衰老与年龄相关性黄斑变性

雷艺 综述 颜华 审校

天津医科大学总医院眼科 天津医科大学,天津 300052

衰老是与人类慢性疾病相关的重要的危险因素,其本质是遗传损伤和不同暴露累积产生的应激,包括营养信号传导、蛋白质稳态、线粒体质量控制的异常和DNA损伤反应等,当细胞保护途径受损引发的细胞功能障碍导致组织损伤时,年龄相关性疾病就会发生[1-2]。年龄相关性黄斑变性(age-related macular degeneration,AMD)是一种慢性多基因疾病,其发病由遗传、环境和生活方式等多种因素决定,慢性炎症、脂质沉积、氧化应激和细胞外基质的维持受损与AMD的发病密切相关。随着人口老龄化和寿命的延长,AMD成为一个日益重要的公共卫生问题[2-3]。有研究证明,年龄是与AMD发病率强相关的危险因素,几乎所有的晚期AMD发生在60岁以上的患者中,随着年龄每增加10岁,AMD的发病率增加4倍[3-4]。在欧洲的大型人群研究中发现,55～59岁的人群中早期AMD的患病率约为2.1%～5.0%,而在85岁以上人群中为17.6%;而对于晚期AMD,上述数据分别为0.1%和9.8%,AMD的患病率随年龄增长呈明显上升趋势[5-6]。另外,蓝山眼科研究也显示,在为期15年的AMD发病率研究中,AMD发病率的上升与年龄增长密切相关[3,7]。由此可见,衰老在AMD的发生和发展中起到了重要的推动作用。本文就目前衰老与AMD相关作用机制进行综述。

1 衰老相关的Bruch膜异常物质积累与AMD的发生和发展

Bruch膜的重要功能之一是支持营养物质和代谢废物在眼局部循环中的双向扩散作用,Bruch膜也可以作为屏障限制视网膜色素上皮(retinal pigment epithelium,RPE)层和脉络膜毛细血管层之间的细胞迁移。随着年龄的增长,代谢废物不断堆积,Bruch膜的基底层逐渐增厚并出现功能障碍,造成眼部营养物质的摄取障碍和局部堆积物质的清除异常。此外,随着年龄的增长,Bruch膜还会发生钙化和碎片化[8-10]。drusen是一种含脂质、无机盐和蛋白质的细胞外沉积,在RPE和Bruch膜之间积累,是AMD的典型特征。光学相干断层扫描影像上drusen的不均匀内部反射率可以用于反映AMD从进展期到晚期的变化。研究发现,存在drusen的AMD患者在1年内发展为晚期AMD的风险增加[11]。

1.1 脂质的积累与AMD的关系

在Bruch膜堆积的物质中,脂质的积累被认为在AMD疾病的发展中起着重要作用。在55项测量AMD患者高密度脂蛋白水平的研究中,34项研究表明高密度脂蛋白水平与AMD的发生和发展无明显关联,16项研究显示AMD患者的高密度脂蛋白水平高于正常对照组,5项研究显示AMD患者的高密度脂蛋白水平低于正常对照组,而最近的孟德尔随机化研究进行了与脂质组分相关的基因检测,支持了高密度脂蛋白升高与AMD风险增加相关的假设,认为高密度脂蛋白颗粒的组成和活性可能与AMD有关[12]。除了从体循环吸收脂质外,光感受器和RPE也会在局部产生脂质,而脂质的清除是通过RPE分泌的“类脂质颗粒”透过Bruch膜进入循环,减少其在局部的堆积;随着年龄的增长,Bruch膜透过“类脂质颗粒”进入循环进而清除脂质的能力下降,造成了“类脂质颗粒”在Bruch膜的堆积,即神经视网膜内脂质的积累,这是早期与年龄相关的眼部环境变化的一个标志,为drusen的形成提供了基础及重要组成成分。年龄相关性Bruch膜清除脂质能力下降的原因尚不清楚,有人提出,Bruch膜通透性降低是由于血浆来源的脂质(胆固醇、胆固醇酯、甘油三酯和脂肪酸)和蛋白质(载脂蛋白)在内层胶原层的沉积导致的,进而产生了年龄相关的Bruch膜水传导性下降[13],然而后续研究发现Bruch膜沉积物严重程度与血浆脂质浓度之间几乎没有相关性[14],年龄相关性Bruch膜清除脂质能力下降的原因尚待研究。

1.2 蛋白的积累与AMD的关系

有研究证明,AMD与阿尔兹海默症具有类似发病机制的基础[15],drusen的最新特征表明,蛋白质成分与淀粉样蛋白沉积物类似,drusen蛋白质成分的形成可能与淀粉样蛋白沉积有关。在这一过程中,可溶性蛋白质单体转化为预纤维低聚物导致了蛋白质错误折叠的逐步发生,并进展至形成具有细胞毒性的不溶性淀粉样纤维[16]。

1.3 糖基化终产物与AMD的关系

晚期糖基化终产物是与糖分子共价结合的蛋白质或脂类。与细胞内质网和高尔基体发生的生理性糖基化不同,晚期糖基化终产物优先积累在细胞外基质,如Bruch膜,导致Bruch膜逐渐增厚,降低其清除物质的能力[17]。

