红景天苷防治眼科疾病的研究进展

裴铮 赵芳 张红

红景天是一种景天科大花红景天[Rhodiolacrenulata(HK.f.et.Thoms) H.Ohba]的干燥根和根茎,素有“高原人参”之美誉,具有“扶正固本”的“适应原样”作用[1];本品味甘,性寒,归脾、肺经,具有益气、活血、通脉之功效。《本草纲目》记载“红景天,本经上品,祛邪恶气,补诸不足”是“已知补益药中所罕见”。药理学研究表明,红景天的主要化学分包括氰苷类、黄酮类、萜类、苯酚类等,被广泛用于防治各类疾病,具有保护心脑血管、抗糖尿病、抗疲劳、保护中枢神经、抗肿瘤及抗抑郁等作用[2-3]。红景天苷是从中药大花红景天分离提取的苯丙素苷,是一种对羟基苯乙基-β-葡萄糖苷化合物,具有耐缺氧[4-5]、抗炎[6]、抗氧化[7]、保护神经[8-9]、抗衰老[10]、调节免疫[11]等广泛药理活性。随着对红景天苷药理作用的深入研究,不仅涉及心血管系统、神经系统、呼吸系统及内分泌系统等领域,同时在防治眼科疾病方面也具有良好的临床应用前景。现本文就近年来国内外红景天苷治疗相关眼科疾病的最新研究进展作一综述。

1 红景天苷防治糖尿病性视网膜病变的研究进展

糖尿病性视网膜病变(diabetic retinopathy,DR)是常见的糖尿病微血管并发症之一,与视网膜炎症、氧化应激损伤等密切相关[12]。研究发现,红景天苷通过抑制机体氧化应激和免疫炎症反应,保护视网膜色素上皮细胞、视网膜血管内皮细胞及Müller细胞,从而减轻了糖尿病眼底的微血管病变,并保护了视网膜正常屏障功能,为DR的防治提供了切实可行的治疗思路。

1.1 保护视网膜色素上皮细胞

视网膜色素上皮(retinal pigment epithelium,RPE)是外层血—视网膜屏障的重要组成部分,是视网膜最易受损的细胞群之一,RPE功能障碍包括细胞凋亡,被认为与糖尿病性视网膜病变的发生、发展有关[13]。miR-138作为一种肿瘤抑制因子,参与调控细胞增殖、转移、细胞周期,miR-138可以通过靶向丙酮酸脱氢酶激酶1抑制细胞活力,迁移和侵袭,诱导细胞凋亡[14]。Qian C等[15]研究发现,红景天苷可以通过下调miR-138的表达水平,并进一步激活磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B(phosphatidylinositiol 3-kinase/protein kinase B,PI3K/AKT )和单磷酸腺苷活化蛋白激酶(Adenosine 5-monophosphate-activated protein kinase,AMPK)途径抑制与DR相关的小胶质细胞中的氧化应激和促炎反应,来减轻高糖对人视网膜色素上皮细胞(adult retinal pigment epithelial cell line-19,ARPE-19)的损伤,通过降低炎性细胞因子肿瘤坏死因子-α与白介素(interleukin,IL)-6及活性氧(reactive oxygen species,ROS)的表达水平,增加细胞活性,以抑制ARPE-19细胞的凋亡,说明红景天苷具有抗凋亡、抗炎及抗氧化特性。

