人造光源在年龄相关性黄斑变性发生发展中的作用

周琦琪，高美玲

(温州医科大学附属眼视光医院，眼视光和视觉科学国家重点实验室，视网膜生理和疾病研究组，浙江 温州 325000)

引言

光是人类生存不可或缺的元素，随着科技的发展和生产生活的需要，人造光源不断更新迭代[1]。随着在日常照明、电子设备、景观照明、夜间作业等方面应用，人们对人造光源的需求不断提高。可见光一般指波长范围在380～700 nm的电磁波，而蓝光波长为400～480 nm，是可见光中能量更强、穿透能量更强、对眼健康威胁更严重的部分。随着人造光源在工作生活中越来越多的应用，“蓝光危害”是其不断发展过程中不容忽视的问题[2]。作为老年人视力下降甚至失明主要原因的年龄相关性黄斑变性，是一种多因素导致的视网膜变性疾病，其具体发病机制仍未完全清楚[3]。回顾过往的研究，结合人造光源在生产生活中的频繁应用，本文就人造光源在年龄相关性黄斑变性发生发展中的作用进行综述。

1 人造光源

除了自然光源外，人造光源是人类生存不可或缺的元素。从钻木取火开始人类经历了很长阶段的用火发光的历史，在这个阶段，主要的人造光源是蜡烛和油灯[1]。直到1879年爱迪生发明了白炽灯，人类开始利用电来获取光源[4]。之后人工光源不断发展，1938年美国通用电气发明了实用荧光灯，人类开始用气体来获取光源[1]。到了19世纪60年代第一个使用半导体材料制作的发光二极管(LED)问世[5]，之后科学家不断开发出发各种颜色光的LED。直到20世纪90年代，蓝光激发荧光粉产生白光的LED问世[6，7]，LED逐渐开始取代白炽灯成为主要的人造光源。

和传统的人工照明相比，LED使用寿命长、使用场所广泛、体积小、耗电量小、易于控制[1]，因此LED日益成为人们生活生产中不可或缺的人工照明工具。目前常见的白光LED本质上是由蓝光LED和黄色荧光粉耦合成的[8]。和其他可见光相比，蓝光波长只有400～480 nm，具有很高的能量，穿透力强，已多次被证实对人视网膜具有光毒性，能够导致眼病的发生[9-11]。随着对以LED为首的人造光源依赖的增加，过多的光源对人眼健康也产生了越来越多威胁[12]。

2 年龄相关性黄斑变性

年龄相关性黄斑变性(AMD)是一种发病率和年龄增长有明显相关性的发生在视网膜黄斑区域的视网膜变性类疾病，常导致患者中央视力的进行性丧失[3，13]，是老年人视力降低甚至失明的主要原因[14]。在病变的早期阶段，患者大多没有明显症状，随着疾病的发展，患者视力模糊下降尤其是中央视力，日常阅读、驾驶困难，最终可能导致失明，导致患者生活质量下降、抑郁患病率增加[13]。目前，较为经典的分类是Beckmann AMD分类研究小组于2013年根据患者临床表现将其分为没有明显年龄性改变、正常年龄性改变、早期AMD、中期AMD和晚期AMD，晚期AMD又分为地图样萎缩和新生血管性AMD[15]。地图样萎缩是指在AMD的晚期阶段，视网膜色素上皮细胞、光感受器和脉络膜毛细血管的丢失[16]，而新生血管性AMD指的是随着病程的进展，脉络膜新生血管逐渐侵入视网膜[17]。

视网膜是中枢神经系统的一部分，光线进入视网膜后穿过视网膜全层激活光感受器将光信号转化为电信号，之后将视觉信号经过双极细胞、无长突细胞传递给神经节细胞，神经节细胞的轴突汇聚成视神经，将信号传递到大脑[18]。视网膜色素上皮细胞(RPE)是位于视网膜光感受器外节和脉络膜之间含色素颗粒的单层细胞。细胞外基质和光感受器外节相互作用，基底膜和Bruch’s膜接触。RPE参与构成血—视网膜屏障，维持光感受器的功能、吞噬光感受器外节[19]。光感受器是视网膜中的感觉神经元，在外节(OS)有大量的膜盘，充满光敏蛋白。根据外节的不同，光感受器分为两种，分别为视锥细胞和视杆细胞(图1)。

