Ch.10 Lens 水晶體

一、概論（Overview）與本章重點

本章重點（Highlights）

• Lens（水晶體）因蛋白質含量高，折射率高於周圍介質。p.293
• 蛋白質占水晶體重量的 33%，是其他身體組織蛋白濃度的 2–3 倍⁠^Q170。p.293
• 水晶體主要靠 glycolysis（糖解作用）產生 adenosine triphosphate（ATP，三磷酸腺苷）；此代謝途徑的改變被認為與 congenital cataract（先天性白內障）及 diabetic cataract（糖尿病白內障）的發生有關（implicated）⁠^Q156。p.293

Overview（概論）

• 水晶體是透明、avascular（無血管）的構造，與 cornea（角膜）共同把入射光聚焦到視網膜感覺元件；為此必須透明，且折射率要高於周圍液體。p.293
• Index of refraction（折射率）：中央 nucleus（核）1.41、周邊 cortex（皮質）區 1.39⁠^{Q156 Q1319 Q1402}。p.293
• 折射率高是因為水晶體細胞內蛋白質濃度高，尤其是稱為 crystallins（水晶體蛋白）的可溶性蛋白。p.293
• 水晶體中央區（最老、已去核的細胞所在）的蛋白質幾乎沒有 turnover（更新），因此人類水晶體蛋白必須極為穩定，才能維持一生的功能。p.293
• 多數人的水晶體到晚年仍保持良好透明度；具視覺意義的混濁通常到 seventh 或 eighth decade（60 多至 70 多歲）時出現。p.293
• （Section 11）非調節狀態下，水晶體約提供平均人眼約 60.00 D 聚合屈光力中的 20.00 D，其餘約 40.00–45.00 D 來自空氣－角膜介面⁠^{Q1319 Q1402}。BCSC 11 p.20
• （Section 11）水晶體終生持續生長：出生時赤道徑約 6.4 mm、前後徑 3.5 mm、重約 90 mg；成人通常赤道徑 9–10 mm、前後徑約 5 mm、重約 255 mg。隨年齡皮質相對厚度增加、形狀越來越彎（屈光力增加），但折射率隨年齡下降（可能因不溶性蛋白顆粒增加），因此眼睛可能變得較遠視或較近視，取決於兩者的消長⁠^Q1386。BCSC 11 p.20

二、Capsule（水晶體囊）與 Epithelium（水晶體上皮）

Capsule（水晶體囊）

• 水晶體被一層 elastic basement membrane（彈性基底膜）包覆，即 lens capsule；囊膜無細胞（acellular），主要由 type IV collagen（第四型膠原蛋白）組成，另含少量其他膠原蛋白與細胞外基質成分（glycosaminoglycans（醣胺聚醣）、laminin、fibronectin、heparan sulfate proteoglycan）⁠^{Q106 Q115 Q143 Q181}。p.293–294
• 前囊較厚（11–15 μm）：前表面的上皮細胞終生持續分泌囊膜物質⁠^Q106。p.294
• 後囊相對較薄（2–4 μm）：後表面沒有上皮，後方纖維細胞分泌囊膜物質的能力有限⁠^{Q115 Q1292}。p.294
• （Section 11）囊膜最厚處在前、後 preequatorial zones（近赤道區），最薄處在 central posterior pole（中央後極），可能只有 2–4 μm；出生時前囊即明顯比後囊厚，且前囊厚度終生持續增加。囊膜外層 zonular lamella 為懸韌帶纖維附著處⁠^{Q1292 Q1319 Q1335 Q1386 Q1402}。BCSC 11 p.19–20
• Zonular fibers（懸韌帶纖維）：水晶體藉其懸吊，在赤道附近的前側（anterior）與後側（posterior）兩面都插入囊膜⁠^{Q132 Q143}。p.294
• （Section 11）懸韌帶纖維起源於 pars plana 與 pars plicata 無色素上皮的 basal lamina，在囊膜上的插入點為赤道前 1.5 mm 與赤道後 1.25 mm；纖維直徑 5–30 μm，光學顯微鏡下為 eosinophilic（嗜酸性）、PAS 陽性⁠^Q1402。BCSC 11 p.21
• 囊膜對水、離子、小分子，以及最大到 serum albumin（血清白蛋白）大小的蛋白質，都不構成擴散屏障⁠^{Q106 Q115 Q132}。p.294
• （Section 11）依 Helmholtz theory（Helmholtz 調節理論），調節時的形狀改變大多發生在中央前表面：中央前囊比周邊囊膜薄，且前懸韌帶插入點比後懸韌帶略靠近視軸；中央後囊（囊膜最薄處）不論懸韌帶張力如何都維持相同曲度⁠^Q1335。BCSC 11 p.35

