賀平, 項(xiàng)道滿

廣州市婦女兒童醫(yī)療中心(廣東廣州 510623)

雖然經(jīng)歷了幾個(gè)世紀(jì)研究，對(duì)于屈光不正的病因機(jī)制仍知之甚少。該領(lǐng)域目前仍缺乏有效的生物學(xué)框架來(lái)定義眼球屈光發(fā)育。隨著現(xiàn)代社會(huì)的進(jìn)步，電腦的普及，屈光不正特別是近視的發(fā)病率逐年增高[1]。近視是最常見(jiàn)的一種屈光不正，是裸眼視力減退的主要原因，其定義為：在沒(méi)有屈光調(diào)節(jié)的前提下，進(jìn)入眼的平行光線(距離>5 m)匯聚于視網(wǎng)膜的光感受器之前，而不是聚焦在視網(wǎng)膜上[1]。我國(guó)學(xué)者通過(guò)對(duì)近視人群進(jìn)行普查發(fā)現(xiàn)青少年為近視發(fā)病的高發(fā)群體，發(fā)病率高達(dá)50%～60%[1]。Holden通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)分析估計(jì)在2000年有14.06億人患有近視(約占世界人口的22.9%)，推測(cè)在2050年將有47.89億人會(huì)被近視困擾[2]。而近視又是視網(wǎng)膜脫離、黃斑變性、開(kāi)角型青光眼及白內(nèi)障等疾病的危險(xiǎn)因素。長(zhǎng)期以來(lái)，學(xué)者一直認(rèn)為遺傳與環(huán)境的相互作用導(dǎo)致了近視的發(fā)生和發(fā)展。隨著人類全基因組計(jì)劃的實(shí)施，眾多的基因被認(rèn)為與近視相關(guān)[3-5]。然而這些基因存在種群特異性，且很難應(yīng)用動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證實(shí)這些基因。雖然近視基因的清單一直在擴(kuò)大，但目前仍無(wú)有效的基因手段治療近視。Cheng[6]認(rèn)為遺傳因素與高度近視密切相關(guān)，而對(duì)于中低度近視或者被稱為“學(xué)校相關(guān)近視”，現(xiàn)代環(huán)境中的非遺傳因素起著更大的作用。與近視相關(guān)的環(huán)境因素包括較高的社會(huì)經(jīng)濟(jì)地位、較高的智力測(cè)驗(yàn)分?jǐn)?shù)、較高的文化水平、城市環(huán)境及戶外活動(dòng)減少等因素[7-9]。有研究表明光暴露因素可能與近視的發(fā)生有密切的聯(lián)系。早在19世紀(jì)，學(xué)者認(rèn)為光線不足或戶外活動(dòng)減少是導(dǎo)致近視的環(huán)境因素[10]。有實(shí)驗(yàn)證實(shí)動(dòng)物處于明亮的光照條件下(如10 000～40 000 lux)，近視的發(fā)生率明顯減少[11]。橫斷面調(diào)研和前瞻性研究表明，增加戶外活動(dòng)時(shí)間可以有效預(yù)防兒童近視的發(fā)生，減少約9%的發(fā)病率，并且可以降低近視的進(jìn)展，約每年減少0.2屈光度[12-13]。戶外活動(dòng)防治近視的保護(hù)機(jī)制被認(rèn)為是室外的光照強(qiáng)度明顯高于室內(nèi)，視網(wǎng)膜釋放的多巴胺增加，而這種神經(jīng)遞質(zhì)被認(rèn)為與屈光的發(fā)展有關(guān)。本文通過(guò)對(duì)文獻(xiàn)的回顧，分析生物鐘紊亂與近視發(fā)病之間的關(guān)系，并進(jìn)一步探討視網(wǎng)膜生物化學(xué)及分子生物學(xué)中的相關(guān)機(jī)制。