1.2 保护视网膜血管内皮细胞

视网膜血管内皮细胞是血—视网膜内屏障的重要组成部分,保护视网膜免受循环或代谢产物的损伤。内皮细胞参与调节血管生成、炎症反应[16],还分泌多种细胞介质,调节血小板聚集、纤维蛋白溶解、凝血和血管张力等[17]。在DR的发生发展过程中,微血管阻塞引起视网膜缺血缺氧,内皮细胞上的受体被激活,促进内皮细胞过度增殖、通透性增加,从而导致微动脉瘤形成、浆液渗出和组织损伤[18]。氧化应激直接诱导生化或分子事件的级联反应,产生大量ROS改变细胞内氧化还原状态,从而导致视网膜血管内皮氧化损伤[19]。有研究表明,红景天苷可以通过抗炎、抑制氧化应激,改善线粒体功能障碍以保护血管内皮细胞[20-22]。Shi X等[23]研究发现ROBO4是通过miR-138靶向调节的,ROBO4过表达削弱了miR-138在人视网膜微血管内皮细胞(human retinal microvascular endothelial cells,HRMECs)损伤中的作用。红景天苷可降低 miR-138 表达,增加 PI3K/AKT/mTOR 通路的激活,通过调节miR-138/ROBO4轴来防止缺氧诱导的HRMECs损伤。Shi K等[24]研究发现红景天苷可以降低H2O2诱导的视网膜血管内皮细胞凋亡,抑制H2O2诱导的细胞ROS产生、丙二醛生成;同时上调过氧化氢酶与超氧化物歧化酶(sukeroxide dismutase,SOD)的表达,升高B淋巴细胞瘤-2基因(B-cell lymphoma-2,Bcl-2)/Bcl-2相关X蛋白(Bcl-2-associated X,Bax)的比值。说明了红景天苷具有抗氧化特性,可能通过激活Bcl-2/Bax信号通路和内源性抗氧化酶的活性以保护视网膜血管内皮细胞免受氧化损伤。

1.3 保护视网膜Müller细胞

Müller细胞是视网膜主要的神经胶质细胞,约占视网膜神经胶质的90%;是唯一跨越视网膜整个宽度的细胞,与视网膜血管和视网膜神经元都有紧密的联系[25]。Müller细胞功能主要包括以下3个方面:(1)对神经递质、视黄酸化合物、离子(如K+)的吸收和再循环;(2)促进视网膜新陈代谢和营养支持;(3)调节血流和稳定血—视网膜屏障内外平衡。DR发展过程中,Müller细胞释放大部分调节血流、血管通透性、细胞存活等生长因子、细胞因子及趋化因子[26]。Müller细胞在DR中被激活的最明显标志之一,是胶质纤维酸性蛋白(glial fibrillary acidic protein,GFAP)的表达上调[27]。此外,Müller细胞可以调节谷氨酸的表达,谷氨酰胺合成酶(glutamine synthetase,GS)是一种神经胶质特异性酶,也是调控神经递质谷氨酸循环利用和防止谷氨酸积累的关键酶[28]。高糖环境下,炎症因子如IL-1β的表达增加,可以下调Müller细胞GS的表达,使得清除谷氨酸能力下降,加剧视网膜损伤[29-30]。冯闯等[31]研究发现红景天苷可以上调GFAP和GS的表达,降低视网膜谷氨酸的含量,对DR状态下的Müller细胞起到一定的神经保护作用。赵宁等[32-33]通过研究发现,与高糖损伤组比较,红景天苷组Müller细胞存活率、SOD和过氧化氢酶活力明显升高,ROS表达含量和活化性半胱天冬酶-3蛋白表达水平明显下降,p-Akt/Akt蛋白表达比值增加(P<0.05)。红景天苷可提高Müller细胞增值活性,Bcl-2蛋白表达,降低环氧合酶(cyclooxygenase 2,COX2)、前列腺素E2(prostaglandin E2,PGE2)、Bax的蛋白表达水平及细胞凋亡率。Li J 等[34]用红景天苷抑制高糖条件下视网膜Müller细胞炎症因子IL-22的激活和分泌,并抑制DR的炎症反应。说明红景天苷具有抗凋亡和抗氧化特性,可能通过激活PI3K/Akt通路抑制高糖诱导的氧化应激和细胞凋亡,通过COX2/PGE2信号通路及IL-22/STAT3信号通路对高糖环境下视网膜Müller细胞凋亡发挥抑制作用,以保护视网膜Müller细胞免受氧化损伤。

2 红景天苷防治青光眼的研究进展

青光眼是一种致盲性视神经病变,可造成视网膜神经节细胞(retinal ganglion cells,RGCs)凋亡,眼内压升高是青光眼致病的主要危险因素。研究表明,红景天苷具有抗氧化和抗细胞凋亡特性,可保护小梁网细胞及视网膜神经节细胞,防治青光眼的发生发展。