Epithelium（水晶體上皮）

• 單層（single layer）上皮細胞覆蓋水晶體前表面；這些細胞具完整代謝能力，在調節整個水晶體的水分與離子平衡上扮演主要角色⁠^{Q106 Q115 Q132}。p.294
• 中央上皮細胞沒有 mitotic activity（有絲分裂活性）；germinative zone（生發區）是位於赤道前方的一圈環帶，上皮細胞在此分裂⁠^Q115。p.294–295
• 新生細胞向赤道移行，並在 bow region（弓形區）開始分化為 lens fibers（水晶體纖維）⁠^Q115。p.295
• 成人水晶體中，赤道後方通常不會有上皮細胞⁠^{Q106 Q115 Q132}。p.295
• （Section 11，白內障術後）Capsular opacification（囊膜混濁）源自移除核與皮質後殘留的 lens epithelial cells（水晶體上皮細胞）持續存活；增生的上皮細胞、纖維母細胞化生與膠原沉積形成混濁的次發膜。Posterior capsule opacification（PCO，後囊混濁）是 ECCE 或 phacoemulsification 術後最常見的晚期狀況；上皮細胞若移行越過前囊或後囊，可能造成囊膜皺褶與混濁⁠^Q156。BCSC 11 p.207–208

出處 p.294

三、Cortex and Nucleus（皮質與核）與纖維分化

• 除前表面的單層上皮外，水晶體由 lens fibers（水晶體纖維）組成，為細長的帶狀細胞；纖維由赤道部的上皮細胞形成，因此較年輕的纖維永遠位於較老纖維的外側。p.295
• 結構類似樹的年輪：最老的纖維在中央，越年輕的纖維層越靠周邊。不同於許多組織，水晶體不會脫落任何細胞，出生前產生的細胞終生留在水晶體中央⁠^Q181。p.295
• 纖維不會隨時間脫落，因此水晶體終生持續變大（Fig 10-1）。p.294
• 成人纖維團可分為 cortex（皮質）＝約 20 歲以後鋪上的外層纖維，與 nucleus（核）＝胚胎期到青春期產生的細胞。p.295
• （Section 11）皮質與核之間沒有形態上的區分，兩區是逐漸過渡；nucleus、endonucleus、epinucleus、cortex 等名稱只反映手術時物質行為與外觀可能的差異⁠^Q1386。BCSC 11 p.23

纖維分化與去胞器

• 新纖維延長分化時，其細胞核在赤道形成 bow zone（bow region，弓形區）。p.295
• 延長中的纖維體積與表面積大幅增加，大量表現 crystallins 與纖維專一的膜蛋白 major intrinsic protein（MIP）。p.295
• 纖維完全延長、兩端與從水晶體對側延長來的纖維形成 sutures（縫線）後，即成為成熟、終末分化的纖維細胞；細胞核、粒線體及其他胞器崩解，此過程被認為經由 autophagy（自噬）進行。p.295
• 中央部位必須清除胞器，因為這些構造大到足以散射光線而降低視力；失去細胞核後，成熟纖維也失去合成蛋白質所需的機制⁠^Q1386。p.295
• （Section 11）上皮細胞分化成纖維時失去細胞核、粒線體與核糖體；失去胞器在光學上有利，因為通過水晶體的光線不再被這些構造吸收或散射；這些新纖維細胞之後靠 glycolysis 產生能量⁠^Q1386。BCSC 11 p.22–23