1 中樞生物鐘及其分子機(jī)制

晝夜節(jié)律是晝夜24 h的生物學(xué)變化規(guī)律，它由生物鐘控制。生物鐘是基于細(xì)胞的自主分子計(jì)時(shí)機(jī)制。生物鐘可以調(diào)節(jié)人類的起居、睡眠、血壓和心率、激素分泌、體溫、新陳代謝及其他生理過(guò)程。生物鐘是由下丘腦的視交叉上核(suprachiasmatic nuclei, SCN)直接或間接控制，通過(guò)改變放電頻率影響下游的神經(jīng)元進(jìn)而控制日常的生理活動(dòng)。

生物鐘是由一組 “時(shí)鐘基因”的轉(zhuǎn)錄-翻譯反饋循環(huán)(transcriptional-translational feedback loops, TTFL)所控制，如圖1所示[14]。在TTFL的核心是在PAS 區(qū)域的轉(zhuǎn)錄因子Clock(circadian locomotor output cycles kaput) 和Bmall。Clock 和 Bmall 以二聚體的形式結(jié)合到crytochrome(Cry1和Cry2)基因的啟動(dòng)子上，激活周期基因(Per1、 Per2和Per3)并開(kāi)始轉(zhuǎn)錄, 并進(jìn)一步激活酪蛋白激酶，使PER磷酸化。由此產(chǎn)生的復(fù)合產(chǎn)物轉(zhuǎn)移至細(xì)胞核內(nèi)抑制 Clock/Bmall 介導(dǎo)的周期轉(zhuǎn)錄和Crytochrome 基因的表達(dá)。這些基因相關(guān)蛋白轉(zhuǎn)錄和翻譯的時(shí)間延遲，以及其中的磷酸化，核轉(zhuǎn)入和蛋白降解等組成了日常的生物鐘節(jié)律。另一項(xiàng)TTFL 涉及Clock/Bmall 激活Rev-erb-a (RE) 和Rora (R)基因，該基因的蛋白產(chǎn)物與Bmall1啟動(dòng)子的Rev-erb/Ror 區(qū)域結(jié)合，驅(qū)動(dòng)Bmall1規(guī)律的表達(dá)。并進(jìn)而激活下游時(shí)鐘基因信號(hào)通路。研究表明時(shí)鐘基因存在功能性的重復(fù)，以確保某些基因異常表達(dá)下，生物鐘仍能持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)[15-16]。

2 外周生物鐘

在20世紀(jì)80年代早期，學(xué)者認(rèn)為脊椎動(dòng)物的晝夜節(jié)律僅由視交叉上核產(chǎn)生。然而在1983年，發(fā)現(xiàn)非洲爪蛙眼睛中存在視交叉上核以外的生物鐘，即由褪黑素合成酶及血清N-乙酰轉(zhuǎn)移酶所介導(dǎo)的生物節(jié)律。在爪蛙眼球的體外器官培養(yǎng)模型中發(fā)現(xiàn)，視網(wǎng)膜中光感受器產(chǎn)生褪黑素節(jié)律性的釋放可被光或多巴胺所控制。而這中節(jié)律也在其他哺乳動(dòng)物中存在[18]。時(shí)鐘基因存在與許多視網(wǎng)膜細(xì)胞類型中，包括視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞、雙極細(xì)胞、水平細(xì)胞、無(wú)長(zhǎng)突神經(jīng)細(xì)胞、神經(jīng)節(jié)細(xì)胞和穆勒神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞，以及光感受器細(xì)胞和視錐細(xì)胞[19-20]。

視網(wǎng)膜上的時(shí)鐘基因與視交叉上核的時(shí)鐘基因一致[21-22]。多巴胺被認(rèn)為是屈光發(fā)育的調(diào)節(jié)因子且在生物鐘節(jié)律系統(tǒng)中發(fā)揮重要的作用。時(shí)鐘基因在分泌多巴胺的細(xì)胞中高表達(dá)，同時(shí)多巴胺調(diào)節(jié)視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞，光感受器和視網(wǎng)膜神經(jīng)細(xì)胞的時(shí)鐘基因表達(dá)[23-25]。研究表明，多巴胺和視網(wǎng)膜生物鐘之間的相互作用可能影響屈光發(fā)育以及近視的發(fā)生[26-28]。見(jiàn)圖2。

