花青素对眼部保护作用及其机制的研究进展

全文彬，纪昊垚，麦梓锋，王娟

(华南理工大学 食品科学与工程学院，广东 广州，510641)

随着信息技术的不断发展和电子产品的加速普及，人们接触电脑、手机等各类电子产品的时间正不断延长，由此带来的眼部健康问题也日益严重。2019年，全球有22亿人患有各种程度的视力障碍[1]，根据相关预测，到2050年，全球失明人口将达到6 100万，4.74亿人患有中度及重度视力障碍[2]。在中国此类问题更为严重。2019年，全国患有眼病的人数为全球第一，接近2.1亿[3]。加之教育现代化的推进和经济情况的改善，中国青少年将更多地接触电子屏幕，关于青少年的近视和视疲劳的调查结果不容乐观[4-6]。除此之外，一些慢性病带来的并发症也会对眼部造成不良的影响[7]，这使得眼部问题愈发常见且棘手。由此可见，眼部相关的健康问题需要得到更大的关注。

花青素是一类水溶性天然色素，主要存在于植物中，与水果、蔬菜和花卉中的大部分主要呈色物质相关，在食品、医药、化妆品等领域有广泛的应用。花青素已被证明具有多种生物活性，包括抗氧化、抗炎、抑菌等[8]，并且对心血管疾病[9]、眼部疾病[10]、神经退行性疾病[11]、癌症[12]等有所帮助，所以花青素正逐渐成为与人类健康相关的重要成分之一。

本文重点就花青素对眼部疾病的保护作用及其作用机制等方面的研究情况进行综述,以期为后续研究和推广花青素提供参考。

1 花青素的化学结构和来源

花青素属于黄酮类化合物，它的基本结构是带有羟基或甲氧基的2-苯基苯并吡喃环[13]。自然状态下花青素以糖苷形式存在，又称花色苷，常见的糖基包括葡萄糖、鼠李糖、半乳糖、木糖和阿拉伯糖[14]。迄今为止，已经在自然界中鉴定出大约700种不同结构的花色苷，已被鉴定的花青素也近30种[15]，其中有6种花青素在高等植物中较为常见，分别是天竺葵色素、矢车菊色素、飞燕草色素、芍药色素、牵牛花色素和锦葵色素[16]，它们各自的结构如图1所示。

花青素类型取代基R1取代基R2天竺葵色素HH芍药色素OCH3H牵牛花色素OCH3OH锦葵色素OCH3OCH3矢车菊色素OHH飞燕草色素OHOH

图1 常见花青素的结构[21]

Fig.1 Structures of anthocyanidins[21]

花青素可在不同pH值下呈现不同的结构形式，如图2所示，酸性环境下为黄烊盐呈红色，在pH偏碱性时为醌式结构呈蓝色，碱性继续增强形成的拟碱式和查耳酮式呈无色[17-18]。花青素在植物中广泛存在，其中黑枸杞、蓝莓、黑桑葚、黑葡萄、紫甘蓝、黑果等深色植物都是花青素的良好来源[19-20]。

图2 不同pH下花青素结构和颜色的变化情况[14]Fig.2 Structures and colors of anthocyanidins at different pH[14]

2 花青素对眼部健康的影响

2.1 花青素对视疲劳的作用

视疲劳常指人在执行超负荷的视觉活动后出现的不良症状，包括头痛、视力模糊、眼干、畏光等[22]。随着电子屏幕更多地出现在生活中，视疲劳越来越常见。相关研究表明，花青素对视疲劳有一定的缓解作用，能够改善相关症状。有视疲劳症状的受试者连续30 d口服花青素饮料，结果表明受试组的眼痛、畏光等症状的有效改善率以及明视持久度显著高于对照组[23]。SEKIKAWA等[24]的实验发现受试者在服用含越橘花青素的胶囊达6周后，瞳孔反应得到了改善。花青素与其他对视疲劳有改善作用的营养素复合使用，也表现出了较好的效果。黄宗锈等[25]比较了受试者服用含花青素与维生素A的复方胶囊前后的眼部症状(眼胀、视物模糊、眼干涩等)和明视持久度，服用35 d后，受试者的相关指标有明显改善。不仅如此，花青素和叶黄素共同使用时可减轻眼胀、眼痛、畏光等症状[26-27]。KAWABATA等[28]进行的实验显示鱼油、叶黄素和花青素共同使用4周可起到上述类似的作用。目前针对花青素对视疲劳的作用的研究主要集中于健康或具有视疲劳症状的人群，具体作用机制仍不明确，这可能与视疲劳的影响因素较多，相互关系较复杂有关。注意到这些研究中所检测的安全性指标均在正常范围之内，说明花青素单独或复合作用于人体时，在保证安全性的前提下，具有较好的抗视疲劳作用。

