藍(lán)光致眼部損傷機(jī)制研究進(jìn)展

潘逸聰，牟鄭林，邵 毅

0 引言

藍(lán)光的主要來源是陽光，波長400～500nm[1]，但如今大量發(fā)光光源會(huì)發(fā)出潛在的有害藍(lán)光(415～455nm)。有害藍(lán)光到達(dá)視網(wǎng)膜會(huì)導(dǎo)致視網(wǎng)膜色素上皮(retinal pigigment epithelium，RPE)細(xì)胞凋亡。RPE細(xì)胞凋亡會(huì)導(dǎo)致光敏細(xì)胞缺乏營養(yǎng)，進(jìn)而給視力帶來不可逆的損傷。研究表明，藍(lán)光的毒害作用不僅局限于視網(wǎng)膜，其還會(huì)通過氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)損害線粒體、溶酶體、晶狀體和淚膜等結(jié)構(gòu)，引起眼部疾病?？萍及l(fā)展的越來越快，人們對(duì)于健康的要求也越來越高，對(duì)于藍(lán)光這個(gè)與生活息息相關(guān)的物質(zhì)帶來的危害關(guān)注也越來越多，但現(xiàn)在主要應(yīng)用的藍(lán)光防護(hù)措施仍然是物理濾過，如防藍(lán)光膜、防藍(lán)光眼鏡、人工晶狀體等，也有部分化學(xué)藥物的作用被挖掘和應(yīng)用，如自由基清除劑、抗氧化劑和抗炎藥物等。本文就藍(lán)光危害的相關(guān)機(jī)制及防治方法作一綜述。

1 損傷機(jī)制

1.1視網(wǎng)膜損傷機(jī)制視網(wǎng)膜是眼的成像屏幕，位于眼球后壁部，暴露在特定波長或強(qiáng)度的光下會(huì)受到嚴(yán)重?fù)p傷[2]。藍(lán)光是可見光中產(chǎn)生光損傷作用最強(qiáng)的一種光，因?yàn)橐暰W(wǎng)膜對(duì)其光敏感性最強(qiáng)，其最主要損傷的是RPE細(xì)胞和感光細(xì)胞(包括視錐細(xì)胞和視桿細(xì)胞)，短時(shí)間(12h)暴露于藍(lán)光下可導(dǎo)致RPE細(xì)胞損傷[3]，在相同強(qiáng)度的藍(lán)色、綠色和白色發(fā)光二極管下分別暴露相同的時(shí)間，暴露在藍(lán)光下的感光細(xì)胞損傷程度更高[4]。

1.1.1脂褐素沉積脂褐素是一種高度熒光物質(zhì)，其在RPE細(xì)胞中的沉積標(biāo)志著眼睛的衰老，其會(huì)干擾RPE細(xì)胞的吞噬活性，導(dǎo)致視網(wǎng)膜退化，與年齡相關(guān)性黃斑變性、Stargardt病等發(fā)病率增加有關(guān)[5]。隨著年齡的增長，脂褐素在RPE細(xì)胞內(nèi)緩慢積累，通過誘導(dǎo)溶酶體膜的光氧化改變，增強(qiáng)RPE細(xì)胞對(duì)光輻射的敏感性[6-7]，從而導(dǎo)致溶酶體內(nèi)容物向細(xì)胞漿滲漏，并伴隨凋亡型細(xì)胞變性。脂褐素的主要組成成分之一是N-亞視黃基-N-視黃基-乙醇胺(N-retinyl-N-retinylidene ethanolamine，A2E)[8]，其是一種吸收藍(lán)光的視網(wǎng)膜色素團(tuán)，該化合物專門針對(duì)細(xì)胞色素氧化酶，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。在藍(lán)光照射下，A2E的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，產(chǎn)生超氧陰離子、單線態(tài)氧等物質(zhì)[9]，降低溶酶體酶活性，破壞溶酶體膜，并且損傷RPE細(xì)胞線粒體，降低RPE細(xì)胞活力，誘導(dǎo)凋亡[10]。

