紅景天苷防治眼科疾病的研究進展

裴錚 趙芳 張紅

紅景天是一種景天科大花紅景天[Rhodiolacrenulata(HK.f.et.Thoms) H.Ohba]的干燥根和根莖,素有“高原人參”之美譽,具有“扶正固本”的“適應原樣”作用[1];本品味甘,性寒,歸脾、肺經,具有益氣、活血、通脈之功效。《本草綱目》記載“紅景天,本經上品,祛邪惡氣,補諸不足”是“已知補益藥中所罕見”。藥理學研究表明,紅景天的主要化學分包括氰苷類、黃酮類、萜類、苯酚類等,被廣泛用于防治各類疾病,具有保護心腦血管、抗糖尿病、抗疲勞、保護中樞神經、抗腫瘤及抗抑郁等作用[2-3]。紅景天苷是從中藥大花紅景天分離提取的苯丙素苷,是一種對羥基苯乙基-β-葡萄糖苷化合物,具有耐缺氧[4-5]、抗炎[6]、抗氧化[7]、保護神經[8-9]、抗衰老[10]、調節免疫[11]等廣泛藥理活性。隨著對紅景天苷藥理作用的深入研究,不僅涉及心血管系統、神經系統、呼吸系統及內分泌系統等領域,同時在防治眼科疾病方面也具有良好的臨床應用前景。現本文就近年來國內外紅景天苷治療相關眼科疾病的最新研究進展作一綜述。

1 紅景天苷防治糖尿病性視網膜病變的研究進展

糖尿病性視網膜病變(diabetic retinopathy,DR)是常見的糖尿病微血管并發癥之一,與視網膜炎癥、氧化應激損傷等密切相關[12]。研究發現,紅景天苷通過抑制機體氧化應激和免疫炎癥反應,保護視網膜色素上皮細胞、視網膜血管內皮細胞及Müller細胞,從而減輕了糖尿病眼底的微血管病變,并保護了視網膜正常屏障功能,為DR的防治提供了切實可行的治療思路。

1.1 保護視網膜色素上皮細胞

視網膜色素上皮(retinal pigment epithelium,RPE)是外層血—視網膜屏障的重要組成部分,是視網膜最易受損的細胞群之一,RPE功能障礙包括細胞凋亡,被認為與糖尿病性視網膜病變的發生、發展有關[13]。miR-138作為一種腫瘤抑制因子,參與調控細胞增殖、轉移、細胞周期,miR-138可以通過靶向丙酮酸脫氫酶激酶1抑制細胞活力,遷移和侵襲,誘導細胞凋亡[14]。Qian C等[15]研究發現,紅景天苷可以通過下調miR-138的表達水平,并進一步激活磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B(phosphatidylinositiol 3-kinase/protein kinase B,PI3K/AKT )和單磷酸腺苷活化蛋白激酶(Adenosine 5-monophosphate-activated protein kinase,AMPK)途徑抑制與DR相關的小膠質細胞中的氧化應激和促炎反應,來減輕高糖對人視網膜色素上皮細胞(adult retinal pigment epithelial cell line-19,ARPE-19)的損傷,通過降低炎性細胞因子腫瘤壞死因子-α與白介素(interleukin,IL)-6及活性氧(reactive oxygen species,ROS)的表達水平,增加細胞活性,以抑制ARPE-19細胞的凋亡,說明紅景天苷具有抗凋亡、抗炎及抗氧化特性。

