《眼科新进展》  2018年2期 179-183   出版日期：2018-02-05   ISSN:1003-5141   CN:41-1105/R

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牛磺酸生物学特性及其在视网膜病变治疗中的应用


    牛磺酸是一种特殊的非蛋白氨基酸，其含硫特性使其具有一些特殊功能，如可以促进视网膜的分化和发育^［1-2］，改善细胞生长条件，维持视网膜正常功能^［3］，并延长视网膜细胞生存期。研究发现，牛磺酸对于不同类型视网膜病变具有不同程度的控制和延缓病程的作用^［4］，此为探讨将牛磺酸应用于相关视网膜疾病的治疗提供了新思路，本文就其研究现状和进展做一综述。
1　牛磺酸的生物学特性
1.1　牛磺酸对一氧化氮生理活性的影响　一氧化氮（nitric oxide，NO）在体内尤其是神经组织分布广泛，是一种生物活性较高的信使分子，NO的生成与一氧化氮合酶（nitric oxide synthase，NOS）有关，目前NOS主要分为原生型（cNOS）和诱导型（iNOS）2种亚型，iNOS可在病理条件下被诱导激活^［5-7］，产生大量的NO^［8］。由iNOS产生的NO是一种重要的炎性介质，可以抑制细胞呼吸和能量代谢；此外，NO还通过氧化反应产生活性更高的毒性基团^［9-10］，通过脂质过氧化作用^［11］、酶灭活导致神经元死亡，具体的作用方式可能涉及Ca²⁺平衡紊乱、蛋白毒性作用^［12］以及DNA损伤^［11］等。
    研究表明，牛磺酸可能通过影响核转录因子活化^［13］等机制抑制组织损伤后iNOS的表达，从而减少NO的产生，通过减轻炎症损伤及凋亡来避免损伤加重；也可能通过调节细胞内外Ca²⁺平衡而降低NO的反应，以发挥保护作用。
1.2　牛磺酸对自由基的下调作用　自由基多在缺氧条件下水平增高，可能涉及氧化酶反应向加氧酶反应转变、多巴胺β-脱氢酶降解过量儿茶酚胺类神经递质等机制^［14］，自由基可攻击视网膜组织中的各种酶类以及线粒体，其毒性反应主要与脂质过氧化作用、能量代谢异常、核酸主链和氨基酸主链被破坏有关^［15］。
    缺氧环境下，视网膜组织中的超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）和过氧化氢酶活性下降，其中SOD可有效清除超氧阴离子自由基，阻止氧自由基与不饱和脂肪酸结合，从而起到抗过氧化反应的作用。研究发现，SOD的活性与牛磺酸呈剂量依赖性关系，牛磺酸具有降低自由基水平的作用，具体机制尚不明确，可能是牛磺酸通过升高应激细胞内源性抗氧化物水平，从而间接降低活性氧簇水平^［16］。
    还原型谷胱甘肽（glutathione，GSH）可参与羟自由基脂肪酰羟基过氧化物的清除，并阻断自由基连锁反应，通过谷胱甘肽过氧化物酶（glutathione peroxidase，GSH-PX）还原体内生成的超氧自由基及其他过氧化物，消除其对酶和膜蛋白上巯基的氧化作用，Yildirim等^［17］认为GSH为主要的清除自由基的非酶类抗氧化剂。研究发现，牛磺酸可促进GSH的合成并增强GSH-PX的活性^［18］，有效减轻自由基损伤。
1.3　牛磺酸抗脂质过氧化作用　研究发现，脂质过氧化物的大量产生与自由基破坏生物膜有关，可引发恶性连锁反应，抑制酶活性，并影响膜受体、离子通道和蛋白酶的正常运作，其最终代谢产物为丙二醛（malondialdehyde，MDA）^［19］，表明视网膜脂质过氧化反应程度以及自由基对组织细胞的损伤程度可以通过测定MDA水平来进行检测。
     补充牛磺酸后，机体组织内的MDA水平下降并且SOD水平上升^［20］，证实了牛磺酸可通过SOD介导清除自由基起到间接抗脂质过氧化反应的作用，但牛磺酸并非在任何条件下均发挥抗氧化作用，如牛磺酸可以抑制铁离子引发的脂质过氧化反应产物MDA的生成，却不能抑制锌离子引发的MDA生成^［21］；又如只有暴露于昼夜光时牛磺酸才有抗氧化作用，这与视黄醇只在光照时才产生有关^［22］。除此之外，牛磺酸的抗脂质过氧化作用还可能与提高GSH-PX的水平有关，研究发现氧化应激的发生与GSH的缺乏有着较为密切的联系^［23］。
