人造光源在年齡相關(guān)性黃斑變性發(fā)生發(fā)展中的作用

周琦琪，高美玲

(溫州醫(yī)科大學(xué)附屬眼視光醫(yī)院，眼視光和視覺(jué)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，視網(wǎng)膜生理和疾病研究組，浙江 溫州 325000)

引言

光是人類生存不可或缺的元素，隨著科技的發(fā)展和生產(chǎn)生活的需要，人造光源不斷更新迭代[1]。隨著在日常照明、電子設(shè)備、景觀照明、夜間作業(yè)等方面應(yīng)用，人們對(duì)人造光源的需求不斷提高。可見(jiàn)光一般指波長(zhǎng)范圍在380～700 nm的電磁波，而藍(lán)光波長(zhǎng)為400～480 nm，是可見(jiàn)光中能量更強(qiáng)、穿透能量更強(qiáng)、對(duì)眼健康威脅更嚴(yán)重的部分。隨著人造光源在工作生活中越來(lái)越多的應(yīng)用，“藍(lán)光危害”是其不斷發(fā)展過(guò)程中不容忽視的問(wèn)題[2]。作為老年人視力下降甚至失明主要原因的年齡相關(guān)性黃斑變性，是一種多因素導(dǎo)致的視網(wǎng)膜變性疾病，其具體發(fā)病機(jī)制仍未完全清楚[3]。回顧過(guò)往的研究，結(jié)合人造光源在生產(chǎn)生活中的頻繁應(yīng)用，本文就人造光源在年齡相關(guān)性黃斑變性發(fā)生發(fā)展中的作用進(jìn)行綜述。

1 人造光源

除了自然光源外，人造光源是人類生存不可或缺的元素。從鉆木取火開(kāi)始人類經(jīng)歷了很長(zhǎng)階段的用火發(fā)光的歷史，在這個(gè)階段，主要的人造光源是蠟燭和油燈[1]。直到1879年愛(ài)迪生發(fā)明了白熾燈，人類開(kāi)始利用電來(lái)獲取光源[4]。之后人工光源不斷發(fā)展，1938年美國(guó)通用電氣發(fā)明了實(shí)用熒光燈，人類開(kāi)始用氣體來(lái)獲取光源[1]。到了19世紀(jì)60年代第一個(gè)使用半導(dǎo)體材料制作的發(fā)光二極管(LED)問(wèn)世[5]，之后科學(xué)家不斷開(kāi)發(fā)出發(fā)各種顏色光的LED。直到20世紀(jì)90年代，藍(lán)光激發(fā)熒光粉產(chǎn)生白光的LED問(wèn)世[6，7]，LED逐漸開(kāi)始取代白熾燈成為主要的人造光源。

和傳統(tǒng)的人工照明相比，LED使用壽命長(zhǎng)、使用場(chǎng)所廣泛、體積小、耗電量小、易于控制[1]，因此LED日益成為人們生活生產(chǎn)中不可或缺的人工照明工具。目前常見(jiàn)的白光LED本質(zhì)上是由藍(lán)光LED和黃色熒光粉耦合成的[8]。和其他可見(jiàn)光相比，藍(lán)光波長(zhǎng)只有400～480 nm，具有很高的能量，穿透力強(qiáng)，已多次被證實(shí)對(duì)人視網(wǎng)膜具有光毒性，能夠?qū)е卵鄄〉陌l(fā)生[9-11]。隨著對(duì)以LED為首的人造光源依賴的增加，過(guò)多的光源對(duì)人眼健康也產(chǎn)生了越來(lái)越多威脅[12]。

