線粒體損傷在眼科相關疾病中的研究進展

胡艷濱 蘇九妹 高 軍

1 天津市第三中心醫(yī)院分院眼科 300250； 2 天津市第三中心醫(yī)院眼科

線粒體作為細胞生成能量的主要部位，是生物合成、氧化應激和細胞信號傳導的中心，在生物活動中發(fā)揮重要作用。在整個細胞周期，以及在其他生命過程中，如能量供應、細胞呼吸和程序性細胞死亡中，線粒體不斷進行裂變和融合，以保持正常功能狀態(tài)。一旦線粒體功能障礙、甚至基因突變，影響細胞的正常生理狀態(tài)，導致疾病發(fā)生，可累及多器官發(fā)病。在眼科領域，線粒體損傷逐漸受到重視，可分為基因突變所致的遺傳性眼病以及功能障礙所致的非遺傳性眼病，現(xiàn)將線粒體損傷在眼科相關疾病中的研究進行總結。

1 遺傳性眼病與線粒體基因突變

1.1 視神經病變

1.1.1 常染色體顯性視神經萎縮(Autosomal dominant optic atrophy, ADOA)是常見的遺性視神經病變，其特征是雙側對稱性的視力喪失、視網膜神經節(jié)細胞(Retinal ganglion cells, RGCs)減少和視神經內髓鞘缺失。眼底改變表現(xiàn)為顳側視盤蒼白，本病可作為一種獨立疾病出現(xiàn)，還可以伴隨不同程度的聽力下降、白內障、眼外肌麻痹、上瞼下垂等。大部分ADOA患者與視神經萎縮1 (Optic atrophy 1， OPA1)基因突變相關[1]，OPA1為一種核基因，但其基因產物定位于線粒體，編碼一種線粒體蛋白，該蛋白參與嵴重構、線粒體膜完整性維護、線粒體融合和凋亡調節(jié)，是線粒體內源發(fā)動蛋白[2]。OPA1基因突變使該種線粒體蛋白異常，導致線粒體融合受損、分裂增多，并且線粒體能量合成減少，線粒體碎片化，功能進一步降低，氧化應激反應也使得RGCs變性和凋亡，因此視神經萎縮發(fā)生并加重。在臨床研究中多顯示，ADOA為不完全的外顯性，因此并不是所有患者均有明顯的常染色體顯性遺傳家族史，但是基因突變多有相關性，并且相同的基因改變，在臨床表現(xiàn)可以呈現(xiàn)出多樣性，因此是否存在未被發(fā)現(xiàn)的致病基因類型，尚需進一步研究。

1.1.2 Leber遺傳性視神經病變(Leber hereditary optic neuropathy，LHON)又稱家族性視神經病變，是常見的致盲性視神經疾病，為線粒體點突變引起的母系遺傳性疾病，多青年男性發(fā)病，以雙眼同時或先后發(fā)生的急性或者亞急性中心視野缺損，眼底可見視神經退行性改變，急性期視盤毛細血管擴張作為主要的臨床表現(xiàn)。研究表明，中國約有40%的視神經病變患者實際屬于LHON病例[3]，其確診需行基因檢測。90%～95%的LHON患者與3個原發(fā)性mtDNA點突變有關，分別為ND4的G1178A、ND1的G3460A以及ND6的T14484C，不用人種或區(qū)域其基因突變位點多有區(qū)別，亞洲人群中約90%以上的LHON患者由mtDNA G11778A位點突變所致[4]。該病患者的病理改變?yōu)橐暰W膜神經纖維層初期增厚及后期RGCs丟失。研究發(fā)現(xiàn)G11778A突變下調OPA1基因表達，使線粒體膜電位消失、嵴結構紊亂，致視神經損害[5]。LHON為目前研究較明確的線粒體疾病，但是其發(fā)病機制尚未清楚，除線粒體基因突變外，氧化應激等危險因素仍占有重要位置，而且關于線粒體基因突變所致的異質性問題，在LHON臨床中呈現(xiàn)的不同表現(xiàn)形式，仍在研究中。

