虾青素药理学作用及其在眼科疾病治疗中的应用

董学卫,孙 敏,颜世超,贾怀峰,张 伟,姜 曼

(济宁职业技术学院 生物与化学工程系,山东 济宁 272000)

虾青素又称为变胞藻黄素或虾红素，是一种天然的类胡萝卜素，20世纪90年代中期开始，美国的Cyanotech和日本的Itano等公司就将其作为一种天然的膳食补充剂进行销售。随着健康中国2030战略的实施，国内对虾青素的研究正方兴未艾。

1 虾青素的结构及理化性质

1.1 虾青素的来源

虾青素广泛存在于细菌、藻类、酵母、植物、甲壳类动物和鲑鱼等鱼类中，主要商业来源是微藻和甲壳类动物。其中，雨生红球藻的虾青素含量最高，约占细胞干重的2.0%～3.0%[1]，光强和缺磷胁迫有利于雨生红球藻积累虾青素及脂肪酸酯衍生物。

1.2 虾青素的结构及性质

根据来源不同，虾青素通常与不同的脂肪酸酯化，如棕榈酸、油酸和亚油酸等，以单酯或双酯形式存在。人工合成的虾青素是自由形式，而从微藻中提取的虾青素为单酯和双酯的混合物。虾青素分子式为C40H52O4，其物质的量质量为596.84 g/moL。

虾青素含有由共轭多烯系统连接的两个末端环，位于苯环3,3′位置的两个不对称碳原子含有羟基(-OH)，两端的4,4′处含有酮基(=O)。虾青素存在三种异构体，包含两个对映体结构(3S,3'S和3R,3'R)和消旋结构(3R,3'S)(图1)[2]。其中3S,3'S在自然界中最丰富，雨生红球藻合成的虾青素为(3S,3'S)异构体。人工合成的虾青素是包含两个对映体和外消旋结构的消旋混合物，(3S,3'S)、(3R,3'S)和(3R,3'R)异构体的比例为1∶2∶1[3]。

图1 不同虾青素反式异构体构型

1.3 虾青素的毒理学研究

石丽丽等[4]研究发现，虾青素对雌、雄大鼠的急性经口最大耐受量(MTD)均大于19.09/kg·BW。Ames试验、小鼠骨髓微核试验和精子畸形试验结果均未见致突变作用，大鼠30d喂养试验各项指标也均未见明显毒性反应。梅素欢等[5]综述了虾青素的毒理学研究概况，对其安全性做出了总结，为虾青素的安全性研究提供参考。1999年美国食品和药物管理局(USFDA)批准雨生红球虾青素为一种新膳食成分，我国也相继将虾青素和雨生红球藻批准为饲料添加剂和新食品资源[5]。

1.4 虾青素的生物利用度

虾青素水中的溶解度低，在普通食用油(如长链三酰甘油酯)中的溶解度有限，分散性低，吸收率低，与其他营养功能性脂质化合物相比，生物利用度低[6]，且在加工或储存过程中易降解，限制了其在功能性食品和膳食补充剂中的应用。雨生红球藻在不同环境中具有不同细胞形态，其中不动孢子阶段雨生红球藻可大量积累高浓度的虾青素。不动孢子细胞壁较厚，既是防氧化和化学攻击的天然屏障，也是人类消化和吸收的障碍[7]。

2 虾青素的药理学作用

2.1 抗氧化活性

氧化应激是细胞前体反应和抗氧化反应间的微妙平衡被破坏而引起，在一些人类疾病的发病机制中起关键中介作用。虾青素通过淬灭单线态氧、清除自由基、降低膜通透性、限制氧化剂渗透进细胞内、增加抗氧化酶活性、降低DNA的氧化损伤、抑制脂质过氧化等方式进行抗氧化作用[8]。Naguib等研究表明，虾青素比其他类胡萝卜素(如α-胡萝卜素、番茄红素、叶黄素和β-胡萝卜素)具有更高的抗氧化活性[9]。王素玲等[10]发现虾青素可降低储存悬浮红细胞内外的氧化应激水平，减轻细胞膜的过氧化损伤，红细胞储存期细胞内ROS、MDA含量、细胞外FHb和H2O2含量均低于对照。

2.2 抗炎作用

炎症和氧化应激是双端关系的组成部分。炎症的本质是机体应对各种损伤性刺激时自我保护的防御反应[11]，炎症介质如白细胞介素(IL)-1B、IL-6、IL-8和TNF-α在许多眼部疾病中上调，增加ROS的表达，同样导致炎性细胞因子、趋化因子分泌增加，改变局部环境的稳态，进而导致细胞损伤、病理性新生血管形成和随后的功能损害。宋阳等[12]证明虾青素预保护能抑制TLR4/MyD88/NF-кB通路相关蛋白的表达，进而缓解脂多糖刺激RAW264.7细胞产生的炎症反应。市售虾青素作为一种抗炎药，其疗效与阿司匹林或布洛芬等炎症药物相似。体外实验、早期临床试验表明，虾青素本身或与其他成分结合，可预防甚至治愈某些疾病。

