運動對視網(wǎng)膜細胞及功能的保護作用研究進展

左倩倩，梁麗娜

0引言

全球有超過800萬人因為視網(wǎng)膜疾病發(fā)生視力障礙甚至失明，其中只有少部分人會發(fā)展成全盲，大部分患者可以通過治療來控制病情[1]。目前視網(wǎng)膜疾病的主要治療方式包括藥物治療、手術(shù)治療，以及尚在研究階段的基因治療和干細胞治療[2-3]。運動是神經(jīng)系統(tǒng)有效的刺激形式，對大腦的功能重建和代償起著重要作用，許多動物模型和臨床研究表明，運動可以對中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system，CNS)產(chǎn)生直接的有益影響，并且可以預(yù)防神經(jīng)退行性疾病如帕金森病(Parkinson’s disease，PD)、阿爾茨海默癥(Alzheimer’s disease，AD)[4-5]。與其他治療方法相比，運動干預(yù)費用低、容易實施，具有明顯優(yōu)勢。視網(wǎng)膜是重要的神經(jīng)系統(tǒng)，近年研究發(fā)現(xiàn)運動不僅可以改善衰老動物的視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)和視功能[6]，而且對糖尿病視網(wǎng)膜病變(diabetic retinothy，DR)、青光眼(glaucoma)、年齡相關(guān)性黃斑變性(age-related macular degeneration，ARMD)、視網(wǎng)膜色素變性(retinitis pigmentosa，RP)等多種視網(wǎng)膜疾病具有保護作用[7-10]。本文回顧了近10a相關(guān)的動物實驗研究及臨床研究，并對運動保護視網(wǎng)膜作用的可能機制進行探討。

1運動對視網(wǎng)膜功能的保護作用研究

1.1動物模型研究研究表明運動可以改善光誘導視網(wǎng)膜變性的視網(wǎng)膜電圖(electroretinogram，ERG)及感光細胞數(shù)量。在光誘導的視網(wǎng)膜變性模型中，經(jīng)跑步機運動預(yù)處理小鼠ERG的a波、b波振幅明顯高于未經(jīng)跑步機運動預(yù)處理的小鼠，且外核層增厚，感光細胞核計數(shù)較后者增加了2倍，顯示有氧運動對視網(wǎng)膜功能和結(jié)構(gòu)有顯著的保護作用[11]。為了進一步明確能夠保護視網(wǎng)膜的最佳運動強度，Mees等[12]將光誘導的視網(wǎng)膜變性小鼠分為低、中和高強度運動組，置于頻率不同的跑步機上強制運動，采用ERG評估視網(wǎng)膜功能，發(fā)現(xiàn)低、中強度運動組小鼠ERG波形相似，a波振幅為非運動組的3.8倍，b波振幅為非運動組的3.9倍。高強度運動組小鼠ERG各波振幅略高于非運動組，但僅b波振幅有統(tǒng)計學意義，為非運動組的2.8倍。結(jié)果提示高強度的跑步運動并不能提供更強的視網(wǎng)膜保護作用，并且中強度和低強度的運動保護作用相似，結(jié)合有眼部疾病患者的實際情況，選擇低強度的運動對視網(wǎng)膜的保護作用具有更大意義。

運動還可以改善糖尿病大鼠的視網(wǎng)膜功能(包括空間頻率、對比敏感度和ERG)。注射鏈脲佐菌素(streptozotocin，STZ)誘發(fā)大鼠糖尿病模型，造模成功后將大鼠分為非運動組及運動組，運動組大鼠每天以15m/min進行跑步機運動30min，5d/wk，持續(xù)8wk。2wk后檢測空間頻率和對比敏感度，在第4、8wk檢測ERG，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與非糖尿病對照組相比，糖尿病大鼠的空間頻率和對比敏感度顯著降低，視網(wǎng)膜電圖振蕩電位潛伏期及閃爍光ERG峰時延遲，運動組大鼠上述指標均有顯著改善，顯示運動可以預(yù)防糖尿病大鼠早期的視覺功能障礙，表明高血糖診斷后開始運動干預(yù)可能是一種有益的治療[7]。

