藍(lán)光損傷視網(wǎng)膜的機(jī)制及防護(hù)

秦 珊，盧怡潔，秦 波

0引言

隨著科技的發(fā)展和生活、工作的需要，人們?cè)谂鋫湟壕э@示器的視頻顯示終端(如電視機(jī)、電腦、智能手機(jī)等)上花費(fèi)越來(lái)越多的時(shí)間。然而，液晶屏多采用發(fā)光二極管(LED)作為背光源，而LED中藍(lán)光含量極高，對(duì)視網(wǎng)膜造成了損害。

1藍(lán)光對(duì)視網(wǎng)膜的損傷機(jī)制

藍(lán)光對(duì)視網(wǎng)膜的損傷程度取決于視網(wǎng)膜接收到的總光照量，與其光照的強(qiáng)度和時(shí)間相關(guān)，且兩者相互影響。有研究在平穩(wěn)視紫紅質(zhì)水平下用20～160Lx藍(lán)光照射小鼠，發(fā)現(xiàn)光照強(qiáng)度和暴露的時(shí)間具有相關(guān)性，長(zhǎng)的光照時(shí)間可替代低光照強(qiáng)度。Knels等[1]利用0.6、1.5、4.5W/cm2的波長(zhǎng)為410nm的LED光照射視網(wǎng)膜神經(jīng)細(xì)胞(R28細(xì)胞)發(fā)現(xiàn)光輻照功率越高，細(xì)胞損傷越嚴(yán)重。同時(shí)，間斷的光暴露較持續(xù)的光暴露對(duì)視網(wǎng)膜造成的損傷更大。研究顯示，5min光照不會(huì)引起明顯的視網(wǎng)膜損傷，然而如果進(jìn)行連續(xù)3～4次暴露，盡管每次5min并且中間間隔1h，仍然會(huì)對(duì)視網(wǎng)膜造成明顯的損傷。國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究體外培養(yǎng)的視網(wǎng)膜色素上皮(RPE)細(xì)胞時(shí)發(fā)現(xiàn)，藍(lán)光輻射強(qiáng)度3～7mW/cm2且持續(xù)作用3～24h均可持續(xù)引起細(xì)胞損傷。也有研究認(rèn)為藍(lán)光輻射強(qiáng)度4.0±0.5mW/cm2，光照6h可能是引起RPE細(xì)胞及亞細(xì)胞器嚴(yán)重?fù)p傷，甚至凋亡及壞死的時(shí)間節(jié)點(diǎn)[2]。目前認(rèn)為，藍(lán)光損傷視網(wǎng)膜的主要機(jī)制是其對(duì)視網(wǎng)膜感光細(xì)胞和RPE細(xì)胞的損傷。

1.1藍(lán)光損傷視網(wǎng)膜感光細(xì)胞的機(jī)制

1.1.1視網(wǎng)膜活性氧增加視網(wǎng)膜活性氧(reactive oxygen species，ROS)增加是藍(lán)光損傷視網(wǎng)膜感光細(xì)胞的主要機(jī)制，通過(guò)氧化應(yīng)激對(duì)感光細(xì)胞內(nèi)線粒體造成損傷從而損傷細(xì)胞。藍(lán)光照射后，可能通過(guò)以下方式導(dǎo)致感光細(xì)胞凋亡：(1)視網(wǎng)膜ROS增加，導(dǎo)致感光細(xì)胞內(nèi)線粒體損傷，細(xì)胞色素C增加；(2)ROS產(chǎn)生后，誘導(dǎo)絲裂原蛋白活化激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)活化，調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)、細(xì)胞死亡等過(guò)程；(3)藍(lán)光照射后引起磷酸化的細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(P-extracellular regulated protein kinases，p-ERK)水平下調(diào)，隨時(shí)間增加下調(diào)水平增加；(4)藍(lán)光照射3h后活化的核轉(zhuǎn)錄因子(nuclear factor kappa B，NF-κB)上調(diào)，自噬通路被激活。上述通路的調(diào)控均可誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡級(jí)聯(lián)反應(yīng)，導(dǎo)致視網(wǎng)膜感光細(xì)胞凋亡[3]。

