锌与眼健康相关疾病的研究现状

刘祖浩，张小丽，唐铜，王莹莹，陈智仙

1.酵母功能湖北省重点实验室（宜昌 443000）；2.宜昌市营养健康食品工程技术研究中心（宜昌 443000）

人体内众多微量元素中，锌的含量仅次于铁，是各项生命活动所必需的营养物质。成人体内锌的含量约为2～2.5 g，主要分布于各种组织和器官，如肌肉、骨骼和毛发等。锌在300余种金属蛋白酶中发挥催化作用，是超过2 000种转录因子的组成成分，参与多种免疫反应、氧化应激、细胞凋亡和衰老等生理活动[1]。锌的平衡由金属硫蛋白（MT）和Zrt/Irt-like蛋白（ZIP）及锌转运器家族蛋白（ZnT）协调控制，这些蛋白参与了锌的吸收、排泄、细胞内储存及转运等生理活动[2]。大量研究表明疾病的发生发展往往伴随着锌的平衡异常[3]，作为锌含量较高的器官，眼部锌浓度随着年龄的增长而下降[4]，与年龄相关的常见疾病如黄斑病变、白内障以及视网膜微血管病变等与锌有着较为密切的联系，补充锌可能有利于预防和治疗这些疾病。

1 年龄相关性黄斑变性

年龄相关性黄斑变性（AMD）是一种随年龄增长逐渐导致不可逆转性视力丧失的视网膜疾病，65岁以上人群中患病率约11%，占全球失明患者的8.7%。AMD的发展进程可大致分为早期和晚期，早期阶段可能与Bruch’s膜和视网膜色素上皮（RPE）之间的病理沉积物（玻璃膜疣）有关，而晚期阶段可以从表型上进一步分为干性（萎缩型）和湿性（渗出型）。干性AMD始于RPE细胞功能障碍相关的色素斑形成，可发展为RPE和光感受器毛细血管退化的地域性萎缩。湿性AMD中脉络膜下新生血管的形成可导致Bruch’s膜破裂，会造成急性且严重的视力丧失[4]。

1.1 锌降低晚期AMD进展风险及其机制

AMD的发生风险受到年龄、遗传和环境等多种因素影响，营养物质的摄入在AMD发生和发展中同样具有重要作用，年龄相关性眼病研究（AREDS）中强化类胡萝卜素、抗氧化剂及锌的补充策略目前已成为美国临床首选的AMD治疗方案。有研究报道神经性视网膜、视网膜色素上皮和脉络膜复合物中含有较高浓度的锌，与普通受试者相比，AMD患者视网膜和脉络膜内的锌水平降低了24%，可见维持该组织中的锌稳态对其发挥正常功能非常重要[5]。AREDS报告及相关研究也指出，通过提高锌与抗氧化剂（维生素C，维生素E和β-胡萝卜素）的补充，可将AMD由早期进展到晚期的风险显著降低。此外，研究发现眼组织中锌浓度的升高可以恢复绒毛膜片开窗，从而改善视网膜中营养物质的流动和废物的清除，以减缓AMD的进展[6]。一项涉及3 640例病患的研究显示，锌与抗氧化剂的组合在统计学意义上降低了AMD向晚期进展的概率，是AMD患者晚期阶段最有效的治疗组合物[7]。但也有研究认为锌与抗氧化剂联合使用能够预防晚期AMD的进展，却对早期AMD没有明显的作用，单独补充锌对早期AMD的作用效果也因其表型而异[8]。另一项以澳大利亚547例新生血管性AMD（nAMD）患者为对象的实验研究表明，在治疗过程中膳食锌摄入量的减少，会提高视网膜下液（SRF）出现的可能性，且与nAMD患者平均视网膜厚度的增加有关，该研究还观察到膳食锌的阈值效应，即摄入量高于8.1 mg/d的阈值，则不会导致SRF的形成，有助于降低nAMD的发生风险[9]。

先天免疫系统的补体成分与AMD的发病机制有关，而锌被报道可与补体系统的补体因子等多种蛋白结合，影响补体的活性，进而在调节炎症方面发挥作用[10]。炎症信号的传导可诱导视网膜细胞屏障功能障碍，导致AMD的形成与发展，有研究指出锌转运蛋白ZIP 7将锌从内质网转运至细胞质，提高细胞质锌水平在驱动屏障功能中发挥着非常重要的作用[11]。因此，锌通过影响补体介导的炎症反应，影响视网膜细胞炎症信号传导可能是延缓AMD病程的主要途径之一，但此种作用的确切机制还有待明确。细胞外锌水平升高对RPE细胞的分化和功能具有显著的影响，其中类视黄醇异构水解酶基因的表达、细胞色素沉着、前糖体蛋白免疫反应性以及载脂蛋白E、补体因子H（CFH）和高温丝氨酸肽酶等蛋白质的分泌显著增高，对视网膜光感受器和脉络膜微血管的相互作用产生了积极的影响[12]。此外，内皮细胞迁移到Bruch’s膜和巨噬细胞与血管内皮细胞的结合是AMD发病机制中与血管生成和炎症过程相关的两个重要机制。Zeng等[13]通过划痕测定评估血管内皮细胞迁移情况，并测定巨噬细胞与血管内皮细胞的结合水平，结果表明复合维生素和锌可直接抑制这些潜在的致病行为，且补充锌能够减弱内皮细胞的活化，延缓AMD的进展。