四、化學組成：Plasma membranes（細胞膜）與 Crystallins（水晶體蛋白）

Plasma membranes（纖維細胞膜）

• 纖維細胞膜的化學組成提示（suggests）它非常穩定且非常僵硬：飽和脂肪酸含量高、cholesterol-to-phospholipid ratio（膽固醇／磷脂比）高、sphingomyelin（鞘磷脂）濃度高，共同造成緊密排列與低流動性。p.295
• Lipids（脂質）只占水晶體總質量約 1%，卻占細胞膜乾重約 55%；cholesterol（膽固醇）是主要的中性脂質⁠^Q170。p.295–296
• 隨年齡增加，因 phospholipid（磷脂）流失（尤其在核），protein-to-lipid 與 cholesterol-to-phospholipid 比值上升。p.296

Lens proteins（水晶體蛋白質）

• 水晶體是全身蛋白質含量最高的組織：蛋白質占重量 33%，為其他組織的 2–3 倍；部分動物物種的水晶體重量有 > 50% 為蛋白質⁠^Q170。p.296
• Crystallins 是大量表現於纖維細胞細胞質中的多樣蛋白，被認為在提供水晶體功能所需的透明性與屈光特性（transparency and refractile properties）上扮演關鍵角色⁠^Q143。p.296
• Crystallins 占水晶體總蛋白的 90%–95%⁠^{Q132 Q143 Q170}。p.296
• 除 crystallins 外，水晶體具備完整的酵素與調節蛋白，主要存在於上皮與未成熟纖維細胞，即大多數代謝活動發生之處。p.296
• （Section 11）年輕水晶體中 water-soluble proteins（水溶性蛋白）約占水晶體蛋白的 80%，water-insoluble proteins（非水溶性蛋白）比例隨年齡增加⁠^Q1354。BCSC 11 p.25

Crystallins 分類

• Crystallins 是水溶性蛋白，因在 crystalline lens 中含量極高而得名，可分兩群：① α-crystallin 與 β,γ-crystallin family，似乎存在於所有脊椎動物水晶體，也已在其他眼組織中發現；② taxon-specific crystallins（物種特異性水晶體蛋白），只存在於特定物種。p.296
• α-Crystallin：屬 small heat shock protein family（小分子熱休克蛋白家族）；heat shock proteins 是 molecular chaperones（分子伴護蛋白），可穩定部分摺疊的蛋白、防止其聚集；zinc ions（鋅離子）增強 α-crystallin 的 chaperone 功能與穩定性。p.296
• 蛋白聚集體會散射光線、造成透明度喪失，因此 α-crystallin 的抗聚集功能對核纖維長期維持透明至關重要（核內無法合成新蛋白，蛋白分子必須存在數十年）；knockout models 證實 α-crystallin 基因的 pathogenic variants（致病變異）會導致提早發生白內障。p.296
• β- 與 γ-Crystallins：依分子量與 isoelectric points（等電點）區分；β 以 polymers（聚合體）存在，γ 為 monomeric（單體）；兩者的確切功能未知。後天的 β-crystallin posttranslational modifications（轉譯後修飾）與白內障形成有關聯。p.296–297
• γ-Crystallins 大多在發育早期表現，因此傾向最集中於水晶體核區；其結構緊密對稱、可極緻密排列，因此傾向高度集中於幾乎沒有調節能力的老化硬化水晶體。p.297