1.1.2短波長(zhǎng)視蛋白聚集短波長(zhǎng)LED光可引起相關(guān)蛋白的表達(dá)水平發(fā)生改變，引起短波長(zhǎng)視蛋白(S-opsin)聚集，視錐細(xì)胞短期內(nèi)出現(xiàn)變性，導(dǎo)致嚴(yán)重的感光細(xì)胞損傷[4]。

1.1.3視網(wǎng)膜miR-155和SHIP1表達(dá)改變研究發(fā)現(xiàn)，小鼠進(jìn)行光照后，視網(wǎng)膜內(nèi)促炎因子miR-155表達(dá)量增加，而抗炎因子含SH2結(jié)構(gòu)域的肌醇磷酸酶1(src homology 2 domain-containing inositol-5-phosphatase 1，SHIP1)表達(dá)量下降，使視網(wǎng)膜光感受器退化，促紅細(xì)胞生成素分泌增加，導(dǎo)致視網(wǎng)膜氧化應(yīng)激增強(qiáng)，進(jìn)一步加重視網(wǎng)膜感光細(xì)胞損傷，形成一個(gè)惡性循環(huán)[5]。

1.1.4 NLRP3炎癥小體激活NLRP3炎癥小體是一個(gè)多蛋白復(fù)合體，在小膠質(zhì)細(xì)胞中其可以募集caspase-1及介導(dǎo)白介素-1β(interleukin-1β，IL-1β)的產(chǎn)生。有研究認(rèn)為在年齡相關(guān)性黃斑變性(ARMD)的病理過(guò)程中，NLRP3炎癥小體被激活，另有研究發(fā)現(xiàn)在長(zhǎng)期藍(lán)光照射后的小鼠視網(wǎng)膜細(xì)胞中NLRP3和IL-1β也被激活，導(dǎo)致視網(wǎng)膜感光細(xì)胞損傷[6]。

1.2藍(lán)光損傷視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞的機(jī)制

1.2.1脂褐素累積脂褐素即類視黃醛代謝后的產(chǎn)物，藍(lán)光照射后可在RPE細(xì)胞中大量累積，其主要熒光基團(tuán)N-亞視黃基-N-視黃基-乙醇胺(N-retinylidene-N-retinyl-ethanolamine，A2E)[7]總含量決定了脂褐素的毒性[8]，可調(diào)節(jié)藍(lán)光對(duì)視網(wǎng)膜的損傷。A2E是RPE細(xì)胞凋亡的啟動(dòng)因子。藍(lán)光可加速A2E對(duì)細(xì)胞的氧化，從而產(chǎn)生氧化應(yīng)激反應(yīng)，誘發(fā)RPE細(xì)胞凋亡[9]，且在該過(guò)程中，含有A2E的RPE細(xì)胞產(chǎn)生單線態(tài)氧及其它活性氧類增多[10-11]，ROS通過(guò)一系列級(jí)聯(lián)反應(yīng)最終也導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。

1.2.2細(xì)胞溶酶體功能破壞藍(lán)光照射負(fù)載有脂褐素的RPE細(xì)胞后，使細(xì)胞溶酶體功能遭到破壞最終導(dǎo)致細(xì)胞凋亡，但其機(jī)制尚不十分明確，仍有待進(jìn)一步研究。

1.2.3跨膜電位變化藍(lán)光可通過(guò)影響RPE細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度使線粒體跨膜電位發(fā)生變化，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡[12]。有研究證實(shí)，通過(guò)特異性抑制L型電壓依賴性Ca2+通道功能可以在一定程度上降低藍(lán)光引起的RPE細(xì)胞凋亡[13]。