1.1.2溶酶體損傷藍(lán)光照射促進(jìn)了轉(zhuǎn)錄因子EB(TFEB)的核轉(zhuǎn)運(yùn)，隨后溶酶體相關(guān)基因表達(dá)增加，以鈣依賴的方式增加溶酶體數(shù)量，導(dǎo)致受損溶酶體的積累，同時(shí)溶酶體吞噬及自噬能力下降，造成脂褐素在細(xì)胞內(nèi)積累，導(dǎo)致RPE細(xì)胞和視網(wǎng)膜感光細(xì)胞功能紊亂，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞死亡[11-13]。另外，在光照條件下，溶酶體內(nèi)產(chǎn)生的A2E可抑制溶酶體膜上ATP酶的活性，使得ATP水解得到能量不足以將細(xì)胞質(zhì)中的H+泵入溶酶體，導(dǎo)致溶酶體內(nèi)pH值升高，抑制水解酶活性，但組織蛋白酶的活性不受影響，溶酶體膜損壞后，組織蛋白酶及鈣離子會(huì)滲漏到細(xì)胞質(zhì)中，導(dǎo)致RPE細(xì)胞死亡機(jī)制激活[14]。另外，ATP酶活性下降后，溶酶體膜通透性增加，溶酶體內(nèi)的活性氧類(reactive oxygen species，ROS)和溶酶體酶釋放到細(xì)胞質(zhì)中，ROS的含量相對(duì)過高可破壞細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)，引起氧化應(yīng)激，促進(jìn)自噬的形成，損傷細(xì)胞[15-16]。

1.1.3線粒體損傷視網(wǎng)膜中含有大量能夠吸收藍(lán)光并誘導(dǎo)光化學(xué)反應(yīng)的線粒體，使其能夠相對(duì)較高程度地接觸藍(lán)光，造成損傷。因此，視網(wǎng)膜過度暴露于藍(lán)光下往往會(huì)導(dǎo)致ROS積累和氧化應(yīng)激，從而影響視網(wǎng)膜線粒體的結(jié)構(gòu)和功能，并觸發(fā)線粒體參與的死亡信號(hào)通路[17]。線粒體是ROS的目標(biāo)細(xì)胞器，短波藍(lán)光可增加細(xì)胞內(nèi)ROS水平，誘導(dǎo)氧化應(yīng)激。過量的ROS通過改變線粒體動(dòng)力學(xué)相關(guān)蛋白的表達(dá)刺激線粒體分裂，同時(shí)線粒體有絲分裂蛋白Drp1的表達(dá)上調(diào)[18]，下調(diào)融合蛋白Mfn2的表達(dá)。高水平的ROS和被氧化的線粒體DNA可誘導(dǎo)NLRP3炎癥小體的激活，從而通過釋放促炎細(xì)胞因子觸發(fā)先天免疫反應(yīng)[19-20]，導(dǎo)致炎癥反應(yīng)。過多的ROS產(chǎn)生會(huì)擾亂Ca2+穩(wěn)態(tài)，導(dǎo)致Ca2+超載。Ca2+水平的升高可引起線粒體電位改變，并誘導(dǎo)ROS進(jìn)一步產(chǎn)生[21]。在該過程中，線粒體膜電位可能發(fā)生大幅度改變，導(dǎo)致膜通透性增加和外膜破裂，凋亡誘導(dǎo)因子1和生物氧化酶類被釋放到細(xì)胞質(zhì)中，引起細(xì)胞凋亡[22-23]。藍(lán)光對(duì)培養(yǎng)細(xì)胞的有害損傷不涉及半胱氨酸蛋白酶的激活，但已知可被Necrostatin-1(一種壞死抑制劑)鈍化，這是一種典型的死亡機(jī)制，稱為壞死[24]。此外，許多線粒體位于視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞中。研究表明，中樞神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)元絕對(duì)依賴于線粒體產(chǎn)生的ATP，藍(lán)光會(huì)影響與線粒體相關(guān)的黃素和細(xì)胞色素成分，從而降低ATP的形成速度，激活A(yù)IF和血紅素加氧酶-1(ho-1)，對(duì)線粒體功能產(chǎn)生負(fù)面影響，這可能導(dǎo)致青光眼、糖尿病的發(fā)展[25]。線粒體功能障礙不僅損害RPE細(xì)胞本身，還會(huì)影響鄰近的感光細(xì)胞，類似的機(jī)制與年齡相關(guān)性黃斑變性有關(guān)[26]。

