氧化应激在高度近视发病机制中的作用研究进展△

訾迎新 金明

近视是在遗传和环境等复杂因素的作用下形成的[1]。根据最新的近视与高度近视(high myopia,HM)流行病学调查结果[2]，世界范围内，近视、HM的人数分别达14.06亿、1.63亿(分别占总人口的22.9%和2.7%)，到2050年，预计近视、HM的人数将分别达47.58亿和9.38亿(分别占总人口的49.8%和9.8%)；我国HM人数达8700万，占总人口的 6.3%，预计到2050

年，HM人数将超过1.75亿，占总人口的13%。HM可导致患者视力永久性损害，近视性黄斑病变是东亚国家主要的致盲原因[3]。氧化应激(oxidative stress,OS)是当机体受到内源性或外源性因素刺激时，器官的正常代谢活动受到干扰，氧化与抗氧化作用之间失衡而引起的一种应激状态。近年来，OS已引起高度重视，OS被认为是多种疾病发生的关键共同通路[4]。自由基可以通过改变基因表达，或者损害关键发育区域的脂质、蛋白质和DNA等途径，提高机体对多种疾病的易感性[5]。研究表明，各种原因可触发产生活性氧自由基(reactive oxygen species,ROS)与活性氮自由基(reactive nitrogen species,RNS)在视网膜、脉络膜中大量聚集，引起脂质过氧化反应，产生过多的丙二醛(malondialdehyde,MDA)，诱导巩膜细胞凋亡，眼球的正常生长调控机制受到破坏，眼球过度增长，形成近视[6]。近年来，OS在HM发病机制中的研究逐渐增多，并取得一定进展。由于巩膜病理改变是近视发生的重要机制[7]，进一步了解OS在HM中的具体作用机制，从OS的角度来防治HM并发症具有重要意义。

1 OS概述

对OS的了解伴随着人们对衰老的认识而逐渐深入，它是机体氧化与抗氧化系统之间的不平衡状态[8]。正常代谢过程中，细胞呼吸链产生的高活性分子如ROS、RNS能通过多种抗氧化机制进行清除。当机体受到各种有害刺激时，一方面ROS、RNS等产物水平明显升高，超过机体正常的清除能力，另一方面抗氧化能力降低，蛋白质、DNA等大分子生物活性减弱或消失，导致细胞损伤、凋亡[9]。ROS和RNS系统是机体最重要的氧化系统，ROS系统由超氧阴离子(superoxide anion,O2-)、过氧化氢(hydrogen peroxide,H2O2)、羟自由基(hydroxyl free radical,OH)等组成，RNS系统包括一氧化氮(nitric oxide,NO)、二氧化氮(nitrogen dioxide,NO2)、过氧化亚硝酸盐(peroxynitrite,ONOO-)等[10]。生理状态下，ROS调控细胞的增殖、分化和凋亡，但当ROS产生过多时，可通过氧化细胞组分直接引起脂质过氧化反应，也可通过激活细胞内的氧化还原信号通路，间接促进细胞凋亡，从而诱导自身免疫性疾病、肿瘤和纤维化等多种疾病的发生[11-12]。同时，为维持体内氧化还原反应平衡，机体也存在抗氧化系统[13]。抗氧化系统包括酶类和非酶类抗氧化活性物质，前者如过氧化氢酶(catalase,CAT)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、谷胱甘肽还原酶(glutathione reductase,GR)、谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase,GSH-PX)等，后者如维生素C(vitamin C,VitC)、转铁蛋白(transferrin,TRF)、N-乙酰半胱氨酸(N-acetylcysteine,NAC)等。

1.1 ROS来源与代谢ROS主要来源于白细胞，尤其是中性粒细胞和巨噬细胞。机体摄取营养物质后，通过呼吸链中一系列递氢和递电子连续反应体系，该氧化过程可产生ROS[14]。白细胞可表达还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate,NADPH)氧化酶。Lee等[15]研究显示，NADPH氧化酶可直接催化反应产生ROS，脂多糖、细胞因子、趋化因子、补体片段等均能够启动、激活中性粒细胞产生ROS。当细菌、病毒、真菌等侵袭机体时，免疫细胞的细胞膜通过触发呼吸暴发机制，产生ROS和NO。同时，肌红蛋白、儿茶酚胺、黄嘌呤氧化酶等的氧化过程和乙醇、花生四烯酸、前列腺素等代谢过程，均可产生ROS。线粒体和NADPH氧化酶是ROS来源的两条主要通路[16-17]。

