青少年近視與生物鐘紊亂關系的研究進展*

賀平, 項道滿

廣州市婦女兒童醫(yī)療中心(廣東廣州 510623)

雖然經(jīng)歷了幾個世紀研究，對于屈光不正的病因機制仍知之甚少。該領域目前仍缺乏有效的生物學框架來定義眼球屈光發(fā)育。隨著現(xiàn)代社會的進步，電腦的普及，屈光不正特別是近視的發(fā)病率逐年增高[1]。近視是最常見的一種屈光不正，是裸眼視力減退的主要原因，其定義為：在沒有屈光調(diào)節(jié)的前提下，進入眼的平行光線(距離>5 m)匯聚于視網(wǎng)膜的光感受器之前，而不是聚焦在視網(wǎng)膜上[1]。我國學者通過對近視人群進行普查發(fā)現(xiàn)青少年為近視發(fā)病的高發(fā)群體，發(fā)病率高達50%～60%[1]。Holden通過對數(shù)據(jù)分析估計在2000年有14.06億人患有近視(約占世界人口的22.9%)，推測在2050年將有47.89億人會被近視困擾[2]。而近視又是視網(wǎng)膜脫離、黃斑變性、開角型青光眼及白內(nèi)障等疾病的危險因素。長期以來，學者一直認為遺傳與環(huán)境的相互作用導致了近視的發(fā)生和發(fā)展。隨著人類全基因組計劃的實施，眾多的基因被認為與近視相關[3-5]。然而這些基因存在種群特異性，且很難應用動物實驗證實這些基因。雖然近視基因的清單一直在擴大，但目前仍無有效的基因手段治療近視。Cheng[6]認為遺傳因素與高度近視密切相關，而對于中低度近視或者被稱為“學校相關近視”，現(xiàn)代環(huán)境中的非遺傳因素起著更大的作用。與近視相關的環(huán)境因素包括較高的社會經(jīng)濟地位、較高的智力測驗分數(shù)、較高的文化水平、城市環(huán)境及戶外活動減少等因素[7-9]。有研究表明光暴露因素可能與近視的發(fā)生有密切的聯(lián)系。早在19世紀，學者認為光線不足或戶外活動減少是導致近視的環(huán)境因素[10]。有實驗證實動物處于明亮的光照條件下(如10 000～40 000 lux)，近視的發(fā)生率明顯減少[11]。橫斷面調(diào)研和前瞻性研究表明，增加戶外活動時間可以有效預防兒童近視的發(fā)生，減少約9%的發(fā)病率，并且可以降低近視的進展，約每年減少0.2屈光度[12-13]。戶外活動防治近視的保護機制被認為是室外的光照強度明顯高于室內(nèi)，視網(wǎng)膜釋放的多巴胺增加，而這種神經(jīng)遞質(zhì)被認為與屈光的發(fā)展有關。本文通過對文獻的回顧，分析生物鐘紊亂與近視發(fā)病之間的關系，并進一步探討視網(wǎng)膜生物化學及分子生物學中的相關機制。

1 中樞生物鐘及其分子機制

晝夜節(jié)律是晝夜24 h的生物學變化規(guī)律，它由生物鐘控制。生物鐘是基于細胞的自主分子計時機制。生物鐘可以調(diào)節(jié)人類的起居、睡眠、血壓和心率、激素分泌、體溫、新陳代謝及其他生理過程。生物鐘是由下丘腦的視交叉上核(suprachiasmatic nuclei, SCN)直接或間接控制，通過改變放電頻率影響下游的神經(jīng)元進而控制日常的生理活動。

