运动对视网膜细胞及功能的保护作用研究进展

左倩倩，梁丽娜

0引言

全球有超过800万人因为视网膜疾病发生视力障碍甚至失明，其中只有少部分人会发展成全盲，大部分患者可以通过治疗来控制病情[1]。目前视网膜疾病的主要治疗方式包括药物治疗、手术治疗，以及尚在研究阶段的基因治疗和干细胞治疗[2-3]。运动是神经系统有效的刺激形式，对大脑的功能重建和代偿起着重要作用，许多动物模型和临床研究表明，运动可以对中枢神经系统(central nervous system，CNS)产生直接的有益影响，并且可以预防神经退行性疾病如帕金森病(Parkinson’s disease，PD)、阿尔茨海默症(Alzheimer’s disease，AD)[4-5]。与其他治疗方法相比，运动干预费用低、容易实施，具有明显优势。视网膜是重要的神经系统，近年研究发现运动不仅可以改善衰老动物的视网膜结构和视功能[6]，而且对糖尿病视网膜病变(diabetic retinothy，DR)、青光眼(glaucoma)、年龄相关性黄斑变性(age-related macular degeneration，ARMD)、视网膜色素变性(retinitis pigmentosa，RP)等多种视网膜疾病具有保护作用[7-10]。本文回顾了近10a相关的动物实验研究及临床研究，并对运动保护视网膜作用的可能机制进行探讨。

1运动对视网膜功能的保护作用研究

1.1动物模型研究研究表明运动可以改善光诱导视网膜变性的视网膜电图(electroretinogram，ERG)及感光细胞数量。在光诱导的视网膜变性模型中，经跑步机运动预处理小鼠ERG的a波、b波振幅明显高于未经跑步机运动预处理的小鼠，且外核层增厚，感光细胞核计数较后者增加了2倍，显示有氧运动对视网膜功能和结构有显著的保护作用[11]。为了进一步明确能够保护视网膜的最佳运动强度，Mees等[12]将光诱导的视网膜变性小鼠分为低、中和高强度运动组，置于频率不同的跑步机上强制运动，采用ERG评估视网膜功能，发现低、中强度运动组小鼠ERG波形相似，a波振幅为非运动组的3.8倍，b波振幅为非运动组的3.9倍。高强度运动组小鼠ERG各波振幅略高于非运动组，但仅b波振幅有统计学意义，为非运动组的2.8倍。结果提示高强度的跑步运动并不能提供更强的视网膜保护作用，并且中强度和低强度的运动保护作用相似，结合有眼部疾病患者的实际情况，选择低强度的运动对视网膜的保护作用具有更大意义。

运动还可以改善糖尿病大鼠的视网膜功能(包括空间频率、对比敏感度和ERG)。注射链脲佐菌素(streptozotocin，STZ)诱发大鼠糖尿病模型，造模成功后将大鼠分为非运动组及运动组，运动组大鼠每天以15m/min进行跑步机运动30min，5d/wk，持续8wk。2wk后检测空间频率和对比敏感度，在第4、8wk检测ERG，结果发现与非糖尿病对照组相比，糖尿病大鼠的空间频率和对比敏感度显著降低，视网膜电图振荡电位潜伏期及闪烁光ERG峰时延迟，运动组大鼠上述指标均有显著改善，显示运动可以预防糖尿病大鼠早期的视觉功能障碍，表明高血糖诊断后开始运动干预可能是一种有益的治疗[7]。

运动可以逆转与年龄相关的视网膜易损伤性并且改善老年小鼠视网膜损伤后的视功能。在老年小鼠眼压升高导致的视网膜损伤模型中，损伤前未进行游泳运动的年轻小鼠的ERG中的阳性暗视觉阈值反应(positive scotopic threshold response，pSTR)振幅降低至基础值的83%，而运动的老年小鼠pSTR振幅保持在基础值的87%，这证明运动的老年小鼠受损伤后视神经功能障碍程度与年轻小鼠相似，运动逆转了与年龄相关的视网膜易损伤性[13]。Chrysostomou等[6]还发现未运动的受伤小鼠视网膜内丛状层(inner plexiform layer，IPL)厚度随时间不断减小，虽然这期间运动的小鼠IPL厚度也减小，但是变薄程度没有未运动的小鼠明显，并且受伤后锻炼7d可防止神经节细胞丢失，证明游泳运动可以保护视功能，减少视网膜神经节细胞(retinal ganglion cell，RGC)死亡及功能障碍。

