咖啡因預(yù)防白內(nèi)障發(fā)生的研究進(jìn)展

談媛 張敏 潘穎喆 張亞瓊 劉慧 劉元

白內(nèi)障是晶狀體透明度下降或顏色變化導(dǎo)致光學(xué)質(zhì)量下降的一種疾病。早期晶狀體的輕微混濁并不影響視力，但后期視力會(huì)逐漸降低甚至失明。白內(nèi)障是人類第一致盲性眼病[1]，因此，白內(nèi)障的防治極為重要。影響白內(nèi)障發(fā)生的因素包括年齡、性別、遺傳易感性、糖尿病、吸煙、藥物攝入和紫外線暴露等。目前手術(shù)是根治白內(nèi)障的唯一方法，同時(shí)，手術(shù)費(fèi)用、術(shù)后并發(fā)癥及預(yù)后等情況也制約了手術(shù)的廣泛應(yīng)用[2]。

咖啡因不僅是全球應(yīng)用最廣泛的精神類興奮劑[3]，還在心血管系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、消化系統(tǒng)以及泌尿系統(tǒng)中被廣泛研究[4-7]。近年來，眼科領(lǐng)域?qū)Х纫蛞灿辛诵碌恼J(rèn)識(shí)[8]，隨著研究的深入，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)咖啡因可能通過抗氧化、抑制細(xì)胞凋亡等機(jī)制來預(yù)防白內(nèi)障的發(fā)生，現(xiàn)筆者對(duì)相關(guān)研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 咖啡因的作用及藥代動(dòng)力學(xué)

咖啡因是咖啡豆、茶葉、可可豆和可樂果等植物中提煉出的一種味苦的白色結(jié)晶嘌呤。在眾多飲品中，咖啡因是常用食品添加劑[9]。據(jù)估計(jì)，全球80%的人口每天都在攝入不同形式的咖啡因，其中咖啡和茶是其最主要的來源[10]。

咖啡因在機(jī)體中發(fā)揮多種作用。它可興奮神經(jīng)系統(tǒng)[11-12]，增強(qiáng)骨骼肌的收縮[13]，松弛支氣管和血管平滑肌[14]，利尿，促進(jìn)腸蠕動(dòng)等。此外，咖啡因還能預(yù)防肝硬化[5]和延緩某些腫瘤[15]的進(jìn)展，對(duì)阿爾茨海默病、帕金森病也有一定的預(yù)防作用?？Х纫虻姆肿咏Y(jié)構(gòu)類似于腺苷，能夠與細(xì)胞表面的腺苷受體結(jié)合但不激活腺苷受體，從而充當(dāng)腺苷的拮抗劑，可以清除羥自由基從而抑制氧化應(yīng)激反應(yīng)。因此，咖啡因也是一種抗氧化劑[16]?？Х纫蚓哂休^弱的水溶性和脂溶性，幾乎可以通過所有的生物膜，包括血腦屏障、胎盤屏障等[17]。胃腸道在45 min內(nèi)可吸收99%的咖啡因，通過一次脫甲基作用后在肝臟中代謝，在細(xì)胞色素P450氧化酶系統(tǒng)中CYP1A2同工酶的催化下，產(chǎn)生3種結(jié)構(gòu)不同的二甲基黃嘌呤后，轉(zhuǎn)化為黃嘌呤、尿嘧啶和尿酸衍生物，在腎臟中被清除[18]。口服和靜脈給藥在血漿中所到達(dá)的濃度峰值水平相當(dāng)，一般在1～2 h內(nèi)達(dá)峰。成人攝入量為2～7 mg·kg-1時(shí)，觀察到的最高血藥濃度為3～12 mg·kg-1[19]。中等劑量的咖啡因（100～300 mg或1.5～3.0 mg·kg-1）通常對(duì)機(jī)體有益，高劑量的咖啡因（400 mg或5.5 mg·kg-1以上）會(huì)抑制磷酸二酯酶，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)環(huán)磷酸腺苷的蓄積，引起交感神經(jīng)系統(tǒng)過度興奮或其他不良反應(yīng)[20]。局部應(yīng)用咖啡因滴眼液（濃度為0～70 mmol/L）時(shí)，其給藥濃度與晶狀體中的咖啡因濃度呈正相關(guān)?？Х纫蜻M(jìn)入晶狀體后濃度很快升高，而后被緩慢代謝，局部應(yīng)用72 mmol/L咖啡因滴眼液時(shí)，對(duì)晶狀體無不良反應(yīng)，且保護(hù)作用可持續(xù)2 h[21]。