1.2 遗传因素对锌治疗AMD的争议

遗传因素对AMD的影响已得到证实，多个不同的遗传易感基因位点也已被确认，但对于基因分型是否应该成为抗氧化剂和锌治疗AMD患者的预测标准，存在相当大的争议。Awh等[14]的研究指出，抗氧化剂和锌补充剂的效果可能因基因型而异，具有高CFH和低老年黄斑病易感性2（ARMS2）风险等位基因的受试者，如果用锌（单独或作为AREDS配方的一个组成部分）治疗，AMD向晚期进展的风险增加，而那些具有低CFH和高ARMS2风险等位基因的受试者，AMD向晚期进展的风险则降低。Vavvas等[15]也表明，与安慰剂组相比，具有高CFH和无ARMS2风险等位基因的个体在接受AREDS制剂治疗时，nAMD进展的风险增加。Lee等[16]指出CFH蛋白是替代补体级联的主要调节因子，而锌已被发现与免疫和炎症过程有关，高CFH变体可能会导致更高水平且无节制的补体激活，导致更严重的炎症情况。因此，同剂量的锌在高CFH的患者中保护作用可能会降低。而Chew等[17]通过重复Awh等[14]的研究，并没有发现基因型和治疗效果之间的任何预测关系，两者相互作用的研究结果无显著相关性，锌与抗氧化补充剂降低了所有基因型组的AMD进展率，基因型不应该被用来决定治疗措施。为确定基因型是否能够预测AMD患者对补充剂的反应，Assel等[18]通过3个独立的统计小组重新分析来自AREDS试验的数据，并分别使用不同的方法进行验证，均得出基因分型无任何意义的结论，分析还指出所有关于基因分型的说法都是基于一项研究的回顾性分析，缺少对更多数据的分析验证。目前关于基因分型是否影响锌对AMD的治疗效果尚无定论，但随着相关试验数据的收集，药物遗传关系将逐渐明晰[18-19]。

1.3 锌在AMD疾病标志物方面的应用

血浆中的硫醇代谢物，如谷胱甘肽（GSH）和半胱氨酸（Cys），会随着年龄的增长、氧化应激及与年龄有关的疾病而加剧氧化。有研究[20]分析了长期补锌对血浆硫醇代谢物及其氧化还原状态的影响，在补锌组中，Cys的主要成分血浆胱氨酸（CySS）浓度明显下降，其组织运输和利用增加可能有助于减缓AMD的进展。而锌调节血浆中硫醇代谢物的变化则有望被作为一种外周标志物来监测AMD患者的治疗效果。还有研究报道了一种基于荧光素的新型锌探针（ZPP1），在人类组织中与黄斑相关的锌的灵敏度大大提高，ZPP1对锌的高敏感性使其在大规模人类供体样本的研究中发挥了重要作用，特别是当与样本的基因型和环境风险暴露信息相结合时，这一发现将能够促进锌含量与黄斑的类型、位置和大小、AMD风险因素以及AMD疾病阶段和形式之间相关性的研究，有助于明确锌、黄斑形成和AMD风险因素之间的关系。此外，ZPP1或其类似物也可被开发成体内检测视网膜上皮沉积物中锌的探针，能够确定锌在黄斑形成中的作用[21]。

2 糖尿病视网膜病变

糖尿病视网膜病变（DR）是一种常见的微血管疾病，被认为是世界上可预防性失明的主要原因。在宏观层面上，肥胖和久坐的生活方式是导致2型糖尿病（T2DM）的主要原因，但在分子层面上，氧化应激是导致细胞和血管损伤致病过程的重要因素[22]。高血糖水平通过细胞内的多元醇途径诱发视网膜微血管的特殊变化，从而增加组织内氧化应激反应[23]。

