人造光源在年齡相關性黃斑變性發(fā)生發(fā)展中的作用

周琦琪，高美玲

(溫州醫(yī)科大學附屬眼視光醫(yī)院，眼視光和視覺科學國家重點實驗室，視網(wǎng)膜生理和疾病研究組，浙江 溫州 325000)

引言

光是人類生存不可或缺的元素，隨著科技的發(fā)展和生產(chǎn)生活的需要，人造光源不斷更新迭代[1]。隨著在日常照明、電子設備、景觀照明、夜間作業(yè)等方面應用，人們對人造光源的需求不斷提高?？梢姽庖话阒覆ㄩL范圍在380～700 nm的電磁波，而藍光波長為400～480 nm，是可見光中能量更強、穿透能量更強、對眼健康威脅更嚴重的部分。隨著人造光源在工作生活中越來越多的應用，“藍光危害”是其不斷發(fā)展過程中不容忽視的問題[2]。作為老年人視力下降甚至失明主要原因的年齡相關性黃斑變性，是一種多因素導致的視網(wǎng)膜變性疾病，其具體發(fā)病機制仍未完全清楚[3]?；仡欉^往的研究，結合人造光源在生產(chǎn)生活中的頻繁應用，本文就人造光源在年齡相關性黃斑變性發(fā)生發(fā)展中的作用進行綜述。

1 人造光源

除了自然光源外，人造光源是人類生存不可或缺的元素。從鉆木取火開始人類經(jīng)歷了很長階段的用火發(fā)光的歷史，在這個階段，主要的人造光源是蠟燭和油燈[1]。直到1879年愛迪生發(fā)明了白熾燈，人類開始利用電來獲取光源[4]。之后人工光源不斷發(fā)展，1938年美國通用電氣發(fā)明了實用熒光燈，人類開始用氣體來獲取光源[1]。到了19世紀60年代第一個使用半導體材料制作的發(fā)光二極管(LED)問世[5]，之后科學家不斷開發(fā)出發(fā)各種顏色光的LED。直到20世紀90年代，藍光激發(fā)熒光粉產(chǎn)生白光的LED問世[6，7]，LED逐漸開始取代白熾燈成為主要的人造光源。

和傳統(tǒng)的人工照明相比，LED使用壽命長、使用場所廣泛、體積小、耗電量小、易于控制[1]，因此LED日益成為人們生活生產(chǎn)中不可或缺的人工照明工具。目前常見的白光LED本質(zhì)上是由藍光LED和黃色熒光粉耦合成的[8]。和其他可見光相比，藍光波長只有400～480 nm，具有很高的能量，穿透力強，已多次被證實對人視網(wǎng)膜具有光毒性，能夠導致眼病的發(fā)生[9-11]。隨著對以LED為首的人造光源依賴的增加，過多的光源對人眼健康也產(chǎn)生了越來越多威脅[12]。

2 年齡相關性黃斑變性

年齡相關性黃斑變性(AMD)是一種發(fā)病率和年齡增長有明顯相關性的發(fā)生在視網(wǎng)膜黃斑區(qū)域的視網(wǎng)膜變性類疾病，常導致患者中央視力的進行性喪失[3，13]，是老年人視力降低甚至失明的主要原因[14]。在病變的早期階段，患者大多沒有明顯癥狀，隨著疾病的發(fā)展，患者視力模糊下降尤其是中央視力，日常閱讀、駕駛困難，最終可能導致失明，導致患者生活質(zhì)量下降、抑郁患病率增加[13]。目前，較為經(jīng)典的分類是Beckmann AMD分類研究小組于2013年根據(jù)患者臨床表現(xiàn)將其分為沒有明顯年齡性改變、正常年齡性改變、早期AMD、中期AMD和晚期AMD，晚期AMD又分為地圖樣萎縮和新生血管性AMD[15]。地圖樣萎縮是指在AMD的晚期階段，視網(wǎng)膜色素上皮細胞、光感受器和脈絡膜毛細血管的丟失[16]，而新生血管性AMD指的是隨著病程的進展，脈絡膜新生血管逐漸侵入視網(wǎng)膜[17]。