1.2 保護視網膜血管內皮細胞

視網膜血管內皮細胞是血—視網膜內屏障的重要組成部分,保護視網膜免受循環或代謝產物的損傷。內皮細胞參與調節血管生成、炎癥反應[16],還分泌多種細胞介質,調節血小板聚集、纖維蛋白溶解、凝血和血管張力等[17]。在DR的發生發展過程中,微血管阻塞引起視網膜缺血缺氧,內皮細胞上的受體被激活,促進內皮細胞過度增殖、通透性增加,從而導致微動脈瘤形成、漿液滲出和組織損傷[18]。氧化應激直接誘導生化或分子事件的級聯反應,產生大量ROS改變細胞內氧化還原狀態,從而導致視網膜血管內皮氧化損傷[19]。有研究表明,紅景天苷可以通過抗炎、抑制氧化應激,改善線粒體功能障礙以保護血管內皮細胞[20-22]。Shi X等[23]研究發現ROBO4是通過miR-138靶向調節的,ROBO4過表達削弱了miR-138在人視網膜微血管內皮細胞(human retinal microvascular endothelial cells,HRMECs)損傷中的作用。紅景天苷可降低 miR-138 表達,增加 PI3K/AKT/mTOR 通路的激活,通過調節miR-138/ROBO4軸來防止缺氧誘導的HRMECs損傷。Shi K等[24]研究發現紅景天苷可以降低H2O2誘導的視網膜血管內皮細胞凋亡,抑制H2O2誘導的細胞ROS產生、丙二醛生成;同時上調過氧化氫酶與超氧化物歧化酶(sukeroxide dismutase,SOD)的表達,升高B淋巴細胞瘤-2基因(B-cell lymphoma-2,Bcl-2)/Bcl-2相關X蛋白(Bcl-2-associated X,Bax)的比值。說明了紅景天苷具有抗氧化特性,可能通過激活Bcl-2/Bax信號通路和內源性抗氧化酶的活性以保護視網膜血管內皮細胞免受氧化損傷。

1.3 保護視網膜Müller細胞

Müller細胞是視網膜主要的神經膠質細胞,約占視網膜神經膠質的90%;是唯一跨越視網膜整個寬度的細胞,與視網膜血管和視網膜神經元都有緊密的聯系[25]。Müller細胞功能主要包括以下3個方面:(1)對神經遞質、視黃酸化合物、離子(如K+)的吸收和再循環;(2)促進視網膜新陳代謝和營養支持;(3)調節血流和穩定血—視網膜屏障內外平衡。DR發展過程中,Müller細胞釋放大部分調節血流、血管通透性、細胞存活等生長因子、細胞因子及趨化因子[26]。Müller細胞在DR中被激活的最明顯標志之一,是膠質纖維酸性蛋白(glial fibrillary acidic protein,GFAP)的表達上調[27]。此外,Müller細胞可以調節谷氨酸的表達,谷氨酰胺合成酶(glutamine synthetase,GS)是一種神經膠質特異性酶,也是調控神經遞質谷氨酸循環利用和防止谷氨酸積累的關鍵酶[28]。高糖環境下,炎癥因子如IL-1β的表達增加,可以下調Müller細胞GS的表達,使得清除谷氨酸能力下降,加劇視網膜損傷[29-30]。馮闖等[31]研究發現紅景天苷可以上調GFAP和GS的表達,降低視網膜谷氨酸的含量,對DR狀態下的Müller細胞起到一定的神經保護作用。趙寧等[32-33]通過研究發現,與高糖損傷組比較,紅景天苷組Müller細胞存活率、SOD和過氧化氫酶活力明顯升高,ROS表達含量和活化性半胱天冬酶-3蛋白表達水平明顯下降,p-Akt/Akt蛋白表達比值增加(P<0.05)。紅景天苷可提高Müller細胞增值活性,Bcl-2蛋白表達,降低環氧合酶(cyclooxygenase 2,COX2)、前列腺素E2(prostaglandin E2,PGE2)、Bax的蛋白表達水平及細胞凋亡率。Li J 等[34]用紅景天苷抑制高糖條件下視網膜Müller細胞炎癥因子IL-22的激活和分泌,并抑制DR的炎癥反應。說明紅景天苷具有抗凋亡和抗氧化特性,可能通過激活PI3K/Akt通路抑制高糖誘導的氧化應激和細胞凋亡,通過COX2/PGE2信號通路及IL-22/STAT3信號通路對高糖環境下視網膜Müller細胞凋亡發揮抑制作用,以保護視網膜Müller細胞免受氧化損傷。

2 紅景天苷防治青光眼的研究進展

青光眼是一種致盲性視神經病變,可造成視網膜神經節細胞(retinal ganglion cells,RGCs)凋亡,眼內壓升高是青光眼致病的主要危險因素。研究表明,紅景天苷具有抗氧化和抗細胞凋亡特性,可保護小梁網細胞及視網膜神經節細胞,防治青光眼的發生發展。