出處 p.296–297

五、Cytoskeletal and membrane proteins（細胞骨架與膜蛋白）與轉譯後修飾

Cytoskeletal and membrane proteins

• 正常水晶體大多數蛋白為水溶性，但數種重要結構蛋白需 chaotropic agents（離液劑）或 detergents（清潔劑）才能溶解；這些 water-insoluble proteins（非水溶性蛋白）包括細胞骨架成分 actin（actin filaments）、vimentin（intermediate filaments，中間絲）、tubulin（microtubules，微管），以及 filensin 與 phakinin。p.297
• Filensin 與 phakinin 只在水晶體纖維細胞中發現，組成水晶體特有的細胞骨架構造 beaded filament（珠狀絲）；beaded filament 的致病變異會造成 congenital cataract（先天性白內障）。p.297
• 細胞骨架的絲狀構造提供細胞結構支撐，並在分化、運動與形狀改變、細胞質組織等過程中扮演關鍵角色。p.297
• MIP：纖維細胞膜上量最多的蛋白，只在纖維細胞表現；早期被認為是 gap-junction protein，實際上並非 connexin，而是 aquaporin（水通道蛋白）家族成員；已有報告指出 MIP 作為 water channel（水通道）並參與 cell adhesion（細胞黏附）。MIP 基因致病變異會導致白內障。p.297

出處 p.296–297

Posttranslational modifications（轉譯後修飾）

• 水晶體蛋白是體內壽命最長的蛋白之一；最老的蛋白（位於核的中央）在出生前合成⁠^Q181。p.297
• 修飾形式包括：硫與芳香族殘基側鏈的 oxidation（氧化）、多肽鏈間與鏈內 crosslinking（交聯）、glycation（糖化）、racemization（消旋化）、phosphorylation（磷酸化）、deamidation（脫醯胺）、carbamylation（胺甲醯化）。p.297
• 許多修飾在生命早期發生，很可能（probably）是 crystallins 長期穩定與功能所需的程序性修飾；有證據顯示部分過程（phosphorylation、thiol oxidation）可逆、可能具調節功能，但此假說仍待證實。p.297
• 蛋白老化時（特別是某些白內障），某些氧化修飾累積，促成 crystallin 多肽交聯、螢光特性改變與蛋白相關色素增加；尤其核區蛋白形成 disulfide crosslinks（雙硫鍵交聯）與蛋白聚集、光散射及白內障有關聯。p.297

六、Lens transparency（水晶體透明性）與紫外線阻擋

• 水晶體透明性取決於其組成元素的精確排列與維持：結構上靠纖維有秩序的空間分布，以及纖維間經特化 interdigitations（交錯指狀連接）形成的緊密連結（Fig 10-2：纖維呈 hexagonal packing（六角形排列））⁠^Q170。p.298
• 細胞間空間縮到最小可降低 light scatter（光散射）；纖維延長並接近視軸時失去細胞核與胞器，也可減少散射⁠^Q156。p.298
• 光散射會改變水晶體透明度，進而影響視力。p.298
• 透明度喪失也可能有益：老化水晶體累積 yellow chromophores（黃色發色團），保護視網膜免受較短波長光線傷害⁠^Q170。p.298
• Visible spectrum（可見光）波長大致 400–700 nm；短於 400 nm 為 UV light（紫外線）。p.299
• 波長 ≤ 300 nm 由 cornea，以及 aqueous humor（房水）中高濃度的 ascorbate（vitamin C，維生素 C）阻擋；波長 ≤ 360 nm 由水晶體阻擋⁠^{Q181 Q1354}。p.299
• （Chapter 9）房水 ascorbate 濃度比血漿高 10–50 倍，具 antioxidant（抗氧化）特性，高濃度可藉阻擋 UV 保護眼內構造⁠^Q1354。BCSC 2 p.287