運動可以逆轉(zhuǎn)與年齡相關(guān)的視網(wǎng)膜易損傷性并且改善老年小鼠視網(wǎng)膜損傷后的視功能。在老年小鼠眼壓升高導致的視網(wǎng)膜損傷模型中，損傷前未進行游泳運動的年輕小鼠的ERG中的陽性暗視覺閾值反應(yīng)(positive scotopic threshold response，pSTR)振幅降低至基礎(chǔ)值的83%，而運動的老年小鼠pSTR振幅保持在基礎(chǔ)值的87%，這證明運動的老年小鼠受損傷后視神經(jīng)功能障礙程度與年輕小鼠相似，運動逆轉(zhuǎn)了與年齡相關(guān)的視網(wǎng)膜易損傷性[13]。Chrysostomou等[6]還發(fā)現(xiàn)未運動的受傷小鼠視網(wǎng)膜內(nèi)叢狀層(inner plexiform layer，IPL)厚度隨時間不斷減小，雖然這期間運動的小鼠IPL厚度也減小，但是變薄程度沒有未運動的小鼠明顯，并且受傷后鍛煉7d可防止神經(jīng)節(jié)細胞丟失，證明游泳運動可以保護視功能，減少視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞(retinal ganglion cell，RGC)死亡及功能障礙。

上述研究觀察了強迫運動對視網(wǎng)膜細胞及功能的保護作用，但自愿運動與人類平常的運動方式更為相似，因此，有學者進一步探討了自愿運動對視網(wǎng)膜的影響。研究表明自愿運動可以對RP小鼠的視網(wǎng)膜感光細胞及功能起保護作用。RP的遺傳方式主要有常染色體顯性遺傳(autosoma dominant rentinitis pigmentosa，ADRP)、常染色體隱性遺傳(autosomal recessive rentinitis pigmentosa，ARRP)和X染色體連鎖遺傳(X-linked rentinitis pigmentosa，XLRP)[14]。成年rd10小鼠的視桿感光細胞中的3’，5’-環(huán)磷酸二酯酶具有常染色體隱性突變，導致其后代幼鼠的視桿細胞在出生后第18d發(fā)生明顯的退行性改變，是研究ARRP的良好模型。將rd10幼鼠進行自愿車輪運動，與不運動的幼鼠相比，運動的rd10幼鼠表現(xiàn)出更高的空間頻率閾值，感光細胞核總數(shù)是其2倍，其中視錐細胞核數(shù)目是其1.8倍，表明自愿運動可以保留部分視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)和功能，延遲由感光細胞死亡引起的視力喪失[10]。Zhang等[15]采用強光照射I307NRho小鼠誘導ADRP模型，通過測量小鼠ERG以及視動反應(yīng)(optomotor response，OMR)發(fā)現(xiàn)與正常小鼠相比未進行自愿車輪運動的模型小鼠a波、b波振幅顯著減小，OMR空間頻率閾值降低40%，而自愿運動的小鼠與正常組沒有顯著差異，且運動小鼠的視網(wǎng)膜色素上皮層具有規(guī)則的細胞大小和形狀。此外還發(fā)現(xiàn)了在不運動小鼠的光感受器中有有核細胞的積累，而在運動小鼠中未發(fā)現(xiàn)此情況。這表明自愿性車輪運動可以保護視網(wǎng)膜細胞及功能，還可以保護視網(wǎng)膜形態(tài)以及減輕視網(wǎng)膜變性后的炎癥反應(yīng)。

1.2臨床研究目前關(guān)于運動作為一種干預(yù)方式治療視網(wǎng)膜疾病的臨床研究尚未見報道，已有的文獻多是運動史與視網(wǎng)膜疾病患病率相關(guān)性的回顧性研究。越來越多的文獻表明青光眼、ARMD、DR患者運動水平降低，運動減少可能增加了上述疾病的患病風險。但這種影響亦可能是相互的，Van Landingham等[16]發(fā)現(xiàn)雙側(cè)視野損傷的患者與視野正常者相比，進行中度到重度體育運動的時間減少30%；Willis等[17]發(fā)現(xiàn)矯正后視力低于0.5的人群花在運動上的時間可減少約50%。