2 年齡相關(guān)性黃斑變性

年齡相關(guān)性黃斑變性(AMD)是一種發(fā)病率和年齡增長(zhǎng)有明顯相關(guān)性的發(fā)生在視網(wǎng)膜黃斑區(qū)域的視網(wǎng)膜變性類疾病，常導(dǎo)致患者中央視力的進(jìn)行性喪失[3，13]，是老年人視力降低甚至失明的主要原因[14]。在病變的早期階段，患者大多沒(méi)有明顯癥狀，隨著疾病的發(fā)展，患者視力模糊下降尤其是中央視力，日常閱讀、駕駛困難，最終可能導(dǎo)致失明，導(dǎo)致患者生活質(zhì)量下降、抑郁患病率增加[13]。目前，較為經(jīng)典的分類是Beckmann AMD分類研究小組于2013年根據(jù)患者臨床表現(xiàn)將其分為沒(méi)有明顯年齡性改變、正常年齡性改變、早期AMD、中期AMD和晚期AMD，晚期AMD又分為地圖樣萎縮和新生血管性AMD[15]。地圖樣萎縮是指在AMD的晚期階段，視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞、光感受器和脈絡(luò)膜毛細(xì)血管的丟失[16]，而新生血管性AMD指的是隨著病程的進(jìn)展，脈絡(luò)膜新生血管逐漸侵入視網(wǎng)膜[17]。

視網(wǎng)膜是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的一部分，光線進(jìn)入視網(wǎng)膜后穿過(guò)視網(wǎng)膜全層激活光感受器將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，之后將視覺(jué)信號(hào)經(jīng)過(guò)雙極細(xì)胞、無(wú)長(zhǎng)突細(xì)胞傳遞給神經(jīng)節(jié)細(xì)胞，神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的軸突匯聚成視神經(jīng)，將信號(hào)傳遞到大腦[18]。視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞(RPE)是位于視網(wǎng)膜光感受器外節(jié)和脈絡(luò)膜之間含色素顆粒的單層細(xì)胞。細(xì)胞外基質(zhì)和光感受器外節(jié)相互作用，基底膜和Bruch’s膜接觸。RPE參與構(gòu)成血—視網(wǎng)膜屏障，維持光感受器的功能、吞噬光感受器外節(jié)[19]。光感受器是視網(wǎng)膜中的感覺(jué)神經(jīng)元，在外節(jié)(OS)有大量的膜盤(pán)，充滿光敏蛋白。根據(jù)外節(jié)的不同，光感受器分為兩種，分別為視錐細(xì)胞和視桿細(xì)胞(圖1)。

在人類視網(wǎng)膜中，周圍區(qū)域多為視桿細(xì)胞，中央?yún)^(qū)域視錐細(xì)胞致密分布被稱為黃斑區(qū)域，黃斑區(qū)域非常脆弱，極易發(fā)生病變。AMD是黃斑變性中的一種，在衰老的過(guò)程中RPE吞噬光感受器代謝產(chǎn)生的碎片形成脂褐素?zé)晒獾鞍祝炙氐漠惓７e累導(dǎo)致RPE基質(zhì)和Bruch’s膜之間形成AMD的標(biāo)志性病變玻璃膜疣(drusen)[3]。RPE和光感受器之間的相互關(guān)系，使得RPE功能障礙細(xì)胞死亡后引起光感受器代謝障礙細(xì)胞死亡，最終患者視力喪失。

AMD是多種因素導(dǎo)致的疾病，其中最重要的危險(xiǎn)因素是年齡，隨著年齡的增長(zhǎng)，AMD的患病率逐漸增高，幾乎所有的晚期患者都為60歲以上的老年人[14，20]。此外，非遺傳因素和環(huán)境因素也影響AMD的發(fā)病[20]，比如吸煙、高血壓、高脂飲食、光照等。而隨著工作生活中對(duì)電子設(shè)備、人工照明等需求的增加，人們不可避免地接受越來(lái)越多的光照。