視網(wǎng)膜是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的一部分，光線進入視網(wǎng)膜后穿過視網(wǎng)膜全層激活光感受器將光信號轉化為電信號，之后將視覺信號經(jīng)過雙極細胞、無長突細胞傳遞給神經(jīng)節(jié)細胞，神經(jīng)節(jié)細胞的軸突匯聚成視神經(jīng)，將信號傳遞到大腦[18]。視網(wǎng)膜色素上皮細胞(RPE)是位于視網(wǎng)膜光感受器外節(jié)和脈絡膜之間含色素顆粒的單層細胞。細胞外基質(zhì)和光感受器外節(jié)相互作用，基底膜和Bruch’s膜接觸。RPE參與構成血—視網(wǎng)膜屏障，維持光感受器的功能、吞噬光感受器外節(jié)[19]。光感受器是視網(wǎng)膜中的感覺神經(jīng)元，在外節(jié)(OS)有大量的膜盤，充滿光敏蛋白。根據(jù)外節(jié)的不同，光感受器分為兩種，分別為視錐細胞和視桿細胞(圖1)。

在人類視網(wǎng)膜中，周圍區(qū)域多為視桿細胞，中央?yún)^(qū)域視錐細胞致密分布被稱為黃斑區(qū)域，黃斑區(qū)域非常脆弱，極易發(fā)生病變。AMD是黃斑變性中的一種，在衰老的過程中RPE吞噬光感受器代謝產(chǎn)生的碎片形成脂褐素熒光蛋白，脂褐素的異常積累導致RPE基質(zhì)和Bruch’s膜之間形成AMD的標志性病變玻璃膜疣(drusen)[3]。RPE和光感受器之間的相互關系，使得RPE功能障礙細胞死亡后引起光感受器代謝障礙細胞死亡，最終患者視力喪失。

AMD是多種因素導致的疾病，其中最重要的危險因素是年齡，隨著年齡的增長，AMD的患病率逐漸增高，幾乎所有的晚期患者都為60歲以上的老年人[14，20]。此外，非遺傳因素和環(huán)境因素也影響AMD的發(fā)病[20]，比如吸煙、高血壓、高脂飲食、光照等。而隨著工作生活中對電子設備、人工照明等需求的增加，人們不可避免地接受越來越多的光照。

3 光損傷導致年齡相關性黃斑變性的分子機制

人眼睛對可見光非常敏感，尤其是藍綠光[21]，黃斑區(qū)域是人視覺最敏銳的部位，同時過量的光照也更容易導致黃斑區(qū)域的損傷。隨著人們越來越頻繁地使用LED及其衍生產(chǎn)品，其產(chǎn)生的過量藍光對視網(wǎng)膜健康的威脅也越來越嚴重[22，23]。目前已經(jīng)有很多研究證實了光照和AMD發(fā)生發(fā)展的關系[24-27]。為了研究光照對視網(wǎng)膜的影響，視網(wǎng)膜細胞和動物模型被用于光損傷機制的研究中。

3.1 光照引起線粒體損傷

在光感受器外節(jié)代謝過程中，RPE吞噬光感受器膜盤，剩余碎片形成脂褐素。雙視黃醛—磷脂酰乙醇胺(A2E)是脂褐素熒光團中的一種，能夠增加RPE細胞對藍光光損傷的敏感性[28]。過去的研究表明，負載A2E的RPE細胞在藍光的照射下產(chǎn)生了更多的過氧化氫和超氧陰離子，并且這些過氧化物在線粒體周圍聚集，導致線粒體功能損傷[28]。OMA1是線粒體功能障礙傳感器，一定條件下OMA1可以自我裂解為活化態(tài)導致線粒體的分裂[29]，在藍光照射下，負載A2E的人視網(wǎng)膜上皮細胞(ARPE-19)出現(xiàn)線粒體碎片化、OMA1自我裂解，導致細胞的線粒體動力學損傷[30]。光照引起的線粒體損傷，尤其是線粒體DNA損傷可能是AMD發(fā)病機制的一個重要因素[31]。