1.2.1體育運動與ARMD目前研究表明體育運動可以降低中期和晚期ARMD發(fā)生風險。ARMD是一種與年齡相關(guān)的眼底疾病，通常會導致視力進行性喪失，是老年人視力障礙的常見原因。McGuinness等[18]發(fā)現(xiàn)頻繁(≥3次/周)和不頻繁(1～2次/周)的劇烈運動可以降低發(fā)生中期和晚期ARMD的風險，同時還發(fā)現(xiàn)頻繁的體育鍛煉可以降低女性22%的中期ARMD發(fā)生率。Loprinzi等[19]讓參與者配戴ActiGraph 7164加速度計來測量體育運動行為，結(jié)果表明晚期ARMD患者很少參與中度到重度的體育運動，這可能與他們的視力障礙有關(guān)。

此外，Rim等[20]在關(guān)于體育運動與新生血管性ARMD的關(guān)系的研究中發(fā)現(xiàn)45～64歲的男性中，既往劇烈的運動與新生血管性ARMD發(fā)生風險增加相關(guān)。非肥胖男性[BMI(body mass index)<23.88kg/m2]每周劇烈運動(至出汗)5次以上最有可能患新生血管性ARMD。這可為我們發(fā)現(xiàn)新生血管性ARMD的預(yù)測因素提供參考。

1.2.2體育運動與DR體育運動對糖尿病的治療作用已在眾多研究中得到認可和討論，近來發(fā)現(xiàn)運功還可以降低DR的發(fā)生率及重癥率。堅持規(guī)律的體育運動可以減少1型糖尿病患者胰島素的使用劑量，但劇烈運動過程中易發(fā)生低血糖，應(yīng)注意監(jiān)測血糖變化。在2型糖尿病患者中，有氧運動可以改善脂肪分布及血脂、血糖水平，且對胰島素抵抗和胰島素敏感性的調(diào)節(jié)起作用以及改善心肺功能[21]。

DR是糖尿病最危險的并發(fā)癥之一，已經(jīng)成為中老年人最常見的致盲原因。一項基于北京人口的眼科研究表明，較高的體力活動和較少的久坐不動的生活方式可降低DR的患病率[22]。Aro等[23]對超重、肥胖的糖耐量受損患者進行為期4a的生活方式干預(yù)(包括健康飲食和增加運動量)后發(fā)現(xiàn)可減少患者視網(wǎng)膜微動脈瘤的發(fā)生。Tikkanen-Dolenc等[24]發(fā)現(xiàn)頻繁的體育休閑運動可以降低嚴重DR發(fā)生率(嚴重的DR被定義為由于嚴重的非增殖性、增殖性視網(wǎng)膜病變或糖尿病黃斑病變而需要進行激光治療的DR)。此外，Loprinzi等[25]發(fā)現(xiàn)習慣久坐和運動較少的糖尿病成年人更容易有較差的視力。

1.2.3體育運動與青光眼研究表明體育運動可以通過調(diào)節(jié)眼內(nèi)壓(intraocular pressure，IOP)對RGC起保護作用。青光眼是一組進行性視神經(jīng)損害，最終損傷視力的疾病的統(tǒng)稱，是不可逆的致盲眼病，其特征在于RGC變性并導致視乳頭的改變，RGC的丟失與IOP過高有關(guān)[26]。關(guān)于運動對IOP的影響，研究者分別對健康人和青光眼患者進行了對比發(fā)現(xiàn)，健康個體進行15min的跑步機運動，與未運動前相比，IOP降低了3.82mmHg，運動結(jié)束10min降低了2.2mmHg，30min降低了1.14mmHg[27]。Najmanova等[28]讓健康志愿者在自行車測功機上進行30min的鍛煉，運動結(jié)束后立即觀察到IOP降低了2.7mmHg，但是此降眼壓效果僅能持續(xù)20min。這證明動態(tài)鍛煉可以降低IOP，盡管這種效果是短暫的。

