雷藝 綜述 顏華 審校

天津醫(yī)科大學總醫(yī)院眼科 天津醫(yī)科大學,天津 300052

衰老是與人類慢性疾病相關的重要的危險因素,其本質是遺傳損傷和不同暴露累積產(chǎn)生的應激,包括營養(yǎng)信號傳導、蛋白質穩(wěn)態(tài)、線粒體質量控制的異常和DNA損傷反應等,當細胞保護途徑受損引發(fā)的細胞功能障礙導致組織損傷時,年齡相關性疾病就會發(fā)生[1-2]。年齡相關性黃斑變性(age-related macular degeneration,AMD)是一種慢性多基因疾病,其發(fā)病由遺傳、環(huán)境和生活方式等多種因素決定,慢性炎癥、脂質沉積、氧化應激和細胞外基質的維持受損與AMD的發(fā)病密切相關。隨著人口老齡化和壽命的延長,AMD成為一個日益重要的公共衛(wèi)生問題[2-3]。有研究證明,年齡是與AMD發(fā)病率強相關的危險因素,幾乎所有的晚期AMD發(fā)生在60歲以上的患者中,隨著年齡每增加10歲,AMD的發(fā)病率增加4倍[3-4]。在歐洲的大型人群研究中發(fā)現(xiàn),55～59歲的人群中早期AMD的患病率約為2.1%～5.0%,而在85歲以上人群中為17.6%;而對于晚期AMD,上述數(shù)據(jù)分別為0.1%和9.8%,AMD的患病率隨年齡增長呈明顯上升趨勢[5-6]。另外,藍山眼科研究也顯示,在為期15年的AMD發(fā)病率研究中,AMD發(fā)病率的上升與年齡增長密切相關[3,7]。由此可見,衰老在AMD的發(fā)生和發(fā)展中起到了重要的推動作用。本文就目前衰老與AMD相關作用機制進行綜述。

1 衰老相關的Bruch膜異常物質積累與AMD的發(fā)生和發(fā)展

Bruch膜的重要功能之一是支持營養(yǎng)物質和代謝廢物在眼局部循環(huán)中的雙向擴散作用,Bruch膜也可以作為屏障限制視網(wǎng)膜色素上皮(retinal pigment epithelium,RPE)層和脈絡膜毛細血管層之間的細胞遷移。隨著年齡的增長,代謝廢物不斷堆積,Bruch膜的基底層逐漸增厚并出現(xiàn)功能障礙,造成眼部營養(yǎng)物質的攝取障礙和局部堆積物質的清除異常。此外,隨著年齡的增長,Bruch膜還會發(fā)生鈣化和碎片化[8-10]。drusen是一種含脂質、無機鹽和蛋白質的細胞外沉積,在RPE和Bruch膜之間積累,是AMD的典型特征。光學相干斷層掃描影像上drusen的不均勻內(nèi)部反射率可以用于反映AMD從進展期到晚期的變化。研究發(fā)現(xiàn),存在drusen的AMD患者在1年內(nèi)發(fā)展為晚期AMD的風險增加[11]。

1.1 脂質的積累與AMD的關系

在Bruch膜堆積的物質中,脂質的積累被認為在AMD疾病的發(fā)展中起著重要作用。在55項測量AMD患者高密度脂蛋白水平的研究中,34項研究表明高密度脂蛋白水平與AMD的發(fā)生和發(fā)展無明顯關聯(lián),16項研究顯示AMD患者的高密度脂蛋白水平高于正常對照組,5項研究顯示AMD患者的高密度脂蛋白水平低于正常對照組,而最近的孟德爾隨機化研究進行了與脂質組分相關的基因檢測,支持了高密度脂蛋白升高與AMD風險增加相關的假設,認為高密度脂蛋白顆粒的組成和活性可能與AMD有關[12]。除了從體循環(huán)吸收脂質外,光感受器和RPE也會在局部產(chǎn)生脂質,而脂質的清除是通過RPE分泌的“類脂質顆粒”透過Bruch膜進入循環(huán),減少其在局部的堆積;隨著年齡的增長,Bruch膜透過“類脂質顆?！边M入循環(huán)進而清除脂質的能力下降,造成了“類脂質顆粒”在Bruch膜的堆積,即神經(jīng)視網(wǎng)膜內(nèi)脂質的積累,這是早期與年齡相關的眼部環(huán)境變化的一個標志,為drusen的形成提供了基礎及重要組成成分。年齡相關性Bruch膜清除脂質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漿來源的脂質(膽固醇、膽固醇酯、甘油三酯和脂肪酸)和蛋白質(載脂蛋白)在內(nèi)層膠原層的沉積導致的,進而產(chǎn)生了年齡相關的Bruch膜水傳導性下降[13],然而后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)Bruch膜沉積物嚴重程度與血漿脂質濃度之間幾乎沒有相關性[14],年齡相關性Bruch膜清除脂質能力下降的原因尚待研究。