2.1 锌降低DR患者的氧化损伤

超氧化物歧化酶（SOD）是生物体内主要的抗氧化金属酶，在清除活性氧（ROS）方面起着重要作用。根据金属辅基的不同，SOD可大致分为3类，即Cu/Zn-SOD、Mn-SOD及Fe-SOD，其中Cu/Zn-SOD含有铜和锌元素，定位于细胞内的细胞质区。人体有相关的控制系统来调节血液和储存细胞中循环的关键微量金属元素，视网膜作为新陈代谢极为活跃的组织，容易受到微量元素浓度变化的影响，锌元素不足且铜元素水平过高时，会增加氧化应激水平，加重糖尿病引起的微血管病变，补充锌和选择铜螯合剂则有助于减轻氧化损伤，并防止DR的发展[24]。有研究表明与非糖尿病患者相比，糖尿病患者的锌水平较低，且晶状体的组织学发生了明显变化，这意味着锌的缺乏可能导致Cu/Zn-SOD功能缺陷，从而造成糖尿病患者严重的氧化损伤[25]。一些研究显示，补充锌可以纠正糖尿病患者的锌缺乏，提高抗氧化酶的活性，减少脂质过氧化反应，降低糖尿病患者的氧化损伤[24]。在作用机制方面，锌被报道主要通过保护蛋白质巯基免受自由基攻击，以及利用过渡金属的拮抗作用，减少自由基的形成两个机制保护组织免受氧化应激。高血糖症会促进晚期糖基化终末产物的产生，它通过激活烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸氧化酶（NAPDH）刺激视网膜周细胞产生ROS，导致视网膜周细胞凋亡。有研究指出糖尿病大鼠使用抗氧化物可预防视网膜周细胞的凋亡，表明氧化应激在视网膜周细胞凋亡中的重要作用，而锌离子本身可以预防和保护细胞不受氧化应激反应的损伤，抑制NAPDH活性[26]。此外，锌可以通过稳定膜结构或诱导MT合成来保护大鼠视网膜免受糖尿病引起的脂质过氧化增加及谷胱甘肽水平下降，在DR的发生发展过程中起到重要的防护作用[27]。

2.2 锌抑制新生血管的形成

在临床上，DR可被分为非增殖性（NPDR）和增殖性（PDR），NPDR的特点是出现微动脉瘤和点状出血，严重的NPDR 会有棉絮状斑点、静脉串珠以及视网膜内微血管并发症。PDR则发生于视网膜新生血管，临床上常表现为视网膜和玻璃体出血以及视网膜脱落，最终导致失明。有研究结果显示[28]，相比于对照组，PDR组的血清锌和维生素A水平显著降低，且血清锌和维生素A水平与DR的严重程度之间呈现明显的负相关性，血清锌和维生素A水平的增加分别使DR的风险降低了25.7%和31.1%。糖尿病患者体内缺血缺氧的环境导致氧化应激增加，氧化自由基不断增多，氧化产物堆积损伤视网膜组织，进而造成微血管病变与血管闭塞，促血管生成因子和抑制因子失衡，致使新生血管的形成。糖尿病患者高糖环境下视网膜Müller细胞血管生成因子（VEGF）的分泌增加，在DR发生发展中起着至关重要的作用。有研究表明体外培育的正常Müller细胞在高糖条件诱导下VEGF的表达随时间延长而不断增加，但在高糖条件诱导下，加锌同时作用能够显著抑制VEGF的表达，抑制新生血管的形成[29]。

3 白内障

白内障是衰老过程中最常见的眼病之一，通常在45岁以上的人群中开始发展，75岁以上的人群中约有75%患有白内障，是世界各地视力不良和失明的主要原因。正常眼的晶状体呈半透明状且有弹性，若晶状体纤维受损或蛋白聚集，则会变得不透明，进入晶状体的光线会发生扩散或被阻挡，严重影响患者的视觉功能[30]，此种晶状体混浊的病症称为白内障。目前已经确定了诸多白内障的致病因素，其中年龄是最主要的危险因素，随着年龄的增长，晶状体的水含量减少，可溶性蛋白溶解率降低，钙的浓度增加，最终导致了晶状体的不透明现象。

3.1 补充锌可预防白内障

白内障的形成有多种机制，如渗透性分级、蛋白质聚集、氧化损伤等，临床上年龄相关性白内障和糖尿病性白内障最为常见[31]。年龄相关性白内障表现为晶状体核的褐色化或褐变，伴随着蛋白质巯基的丧失，蛋白质-硫醇混合二硫化物的增加，以及水不溶性成分的增多，最终形成蛋白质-蛋白质二硫化物以及其他导致蛋白质聚集和光散射的交联现象。研究普遍认为氧化应激是年龄相关性白内障的主要因素，采用葡萄籽提取物和锌等抗氧化剂的组合可防止Wistar大鼠幼崽亚硒酸盐诱发的年龄相关性白内障的发生和发展，有望作为潜在的功能性营养补充剂用于预防人类年龄相关性白内障[32]。补充包括锌和维生素A在内的维生素和矿物质组合物的干预性研究显示，白内障发病率出现显著降低，且充足的锌浓度在维持晶状体蛋白的结构完整性方面发挥着重要作用。晶状体蛋白因氧化损伤而改变是白内障形成的原因之一，锌可通过维持抗氧化酶活性，减轻晶状体组织的氧化损伤[33]。