正常情况下，吞噬细胞依靠ROS发挥吞噬和杀伤功能，但当ROS的产生和清除失衡时，往往对机体造成损伤[18]。机体在NADPH氧化酶、线粒体电子传递链作用下将进入机体的O2转变为O2-，与体内的SOD结合，结合后1分子O2-生成O2，1分子O2-生成氧化性较小的H2O2。各种途径产生的H2O2有3条主要代谢路径，最重要的是体内的CAT将其分解，还原为无毒性的水；其次H2O2将机体内的Fe2+氧化为Fe3+，变为羟基；第三，若与机体内氯离子结合，在髓过氧化物酶催化下，将变为次氯酸[19]。Hinchy等[20-21]研究显示，活性氧作为信使分子，通过调控细胞的氧化还原状态，调节生长因子等胞外信号分子与细胞表面受体的相互作用、胞内信号转换及基因表达等过程，最终通过酶促和非酶促系统得以清除。

1.2 RNS来源与代谢一氧化氮合酶(synthase,NOS)可催化L-精氨酸生成NO，NOS为一含铁的单氨氧化酶，在体内分为3种类型，分别为神经源型一氧化氮合酶(neuronal nitric oxide synthase,nNOS)、内皮细胞型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase,eNOS)及诱导型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase,iNOS)，是合成NO的限速酶。正常状态下，机体nNOS和eNOS催化生成少量NO，发挥其必要的生理功能。与nNOS和eNOS相比，iNOS能分解L-精氨酸产生远超生理剂量的NO[22-23]。另外，由于中性粒细胞和巨噬细胞的聚集，ROS中O2-会明显增多，过多的NO及O2-可结合形成氧化性更强的ONOO-[24]。

机体产生的H2O2或其他过氧化物与还原型谷胱甘肽(glutathione,GSH)在GSH-PX催化反应下转变为无氧化活性的水，GSH被氧化成氧化型GSH，通过GSH-PX再次催化，在供氢体NADPH存在的条件下转化为GSH[25]。Qin等[26]研究显示，GSH-PX在清除氧自由基及其反应产物中起重要作用。机体内产生的H2O2主要依靠CAT分解代谢，而在CAT缺乏的组织中，GSH-PX则成为H2O2分解代谢的重要替代途径。故有学者将SOD及GSH-PX视为体内维持氧化还原反应平衡的调节剂[27]。针对内源性或外源性NO及其氧化产物所形成的RNS，机体内存在含巯基的硫醇类化合物可与之结合，并将RNS氧化成硫氮醇化合物，同时，NO与O2-反应生成的ONOO-可与H+结合生成ONOOH，最终转换成硝酸盐类化合物[28]。

2 OS与高度近视

HM患者随着屈光度增加，由于各种刺激因素的存在，一方面体内ROS、RNS生成增多，另一方面抗氧化酶类、活性物质消耗过多，进而体内氧化还原反应平衡遭到破坏，最终导致细胞损伤、凋亡甚至视功能损伤[29]。ROS是机体内最重要的凋亡诱因之一，ROS清除剂如SOD可以减少视网膜神经细胞的凋亡。在机体内同时存在致氧化系统及抗氧化系统[30]。生理条件下，机体的氧化还原反应处于相对稳定的平衡状态，这与环磷酸相关信号转导途径、蛋白酪氨酸激酶相关信号转导途径、Ca2+相关信号转导途径、蛋白激酶C(protein kinase C,PKC)相关信号转导途径、核转录因子NF-κB、转录子蛋白-1(actirator protein-1,AP-1)等相关信号转导途径密不可分[31]。凋亡是病理性近视视网膜感光细胞死亡的一个重要机制。凋亡可引起眼轴异常增长，诱导HM的形成[32]。