1.2 黃斑營養(yǎng)不良 線粒體DNA3243位點突變，根據伴發(fā)癥狀不同，可表現(xiàn)為母系遺傳性糖尿病伴耳聾(Maternally inherited diabetes and deafness,MIDD)綜合征以及線粒體腦肌病伴乳酸血癥和腦卒中樣發(fā)作(Mitochondrial myopathy,encephalopathy,lactic acidosis,and stroke,MELAS)綜合征。文獻報道稱，MIDD綜合征患者中86%可發(fā)生黃斑營養(yǎng)不良[6]， MELAS綜合征患者中75%可發(fā)生黃斑營養(yǎng)不良，主要表現(xiàn)為視網膜色素異常以及視網膜色素上皮(Retinal pigment epithelium，RPE)細胞萎縮[7]。De Laat等人將線粒體3243點位基因突變所致的黃斑病變分為4級：細小的色素異常(1級)、淡黃色或輕度色素沉濁(2級)、中央凹外的脈絡膜視網膜萎縮(3級)、影響中心凹的脈絡膜視網膜萎縮(4級)[8]。MIDD所致的黃斑營養(yǎng)不良，大部分視力損害較小，視力喪失罕見。RPE細胞以及光感受器對能量需求量較高，并且在光感受器的內節(jié)富含大量的線粒體，當線粒體基因突變，ATP能量供給不足時，導致視網膜黃斑部RPE細胞以及視細胞損害，發(fā)生營養(yǎng)不良。Rummelt等人描述了1例MELAS合并嚴重的視網膜營養(yǎng)不良患者的視網膜組織病理學發(fā)現(xiàn)：視網膜后極部RPE細胞的頂端微絨毛、黑素體和吞噬體耗盡，并含有異常的線粒體，光感受器細胞內節(jié)線粒體異常、外節(jié)線粒體萎縮，周邊視網膜的RPE細胞和感光細胞未受影響[9]。MELAS綜合征在眼部表現(xiàn)除黃斑營養(yǎng)不良外，還可同時伴有眼外肌麻痹、視神經萎縮以及白內障的發(fā)生[9]。關于線粒體所致黃斑營養(yǎng)不良的研究，國內臨床報道較少見，尚無一致性闡述，在臨床中見到的無明顯原因的黃斑色素性或萎縮性病變是否與線粒體基因突變有關，有待證實。

1.3 慢性進行性眼外肌麻痹 線粒體腦肌病是一組以線粒體功能異常為主要特征的疾病，以骨骼肌和腦等能量需求較高組織受累為主，根據其較特異的臨床癥狀的組合，可分為多種綜合征，當患者僅表現(xiàn)為單純眼外肌癱瘓時，稱為慢性進行性眼外肌麻痹(Chronic progressive external ophthalmoplegia，CPEO)，臨床上患者雙眼先后發(fā)病或同時發(fā)病，對稱性多條眼外肌麻痹、上瞼下垂，任何年齡均可發(fā)病，但30歲前多見，進展慢，眼外肌逐漸纖維化，最終眼球固定。研究表明，CPEO患者骨骼肌細胞mtDNA片段缺失范圍在3.0～8.5kb/2.5～7.7kb之間，Carta報道在5.0kb存在大片段缺失，缺失位點在9570和14619bp[10]，Hansrote研究顯示該病多數由線粒體DNA單一大片段缺失或A3243G 點突變造成，少數與核DNA突變有關[11]。Rummelt等人報道稱，MELAS合并眼外肌麻痹患者，其組織學和超微結構顯示患者眼外直肌含有紅色纖維[9]，眼外肌纖維結構異常引起眼外肌麻痹。關于CPEO的詳細病理生理分子機制研究尚無定論，但是其與線粒體基因突變存在明顯相關性的研究，屢有報道，基因檢測對于該疾病的診斷、治療以及預后分析的等均具有重要意義。