1.2 蛋白的積累與AMD的關系

有研究證明,AMD與阿爾茲海默癥具有類似發(fā)病機制的基礎[15],drusen的最新特征表明,蛋白質成分與淀粉樣蛋白沉積物類似,drusen蛋白質成分的形成可能與淀粉樣蛋白沉積有關。在這一過程中,可溶性蛋白質單體轉化為預纖維低聚物導致了蛋白質錯誤折疊的逐步發(fā)生,并進展至形成具有細胞毒性的不溶性淀粉樣纖維[16]。

1.3 糖基化終產(chǎn)物與AMD的關系

晚期糖基化終產(chǎn)物是與糖分子共價結合的蛋白質或脂類。與細胞內(nèi)質網(wǎng)和高爾基體發(fā)生的生理性糖基化不同,晚期糖基化終產(chǎn)物優(yōu)先積累在細胞外基質,如Bruch膜,導致Bruch膜逐漸增厚,降低其清除物質的能力[17]。

2 衰老相關的吞噬功能異常與AMD的發(fā)生和發(fā)展

吞噬作用是維持組織內(nèi)穩(wěn)態(tài)和免疫平衡的關鍵,衰老相關的吞噬作用異常加重了組織變性及慢性無菌性炎癥。已知有多種細胞在眼內(nèi)執(zhí)行相關的吞噬作用,包括RPE細胞,小膠質細胞及巨噬細胞等[18]。

2.1 RPE細胞吞噬功能異常與AMD的關系

RPE細胞是人體內(nèi)最活躍的吞噬細胞之一,每年吞噬約自身體積75倍的物質,對維持視網(wǎng)膜穩(wěn)態(tài)和光感受器功能至關重要。光感受器-RPE-Bruch膜-脈絡膜毛細血管層復合體被認為是AMD發(fā)生和發(fā)展中最重要的結構,而RPE在其中有3個主要功能:降解光感受器外層、形成視網(wǎng)膜-血屏障、為光感受器提供營養(yǎng)。隨著年齡的增長,RPE細胞的吞噬能力逐漸下降。老年大鼠的RPE吞噬能力降低了約80%;老年動物的RPE中出現(xiàn)鐵沉積,可顯著降低其吞噬活性[19]。drusen可能是由于RPE細胞的吞噬能力下降,導致未能吞噬的物質經(jīng)年積累于RPE下區(qū)域形成的[20]。

2.2 巨噬細胞吞噬功能異常與AMD的關系

除了RPE外,巨噬細胞的吞噬作用對AMD的發(fā)病也很重要。在AMD患者的視網(wǎng)膜中,drusen周圍常常出現(xiàn)浸潤的巨噬細胞,這可能是由于drusen發(fā)出趨化信號,招募巨噬細胞清除堆積物質所導致的[18]。研究發(fā)現(xiàn),巨噬細胞趨化性的缺陷,包括趨化因子Ccl2或受體(如Ccr2或CX3CR1)在小鼠中的缺失,導致了AMD相關癥狀的產(chǎn)生[21]。盡管巨噬細胞經(jīng)常自我更新,但隨著年齡增長,小鼠的巨噬細胞仍顯示出許多衰老跡象,如氧化呼吸受損等,會導致自我更新異常,無法發(fā)揮相應的吞噬功能,并且在巨噬細胞衰老過程中,與AMD發(fā)病密切相關的脂質穩(wěn)態(tài)也受到顯著干擾[22]。另外,在巨噬細胞中靶向抑制白細胞介素-10受體介導的信號通路或者抑制STAT3的激活可以逆轉其衰老表型,如果將STAT3缺陷的巨噬細胞植入到老齡小鼠的眼中,可以顯著降低脈絡膜新生血管的數(shù)量[23]。

