花青素對眼部保護作用及其機制的研究進展

全文彬，紀昊垚，麥梓鋒，王娟

(華南理工大學 食品科學與工程學院，廣東 廣州，510641)

隨著信息技術的不斷發展和電子產品的加速普及，人們接觸電腦、手機等各類電子產品的時間正不斷延長，由此帶來的眼部健康問題也日益嚴重。2019年，全球有22億人患有各種程度的視力障礙[1]，根據相關預測，到2050年，全球失明人口將達到6 100萬，4.74億人患有中度及重度視力障礙[2]。在中國此類問題更為嚴重。2019年，全國患有眼病的人數為全球第一，接近2.1億[3]。加之教育現代化的推進和經濟情況的改善，中國青少年將更多地接觸電子屏幕，關于青少年的近視和視疲勞的調查結果不容樂觀[4-6]。除此之外，一些慢性病帶來的并發癥也會對眼部造成不良的影響[7]，這使得眼部問題愈發常見且棘手。由此可見，眼部相關的健康問題需要得到更大的關注。

花青素是一類水溶性天然色素，主要存在于植物中，與水果、蔬菜和花卉中的大部分主要呈色物質相關，在食品、醫藥、化妝品等領域有廣泛的應用。花青素已被證明具有多種生物活性，包括抗氧化、抗炎、抑菌等[8]，并且對心血管疾病[9]、眼部疾病[10]、神經退行性疾病[11]、癌癥[12]等有所幫助，所以花青素正逐漸成為與人類健康相關的重要成分之一。

本文重點就花青素對眼部疾病的保護作用及其作用機制等方面的研究情況進行綜述,以期為后續研究和推廣花青素提供參考。

1 花青素的化學結構和來源

花青素屬于黃酮類化合物，它的基本結構是帶有羥基或甲氧基的2-苯基苯并吡喃環[13]。自然狀態下花青素以糖苷形式存在，又稱花色苷，常見的糖基包括葡萄糖、鼠李糖、半乳糖、木糖和阿拉伯糖[14]。迄今為止，已經在自然界中鑒定出大約700種不同結構的花色苷，已被鑒定的花青素也近30種[15]，其中有6種花青素在高等植物中較為常見，分別是天竺葵色素、矢車菊色素、飛燕草色素、芍藥色素、牽牛花色素和錦葵色素[16]，它們各自的結構如圖1所示。

花青素類型取代基R1取代基R2天竺葵色素HH芍藥色素OCH3H牽牛花色素OCH3OH錦葵色素OCH3OCH3矢車菊色素OHH飛燕草色素OHOH

圖1 常見花青素的結構[21]

Fig.1 Structures of anthocyanidins[21]

花青素可在不同pH值下呈現不同的結構形式，如圖2所示，酸性環境下為黃烊鹽呈紅色，在pH偏堿性時為醌式結構呈藍色，堿性繼續增強形成的擬堿式和查耳酮式呈無色[17-18]。花青素在植物中廣泛存在，其中黑枸杞、藍莓、黑桑葚、黑葡萄、紫甘藍、黑果等深色植物都是花青素的良好來源[19-20]。

圖2 不同pH下花青素結構和顏色的變化情況[14]Fig.2 Structures and colors of anthocyanidins at different pH[14]