3 光損傷導(dǎo)致年齡相關(guān)性黃斑變性的分子機(jī)制

人眼睛對(duì)可見(jiàn)光非常敏感，尤其是藍(lán)綠光[21]，黃斑區(qū)域是人視覺(jué)最敏銳的部位，同時(shí)過(guò)量的光照也更容易導(dǎo)致黃斑區(qū)域的損傷。隨著人們?cè)絹?lái)越頻繁地使用LED及其衍生產(chǎn)品，其產(chǎn)生的過(guò)量藍(lán)光對(duì)視網(wǎng)膜健康的威脅也越來(lái)越嚴(yán)重[22，23]。目前已經(jīng)有很多研究證實(shí)了光照和AMD發(fā)生發(fā)展的關(guān)系[24-27]。為了研究光照對(duì)視網(wǎng)膜的影響，視網(wǎng)膜細(xì)胞和動(dòng)物模型被用于光損傷機(jī)制的研究中。

3.1 光照引起線粒體損傷

在光感受器外節(jié)代謝過(guò)程中，RPE吞噬光感受器膜盤(pán)，剩余碎片形成脂褐素。雙視黃醛—磷脂酰乙醇胺(A2E)是脂褐素?zé)晒鈭F(tuán)中的一種，能夠增加RPE細(xì)胞對(duì)藍(lán)光光損傷的敏感性[28]。過(guò)去的研究表明，負(fù)載A2E的RPE細(xì)胞在藍(lán)光的照射下產(chǎn)生了更多的過(guò)氧化氫和超氧陰離子，并且這些過(guò)氧化物在線粒體周圍聚集，導(dǎo)致線粒體功能損傷[28]。OMA1是線粒體功能障礙傳感器，一定條件下OMA1可以自我裂解為活化態(tài)導(dǎo)致線粒體的分裂[29]，在藍(lán)光照射下，負(fù)載A2E的人視網(wǎng)膜上皮細(xì)胞(ARPE-19)出現(xiàn)線粒體碎片化、OMA1自我裂解，導(dǎo)致細(xì)胞的線粒體動(dòng)力學(xué)損傷[30]。光照引起的線粒體損傷，尤其是線粒體DNA損傷可能是AMD發(fā)病機(jī)制的一個(gè)重要因素[31]。

3.2 細(xì)胞氧化應(yīng)激

視網(wǎng)膜中各個(gè)細(xì)胞代謝相互協(xié)調(diào)，RPE將脈絡(luò)膜血管中的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)到光感受器，光感受器產(chǎn)生的乳酸為RPE提供營(yíng)養(yǎng)[32]。光感受器的光電轉(zhuǎn)換、RPE中視覺(jué)色素的構(gòu)象改變等都需要大量的能量供應(yīng)。在線粒體能量代謝過(guò)程中，部分氧氣代謝產(chǎn)生活性氧(ROS)，包括自由基在內(nèi)的活性氧在細(xì)胞的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中發(fā)揮重要作用。但是當(dāng)ROS產(chǎn)生過(guò)多超過(guò)細(xì)胞抗氧化的能力時(shí)，ROS對(duì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p害，造成氧化應(yīng)激[33]。在視網(wǎng)膜中，RPE中脂褐素的色素成分在藍(lán)光的照射下能夠發(fā)生反應(yīng)誘導(dǎo)ROS的產(chǎn)生[34]。

ARPE-19暴露在藍(lán)光下的早期階段，就開(kāi)始產(chǎn)生ROS，RNA-seq的結(jié)果也顯示參與氧化應(yīng)激的調(diào)控因子均表達(dá)上調(diào)[35]。長(zhǎng)期暴露在藍(lán)光下的RGC-5細(xì)胞ROS和氧化反應(yīng)的重要調(diào)節(jié)因子Nrf2的表達(dá)量均顯著增加[36]。血—視網(wǎng)膜屏障通過(guò)調(diào)節(jié)血液和視網(wǎng)膜間的物質(zhì)交換來(lái)維持視網(wǎng)膜的正常功能，RPE之間的緊密連接是血—視網(wǎng)膜屏障構(gòu)成的關(guān)鍵。藍(lán)光照射導(dǎo)致PRE中的PKC-ζ過(guò)度激活，從而使RPE氧化應(yīng)激，進(jìn)而破壞血—視網(wǎng)膜屏障[37]。