1.2.4其它藍(lán)光照射RPE細(xì)胞可使血-視網(wǎng)膜屏障和跨膜物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)發(fā)生功能障礙，促使細(xì)胞凋亡。另有研究認(rèn)為，藍(lán)光照射會(huì)改變RPE細(xì)胞內(nèi)某些細(xì)胞因子的表達(dá)水平，導(dǎo)致細(xì)胞損傷[14-15]，還可通過(guò)上調(diào)RPE細(xì)胞miR-103的含量抑制細(xì)胞增殖[16]。

2藍(lán)光損傷視網(wǎng)膜的防護(hù)機(jī)制

2.1物理防護(hù)

2.1.1短波長(zhǎng)濾光片有研究對(duì)小鼠進(jìn)行光照射時(shí)應(yīng)用短波長(zhǎng)濾光片，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其可以濾過(guò)光線中94%的藍(lán)色成分，對(duì)小鼠視網(wǎng)膜的功能和形態(tài)有明顯的保護(hù)作用，同時(shí)可以使大量的光感受器存活[17]。

2.1.2藍(lán)光濾光人工晶狀體藍(lán)光暴露與異常分泌的促血管生成因子有關(guān)，這些因子可以促進(jìn)眼部疾病的發(fā)生發(fā)展。越來(lái)越多的證據(jù)表明，藍(lán)光照射可能導(dǎo)致ARMD的發(fā)生發(fā)展，促進(jìn)了藍(lán)光濾光人工晶狀體(IOL)的發(fā)展，作為傳統(tǒng)IOL的一種替代應(yīng)用于臨床。以往研究表明，藍(lán)光濾光IOL與僅濾過(guò)紫外線的IOL相比，可以抑制光誘導(dǎo)的血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(VEGF)的產(chǎn)生、氧化應(yīng)激反應(yīng)和血管生成信號(hào)。光暴露后，RPE細(xì)胞血管生成素分泌減少，該過(guò)程可以被藍(lán)光濾光器消除[18-19]。由于藍(lán)光濾光IOL必須要進(jìn)行晶狀體摘除術(shù)后方能植入，不適用于晶狀體透明的人群，可能適用于老年患者，目前臨床報(bào)道較少。此外，目前的研究結(jié)果并不認(rèn)為藍(lán)光濾光IOL可以有效保護(hù)黃斑區(qū)[20]。

2.2化學(xué)和藥物防護(hù)

2.2.1抑制ROS產(chǎn)生抗氧化劑和自由基清除劑可以通過(guò)減弱氧化應(yīng)激反應(yīng)，抑制ROS產(chǎn)生。多種抗氧化劑已被證實(shí)可有效預(yù)防藍(lán)光照射對(duì)視網(wǎng)膜的損傷。

α-磷辛酸是一種抗氧化劑和鐵螯合劑，對(duì)光損傷誘導(dǎo)的視網(wǎng)膜色素變性有保護(hù)作用。有研究對(duì)進(jìn)行光照的小鼠全身應(yīng)用α-磷辛酸，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與氧化應(yīng)激、炎癥和鐵超載相關(guān)的基因表達(dá)明顯下調(diào)，認(rèn)為α-磷辛酸能抑制鐵介導(dǎo)的氧化損傷，抑制過(guò)量鐵的積累，從而減弱氧化應(yīng)激造成的視網(wǎng)膜損傷[21]。