1.1.4視紫紅質(zhì)介導(dǎo)的光損傷視紫紅質(zhì)作為桿狀細(xì)胞中的一個(gè)發(fā)色團(tuán)，在視網(wǎng)膜的光接收和暗視覺形成過程中起著至關(guān)重要的作用。藍(lán)光對(duì)視紫紅質(zhì)的轉(zhuǎn)化作用[27]會(huì)對(duì)視錐細(xì)胞和視桿細(xì)胞這兩種感光細(xì)胞造成損傷，引起人眼視覺模糊不清。由于視紫紅質(zhì)的存在，藍(lán)光照射下視網(wǎng)膜的光子捕獲能力顯著增強(qiáng)，導(dǎo)致光誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡數(shù)量上升。

1.2晶狀體損傷機(jī)制晶狀體中含有可吸收藍(lán)光的物質(zhì)，在藍(lán)光的作用下會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的衍生物堆積在晶狀體內(nèi)部，使晶狀體變黃變暗，逐漸形成白內(nèi)障。藍(lán)光也可以誘導(dǎo)人晶狀體上皮細(xì)胞的線粒體產(chǎn)生ROS，促炎細(xì)胞因子和趨化因子釋放增加，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡，引起干眼和白內(nèi)障等疾病。有研究者每隔12h光暗循環(huán)用短波藍(lán)色LED燈照射小鼠，檢測(cè)小鼠晶狀體上皮細(xì)胞中Caspase-1、Caspase-11和Gasdermin D(GSDMD)的表達(dá)水平，同時(shí)觀察小鼠患白內(nèi)障的情況。12wk后發(fā)現(xiàn)受藍(lán)光LED照射的大鼠Caspase-1、Caspase-11和GSDMD的表達(dá)水平均顯著升高，且均發(fā)生了白內(nèi)障，晶狀上皮細(xì)胞雙陽性比例顯著增加[28]。有研究認(rèn)為，防止晶狀體上皮細(xì)胞凋亡的治療策略可能會(huì)抑制相關(guān)凋亡因子的表達(dá)，并可能對(duì)治療年齡相關(guān)性白內(nèi)障有益[29]。

1.3淚膜損傷機(jī)制淚膜是上下眼瞼間覆蓋在角、結(jié)膜表面的一層液體，其成分非常復(fù)雜，包括水、電解質(zhì)、黏蛋白及一系列蛋白質(zhì)和脂質(zhì)，對(duì)眼睛具有營養(yǎng)和保護(hù)作用。為探索藍(lán)光對(duì)淚膜的損傷機(jī)制，有研究對(duì)老年雄性小鼠進(jìn)行藍(lán)光照射24h，分別在1、4、7d進(jìn)行淚液分泌測(cè)試、淚膜破裂情況檢測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)高能藍(lán)光的照射會(huì)導(dǎo)致淚膜內(nèi)穩(wěn)態(tài)紊亂，引起以眼表炎癥、損傷和高滲等異常癥狀為主的干眼綜合征[30]。

1.4其他

1.4.1抑制褪黑素分泌褪黑素(melatonin，MLT)在眼睛內(nèi)合成，直接作用于眼部結(jié)構(gòu)，介導(dǎo)眼部各種晝夜節(jié)律和生理過程，影響視力的發(fā)展進(jìn)程。在446～477nm的光譜中，MLT對(duì)藍(lán)光的反應(yīng)最為強(qiáng)烈[31]，藍(lán)光可以刺激MLT的分泌，但如果藍(lán)光過多，不僅可以通過損傷視網(wǎng)膜，還可以通過抑制MLT分泌增加皮質(zhì)類固醇的分泌。皮質(zhì)類固醇分泌增加可降低副交感神經(jīng)興奮性，使淚液分泌減少，從而導(dǎo)致干眼的發(fā)生。此外，藍(lán)光引起的睡眠障礙會(huì)導(dǎo)致閉眼時(shí)間減少，淚液蒸發(fā)增加，同時(shí)可降低雄激素水平，導(dǎo)致瞼板腺腺體功能障礙，從而減少淚腺脂質(zhì)層的分泌，導(dǎo)致干眼的發(fā)生。