2.1 OS与视网膜NOS存在于整个视路，在视网膜组织中分布广泛，脂多糖、内毒素、细胞因子等可诱导视网膜Müller氏细胞和视网膜色素上皮细胞(retinal pigment epithelial cells,RPE)中NOS表达[33]。不同强度的光刺激可介导视网膜无长突细胞和双极细胞产生NO，兴奋性神经递质从突触前膜释放，通过扩散作用与相邻的突触后膜和周围细胞上的谷氨酸受体(N-methyl-D-aspartic acid receptor,NMDAR)结合，激活钙通道，Ca2+内流后激活NOS，催化产生NO，影响长时程增强效应(long-term potentiation effect,LTP)的产生与维持，导致靶细胞内环磷酸鸟苷(cyclic guanosine monophosphate,cGMP)水平升高，产生一系列生物学效应[34]。

NO作为一种信号分子，与视网膜的发育、视觉兴奋和视觉信息的传递有关，还参与了形觉剥夺性近视(form deprivation myopia,FDM)的形成过程[6]。Feldkaemper等[35]研究显示，NOS抑制剂可提高视网膜基础多巴胺的释放，形觉剥夺使视网膜内层bNOS活性增高，NO增加，NO可能通过抑制多巴胺无长突细胞合成多巴胺，促进FDM的形成。缺氧诱导因子α(hypoxia-inducible factor α,HIF-α)是机体生存必需的维持氧稳态的主要调节因子，Wu等[36]研究显示，FDM后HIF-α升高，改善巩膜缺氧可能是近视眼治疗的靶点。nNOS可表达于豚鼠视网膜神经节细胞层和内核层细胞上，且表达量随形觉剥夺时间的延长而增多，实验动物玻璃体内注入NOS抑制剂能抑制FDM的形成[37]。Wang等[38-39]研究显示，形觉剥夺可触发视网膜内层细胞上神经递质的释放，导致nNOS增多，产生大量NO。PKC是合成、分泌、调控NO的上游因子之一，观察豚鼠形觉剥夺后，视网膜PKC活性升高，眼轴延长而形成近视[40]。

2.2 OS与巩膜生理含量的ROS是维持巩膜形态所必需的[41]，巩膜抗增殖作用是通过限制DNA合成，调节增殖与分化之间的平衡实现的。机体在氧化应激状态时，抗氧化能力降低，影响线粒体中氧化磷酸化作用的发挥，释放大量ROS，通过损伤线粒体DNA破坏氧化呼吸链功能，加速ROS的释放，形成恶性循环，促使巩膜细胞发生凋亡，诱导近视性巩膜生长[42]。Lee等[43-44]研究显示，形觉剥夺眼巩膜细胞增殖活跃，软骨层变厚，软骨细胞数目增加，细胞外基质增多。同时，剥夺眼iNOS减少，弥散性NO的产量减少，削弱了NO对软骨细胞的抗增殖作用，巩膜增殖活跃而主动延伸，影响组织、器官的形态，导致眼轴增长、玻璃体腔加深，进而引起近视。不同的NOS异构体可能通过不同的作用途径和机制促进了形觉剥夺性高度近视(form deprivation myopia,FDHM)的形成。

3 HM的抗氧化防治与展望

抗氧化剂主要包括内源性抗氧化剂和外源性抗氧化剂[45]。内源性抗氧化剂主要包括酶(如SOD、CAT、GSH-PX)、非酶化合物(如GSH)、蛋白质(铁蛋白、TRF、血浆铜蓝蛋白和清蛋白)、尿酸、辅酶Q10 和硫辛酸等。维生素C、维生素E、类胡萝卜素和酚类(如黄酮、黄酮醇)等是主要的外源性抗氧化剂[46]。维生素C是较强的水溶性抗氧化剂，可以保护其他抗氧化剂如维生素A、维生素E、不饱和脂肪酸，防止自由基对人体的伤害[47]。近视屈光度数加深与巩膜纤维变弱有关，这种减弱可能与维生素E缺乏有关[48]。锌制剂可能是通过升高SOD活性，及时清除过多的氧自由基而抑制FDHM的形成[49]。递法明能清除SOD发挥抗氧化作用，能一定程度上控制儿童HM的进展[50]。

综上，OS的本质是一种氧化损伤，氧自由基是脂质过氧化作用的主要引发剂，在HM形成中起了一定的作用，但HM的发生是一个复杂的病理生理过程，还有许多其他因素的参与。深入探讨形觉剥夺时SOD降低的具体原因及OS与视网膜其他生物活性物质之间的相互关系，将有助于阐明HM的发病机制。