白内障与氧化损伤

　　作者：吴箐漪,栾洁　　作者单位：东南大学医学院,江苏 南京

　　【摘要】氧化损伤是氧化物质与抗氧化物质不平衡所致。白内障是世界首位致盲因素,晶状体混浊是氧化损伤的直接结果。作者针对自由基氧化损伤引起白内障的机制、抗氧化补充剂及药物在白内障预防和治疗中的作用等相关研究进行了综述。

　　【关键词】 白内障; 氧化损伤; 抗氧化药物; 综述

　　白内障是世界上首位致盲因素,同时也是我国第一位的致盲眼病[1-2]。我国双眼视力<0.3的白内障患者约有500万人,并且以每年40～120万例白内障患者的数目累计增加。因此探讨白内障的发病机制,并根据其开发出有效的抗白内障药物具有重要的意义。

　　白内障的发病机制较为复杂,是机体内外多种因素对晶状体长期综合作用的结果。其发病与多种因素有关,包括紫外线照射、年龄、性别、辐射、外伤、手术、屈光状态、全身代谢性疾病、药物、过量饮酒及吸烟[3-9]等。一般认为,自由基损伤是各种致白内障因素作用的共同途径,由自由基引起的晶状体氧化损伤及生化改变是对晶状体产生损伤的主要机制。

　　1 自由基的产生

　　晶状体内的自由基主要有O-2、H2O2、OH-,正常的生理状况下,线粒体内参加电子传递链的氧气中0.1%～5%会转变为过氧化物,参与机体防御、解毒和一些重要生命物质的合成;自由基也可以从线粒体电子传递链以外的途径中产生,包括细胞色素P450、NAD(P)H氧化酶以及一氧化氮合酶[10]。在维持细胞正常功能的过程中所有细胞都在不停地制造自由基。正常人的晶状体及房水中均存在一定数量的自由基,同时有一定量的抗氧化物质保护其免受氧化损伤,生理状态下二者处于动态平衡。在外界各种诱发因素如紫外线照射、外伤、手术、药物、过量饮酒、吸烟及自身代谢状态改变的情况下,晶状体内氧化物质和自由基产生过多或清除能力下降时,将造成氧化损伤,包括对DNA、脂质、蛋白、碳水化合物的损伤,对细胞自我调节的破坏等,从而导致晶状体混浊。

　　具有氧化还原活性的金属离子铜和铁是与年龄相关性白内障最相关的金属离子。它们通过与过氧化氢作用形成羟基自由基,此反应被称为Fenton反应。1992年该反应首次在动物模型的晶状体细胞中被证实[11]。1998年发现了第1个羟基自由基在年龄相关性白内障中作用的直接证据[12],在人类白内障晶状体蛋白中发现了5种不同氨基酸残基的羟基化反应,并且该反应强度与白内障严重程度成正比。继这一发现,在白内障患者的晶状体中发现了可被氧化还原的铜离子和铁离子[13],并且在晚期的年龄相关性白内障中具有氧化还原活性的离子增加[14]。

　　2 晶状体的氧化损伤机制

　　对于整个晶状体来说,晶状体核部位的还原型谷胱甘肽(GSH)减少是先于白内障形成的一个重要特征[15]。还原型谷胱甘肽是晶状体中极为重要及首要的抗氧化物质。自由基使还原型谷胱甘肽被氧化成氧化型谷胱甘肽，造成还原型谷胱甘肽的减少，从而削弱了晶状体抗氧化损伤的屏障功能,这种减少几乎可以在所有的实验性白内障中见到[16]。

　　2.1 蛋白质

　　晶状体中的多种蛋白质包括各种结构蛋白、离子通道、酶类、糖蛋白、脂蛋白等均由氨基酸连接而成,具有一定空间结构和功能的多肽链也是自由基进攻的主要靶分子。自由基进攻蛋白质的靶点主要是蛋白质分子上的还原型巯基。巯基在维持蛋白质的三级结构上起着很重要的作用,同时它还是许多重要酶活性基团中不可缺少的组成部分。在成熟期的白内障中超过90%的蛋白质巯基团被氧化,蛋白质巯基团的减少与Pirie白内障分级呈现出良好的相关性[16]。如果还原型巯基被氧化为氧化型,形成蛋白内部或者蛋白与蛋白之间的二硫键,导致蛋白质变性聚集,其最终结果是蛋白质结构功能的改变,使正常的细胞生命活动受到影响,进而导致晶状体病变直至白内障形成。氧化损伤使蛋白质变性聚集最终导致晶状体蛋白的不溶解。尿素和一种还原剂二硫苏糖醇可以使这些不溶解的蛋白质溶解,它们在早期白内障可被检测到;而一些蛋白质在这些物质作用下仍不能被溶解,这就造成了成熟期白内障黄色或棕黄色混浊[17]。硫族的氧化及反应性羰基化合物与蛋白质氨基酸的结合造成蛋白质交联,在大约一半的成熟期白内障内可见到蛋白质被氧化形成蛋白质交联复合物[16]。

