鋅與眼健康相關疾病的研究現(xiàn)狀

劉祖浩，張小麗，唐銅，王瑩瑩，陳智仙

1.酵母功能湖北省重點實驗室（宜昌 443000）；2.宜昌市營養(yǎng)健康食品工程技術研究中心（宜昌 443000）

人體內(nèi)眾多微量元素中，鋅的含量僅次于鐵，是各項生命活動所必需的營養(yǎng)物質(zhì)。成人體內(nèi)鋅的含量約為2～2.5 g，主要分布于各種組織和器官，如肌肉、骨骼和毛發(fā)等。鋅在300余種金屬蛋白酶中發(fā)揮催化作用，是超過2 000種轉(zhuǎn)錄因子的組成成分，參與多種免疫反應、氧化應激、細胞凋亡和衰老等生理活動[1]。鋅的平衡由金屬硫蛋白（MT）和Zrt/Irt-like蛋白（ZIP）及鋅轉(zhuǎn)運器家族蛋白（ZnT）協(xié)調(diào)控制，這些蛋白參與了鋅的吸收、排泄、細胞內(nèi)儲存及轉(zhuǎn)運等生理活動[2]。大量研究表明疾病的發(fā)生發(fā)展往往伴隨著鋅的平衡異常[3]，作為鋅含量較高的器官，眼部鋅濃度隨著年齡的增長而下降[4]，與年齡相關的常見疾病如黃斑病變、白內(nèi)障以及視網(wǎng)膜微血管病變等與鋅有著較為密切的聯(lián)系，補充鋅可能有利于預防和治療這些疾病。

1 年齡相關性黃斑變性

年齡相關性黃斑變性（AMD）是一種隨年齡增長逐漸導致不可逆轉(zhuǎn)性視力喪失的視網(wǎng)膜疾病，65歲以上人群中患病率約11%，占全球失明患者的8.7%。AMD的發(fā)展進程可大致分為早期和晚期，早期階段可能與Bruch’s膜和視網(wǎng)膜色素上皮（RPE）之間的病理沉積物（玻璃膜疣）有關，而晚期階段可以從表型上進一步分為干性（萎縮型）和濕性（滲出型）。干性AMD始于RPE細胞功能障礙相關的色素斑形成，可發(fā)展為RPE和光感受器毛細血管退化的地域性萎縮。濕性AMD中脈絡膜下新生血管的形成可導致Bruch’s膜破裂，會造成急性且嚴重的視力喪失[4]。

1.1 鋅降低晚期AMD進展風險及其機制

AMD的發(fā)生風險受到年齡、遺傳和環(huán)境等多種因素影響，營養(yǎng)物質(zhì)的攝入在AMD發(fā)生和發(fā)展中同樣具有重要作用，年齡相關性眼病研究（AREDS）中強化類胡蘿卜素、抗氧化劑及鋅的補充策略目前已成為美國臨床首選的AMD治療方案。有研究報道神經(jīng)性視網(wǎng)膜、視網(wǎng)膜色素上皮和脈絡膜復合物中含有較高濃度的鋅，與普通受試者相比，AMD患者視網(wǎng)膜和脈絡膜內(nèi)的鋅水平降低了24%，可見維持該組織中的鋅穩(wěn)態(tài)對其發(fā)揮正常功能非常重要[5]。AREDS報告及相關研究也指出，通過提高鋅與抗氧化劑（維生素C，維生素E和β-胡蘿卜素）的補充，可將AMD由早期進展到晚期的風險顯著降低。此外，研究發(fā)現(xiàn)眼組織中鋅濃度的升高可以恢復絨毛膜片開窗，從而改善視網(wǎng)膜中營養(yǎng)物質(zhì)的流動和廢物的清除，以減緩AMD的進展[6]。一項涉及3 640例病患的研究顯示，鋅與抗氧化劑的組合在統(tǒng)計學意義上降低了AMD向晚期進展的概率，是AMD患者晚期階段最有效的治療組合物[7]。但也有研究認為鋅與抗氧化劑聯(lián)合使用能夠預防晚期AMD的進展，卻對早期AMD沒有明顯的作用，單獨補充鋅對早期AMD的作用效果也因其表型而異[8]。另一項以澳大利亞547例新生血管性AMD（nAMD）患者為對象的實驗研究表明，在治療過程中膳食鋅攝入量的減少，會提高視網(wǎng)膜下液（SRF）出現(xiàn)的可能性，且與nAMD患者平均視網(wǎng)膜厚度的增加有關，該研究還觀察到膳食鋅的閾值效應，即攝入量高于8.1 mg/d的閾值，則不會導致SRF的形成，有助于降低nAMD的發(fā)生風險[9]。