1.4.2生長因子視網(wǎng)膜中色素上皮衍生因子(PEDF)和血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)之間的平衡對(duì)于血管的形成更新和維持視網(wǎng)膜血管的通透性有著重要作用[32]。VEGF可促進(jìn)血管內(nèi)皮細(xì)胞增殖，而PEDF能有效抑制這一過程。在接受藍(lán)光照射后，人RPE細(xì)胞中VEGF與PEDF比值升高，PEDF濃度降低，VEGF濃度升高[33]。研究者將RPE細(xì)胞暴露于藍(lán)光下48h后發(fā)現(xiàn)細(xì)胞活性明顯降低，PEDF處理后24、48h細(xì)胞活力顯著提高，細(xì)胞中ROS顯著減少，證明增加PEDF的表達(dá)來平衡VEGF的高表達(dá)使得細(xì)胞活力有所提高[34]。藍(lán)光照射可破壞VEGF和PEDF的平衡，這與青光眼和糖尿病視網(wǎng)膜病變等眼部疾病的發(fā)生有關(guān)[35-37]，同時(shí)也可考慮采用PEDF治療相關(guān)眼部疾病。

2 防護(hù)措施

2.1物理防護(hù)

2.1.1防藍(lán)光眼鏡防藍(lán)光眼鏡采用過濾材料或表面涂層降低短波長藍(lán)光的光譜透過率，是一種能夠預(yù)防藍(lán)光刺激的眼鏡，可減輕使用數(shù)字設(shè)備時(shí)的眼疲勞癥狀，改善睡眠質(zhì)量，并可能保護(hù)視網(wǎng)膜免受光毒害。然而，在使用這些產(chǎn)品時(shí)需要找到能有效減少藍(lán)光危害又不損害日常生活中藍(lán)光對(duì)正常視覺功能的作用之間的平衡點(diǎn)。因此不能盲目相信防藍(lán)光眼鏡的“神功”，要恰當(dāng)?shù)倪x擇和配戴。

2.1.2顯示器優(yōu)化常規(guī)的LED顯示器采用的藍(lán)光波長約445nm，恰好是對(duì)眼部造成最大損傷的范圍。因此，可以通過增大或減小LED燈中的藍(lán)光波長來降低長期面對(duì)電子屏幕對(duì)眼睛帶來的損害。然而，該方法有一定的局限性，還需要綜合平衡其他顯示參數(shù)進(jìn)行防藍(lán)光危害設(shè)計(jì)，可對(duì)色域、色溫等相關(guān)顯示參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)行光譜優(yōu)化設(shè)計(jì)，滿足人們對(duì)光需求的同時(shí)又能減小對(duì)眼睛的危害，如增強(qiáng)紅光減弱藍(lán)光的負(fù)性損傷[38]。

2.1.3藍(lán)光濾過人工晶狀體的應(yīng)用老年人視力下降的主要原因之一是白內(nèi)障，目前效果比較好的治療方法是用人工晶狀體代替原有混濁的晶狀體。白內(nèi)障手術(shù)直接摘除混濁晶狀體后，盡管到達(dá)視網(wǎng)膜的光線增加，但這種方法更有可能提高藍(lán)光對(duì)眼睛造成危害的風(fēng)險(xiǎn)。臨床試驗(yàn)表明，藍(lán)光濾過人工晶狀體可部分濾過高能短波光，對(duì)白內(nèi)障患者的眼底和視網(wǎng)膜具有重要的保護(hù)意義[39]。

2.2化學(xué)防護(hù)

2.2.1抗氧化劑氧化應(yīng)激在藍(lán)光危害中起著重要作用。研究證實(shí)，抗氧化劑，如葉黃素、維生素E、維生素C和越桔可抑制氧化應(yīng)激源的積累。葉黃素可保護(hù)細(xì)胞免受光氧化和光破壞，可作為一種活躍的高能藍(lán)光過濾器為生物提供強(qiáng)大的抗氧化和抗癌作用[40]，并誘導(dǎo)減少對(duì)高能藍(lán)光的吸收，以保護(hù)黃斑和皮膚，這些特性主要?dú)w因于葉黃素獨(dú)特的羥基類胡蘿卜素分子結(jié)構(gòu)和不飽和雙鍵。另外，由于葉黃素在水溶液中的溶解度有限，吸附性差，生物利用度很低，適當(dāng)?shù)妮d體可以提高溶解度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，如與石墨烯納米載體絡(luò)合，可以保護(hù)RPE細(xì)胞，并可能預(yù)防視網(wǎng)膜相關(guān)疾病[41]。過氧化氫酶活性不受光照的影響，缺乏維生素E的視網(wǎng)膜中過氧化氫酶活性增加。維生素E一定程度上降低過氧化氫酶的活性和清除由于藍(lán)光照射產(chǎn)生的ROS[42]，從而抑制藍(lán)光誘導(dǎo)的RPE細(xì)胞衰老，作用效果在一定范圍內(nèi)與維生素E的濃度呈正比。研究表明，給予維生素C能夠在一定程度上防止細(xì)胞氧化損傷，進(jìn)而防止藍(lán)光照射對(duì)RPE細(xì)胞線粒體DNA造成的損傷[43]。含有大量多酚的越桔和越桔提取物主要通過抑制ROS的產(chǎn)生和激活促凋亡蛋白，對(duì)藍(lán)光導(dǎo)致的視網(wǎng)膜感光細(xì)胞損傷有一定的拮抗作用[44]。N-乙酰半胱氨酸作為一種抗氧化劑，能夠抑制ROS的產(chǎn)生，保護(hù)感光細(xì)胞[45]。