2 花青素對眼部健康的影響

2.1 花青素對視疲勞的作用

視疲勞常指人在執行超負荷的視覺活動后出現的不良癥狀，包括頭痛、視力模糊、眼干、畏光等[22]。隨著電子屏幕更多地出現在生活中，視疲勞越來越常見。相關研究表明，花青素對視疲勞有一定的緩解作用，能夠改善相關癥狀。有視疲勞癥狀的受試者連續30 d口服花青素飲料，結果表明受試組的眼痛、畏光等癥狀的有效改善率以及明視持久度顯著高于對照組[23]。SEKIKAWA等[24]的實驗發現受試者在服用含越橘花青素的膠囊達6周后，瞳孔反應得到了改善。花青素與其他對視疲勞有改善作用的營養素復合使用，也表現出了較好的效果。黃宗銹等[25]比較了受試者服用含花青素與維生素A的復方膠囊前后的眼部癥狀(眼脹、視物模糊、眼干澀等)和明視持久度，服用35 d后，受試者的相關指標有明顯改善。不僅如此，花青素和葉黃素共同使用時可減輕眼脹、眼痛、畏光等癥狀[26-27]。KAWABATA等[28]進行的實驗顯示魚油、葉黃素和花青素共同使用4周可起到上述類似的作用。目前針對花青素對視疲勞的作用的研究主要集中于健康或具有視疲勞癥狀的人群，具體作用機制仍不明確，這可能與視疲勞的影響因素較多，相互關系較復雜有關。注意到這些研究中所檢測的安全性指標均在正常范圍之內，說明花青素單獨或復合作用于人體時，在保證安全性的前提下，具有較好的抗視疲勞作用。

2.2 花青素對近視的作用

近視是指當眼部放松時，光線平行于眼部軸線進入眼睛，經過折射聚焦于視網膜前的現象[29]。近視對青少年人群的視力影響極大。花青素對于近視的作用已在多種動物模型中有所體現。有學者[30-31]分別用越橘花青素和黑果枸杞花青素對豚鼠建立形覺剝奪性近視模型，結果表明花青素可減緩眼軸變長和屈光度向近視漂移，使鞏膜膠原排列相對緊密、整齊，表現出對近視的抑制作用。也有研究對雛雞分別建立了形覺剝奪性近視模型和光學離焦性近視模型，發現黑加侖花青素能夠減緩雛雞眼球長度的增加，從而抑制雛雞近視的惡化，但不同結構的花青素對不同近視模型的效果呈現出一定的差異[32]。花青素不僅在近視動物模型中表現出具有減緩眼軸變長的效果，還已經在基于人體的研究中展現出對屈光不正的改善作用。有研究[33-34]發現藍莓花青素和黑果枸杞花青素可明顯改善青少年的視力，降低屈光度，進而緩解近視的發展。由此可見，不同來源的花青素在不同的研究模型中都表現出改善近視的效果，說明花青素有成為相關保健食品成分的潛質。

2.3 花青素對視網膜的作用

長時間或過強的光照可能會對視網膜造成損傷，隨著光的波長、強度和照射方式的不同，對視網膜的損傷也有所不同[35]。除此之外，一些慢性病如糖尿病等也會誘發視網膜的病變[36]。

多種來源的花青素被認為對視網膜損傷有保護作用。陳瑋等[37]的實驗表明黑米花青素可以抑制光誘導的大鼠視網膜脂質過氧化，提高抗氧化酶的活性。同時，通過對大鼠的視覺電生理檢查和組織形態學觀察，也發現黑米花青素對視網膜光損傷有保護效果[38]。還有研究表明藍莓花青素可抑制視網膜色素上皮細胞的衰老和凋亡，下調血管內皮生長因子(ascular endothelial growth factor，EGF)的水平，提高視網膜細胞總蛋白含量，增加細胞外核層厚度，對視網膜光損傷有保護作用[39]。

花青素除了對視網膜光損傷有保護作用外，對化學誘導的視網膜損傷也有效果。KIM等[40]發現黑豆花青素可顯著降低小鼠視網膜中由N-甲基-N-亞硝基脲(N-methyl-N-nitrosourea，MNU)引發的神經膠質纖維酸性蛋白(glial fibrillary acidic protein，GFAP)和巢蛋白的上調，促進視紫紅質的表達。此外，藍莓花青素對糖尿病視網膜病變有潛在預防作用。研究表明藍莓花青素可抑制糖尿病視網膜損傷導致的活性氧(reactie oxygen species， ROS)的增加，提高抗氧化酶的活性，降低EGF和白細胞介素1β(interleukin-1，IL-1β)水平[41-42]。由此看出，花青素對視網膜光損傷和化學誘導損傷的保護機制大致接近，抗氧化和抗炎效果顯著，體現出花青素能夠預防視網膜光損傷和糖尿病視網膜病變等疾病，減緩損傷和病變的發展。