關(guān)于青光眼患者與運動的聯(lián)系，Yokota等[29]發(fā)現(xiàn)每周習慣性運動超過30min的原發(fā)性開角型青光眼患者比不運動的患者IOP平均低1.5mmHg，并且還發(fā)現(xiàn)了習慣性運動可以減慢開角型青光眼視野惡化的進展。Yang等[30]讓原發(fā)性開角型青光眼合并高度近視的患者進行10min的中等強度(Wmax=20%)的運動，與靜息組相比測得IOP降低了3.5mmHg，然后接著再進行5min的劇烈(Wmax=60%)運動，相比靜息組IOP降低了7.5mmHg。

以上研究表明動態(tài)鍛煉可有效降低青光眼患者的IOP，盡管可能需要進行更多的研究以支持這一結(jié)論。但由于青光眼的潛在危險，應(yīng)警告患者避免極端鍛煉，如潛水、蹦極跳、瑜伽以及戴泳鏡游泳。此外，青光眼患者常見的焦慮和抑郁癥可以通過體育鍛煉得到緩解，從而改善這些慢性疾病患者的生活質(zhì)量[8]。

2運動對視網(wǎng)膜保護作用的可能機制

2.1氧化應(yīng)激在神經(jīng)退行性疾病(特別是AD和PD)中氧化應(yīng)激(oxidative stress，OS)已經(jīng)被廣泛認為是關(guān)鍵因素，研究發(fā)現(xiàn)運動可以降低氧化應(yīng)激引起的視網(wǎng)膜損傷。在PD和AD大腦和周圍組織中，氧化應(yīng)激生物標志物水平升高以及抗氧化防御能力受損[31]。關(guān)于PD，da Costa等[32]研究表明PD大鼠模型經(jīng)過跑步機鍛煉可以改善其認知功能并減少多巴胺能神經(jīng)元丟失，減少了增加的氧化應(yīng)激。關(guān)于AD，既往研究證明了跑步機運動可顯著減弱STZ誘導的AD大鼠模型海馬CA1區(qū)神經(jīng)變性和保留海馬依賴性認知功能，并且跑步機運動可抑制氧化損傷，長期運動可保護老年人免受氧化應(yīng)激損傷并增強其抗氧化防御能力[33-34]。近年來，氧化應(yīng)激在視網(wǎng)膜慢性退行性疾病中的重要性也愈加明顯，最近研究表明在ARMD、DR、RP和青光眼中運動通過調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激對視網(wǎng)膜起著重要保護作用[35]。

此外，Kim等[36]發(fā)現(xiàn)自然衰老的小鼠可發(fā)生氧化性視網(wǎng)膜損傷，而跑步機運動可能抑制了與年齡相關(guān)的氧化性視網(wǎng)膜損傷。跑步機運動使自然衰老小鼠的氧化應(yīng)激標志物[如羧甲基賴氨酸(carboxy methyl lysine，CML)，8-羥基-2’-脫氧鳥苷(8-hydroxy-2’-deoxyguanosine，8-OHdG)和硝基酪氨酸(nitrotyrosine，NT))]表達恢復(fù)到接近正常水平，從而發(fā)揮了視網(wǎng)膜保護作用。

2.2 BDNF/TrKB通路目前研究表明運動可以通過調(diào)節(jié)腦源性神經(jīng)生長因子(brain derived neurotrophic factor，BDNF)/TrKB(tropomyosin receptor kinase B)通路對視網(wǎng)膜起重要保護作用。BDNF被認為在神經(jīng)元的發(fā)育和存活中起關(guān)鍵作用[37]。大量研究表明，激活BDNF/TrKB途徑可改善急性視神經(jīng)損傷后RGC存活率，且對防止成年動物RGC變性至關(guān)重要[38]。在青光眼動物和人類的視網(wǎng)膜中均可發(fā)現(xiàn)BDNF與TrKB的表達水平降低[39-40]。在光誘導的視網(wǎng)膜變性小鼠中實施跑步機運動后，運動小鼠血清、海馬和視網(wǎng)膜中的BDNF蛋白水平均增加[41]。在中年小鼠眼壓升高導致的視網(wǎng)膜損傷模型中發(fā)現(xiàn)，運動可以減少視網(wǎng)膜受傷后突觸補體的沉積，并維持視網(wǎng)膜受傷后的BDNF水平[6]。