2 晶狀體自身的防御機(jī)制

晶狀體是位于虹膜之后玻璃體之前的透明雙凸結(jié)構(gòu)，光線通過晶狀體和角膜的折射聚焦在視網(wǎng)膜上，睫狀肌通過改變晶狀體表明曲率來調(diào)整焦距。晶狀體代謝復(fù)雜，房水是其主要的營養(yǎng)來源。晶狀體在體內(nèi)所有組織中蛋白質(zhì)含量最高，約占晶狀體總質(zhì)量的38%，在人晶狀體中發(fā)現(xiàn)的主要蛋白類型包括α-、β-和γ-晶狀體蛋白，其中α-晶狀體蛋白分子量最高、含量最豐富，能調(diào)節(jié)細(xì)胞生長、增強(qiáng)基因組的穩(wěn)定性以及保護(hù)細(xì)胞免受氧化應(yīng)激誘導(dǎo)凋亡[22]。晶狀體的能量來源主要是含量豐富的三磷酸腺苷（Adenosine triphosphate,ATP）。晶狀體上皮細(xì)胞中Na+-K+-ATP酶的活性對(duì)于維持整個(gè)纖維細(xì)胞團(tuán)穩(wěn)態(tài)的離子循環(huán)流動(dòng)是必需的[23]。晶狀體可通過細(xì)胞膜中的某些化合物（如維生素E）和胞漿中的某些化合物和酶 [還原型谷胱甘肽（Glutathione,GSH）、抗壞血酸（Ascorbic acid,ASA）、半胱氨酸、蛋氨酸、谷胱甘肽還原酶（Glutathione reductase,GSR）、谷胱甘肽過氧化物酶（Glutathione peroxidase,GSH-Px）、硫氧還蛋白（Thioredoxin,TRX）和硫醇轉(zhuǎn)移酶（Thioltransferase,TTase）]來修復(fù)或移除受損的蛋白質(zhì)和核酸，并維持氧化還原的動(dòng)態(tài)平衡[24]。有研究表明，隨著年齡的增長，晶狀體周圍的氧濃度會(huì)增加，導(dǎo)致晶狀體中的抗氧化能力會(huì)相應(yīng)降低[25]。晶狀體本身具有抗氧化防御系統(tǒng)，可一定程度減少氧化應(yīng)激保護(hù)其免受傷害[26]。GSH和抗壞血酸是晶狀體中的主要抗氧化劑，但這些物質(zhì)的含量會(huì)隨著年齡的增長而逐漸減少，氧化應(yīng)激反應(yīng)則會(huì)隨著年齡的增長而逐步增強(qiáng)，進(jìn)而導(dǎo)致混合的二硫化物形成，蛋白質(zhì)聚集以及光散射現(xiàn)象的發(fā)生，這對(duì)于維持晶狀體的透明度是極其不利的[27]。

3 咖啡因?qū)Π變?nèi)障發(fā)生的預(yù)防作用

3.1 咖啡因能降低紫外線對(duì)晶狀體的光氧化

多項(xiàng)研究已證實(shí)，大多數(shù)白內(nèi)障高發(fā)國家都位于紫外線（Ultraviolet,UV）指數(shù)相對(duì)較高的地區(qū)[28]。這些地區(qū)的白內(nèi)障患者比高緯度國家中的患者晶狀體中所沉積的黃色或棕色的色素更豐富[29]。UV可分為紫外線A（Ultraviolet A,UVA）、紫外線B（Ultraviolet B,UVB）和紫外線C（Ultraviolet C,UVC）。晶狀體吸收一定量的紫外線后，會(huì)發(fā)生晶狀體蛋白變性和結(jié)構(gòu)改變，隨后晶狀體變硬且顏色加深形成白內(nèi)障。光輻射誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激在一定程度上受到晶狀體內(nèi)低氧水平的抑制，然而，長期受UV照射的晶狀體光氧化性損傷會(huì)漸進(jìn)性地加重。晶狀體上皮細(xì)胞（Human lens epithelial cells,HLEC）對(duì)于保持晶狀體的透明度是必不可少的。UV輻射可被晶狀體上皮和晶狀體纖維中的蛋白質(zhì)所吸收，眼睛長期暴露在太陽紫外線下，會(huì)增加活性氧簇（Reactive oxygen species,ROS）和過氧化氫（H202）的含量，特別是UVB輻射能增加光氧化的損傷[28]。活性氧（主要存在于線粒體中）和H202具有破壞蛋白質(zhì)和核酸的潛力。有研究發(fā)現(xiàn)，UVB照射后Caspase-3蛋白表達(dá)上調(diào)[30]，而Caspase-3是細(xì)胞凋亡發(fā)生的關(guān)鍵蛋白，故推測(cè)UVB可能在誘導(dǎo)晶狀體上皮細(xì)胞凋亡方面有特殊意義。