七、Lens physiology（水晶體生理）：離子平衡與 Pump-leak

無血管的挑戰與離子濃度

• 由於無血管及其生長方式，水晶體所有營養都須從周圍液體取得，所有代謝廢物也都釋放到周圍液體⁠^Q1354。p.299
• （Section 11）胎兒發育後水晶體沒有血液供應與神經支配，代謝需求與廢物移除完全依賴 aqueous humor⁠^Q1354。BCSC 11 p.19
• 成人水晶體大多數細胞代謝活性降低，缺乏獨立調節離子恆定的膜機制。p.299
• 正常水晶體：Na⁺ 低（約 10 mmol/L）、K⁺ 高（約 120 mmol/L）；房水：Na⁺ 約 150 mmol/L、K⁺ 約 5 mmol/L⁠^Q1397。p.299
• （Section 11）水晶體內 Na 與 K 濃度維持在 20 mM 與 120 mM（本章 p.299 記載 Na⁺ 約 10 mmol/L）；水晶體比周圍房水與玻璃體含水較少、K⁺ 與胺基酸較高，Na⁺、Cl⁻ 與水較低⁠^{Q1335 Q1397 Q1746}。BCSC 11 p.33；p.299
• （Section 11）正常人類水晶體約含 66% 水與 33% 蛋白質，此比例隨年齡變化很小；皮質含水量比核高；約 5% 水晶體體積是纖維間細胞外空間的水⁠^{Q1319 Q1335 Q1354 Q1397 Q1746}。BCSC 11 p.33
• 正常調節機制失效時：K⁺ 漏出、Na⁺ 湧入，Cl⁻ 隨之進入；水依滲透梯度進入，改變纖維排列而失去透明度，例如外傷破壞囊膜後。p.299

Na⁺,K⁺-ATPase 與 Pump-leak hypothesis（幫浦－滲漏假說）

• 水晶體離子平衡主要由 Na⁺,K⁺-ATPase（sodium-potassium pump，鈉鉀幫浦）維持：為內在膜蛋白複合體，水解 ATP 將 Na⁺ 送出、K⁺ 送入水晶體。p.299
• 具功能的 Na⁺,K⁺-ATPase 主要位於水晶體前表面，即上皮與外層未成熟纖維⁠^{Q1293 Q1305 Q1397 Q1746}。p.299–300
• 使用 Na⁺,K⁺-ATPase 專一抑制劑 ouabain 的研究，確立此幫浦是水晶體正常離子狀態的主要決定因素。p.300
• 水晶體細胞也有可通過離子的膜通道；以 patch-clamp 研究的 K⁺-selective channels（K⁺ 選擇性通道）主要存在於上皮細胞。p.300
• 水晶體細胞間以 gap junctions（間隙連接）溝通，被認為負責大部分細胞間離子與小分子移動；水晶體纖維細胞的 gap junction 密度高於體內所有其他細胞。p.300
• Fig 10-4（pump-leak hypothesis）：主動運輸的主要部位是前方上皮（anterior epithelium）；被動擴散則發生於水晶體前、後兩個表面⁠^{Q1293 Q1305 Q1397 Q1746}。p.300
• （Section 11）依 pump-leak theory，K⁺ 與胺基酸等經前方上皮主動運入，再順濃度梯度從沒有主動運輸機制的水晶體後方被動擴散出去；Na⁺ 則從後方順梯度流入，再由上皮主動交換為 K⁺。大部分 Na⁺,K⁺-ATPase 活性在上皮與淺層皮質纖維；移除囊膜連同上皮後主動運輸消失，只以 collagenase 移除囊膜則不會，支持上皮為主動運輸主要部位⁠^{Q1293 Q1305 Q1397 Q1746}。BCSC 11 p.33–34