研究表明BDNF與TrKB結(jié)合后，TrKB會發(fā)生二聚化和自磷酸化，從而激活酪氨酸激酶，進而啟動信號級聯(lián)。BDNF/TrKB信號通過3個主要途徑提供營養(yǎng)支持和樹突的調(diào)節(jié)及突觸形成，包括絲裂原活化蛋白激酶、磷脂酰肌醇3-激酶和磷脂酶C-γ[38]。

現(xiàn)已有多項研究證明使用選擇性TrKB受體拮抗劑(ANA-12)阻斷TrKB途徑的激活可消除運動對視網(wǎng)膜的保護作用。如在遺傳性和光誘導性視網(wǎng)膜變性模型中，注射ANA-12降低了rd10小鼠視力，減少了視網(wǎng)膜感光細胞核數(shù)[10，41]；在1型糖尿病模型中，給小鼠注射ANA-12后，視網(wǎng)膜振蕩電位出現(xiàn)延遲以及阻斷了運動對空間頻率和視覺對比敏感度缺陷的保護作用[7]；在青光眼模型中，ANA-12的應(yīng)用逆轉(zhuǎn)了7，8，3’-三羥基黃酮對RGC的保護作用，并通過去磷酸化抑制了TrKB信號通路[42]。TrKB抑制劑ANA-12可減少視網(wǎng)膜中的磷酸化TrKB、磷酸化ERK1/2和Akt信號傳導，同時研究表明TrKB信號傳導發(fā)生在視網(wǎng)膜中[7]。這些研究證明了運動可通過調(diào)節(jié)BDNF/TrKB通路起到對視網(wǎng)膜的保護作用。

2.3谷氨酸興奮性毒性運動可以降低谷氨酸過度興奮引起的神經(jīng)元毒性從而發(fā)揮神經(jīng)保護作用。谷氨酸興奮性毒性是指谷氨酸過度釋放從而過度刺激谷氨酸受體[如N-甲基-D-天冬氨酸(N-Methyl-D-Aspartate，NMDA)受體]破壞和殺死神經(jīng)元的病理過程，其可使高濃度的Ca2+進入細胞而引起興奮性中毒。谷氨酸興奮性毒性被認為在青光眼、DR、視神經(jīng)損傷和視網(wǎng)膜缺血等許多視網(wǎng)膜疾病中引起RGC死亡起關(guān)鍵作用[43]。

在部分視神經(jīng)橫切(PONT)模型中，Li等[44]發(fā)現(xiàn)自愿跑步運動可降低谷氨酰胺合成酶(glutamine synthetase，GS)的表達從而延遲大鼠RGC的原發(fā)性變性，GS的作用是將谷氨酰胺轉(zhuǎn)化為谷氨酸，GS表達降低會減少谷氨酸濃度從而降低谷氨酸興奮性毒性。Chen等[45]研究表明運動可以減輕PD大鼠的運動功能障礙，其機制是通過上調(diào)紋狀體中代謝型谷氨酸受體的表達，減少突觸前末端的谷氨酸釋放以及減輕對突觸后膜的興奮性毒性來減輕PD大鼠的運動功能障礙。

2.4其他除了上述機制外，運動還可能通過增加整個機體的血流量，調(diào)節(jié)血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)及其受體生成新生血管，糾正線粒體功能障礙，減少細胞凋亡等來保護視網(wǎng)膜細胞和功能[8，46-48]。

3小結(jié)

綜上所述，運動在青光眼、ARMD、DR、RP等視網(wǎng)膜疾病中顯示出神經(jīng)保護作用，采用運動療法防治視網(wǎng)膜疾病的研究前景十分廣闊，但仍有許多問題需要解答，如針對每種疾病的最佳運動方案，包括速度、持續(xù)時間和每周次數(shù)以及運動類型(有氧運動與無氧運動)等參數(shù)的確定。因此，開展相關(guān)的臨床和基礎(chǔ)研究，明確運動對人視網(wǎng)膜的保護作用及最佳治療方案將是下一步的研究重點。