2.4 花青素對青光眼的作用

青光眼被視為一種與視神經結構性損傷和多種病理過程導致的視覺功能障礙相關的視神經病變[43]。青光眼是較為常見的眼部疾病，對人類危害極大，可導致人類失明，根據預測，至2040年，全球將有1.118億青光眼患者[44]。花青素常被認為有助于青光眼的治療。眼壓升高是青光眼的常見癥狀[45]。OHGURO等[46]對開角型青光眼患者進行了長達24個月的研究，發現花青素能降低患者眼內壓，抑制青光眼的惡化。YOSHIDA等[47]進行的臨床實驗表明花青素干預能夠提高開角型青光眼患者的血清內皮素-1的濃度，使其恢復正常水平，對青光眼有防護效果。具體而言，花青素對開角型青光眼的一種特殊類型——正常眼壓性青光眼有保護效果。有學者探究了口服花青素對正常眼壓性青光眼的效果，患者持續6個月的實驗結果顯示，口服花青素可增加眼部血流量，從而有助于正常眼壓性青光眼的治療[48]。SHIM等[49]發現，經過花青素治療的正常眼壓性青光眼患者的最佳矯正視力和Humphrey isual Field測試的平均偏差均得到了改善。由此可見，花青素可以降低患者眼內壓[46]，增加青光眼患者眼部血流量[48]和改善視覺功能[49]，對于正常眼壓性青光眼具有一定的治療效果，但考慮到部分臨床研究在開角型青光眼患者的篩選上對眼壓有一定限制要求，因此花青素對高眼壓開角型青光眼的效果仍有待進一步確認，同時，目前針對花青素對閉角型青光眼的臨床研究較少，相關作用仍不明確。

2.5 花青素對白內障的作用

白內障是人類常見的眼病之一，在老年人群中頻發，其發病機制與各種因素導致的晶狀體蛋白質變性有關[50]。多種研究模型已被建立，說明花青素能夠保護晶狀體，從而對于白內障有抑制作用。MORIMITSU等[51]將雄性大鼠的晶狀體置于高糖環境下培養，從而模擬糖尿病引發的白內障，實驗發現花青素可以減緩晶狀體變渾，表現出對白內障的潛在抑制作用。ZHANG等[52]用亞硒酸鹽誘導大鼠產生白內障，使用花青素后，大鼠晶狀體中的超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)和過氧化氫酶(catalase, CAT)活性都顯著提高，說明花青素可能通過抗氧化的方式，阻止白內障惡化。還有研究表明黑豆花青素會抑制大鼠晶狀體上皮細胞(lens epithelial cells, LECs)的增殖和遷移，促進LECs的凋亡[53]。花青素對人LECs除了有上述的效果外，還可抑制上皮間充質轉化，有助于減緩白內障發生[54]。總而言之，花青素能夠減緩晶狀體渾濁的發展，減小氧化損傷，抑制LECs增殖遷移和間充質轉化，從而抑制白內障的發展。