圖2 眼球視網(wǎng)膜不同層面與生物鐘相關(guān)的生理過(guò)程[29]

3 視黑素對(duì)生物鐘的影響

20世紀(jì)90年代，一系列研究表明，視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞并不是小鼠晝夜節(jié)律光感受所必須的，為另一種非桿狀，非錐狀的光感受器提供證據(jù)[30-31]。隨后一種調(diào)節(jié)光誘導(dǎo)真皮黑素細(xì)胞遷移的視蛋白被發(fā)現(xiàn)并命名為X. laevis 即視黑素[32]。這種視蛋白廣泛存在于哺乳動(dòng)物及非哺乳動(dòng)物中。由于爪蟾和哺乳動(dòng)物的基因序列類似，視黑素有兩種形式，分別命名為OPN4x和OPN4m[33]。OPN4 被發(fā)現(xiàn)只在視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的一個(gè)亞群中表達(dá)，即固有感光性視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞(intrinsically photosensitive retinal ganglion cells, ipRGCs)[34]。ipRGCs 會(huì)接受光信號(hào)，激活視黑素的表達(dá)，通過(guò)軸突的信號(hào)傳導(dǎo)，進(jìn)一步激活視交叉上核[35-36]。不同于視錐細(xì)胞和視桿細(xì)胞的光感受器對(duì)光的超極化現(xiàn)象，ipRGCs表現(xiàn)出對(duì)光的去極化現(xiàn)象，類似于無(wú)脊椎動(dòng)物的光感受器。IpRGCs 既可以將信號(hào)傳導(dǎo)至視交叉上核來(lái)影響生物鐘節(jié)律，又可以通過(guò)逆行信號(hào)影響視網(wǎng)膜信號(hào)處理。多巴胺分泌細(xì)胞與ipRGCs以突觸相聯(lián)系，因此多巴胺可以調(diào)控視黑素的表達(dá)[37]。

研究表明增加戶外活動(dòng)時(shí)間和增加光照暴露可以預(yù)防近視[38]，而且增加光照強(qiáng)度可以抑制近視動(dòng)物模型屈光不正的發(fā)展[39]。IpRGCs可以捕捉峰值在484 nm 短波長(zhǎng)光(這種波長(zhǎng)在太陽(yáng)光譜中最常見(jiàn))從而誘導(dǎo)視網(wǎng)膜多巴胺含量增加。通過(guò)對(duì)小鼠OPN4基因進(jìn)行敲除，發(fā)現(xiàn)與野生型小鼠相比，基因敲除鼠在4周時(shí)，近視程度明顯更高，16周后這一差距更加明顯。結(jié)果表明視黑素信號(hào)通路對(duì)小鼠正常的屈光發(fā)育和視覺(jué)形態(tài)剝奪近視都有影響。為進(jìn)一步了解視黑素對(duì)近視的影響，應(yīng)用單色光飼養(yǎng)豚鼠，發(fā)現(xiàn)在短波長(zhǎng)藍(lán)光(480 nm,視黑素節(jié)細(xì)胞敏感峰值)下飼養(yǎng)的動(dòng)物比綠光下(波長(zhǎng)530 nm)飼養(yǎng)的動(dòng)物，近視度數(shù)少200度。同時(shí)藍(lán)光下飼養(yǎng)的動(dòng)物視黑素mRNA和蛋白都比綠光下的要多[40]。

IpRGCs還可以調(diào)節(jié)松果體中褪黑素的釋放[41]。最近研究表明近視可能導(dǎo)致睡眠質(zhì)量下降，Jee等[42]發(fā)現(xiàn)韓國(guó)青少年睡眠時(shí)間與近視程度成反比。學(xué)者發(fā)現(xiàn)高度近視的兒童睡眠質(zhì)量評(píng)分問(wèn)卷中Pittsburgh Sleep Quality Index (PSQI)得分最低[43]。另一項(xiàng)研究發(fā)下早晨褪黑素濃度與近視程度呈正相關(guān)，在近視患者中褪黑素的濃度是正常人的3倍[44]。