2.3 抗凋亡作用

细胞凋亡是细胞程序性死亡的一种形式，在哺乳动物的发育和组织稳态中起着至关重要的作用。细胞凋亡与神经退行性疾病、缺血性中风和心脏病的发生密切相关[13]。马于林等[14]发现，虾青素预处理后，过氧化氢对HA-SMC毒性作用降低，ROS水平降低，线粒体膜电位回升，自噬相关蛋白表达上调，抑制凋亡。闫孟利等[15]研究发现，虾青素预处理组细胞活力较对照组提高了29.54%以上且可将H2O2诱导的活性氧降至对照水平，同时提高Nrf2蛋白表达量3倍之多，过氧化氢酶基因相对表达量1.5倍，说明虾青素可有效缓解H2O2诱导的HeLa细胞氧化应激，从而抑制细胞凋亡。

3 虾青素在眼科学上的应用

3.1 视网膜疾病

视网膜是眼睛最里面、对光敏感的神经层，是体内代谢最活跃的组织，对氧气需求量大，不断地暴露在光线下。从而导致眼睛易受辐射引发氧化损伤和炎症。视网膜神经节细胞死亡是青光眼、视神经病变和糖尿病视网膜病变等视网膜病变的共同特征，多以氧化应激、缺血和凋亡为主要致病因素[16]。

Otzuka等研究发现，浓度为100 mg/kg的虾青素能抑制光诱导视网膜损伤小鼠模型的视网膜电图(ERG)和外核层(ONL)厚度评估的视网膜功能障碍。此外，通过降低8-羟基脱氧鸟苷(8-OHdG)水平，可同时降低细胞氧化应激[17]。庄海容等[18]探讨了虾青素对过氧化氢诱导人视网膜色素上皮细胞(retinal pigment epithelial cells,RPE)氧化损伤的保护作用。虾青素可以抑制H2O2诱导的人RPE细胞的凋亡，为寻求防治视网膜损伤的药物提供可靠的实验依据。

3.2 葡萄膜炎

葡萄膜炎会影响眼睛中间层的炎症，是导致视力下降和眼睛疼痛的常见原因。葡萄膜炎血-水屏障的破坏涉及细胞浸润、蛋白质渗透性增加和葡萄膜区域细胞因子和趋化因子(如TNF-α、IL-6、MCP-1和MIP-1)的上调。这种炎症级联与氧化应激增加有关。Suzuki等研究了虾青素对内毒素诱导的葡萄膜炎的影响，测定了有无虾青素时炎性细胞因子和趋化因子的表达。研究发现，注射虾青素的大鼠浸润细胞数量明显减少，且蛋白质、NO、TNF-α和PGE2的浓度、虹膜睫状体NF-kB阳性细胞数也明显减少。表明虾青素通过下调促炎因子和抑制NF-kB依赖的信号通路来减轻葡萄膜炎患者的眼部炎症[19]。

3.3 白内障

白内障会导致自然晶状体混浊，造成视力下降，是失明的主要原因之一，需要手术恢复视力[20]。Ishikawa等发现虾青素可有效防止类固醇诱发白内障的实验模型中晶状体混浊，恢复谷胱甘肽水平，表明抗氧化活性是预防白内障的主要机制[21]。此外，杨明等[22]研究了虾青素对1型糖尿病大鼠代谢性白内障的预防作用及机制，发现低剂量虾青素组和高剂量虾青素组大鼠晶状体匀浆内的AGEs质量浓度和MDA浓度均低于糖尿病模型组，低剂量虾青素组大鼠晶状体中GSH质量浓度和SOD含量明显低于高剂量虾青素组。

3.4 眼表

眼睛表面，尤其是角膜和结膜，几乎经常暴露在阳光下，是氧化应激的诱因之一。而炎症和氧化应激密切相关，是眼表疾病的主要致病因素[23]。可利用虾青素处理炎症和氧化应激的能力，进行眼表疾病的治疗。Anton Lennikovd等[24]发现虾青素可用于治疗紫外线照射造成的损伤，角膜上皮细胞的形态保存良好，凋亡细胞明显少于对照组，氧化应激有所减少。虾青素处理的TKE2细胞毒性较低，随着虾青素剂量的增加，细胞保护作用增强。

3.5 视疲劳

视疲劳，又称眼疲劳，日常生活中出现的非特异性的症状，包括不适、流泪、视力模糊、对光敏感，严重者还会出现疼痛。由于智能手机和平板电脑等紧凑型终端的广泛使用，从而使得调节系统超负荷工作，加剧了眼睛疲劳[25]。阎英杰等[26]研究发现，VDT操作员服用虾青素后眼肌调节力得到明显改善，表明虾青素对VDT操作员的视疲劳有改善作用。张会香等[27]开展了对红球藻软胶囊缓解视疲劳功能评价研究，发现口服红球藻软胶囊试验组试验后症状总积分与试验前及与对照组比较均显著降低，明视持久度与试验前比较及与对照组比较均有显著改善，且平均明视持久度提高幅度大于0.1。

4 讨论

由于虾青素具有抗炎、抗氧化、代谢调节、具有直接治疗眼部疾病等功效，而且安全性高，临床研究中均未报告任何不良事件，为支持、保护和改善眼睛健康及对眼部疾病的治疗开辟了新视角。为提高虾青素的治疗效果，既需要提高其生物利用度，也需要针对不同的临床适应症以确定合适的剂量和确切的成分。