先天免疫系統(tǒng)的補體成分與AMD的發(fā)病機制有關，而鋅被報道可與補體系統(tǒng)的補體因子等多種蛋白結(jié)合，影響補體的活性，進而在調(diào)節(jié)炎癥方面發(fā)揮作用[10]。炎癥信號的傳導可誘導視網(wǎng)膜細胞屏障功能障礙，導致AMD的形成與發(fā)展，有研究指出鋅轉(zhuǎn)運蛋白ZIP 7將鋅從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)轉(zhuǎn)運至細胞質(zhì)，提高細胞質(zhì)鋅水平在驅(qū)動屏障功能中發(fā)揮著非常重要的作用[11]。因此，鋅通過影響補體介導的炎癥反應，影響視網(wǎng)膜細胞炎癥信號傳導可能是延緩AMD病程的主要途徑之一，但此種作用的確切機制還有待明確。細胞外鋅水平升高對RPE細胞的分化和功能具有顯著的影響，其中類視黃醇異構(gòu)水解酶基因的表達、細胞色素沉著、前糖體蛋白免疫反應性以及載脂蛋白E、補體因子H（CFH）和高溫絲氨酸肽酶等蛋白質(zhì)的分泌顯著增高，對視網(wǎng)膜光感受器和脈絡膜微血管的相互作用產(chǎn)生了積極的影響[12]。此外，內(nèi)皮細胞遷移到Bruch’s膜和巨噬細胞與血管內(nèi)皮細胞的結(jié)合是AMD發(fā)病機制中與血管生成和炎癥過程相關的兩個重要機制。Zeng等[13]通過劃痕測定評估血管內(nèi)皮細胞遷移情況，并測定巨噬細胞與血管內(nèi)皮細胞的結(jié)合水平，結(jié)果表明復合維生素和鋅可直接抑制這些潛在的致病行為，且補充鋅能夠減弱內(nèi)皮細胞的活化，延緩AMD的進展。