八、Lens metabolism（水晶體代謝）：能量產生與葡萄糖途徑

• 水晶體的 ATP 主要由前方代謝活躍細胞經 glycolysis 產生；這是因為水晶體氧分壓遠低於其他組織——氧只能從房水擴散到達無血管的水晶體⁠^{Q156 Q1334}。p.300
• 進入水晶體的葡萄糖大多由 hexokinase（己糖激酶）磷酸化為 glucose-6-phosphate（G6P）；Section 2 稱 hexokinase 為 glycolytic pathway 的 rate-limiting enzyme（速率限制酵素）⁠^{Q1334 Q1403}。p.300
• （Section 11）此 hexokinase 反應比水晶體糖解其他酵素慢 70–100 倍，因此為速率限制；Section 11 另指糖解途徑本身的速率限制步驟在 phosphofructokinase，受糖解產物回饋調控⁠^{Q1334 Q1403}。BCSC 11 p.28
• 正常情況下大多數 G6P 進入 glycolysis，每分子葡萄糖產生 2 分子 ATP；Fig 10-5 標示 glycolysis 利用約 80% 的葡萄糖。p.300–301
• 少部分 G6P 經 pentose phosphate pathway（hexose monophosphate shunt，HMP shunt，己糖單磷酸旁路）代謝；此途徑在 oxidative stress（氧化壓力）下活化，負責補充因 glutathione reductase 活性增加而被氧化的 nicotinamide adenine dinucleotide phosphate（NADPH）。p.301
• （Section 11）HMP shunt 平均代謝不到 5% 的水晶體葡萄糖，葡萄糖濃度升高時受刺激；高葡萄糖時 hexokinase 被糖解產物抑制，aldose reductase 相對增加，更多葡萄糖轉為 sorbitol⁠^Q1403。BCSC 11 p.28
• Fig 10-5 酵素：Hexokinase（glucose → G6P）、Aldose reductase（glucose → sorbitol；galactose → dulcitol，NADPH → NADP）、Polyol dehydrogenase（sorbitol → fructose，NAD → NADH）、Fructokinase（fructose → fructose-6-PO₄）、Phosphofructokinase、Lactic dehydrogenase（pyruvate → lactate）、Glucose-6-PO₄ dehydrogenase（HMP shunt 起點）。p.301
• （Section 11）長期 hyperbaric oxygen therapy（高壓氧治療）造成近視偏移、核混濁增加，常導致 nuclear cataract（核性白內障）⁠^Q1746。BCSC 11 p.32

出處 p.300–302

九、Carbohydrate cataracts（碳水化合物性白內障）

• 與 diabetes（糖尿病）及 galactosemia（半乳糖血症）相關的 sugar cataracts（糖性白內障），促成了大多數水晶體碳水化合物代謝的研究⁠^Q181。p.302
• True diabetic cataract（真性糖尿病白內障）：快速發展的雙側 snowflake cataract（雪花狀白內障），出現於控制不良的 type 1 diabetes 病人的水晶體皮質。p.302
• Type 2 diabetes 病人通常不會發生此型白內障，但 age-related cataract（老年性白內障）盛行率較高、發病稍早；對這些病人，糖尿病很可能（likely）只是促成老年性白內障的額外因素。p.302
• Classic galactosemia（典型半乳糖血症）：缺乏 galactose-1-phosphate uridyltransferase；患此先天代謝異常的嬰兒，除非飲食移除乳品（lactose，乳糖），否則出生後數週內發生雙側白內障。p.302
• Galactokinase deficiency（半乳糖激酶缺乏）也與白內障有關。p.302

Polyol（sorbitol）pathway 與 Osmotic hypothesis（滲透假說）

• 糖濃度顯著升高的某些情況下，部分葡萄糖（或半乳糖）經 polyol pathway（sorbitol pathway，多元醇／山梨醇途徑）代謝。p.302
• Aldose reductase（醛糖還原酶）是此途徑的關鍵酵素，把糖轉為對應的糖醇。正常情況下因 aldose reductase 對葡萄糖（或半乳糖）親和力低，此途徑幾乎沒有活性；高血糖時 aldose reductase 與 hexokinase 競爭葡萄糖（或半乳糖）⁠^{Q1334 Q1403}。p.302
• 動物模型證實 polyol pathway 在實驗性糖性白內障的重要性：糖尿病動物（自然或誘發）發生的白內障與水晶體內 sorbitol 存在及水分流入相關。p.302
• Osmotic hypothesis：aldose reductase 藉增加水晶體 sorbitol 含量扮演核心角色；sorbitol 大多無法穿透細胞膜而被困在細胞內；經 polyol dehydrogenase（多元醇脫氫酶）轉為 fructose（果糖）的速度慢，因此高血糖下 sorbitol 在水晶體細胞內累積 → 產生滲透壓把水吸入水晶體 → 細胞腫脹、膜受損、形成白內障⁠^{Q1334 Q1403}。p.302
• （Section 11）在高葡萄糖環境中培養（incubated）的水晶體，sorbitol 與 fructose 濃度都升高，兩者共同提高水晶體內滲透壓、吸入水分；起初耗能幫浦可代償，最終被壓垮，造成纖維腫脹、細胞骨架破壞與水晶體混濁⁠^Q1334。BCSC 11 p.31

出處 p.302