1.4　牛磺酸对细胞内外Ca²⁺浓度的调节作用　Ca²⁺在细胞信号转导过程中发挥信使作用，可与钙调素（calmodulin，CaM）结合形成Ca-CaM复合物，并激活其靶酶^［24］；各种原因引发的Ca²⁺超载会引起钙依赖性蛋白激酶和内切酶激活、氧自由基增加、脂质过氧化、兴奋性氨基酸释放、内质网应激等一系列特异反应^［16］，加重炎性因子水平上升^［25］以及细胞所处环境的恶化，导致细胞营养代谢障碍、细胞器结构破坏甚至细胞凋亡。
    牛磺酸对细胞内外Ca²⁺浓度具有调节作用^［26］，低Ca²⁺时，牛磺酸可通过激活环磷酸鸟苷（cyclic guanosinc monophosphate，CGMP）控制的阳离子通道，从而增加ATP依赖性钙吸收；高Ca²⁺时，可减少细胞Ca²⁺的内流并增加与Ca²⁺的亲和力，从而降低游离Ca²⁺水平。研究发现，牛磺酸可调节Ca²⁺内流，对其外流并无影响。目前认为牛磺酸对Ca²⁺的转运条件主要有以下机制^［27］：（1）调节线粒体和肌浆网钙储存量；（2）提高生物膜上ATP酶对Ca²⁺的转运效率；（3）调节钙通道的开关过程；（4）抑制在Ca²⁺细胞膜上被动扩散作用。
1.5　牛磺酸对氨基酸兴奋毒性的拮抗作用　视网膜氨基酸兴奋毒性损伤多以谷氨酸（glutamate，Glu）为主，常见于糖尿病视网膜病变、缺血、缺氧等，最终导致视网膜细胞受损甚至凋亡^［28］，过量的Glu聚集在突触间并激活位于突触后膜上的Glu受体（glutamate receptor，GluR），其中以N-甲基-D-天冬氨酸（N-methyl-D-aspartic acid，NMDA)受体为主^［29-31］，一系列信号转导途径相继被触发，最终导致细胞死亡。同时由于机体内环境的恶化，谷氨酸转运体（glutamate transporter，GluT）对细胞外Glu重新摄取、清除的能力显著下降^［32］；尽管与Glu保持着动态平衡的γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid，GABA）受Glu诱导增强释放^［33］，但增加的GABA水平难以对抗Glu的毒性作用^［34］。
    研究发现，牛磺酸治疗可明显降低视网膜中Glu的水平和Glu在视网膜组织结构的免疫反应性，有效预防Glu兴奋毒性所造成的视网膜超微结构和视网膜功能的改变，推测可能与牛磺酸下调自由基水平、增强线粒体功能^［35］、调节细胞内Ca²⁺水平有关，具体机制有：（1）促进L-谷氨酸-L-天门冬氨酸转运体（L-glutamate/L-aspartate transporter，GLAST) mRNA的表达，避免GLAST功能障碍，使GLAST对Glu的转运能力增强；（2）增强Müller细胞内谷氨酰胺合成酶（glutamine synthetase，GS）的活性，将其摄取的Glu转化为无毒性的谷氨酰胺^［36］；（3）下调某些GluR mRNA的表达，减轻Glu对GluR的过度刺激；（4）抑制NF-κB的活化，从而拮抗谷氨酸兴奋毒性^［37］。
2　牛磺酸在视网膜疾病中的治疗研究
2.1　牛磺酸在视网膜光损伤保护中的应用　光化学损伤为视网膜光损伤最主要的损伤途径，主要机制为诱发大量感光细胞凋亡^［38］，最终导致视觉功能严重下降甚至失明；病理检查可见感光细胞变性、丢失伴视网膜色素上皮（retinal pigment epithelium，RPE）细胞变性坏死。研究发现，光化学损伤引起自由基损伤、脂质过氧化、Ca²⁺过负荷、线粒体功能障碍等一系列特异性反应^［39-41］，并进一步触发了AP-I^［42］、Caspase^［43］等参与凋亡过程。
    目前针对光化学损伤的各个致伤环节提出了对应的预防措施，如避免强光直接照射、饮食补充抗氧化剂、药物预防等。但除此以外，仍有必要发掘一种安全有效的防护制剂。牛磺酸在视网膜含量较为丰富，而经过高强度或长时间的光照后视网膜牛磺酸含量显著下降，同时由于自由基水平上升，与牛磺酸合成过程中具有一个共同前体^［44］的GSH水平增加，以减轻自由基损伤，不排除牛磺酸合成受到抑制的可能。研究发现，服用牛磺酸的动物组经光照后，组织学检查显示感光细胞排列较整齐，细胞结构保持完整；视网膜电图（electrore tinogram，ERG)检查可发现a波、b波幅值虽相对于正常ERG有所降低，但比未服用牛磺酸的动物组的a波、b波幅值高，表明牛磺酸对视网膜具有光损伤保护作用，其机制可能与改善膜通透性、抗脂质过氧化、提高抗氧化酶活性、抑制细胞凋亡等途径有关^［45-46］。