2 非遺傳性眼病與線粒體損傷

2.1 白內障 晶狀體透明性依賴于晶狀體上皮細胞和未成熟纖維細胞內線粒體的代謝功能,以及晶狀體細胞成熟后線粒體和其他細胞器的程序性降解。白內障發(fā)生機制較為復雜，但各種類型白內障的形成均與線粒體功能相關，研究表明線粒體功能障礙及活性氧(Reactive oxygen species,ROS)失衡是年齡相關性白內障發(fā)生的重要原因[12]。電鏡觀察顯示，兒童外傷性白內障晶狀體上皮細胞的線粒體腫脹、變空，嵴變形扭曲且大量減少或消失，內膜和外膜均有破損，部分線粒體基質中甚至出現(xiàn)致密的、邊界不清的絮狀物。另外，在MELAS患者中，晶狀體上皮細胞可見含有旁晶包裹體及圓形嵴的異常線粒體，臨床表現(xiàn)為后囊性白內障[9]。線粒體損傷導致細胞能量供應障礙，引起晶狀體細胞損傷，同時線粒體的自噬功能損害，細胞調控機制障礙，影響晶狀體透明度的維持，晶狀體混濁形成。譚健等人通過實驗研究，發(fā)現(xiàn)環(huán)孢素A能夠阻斷線粒體膜通透轉換孔，保護氧化損傷時晶狀體上皮細胞線粒體的超微結構及功能，降低細胞凋亡率，保護損傷的晶狀體上皮細胞[13]，從而為白內障防治提供理論依據。因此，在白內障形成過程中，對線粒體形態(tài)及功能的研究，利于該疾病的預防及治療。

2.2 青光眼 線粒體功能可能受到核基因或線粒體DNA遺傳變異、機械應力、青光眼眼壓升高引起的慢性低灌注、外源毒性甚至光誘導的氧化應激影響而受損[14]。RGCs軸突富含線粒體, 線粒體產生的高能量是RGCs軸突無髓鞘部分的神經傳導和維持最佳神經功能所必需。在開角型青光眼的開始階段，由于血流動力學質量的改變會導致視乳頭持續(xù)性或間歇性的缺血，這導致正常的線粒體功能受到負面影響，致使RGCs功能受損。處于這種狀態(tài)的RGCs很容易受到二次損傷，如來自視乳頭區(qū)域的星形膠質細胞和小膠質細胞釋放的谷氨酸、前列腺素和一氧化氮等物質的釋放，甚至是進入眼內的光線，這種由視乳頭區(qū)缺血引起的事件級聯(lián)最終導致RGCs以不同的速率死亡，引起青光眼性的視神經的病變。青光眼視神經的病理改變與在原發(fā)性線粒體疾病的視神經病變中觀察到的視神經病變相似[14]。先天性青光眼潛在致病性mtDNA突變增加，突變的mtDNA可能導致小梁網細胞線粒體功能障礙。不管哪種青光眼類型，都顯示線粒體功能障礙在該疾病發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮重要作用。因此，保護線粒體功能對青光眼患者治療至關重要。