2.3 小膠質細胞吞噬功能異常與AMD的關系

在健康的視網(wǎng)膜中,小膠質細胞是一群具有自我更新能力的先天免疫細胞,它們不斷地監(jiān)測自身所處的微環(huán)境。有研究表明,衰老的嚙齒動物和人類視網(wǎng)膜的小膠質細胞會轉變?yōu)闋I養(yǎng)不良狀態(tài),失去神經(jīng)保護功能,衰老的小膠質細胞功能障礙可引發(fā)慢性低級別炎癥環(huán)境,促進AMD的發(fā)生和進展[24]。還有研究發(fā)現(xiàn),與幼鼠(3～4月齡)的視網(wǎng)膜相比,老年鼠(18～24月齡)的視網(wǎng)膜中小膠質細胞的密度、形態(tài)及結構運動均發(fā)生了改變,其密度明顯升高,平均樹突狀分叉更小且更少、長度更短,結構運動明顯減慢,并且小膠質細胞對損傷的反應速度和程度隨著年齡的增長而降低[25]。

衰老相關的吞噬功能降低不僅能使物質堆積破壞視網(wǎng)膜穩(wěn)態(tài),還可能影響視網(wǎng)膜多種細胞的生存,導致RPE細胞凋亡、光感受器變性進而發(fā)生AMD[18]。

3 衰老相關的線粒體功能改變與AMD的發(fā)生和發(fā)展

近十年來,線粒體損傷和功能障礙逐漸被人們認識,越來越多的研究支持線粒體損傷和功能障礙在衰老和慢性退行性疾病中的作用。已有一些研究證明在AMD中出現(xiàn)了線粒體功能障礙,活性氧(reactive oxygen species,ROS)產(chǎn)生增加,線粒體DNA損傷,以及蛋白質聚集和炎癥增加等病理變化,并且功能正常的線粒體可以防止RPE細胞損傷并抑制AMD的炎癥反應[26]。

3.1 線粒體DNA損傷與AMD的關系

目前已有研究證明在老年嚙齒動物的視網(wǎng)膜和脈絡膜中,線粒體的數(shù)量及體積均下降,線粒體的DNA損傷增加,DNA修復酶減少。這些線粒體變化的潛在后果包括ROS的增加和細胞代謝活動的減弱,從而降低細胞的最佳生物能[27-28]。有研究證明,線粒體DNA(mitochondrial DNA,mtDNA)的單倍型與AMD的患病率有關,并且AMD患者的視網(wǎng)膜中存在大量的mtDNA缺失和重排[27]。Lin等[28]的研究表明,隨著年齡的增長,mtDNA損傷增加,黃斑區(qū)RPE細胞的mtDNA損傷多于周圍區(qū)RPE細胞且修復能力更低,mtDNA的損傷程度與AMD分級呈正相關,其修復能力與AMD分級呈負相關。Karunadharma等[29]報道,隨著年齡的增長,只在線粒體基因組的共同缺失區(qū)域觀察到mtDNA損傷;而AMD患者線粒體基因組的所有區(qū)域均出現(xiàn)mtDNA損傷,并且mtDNA積累的損傷比細胞核基因多,其損傷約是核基因的8倍,表明在AMD進展中mtDNA優(yōu)先受損,提示了mtDNA損傷增加引起的線粒體功能障礙與AMD的發(fā)生和發(fā)展之間存在潛在聯(lián)系。

3.2 線粒體自噬功能改變與AMD的關系

線粒體的自噬功能在衰老的過程中起到了不可或缺的作用,線粒體自噬是線粒體特有的一種自噬,是線粒體質量控制的重要組成部分,維持了細胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定[28,30]。有研究證明,線粒體自噬的損傷參與了AMD的發(fā)生和發(fā)展,而促進線粒體質量和活性的恢復可以運用于抗衰老治療;深入了解細胞線粒體自噬清除機制,并且將其作為對抗老年性退行性疾病(如AMD)的有效工具,具有一定的潛力[30]。

4 衰老相關的氧化應激損傷與AMD的發(fā)生和發(fā)展

氧化應激是ROS生成過多和抗氧化防御機制不足所導致的失衡,這種現(xiàn)象隨年齡增長而增加,影響組織的正常功能,許多年齡相關的慢性疾病也與氧化應激直接相關[31]。在過去的十年中,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了近40種與AMD風險相關的基因變異,其中包括編碼氧化應激相關蛋白的基因,這進一步證實了氧化應激在AMD發(fā)病過程中的作用[32]。