2.2.2自由基清除劑由于視網(wǎng)膜細(xì)胞及晶狀體上皮細(xì)胞受藍(lán)光照射后會(huì)產(chǎn)生單線態(tài)氧或超氧化物陰離子等自由基，故可以使用藥物清除自由基從而達(dá)到對(duì)藍(lán)光導(dǎo)致眼部損傷的治療作用。如NSP-116處理可降低光誘導(dǎo)活性氧的產(chǎn)生，并保持線粒體膜電位細(xì)胞活力，從而降低藍(lán)色LED光照射后細(xì)胞的死亡率[46]。蝦青素是一種葉黃素，在海鮮中大量存在，是一種有效的自由基清除劑和抗炎劑。蝦青素可通過激活PI3K/Akt通路誘導(dǎo)Nrf2核易位，提高Ⅱ期抗氧化酶的表達(dá)，以對(duì)抗藍(lán)光LED照射介導(dǎo)的損傷[47]。

2.2.3抗炎藥物及基因治療既往研究表明，藍(lán)光照射可進(jìn)一步增加ROS的產(chǎn)生，ROS積累可上調(diào)趨化因子受體(CCR2和CCR3)的活性，促進(jìn)炎癥因子的釋放，提示炎癥因子可能是治療眼病的一個(gè)靶點(diǎn)。如亞甲基藍(lán)的氧化/還原可作為線粒體電子轉(zhuǎn)移的替代途徑。通過繞過復(fù)合物Ⅰ和復(fù)合物Ⅲ，亞甲基藍(lán)有效地減弱了電子泄漏和隨后的ROS生成。因此，亞甲基藍(lán)具有一定抑制炎癥的作用[48]。藍(lán)光照射后造成視網(wǎng)膜病變可能是因?yàn)樗{(lán)光激活了小膠質(zhì)細(xì)胞中的NLRP3炎癥小體?；谶@點(diǎn)，有研究發(fā)現(xiàn)，敲除位于細(xì)胞表面的CCR2基因可以顯著降低藍(lán)光照射對(duì)小鼠視網(wǎng)膜光感受器細(xì)胞的影響，這也許可以為抗炎藥物的研制提供方向[49]。

3 結(jié)語

近年研究證明，藍(lán)光可損傷RPE細(xì)胞、感光細(xì)胞、晶狀體及其他眼部結(jié)構(gòu)，進(jìn)而導(dǎo)致年齡相關(guān)性黃斑變性、白內(nèi)障及角結(jié)膜組織損傷等眼部疾病的發(fā)生，但損傷程度受藍(lán)光照射時(shí)間長短、強(qiáng)度大小等因素的影響。為了減少藍(lán)光對(duì)于眼睛的損害，現(xiàn)已對(duì)其損傷機(jī)制進(jìn)行了較多研究，證實(shí)脂褐素積累、線粒體損傷、溶酶體損傷和視紫紅質(zhì)介導(dǎo)的損傷等分子事件之間的相互影響與聯(lián)系，為藍(lán)光的防護(hù)和治療提供了方向和方法指導(dǎo)。盡管如此，藍(lán)光照射對(duì)眼底的影響仍處于研究階段，對(duì)于很多疾病形成的具體機(jī)制研究還非常缺乏。在防護(hù)方面，雖然如今藍(lán)光防護(hù)措施越來越多，但主要采取的措施仍然是物理防護(hù)，化學(xué)防護(hù)仍然停留在細(xì)胞和動(dòng)物研究水平，缺乏臨床研究試驗(yàn)結(jié)果。未來，還需要在疾病的病理生理過程的探索方面做出更多努力，為保護(hù)眼睛免受潛在藍(lán)光危害提供更多選擇。