咖啡因作為ROS有效清除劑，可減少UV對(duì)晶狀體的損傷。Kronschl?ger等[31]將正常成年SD大鼠暴露紫外線7 h后，晶狀體中的Caspase-3活化達(dá)峰值，而使用咖啡因滴眼后可明顯抑制晶狀體上皮細(xì)胞的凋亡，減少晶狀體內(nèi)ROS的生成。該研究還發(fā)現(xiàn)，咖啡因?qū)VB輻射的防護(hù)作用明顯[31]。局部使用的咖啡因的保護(hù)因子（Protection factor，PF）為1.23（相當(dāng)于防曬霜的PF），口服維生素E的PF為1.14，口服抗壞血酸的PF為0，相較于維生素E，咖啡因的穩(wěn)定性和防護(hù)作用更強(qiáng)。Varma等[32]指出，CD-1小鼠暴露于UVB時(shí)，咖啡因組（局部點(diǎn)眼）的晶狀體中ATP和GSH的水平穩(wěn)定，無咖啡因組中晶狀體中的ATP和GSH的含量均下降。在UV的照射下，光敏劑能增強(qiáng)ROS的光化學(xué)誘導(dǎo)損害，Varma等[33]還證實(shí)，光敏劑犬尿氨酸體外培養(yǎng)CD-1小鼠晶狀體，在UVA的照射下，咖啡因能抑制組織鈉泵或鈣泵失活，還能穩(wěn)定維持組織中GSH和ATP（抑制磷酸二酯酶使c-AMP升高）的水平。用電子自旋共振（Electron spin resonance,ESR）光譜檢測(cè)晶狀體顯示，咖啡因能顯著減少UVA照射所產(chǎn)生的羥基加合物（DMPO-OH ·）基團(tuán)的信號(hào)，減少的程度與咖啡因的濃度呈量效關(guān)系。該研究還指出，咖啡因與超氧化物的反應(yīng)速率遠(yuǎn)低于超氧化物本身的自發(fā)歧化速率[34]，因此咖啡因可能主要是與羥基自由基（OH ·）反應(yīng)來保護(hù)晶狀體，尿酸鹽本身可以清除ROS，而咖啡因與OH ·反應(yīng)恰好能生成尿酸N-三甲酯，所以咖啡因能有效清除ROS。

3.2 咖啡因能減輕代謝異常對(duì)晶狀體造成的損傷

代謝異常與年齡相關(guān)性白內(nèi)障的發(fā)生密切相關(guān)[35]。高血脂和高血糖均是代謝異常的表現(xiàn)，糖和脂類物質(zhì)可以通過體內(nèi)的循環(huán)到達(dá)房水，再從房水彌散入晶狀體，增加晶狀體內(nèi)水分滲透，引發(fā)白內(nèi)障。