生物鐘是由一組 “時鐘基因”的轉(zhuǎn)錄-翻譯反饋循環(huán)(transcriptional-translational feedback loops, TTFL)所控制，如圖1所示[14]。在TTFL的核心是在PAS 區(qū)域的轉(zhuǎn)錄因子Clock(circadian locomotor output cycles kaput) 和Bmall。Clock 和 Bmall 以二聚體的形式結(jié)合到crytochrome(Cry1和Cry2)基因的啟動子上，激活周期基因(Per1、 Per2和Per3)并開始轉(zhuǎn)錄, 并進一步激活酪蛋白激酶，使PER磷酸化。由此產(chǎn)生的復合產(chǎn)物轉(zhuǎn)移至細胞核內(nèi)抑制 Clock/Bmall 介導的周期轉(zhuǎn)錄和Crytochrome 基因的表達。這些基因相關蛋白轉(zhuǎn)錄和翻譯的時間延遲，以及其中的磷酸化，核轉(zhuǎn)入和蛋白降解等組成了日常的生物鐘節(jié)律。另一項TTFL 涉及Clock/Bmall 激活Rev-erb-a (RE) 和Rora (R)基因，該基因的蛋白產(chǎn)物與Bmall1啟動子的Rev-erb/Ror 區(qū)域結(jié)合，驅(qū)動Bmall1規(guī)律的表達。并進而激活下游時鐘基因信號通路。研究表明時鐘基因存在功能性的重復，以確保某些基因異常表達下，生物鐘仍能持續(xù)運轉(zhuǎn)[15-16]。

2 外周生物鐘

在20世紀80年代早期，學者認為脊椎動物的晝夜節(jié)律僅由視交叉上核產(chǎn)生。然而在1983年，發(fā)現(xiàn)非洲爪蛙眼睛中存在視交叉上核以外的生物鐘，即由褪黑素合成酶及血清N-乙酰轉(zhuǎn)移酶所介導的生物節(jié)律。在爪蛙眼球的體外器官培養(yǎng)模型中發(fā)現(xiàn)，視網(wǎng)膜中光感受器產(chǎn)生褪黑素節(jié)律性的釋放可被光或多巴胺所控制。而這中節(jié)律也在其他哺乳動物中存在[18]。時鐘基因存在與許多視網(wǎng)膜細胞類型中，包括視網(wǎng)膜色素上皮細胞、雙極細胞、水平細胞、無長突神經(jīng)細胞、神經(jīng)節(jié)細胞和穆勒神經(jīng)膠質(zhì)細胞，以及光感受器細胞和視錐細胞[19-20]。

視網(wǎng)膜上的時鐘基因與視交叉上核的時鐘基因一致[21-22]。多巴胺被認為是屈光發(fā)育的調(diào)節(jié)因子且在生物鐘節(jié)律系統(tǒng)中發(fā)揮重要的作用。時鐘基因在分泌多巴胺的細胞中高表達，同時多巴胺調(diào)節(jié)視網(wǎng)膜色素上皮細胞，光感受器和視網(wǎng)膜神經(jīng)細胞的時鐘基因表達[23-25]。研究表明，多巴胺和視網(wǎng)膜生物鐘之間的相互作用可能影響屈光發(fā)育以及近視的發(fā)生[26-28]。見圖2。

圖2 眼球視網(wǎng)膜不同層面與生物鐘相關的生理過程[29]

3 視黑素對生物鐘的影響

20世紀90年代，一系列研究表明，視桿細胞和視錐細胞并不是小鼠晝夜節(jié)律光感受所必須的，為另一種非桿狀，非錐狀的光感受器提供證據(jù)[30-31]。隨后一種調(diào)節(jié)光誘導真皮黑素細胞遷移的視蛋白被發(fā)現(xiàn)并命名為X. laevis 即視黑素[32]。這種視蛋白廣泛存在于哺乳動物及非哺乳動物中。由于爪蟾和哺乳動物的基因序列類似，視黑素有兩種形式，分別命名為OPN4x和OPN4m[33]。OPN4 被發(fā)現(xiàn)只在視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞的一個亞群中表達，即固有感光性視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞(intrinsically photosensitive retinal ganglion cells, ipRGCs)[34]。ipRGCs 會接受光信號，激活視黑素的表達，通過軸突的信號傳導，進一步激活視交叉上核[35-36]。不同于視錐細胞和視桿細胞的光感受器對光的超極化現(xiàn)象，ipRGCs表現(xiàn)出對光的去極化現(xiàn)象，類似于無脊椎動物的光感受器。IpRGCs 既可以將信號傳導至視交叉上核來影響生物鐘節(jié)律，又可以通過逆行信號影響視網(wǎng)膜信號處理。多巴胺分泌細胞與ipRGCs以突觸相聯(lián)系，因此多巴胺可以調(diào)控視黑素的表達[37]。