4.1 氧化應激損傷對RPE細胞的影響

由于RPE具有較高的代謝需求,因此細胞富含線粒體以提供足夠的能量,可產(chǎn)生大量用于信號轉導的ROS。為了滿足新陳代謝的需要,黃斑區(qū)域具有體內(nèi)最高的血液流量,使RPE暴露在70～90 mmHg的高氧分壓下,與年輕細胞相比衰老細胞的線粒體可產(chǎn)生更多的ROS。隨著年齡的增長和環(huán)境壓力的累積,如生活方式因素:吸煙和高脂肪飲食攝入等,可能導致生理性的氧化應激逐漸變?yōu)椴±硇缘难趸瘧p傷,在大量病理性ROS的沖擊下,RPE出現(xiàn)功能失調并死亡,這種改變在AMD的病理生物學進展中起著重要的作用[1]。

4.2 RPE細胞自噬對氧化應激損傷的影響

RPE自噬在保護自身免受氧化應激和脂褐素積累損傷方面具有重要作用,但有研究發(fā)現(xiàn),在AMD的臨床樣本和AMD動物模型的視網(wǎng)膜組織中自噬蛋白、自噬小體的表達顯著降低,自噬功能的減弱可能會加重RPE的氧化應激損傷,從而導致AMD的發(fā)生和發(fā)展[33]。另外,氮氧化物已被發(fā)現(xiàn)與ROS擴增相關,兩者的相互作用加速了衰老和AMD的發(fā)生,升高視網(wǎng)膜中氮氧化物活性可以促進血管生成,增加白細胞黏附和血管滲漏,并進一步導致年齡相關代謝產(chǎn)物的積累[34-35]。煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide,NAD+)是一種存在于所有活細胞中的輔酶,它既是還原-氧化反應催化酶的關鍵輔酶,將電子從一個反應傳遞到另一個反應。隨著衰老過程的進行,細胞內(nèi)NAD+濃度發(fā)生變化,調節(jié)NAD+的使用或促進NAD+的產(chǎn)生可以增強健康和延長壽命[36]。Jadeja等[37]研究了NAD+生物合成基因的年齡依賴性表達和NAD+在小鼠RPE中的水平,觀察到NAD+的表達下降與年齡相關,用煙酰胺單核苷酸對RPE細胞進行體外處理,可以使NAD+得以保留,防止RPE衰老的發(fā)生。

4.3 其他

有研究認為細胞衰老是一種腫瘤抑制機制,以應對細胞內(nèi)外壓力使細胞進入細胞周期阻滯的狀態(tài),從而防止?jié)撛诘膼盒赞D化,這些衰老細胞有時被特定的蛋白表達和分泌所標記,被稱為衰老相關的分泌表型[38-39]。視網(wǎng)膜上皮細胞中的衰老相關的分泌表型加重了病理性血管生成,從而加劇了視網(wǎng)膜組織的缺血損傷,進而促使缺血的視網(wǎng)膜細胞發(fā)生衰老并分泌炎性細胞因子,從而促進AMD的發(fā)生和發(fā)展[38]。

此外,在衰老過程中,蛋白質內(nèi)穩(wěn)態(tài)受到損害,蛋白質內(nèi)穩(wěn)態(tài)的丟失是老年相關疾病的發(fā)病機制之一。當?shù)鞍踪|內(nèi)穩(wěn)態(tài)被破壞時,細胞通過2個蛋白水解系統(tǒng)進行蛋白質降解,即泛素-蛋白酶體系統(tǒng)和自噬系統(tǒng),現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)這2個蛋白水解系統(tǒng)的功能障礙與AMD的發(fā)病有關[30,33,40-42]。其中泛素-蛋白酶體系統(tǒng)抑制發(fā)生在一系列與年齡相關的疾病中,導致電子傳遞鏈受損,線粒體功能障礙和細胞ROS增加等[43]。自噬在響應細胞能量壓力應激、錯誤折疊蛋白和蛋白質聚集物的清除、細胞生長、抗衰老和先天免疫反應等方面發(fā)揮著生理作用。自噬功能障礙被認為在炎性疾病以及一系列與衰老相關的疾病中起著關鍵作用。

雖然已經(jīng)確定了AMD的多種危險因素,但年齡本身仍然是最重要的危險因素之一,因此了解潛在的衰老機制和AMD病理生理之間的聯(lián)系是當務之急。研究如何延緩衰老或如何在自然衰老過程中阻斷AMD發(fā)病機制中的關鍵環(huán)節(jié)至關重要。

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