1.2 遺傳因素對鋅治療AMD的爭議

遺傳因素對AMD的影響已得到證實，多個不同的遺傳易感基因位點也已被確認，但對于基因分型是否應該成為抗氧化劑和鋅治療AMD患者的預測標準，存在相當大的爭議。Awh等[14]的研究指出，抗氧化劑和鋅補充劑的效果可能因基因型而異，具有高CFH和低老年黃斑病易感性2（ARMS2）風險等位基因的受試者，如果用鋅（單獨或作為AREDS配方的一個組成部分）治療，AMD向晚期進展的風險增加，而那些具有低CFH和高ARMS2風險等位基因的受試者，AMD向晚期進展的風險則降低。Vavvas等[15]也表明，與安慰劑組相比，具有高CFH和無ARMS2風險等位基因的個體在接受AREDS制劑治療時，nAMD進展的風險增加。Lee等[16]指出CFH蛋白是替代補體級聯(lián)的主要調(diào)節(jié)因子，而鋅已被發(fā)現(xiàn)與免疫和炎癥過程有關，高CFH變體可能會導致更高水平且無節(jié)制的補體激活，導致更嚴重的炎癥情況。因此，同劑量的鋅在高CFH的患者中保護作用可能會降低。而Chew等[17]通過重復Awh等[14]的研究，并沒有發(fā)現(xiàn)基因型和治療效果之間的任何預測關系，兩者相互作用的研究結(jié)果無顯著相關性，鋅與抗氧化補充劑降低了所有基因型組的AMD進展率，基因型不應該被用來決定治療措施。為確定基因型是否能夠預測AMD患者對補充劑的反應，Assel等[18]通過3個獨立的統(tǒng)計小組重新分析來自AREDS試驗的數(shù)據(jù)，并分別使用不同的方法進行驗證，均得出基因分型無任何意義的結(jié)論，分析還指出所有關于基因分型的說法都是基于一項研究的回顧性分析，缺少對更多數(shù)據(jù)的分析驗證。目前關于基因分型是否影響鋅對AMD的治療效果尚無定論，但隨著相關試驗數(shù)據(jù)的收集，藥物遺傳關系將逐漸明晰[18-19]。

1.3 鋅在AMD疾病標志物方面的應用

血漿中的硫醇代謝物，如谷胱甘肽（GSH）和半胱氨酸（Cys），會隨著年齡的增長、氧化應激及與年齡有關的疾病而加劇氧化。有研究[20]分析了長期補鋅對血漿硫醇代謝物及其氧化還原狀態(tài)的影響，在補鋅組中，Cys的主要成分血漿胱氨酸（CySS）濃度明顯下降，其組織運輸和利用增加可能有助于減緩AMD的進展。而鋅調(diào)節(jié)血漿中硫醇代謝物的變化則有望被作為一種外周標志物來監(jiān)測AMD患者的治療效果。還有研究報道了一種基于熒光素的新型鋅探針（ZPP1），在人類組織中與黃斑相關的鋅的靈敏度大大提高，ZPP1對鋅的高敏感性使其在大規(guī)模人類供體樣本的研究中發(fā)揮了重要作用，特別是當與樣本的基因型和環(huán)境風險暴露信息相結(jié)合時，這一發(fā)現(xiàn)將能夠促進鋅含量與黃斑的類型、位置和大小、AMD風險因素以及AMD疾病階段和形式之間相關性的研究，有助于明確鋅、黃斑形成和AMD風險因素之間的關系。此外，ZPP1或其類似物也可被開發(fā)成體內(nèi)檢測視網(wǎng)膜上皮沉積物中鋅的探針，能夠確定鋅在黃斑形成中的作用[21]。

2 糖尿病視網(wǎng)膜病變

糖尿病視網(wǎng)膜病變（DR）是一種常見的微血管疾病，被認為是世界上可預防性失明的主要原因。在宏觀層面上，肥胖和久坐的生活方式是導致2型糖尿?。═2DM）的主要原因，但在分子層面上，氧化應激是導致細胞和血管損傷致病過程的重要因素[22]。高血糖水平通過細胞內(nèi)的多元醇途徑誘發(fā)視網(wǎng)膜微血管的特殊變化，從而增加組織內(nèi)氧化應激反應[23]。