在人类视网膜中，周围区域多为视杆细胞，中央区域视锥细胞致密分布被称为黄斑区域，黄斑区域非常脆弱，极易发生病变。AMD是黄斑变性中的一种，在衰老的过程中RPE吞噬光感受器代谢产生的碎片形成脂褐素荧光蛋白，脂褐素的异常积累导致RPE基质和Bruch’s膜之间形成AMD的标志性病变玻璃膜疣(drusen)[3]。RPE和光感受器之间的相互关系，使得RPE功能障碍细胞死亡后引起光感受器代谢障碍细胞死亡，最终患者视力丧失。

AMD是多种因素导致的疾病，其中最重要的危险因素是年龄，随着年龄的增长，AMD的患病率逐渐增高，几乎所有的晚期患者都为60岁以上的老年人[14，20]。此外，非遗传因素和环境因素也影响AMD的发病[20]，比如吸烟、高血压、高脂饮食、光照等。而随着工作生活中对电子设备、人工照明等需求的增加，人们不可避免地接受越来越多的光照。

3 光损伤导致年龄相关性黄斑变性的分子机制

人眼睛对可见光非常敏感，尤其是蓝绿光[21]，黄斑区域是人视觉最敏锐的部位，同时过量的光照也更容易导致黄斑区域的损伤。随着人们越来越频繁地使用LED及其衍生产品，其产生的过量蓝光对视网膜健康的威胁也越来越严重[22，23]。目前已经有很多研究证实了光照和AMD发生发展的关系[24-27]。为了研究光照对视网膜的影响，视网膜细胞和动物模型被用于光损伤机制的研究中。

3.1 光照引起线粒体损伤

在光感受器外节代谢过程中，RPE吞噬光感受器膜盘，剩余碎片形成脂褐素。双视黄醛—磷脂酰乙醇胺(A2E)是脂褐素荧光团中的一种，能够增加RPE细胞对蓝光光损伤的敏感性[28]。过去的研究表明，负载A2E的RPE细胞在蓝光的照射下产生了更多的过氧化氢和超氧阴离子，并且这些过氧化物在线粒体周围聚集，导致线粒体功能损伤[28]。OMA1是线粒体功能障碍传感器，一定条件下OMA1可以自我裂解为活化态导致线粒体的分裂[29]，在蓝光照射下，负载A2E的人视网膜上皮细胞(ARPE-19)出现线粒体碎片化、OMA1自我裂解，导致细胞的线粒体动力学损伤[30]。光照引起的线粒体损伤，尤其是线粒体DNA损伤可能是AMD发病机制的一个重要因素[31]。

3.2 细胞氧化应激

视网膜中各个细胞代谢相互协调，RPE将脉络膜血管中的葡萄糖转运到光感受器，光感受器产生的乳酸为RPE提供营养[32]。光感受器的光电转换、RPE中视觉色素的构象改变等都需要大量的能量供应。在线粒体能量代谢过程中，部分氧气代谢产生活性氧(ROS)，包括自由基在内的活性氧在细胞的信号转导中发挥重要作用。但是当ROS产生过多超过细胞抗氧化的能力时，ROS对细胞结构产生严重损害，造成氧化应激[33]。在视网膜中，RPE中脂褐素的色素成分在蓝光的照射下能够发生反应诱导ROS的产生[34]。

ARPE-19暴露在蓝光下的早期阶段，就开始产生ROS，RNA-seq的结果也显示参与氧化应激的调控因子均表达上调[35]。长期暴露在蓝光下的RGC-5细胞ROS和氧化反应的重要调节因子Nrf2的表达量均显著增加[36]。血—视网膜屏障通过调节血液和视网膜间的物质交换来维持视网膜的正常功能，RPE之间的紧密连接是血—视网膜屏障构成的关键。蓝光照射导致PRE中的PKC-ζ过度激活，从而使RPE氧化应激，进而破坏血—视网膜屏障[37]。

3.3 细胞自噬

光感受器外节(Photoreceptor Outer Segment，POS)处于不断更新的状态，RPE促进POS的更新并吞噬POS，被吞噬后的POS和溶酶体形成吞噬溶酶体并将POS降解回收，从而防止光氧化产物对光感受器的毒性作用[38]。当RPE自噬功能发生障碍，积累的POS将无法降解，从而产生大量的脂褐素，导致光感受器的死亡和AMD的发生发展[39]。与正常来源的RPE相比，AMD患者来源的RPE在培养过程中会产生更多的自噬体[40]。在一项体外实验中，细胞被蓝光照射24 h后，ARPE-19发生呈时间依赖性的自噬增加、自噬抑制因子mTORC1表达降低[35]。