氧化應(yīng)激反應(yīng)是糖尿病并發(fā)白內(nèi)障的主要病因之一。MicroRNA（miRs）主要是通過與信使RNA（mRNA）3'非翻譯區(qū)中互補(bǔ)的堿基序列雜交，使它們無法執(zhí)行其蛋白質(zhì)翻譯功能實(shí)現(xiàn)其生物學(xué)作用。因此，成熟的microRNA是基因沉默的重要媒介。有研究通過半乳糖喂養(yǎng)誘導(dǎo)幼齡CD-1小鼠建立高糖動(dòng)物模型，發(fā)現(xiàn)半乳糖+咖啡因組的miRs的相對(duì)表達(dá)水平明顯低于不含咖啡因模型組[36]?？Х纫蚩梢砸种贫拘詍iRs的轉(zhuǎn)錄，保護(hù)組織免受miRNA誘導(dǎo)的重要抗氧化劑基因的沉默[36]，該研究提示，在高半乳糖血癥條件下咖啡因通過阻止有毒miRs的轉(zhuǎn)錄來抑制氧化應(yīng)激反應(yīng)，咖啡因還可能通過抑制某些上游途徑，例如核因子（類胡蘿卜素衍生物2）-類似物2/KELCH樣ECH相關(guān)蛋白1途徑，參與抗氧化基因的轉(zhuǎn)錄。另一項(xiàng)研究通過半乳糖喂養(yǎng)誘導(dǎo)幼齡SD大鼠建立白內(nèi)障模型，咖啡因采用局部點(diǎn)眼的給藥方式，半乳糖組可見晶狀體中大量TUNEL染色陽性細(xì)胞，提示有大量凋亡細(xì)胞出現(xiàn)，且在正常飲食組和咖啡因+半乳糖組中未檢測(cè)到凋亡細(xì)胞。由此推斷，咖啡因可抑制與半乳糖性白內(nèi)障形成相關(guān)的凋亡過程[37]。Kaczmarczyk-Sedlak等[38]利用鏈脲佐菌素建立1型糖尿病大鼠模型，發(fā)現(xiàn)與模型組相比，口服咖啡因+糖尿病組中的氧化應(yīng)激生物標(biāo)志物超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase,SOD）、過氧化氫酶（Catalase,CAT）和谷胱甘肽過氧化物酶（Glutathione peroxidase,GSHPx）的活性降低，丙二醛（Malondialdehyde,MDA）和晚期氧化蛋白產(chǎn)物（Advanced oxidation protein products,AOPP）濃度降低，而GSH濃度明顯升高。

在肥胖人群中，晶狀體中的氧化應(yīng)激狀態(tài)明顯增強(qiáng)，GSH-Px、CAT等抗氧化酶活性升高，MDA、晚期氧化蛋白產(chǎn)物的含量增加[24-39]。Nakazawa等[40]采用高脂飲食（High fat diet，HFD）喂養(yǎng)的動(dòng)物建立肥胖相關(guān)性白內(nèi)障模型，發(fā)現(xiàn)HFD組中GSH濃度明顯降低，HFD+咖啡因（喂養(yǎng)）組能有效避免GSH的降低。該研究還發(fā)現(xiàn)，GSH濃度在HFD烘焙咖啡豆組（0.90 μmol·g-1）中較HFD生咖啡豆組（0.78 μmol·g-1）更高。眾所周知，咖啡因是咖啡豆的主要成分。烘焙過的咖啡豆，可以產(chǎn)生鄰苯二酚，后者可通過激活紅系衍生的核因子2相關(guān)因子2、血紅素加氧酶-1（HO-1）和腺嘌呤二核苷酸醌氧化還原酶-1來發(fā)揮類似抗氧化的作用[41]。

4 咖啡因可以通過胎盤屏障作用于子代的晶狀體

迄今，咖啡因?qū)θ焉锸欠癞a(chǎn)生不利影響仍存在爭議，但普遍認(rèn)為咖啡因可以通過胎盤屏障對(duì)子代產(chǎn)生影響。先天性白內(nèi)障約占兒童失明的40%，其病因尚不清楚[8]。在妊娠早期，母體對(duì)咖啡因的清除率較未懷孕時(shí)無明顯變化，直到妊娠中期和晚期，孕婦對(duì)咖啡因的代謝和排出時(shí)間會(huì)大大延長，且此時(shí)胎兒代謝咖啡因所需的酶水平較低，咖啡因?qū)μ旱挠绊戄^大，會(huì)增加流產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)[42]。Evereklioglu等[43]研究發(fā)現(xiàn)，妊娠期雌性大鼠給予不同濃度的咖啡因直至妊娠結(jié)束，通過裂隙燈顯微鏡和組織病理切片分別觀察出生30 d 后新生幼鼠晶狀體，發(fā)現(xiàn)腹腔內(nèi)注射咖啡因25 mg·kg-1·d-1組、腹腔注射咖啡因50 mg·kg-1·d-1組、腹腔注射咖啡因100 mg·kg-1·d-1組、咖啡因灌胃50 mg·kg-1·d-1組中，有34%的子代晶狀體發(fā)現(xiàn)病理切片異常和（或）裂隙燈顯微鏡下晶狀體混濁的表現(xiàn)，其中腹腔注射咖啡因100 mg·kg-1·d-1組中子代晶狀體改變最明顯，在裂隙燈顯微鏡下觀察該組有未成熟的白內(nèi)障形成；病理切片顯示，晶狀體纖維排列不規(guī)則，有大量腫脹的纖維細(xì)胞，并有伴隨著晶狀體皮質(zhì)液化的情況，而對(duì)照組（腹腔注射0.9%氯化鈉溶液）子代晶狀體顯示均為正常晶狀體，腹腔內(nèi)注射咖啡因25 mg·kg-1·d-1組的子代晶狀體也未出現(xiàn)異常。因此，目前孕婦咖啡因的攝入量建議應(yīng)低于最高攝入量（北歐國家和美國定為200 mg·d-1，WHO定為300 mg·d-1）[44]，以減少對(duì)胎兒眼發(fā)育的不良影響。