3.3 細(xì)胞自噬

光感受器外節(jié)(Photoreceptor Outer Segment，POS)處于不斷更新的狀態(tài)，RPE促進(jìn)POS的更新并吞噬POS，被吞噬后的POS和溶酶體形成吞噬溶酶體并將POS降解回收，從而防止光氧化產(chǎn)物對(duì)光感受器的毒性作用[38]。當(dāng)RPE自噬功能發(fā)生障礙，積累的POS將無(wú)法降解，從而產(chǎn)生大量的脂褐素，導(dǎo)致光感受器的死亡和AMD的發(fā)生發(fā)展[39]。與正常來(lái)源的RPE相比，AMD患者來(lái)源的RPE在培養(yǎng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生更多的自噬體[40]。在一項(xiàng)體外實(shí)驗(yàn)中，細(xì)胞被藍(lán)光照射24 h后，ARPE-19發(fā)生呈時(shí)間依賴性的自噬增加、自噬抑制因子mTORC1表達(dá)降低[35]。

3.4 細(xì)胞凋亡

細(xì)胞凋亡是光誘導(dǎo)細(xì)胞死亡的主要途徑，過(guò)多的藍(lán)光暴露導(dǎo)致ROS積累和DNA損傷，增加細(xì)胞修復(fù)負(fù)擔(dān)，最終將導(dǎo)致細(xì)胞死亡[41]。在使用藍(lán)光照射斑馬魚(yú)的實(shí)驗(yàn)中，觀察到藍(lán)光在視網(wǎng)膜各層都誘發(fā)了明顯的TUNEL反應(yīng)，并且增加了凋亡標(biāo)記物caspase-3蛋白的表達(dá)[35]。在對(duì)長(zhǎng)期藍(lán)光照射誘導(dǎo)RGC-5的體外實(shí)驗(yàn)中，長(zhǎng)期接受藍(lán)光照射的RGC-5細(xì)胞活力降低、促凋亡蛋白Bax表達(dá)上調(diào)、抗凋亡蛋白Bcl-2表達(dá)下調(diào)，早期凋亡細(xì)胞數(shù)量增多[36]。藍(lán)光暴露下的ARPE-19細(xì)胞中細(xì)胞凋亡和細(xì)胞周期阻滯的調(diào)節(jié)因子GADD45α顯著上調(diào)，提示細(xì)胞凋亡[42]。在對(duì)小鼠進(jìn)行為期28天每天12 h的藍(lán)光照射后，小鼠光感受器細(xì)胞核減少，外節(jié)丟失[43]。和其他波長(zhǎng)的光相比，暴露在藍(lán)光下的原代Müller細(xì)胞發(fā)生細(xì)胞凋亡[44]。

3.5 鐵死亡

鐵死亡(ferroptosis)是有別于細(xì)胞凋亡、壞死、自噬的鐵依賴性的細(xì)胞死亡途徑，細(xì)胞內(nèi)谷胱甘肽(GSH)耗竭，谷胱甘肽過(guò)氧化物酶4(GPX4)活性降低，脂質(zhì)過(guò)氧化物不能代謝，導(dǎo)致二價(jià)鐵氧化脂質(zhì)產(chǎn)生大量脂質(zhì)過(guò)氧化物[45]。在視網(wǎng)膜中含鐵蛋白參與了光轉(zhuǎn)導(dǎo)級(jí)聯(lián)反應(yīng)，但是過(guò)量的鐵會(huì)通過(guò)亞鐵離子和過(guò)氧化氫反應(yīng)形成ROS毒性[46]，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡。流行病學(xué)調(diào)查顯示，視網(wǎng)膜鐵積聚是AMD的一個(gè)重要特征，主要通過(guò)誘導(dǎo)氧化應(yīng)激介導(dǎo)的損傷和炎癥來(lái)促進(jìn)AMD的發(fā)病[47]。