3.4 细胞凋亡

细胞凋亡是光诱导细胞死亡的主要途径，过多的蓝光暴露导致ROS积累和DNA损伤，增加细胞修复负担，最终将导致细胞死亡[41]。在使用蓝光照射斑马鱼的实验中，观察到蓝光在视网膜各层都诱发了明显的TUNEL反应，并且增加了凋亡标记物caspase-3蛋白的表达[35]。在对长期蓝光照射诱导RGC-5的体外实验中，长期接受蓝光照射的RGC-5细胞活力降低、促凋亡蛋白Bax表达上调、抗凋亡蛋白Bcl-2表达下调，早期凋亡细胞数量增多[36]。蓝光暴露下的ARPE-19细胞中细胞凋亡和细胞周期阻滞的调节因子GADD45α显著上调，提示细胞凋亡[42]。在对小鼠进行为期28天每天12 h的蓝光照射后，小鼠光感受器细胞核减少，外节丢失[43]。和其他波长的光相比，暴露在蓝光下的原代Müller细胞发生细胞凋亡[44]。

3.5 铁死亡

铁死亡(ferroptosis)是有别于细胞凋亡、坏死、自噬的铁依赖性的细胞死亡途径，细胞内谷胱甘肽(GSH)耗竭，谷胱甘肽过氧化物酶4(GPX4)活性降低，脂质过氧化物不能代谢，导致二价铁氧化脂质产生大量脂质过氧化物[45]。在视网膜中含铁蛋白参与了光转导级联反应，但是过量的铁会通过亚铁离子和过氧化氢反应形成ROS毒性[46]，最终导致细胞死亡。流行病学调查显示，视网膜铁积聚是AMD的一个重要特征，主要通过诱导氧化应激介导的损伤和炎症来促进AMD的发病[47]。

有研究发现无论是将光感受器细胞系——661 W还是小鼠暴露在蓝光照射下都发现光感受器细胞铁含量显著上升、GSH水平显著下降、铁死亡调节因子SLC7A11和GPX4蛋白表达下调[48]，说明光照诱导了光感受器发生铁死亡。GSH-GPX4和FSP1-CoQ10-NADH系统是细胞中的氧化还原调节系统[49]。蓝光照射下ARPE-19发生和光感受器细胞相似的变化，细胞内二价铁离子爆发，脂质过氧化物LPOs积累、细胞活力下降，GSH和NADH表达水平下调，CoQ10活性降低。使用去铁胺(DFO)后蓝光诱导的铁离子升高被抑制、LPOs积累减少并且SH-GPX4和FSP1-CoQ10-NADH系统不平衡被逆转[50]。暴露于可见光会诱导铁从铁蛋白释放，从而导致光感受器外段发生脂质过氧化[51]。光照使视网膜易受氧化应激介导的损伤，而铁过载会增加氧化应激和放射敏感性[52]。而且铁离子螯合剂(α-lipic acid)能够保护小鼠视网膜光感受器细胞光损伤，也间接说明了铁死亡可能是光照诱导的视网膜细胞死亡的主要途径[53]。

4 年龄相关性黄斑变性的防治措施

AMD是发达国家60岁以上成年人失明的主要原因。到2040年患病人数可能达到2.88亿[54]，随着我国老龄化的加重，AMD病人也逐渐增多。但是AMD目前仍然是一个无法治愈的疾病。在《中国年龄相关性黄斑变性临床诊疗指南(2023年)》[14]中，目前早中期患者的治疗目标是防止发展为进展期AMD，防止视力的明显下降。目前药物治疗方面局限于微量元素的补充。对于新生血管性的AMD主要是抗VEGF治疗和激光治疗[3，13，14]。另外，对于干细胞移植治疗AMD的临床研究也证实，干细胞移植可以提高AMD患者的最佳矫正视力[55]。

目前对于AMD的预防主要针对AMD的危险因素进行。在AMD发生发展中伴随着氧化应激，在一些动物实验中已经证实，坚持富含抗氧化剂的饮食可以得到抗氧化的作用[56]。类胡萝卜素叶黄素是主要的黄斑色素，是已知的直接抗氧化剂，可以激活ARPE-19细胞中的Nrf2[57]。吸烟可以显著增加发生AMD的风险，被动吸烟同样增加风险，改善生活习惯，戒烟可以降低得病风险[58]。高能量蓝光带来的光毒性会对视网膜造成伤害，蓝光滤光片的保护可以消除ARPE-19蓝光暴露造成的血管生成素分泌减少的问题[59]。对光源蓝光危害等级评价标准的建立、对“蓝光危害”的正确认识[2]和对LED产品改良一定程度上也降低了疾病风险。