2.1 保护小梁网细胞

小梁网由小梁网细胞(trabecular meshwork cells,TMCs)在细胞外基质(extracellular matrix,ECM)内交错成多层组织构成,具有调节房水引流以控制眼内压的作用[35]。已有研究证实,小梁网处房水引流阻力异常增加与小梁网硬化或纤维化有关,涉及TMCs衰老或凋亡以及ECM重塑[36]。转化生长因子-β2(transforming growth factor-β2,TGF-β2)是一种促纤维化细胞因子,在青光眼人群房水内呈高水平表达[37]。小梁网是TGF-β2的内源性来源,通过诱导TMCs合成金属蛋白酶无法降解的某些基质成分而升高眼内压,同时抑制可用ECM的降解[38]。Fan Y等[39]研究发现,红景天苷可以抑制人TMCs中TGF-β2诱导的ECM表达最小化,同时可以降低TGF-β2引起的小鼠眼内压升高。说明红景天苷通过调控TGF-β2信号通路,在调节眼内压、ECM重塑中发挥着重要作用,这可能是一种潜在有效的治疗方法。Zhao S等[40]发现,miR-210-3p在原发性开角型青光眼患者的TM组织和TGF-β2处理的人TM细胞中的表达显著增加,其下调也部分降低了TGF-β2诱导的ECM积累。红景天苷可以通过下调miR-210-3p的表达,减弱TGF-β2诱导的TM和高眼压症中ECM的积聚。为原发性开角型青光眼的治疗提供新的潜在策略。

青光眼的发生发展与ROS的异常蓄积,引起脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid,DNA)、蛋白质和脂质的氧化损伤,从而诱导细胞凋亡、自噬和突变有关[41]。小梁网的形态和功能异常与氧化应激密切相关。研究表明,氧化应激会导致小梁网ECM重塑,诱导TMCs功能障碍阻塞房水引流,造成病理性眼内压升高[41]。H2O2作为主要的ROS,通过改变细胞内的氧化还原状态引起氧化损伤。Zhao J等[42]通过H2O2处理人TMCs构建体外氧化损伤模型,结果发现,红景天苷可以明显提高细胞活力,降低活化性半胱天冬酶-3/-9表达和增加ROS的产生,同时上调miR-27a;相反miR-27a抑制剂显著逆转了红景天苷对H2O2损伤人TMCs的保护作用。说明红景天苷具有抗氧化和抗凋亡特性,其调控机制可能与红景天苷通过miR-27a激活PI3K/AKT和分泌性糖蛋白/β-连环蛋白(wingless int/β-catenin,Wnt/β-catenin)通路,从而保护HTM细胞免受H2O2引起的氧化损伤有关。

2.2 保护视网膜神经节细胞

视网膜神经节细胞属于中枢神经神经元,其胞体位于视网膜内层,轴突汇集构成视神经[43]。青光眼是一组以进行性视神经轴突变性和继发RGCs丢失为特征,导致视功能不可逆性损害的神经退行性疾病[44]。视网膜的输出神经元—RGCs变性或凋亡是青光眼的共同病理结局[45]。因此,延缓或阻止RGC丢失已被公认为是保护青光眼视功能的重要研究策略,这对探索新的、潜在的神经保护靶点具有重要意义。青光眼性视神经损伤的发病机制复杂,主要包括:氧化应激、谷氨酸兴奋性毒性损伤、轴突转运障碍、神经营养因子剥夺、内源性和外源性凋亡信号激活、线粒体功能障碍等[43]。在病理性高眼压状态下,视网膜谷氨酸局部浓度升高,激活RGCs上的N-甲基-D-天(门)冬氨酸(N-methyl-D-aspartate,NMDA)受体,引发Ca2+内流,通过胞内一系列级联反应诱导RGCs凋亡或死亡[46]。一般来说,青光眼视神经保护均选择NMDA介导RGCs损伤建立体内(或体外)模型进行药物干预、病因学及病理学研究[47]。向圣锦等[48]通过玻璃体腔注射NMDA诱导C57小鼠谷氨酸兴奋性毒性视神经损伤模型,以红景天苷进行干预,结果发现,与模型组相比,红景天苷可以提高RGCs存活率,下调视网膜半胱天冬酶-3和半胱天冬酶-8的表达水平,且呈剂量依赖性。说明红景天苷具有拮抗谷氨酸兴奋性毒性,能够抑制NMDA介导的RGCs损伤,促进RGCs存活,保护视神经。