4 生物鐘與眼球的生長(zhǎng)發(fā)育

研究發(fā)現(xiàn)晝夜節(jié)律會(huì)對(duì)眼球的軸向長(zhǎng)度，脈絡(luò)膜厚度，鞏膜生物合成率及眼內(nèi)壓存在潛在的影響。Weiss和Schaeffel 最先報(bào)道眼軸的長(zhǎng)度每天會(huì)出現(xiàn)周期性的變化[45-46]。隨著超聲波及非接觸激光測(cè)量?jī)x的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)脈絡(luò)膜的厚度也會(huì)出現(xiàn)晝夜節(jié)律變化，在夜間變厚而在白天變薄，而眼球軸向長(zhǎng)度則出現(xiàn)相反的變化(圖3)。這種節(jié)律也同樣存在于靈長(zhǎng)類動(dòng)物，在年幼的狨猴中，眼球軸向長(zhǎng)度白天達(dá)到峰值，脈絡(luò)膜厚度夜間達(dá)到峰值。而在年長(zhǎng)的狨猴中，軸向長(zhǎng)度和脈絡(luò)膜厚度夜間同時(shí)達(dá)到峰值。其差異可能由于不同的眼球生長(zhǎng)速率有關(guān)[47]。在不同年齡段人群(7～53歲)中眼軸長(zhǎng)度經(jīng)歷晝夜節(jié)律變化，人類眼球的軸長(zhǎng)在中午最長(zhǎng)，晚上最短，日變化的平均幅度為25～45 μm[48-49]。另一項(xiàng)研究中連續(xù)2 d(從早上9點(diǎn)至晚上9點(diǎn)，每隔3 h)測(cè)量眼球的晝夜節(jié)律發(fā)現(xiàn)，年齡匹配的近視患者和正常對(duì)照人群具有相同的節(jié)律變化幅度和間隔[49]。眼軸長(zhǎng)度日變化只會(huì)造成人眼0.06～0.11D的視覺(jué)差別[50]。未來(lái)的研究需要更多關(guān)注近視進(jìn)展的青少年及正常對(duì)照的青少年眼球變化的關(guān)系，以便更好地解釋眼球日變化節(jié)律和屈光不正發(fā)展之間的關(guān)系。

圖3 眼軸平均長(zhǎng)度變化(黑色圓點(diǎn))和脈絡(luò)膜平均厚度(白色圓點(diǎn))一天之內(nèi)變化曲線[47]

Weiss和Schaeffel 發(fā)現(xiàn)當(dāng)剝奪眼睛的形態(tài)視覺(jué)，就會(huì)導(dǎo)致眼軸的過(guò)度伸長(zhǎng)和近視的產(chǎn)生。眼球生物鐘節(jié)律的變化，使眼軸不會(huì)像正常那樣夜間變短，而是夜間和白天都在生長(zhǎng)[45]。這表明晝夜節(jié)律會(huì)影響眼球屈光的發(fā)育，同時(shí)影響眼球的生長(zhǎng)速率。有研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)遠(yuǎn)視鏡片來(lái)延緩眼軸生長(zhǎng)，導(dǎo)致眼軸節(jié)律的相位延遲和脈絡(luò)膜節(jié)律的相位提前。在佩戴近視鏡的眼球節(jié)律與形覺(jué)剝奪的眼球相似。從形覺(jué)剝奪與離焦所造成的眼球生長(zhǎng)的不同速率來(lái)看，生長(zhǎng)速度和兩種節(jié)律相位差之間存在正相關(guān)系，支持了兩者的因果關(guān)系[47]。