2.1 鋅降低DR患者的氧化損傷

超氧化物歧化酶（SOD）是生物體內(nèi)主要的抗氧化金屬酶，在清除活性氧（ROS）方面起著重要作用。根據(jù)金屬輔基的不同，SOD可大致分為3類，即Cu/Zn-SOD、Mn-SOD及Fe-SOD，其中Cu/Zn-SOD含有銅和鋅元素，定位于細胞內(nèi)的細胞質(zhì)區(qū)。人體有相關的控制系統(tǒng)來調(diào)節(jié)血液和儲存細胞中循環(huán)的關鍵微量金屬元素，視網(wǎng)膜作為新陳代謝極為活躍的組織，容易受到微量元素濃度變化的影響，鋅元素不足且銅元素水平過高時，會增加氧化應激水平，加重糖尿病引起的微血管病變，補充鋅和選擇銅螯合劑則有助于減輕氧化損傷，并防止DR的發(fā)展[24]。有研究表明與非糖尿病患者相比，糖尿病患者的鋅水平較低，且晶狀體的組織學發(fā)生了明顯變化，這意味著鋅的缺乏可能導致Cu/Zn-SOD功能缺陷，從而造成糖尿病患者嚴重的氧化損傷[25]。一些研究顯示，補充鋅可以糾正糖尿病患者的鋅缺乏，提高抗氧化酶的活性，減少脂質(zhì)過氧化反應，降低糖尿病患者的氧化損傷[24]。在作用機制方面，鋅被報道主要通過保護蛋白質(zhì)巰基免受自由基攻擊，以及利用過渡金屬的拮抗作用，減少自由基的形成兩個機制保護組織免受氧化應激。高血糖癥會促進晚期糖基化終末產(chǎn)物的產(chǎn)生，它通過激活煙酰胺腺嘌呤二核苷磷酸氧化酶（NAPDH）刺激視網(wǎng)膜周細胞產(chǎn)生ROS，導致視網(wǎng)膜周細胞凋亡。有研究指出糖尿病大鼠使用抗氧化物可預防視網(wǎng)膜周細胞的凋亡，表明氧化應激在視網(wǎng)膜周細胞凋亡中的重要作用，而鋅離子本身可以預防和保護細胞不受氧化應激反應的損傷，抑制NAPDH活性[26]。此外，鋅可以通過穩(wěn)定膜結(jié)構(gòu)或誘導MT合成來保護大鼠視網(wǎng)膜免受糖尿病引起的脂質(zhì)過氧化增加及谷胱甘肽水平下降，在DR的發(fā)生發(fā)展過程中起到重要的防護作用[27]。

2.2 鋅抑制新生血管的形成

在臨床上，DR可被分為非增殖性（NPDR）和增殖性（PDR），NPDR的特點是出現(xiàn)微動脈瘤和點狀出血，嚴重的NPDR 會有棉絮狀斑點、靜脈串珠以及視網(wǎng)膜內(nèi)微血管并發(fā)癥。PDR則發(fā)生于視網(wǎng)膜新生血管，臨床上常表現(xiàn)為視網(wǎng)膜和玻璃體出血以及視網(wǎng)膜脫落，最終導致失明。有研究結(jié)果顯示[28]，相比于對照組，PDR組的血清鋅和維生素A水平顯著降低，且血清鋅和維生素A水平與DR的嚴重程度之間呈現(xiàn)明顯的負相關性，血清鋅和維生素A水平的增加分別使DR的風險降低了25.7%和31.1%。糖尿病患者體內(nèi)缺血缺氧的環(huán)境導致氧化應激增加，氧化自由基不斷增多，氧化產(chǎn)物堆積損傷視網(wǎng)膜組織，進而造成微血管病變與血管閉塞，促血管生成因子和抑制因子失衡，致使新生血管的形成。糖尿病患者高糖環(huán)境下視網(wǎng)膜Müller細胞血管生成因子（VEGF）的分泌增加，在DR發(fā)生發(fā)展中起著至關重要的作用。有研究表明體外培育的正常Müller細胞在高糖條件誘導下VEGF的表達隨時間延長而不斷增加，但在高糖條件誘導下，加鋅同時作用能夠顯著抑制VEGF的表達，抑制新生血管的形成[29]。