研究表明增加戶外活動時間和增加光照暴露可以預防近視[38]，而且增加光照強度可以抑制近視動物模型屈光不正的發(fā)展[39]。IpRGCs可以捕捉峰值在484 nm 短波長光(這種波長在太陽光譜中最常見)從而誘導視網(wǎng)膜多巴胺含量增加。通過對小鼠OPN4基因進行敲除，發(fā)現(xiàn)與野生型小鼠相比，基因敲除鼠在4周時，近視程度明顯更高，16周后這一差距更加明顯。結(jié)果表明視黑素信號通路對小鼠正常的屈光發(fā)育和視覺形態(tài)剝奪近視都有影響。為進一步了解視黑素對近視的影響，應用單色光飼養(yǎng)豚鼠，發(fā)現(xiàn)在短波長藍光(480 nm,視黑素節(jié)細胞敏感峰值)下飼養(yǎng)的動物比綠光下(波長530 nm)飼養(yǎng)的動物，近視度數(shù)少200度。同時藍光下飼養(yǎng)的動物視黑素mRNA和蛋白都比綠光下的要多[40]。

IpRGCs還可以調(diào)節(jié)松果體中褪黑素的釋放[41]。最近研究表明近視可能導致睡眠質(zhì)量下降，Jee等[42]發(fā)現(xiàn)韓國青少年睡眠時間與近視程度成反比。學者發(fā)現(xiàn)高度近視的兒童睡眠質(zhì)量評分問卷中Pittsburgh Sleep Quality Index (PSQI)得分最低[43]。另一項研究發(fā)下早晨褪黑素濃度與近視程度呈正相關，在近視患者中褪黑素的濃度是正常人的3倍[44]。

4 生物鐘與眼球的生長發(fā)育

研究發(fā)現(xiàn)晝夜節(jié)律會對眼球的軸向長度，脈絡膜厚度，鞏膜生物合成率及眼內(nèi)壓存在潛在的影響。Weiss和Schaeffel 最先報道眼軸的長度每天會出現(xiàn)周期性的變化[45-46]。隨著超聲波及非接觸激光測量儀的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)脈絡膜的厚度也會出現(xiàn)晝夜節(jié)律變化，在夜間變厚而在白天變薄，而眼球軸向長度則出現(xiàn)相反的變化(圖3)。這種節(jié)律也同樣存在于靈長類動物，在年幼的狨猴中，眼球軸向長度白天達到峰值，脈絡膜厚度夜間達到峰值。而在年長的狨猴中，軸向長度和脈絡膜厚度夜間同時達到峰值。其差異可能由于不同的眼球生長速率有關[47]。在不同年齡段人群(7～53歲)中眼軸長度經(jīng)歷晝夜節(jié)律變化，人類眼球的軸長在中午最長，晚上最短，日變化的平均幅度為25～45 μm[48-49]。另一項研究中連續(xù)2 d(從早上9點至晚上9點，每隔3 h)測量眼球的晝夜節(jié)律發(fā)現(xiàn)，年齡匹配的近視患者和正常對照人群具有相同的節(jié)律變化幅度和間隔[49]。眼軸長度日變化只會造成人眼0.06～0.11D的視覺差別[50]。未來的研究需要更多關注近視進展的青少年及正常對照的青少年眼球變化的關系，以便更好地解釋眼球日變化節(jié)律和屈光不正發(fā)展之間的關系。

圖3 眼軸平均長度變化(黑色圓點)和脈絡膜平均厚度(白色圓點)一天之內(nèi)變化曲線[47]