2.3 老年性黃斑變性 老年性黃斑變性(Age-related macular degeneration，AMD)是一種常見眼科疾病，主要影響視網膜的中央區(qū)域，是導致老年人失明的主要原因，分為干性與濕性病變。干性病變相對較輕微，可見黃斑區(qū)的玻璃膜疣或脫色素性改變，濕性病變表現(xiàn)為脈絡膜新生血管形成、光感受器細胞及RPE受損嚴重。在AMD患者的視網膜病變中，超微結構研究發(fā)現(xiàn)線粒體的數量和結構完整性都有所下降，線粒體損傷，增加氧化應激，細胞凋亡調控失衡，最終導致RPE死亡，促使AMD的發(fā)生及發(fā)展。在疾病的早期，干性病變同樣發(fā)現(xiàn)線粒體損傷的存在。最近的研究還發(fā)現(xiàn)，AMD不僅與受損的線粒體DNA功能障礙有關，還與遺傳的線粒體DNA變異有關，一項歐洲研究表明，J、T和U單倍群與AMD相關[15]。在一些AMD患者體內可發(fā)現(xiàn)線粒體鐵蛋白的基因突變，而該突變可造成線粒體鐵蛋白的功能缺失。有研究表明，線粒體基因A4917G多態(tài)性在歐洲人群中多見，其發(fā)生頻率在歐洲人群中為10．6%，而在東亞人群中罕見[16]。張印博等人報道稱，線粒體A4917G多態(tài)性在中國人群中罕見[17]。在線粒體DNA3243位點突變所致的黃斑營養(yǎng)不良中，其病理改變與AMD相似，只是發(fā)病部位為旁中心凹區(qū)域，因而國內有人對AMD患者線粒體DNA3243位點檢測，但未發(fā)現(xiàn)有該種基因突變的發(fā)生[18]。在AMD的發(fā)生及發(fā)展過程中，線粒體功能障礙已成為公認，但是線粒體基因突變尚無統(tǒng)一定論，如何促進線粒體功能恢復，可作為治療AMD的攻克方向，具有現(xiàn)實意義。

2.4 糖尿病性視網膜病變 糖尿病性視網膜病變(Diabetic retinopathy, DR)為糖尿病的嚴重并發(fā)癥,已成為主要的致盲性眼病。關于該病的發(fā)病機制研究較多，包括視網膜線粒體的進展性功能障礙、mtDNA損傷、高血糖狀態(tài)和視網膜毛細血管細胞凋亡加速等。研究發(fā)現(xiàn)，糖尿病激活視網膜基質金屬蛋白酶2(Matrix metalloproteinase 2，MMP2)和MMP9，損傷視網膜線粒體，激活凋亡機制，線粒體MMP2和MMP9的增加使其功能紊亂，并開始破壞其DNA，從而引發(fā)ROS增加[19],而ROS又可導致線粒體內DNA的氧化損傷，影響線粒體呼吸功能、降低線粒體膜電位，導致細胞功能障礙，促進視網膜毛細血管細胞凋亡，從而形成惡性循環(huán)，DR逐漸加重，因此線粒體功能障礙在糖尿病視網膜細胞凋亡中起重要作用。謝琳等人通過動物實驗研究發(fā)現(xiàn)：糖尿病大鼠隨著病程延長，視網膜血管細胞mtDNA損傷加重，其編碼基因及轉錄調控基因mRNA的表達均相應下降，黏附分子表達上調，黏附分子表達增加募集白細胞黏附，進而引發(fā)局部炎癥反應，可能是毛細血管閉塞的原因之一，因此視網膜血管細胞mtDNA氧化損傷在DR發(fā)生發(fā)展中可能起著重要作用[20]。在高糖作用下,線粒體的結構和功能遭到破壞并發(fā)生氧化應激反應，促進DR發(fā)生。從線粒體功能保護方面出發(fā)，以防DR發(fā)生，是否有效尚無依據，畢竟高糖狀體是糖尿病并發(fā)癥的始作俑者，但是保護線粒體功能，利于保護視網膜功能恢復。

3 小結

線粒體基因突變及線粒體功能障礙，通過不同途徑引發(fā)眼部疾病發(fā)生，在病因研究中逐漸受到重視，盡管目前對于線粒體基因突變尚無有效治療方法，但通過基因檢測可明確診斷，且在基因突變所致的遺傳眼病的預防中可發(fā)揮指導作用；另外，通過對不同眼病線粒體功能障礙方面的研究，了解其發(fā)病機制，可從不同途徑保護線粒體功能，為預防疾病發(fā)生和控制疾病進展提供治療依據。