3 白內(nèi)障

白內(nèi)障是衰老過程中最常見的眼病之一，通常在45歲以上的人群中開始發(fā)展，75歲以上的人群中約有75%患有白內(nèi)障，是世界各地視力不良和失明的主要原因。正常眼的晶狀體呈半透明狀且有彈性，若晶狀體纖維受損或蛋白聚集，則會變得不透明，進入晶狀體的光線會發(fā)生擴散或被阻擋，嚴重影響患者的視覺功能[30]，此種晶狀體混濁的病癥稱為白內(nèi)障。目前已經(jīng)確定了諸多白內(nèi)障的致病因素，其中年齡是最主要的危險因素，隨著年齡的增長，晶狀體的水含量減少，可溶性蛋白溶解率降低，鈣的濃度增加，最終導致了晶狀體的不透明現(xiàn)象。

3.1 補充鋅可預防白內(nèi)障

白內(nèi)障的形成有多種機制，如滲透性分級、蛋白質(zhì)聚集、氧化損傷等，臨床上年齡相關性白內(nèi)障和糖尿病性白內(nèi)障最為常見[31]。年齡相關性白內(nèi)障表現(xiàn)為晶狀體核的褐色化或褐變，伴隨著蛋白質(zhì)巰基的喪失，蛋白質(zhì)-硫醇混合二硫化物的增加，以及水不溶性成分的增多，最終形成蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)二硫化物以及其他導致蛋白質(zhì)聚集和光散射的交聯(lián)現(xiàn)象。研究普遍認為氧化應激是年齡相關性白內(nèi)障的主要因素，采用葡萄籽提取物和鋅等抗氧化劑的組合可防止Wistar大鼠幼崽亞硒酸鹽誘發(fā)的年齡相關性白內(nèi)障的發(fā)生和發(fā)展，有望作為潛在的功能性營養(yǎng)補充劑用于預防人類年齡相關性白內(nèi)障[32]。補充包括鋅和維生素A在內(nèi)的維生素和礦物質(zhì)組合物的干預性研究顯示，白內(nèi)障發(fā)病率出現(xiàn)顯著降低，且充足的鋅濃度在維持晶狀體蛋白的結(jié)構(gòu)完整性方面發(fā)揮著重要作用。晶狀體蛋白因氧化損傷而改變是白內(nèi)障形成的原因之一，鋅可通過維持抗氧化酶活性，減輕晶狀體組織的氧化損傷[33]。

在糖尿病患者體內(nèi)，葡萄糖的過度利用通常發(fā)生在晶狀體和視網(wǎng)膜上，白內(nèi)障和視網(wǎng)膜病變是最主要的糖尿病眼部組織并發(fā)癥，通過糖尿病的長期病理癥狀觀察到晶狀體的不透明現(xiàn)象和視網(wǎng)膜新生血管的形成，多元醇途徑活動的增加導致山梨醇和果糖在晶狀體內(nèi)積累，促使細胞內(nèi)的氧化和滲透壓力增加，最終導致糖尿病引起的白內(nèi)障。補充鋅可以緩解糖尿病引起的白內(nèi)障的發(fā)展和成熟，有效防止晶狀體中可溶性蛋白質(zhì)總量的減少及比例失衡，還能緩解交聯(lián)糖化和糖化產(chǎn)物受體的表達，降低晶狀體中的氧化應激指標。研究顯示補鋅可誘導糖尿病大鼠晶狀體中熱休克蛋白（主要為Hsp70）及晶體蛋白的表達，晶體蛋白主要分為α、β、γ-晶體蛋白，是哺乳動物晶狀體的主要結(jié)構(gòu)成分。其中，α-晶體蛋白在受熱或其他壓力條件下變性時，可避免蛋白質(zhì)間的聚集，鋅與α-晶體蛋白發(fā)生特異性相互作用的解離常數(shù)較低，該相互作用能夠穩(wěn)定α-晶體蛋白的結(jié)構(gòu)并增強其蛋白質(zhì)防聚集功能，在保持晶狀體的透明性和預防糖尿病白內(nèi)障的發(fā)生方面起著關鍵作用[34-35]。