2.2 花青素对近视的作用

近视是指当眼部放松时，光线平行于眼部轴线进入眼睛，经过折射聚焦于视网膜前的现象[29]。近视对青少年人群的视力影响极大。花青素对于近视的作用已在多种动物模型中有所体现。有学者[30-31]分别用越橘花青素和黑果枸杞花青素对豚鼠建立形觉剥夺性近视模型，结果表明花青素可减缓眼轴变长和屈光度向近视漂移，使巩膜胶原排列相对紧密、整齐，表现出对近视的抑制作用。也有研究对雏鸡分别建立了形觉剥夺性近视模型和光学离焦性近视模型，发现黑加仑花青素能够减缓雏鸡眼球长度的增加，从而抑制雏鸡近视的恶化，但不同结构的花青素对不同近视模型的效果呈现出一定的差异[32]。花青素不仅在近视动物模型中表现出具有减缓眼轴变长的效果，还已经在基于人体的研究中展现出对屈光不正的改善作用。有研究[33-34]发现蓝莓花青素和黑果枸杞花青素可明显改善青少年的视力，降低屈光度，进而缓解近视的发展。由此可见，不同来源的花青素在不同的研究模型中都表现出改善近视的效果，说明花青素有成为相关保健食品成分的潜质。

2.3 花青素对视网膜的作用

长时间或过强的光照可能会对视网膜造成损伤，随着光的波长、强度和照射方式的不同，对视网膜的损伤也有所不同[35]。除此之外，一些慢性病如糖尿病等也会诱发视网膜的病变[36]。

多种来源的花青素被认为对视网膜损伤有保护作用。陈玮等[37]的实验表明黑米花青素可以抑制光诱导的大鼠视网膜脂质过氧化，提高抗氧化酶的活性。同时，通过对大鼠的视觉电生理检查和组织形态学观察，也发现黑米花青素对视网膜光损伤有保护效果[38]。还有研究表明蓝莓花青素可抑制视网膜色素上皮细胞的衰老和凋亡，下调血管内皮生长因子(ascular endothelial growth factor，EGF)的水平，提高视网膜细胞总蛋白含量，增加细胞外核层厚度，对视网膜光损伤有保护作用[39]。

花青素除了对视网膜光损伤有保护作用外，对化学诱导的视网膜损伤也有效果。KIM等[40]发现黑豆花青素可显著降低小鼠视网膜中由N-甲基-N-亚硝基脲(N-methyl-N-nitrosourea，MNU)引发的神经胶质纤维酸性蛋白(glial fibrillary acidic protein，GFAP)和巢蛋白的上调，促进视紫红质的表达。此外，蓝莓花青素对糖尿病视网膜病变有潜在预防作用。研究表明蓝莓花青素可抑制糖尿病视网膜损伤导致的活性氧(reactie oxygen species， ROS)的增加，提高抗氧化酶的活性，降低EGF和白细胞介素1β(interleukin-1，IL-1β)水平[41-42]。由此看出，花青素对视网膜光损伤和化学诱导损伤的保护机制大致接近，抗氧化和抗炎效果显著，体现出花青素能够预防视网膜光损伤和糖尿病视网膜病变等疾病，减缓损伤和病变的发展。

2.4 花青素对青光眼的作用

青光眼被视为一种与视神经结构性损伤和多种病理过程导致的视觉功能障碍相关的视神经病变[43]。青光眼是较为常见的眼部疾病，对人类危害极大，可导致人类失明，根据预测，至2040年，全球将有1.118亿青光眼患者[44]。花青素常被认为有助于青光眼的治疗。眼压升高是青光眼的常见症状[45]。OHGURO等[46]对开角型青光眼患者进行了长达24个月的研究，发现花青素能降低患者眼内压，抑制青光眼的恶化。YOSHIDA等[47]进行的临床实验表明花青素干预能够提高开角型青光眼患者的血清内皮素-1的浓度，使其恢复正常水平，对青光眼有防护效果。具体而言，花青素对开角型青光眼的一种特殊类型——正常眼压性青光眼有保护效果。有学者探究了口服花青素对正常眼压性青光眼的效果，患者持续6个月的实验结果显示，口服花青素可增加眼部血流量，从而有助于正常眼压性青光眼的治疗[48]。SHIM等[49]发现，经过花青素治疗的正常眼压性青光眼患者的最佳矫正视力和Humphrey isual Field测试的平均偏差均得到了改善。由此可见，花青素可以降低患者眼内压[46]，增加青光眼患者眼部血流量[48]和改善视觉功能[49]，对于正常眼压性青光眼具有一定的治疗效果，但考虑到部分临床研究在开角型青光眼患者的筛选上对眼压有一定限制要求，因此花青素对高眼压开角型青光眼的效果仍有待进一步确认，同时，目前针对花青素对闭角型青光眼的临床研究较少，相关作用仍不明确。