3 红景天苷防治年龄相关性黄斑变性的研究进展

年龄相关性黄斑变性(age-related macular degeneration,AMD)是一种视网膜退行性疾病,以视网膜色素上皮(retinal pigment epithelium,RPE)细胞、光感受器和脉络膜毛细血管降解为特征,但AMD细胞凋亡的确切机制尚不完全清楚[49]。脉络膜新生血管(choroidal neovascularizzation,CNV)是AMD的一种常见并发症,会导致严重的视力丧失。研究表明,红景天苷具有抑制氧化应激,抑制RPE细胞凋亡,防治CNV生成等作用,是一个潜在的治疗AMD的药物。

3.1 保护视网膜色素上皮细胞

RPE细胞是一种位于光感受器外节(顶端)和Bruch膜与脉络膜血管(基底)之间的高度特化的、独特的单层上皮细胞;RPE富含线粒体,具有高代谢活性,衰老的线粒体会产生大量ROS[50-51]。研究发现,RPE的氧化应激是促成AMD进展的重要因素[52]。AMD会发生过度的氧化应激,导致大量细胞活性氧中间体ROS(如自由基、H2O2)及氧代谢副产物(阳离子等)蓄积,从而对RPE细胞的线粒体DNA造成氧化损害[53]。大量研究表明,RPE细胞暴露于强氧化剂H2O2产生大量ROS诱导氧化级联反应,致使RPE细胞的损伤,甚至凋亡或坏死[54-55]。因此,抑制氧化应激诱导的RPE细胞损伤可能是AMD的治疗策略。Yin Y等[56]将ARPE-19细胞暴露于200 μM H2O224小时,利用不同剂量的红景天苷进行干预,结果发现红景天苷可提高RPE细胞活力和抑制RPE细胞氧化应激损害和细胞凋亡,同时升高ARPE-19细胞中Akt和糖原合成酶激酶-3(glycogen synthase kinase-3β,GSK-3β)的磷酸化表达水平。这可能与红景天苷通过激活Akt/GSK-3β信号通路保护RPE细胞免受氧化应激损伤的作用机制有关。

3.2 防治脉络膜新生血管生成

CNV是AMD的一种常见并发症,可迅速发展致视力丧失[57-58]。目前针对CNV的标准治疗方案是抗血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)[59],然而,患者需要频繁的玻璃体内注射,不但会导致各种并发症[60-61],且仍有部分患者对抗VEGF治疗应答不明显[62-63]。缺氧诱导因子-1(hypoxia-inducible factor-1,HIF-1)是一种氧敏感性转录激活因子[64],其参与介导缺氧所致细胞和组织产生一系列细胞增殖和血管生成的基因的转录。研究表明,VEGF的表达在光诱导的CNV的动物模型和AMD患者中均显著增加[65]。此外,VEGF的基因转录主要受HIF-1调控。因此,HIF-1通路是针对CNV的抗血管生成疗法的有希望的靶标。Yang H等[66]研究发现,红景天苷能明显抑制缺氧条件下RF/6A细胞的迁移和微血管形成活性。红景天苷还能降低RF/6A细胞中VEGF和HIF-1的表达水平。因此,红景天苷可能是一个潜在的新的治疗CNV的药物。