Weiss和Schaeffel 發(fā)現(xiàn)當剝奪眼睛的形態(tài)視覺，就會導致眼軸的過度伸長和近視的產(chǎn)生。眼球生物鐘節(jié)律的變化，使眼軸不會像正常那樣夜間變短，而是夜間和白天都在生長[45]。這表明晝夜節(jié)律會影響眼球屈光的發(fā)育，同時影響眼球的生長速率。有研究發(fā)現(xiàn)通過遠視鏡片來延緩眼軸生長，導致眼軸節(jié)律的相位延遲和脈絡膜節(jié)律的相位提前。在佩戴近視鏡的眼球節(jié)律與形覺剝奪的眼球相似。從形覺剝奪與離焦所造成的眼球生長的不同速率來看，生長速度和兩種節(jié)律相位差之間存在正相關系，支持了兩者的因果關系[47]。

眼球生長的速度會因近視離焦和遠視離焦而有所不同。近視離焦的效果更強，每天只需要幾個小時暴露在近視離焦就會延緩眼球的生長。而通過佩戴近視鏡造成的遠視離焦需要1 d的時間才能造成同樣的效果[51-52]。離焦會引起人類眼球軸向長度和脈絡膜厚度節(jié)律的改變。Chakraborty等[52]調(diào)查了單眼近視離焦和遠視離焦對成人受試者眼球晝夜節(jié)律變化的影響。當引入+1.5D鏡片引起近視離焦12 h后，降低了眼軸晝夜變化的平均振幅，眼軸長度變化相位延遲，脈絡膜厚度變化相位提前[53]。相反，當受試者佩戴-2.0D的鏡片，引起單眼遠視離焦，會引起眼軸長度晝夜變化幅度增加，但眼軸長度和脈絡膜厚度變化節(jié)律并沒有明顯改變[54]。離焦所產(chǎn)生的影響僅限于受試的眼睛，對側(cè)眼睛并沒有受到交叉影響。在上述研究中軸向長度變化于脈絡膜厚度變化的節(jié)律相反(峰值間隔約12 h)，提示離焦引起的軸向長度變化可能于脈絡膜的厚度變化有關。結(jié)果表明人眼的晝夜節(jié)律對離焦現(xiàn)象很敏感，提示光學散焦在人眼生長和屈光發(fā)育中的潛在作用。

5 內(nèi)源性視網(wǎng)膜生物鐘在屈光發(fā)育中的作用

近視的動物模型有助于明確晝夜生物節(jié)律在調(diào)節(jié)屈光發(fā)育中的作用。通過對小鼠視網(wǎng)膜基因特定的敲除，直接測定內(nèi)源性視網(wǎng)膜生物鐘對屈光發(fā)育的影響。由于生物鐘基因和正常晝夜節(jié)律的重要性，內(nèi)源性生物鐘基因的敲除可降低生存率并導致其他的代謝異常[55]。研究發(fā)現(xiàn)對于特異性Bmal1敲除的小鼠，雖然有正常的視覺輸入，但其屈光不正的發(fā)生率相比野生型小鼠，在同年齡段有較大的提升。該類型小鼠眼軸長度及玻璃體深度增加，但前房的深度變小。另一項實驗中通過對雛雞佩戴6 h近視鏡(-15D)，并對視網(wǎng)膜和色素上皮基因轉(zhuǎn)錄進行分析，發(fā)現(xiàn)多種基因差異表達包括谷氨酸、γ-氨基丁酸、甘氨酸和乙酰膽堿神經(jīng)遞質(zhì)相關的基因。此外一些生物鐘基因也出現(xiàn)表達的下調(diào)，包括Clock基因、Cry1基因、Npas2 (neuronal pas domain protein 2)基因、 Per3 (period homolog 3)基因、Mtnr1a基因和OPN4。而上述基因在給雛雞佩戴(+15D)遠視鏡時并沒有出現(xiàn)[56]。