有研究發(fā)現(xiàn)無(wú)論是將光感受器細(xì)胞系——661 W還是小鼠暴露在藍(lán)光照射下都發(fā)現(xiàn)光感受器細(xì)胞鐵含量顯著上升、GSH水平顯著下降、鐵死亡調(diào)節(jié)因子SLC7A11和GPX4蛋白表達(dá)下調(diào)[48]，說(shuō)明光照誘導(dǎo)了光感受器發(fā)生鐵死亡。GSH-GPX4和FSP1-CoQ10-NADH系統(tǒng)是細(xì)胞中的氧化還原調(diào)節(jié)系統(tǒng)[49]。藍(lán)光照射下ARPE-19發(fā)生和光感受器細(xì)胞相似的變化，細(xì)胞內(nèi)二價(jià)鐵離子爆發(fā)，脂質(zhì)過(guò)氧化物L(fēng)POs積累、細(xì)胞活力下降，GSH和NADH表達(dá)水平下調(diào)，CoQ10活性降低。使用去鐵胺(DFO)后藍(lán)光誘導(dǎo)的鐵離子升高被抑制、LPOs積累減少并且SH-GPX4和FSP1-CoQ10-NADH系統(tǒng)不平衡被逆轉(zhuǎn)[50]。暴露于可見(jiàn)光會(huì)誘導(dǎo)鐵從鐵蛋白釋放，從而導(dǎo)致光感受器外段發(fā)生脂質(zhì)過(guò)氧化[51]。光照使視網(wǎng)膜易受氧化應(yīng)激介導(dǎo)的損傷，而鐵過(guò)載會(huì)增加氧化應(yīng)激和放射敏感性[52]。而且鐵離子螯合劑(α-lipic acid)能夠保護(hù)小鼠視網(wǎng)膜光感受器細(xì)胞光損傷，也間接說(shuō)明了鐵死亡可能是光照誘導(dǎo)的視網(wǎng)膜細(xì)胞死亡的主要途徑[53]。

4 年齡相關(guān)性黃斑變性的防治措施

AMD是發(fā)達(dá)國(guó)家60歲以上成年人失明的主要原因。到2040年患病人數(shù)可能達(dá)到2.88億[54]，隨著我國(guó)老齡化的加重，AMD病人也逐漸增多。但是AMD目前仍然是一個(gè)無(wú)法治愈的疾病。在《中國(guó)年齡相關(guān)性黃斑變性臨床診療指南(2023年)》[14]中，目前早中期患者的治療目標(biāo)是防止發(fā)展為進(jìn)展期AMD，防止視力的明顯下降。目前藥物治療方面局限于微量元素的補(bǔ)充。對(duì)于新生血管性的AMD主要是抗VEGF治療和激光治療[3，13，14]。另外，對(duì)于干細(xì)胞移植治療AMD的臨床研究也證實(shí)，干細(xì)胞移植可以提高AMD患者的最佳矯正視力[55]。

目前對(duì)于AMD的預(yù)防主要針對(duì)AMD的危險(xiǎn)因素進(jìn)行。在AMD發(fā)生發(fā)展中伴隨著氧化應(yīng)激，在一些動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)證實(shí)，堅(jiān)持富含抗氧化劑的飲食可以得到抗氧化的作用[56]。類胡蘿卜素葉黃素是主要的黃斑色素，是已知的直接抗氧化劑，可以激活A(yù)RPE-19細(xì)胞中的Nrf2[57]。吸煙可以顯著增加發(fā)生AMD的風(fēng)險(xiǎn)，被動(dòng)吸煙同樣增加風(fēng)險(xiǎn)，改善生活習(xí)慣，戒煙可以降低得病風(fēng)險(xiǎn)[58]。高能量藍(lán)光帶來(lái)的光毒性會(huì)對(duì)視網(wǎng)膜造成傷害，藍(lán)光濾光片的保護(hù)可以消除ARPE-19藍(lán)光暴露造成的血管生成素分泌減少的問(wèn)題[59]。對(duì)光源藍(lán)光危害等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的建立、對(duì)“藍(lán)光危害”的正確認(rèn)識(shí)[2]和對(duì)LED產(chǎn)品改良一定程度上也降低了疾病風(fēng)險(xiǎn)。