2 衰老相关的吞噬功能异常与AMD的发生和发展

吞噬作用是维持组织内稳态和免疫平衡的关键,衰老相关的吞噬作用异常加重了组织变性及慢性无菌性炎症。已知有多种细胞在眼内执行相关的吞噬作用,包括RPE细胞,小胶质细胞及巨噬细胞等[18]。

2.1 RPE细胞吞噬功能异常与AMD的关系

RPE细胞是人体内最活跃的吞噬细胞之一,每年吞噬约自身体积75倍的物质,对维持视网膜稳态和光感受器功能至关重要。光感受器-RPE-Bruch膜-脉络膜毛细血管层复合体被认为是AMD发生和发展中最重要的结构,而RPE在其中有3个主要功能:降解光感受器外层、形成视网膜-血屏障、为光感受器提供营养。随着年龄的增长,RPE细胞的吞噬能力逐渐下降。老年大鼠的RPE吞噬能力降低了约80%;老年动物的RPE中出现铁沉积,可显著降低其吞噬活性[19]。drusen可能是由于RPE细胞的吞噬能力下降,导致未能吞噬的物质经年积累于RPE下区域形成的[20]。

2.2 巨噬细胞吞噬功能异常与AMD的关系

除了RPE外,巨噬细胞的吞噬作用对AMD的发病也很重要。在AMD患者的视网膜中,drusen周围常常出现浸润的巨噬细胞,这可能是由于drusen发出趋化信号,招募巨噬细胞清除堆积物质所导致的[18]。研究发现,巨噬细胞趋化性的缺陷,包括趋化因子Ccl2或受体(如Ccr2或CX3CR1)在小鼠中的缺失,导致了AMD相关症状的产生[21]。尽管巨噬细胞经常自我更新,但随着年龄增长,小鼠的巨噬细胞仍显示出许多衰老迹象,如氧化呼吸受损等,会导致自我更新异常,无法发挥相应的吞噬功能,并且在巨噬细胞衰老过程中,与AMD发病密切相关的脂质稳态也受到显著干扰[22]。另外,在巨噬细胞中靶向抑制白细胞介素-10受体介导的信号通路或者抑制STAT3的激活可以逆转其衰老表型,如果将STAT3缺陷的巨噬细胞植入到老龄小鼠的眼中,可以显著降低脉络膜新生血管的数量[23]。

2.3 小胶质细胞吞噬功能异常与AMD的关系

在健康的视网膜中,小胶质细胞是一群具有自我更新能力的先天免疫细胞,它们不断地监测自身所处的微环境。有研究表明,衰老的啮齿动物和人类视网膜的小胶质细胞会转变为营养不良状态,失去神经保护功能,衰老的小胶质细胞功能障碍可引发慢性低级别炎症环境,促进AMD的发生和进展[24]。还有研究发现,与幼鼠(3～4月龄)的视网膜相比,老年鼠(18～24月龄)的视网膜中小胶质细胞的密度、形态及结构运动均发生了改变,其密度明显升高,平均树突状分叉更小且更少、长度更短,结构运动明显减慢,并且小胶质细胞对损伤的反应速度和程度随着年龄的增长而降低[25]。

衰老相关的吞噬功能降低不仅能使物质堆积破坏视网膜稳态,还可能影响视网膜多种细胞的生存,导致RPE细胞凋亡、光感受器变性进而发生AMD[18]。

3 衰老相关的线粒体功能改变与AMD的发生和发展

近十年来,线粒体损伤和功能障碍逐渐被人们认识,越来越多的研究支持线粒体损伤和功能障碍在衰老和慢性退行性疾病中的作用。已有一些研究证明在AMD中出现了线粒体功能障碍,活性氧(reactive oxygen species,ROS)产生增加,线粒体DNA损伤,以及蛋白质聚集和炎症增加等病理变化,并且功能正常的线粒体可以防止RPE细胞损伤并抑制AMD的炎症反应[26]。

3.1 线粒体DNA损伤与AMD的关系

目前已有研究证明在老年啮齿动物的视网膜和脉络膜中,线粒体的数量及体积均下降,线粒体的DNA损伤增加,DNA修复酶减少。这些线粒体变化的潜在后果包括ROS的增加和细胞代谢活动的减弱,从而降低细胞的最佳生物能[27-28]。有研究证明,线粒体DNA(mitochondrial DNA,mtDNA)的单倍型与AMD的患病率有关,并且AMD患者的视网膜中存在大量的mtDNA缺失和重排[27]。Lin等[28]的研究表明,随着年龄的增长,mtDNA损伤增加,黄斑区RPE细胞的mtDNA损伤多于周围区RPE细胞且修复能力更低,mtDNA的损伤程度与AMD分级呈正相关,其修复能力与AMD分级呈负相关。Karunadharma等[29]报道,随着年龄的增长,只在线粒体基因组的共同缺失区域观察到mtDNA损伤;而AMD患者线粒体基因组的所有区域均出现mtDNA损伤,并且mtDNA积累的损伤比细胞核基因多,其损伤约是核基因的8倍,表明在AMD进展中mtDNA优先受损,提示了mtDNA损伤增加引起的线粒体功能障碍与AMD的发生和发展之间存在潜在联系。