2.1 保護小梁網細胞

小梁網由小梁網細胞(trabecular meshwork cells,TMCs)在細胞外基質(extracellular matrix,ECM)內交錯成多層組織構成,具有調節房水引流以控制眼內壓的作用[35]。已有研究證實,小梁網處房水引流阻力異常增加與小梁網硬化或纖維化有關,涉及TMCs衰老或凋亡以及ECM重塑[36]。轉化生長因子-β2(transforming growth factor-β2,TGF-β2)是一種促纖維化細胞因子,在青光眼人群房水內呈高水平表達[37]。小梁網是TGF-β2的內源性來源,通過誘導TMCs合成金屬蛋白酶無法降解的某些基質成分而升高眼內壓,同時抑制可用ECM的降解[38]。Fan Y等[39]研究發現,紅景天苷可以抑制人TMCs中TGF-β2誘導的ECM表達最小化,同時可以降低TGF-β2引起的小鼠眼內壓升高。說明紅景天苷通過調控TGF-β2信號通路,在調節眼內壓、ECM重塑中發揮著重要作用,這可能是一種潛在有效的治療方法。Zhao S等[40]發現,miR-210-3p在原發性開角型青光眼患者的TM組織和TGF-β2處理的人TM細胞中的表達顯著增加,其下調也部分降低了TGF-β2誘導的ECM積累。紅景天苷可以通過下調miR-210-3p的表達,減弱TGF-β2誘導的TM和高眼壓癥中ECM的積聚。為原發性開角型青光眼的治療提供新的潛在策略。

青光眼的發生發展與ROS的異常蓄積,引起脫氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid,DNA)、蛋白質和脂質的氧化損傷,從而誘導細胞凋亡、自噬和突變有關[41]。小梁網的形態和功能異常與氧化應激密切相關。研究表明,氧化應激會導致小梁網ECM重塑,誘導TMCs功能障礙阻塞房水引流,造成病理性眼內壓升高[41]。H2O2作為主要的ROS,通過改變細胞內的氧化還原狀態引起氧化損傷。Zhao J等[42]通過H2O2處理人TMCs構建體外氧化損傷模型,結果發現,紅景天苷可以明顯提高細胞活力,降低活化性半胱天冬酶-3/-9表達和增加ROS的產生,同時上調miR-27a;相反miR-27a抑制劑顯著逆轉了紅景天苷對H2O2損傷人TMCs的保護作用。說明紅景天苷具有抗氧化和抗凋亡特性,其調控機制可能與紅景天苷通過miR-27a激活PI3K/AKT和分泌性糖蛋白/β-連環蛋白(wingless int/β-catenin,Wnt/β-catenin)通路,從而保護HTM細胞免受H2O2引起的氧化損傷有關。

2.2 保護視網膜神經節細胞

視網膜神經節細胞屬于中樞神經神經元,其胞體位于視網膜內層,軸突匯集構成視神經[43]。青光眼是一組以進行性視神經軸突變性和繼發RGCs丟失為特征,導致視功能不可逆性損害的神經退行性疾病[44]。視網膜的輸出神經元—RGCs變性或凋亡是青光眼的共同病理結局[45]。因此,延緩或阻止RGC丟失已被公認為是保護青光眼視功能的重要研究策略,這對探索新的、潛在的神經保護靶點具有重要意義。青光眼性視神經損傷的發病機制復雜,主要包括:氧化應激、谷氨酸興奮性毒性損傷、軸突轉運障礙、神經營養因子剝奪、內源性和外源性凋亡信號激活、線粒體功能障礙等[43]。在病理性高眼壓狀態下,視網膜谷氨酸局部濃度升高,激活RGCs上的N-甲基-D-天(門)冬氨酸(N-methyl-D-aspartate,NMDA)受體,引發Ca2+內流,通過胞內一系列級聯反應誘導RGCs凋亡或死亡[46]。一般來說,青光眼視神經保護均選擇NMDA介導RGCs損傷建立體內(或體外)模型進行藥物干預、病因學及病理學研究[47]。向圣錦等[48]通過玻璃體腔注射NMDA誘導C57小鼠谷氨酸興奮性毒性視神經損傷模型,以紅景天苷進行干預,結果發現,與模型組相比,紅景天苷可以提高RGCs存活率,下調視網膜半胱天冬酶-3和半胱天冬酶-8的表達水平,且呈劑量依賴性。說明紅景天苷具有拮抗谷氨酸興奮性毒性,能夠抑制NMDA介導的RGCs損傷,促進RGCs存活,保護視神經。