6 生物鐘相關多肽，生長因子與眼球屈光發(fā)育

日常生理過程中具有生物鐘節(jié)律的相關多肽如胰高血糖素、一氧化氮、視黃酸和其他的生長因子等也會為視網(wǎng)膜提供信號并調(diào)節(jié)屈光發(fā)育[57]。載脂蛋白a1通過與視黃酸的結(jié)合可以作為屈光發(fā)育“停止”的信號[58]；成纖維細胞生長因子(fibroblast growth factor, FGF2)和轉(zhuǎn)化生長因子(transforming growth factor β, TGF-β)對于雞的形覺剝奪引起的近視起到相反的作用，F(xiàn)GF2可以緩解近視，而TGF-β可以阻斷上述作用[59]。注射FGF2和胰島素生長因子(insulin-like growth factor，IGF1)可以使視力正常的雛雞玻璃體過度生長并產(chǎn)生高度近視[60]。FGF2也可以作用于下游的多巴胺分泌細胞，促進鞏膜的生長[61]。

7 當代社會與生物鐘紊亂

對大多數(shù)脊椎動物來說，光環(huán)境十分重要，24 h內(nèi)的光暗周期變化幾乎促成了所有的生物鐘節(jié)律。然而隨著社會的進步，人工照明技術的發(fā)展，顯著地影響地球的生態(tài)環(huán)境，也造成了光污染。與自然光相比，人工光照在光強、時間和光譜上有顯著的不同。典型的室內(nèi)光照強度為100～500 lux,而室外的光照強度為1 000～100 000 lux[62]。人類的生物鐘如睡眠規(guī)律和褪黑素分泌規(guī)律會受到光照條件的影響。夜間的人造光暴露還包括過多地使用發(fā)光電子設備如電視、電腦、手機等手持設備，而這些都被證實會擾亂兒童和青少年的正常睡眠行為，導致生物鐘的紊亂[62]。人的眼瞼可被視作光過濾器，因此即使在睡眠期間，光信號仍能到達視網(wǎng)膜，造成晝夜節(jié)律的紊亂。此外，人造光的強度和光的顏色都會影響晝夜節(jié)律和屈光的發(fā)育。

8 結(jié)論

隨著信息時代的高速發(fā)展，電腦等多媒體設備的普及，學業(yè)壓力增大和生物鐘的紊亂，青少年近視的發(fā)病率也逐年升高。以往的研究表明生物節(jié)律不僅存在于下丘腦的視交叉上核也存在于眼球內(nèi)部，其中較為重要的分子調(diào)控機制是時鐘基因的轉(zhuǎn)錄-翻譯循環(huán)TTFL。視網(wǎng)膜所接受的光信號會影響生物鐘節(jié)律，而生物鐘節(jié)律包括外周生物鐘節(jié)律和眼球自身的生物鐘節(jié)律。生物鐘節(jié)律又會影響眼球屈光的發(fā)育。多巴胺和褪黑素作為重要的神經(jīng)遞質(zhì)傳遞著下丘腦核的視交叉上核及視網(wǎng)膜上的生物節(jié)律。日常具有生物節(jié)律的相關多肽和生長因子如胰高血糖素、視黃酸等也對眼球屈光的發(fā)展起著重要作用。現(xiàn)代社會的光污染會造成生物鐘紊亂，而生物鐘紊亂所帶來的睡眠障礙又是青少年近視的危險因素。然而關于屈光不正及生物鐘紊亂的相關研究相對較少，且大多數(shù)研究構(gòu)建于小鼠的基因敲除模型及雛雞角膜接觸鏡佩戴模型。對于靈長類實驗及人群中臨床研究仍然欠缺。在當今社會競爭日趨激烈，用眼過度，生物鐘紊亂和近視發(fā)病率日趨升高的大環(huán)境下，對于生物節(jié)律紊亂和屈光不正的相互作用機制亟需明確。本文回顧相關文獻，為生物鐘紊亂所引起的屈光不正假說提供線索和理論依據(jù)，為預防青少年近視提供新的靶點。

利益相關聲明：本文作者和單位未曾接受第三方資金或服務支持，無相關利益沖突。

作者貢獻說明：本文由賀平作者進行文獻檢索及撰寫成文，項道滿進行了修改。