2.5 花青素对白内障的作用

白内障是人类常见的眼病之一，在老年人群中频发，其发病机制与各种因素导致的晶状体蛋白质变性有关[50]。多种研究模型已被建立，说明花青素能够保护晶状体，从而对于白内障有抑制作用。MORIMITSU等[51]将雄性大鼠的晶状体置于高糖环境下培养，从而模拟糖尿病引发的白内障，实验发现花青素可以减缓晶状体变浑，表现出对白内障的潜在抑制作用。ZHANG等[52]用亚硒酸盐诱导大鼠产生白内障，使用花青素后，大鼠晶状体中的超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)和过氧化氢酶(catalase, CAT)活性都显著提高，说明花青素可能通过抗氧化的方式，阻止白内障恶化。还有研究表明黑豆花青素会抑制大鼠晶状体上皮细胞(lens epithelial cells, LECs)的增殖和迁移，促进LECs的凋亡[53]。花青素对人LECs除了有上述的效果外，还可抑制上皮间充质转化，有助于减缓白内障发生[54]。总而言之，花青素能够减缓晶状体浑浊的发展，减小氧化损伤，抑制LECs增殖迁移和间充质转化，从而抑制白内障的发展。

3 花青素对眼部健康的影响机制

3.1 抗氧化

由于多种眼病的发病机制与氧化损伤相关，所以花青素对于眼部的保护作用常被认为与其抗氧化能力有关。花青素的抗氧化作用已在多种眼部相关的模型中有所体现。杨剑洁[55]令小鼠接受电脑电磁辐射，并用蓝莓花青素进行干预，发现蓝莓花青素可以降低小鼠视网膜丙二醛(malondialdehyde，MDA)含量，减缓过氧化物歧化酶活性的下降，从而减轻电磁辐射对小鼠视网膜的损伤。对H2O2氧化损伤的人体视网膜色素上皮细胞-19(adult retinal pigment epithelial cell line-19，ARPE-19)模型的研究也发现了相似的效果，结果表明，加入花青素后， ROS和脂质过氧化产物MDA的水平大幅减少，细胞活力和SOD、CAT和谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase，GSH-Px)含量均有不同程度地提高[56]，表现出较好的抗氧化能力。其他研究显示花青素还可以清除DPPH、烷基和·OH自由基[57]。花青素的抗氧化作用对不同原因造成的氧化损伤也有效果。WANG等[58]的研究显示越橘花青素能降低光氧化损伤的ARPE-19细胞的ROS水平，并且促进与抗氧化相关的血红素加氧酶-1(heme oxygenase-1，HO-1)的表达。目前来看，花青素有助于抑制脂质过氧化，增强抗氧化酶活性，清除自由基，进而降低外界对眼部的氧化损伤，因此抗氧化可能是花青素发挥眼部保护作用的重要机制之一。花青素通过抗氧化保护眼部的作用和机制如表1所示。

表1 花青素在眼部的抗氧化作用和机制Table 1 The antioxidatie effects and mechanisms of anthocyanins on eyes

3.2 抗炎

炎症是机体对感染或非感染因素，以免疫机制为基础损伤组织的病理现象[63]，因此抗炎是治疗疾病的重要方式。在部分研究中，花青素表现出具有在眼部较好的抗炎活性。核转录因子NF-κB在炎症反应和免疫应答中发挥重要作用，NF-κB的活化与青光眼、白内障、眼底病等眼部疾病相关[64]。WANG等[58]的研究表明越橘花青素可以降低兔视网膜中白细胞介素-6(interleukin-6，IL-6)的水平，抑制光诱导的NF-κB mRNA的增加。还有研究发现蓝莓花青素可抑制NF-κB信号通路，使NO和细胞间黏附分子-1(intercellular cell adhesion molecule-1，ICAM-1)水平下降[42]。但也有研究得出了相反的结论，余小平等[65]探究发现光照会使大鼠视网膜NF-κB p50/p65 mRNA表达下降，NF-κB p50/p65蛋白明显减少，采用黑米花青素干预可以促进NF-κB p50/p65 mRNA和蛋白增多。NF-κB的激活会上调IL-6、，ICAM-1等的表达，而它们也能够进一步活化NF-κB，使炎症反应愈发严重，因此花青素在此方面可有效抑制NF-κB调节的靶蛋白的表达，但具体对于该信号通路的抑制机制仍不明确。花青素不仅能调控NF-κB信号通路，还能控制炎症因子的含量，从而对其他信号通路如STAT3、Nrf2/HO-1等造成影响。MIYAKE等[66]的实验结果表明越橘花青素可以抑制信号传导蛋白和转录激活物(signal transducer and actiator of transcription 3，STAT3)的活化,这可能与IL-6表达减少相关，从而有助于减缓视紫红质的降解。SONG等[41]的研究发现蓝莓花青素可以降低糖尿病大鼠视网膜中EGF和IL-1β的水平，并增强核因子NF-E2相关因子(nuclear factor-erythroid 2，Nrf2)和HO-1的表达。蓝莓花青素还可抑制蛋白激酶B (Akt)的表达，降低内皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase，eNOS)的活性[42]。花青素在其他部位的体内外实验中还展现出更丰富的抗炎机制[67-69]，其结论是否可推广到眼部作用仍有待进一步研究。花青素通过抗炎保护眼部的作用和机制如表2所示。