眼球生長(zhǎng)的速度會(huì)因近視離焦和遠(yuǎn)視離焦而有所不同。近視離焦的效果更強(qiáng)，每天只需要幾個(gè)小時(shí)暴露在近視離焦就會(huì)延緩眼球的生長(zhǎng)。而通過(guò)佩戴近視鏡造成的遠(yuǎn)視離焦需要1 d的時(shí)間才能造成同樣的效果[51-52]。離焦會(huì)引起人類眼球軸向長(zhǎng)度和脈絡(luò)膜厚度節(jié)律的改變。Chakraborty等[52]調(diào)查了單眼近視離焦和遠(yuǎn)視離焦對(duì)成人受試者眼球晝夜節(jié)律變化的影響。當(dāng)引入+1.5D鏡片引起近視離焦12 h后，降低了眼軸晝夜變化的平均振幅，眼軸長(zhǎng)度變化相位延遲，脈絡(luò)膜厚度變化相位提前[53]。相反，當(dāng)受試者佩戴-2.0D的鏡片，引起單眼遠(yuǎn)視離焦，會(huì)引起眼軸長(zhǎng)度晝夜變化幅度增加，但眼軸長(zhǎng)度和脈絡(luò)膜厚度變化節(jié)律并沒(méi)有明顯改變[54]。離焦所產(chǎn)生的影響僅限于受試的眼睛，對(duì)側(cè)眼睛并沒(méi)有受到交叉影響。在上述研究中軸向長(zhǎng)度變化于脈絡(luò)膜厚度變化的節(jié)律相反(峰值間隔約12 h)，提示離焦引起的軸向長(zhǎng)度變化可能于脈絡(luò)膜的厚度變化有關(guān)。結(jié)果表明人眼的晝夜節(jié)律對(duì)離焦現(xiàn)象很敏感，提示光學(xué)散焦在人眼生長(zhǎng)和屈光發(fā)育中的潛在作用。

5 內(nèi)源性視網(wǎng)膜生物鐘在屈光發(fā)育中的作用

近視的動(dòng)物模型有助于明確晝夜生物節(jié)律在調(diào)節(jié)屈光發(fā)育中的作用。通過(guò)對(duì)小鼠視網(wǎng)膜基因特定的敲除，直接測(cè)定內(nèi)源性視網(wǎng)膜生物鐘對(duì)屈光發(fā)育的影響。由于生物鐘基因和正常晝夜節(jié)律的重要性，內(nèi)源性生物鐘基因的敲除可降低生存率并導(dǎo)致其他的代謝異常[55]。研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于特異性Bmal1敲除的小鼠，雖然有正常的視覺(jué)輸入，但其屈光不正的發(fā)生率相比野生型小鼠，在同年齡段有較大的提升。該類型小鼠眼軸長(zhǎng)度及玻璃體深度增加，但前房的深度變小。另一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中通過(guò)對(duì)雛雞佩戴6 h近視鏡(-15D)，并對(duì)視網(wǎng)膜和色素上皮基因轉(zhuǎn)錄進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)多種基因差異表達(dá)包括谷氨酸、γ-氨基丁酸、甘氨酸和乙酰膽堿神經(jīng)遞質(zhì)相關(guān)的基因。此外一些生物鐘基因也出現(xiàn)表達(dá)的下調(diào)，包括Clock基因、Cry1基因、Npas2 (neuronal pas domain protein 2)基因、 Per3 (period homolog 3)基因、Mtnr1a基因和OPN4。而上述基因在給雛雞佩戴(+15D)遠(yuǎn)視鏡時(shí)并沒(méi)有出現(xiàn)[56]。

6 生物鐘相關(guān)多肽，生長(zhǎng)因子與眼球屈光發(fā)育

日常生理過(guò)程中具有生物鐘節(jié)律的相關(guān)多肽如胰高血糖素、一氧化氮、視黃酸和其他的生長(zhǎng)因子等也會(huì)為視網(wǎng)膜提供信號(hào)并調(diào)節(jié)屈光發(fā)育[57]。載脂蛋白a1通過(guò)與視黃酸的結(jié)合可以作為屈光發(fā)育“停止”的信號(hào)[58]；成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子(fibroblast growth factor, FGF2)和轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子(transforming growth factor β, TGF-β)對(duì)于雞的形覺(jué)剝奪引起的近視起到相反的作用，F(xiàn)GF2可以緩解近視，而TGF-β可以阻斷上述作用[59]。注射FGF2和胰島素生長(zhǎng)因子(insulin-like growth factor，IGF1)可以使視力正常的雛雞玻璃體過(guò)度生長(zhǎng)并產(chǎn)生高度近視[60]。FGF2也可以作用于下游的多巴胺分泌細(xì)胞，促進(jìn)鞏膜的生長(zhǎng)[61]。