3 花青素對眼部健康的影響機制

3.1 抗氧化

由于多種眼病的發病機制與氧化損傷相關，所以花青素對于眼部的保護作用常被認為與其抗氧化能力有關。花青素的抗氧化作用已在多種眼部相關的模型中有所體現。楊劍潔[55]令小鼠接受電腦電磁輻射，并用藍莓花青素進行干預，發現藍莓花青素可以降低小鼠視網膜丙二醛(malondialdehyde，MDA)含量，減緩過氧化物歧化酶活性的下降，從而減輕電磁輻射對小鼠視網膜的損傷。對H2O2氧化損傷的人體視網膜色素上皮細胞-19(adult retinal pigment epithelial cell line-19，ARPE-19)模型的研究也發現了相似的效果，結果表明，加入花青素后， ROS和脂質過氧化產物MDA的水平大幅減少，細胞活力和SOD、CAT和谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase，GSH-Px)含量均有不同程度地提高[56]，表現出較好的抗氧化能力。其他研究顯示花青素還可以清除DPPH、烷基和·OH自由基[57]。花青素的抗氧化作用對不同原因造成的氧化損傷也有效果。WANG等[58]的研究顯示越橘花青素能降低光氧化損傷的ARPE-19細胞的ROS水平，并且促進與抗氧化相關的血紅素加氧酶-1(heme oxygenase-1，HO-1)的表達。目前來看，花青素有助于抑制脂質過氧化，增強抗氧化酶活性，清除自由基，進而降低外界對眼部的氧化損傷，因此抗氧化可能是花青素發揮眼部保護作用的重要機制之一。花青素通過抗氧化保護眼部的作用和機制如表1所示。

表1 花青素在眼部的抗氧化作用和機制Table 1 The antioxidatie effects and mechanisms of anthocyanins on eyes

3.2 抗炎

炎癥是機體對感染或非感染因素，以免疫機制為基礎損傷組織的病理現象[63]，因此抗炎是治療疾病的重要方式。在部分研究中，花青素表現出具有在眼部較好的抗炎活性。核轉錄因子NF-κB在炎癥反應和免疫應答中發揮重要作用，NF-κB的活化與青光眼、白內障、眼底病等眼部疾病相關[64]。WANG等[58]的研究表明越橘花青素可以降低兔視網膜中白細胞介素-6(interleukin-6，IL-6)的水平，抑制光誘導的NF-κB mRNA的增加。還有研究發現藍莓花青素可抑制NF-κB信號通路，使NO和細胞間黏附分子-1(intercellular cell adhesion molecule-1，ICAM-1)水平下降[42]。但也有研究得出了相反的結論，余小平等[65]探究發現光照會使大鼠視網膜NF-κB p50/p65 mRNA表達下降，NF-κB p50/p65蛋白明顯減少，采用黑米花青素干預可以促進NF-κB p50/p65 mRNA和蛋白增多。NF-κB的激活會上調IL-6、，ICAM-1等的表達，而它們也能夠進一步活化NF-κB，使炎癥反應愈發嚴重，因此花青素在此方面可有效抑制NF-κB調節的靶蛋白的表達，但具體對于該信號通路的抑制機制仍不明確。花青素不僅能調控NF-κB信號通路，還能控制炎癥因子的含量，從而對其他信號通路如STAT3、Nrf2/HO-1等造成影響。MIYAKE等[66]的實驗結果表明越橘花青素可以抑制信號傳導蛋白和轉錄激活物(signal transducer and actiator of transcription 3，STAT3)的活化,這可能與IL-6表達減少相關，從而有助于減緩視紫紅質的降解。SONG等[41]的研究發現藍莓花青素可以降低糖尿病大鼠視網膜中EGF和IL-1β的水平，并增強核因子NF-E2相關因子(nuclear factor-erythroid 2，Nrf2)和HO-1的表達。藍莓花青素還可抑制蛋白激酶B (Akt)的表達，降低內皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase，eNOS)的活性[42]。花青素在其他部位的體內外實驗中還展現出更豐富的抗炎機制[67-69]，其結論是否可推廣到眼部作用仍有待進一步研究。花青素通過抗炎保護眼部的作用和機制如表2所示。