上述研究观察了强迫运动对视网膜细胞及功能的保护作用，但自愿运动与人类平常的运动方式更为相似，因此，有学者进一步探讨了自愿运动对视网膜的影响。研究表明自愿运动可以对RP小鼠的视网膜感光细胞及功能起保护作用。RP的遗传方式主要有常染色体显性遗传(autosoma dominant rentinitis pigmentosa，ADRP)、常染色体隐性遗传(autosomal recessive rentinitis pigmentosa，ARRP)和X染色体连锁遗传(X-linked rentinitis pigmentosa，XLRP)[14]。成年rd10小鼠的视杆感光细胞中的3’，5’-环磷酸二酯酶具有常染色体隐性突变，导致其后代幼鼠的视杆细胞在出生后第18d发生明显的退行性改变，是研究ARRP的良好模型。将rd10幼鼠进行自愿车轮运动，与不运动的幼鼠相比，运动的rd10幼鼠表现出更高的空间频率阈值，感光细胞核总数是其2倍，其中视锥细胞核数目是其1.8倍，表明自愿运动可以保留部分视网膜结构和功能，延迟由感光细胞死亡引起的视力丧失[10]。Zhang等[15]采用强光照射I307NRho小鼠诱导ADRP模型，通过测量小鼠ERG以及视动反应(optomotor response，OMR)发现与正常小鼠相比未进行自愿车轮运动的模型小鼠a波、b波振幅显著减小，OMR空间频率阈值降低40%，而自愿运动的小鼠与正常组没有显著差异，且运动小鼠的视网膜色素上皮层具有规则的细胞大小和形状。此外还发现了在不运动小鼠的光感受器中有有核细胞的积累，而在运动小鼠中未发现此情况。这表明自愿性车轮运动可以保护视网膜细胞及功能，还可以保护视网膜形态以及减轻视网膜变性后的炎症反应。

1.2临床研究目前关于运动作为一种干预方式治疗视网膜疾病的临床研究尚未见报道，已有的文献多是运动史与视网膜疾病患病率相关性的回顾性研究。越来越多的文献表明青光眼、ARMD、DR患者运动水平降低，运动减少可能增加了上述疾病的患病风险。但这种影响亦可能是相互的，Van Landingham等[16]发现双侧视野损伤的患者与视野正常者相比，进行中度到重度体育运动的时间减少30%；Willis等[17]发现矫正后视力低于0.5的人群花在运动上的时间可减少约50%。

1.2.1体育运动与ARMD目前研究表明体育运动可以降低中期和晚期ARMD发生风险。ARMD是一种与年龄相关的眼底疾病，通常会导致视力进行性丧失，是老年人视力障碍的常见原因。McGuinness等[18]发现频繁(≥3次/周)和不频繁(1～2次/周)的剧烈运动可以降低发生中期和晚期ARMD的风险，同时还发现频繁的体育锻炼可以降低女性22%的中期ARMD发生率。Loprinzi等[19]让参与者配戴ActiGraph 7164加速度计来测量体育运动行为，结果表明晚期ARMD患者很少参与中度到重度的体育运动，这可能与他们的视力障碍有关。

此外，Rim等[20]在关于体育运动与新生血管性ARMD的关系的研究中发现45～64岁的男性中，既往剧烈的运动与新生血管性ARMD发生风险增加相关。非肥胖男性[BMI(body mass index)<23.88kg/m2]每周剧烈运动(至出汗)5次以上最有可能患新生血管性ARMD。这可为我们发现新生血管性ARMD的预测因素提供参考。

1.2.2体育运动与DR体育运动对糖尿病的治疗作用已在众多研究中得到认可和讨论，近来发现运功还可以降低DR的发生率及重症率。坚持规律的体育运动可以减少1型糖尿病患者胰岛素的使用剂量，但剧烈运动过程中易发生低血糖，应注意监测血糖变化。在2型糖尿病患者中，有氧运动可以改善脂肪分布及血脂、血糖水平，且对胰岛素抵抗和胰岛素敏感性的调节起作用以及改善心肺功能[21]。