7 當(dāng)代社會(huì)與生物鐘紊亂

對(duì)大多數(shù)脊椎動(dòng)物來(lái)說(shuō)，光環(huán)境十分重要，24 h內(nèi)的光暗周期變化幾乎促成了所有的生物鐘節(jié)律。然而隨著社會(huì)的進(jìn)步，人工照明技術(shù)的發(fā)展，顯著地影響地球的生態(tài)環(huán)境，也造成了光污染。與自然光相比，人工光照在光強(qiáng)、時(shí)間和光譜上有顯著的不同。典型的室內(nèi)光照強(qiáng)度為100～500 lux,而室外的光照強(qiáng)度為1 000～100 000 lux[62]。人類的生物鐘如睡眠規(guī)律和褪黑素分泌規(guī)律會(huì)受到光照條件的影響。夜間的人造光暴露還包括過(guò)多地使用發(fā)光電子設(shè)備如電視、電腦、手機(jī)等手持設(shè)備，而這些都被證實(shí)會(huì)擾亂兒童和青少年的正常睡眠行為，導(dǎo)致生物鐘的紊亂[62]。人的眼瞼可被視作光過(guò)濾器，因此即使在睡眠期間，光信號(hào)仍能到達(dá)視網(wǎng)膜，造成晝夜節(jié)律的紊亂。此外，人造光的強(qiáng)度和光的顏色都會(huì)影響晝夜節(jié)律和屈光的發(fā)育。

8 結(jié)論

隨著信息時(shí)代的高速發(fā)展，電腦等多媒體設(shè)備的普及，學(xué)業(yè)壓力增大和生物鐘的紊亂，青少年近視的發(fā)病率也逐年升高。以往的研究表明生物節(jié)律不僅存在于下丘腦的視交叉上核也存在于眼球內(nèi)部，其中較為重要的分子調(diào)控機(jī)制是時(shí)鐘基因的轉(zhuǎn)錄-翻譯循環(huán)TTFL。視網(wǎng)膜所接受的光信號(hào)會(huì)影響生物鐘節(jié)律，而生物鐘節(jié)律包括外周生物鐘節(jié)律和眼球自身的生物鐘節(jié)律。生物鐘節(jié)律又會(huì)影響眼球屈光的發(fā)育。多巴胺和褪黑素作為重要的神經(jīng)遞質(zhì)傳遞著下丘腦核的視交叉上核及視網(wǎng)膜上的生物節(jié)律。日常具有生物節(jié)律的相關(guān)多肽和生長(zhǎng)因子如胰高血糖素、視黃酸等也對(duì)眼球屈光的發(fā)展起著重要作用?，F(xiàn)代社會(huì)的光污染會(huì)造成生物鐘紊亂，而生物鐘紊亂所帶來(lái)的睡眠障礙又是青少年近視的危險(xiǎn)因素。然而關(guān)于屈光不正及生物鐘紊亂的相關(guān)研究相對(duì)較少，且大多數(shù)研究構(gòu)建于小鼠的基因敲除模型及雛雞角膜接觸鏡佩戴模型。對(duì)于靈長(zhǎng)類實(shí)驗(yàn)及人群中臨床研究仍然欠缺。在當(dāng)今社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，用眼過(guò)度，生物鐘紊亂和近視發(fā)病率日趨升高的大環(huán)境下，對(duì)于生物節(jié)律紊亂和屈光不正的相互作用機(jī)制亟需明確。本文回顧相關(guān)文獻(xiàn)，為生物鐘紊亂所引起的屈光不正假說(shuō)提供線索和理論依據(jù)，為預(yù)防青少年近視提供新的靶點(diǎn)。

利益相關(guān)聲明：本文作者和單位未曾接受第三方資金或服務(wù)支持，無(wú)相關(guān)利益沖突。

作者貢獻(xiàn)說(shuō)明：本文由賀平作者進(jìn)行文獻(xiàn)檢索及撰寫(xiě)成文，項(xiàng)道滿進(jìn)行了修改。