3 紅景天苷防治年齡相關性黃斑變性的研究進展

年齡相關性黃斑變性(age-related macular degeneration,AMD)是一種視網膜退行性疾病,以視網膜色素上皮(retinal pigment epithelium,RPE)細胞、光感受器和脈絡膜毛細血管降解為特征,但AMD細胞凋亡的確切機制尚不完全清楚[49]。脈絡膜新生血管(choroidal neovascularizzation,CNV)是AMD的一種常見并發癥,會導致嚴重的視力喪失。研究表明,紅景天苷具有抑制氧化應激,抑制RPE細胞凋亡,防治CNV生成等作用,是一個潛在的治療AMD的藥物。

3.1 保護視網膜色素上皮細胞

RPE細胞是一種位于光感受器外節(頂端)和Bruch膜與脈絡膜血管(基底)之間的高度特化的、獨特的單層上皮細胞;RPE富含線粒體,具有高代謝活性,衰老的線粒體會產生大量ROS[50-51]。研究發現,RPE的氧化應激是促成AMD進展的重要因素[52]。AMD會發生過度的氧化應激,導致大量細胞活性氧中間體ROS(如自由基、H2O2)及氧代謝副產物(陽離子等)蓄積,從而對RPE細胞的線粒體DNA造成氧化損害[53]。大量研究表明,RPE細胞暴露于強氧化劑H2O2產生大量ROS誘導氧化級聯反應,致使RPE細胞的損傷,甚至凋亡或壞死[54-55]。因此,抑制氧化應激誘導的RPE細胞損傷可能是AMD的治療策略。Yin Y等[56]將ARPE-19細胞暴露于200 μM H2O224小時,利用不同劑量的紅景天苷進行干預,結果發現紅景天苷可提高RPE細胞活力和抑制RPE細胞氧化應激損害和細胞凋亡,同時升高ARPE-19細胞中Akt和糖原合成酶激酶-3(glycogen synthase kinase-3β,GSK-3β)的磷酸化表達水平。這可能與紅景天苷通過激活Akt/GSK-3β信號通路保護RPE細胞免受氧化應激損傷的作用機制有關。

3.2 防治脈絡膜新生血管生成

CNV是AMD的一種常見并發癥,可迅速發展致視力喪失[57-58]。目前針對CNV的標準治療方案是抗血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)[59],然而,患者需要頻繁的玻璃體內注射,不但會導致各種并發癥[60-61],且仍有部分患者對抗VEGF治療應答不明顯[62-63]。缺氧誘導因子-1(hypoxia-inducible factor-1,HIF-1)是一種氧敏感性轉錄激活因子[64],其參與介導缺氧所致細胞和組織產生一系列細胞增殖和血管生成的基因的轉錄。研究表明,VEGF的表達在光誘導的CNV的動物模型和AMD患者中均顯著增加[65]。此外,VEGF的基因轉錄主要受HIF-1調控。因此,HIF-1通路是針對CNV的抗血管生成療法的有希望的靶標。Yang H等[66]研究發現,紅景天苷能明顯抑制缺氧條件下RF/6A細胞的遷移和微血管形成活性。紅景天苷還能降低RF/6A細胞中VEGF和HIF-1的表達水平。因此,紅景天苷可能是一個潛在的新的治療CNV的藥物。