3.2 細胞氧化應激

視網(wǎng)膜中各個細胞代謝相互協(xié)調(diào)，RPE將脈絡膜血管中的葡萄糖轉運到光感受器，光感受器產(chǎn)生的乳酸為RPE提供營養(yǎng)[32]。光感受器的光電轉換、RPE中視覺色素的構象改變等都需要大量的能量供應。在線粒體能量代謝過程中，部分氧氣代謝產(chǎn)生活性氧(ROS)，包括自由基在內(nèi)的活性氧在細胞的信號轉導中發(fā)揮重要作用。但是當ROS產(chǎn)生過多超過細胞抗氧化的能力時，ROS對細胞結構產(chǎn)生嚴重損害，造成氧化應激[33]。在視網(wǎng)膜中，RPE中脂褐素的色素成分在藍光的照射下能夠發(fā)生反應誘導ROS的產(chǎn)生[34]。

ARPE-19暴露在藍光下的早期階段，就開始產(chǎn)生ROS，RNA-seq的結果也顯示參與氧化應激的調(diào)控因子均表達上調(diào)[35]。長期暴露在藍光下的RGC-5細胞ROS和氧化反應的重要調(diào)節(jié)因子Nrf2的表達量均顯著增加[36]。血—視網(wǎng)膜屏障通過調(diào)節(jié)血液和視網(wǎng)膜間的物質(zhì)交換來維持視網(wǎng)膜的正常功能，RPE之間的緊密連接是血—視網(wǎng)膜屏障構成的關鍵。藍光照射導致PRE中的PKC-ζ過度激活，從而使RPE氧化應激，進而破壞血—視網(wǎng)膜屏障[37]。

3.3 細胞自噬

光感受器外節(jié)(Photoreceptor Outer Segment，POS)處于不斷更新的狀態(tài)，RPE促進POS的更新并吞噬POS，被吞噬后的POS和溶酶體形成吞噬溶酶體并將POS降解回收，從而防止光氧化產(chǎn)物對光感受器的毒性作用[38]。當RPE自噬功能發(fā)生障礙，積累的POS將無法降解，從而產(chǎn)生大量的脂褐素，導致光感受器的死亡和AMD的發(fā)生發(fā)展[39]。與正常來源的RPE相比，AMD患者來源的RPE在培養(yǎng)過程中會產(chǎn)生更多的自噬體[40]。在一項體外實驗中，細胞被藍光照射24 h后，ARPE-19發(fā)生呈時間依賴性的自噬增加、自噬抑制因子mTORC1表達降低[35]。

3.4 細胞凋亡

細胞凋亡是光誘導細胞死亡的主要途徑，過多的藍光暴露導致ROS積累和DNA損傷，增加細胞修復負擔，最終將導致細胞死亡[41]。在使用藍光照射斑馬魚的實驗中，觀察到藍光在視網(wǎng)膜各層都誘發(fā)了明顯的TUNEL反應，并且增加了凋亡標記物caspase-3蛋白的表達[35]。在對長期藍光照射誘導RGC-5的體外實驗中，長期接受藍光照射的RGC-5細胞活力降低、促凋亡蛋白Bax表達上調(diào)、抗凋亡蛋白Bcl-2表達下調(diào)，早期凋亡細胞數(shù)量增多[36]。藍光暴露下的ARPE-19細胞中細胞凋亡和細胞周期阻滯的調(diào)節(jié)因子GADD45α顯著上調(diào)，提示細胞凋亡[42]。在對小鼠進行為期28天每天12 h的藍光照射后，小鼠光感受器細胞核減少，外節(jié)丟失[43]。和其他波長的光相比，暴露在藍光下的原代Müller細胞發(fā)生細胞凋亡[44]。