DR是糖尿病最危险的并发症之一，已经成为中老年人最常见的致盲原因。一项基于北京人口的眼科研究表明，较高的体力活动和较少的久坐不动的生活方式可降低DR的患病率[22]。Aro等[23]对超重、肥胖的糖耐量受损患者进行为期4a的生活方式干预(包括健康饮食和增加运动量)后发现可减少患者视网膜微动脉瘤的发生。Tikkanen-Dolenc等[24]发现频繁的体育休闲运动可以降低严重DR发生率(严重的DR被定义为由于严重的非增殖性、增殖性视网膜病变或糖尿病黄斑病变而需要进行激光治疗的DR)。此外，Loprinzi等[25]发现习惯久坐和运动较少的糖尿病成年人更容易有较差的视力。

1.2.3体育运动与青光眼研究表明体育运动可以通过调节眼内压(intraocular pressure，IOP)对RGC起保护作用。青光眼是一组进行性视神经损害，最终损伤视力的疾病的统称，是不可逆的致盲眼病，其特征在于RGC变性并导致视乳头的改变，RGC的丢失与IOP过高有关[26]。关于运动对IOP的影响，研究者分别对健康人和青光眼患者进行了对比发现，健康个体进行15min的跑步机运动，与未运动前相比，IOP降低了3.82mmHg，运动结束10min降低了2.2mmHg，30min降低了1.14mmHg[27]。Najmanova等[28]让健康志愿者在自行车测功机上进行30min的锻炼，运动结束后立即观察到IOP降低了2.7mmHg，但是此降眼压效果仅能持续20min。这证明动态锻炼可以降低IOP，尽管这种效果是短暂的。

关于青光眼患者与运动的联系，Yokota等[29]发现每周习惯性运动超过30min的原发性开角型青光眼患者比不运动的患者IOP平均低1.5mmHg，并且还发现了习惯性运动可以减慢开角型青光眼视野恶化的进展。Yang等[30]让原发性开角型青光眼合并高度近视的患者进行10min的中等强度(Wmax=20%)的运动，与静息组相比测得IOP降低了3.5mmHg，然后接着再进行5min的剧烈(Wmax=60%)运动，相比静息组IOP降低了7.5mmHg。

以上研究表明动态锻炼可有效降低青光眼患者的IOP，尽管可能需要进行更多的研究以支持这一结论。但由于青光眼的潜在危险，应警告患者避免极端锻炼，如潜水、蹦极跳、瑜伽以及戴泳镜游泳。此外，青光眼患者常见的焦虑和抑郁症可以通过体育锻炼得到缓解，从而改善这些慢性疾病患者的生活质量[8]。

2运动对视网膜保护作用的可能机制

2.1氧化应激在神经退行性疾病(特别是AD和PD)中氧化应激(oxidative stress，OS)已经被广泛认为是关键因素，研究发现运动可以降低氧化应激引起的视网膜损伤。在PD和AD大脑和周围组织中，氧化应激生物标志物水平升高以及抗氧化防御能力受损[31]。关于PD，da Costa等[32]研究表明PD大鼠模型经过跑步机锻炼可以改善其认知功能并减少多巴胺能神经元丢失，减少了增加的氧化应激。关于AD，既往研究证明了跑步机运动可显著减弱STZ诱导的AD大鼠模型海马CA1区神经变性和保留海马依赖性认知功能，并且跑步机运动可抑制氧化损伤，长期运动可保护老年人免受氧化应激损伤并增强其抗氧化防御能力[33-34]。近年来，氧化应激在视网膜慢性退行性疾病中的重要性也愈加明显，最近研究表明在ARMD、DR、RP和青光眼中运动通过调节氧化应激对视网膜起着重要保护作用[35]。

此外，Kim等[36]发现自然衰老的小鼠可发生氧化性视网膜损伤，而跑步机运动可能抑制了与年龄相关的氧化性视网膜损伤。跑步机运动使自然衰老小鼠的氧化应激标志物[如羧甲基赖氨酸(carboxy methyl lysine，CML)，8-羟基-2’-脱氧鸟苷(8-hydroxy-2’-deoxyguanosine，8-OHdG)和硝基酪氨酸(nitrotyrosine，NT))]表达恢复到接近正常水平，从而发挥了视网膜保护作用。