4 红景天苷防治白内障的研究进展

白内障是全球首位致盲性眼病,最常见类型是年龄相关性白内障,特征性表现是晶状体混浊。年龄增长被认为是白内障最重要的危险因素[67]。晶状体由外层晶状体囊、中层晶状体上皮、内层晶状体纤维组成;晶状体上皮层由单层晶状体上皮细胞组成,具有重要的代谢活性(如氧化、交联)[68]。晶状体上皮细胞迁移至赤道部,分裂、分化形成晶状体纤维,逐渐向中心挤压,随着年龄的增长,晶状体核越来越硬化和不透明[69]。以往研究证实,氧化应激伴晶状体内氧自由基蓄积被认为是年龄相关性白内障形成的始动因素[70-71]。大量研究证实,晶状体上皮细胞的氧化应激损伤与白内障的形成密切相关,强氧化剂H2O2可对人晶状体上皮细胞(human lens epithelial cells,HLEC)造成氧化损伤[72-74]。刘礼婷等[75]研究发现,红景天苷可以明显抑制H2O2诱导的HLEC细胞活力下降,抑制细胞内ROS生成,引起HLEC内SOD、谷胱甘肽过氧化物酶水平的升高及丙二醛水平的下降。Zhu F等[76]研究发现,红景天苷对H2O2诱导的HLEC细胞具有保护作用,可能与上调凋亡基因Bcl-2,下调促凋亡基因Bax和半胱天冬酶-3的表达有关。上述研究表明,红景天苷具有显著的抗氧化活性,可能是防治白内障的一种潜在有效药物。

5 红景天苷防治近视的研究进展

近视是最常见的屈光障碍,是视力损害的主要原因,其患病率呈逐年攀升趋势,已成为全球严重的公共卫生问题[77]。近视发病机制尚不明确,缺乏有效的治疗手段。通常认为,近视是以脉络膜厚度薄变、脉络膜血流灌注减少,从而出现巩膜缺氧与细胞外基质ECM重塑为特征,最终导致眼轴延长和近视的进展[78-80]。HIF-1α是介导缺氧反应基因表达的关键转录因子,在缺氧组织内呈表达上调趋势[81]。大量研究表明,巩膜缺氧是诱发近视的关键触发因素,近视巩膜组织内HIF-1α表达水平升高[82-84]。红景天苷具有抗缺氧特性,可以下调缺氧组织内HIF-1α的表达[85]。Wu H等[78]通过红景天苷干预形觉剥夺近视豚鼠,结果发现红景天苷可以下调HIF-1α的表达以及eIF2α和mTOR的磷酸化表达水平,且与低剂量组相比,高剂量组可显著抑制眼轴和玻璃体腔深度的延长。说明红景天苷具有抗缺氧特性,可以有效抑制近视的发展,且呈剂量依赖性。因此,巩膜缺氧在巩膜ECM重塑和近视发展中发挥着重要的作用,改善巩膜缺氧可能是控制人类近视进展的有效治疗策略。

6 红景天苷防治干眼症的研究进展

干眼症是常见的眼部疾病,主要因泪膜稳定性丧失,泪液质或量异常而引起眼表损害,从而导致眼部干涩、视疲劳、异物感等多种症状,甚至视力受损[86-87]。越来越多的证据表明,氧化应激水平升高在干眼症的进展中起着至关重要的作用[88-90]。在氧化应激的调节中,核因子红细胞-2相关因子2是保护性抗氧化剂的关键调节剂。细胞内ROS的过度积累会导致氧化应激失调,影响细胞内调节DNA、蛋白质等物质的活性,从而损伤人角膜上皮细胞[91]。Liang Q等[92]用红景天苷进行的局部滴眼液治疗恢复了干眼症小鼠的角膜上皮损伤,增加了泪液分泌,并减少了角膜炎症。红景天苷通过激活AMPK-Sirt 1信号通路促进自噬,AMPK-Sirt 1信号通路促进红细胞-2相关因子2核转位并最终缓解氧化应激。为临床上干眼病提供了一种潜在的治疗策略。

7 小结

红景天苷作为大花红景天的有效单体活性成分,具有抗氧化、抗炎、耐缺氧等广谱的药理活性。不仅有广泛的药源,而且价格低廉,无明显毒副作用。红景天苷具有多靶点—多途径的整体调节特征,可以保护眼部各组织内RPE细胞、视网膜血管内皮细胞及RGCs及TMCs等免受氧化应激、炎症等损伤。红景天苷已经广泛应用于抗肿瘤、心脑血管疾病、神经系统疾病等,但是在眼科临床应用还是相对较少。随着对红景天苷的深入研究,其在防治眼科疾病方面已越来越受到关注,相信不久的将来红景天苷一定会在眼科临床得到广泛应用,为广大眼科患者带来光明希望。