2.2　牛磺酸在视网膜色素变性中的应用　视网膜色素变性（retinitis pigmentosa，RP）为一类以夜盲和进行性视野缺损为主要临床特征的遗传性眼底病，其中视野缺损与渐进性的感光细胞和色素上皮功能障碍有关，目前认为RP病理过程中存在以下几种变化：（1）感光细胞外节盘膜脱落和更新异常^［47］；（2）视觉传导冲动过程中光化学机制发生异常；（3）视黄醇代谢异常。有研究表明RP病变出现的血供异常亦会造成牛磺酸转运障碍，从而导致神经节细胞丢失^［48］；合成相关酶如半胱氨酸亚磺酸脱羧酶^［49］的减少也会造成牛磺酸缺乏。研究发现尽管有部分RP患者牛磺酸水平正常^［50］，但仍发现大多数患者有视网膜牛磺酸水平不同程度的降低^［51］和血小板转运、摄取牛磺酸障碍^［50］。
    有研究发现，在相同的饲养条件下，动物食物未添加牛磺酸组和添加牛磺酸组相比，后者的ERG检查结果与正常持平，而前者的b波振幅则有所下降^［52-53］，表明食物摄取牛磺酸可能有助于控制RP的进展，但对RP患者行治疗试验时未发现显著的视网膜形态和功能的恢复^［54］；有研究发现牛磺酸具有促进感光细胞存活的作用^［55］，其机制可能是通过抗氧化反应和抑制Ca²⁺超载避免细胞变性及凋亡^［55-57］，证明了牛磺酸用于治疗RP的可行性。
2.3　牛磺酸在糖尿病视网膜病变中的应用　糖尿病视网膜病变（diabetic retinopathy，DR）为糖尿病的主要并发症之一，可造成严重的视功能下降或完全失明，目前认为其发病机制主要与视网膜毛细血管微循环的改变有关；糖尿病视网膜神经退行性病变和视网膜神经元损伤、神经胶质原纤维酸性蛋白（glial fibrillary acidic protein，GFAP）表达改变以及Glu持续兴奋毒性等因素有关^［58］。研究发现，DR早期即伴随神经胶质细胞功能的改变，而胶质细胞的改变可反映糖尿病神经元的损伤，其GFAP表达增强的过程与神经细胞的损伤程度相当^［59］；牛磺酸治疗DR后发现牛磺酸免疫反应性和GFAP免疫反应性均出现在神经胶质细胞，表明牛磺酸可以参与影响DR视网膜中GFAP蛋白的表达^［60］。
    牛磺酸可以对抗DR引起的胶质细胞中GS表达降低，并促进其GS水平上升^［36］，改善DR引起的Glu兴奋毒性；DR具有慢性炎症特征，iNOS在炎症环境的诱导下产生，牛磺酸可能通过抑制核转录因子的活化^［61］，阻止iNOS的生成^［62］。在神经节细胞中，牛磺酸可减少细胞内Ca²⁺以降低线粒体膜通透性，并抑制线粒体膜通透性转运孔的开放，从而减轻缺氧环境下线粒体功能紊乱造成的损伤^［63］；牛磺酸可能通过对Müller细胞的功能调节发挥对DR的防护效应，这与Müller细胞在糖尿病微血管病变中功能异常有关^［64-65］。
2.4　牛磺酸对于抗癫痫药物性视网膜损伤的保护作用　γ-乙烯氨基丁酸（vigabatrin，VGB）是一种不可逆的GABA受体阻滞剂，已经成为控制癫痫发作的主要治疗手段^［66］，多用于West综合征、难治性癫痫和复杂部分性癫痫的治疗^［67-69］。但同时GABA受体与GABA的结合受到抑制，导致大量的GABA积聚在突触间隙^［70］，由此可能影响感光细胞和RPE细胞之间的相互作用^［71］；一系列的临床报告表明服用VGB的患者中约有40%发现有视网膜中毒，多伴随视野狭窄^［68］、视力下降、色敏度变差等症状。组织学检查发现其外周视网膜存在明显的组织破坏，视锥细胞内外段的变形伴细胞数量显著下降^［72］，视网膜感光细胞层结构紊乱以及视网膜神经节细胞的丢失^［73］。
    视网膜GABA中毒与光照射和体内牛磺酸缺乏^［74-75］有紧密联系^［76］，因此除了避免光照射，服用牛磺酸也可能减轻VGB对视网膜造成的损伤。研究发现，在无强光的环境下，牛磺酸虽然不能完全避免视网膜VGB中毒的发生，但一定程度上可以延缓神经节细胞层^［51］、内核层、外丛状层、外核层以及感光细胞层的组织学变化^［73］，尽管具体机制尚不明确，但表明补充牛磺酸可在抗癫痫药物诱发的视网膜损伤中起到保护作用。
    综上所述，牛磺酸作为一种视网膜内含量较高的自由氨基酸，具有多种生理特点，通过相关研究，牛磺酸在视网膜疾病过程中调节自由基活性、调控离子通道、拮抗氧化应激、维持生物膜稳定、抑制细胞凋亡等作用得以证实，研究发现上述视网膜病变多伴随牛磺酸含量减少，表明牛磺酸缺乏与视网膜疾病的发生有着密切的联系；由此可见，牛磺酸在视网膜疾病的治疗和预防中有相应的保护功能，其具体机制有待进一步研究。