3.2 线粒体自噬功能改变与AMD的关系

线粒体的自噬功能在衰老的过程中起到了不可或缺的作用,线粒体自噬是线粒体特有的一种自噬,是线粒体质量控制的重要组成部分,维持了细胞内环境的稳定[28,30]。有研究证明,线粒体自噬的损伤参与了AMD的发生和发展,而促进线粒体质量和活性的恢复可以运用于抗衰老治疗;深入了解细胞线粒体自噬清除机制,并且将其作为对抗老年性退行性疾病(如AMD)的有效工具,具有一定的潜力[30]。

4 衰老相关的氧化应激损伤与AMD的发生和发展

氧化应激是ROS生成过多和抗氧化防御机制不足所导致的失衡,这种现象随年龄增长而增加,影响组织的正常功能,许多年龄相关的慢性疾病也与氧化应激直接相关[31]。在过去的十年中,已经发现了近40种与AMD风险相关的基因变异,其中包括编码氧化应激相关蛋白的基因,这进一步证实了氧化应激在AMD发病过程中的作用[32]。

4.1 氧化应激损伤对RPE细胞的影响

由于RPE具有较高的代谢需求,因此细胞富含线粒体以提供足够的能量,可产生大量用于信号转导的ROS。为了满足新陈代谢的需要,黄斑区域具有体内最高的血液流量,使RPE暴露在70～90 mmHg的高氧分压下,与年轻细胞相比衰老细胞的线粒体可产生更多的ROS。随着年龄的增长和环境压力的累积,如生活方式因素:吸烟和高脂肪饮食摄入等,可能导致生理性的氧化应激逐渐变为病理性的氧化应激损伤,在大量病理性ROS的冲击下,RPE出现功能失调并死亡,这种改变在AMD的病理生物学进展中起着重要的作用[1]。

4.2 RPE细胞自噬对氧化应激损伤的影响

RPE自噬在保护自身免受氧化应激和脂褐素积累损伤方面具有重要作用,但有研究发现,在AMD的临床样本和AMD动物模型的视网膜组织中自噬蛋白、自噬小体的表达显著降低,自噬功能的减弱可能会加重RPE的氧化应激损伤,从而导致AMD的发生和发展[33]。另外,氮氧化物已被发现与ROS扩增相关,两者的相互作用加速了衰老和AMD的发生,升高视网膜中氮氧化物活性可以促进血管生成,增加白细胞黏附和血管渗漏,并进一步导致年龄相关代谢产物的积累[34-35]。烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide,NAD+)是一种存在于所有活细胞中的辅酶,它既是还原-氧化反应催化酶的关键辅酶,将电子从一个反应传递到另一个反应。随着衰老过程的进行,细胞内NAD+浓度发生变化,调节NAD+的使用或促进NAD+的产生可以增强健康和延长寿命[36]。Jadeja等[37]研究了NAD+生物合成基因的年龄依赖性表达和NAD+在小鼠RPE中的水平,观察到NAD+的表达下降与年龄相关,用烟酰胺单核苷酸对RPE细胞进行体外处理,可以使NAD+得以保留,防止RPE衰老的发生。

4.3 其他

有研究认为细胞衰老是一种肿瘤抑制机制,以应对细胞内外压力使细胞进入细胞周期阻滞的状态,从而防止潜在的恶性转化,这些衰老细胞有时被特定的蛋白表达和分泌所标记,被称为衰老相关的分泌表型[38-39]。视网膜上皮细胞中的衰老相关的分泌表型加重了病理性血管生成,从而加剧了视网膜组织的缺血损伤,进而促使缺血的视网膜细胞发生衰老并分泌炎性细胞因子,从而促进AMD的发生和发展[38]。

此外,在衰老过程中,蛋白质内稳态受到损害,蛋白质内稳态的丢失是老年相关疾病的发病机制之一。当蛋白质内稳态被破坏时,细胞通过2个蛋白水解系统进行蛋白质降解,即泛素-蛋白酶体系统和自噬系统,现已发现这2个蛋白水解系统的功能障碍与AMD的发病有关[30,33,40-42]。其中泛素-蛋白酶体系统抑制发生在一系列与年龄相关的疾病中,导致电子传递链受损,线粒体功能障碍和细胞ROS增加等[43]。自噬在响应细胞能量压力应激、错误折叠蛋白和蛋白质聚集物的清除、细胞生长、抗衰老和先天免疫反应等方面发挥着生理作用。自噬功能障碍被认为在炎性疾病以及一系列与衰老相关的疾病中起着关键作用。

虽然已经确定了AMD的多种危险因素,但年龄本身仍然是最重要的危险因素之一,因此了解潜在的衰老机制和AMD病理生理之间的联系是当务之急。研究如何延缓衰老或如何在自然衰老过程中阻断AMD发病机制中的关键环节至关重要。

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