　　2.2 脂质过氧化

　　人类晶状体囊膜的组成很特别,包括高胆固醇、缩醛磷脂及二氢鞘磷脂,二氢鞘磷脂目前只在人类晶状体中发现[18]。实验表明白内障患者体内脂质过氧化产物丙二醛(malondialdehyde, MDA)及硫代巴比妥酸反应物质(thiobarbituric acid reactive substances,TBARS)明显增多[19]。晶状体膜大量脂质过氧化物的堆积,损害晶状体的屏障功能,降低其膜上的相关酶的活性,造成晶状体蛋白的减少;同时膜脂质的过氧化作用,可导致膜的流动性发生改变,使通透性升高,细胞内外离子分布异常。如OH–可使晶状体囊膜上皮细胞的Na+K+ATP酶及Ca2+ATP酶失活,造成细胞内外Ca2+及Na+、K+浓度紊乱,而Ca2+通过激活钙蛋白酶同时参与调节晶状体纤维细胞通道蛋白APQ0及其它通道蛋白通透性起作用[20-21],最终使晶状体光学性质及晶状体内环境发生改变;脂质过氧化物还可以通过阻止谷胱甘肽的氧化还原作用,使晶状体失去保持还原型谷胱甘肽的能力，使晶状体蛋白的正常三维结构完全丧失,致白内障形成;同时丙二醛还可以作为蛋白的交联剂,使膜蛋白质变性,最终引起晶状体混浊[22-23]。

　　2.3 DNA

　　DNA对于细胞有氧代谢和外源性化合物产生的自由基极其敏感,在DNA的氧化损伤中,羟自由基(OH-)被认为是引起DNA氧化损伤的主要因素之一。羟自由基引起的DNA氧化损伤,可导致DNA结构和功能的变化,进而使DNA中遗传信息的稳定性受到不同程度的破坏,导致基因突变,如G∶C-T∶A颠换,具有致癌致突变的潜在危险[24]。研究表明[25]，氧化损伤是白内障发生的早期事件之一,晶状体上皮细胞DNA是氧化损伤最敏感的靶子。自由基可通过多种途径使DNA的碱基和脱氧核糖发生化学变化,引起碱基变化、降解,脱氧核糖分解,磷酸二酯键断裂以及DNA核苷酸链的单链和双链断裂,氧化应激反应导致核固缩、碎裂和DNA降解,从而导致白内障[26-27]。

　　3 糖尿病性白内障与氧化损伤

　　大规模人群研究Beaver Dam Eye Study,Blue Mountains Eye Study以及Visual Impairment Project的横断面及前瞻性数据证明了糖尿病与后囊性白内障及皮质性白内障的发生之间存在相关性[28-31]。Blue Mountains Eye Study还指出空腹血糖受损而没有表现出临床糖尿病同样也是皮质性白内障发病的危险因素[31]。糖尿病增加了自由基氧化损伤[32]。与健康对照组比较,糖尿病患者晶状体内脂质过氧化指标硫代巴比妥酸(TBARS)明显增高,抗氧化酶超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、谷胱甘肽过氧化酶(GSHpx)及抗氧化剂系统GSH、维生素A、维生素C、维生素E都明显减少[32]。血糖上升可增加晶状体中的自由基。实验研究发现[33],H2O2在糖尿病白内障患者房水和晶状体内升高,干扰细胞结构蛋白质和高活性酶的DNA功能,致晶状体皮质混浊;它在RNA及蛋白质水平影响选择性基因的特异性表达[34]。此外,糖尿病多元醇通路亦与氧化应激有关[35],多元醇通路的醛糖还原酶使葡萄糖还原为山梨醇,消耗了还原型辅酶Ⅱ,致GSH下降、脂质过氧化物(lipid peroxidation LPO)及MDA水平升高;同时该通路中山梨醇脱氢酶促山梨醇转化为果糖时也产生了氧化应激,导致葡萄糖大量汇集此通路。说明氧化损伤与晶状体抗氧化防御系统的紊乱在糖尿病性白内障发生和进展中起着重要作用。