在糖尿病患者体内，葡萄糖的过度利用通常发生在晶状体和视网膜上，白内障和视网膜病变是最主要的糖尿病眼部组织并发症，通过糖尿病的长期病理症状观察到晶状体的不透明现象和视网膜新生血管的形成，多元醇途径活动的增加导致山梨醇和果糖在晶状体内积累，促使细胞内的氧化和渗透压力增加，最终导致糖尿病引起的白内障。补充锌可以缓解糖尿病引起的白内障的发展和成熟，有效防止晶状体中可溶性蛋白质总量的减少及比例失衡，还能缓解交联糖化和糖化产物受体的表达，降低晶状体中的氧化应激指标。研究显示补锌可诱导糖尿病大鼠晶状体中热休克蛋白（主要为Hsp70）及晶体蛋白的表达，晶体蛋白主要分为α、β、γ-晶体蛋白，是哺乳动物晶状体的主要结构成分。其中，α-晶体蛋白在受热或其他压力条件下变性时，可避免蛋白质间的聚集，锌与α-晶体蛋白发生特异性相互作用的解离常数较低，该相互作用能够稳定α-晶体蛋白的结构并增强其蛋白质防聚集功能，在保持晶状体的透明性和预防糖尿病白内障的发生方面起着关键作用[34-35]。

3.2 白内障中Cu/Zn-SOD的重要作用

在早期多项研究中，自由基生成的增加和抗氧化活性的降低被认为在老年性白内障形成中起着重要作用。血清中的硫代巴比妥酸反应物（TBARS）是衡量系统性氧化损伤的指标，而老年性白内障患者的血清TBARS水平出现明显升高，证实了其体内脂质氧化状态的失衡。此外，白内障患者的血浆SOD活性水平明显降低，其抗氧化能力下降导致了氧化平衡向氧化应激的转移。在白内障患者中，由于处于氧化应激环境下，SOD被显著消耗，而锌作为SOD的重要金属元素，血浆中锌浓度的降低表明锌也被逐渐消耗。该研究结果显示，在消除血清锌的影响后，血浆SOD与血清TBARS表现出显著的负相关，表明血浆SOD的活性在白内障发展中至关重要[36]。与其他组织相比，晶状体中的SOD活性相对较低，其活性水平随年龄增长而下降，不同的SOD异构体也表现出不同的活性水平。许多编码抗氧剂酶的基因变异会影响酶的活性，导致ROS水平升高，增加患病的风险。迄今为止，关于白内障的众多SOD基因研究中发现的唯一基因多态性，是Cu/Zn-SOD中的多态性（rs2070424），该多态性已被证明与中国人群中皮质性和混合性白内障的发生风险有关[37]。晶状体中主要的抗氧化酶是Cu/Zn-SOD，占晶状体内SOD总活性的90%，有研究表明，白内障患者晶状体中Cu/Zn-SOD的表达水平出现明显下降，且其活性水平与铜、锌水平之间存在着紧密的正相关性[38]。在免受已知白内障发展的环境风险因素影响下，小鼠体内Cu/Zn-SOD的缺乏可增加晶状体混浊形成，细胞内超氧化物产生的氧化应激可能会在晶状体老化过程中造成损害[39]。该研究还发现野生型小鼠晶状体发育的延迟可能是由于SOD的年龄依赖性失活造成的。

4 结语与展望

随着生活水平的提高及对饮食营养结构的重视，人们对自身健康的保护意识不断增强。人口老龄化加剧伴随着眼病发病率的提高，预防和控制中老年人的眼部疾病以及全身疾病引起的眼部并发症，将显著提升中老年人的生活质量。锌作为眼组织中重要的微量元素，在维持中老年人群眼健康方面发挥着不可或缺的作用。目前锌摄入不足是全世界范围内较为普遍的现象，安全有效的补锌方式显得尤为重要。在生物生长发育期间富集微量元素以提高其营养价值的方法获得的富锌食品，可将锌由无机锌转化为人体易于吸收的有机锌或生物锌，具有稳定安全、价格低廉、锌营养价值高、易于吸收利用的优势，主要包括酵母、茶叶和谷物等。增加富锌食品在中老年人群膳食结构中的占比，能够合理预防眼部疾病的发生，但锌对眼部疾病的完整作用机制仍需不断探索，为其作为营养补充剂防治眼健康相关疾病提供更具科学性的指导。