3.2 白內(nèi)障中Cu/Zn-SOD的重要作用

在早期多項研究中，自由基生成的增加和抗氧化活性的降低被認為在老年性白內(nèi)障形成中起著重要作用。血清中的硫代巴比妥酸反應物（TBARS）是衡量系統(tǒng)性氧化損傷的指標，而老年性白內(nèi)障患者的血清TBARS水平出現(xiàn)明顯升高，證實了其體內(nèi)脂質(zhì)氧化狀態(tài)的失衡。此外，白內(nèi)障患者的血漿SOD活性水平明顯降低，其抗氧化能力下降導致了氧化平衡向氧化應激的轉(zhuǎn)移。在白內(nèi)障患者中，由于處于氧化應激環(huán)境下，SOD被顯著消耗，而鋅作為SOD的重要金屬元素，血漿中鋅濃度的降低表明鋅也被逐漸消耗。該研究結(jié)果顯示，在消除血清鋅的影響后，血漿SOD與血清TBARS表現(xiàn)出顯著的負相關，表明血漿SOD的活性在白內(nèi)障發(fā)展中至關重要[36]。與其他組織相比，晶狀體中的SOD活性相對較低，其活性水平隨年齡增長而下降，不同的SOD異構(gòu)體也表現(xiàn)出不同的活性水平。許多編碼抗氧劑酶的基因變異會影響酶的活性，導致ROS水平升高，增加患病的風險。迄今為止，關于白內(nèi)障的眾多SOD基因研究中發(fā)現(xiàn)的唯一基因多態(tài)性，是Cu/Zn-SOD中的多態(tài)性（rs2070424），該多態(tài)性已被證明與中國人群中皮質(zhì)性和混合性白內(nèi)障的發(fā)生風險有關[37]。晶狀體中主要的抗氧化酶是Cu/Zn-SOD，占晶狀體內(nèi)SOD總活性的90%，有研究表明，白內(nèi)障患者晶狀體中Cu/Zn-SOD的表達水平出現(xiàn)明顯下降，且其活性水平與銅、鋅水平之間存在著緊密的正相關性[38]。在免受已知白內(nèi)障發(fā)展的環(huán)境風險因素影響下，小鼠體內(nèi)Cu/Zn-SOD的缺乏可增加晶狀體混濁形成，細胞內(nèi)超氧化物產(chǎn)生的氧化應激可能會在晶狀體老化過程中造成損害[39]。該研究還發(fā)現(xiàn)野生型小鼠晶狀體發(fā)育的延遲可能是由于SOD的年齡依賴性失活造成的。

4 結(jié)語與展望

隨著生活水平的提高及對飲食營養(yǎng)結(jié)構(gòu)的重視，人們對自身健康的保護意識不斷增強。人口老齡化加劇伴隨著眼病發(fā)病率的提高，預防和控制中老年人的眼部疾病以及全身疾病引起的眼部并發(fā)癥，將顯著提升中老年人的生活質(zhì)量。鋅作為眼組織中重要的微量元素，在維持中老年人群眼健康方面發(fā)揮著不可或缺的作用。目前鋅攝入不足是全世界范圍內(nèi)較為普遍的現(xiàn)象，安全有效的補鋅方式顯得尤為重要。在生物生長發(fā)育期間富集微量元素以提高其營養(yǎng)價值的方法獲得的富鋅食品，可將鋅由無機鋅轉(zhuǎn)化為人體易于吸收的有機鋅或生物鋅，具有穩(wěn)定安全、價格低廉、鋅營養(yǎng)價值高、易于吸收利用的優(yōu)勢，主要包括酵母、茶葉和谷物等。增加富鋅食品在中老年人群膳食結(jié)構(gòu)中的占比，能夠合理預防眼部疾病的發(fā)生，但鋅對眼部疾病的完整作用機制仍需不斷探索，為其作為營養(yǎng)補充劑防治眼健康相關疾病提供更具科學性的指導。