3.5 鐵死亡

鐵死亡(ferroptosis)是有別于細胞凋亡、壞死、自噬的鐵依賴性的細胞死亡途徑，細胞內(nèi)谷胱甘肽(GSH)耗竭，谷胱甘肽過氧化物酶4(GPX4)活性降低，脂質(zhì)過氧化物不能代謝，導致二價鐵氧化脂質(zhì)產(chǎn)生大量脂質(zhì)過氧化物[45]。在視網(wǎng)膜中含鐵蛋白參與了光轉導級聯(lián)反應，但是過量的鐵會通過亞鐵離子和過氧化氫反應形成ROS毒性[46]，最終導致細胞死亡。流行病學調(diào)查顯示，視網(wǎng)膜鐵積聚是AMD的一個重要特征，主要通過誘導氧化應激介導的損傷和炎癥來促進AMD的發(fā)病[47]。

有研究發(fā)現(xiàn)無論是將光感受器細胞系——661 W還是小鼠暴露在藍光照射下都發(fā)現(xiàn)光感受器細胞鐵含量顯著上升、GSH水平顯著下降、鐵死亡調(diào)節(jié)因子SLC7A11和GPX4蛋白表達下調(diào)[48]，說明光照誘導了光感受器發(fā)生鐵死亡。GSH-GPX4和FSP1-CoQ10-NADH系統(tǒng)是細胞中的氧化還原調(diào)節(jié)系統(tǒng)[49]。藍光照射下ARPE-19發(fā)生和光感受器細胞相似的變化，細胞內(nèi)二價鐵離子爆發(fā)，脂質(zhì)過氧化物LPOs積累、細胞活力下降，GSH和NADH表達水平下調(diào)，CoQ10活性降低。使用去鐵胺(DFO)后藍光誘導的鐵離子升高被抑制、LPOs積累減少并且SH-GPX4和FSP1-CoQ10-NADH系統(tǒng)不平衡被逆轉[50]。暴露于可見光會誘導鐵從鐵蛋白釋放，從而導致光感受器外段發(fā)生脂質(zhì)過氧化[51]。光照使視網(wǎng)膜易受氧化應激介導的損傷，而鐵過載會增加氧化應激和放射敏感性[52]。而且鐵離子螯合劑(α-lipic acid)能夠保護小鼠視網(wǎng)膜光感受器細胞光損傷，也間接說明了鐵死亡可能是光照誘導的視網(wǎng)膜細胞死亡的主要途徑[53]。

4 年齡相關性黃斑變性的防治措施

AMD是發(fā)達國家60歲以上成年人失明的主要原因。到2040年患病人數(shù)可能達到2.88億[54]，隨著我國老齡化的加重，AMD病人也逐漸增多。但是AMD目前仍然是一個無法治愈的疾病。在《中國年齡相關性黃斑變性臨床診療指南(2023年)》[14]中，目前早中期患者的治療目標是防止發(fā)展為進展期AMD，防止視力的明顯下降。目前藥物治療方面局限于微量元素的補充。對于新生血管性的AMD主要是抗VEGF治療和激光治療[3，13，14]。另外，對于干細胞移植治療AMD的臨床研究也證實，干細胞移植可以提高AMD患者的最佳矯正視力[55]。

目前對于AMD的預防主要針對AMD的危險因素進行。在AMD發(fā)生發(fā)展中伴隨著氧化應激，在一些動物實驗中已經(jīng)證實，堅持富含抗氧化劑的飲食可以得到抗氧化的作用[56]。類胡蘿卜素葉黃素是主要的黃斑色素，是已知的直接抗氧化劑，可以激活ARPE-19細胞中的Nrf2[57]。吸煙可以顯著增加發(fā)生AMD的風險，被動吸煙同樣增加風險，改善生活習慣，戒煙可以降低得病風險[58]。高能量藍光帶來的光毒性會對視網(wǎng)膜造成傷害，藍光濾光片的保護可以消除ARPE-19藍光暴露造成的血管生成素分泌減少的問題[59]。對光源藍光危害等級評價標準的建立、對“藍光危害”的正確認識[2]和對LED產(chǎn)品改良一定程度上也降低了疾病風險。