雷公藤紅素是一種具有多種生物活性的天然產(chǎn)物，來(lái)源于中藥雷公藤的根皮，近些年研究發(fā)現(xiàn)其有很強(qiáng)的抗氧化作用。強(qiáng)光，尤其是藍(lán)光，可引起RPE細(xì)胞氧化應(yīng)激、促炎基因表達(dá)增強(qiáng)，小膠質(zhì)細(xì)胞活化，視網(wǎng)膜膠質(zhì)細(xì)胞增生等。雷公藤紅素可以通過(guò)抑制視網(wǎng)膜氧化應(yīng)激和炎癥，減弱光誘導(dǎo)的視網(wǎng)膜變性。有研究在強(qiáng)光照射小鼠后應(yīng)用雷公藤紅素，觀察到其對(duì)小鼠視網(wǎng)膜的形態(tài)和功能有明顯的保護(hù)作用，并可以抑制光感受器細(xì)胞死亡，減輕視網(wǎng)膜色素上皮和光感受器的氧化應(yīng)激反應(yīng)，降低視網(wǎng)膜促炎基因的表達(dá)，抑制視網(wǎng)膜小膠質(zhì)細(xì)胞的活化和膠質(zhì)化。另有體外研究也發(fā)現(xiàn)雷公藤紅素可以減輕ARPE-19細(xì)胞的氧化應(yīng)激反應(yīng)[22]。

越橘萃取物(lingonberry extract，L-ext)和覆盆子萃取物(bilberry extract，B-ext)含有大量的酚類抗氧化劑(反式白藜蘆醇、花青素、花青素原等)，其對(duì)單重態(tài)氧具有抗氧化作用，通過(guò)調(diào)節(jié)NF-κB、p38 MAPK、自噬和caspase-3/7信號(hào)通路的激活，抑制促凋亡蛋白的產(chǎn)生和激活[23]，起到保護(hù)視網(wǎng)膜光感受器的作用。有研究在視網(wǎng)膜感光細(xì)胞培養(yǎng)液中分別加入L-ext和B-ext，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其對(duì)藍(lán)光誘導(dǎo)的細(xì)胞損傷具有保護(hù)作用。

巖藻黃蛋白是海洋生物中最豐富的類胡蘿卜素，具有良好的吸光性能和抗氧化活性，研究證實(shí)其可通過(guò)抗氧化預(yù)防可見(jiàn)光所致的視網(wǎng)膜損傷[24]。

Nrf2(NF-E2-related factor 2)是一種反應(yīng)應(yīng)激的轉(zhuǎn)錄因子，在多種組織中發(fā)揮保護(hù)細(xì)胞免受內(nèi)源性和外源性應(yīng)激的作用，是許多細(xì)胞抗氧化反應(yīng)的重要調(diào)節(jié)因子，也是機(jī)體抵御氧化應(yīng)激的一種保護(hù)機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)Nrf2可在一定程度上保護(hù)光感受器細(xì)胞免受氧化應(yīng)激的損傷[25-26]。

2.2.2抑制視網(wǎng)膜miR-155和SHIP1表達(dá)Bian等[5]研究發(fā)現(xiàn)，人參皂甙Rb1和RD(三七總皂苷的皂苷化合物)聯(lián)合作用可促使視網(wǎng)膜miR-155和SHIP1的表達(dá)發(fā)生改變，并維持在正常水平，抑制光誘導(dǎo)的視網(wǎng)膜變性。這也是首次發(fā)現(xiàn)miR-155和SHIP1參與光感受器的退化，為治療相關(guān)視網(wǎng)膜退行性疾病提供了證據(jù)。

2.2.3抑制NLRP3炎癥小體小膠質(zhì)細(xì)胞NLRP3炎癥小體激活可能是慢性藍(lán)光照射后造成視網(wǎng)膜病變的機(jī)制之一。研究發(fā)現(xiàn)，敲除細(xì)胞表面趨化因子受體2(CCR2)基因可以明顯減輕慢性藍(lán)光照射造成的小鼠視網(wǎng)膜光感受器細(xì)胞死亡，同時(shí)可以抑制光誘導(dǎo)視網(wǎng)膜變性過(guò)程中小膠質(zhì)細(xì)胞的活化和增殖[6]。