2.2 BDNF/TrKB通路目前研究表明运动可以通过调节脑源性神经生长因子(brain derived neurotrophic factor，BDNF)/TrKB(tropomyosin receptor kinase B)通路对视网膜起重要保护作用。BDNF被认为在神经元的发育和存活中起关键作用[37]。大量研究表明，激活BDNF/TrKB途径可改善急性视神经损伤后RGC存活率，且对防止成年动物RGC变性至关重要[38]。在青光眼动物和人类的视网膜中均可发现BDNF与TrKB的表达水平降低[39-40]。在光诱导的视网膜变性小鼠中实施跑步机运动后，运动小鼠血清、海马和视网膜中的BDNF蛋白水平均增加[41]。在中年小鼠眼压升高导致的视网膜损伤模型中发现，运动可以减少视网膜受伤后突触补体的沉积，并维持视网膜受伤后的BDNF水平[6]。

研究表明BDNF与TrKB结合后，TrKB会发生二聚化和自磷酸化，从而激活酪氨酸激酶，进而启动信号级联。BDNF/TrKB信号通过3个主要途径提供营养支持和树突的调节及突触形成，包括丝裂原活化蛋白激酶、磷脂酰肌醇3-激酶和磷脂酶C-γ[38]。

现已有多项研究证明使用选择性TrKB受体拮抗剂(ANA-12)阻断TrKB途径的激活可消除运动对视网膜的保护作用。如在遗传性和光诱导性视网膜变性模型中，注射ANA-12降低了rd10小鼠视力，减少了视网膜感光细胞核数[10，41]；在1型糖尿病模型中，给小鼠注射ANA-12后，视网膜振荡电位出现延迟以及阻断了运动对空间频率和视觉对比敏感度缺陷的保护作用[7]；在青光眼模型中，ANA-12的应用逆转了7，8，3’-三羟基黄酮对RGC的保护作用，并通过去磷酸化抑制了TrKB信号通路[42]。TrKB抑制剂ANA-12可减少视网膜中的磷酸化TrKB、磷酸化ERK1/2和Akt信号传导，同时研究表明TrKB信号传导发生在视网膜中[7]。这些研究证明了运动可通过调节BDNF/TrKB通路起到对视网膜的保护作用。

2.3谷氨酸兴奋性毒性运动可以降低谷氨酸过度兴奋引起的神经元毒性从而发挥神经保护作用。谷氨酸兴奋性毒性是指谷氨酸过度释放从而过度刺激谷氨酸受体[如N-甲基-D-天冬氨酸(N-Methyl-D-Aspartate，NMDA)受体]破坏和杀死神经元的病理过程，其可使高浓度的Ca2+进入细胞而引起兴奋性中毒。谷氨酸兴奋性毒性被认为在青光眼、DR、视神经损伤和视网膜缺血等许多视网膜疾病中引起RGC死亡起关键作用[43]。

在部分视神经横切(PONT)模型中，Li等[44]发现自愿跑步运动可降低谷氨酰胺合成酶(glutamine synthetase，GS)的表达从而延迟大鼠RGC的原发性变性，GS的作用是将谷氨酰胺转化为谷氨酸，GS表达降低会减少谷氨酸浓度从而降低谷氨酸兴奋性毒性。Chen等[45]研究表明运动可以减轻PD大鼠的运动功能障碍，其机制是通过上调纹状体中代谢型谷氨酸受体的表达，减少突触前末端的谷氨酸释放以及减轻对突触后膜的兴奋性毒性来减轻PD大鼠的运动功能障碍。

2.4其他除了上述机制外，运动还可能通过增加整个机体的血流量，调节血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)及其受体生成新生血管，纠正线粒体功能障碍，减少细胞凋亡等来保护视网膜细胞和功能[8，46-48]。

3小结

综上所述，运动在青光眼、ARMD、DR、RP等视网膜疾病中显示出神经保护作用，采用运动疗法防治视网膜疾病的研究前景十分广阔，但仍有许多问题需要解答，如针对每种疾病的最佳运动方案，包括速度、持续时间和每周次数以及运动类型(有氧运动与无氧运动)等参数的确定。因此，开展相关的临床和基础研究，明确运动对人视网膜的保护作用及最佳治疗方案将是下一步的研究重点。