3.3 促进视紫红质再生

视紫红质是重要的感官色素，能够将光刺激转化为神经冲动，从而形成视觉[72]，可以由11-顺视黄醛和视蛋白合成，花青素对眼部健康的作用被认为与其可促进视紫红质再生有关。LEE等[73]的研究说明矢车菊素-3-葡萄糖苷(cyanidin-3-glucoside，C3G)可提高视紫红质水平。不同结构的花青素的视紫红质再生作用有所差异，目前来看，C3G能较好地促进视紫红质再生。MATSUMOTO等[74]探究了从黑加仑中提取的4种花青素对青蛙视杆细胞膜视紫红质的再生作用及其动力学，结果显示花青素可以促进视紫红质的再生，但不同结构的花青素的效果不同，矢车菊色素对视紫红质的再生作用较好，飞燕草色素效果相对较弱，这可能与矢车菊色素疏水性更强有关。前人[75-76]的研究发现C3G与视紫红质的作用受pH值的影响较大，pH 6条件下视紫红质再生效果较好，两者结合物的二级和三级结构稳定性也与pH值相关，并且认为C3G对视紫红质再生的促进机制与中间体变视紫红质(metarhodopsin II，Meta II)的稳定性关系较小，可能与蛋白质结构变化有关。由此可见，不同结构和pH下的花青素对视紫红质的作用也有所不同，其中C3G的效果较好。此外，花青素与其他物质可能产生协同作用，增强花青素对视紫红质合成的促进效果。何敏菲[77]的研究表明C3G与茶天然产物共同使用可以加快视紫红质的复原，减缓视紫红质的降解，两者共同使用的效果优于单独使用C3G的效果。因此，合适的结构、pH值和共存物质或许能更好地发挥花青素对视紫红质再生的促进作用。

表2 花青素在眼部的抗炎作用和机制Table 2 The anti-inflammatory effects and mechanisms of anthocyanins on eyes

3.4 促进睫状肌松弛

睫状肌与人眼的视觉调节相关，睫状肌的收缩可以改变悬韧带张力，使晶状体变形，进而改变屈光效果[78]。当光线聚焦在视网膜上时，人才能看清物体，因此睫状肌与视觉的形成有一定联系。花青素能够抑制睫状肌的收缩，但效果与其具体结构相关。MATSUMOTO等[79]研究从黑加仑中提取的一种花色苷——飞燕草素-3-芸香糖苷(delphinidin-3-rutinoside,D3R)对牛睫状肌的作用，将D3R作用于因被内皮素-1(endothelin 1，ET-1)处理而收缩的牛睫状肌，观测到牛睫状肌收缩程度降低，说明D3R对ET-1诱导的收缩有抑制作用，矢车菊素-3-芸香糖苷(cyanidin-3-rutinoside，C3R)也表现出抑制效果，但不及D3R，考虑到该实验中结构相似的黄酮类物质槲皮素-3-芸香糖苷和杨梅素-3-芸香糖苷未表现出此方面的作用，所以花色苷的B、C环结构可能与其抑制睫状肌收缩的作用密切相关。实验结果显示，D3R可促进环磷酸鸟苷(cyclic guanosine monophosphate，cGMP)的产生，降低肌球蛋白调节轻链(myosin regulatory light chain，MRLC)的磷酸化比率，并且D3R对睫状肌收缩的抑制作用在一氧化氮合酶抑制剂存在时会消失。因此认为D3R可能是通过增加NO从而降低MRLC的磷酸化进而抑制ET-1导致的收缩。

4 总结与展望

花青素对眼部健康有一定益处，并已经在食品领域有所应用。但目前关于花青素对眼部疾病的临床研究还不太充分，相关数据缺乏，并且对于其保护作用的具体机制还不够深入了解，因此未来需要更多的临床实验，并应加强花青素在眼部细胞的代谢产物、炎症因子等方面的研究。除此之外，为更广泛有效地发挥花青素食品的健康作用，需要寻找更多可提高花青素在食品加工及保藏过程中稳定性的方法。