4 紅景天苷防治白內障的研究進展

白內障是全球首位致盲性眼病,最常見類型是年齡相關性白內障,特征性表現是晶狀體混濁。年齡增長被認為是白內障最重要的危險因素[67]。晶狀體由外層晶狀體囊、中層晶狀體上皮、內層晶狀體纖維組成;晶狀體上皮層由單層晶狀體上皮細胞組成,具有重要的代謝活性(如氧化、交聯)[68]。晶狀體上皮細胞遷移至赤道部,分裂、分化形成晶狀體纖維,逐漸向中心擠壓,隨著年齡的增長,晶狀體核越來越硬化和不透明[69]。以往研究證實,氧化應激伴晶狀體內氧自由基蓄積被認為是年齡相關性白內障形成的始動因素[70-71]。大量研究證實,晶狀體上皮細胞的氧化應激損傷與白內障的形成密切相關,強氧化劑H2O2可對人晶狀體上皮細胞(human lens epithelial cells,HLEC)造成氧化損傷[72-74]。劉禮婷等[75]研究發現,紅景天苷可以明顯抑制H2O2誘導的HLEC細胞活力下降,抑制細胞內ROS生成,引起HLEC內SOD、谷胱甘肽過氧化物酶水平的升高及丙二醛水平的下降。Zhu F等[76]研究發現,紅景天苷對H2O2誘導的HLEC細胞具有保護作用,可能與上調凋亡基因Bcl-2,下調促凋亡基因Bax和半胱天冬酶-3的表達有關。上述研究表明,紅景天苷具有顯著的抗氧化活性,可能是防治白內障的一種潛在有效藥物。

5 紅景天苷防治近視的研究進展

近視是最常見的屈光障礙,是視力損害的主要原因,其患病率呈逐年攀升趨勢,已成為全球嚴重的公共衛生問題[77]。近視發病機制尚不明確,缺乏有效的治療手段。通常認為,近視是以脈絡膜厚度薄變、脈絡膜血流灌注減少,從而出現鞏膜缺氧與細胞外基質ECM重塑為特征,最終導致眼軸延長和近視的進展[78-80]。HIF-1α是介導缺氧反應基因表達的關鍵轉錄因子,在缺氧組織內呈表達上調趨勢[81]。大量研究表明,鞏膜缺氧是誘發近視的關鍵觸發因素,近視鞏膜組織內HIF-1α表達水平升高[82-84]。紅景天苷具有抗缺氧特性,可以下調缺氧組織內HIF-1α的表達[85]。Wu H等[78]通過紅景天苷干預形覺剝奪近視豚鼠,結果發現紅景天苷可以下調HIF-1α的表達以及eIF2α和mTOR的磷酸化表達水平,且與低劑量組相比,高劑量組可顯著抑制眼軸和玻璃體腔深度的延長。說明紅景天苷具有抗缺氧特性,可以有效抑制近視的發展,且呈劑量依賴性。因此,鞏膜缺氧在鞏膜ECM重塑和近視發展中發揮著重要的作用,改善鞏膜缺氧可能是控制人類近視進展的有效治療策略。

6 紅景天苷防治干眼癥的研究進展

干眼癥是常見的眼部疾病,主要因淚膜穩定性喪失,淚液質或量異常而引起眼表損害,從而導致眼部干澀、視疲勞、異物感等多種癥狀,甚至視力受損[86-87]。越來越多的證據表明,氧化應激水平升高在干眼癥的進展中起著至關重要的作用[88-90]。在氧化應激的調節中,核因子紅細胞-2相關因子2是保護性抗氧化劑的關鍵調節劑。細胞內ROS的過度積累會導致氧化應激失調,影響細胞內調節DNA、蛋白質等物質的活性,從而損傷人角膜上皮細胞[91]。Liang Q等[92]用紅景天苷進行的局部滴眼液治療恢復了干眼癥小鼠的角膜上皮損傷,增加了淚液分泌,并減少了角膜炎癥。紅景天苷通過激活AMPK-Sirt 1信號通路促進自噬,AMPK-Sirt 1信號通路促進紅細胞-2相關因子2核轉位并最終緩解氧化應激。為臨床上干眼病提供了一種潛在的治療策略。

7 小結

紅景天苷作為大花紅景天的有效單體活性成分,具有抗氧化、抗炎、耐缺氧等廣譜的藥理活性。不僅有廣泛的藥源,而且價格低廉,無明顯毒副作用。紅景天苷具有多靶點—多途徑的整體調節特征,可以保護眼部各組織內RPE細胞、視網膜血管內皮細胞及RGCs及TMCs等免受氧化應激、炎癥等損傷。紅景天苷已經廣泛應用于抗腫瘤、心腦血管疾病、神經系統疾病等,但是在眼科臨床應用還是相對較少。隨著對紅景天苷的深入研究,其在防治眼科疾病方面已越來越受到關注,相信不久的將來紅景天苷一定會在眼科臨床得到廣泛應用,為廣大眼科患者帶來光明希望。