　　4 抗氧化剂与白内障

　　4.1 氧气

　　Eaton[36]提出如同在罐头食物被密封起来以隔离氧气,并且使用抗坏血酸去除剩余氧以达到保鲜食物的目的,晶状体中低氧状态在维持晶状体的光学特性中起着重要的作用。在动物模型中,高压氧可引起还原型谷胱甘肽的减少,蛋白质及蛋白巯基的聚集不溶解,最终导致与年龄相关性白内障特征类似的白内障[37]。氧气在晶状体内的确存在,并且在晶状体由外围向中心的部位氧气的浓度呈现由低到高的梯度排布。晶状体中90%的氧气消耗是在线粒体完成的,Brownlee等提出使线粒体内过氧化物产物正常化可以阻断高血糖所致损伤的3条途径：血糖介导的蛋白激酶的激活、血糖介导的糖基化终产物的增加、通过醛糖还原酶途径的血糖流动增加[38]。因此，可以降低线粒体中过氧化物浓度的物质可能对白内障有预防作用。

　　4.2 抗氧化补充剂

　　许多流行病学的证据指出抗氧化补充剂的使用与降低白内障发生的风险有关,与对照组相比,摄入较大剂量的叶黄素和玉米黄素补充剂的对象,其核心性白内障的患病率均降低[39];在另外3个前瞻性队列研究中[40-42],与对照组相比,摄入最大剂量类胡萝卜素和维生素A的对象需要接受白内障摘除手术[41-42]或发展核心性白内障的风险降低了20%～50%。但是并没有足够证据证明，在健康的饮食之外补充大剂量的抗氧化剂可以延缓白内障的发展进程。事实上,一些抗氧化剂的补充并不能增加晶状体中该抗氧化物质的量,白内障晶状体内及血浆或红细胞中的维生素E的量并没有关系[43]。另外,尽管还没有关于人类的研究报告,日本一项研究表明,β胡萝卜素及玉米黄素补充剂在日本鹌鹑体内并不能增加晶状体内的β胡萝卜素含量,但能增加玉米黄素含量[44]。

　　房水中的抗氧化剂维生素C在白内障预防中有更为积极的作用。人类血浆和晶状体中维生素C含量是线性相关的,同样维生素C的摄入量和晶状体中的含量亦如此[45];每日食物摄取的维生素C在人晶状体内并没有饱和值,而在血浆内,当摄入量>250 mg·d-1,则达到饱和值。Gritz等[46]对798个对象进行了为期5年的关于抗氧化剂补充剂对白内障进展的作用研究结果表明,与基线相比,服用抗氧化剂人群的白内障进展与安慰剂对照组并无统计学差异,含有胡萝卜素,维生素C和E的抗氧化剂补充剂用于日常饮食缺乏抗氧化剂的白内障高发人群并不能影响白内障的进程。

　　4.3 阿司匹林

　　阿司匹林也具有抗白内障的作用[47-48]。通过动物实验研究阿司匹林的作用机理,认为阿司匹林抗白内障机制有4种：(1) 抑制非酶性蛋白质糖基化,即阿司匹林与晶状体蛋白中赖氨酸残基结合,阻止葡萄糖与赖氨酸的非酶性糖基化反应,并可防止晶状体蛋白聚合物形成;(2) 抑制晶状体蛋白的氨基甲酰化,阿司匹林的乙酰基与晶状体蛋白的氨基酸基团结合,阻断了氨基酸残基甲酰化反应,使蛋白分子表面的正常电荷配布免遭破坏,从而维持了晶状体蛋白的正常结构;(3) 抑制脂质过氧化,阿司匹林的乙酰基可优先夺取晶状体蛋白的活性氨基位点,避免了脂质过氧化给晶状体带来的损害;(4) 阿司匹林通过抑制膜上的环氧化酶使晶状体细胞膜上的钙通道失活,从而防止晶状体蛋白多肽链的聚合反应。

　　4.4 N乙酰肌肽

　　近期有一种前体药物抗氧化剂被证明在白内障的治疗中很有前景,N乙酰肌肽(Nacetylcarnosine,NAC)是在肉类中发现的二肽抗氧化物质左旋肌肽(Lcarnosine)的乙酰衍生物,与左旋肌肽相比,它对肌肽酶裂解作用有更强的抵御力,同时由于它的疏水性,它能够通过角膜,并能在房水内更长地维持活性浓度。N乙酰肌肽和左旋肌肽能减少脂质过氧化和体内氧化应激作用下晶状体的氧化损伤[49]。有研究[50]指出与基线比较,使用NAC 6个月后,41.5%患者晶状体透光度得到明显改善,90.0%的患者有7%～100%的视力改善,88.9%的患者在眩光敏感度上有27%～100%的改善;同时晶状体后囊下和晶状体核部位的晶状体密度的变化与视力的改善相一致;而为期24个月的试验证实NAC的对白内障的改善是可持续的。该治疗同时改善了未患白内障对象的视力，并且这一抗氧化药物没有眼部或系统副作用[51]。

　　综上,氧化损伤在白内障的发生发展中起着重要的作用。除了增加内源性的抗氧化物质,如维生素C、类胡萝卜素等,新的研究表明一些新的抗氧化剂被证实可能对于白内障的预防和治疗有着更好的作用。

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