3.3 促進視紫紅質再生

視紫紅質是重要的感官色素，能夠將光刺激轉化為神經沖動，從而形成視覺[72]，可以由11-順視黃醛和視蛋白合成，花青素對眼部健康的作用被認為與其可促進視紫紅質再生有關。LEE等[73]的研究說明矢車菊素-3-葡萄糖苷(cyanidin-3-glucoside，C3G)可提高視紫紅質水平。不同結構的花青素的視紫紅質再生作用有所差異，目前來看，C3G能較好地促進視紫紅質再生。MATSUMOTO等[74]探究了從黑加侖中提取的4種花青素對青蛙視桿細胞膜視紫紅質的再生作用及其動力學，結果顯示花青素可以促進視紫紅質的再生，但不同結構的花青素的效果不同，矢車菊色素對視紫紅質的再生作用較好，飛燕草色素效果相對較弱，這可能與矢車菊色素疏水性更強有關。前人[75-76]的研究發現C3G與視紫紅質的作用受pH值的影響較大，pH 6條件下視紫紅質再生效果較好，兩者結合物的二級和三級結構穩定性也與pH值相關，并且認為C3G對視紫紅質再生的促進機制與中間體變視紫紅質(metarhodopsin II，Meta II)的穩定性關系較小，可能與蛋白質結構變化有關。由此可見，不同結構和pH下的花青素對視紫紅質的作用也有所不同，其中C3G的效果較好。此外，花青素與其他物質可能產生協同作用，增強花青素對視紫紅質合成的促進效果。何敏菲[77]的研究表明C3G與茶天然產物共同使用可以加快視紫紅質的復原，減緩視紫紅質的降解，兩者共同使用的效果優于單獨使用C3G的效果。因此，合適的結構、pH值和共存物質或許能更好地發揮花青素對視紫紅質再生的促進作用。

表2 花青素在眼部的抗炎作用和機制Table 2 The anti-inflammatory effects and mechanisms of anthocyanins on eyes

3.4 促進睫狀肌松弛

睫狀肌與人眼的視覺調節相關，睫狀肌的收縮可以改變懸韌帶張力，使晶狀體變形，進而改變屈光效果[78]。當光線聚焦在視網膜上時，人才能看清物體，因此睫狀肌與視覺的形成有一定聯系。花青素能夠抑制睫狀肌的收縮，但效果與其具體結構相關。MATSUMOTO等[79]研究從黑加侖中提取的一種花色苷——飛燕草素-3-蕓香糖苷(delphinidin-3-rutinoside,D3R)對牛睫狀肌的作用，將D3R作用于因被內皮素-1(endothelin 1，ET-1)處理而收縮的牛睫狀肌，觀測到牛睫狀肌收縮程度降低，說明D3R對ET-1誘導的收縮有抑制作用，矢車菊素-3-蕓香糖苷(cyanidin-3-rutinoside，C3R)也表現出抑制效果，但不及D3R，考慮到該實驗中結構相似的黃酮類物質槲皮素-3-蕓香糖苷和楊梅素-3-蕓香糖苷未表現出此方面的作用，所以花色苷的B、C環結構可能與其抑制睫狀肌收縮的作用密切相關。實驗結果顯示，D3R可促進環磷酸鳥苷(cyclic guanosine monophosphate，cGMP)的產生，降低肌球蛋白調節輕鏈(myosin regulatory light chain，MRLC)的磷酸化比率，并且D3R對睫狀肌收縮的抑制作用在一氧化氮合酶抑制劑存在時會消失。因此認為D3R可能是通過增加NO從而降低MRLC的磷酸化進而抑制ET-1導致的收縮。

4 總結與展望

花青素對眼部健康有一定益處，并已經在食品領域有所應用。但目前關于花青素對眼部疾病的臨床研究還不太充分，相關數據缺乏，并且對于其保護作用的具體機制還不夠深入了解，因此未來需要更多的臨床實驗，并應加強花青素在眼部細胞的代謝產物、炎癥因子等方面的研究。除此之外，為更廣泛有效地發揮花青素食品的健康作用，需要尋找更多可提高花青素在食品加工及保藏過程中穩定性的方法。