5 小結(jié)與展望

綜上，現(xiàn)有的研究提示咖啡因可從以下幾個(gè)方面預(yù)防白內(nèi)障的發(fā)生（見自繪圖1）：①咖啡因在體內(nèi)形成一種穩(wěn)定的抗氧化劑；②咖啡因可清除ROS產(chǎn)生的過氧化物，有效維持晶狀體組織中GSH和ATP的水平，后者可與羥自由基反應(yīng)，避免晶狀體受光化學(xué)損傷；③咖啡因可通過抑制Caspase-3的表達(dá)水平來減少晶狀體上皮細(xì)胞的凋亡和減少氧化應(yīng)激引起的microRNA轉(zhuǎn)錄異常，抑制與糖尿病相關(guān)性晶狀體的凋亡過程；④咖啡因可降低血糖、血脂[45]，抑制代謝異常所引起的氧化應(yīng)激標(biāo)志物SOD、GSH-Px、CAT的活性和減少M(fèi)DA、AOPP的含量，進(jìn)而延緩或逆轉(zhuǎn)白內(nèi)障的發(fā)生，增加晶狀體的透明度；⑤咖啡豆烘焙后產(chǎn)生的鄰苯二酚或與咖啡因協(xié)同激活Nrf2、HO-1以及NQO-1來提高抗氧化作用。但對(duì)于孕婦和哺乳期婦女，攝入咖啡因時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎，以避免對(duì)胎兒或新生兒產(chǎn)生不利的影響?？傊?，咖啡因可通過多種機(jī)制來預(yù)防或延緩晶狀體混濁，但其在眼科疾病中的更多機(jī)制亟待我們進(jìn)一步去發(fā)掘。

圖1.咖啡因預(yù)防白內(nèi)障發(fā)生的可能機(jī)制高脂、高糖及紫外線等因素均能激活ROS，降低ASA、GSH的水平，抑制離子泵的活性，咖啡因通過抑制這一系列的反應(yīng)發(fā)揮作用。ROS：活性氧；SOD：超氧化物歧化酶；CAT：過氧化氫酶；GPx：谷胱甘肽過氧化物酶；MDA：丙二醛；AOPP：晚期氧化蛋白產(chǎn)物；OH ·：羥基自由基；GSH：還原型谷胱甘肽；ASA：抗壞血酸Figure 1.Possible mechanism of caffeine prevention of cataract.Factors such as hyperlipemia,hyperglycemia and ultroviolet can activate ROS,reduce the level of ASA and GSH,and inhibit the activity of ion pump.Caffeine plays a role through inhibiting these responses.ROS,reactive oxygen species;SOD,superoxide dismutase;CAT,catalase;GPx,glutathione peroxidase;MDA,malondialdehyde;AOPP,advanced oxidation protein products;OH ·,hydroxyl radical;GSH,reduced glutathione;ASA,ascorbic acid.

利益沖突申明本研究無任何利益沖突

作者貢獻(xiàn)聲明談媛：參與選題、設(shè)計(jì)及資料的分析和解釋；收集數(shù)據(jù)；撰寫論文及繪圖；根據(jù)編輯部的修改意見進(jìn)行修改及核修。張敏：根據(jù)編輯部的修改意見進(jìn)行修改。潘穎喆、張亞瓊、劉慧、劉元：收集數(shù)據(jù)