蝦青素處理炎癥和氧化應(yīng)激的能力，進行眼表疾病的治療。Anton Lennikovd等[24]發(fā)現(xiàn)蝦青素可用于治療紫外線照射造成的損傷，角膜上皮細胞的形態(tài)保存良好，凋亡細胞明顯少于對照組，氧化應(yīng)激有所減少。蝦青素處理的TKE2細胞毒性較低，隨著蝦青素劑量的增加，細胞保護作用增強。

3.5 視疲勞

視疲勞，又稱眼疲勞，日常生活中出現(xiàn)的非特異性的癥狀，包括不適、流淚、視力模糊、對光敏感，嚴重者還會出現(xiàn)疼痛。由于智能手機和平板電腦等緊湊型終端的廣泛使用，從而使得調(diào)節(jié)系統(tǒng)超負荷工作，加劇了眼睛疲勞[25]。閻英杰等[26]研究發(fā)現(xiàn)，VDT操作員服用蝦青素后眼肌調(diào)節(jié)力得到明顯改善，表明蝦青素對VDT操作員的視疲勞有改善作用。張會香等[27]開展了對紅球藻軟膠囊緩解視疲勞功能評價研究，發(fā)現(xiàn)口服紅球藻軟膠囊試驗組試驗后癥狀總積分與試驗前及與對照組比較均顯著降低，明視持久度與試驗前比較及與對照組比較均有顯著改善，且平均明視持久度提高幅度大于0.1。

4 討論

由于蝦青素具有抗炎、抗氧化、代謝調(diào)節(jié)、具有直接治療眼部疾病等功效，而且安全性高，臨床研究中均未報告任何不良事件，為支持、保護和改善眼睛健康及對眼部疾病的治療開辟了新視角。為提高蝦青素的治療效果，既需要提高其生物利用度，也需要針對不同的臨床適應(yīng)癥以確定合適的劑量和確切的成分。