2.2.4酶活性保護(hù)劑研究發(fā)現(xiàn)，葉黃素可能通過(guò)淬滅氧自由基，抑制脂質(zhì)過(guò)氧化和c-fos基因的表達(dá)發(fā)揮其保護(hù)作用[27]。此外，玉米黃質(zhì)也被認(rèn)為具有保護(hù)細(xì)胞色素氧化酶的功能，可使視網(wǎng)膜免受藍(lán)光損傷。

2.2.5其它N-乙酰半胱氨酸是一種抗氧化劑，可以抑制ROS的產(chǎn)生和NF-κB的激活，保護(hù)感光細(xì)胞免受藍(lán)光引起的損傷。N-乙酰半胱氨酸也可提高細(xì)胞活力，抑制細(xì)胞死亡和促紅細(xì)胞生成素，抑制藍(lán)光誘導(dǎo)的caspase-3/7激活和細(xì)胞自噬[3]。枸杞多糖可能通過(guò)影響線粒體膜電位的水平抑制藍(lán)光照射對(duì)人RPE細(xì)胞的損傷[28-29]。黃連素是一種從黃連中提取出的異喹啉類生物堿，研究認(rèn)為其可以通過(guò)激活PI3K/AKT/ERK通路保護(hù)視網(wǎng)膜免受光誘導(dǎo)的變性。系統(tǒng)性應(yīng)用黃連素對(duì)光誘導(dǎo)的視網(wǎng)膜變性有保護(hù)作用，該過(guò)程與減少視網(wǎng)膜氧化應(yīng)激有關(guān)[30]。(-)表沒(méi)食子兒茶素-3-沒(méi)食子酸酯[(-)-epigallocatechin-3-gallate，EGCG]是從綠茶中提取的一種成分，是兒茶素中含量最高的組分，由于其特殊的立體化學(xué)結(jié)構(gòu)，EGCG具有非常強(qiáng)的抗氧化活性，能夠保護(hù)細(xì)胞和脫氧核糖核酸(DNA)。研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)給強(qiáng)光照射處理的小鼠腹腔注射EGCG可以保護(hù)其視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)和功能，減輕強(qiáng)光對(duì)小鼠視網(wǎng)膜的損傷作用[31]。白血病抑制因子(LIF)對(duì)視網(wǎng)膜光感受器細(xì)胞光損傷具有抑制作用，其可能通過(guò)激活JAK3/STAT3信號(hào)通道抑制下游Bax/Bcl-2凋亡通道而發(fā)揮作用[32]。上述藥物均對(duì)光損傷引起的視網(wǎng)膜變性和損傷具有一定的保護(hù)作用，但具體機(jī)制仍有待進(jìn)一步研究證實(shí)。

3小結(jié)

隨著科技的發(fā)展和電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代，關(guān)于藍(lán)光損傷及防護(hù)的研究越來(lái)越多，但藍(lán)光的化學(xué)防護(hù)研究仍然停留在細(xì)胞和動(dòng)物水平?，F(xiàn)在主要應(yīng)用的藍(lán)光防護(hù)措施仍然是物理防護(hù)，即通過(guò)濾過(guò)藍(lán)光減少其對(duì)視網(wǎng)膜造成的損傷，如防藍(lán)光眼鏡。隨著近視人群的增多，人們?cè)隍?yàn)配鏡片時(shí)會(huì)選擇帶有防藍(lán)光作用的鏡片，但目前仍缺乏足夠的證據(jù)支持使用藍(lán)光濾過(guò)鏡片可以改善視力，減輕視疲勞，保護(hù)黃斑區(qū)[33]，尚需要進(jìn)一步的研究證實(shí)藍(lán)光濾過(guò)鏡片對(duì)視網(wǎng)膜的保護(hù)作用。藍(lán)光損傷的化學(xué)和藥物防護(hù)措施目前仍停留在細(xì)胞或動(dòng)物研究階段，缺乏臨床試驗(yàn)研究結(jié)果，這也是未來(lái)需要解決的問(wèn)題和進(jìn)一步的研究方向。