Ch.13 Retinal Pigment Epithelium 視網膜色素上皮

一、RPE 概論與結構

胚胎來源與位置

• Retinal pigment epithelium（RPE，視網膜色素上皮）是由 neuroectoderm（神經外胚層）衍生的單層（monolayer）上皮細胞，位於血管豐富的 choriocapillaris（脈絡膜微血管層）與 photoreceptor outer segments（感光細胞外節）之間⁠^Q144。p.331
• 胚胎上 RPE 與 neurosensory retina（神經感覺視網膜）來自同一個 neural anlage（神經原基）：optic cup（視杯）內陷使神經外胚層對摺成 apex-to-apex（頂端對頂端）接觸，外層 → RPE、內層 → neurosensory retina。p.331
• 兩層之間終生保留為 potential space（潛在空間），即 retinal detachment（視網膜剝離）的分離平面。p.331
• RPE 雖無感光或神經功能，卻是感光細胞與 choriocapillaris 存活所必需，並在 11-cis-retinal 再生與 phototransduction cycle（光傳導循環）中扮演關鍵角色。p.331

細胞構造

• 人眼約有 4–6 million（400–600 萬）個 RPE 細胞；培養至匯合的 RPE 呈 polygonal（多角形）外觀（Fig 13-2）。p.331, p.333
• Apical surface（頂側）：長的 microvilli（微絨毛）與感光細胞外節互相交錯（interdigitate）。p.331
• Tight junctions（緊密連接）位於靠近頂側處：建立細胞極性、阻擋水與離子通過，並構成 outer blood–retina barrier（外側血–視網膜屏障）⁠^{Q111 Q1661}。p.331
• Basal surface（基底側）鄰接 Bruch membrane（Bruch 膜）（RPE 與 choriocapillaris 之間的細胞外基質），有許多 infoldings（內摺）以增加溶質交換的表面積。p.331
• Bruch membrane 各層（Fig 13-1B 由上而下）：RPE 的 basement membrane（基底膜）→ inner collagenous layer（內膠原層）→ elastic layer（彈性層）→ outer collagenous layer（外膠原層）→ choriocapillaris 的 basement membrane。p.332
• 除一般胞器外，RPE 含 melanin granules（黑色素顆粒）與 phagosomes（吞噬體），反映其光吸收與吞噬功能；RPE 特別富含 microperoxisomes（微過氧化體），顯示其可能積極解毒此高氧化、富光環境中產生的自由基與氧化脂質。p.331, p.333

二、RPE 的生化組成

能量代謝與醣類

• RPE 需同時應付自身活躍代謝、大量吞噬，以及作為神經視網膜的 biological filter（生物性過濾器），能量需求非常高；含 3 大生化途徑的酵素：glycolysis（糖解）、Krebs cycle（克氏循環）、pentose phosphate pathway（五碳糖磷酸途徑）。p.333
• Glucose（葡萄糖）是能量代謝與轉換為蛋白質的主要碳源；RPE 對含 glycosaminoglycan／proteoglycan 的 interphotoreceptor matrix（IPM，感光細胞間基質）貢獻不大，且 RPE 內 glucose 不會轉成 glycogen（肝醣）。p.333
• Glucosamine、fucose、galactose、mannose 在 RPE 內都有一定程度代謝；mannose 似乎幾乎直接傳給感光細胞。p.333

Proteins（蛋白質）

• RPE 中已鑑定出近 850 種蛋白質，許多也見於其他細胞：解毒相關的 hydrolytic enzymes（水解酶）如 glutathione、peroxidase、catalase、superoxide dismutase；細胞骨架蛋白 actin、myosin、α-actinin、fodrin、vinculin。p.333
• Na+,K+-ATPase（鈉鉀幫浦）位置特殊：多數極化上皮位於 basolateral membrane（基底外側膜），RPE 則位於 apical membrane（頂側膜）；一般認為此頂側位置維持 subretinal space（視網膜下腔）的 Na+ 與 K+ 平衡。p.334
• 極性與其他上皮相反的蛋白另有 NCAM-140（neural cell adhesion molecule 的一種 isoform）與 folate receptor α（葉酸受體 α）。p.334
• 有些蛋白只表現於 RPE，其中之一是 RPE65（RPE-specific protein 65 kDa），是 vitamin A 異構化與水解所必需（obligate）的成分，而此反應為視覺色素再生所需。p.334

Lipids（脂質）與 Nucleic acids（核酸）

• 脂質約占 RPE 濕重 3%，其中約一半為 phospholipids（磷脂）；phosphatidylcholine 與 phosphatidylethanolamine 合計占總磷脂 > 80%。p.334
• 一般而言 RPE 的 saturated fatty acids（飽和脂肪酸）濃度高於相鄰外節；palmitic acid 與 stearic acid 用於 retinol esterification（視黃醇酯化）與 RPE 粒線體的能量代謝。p.334
• RPE 經吞噬感光細胞盤膜取得磷脂，特別是 docosahexaenoic acid（DHA，22:6, n-3），再回收送回感光細胞；RPE 積極保存並有效重複利用脂肪酸，避免其成為廢物流失。p.334
• RPE 持續合成 RNA，以產生細胞代謝、吞噬脫落盤膜、維持 retinoid pathway（類視色素途徑）與運輸功能所需的眾多酵素。p.334

三、RPE 主要生理功能總覽

• RPE 的關鍵功能包括：p.334, p.336
  • Vitamin A regeneration（維生素 A 再生）：維持視覺不可或缺⁠^{Q109 Q111 Q118 Q126}。p.334
  • Phagocytosis（吞噬）脫落的 photoreceptor outer-segment discs（感光細胞外節盤膜）⁠^{Q109 Q118 Q126}。p.334
  • Biological filtration（生物性過濾）：運送必需營養與離子給感光細胞，並移除感光細胞的廢物⁠^{Q109 Q118}。p.334
  • 藉由色素 absorption of scattered and out-of-focus light（吸收散射與離焦光線）⁠^Q118。p.336
  • Adhesion of the retina（視網膜貼附）⁠^{Q109 Q118 Q144}。p.336
  • Secretion（分泌）humoral factors（體液因子）與 growth factors（生長因子）。p.336
• 其他重要功能：interphotoreceptor matrix 的合成與重塑、形成 outer blood–retina barrier、形成 Bruch membrane 的 basal lamina（基底層）⁠^Q111。p.336
• Fig 13-3 圖示的 RPE 生理功能標題：visual cycle、phagocytosis、epithelial transport、light absorption、secretion、adhesion（圖中另標示 glucose、vitamin A、H2O、Cl-、11-cis-retinal、VEGF、PEDF）；本章另以專節說明 RPE 的 autophagy（自噬）⁠^Q159。p.335, p.342
• RPE melanin 吸收雷射光能後，以 heat（熱）的形式傳給周圍組織（見第七節）⁠^{Q111 Q126}。p.341
• Muller cells（Muller 細胞）與其他 glial elements（fibrous／protoplasmic astrocytes、microglia）提供視網膜 structural support（結構支持）與營養（本章外）⁠^Q126。BCSC 2 p.92

四、Vitamin A 再生與 visual cycle（視覺循環）

RPE 與 vitamin A

• RPE 的 vitamin A 濃度僅次於 liver（肝臟）（second only to the liver），在 vitamin A 的攝取、儲存與動員上扮演主要角色⁠^{Q144 Q172}。p.336
• RPE 供應外節 vitamin A：在 rods 與 rhodopsin（視紫質）結合，在 cones 與 3 種 cone opsins（red、green、blue）結合；各 opsin 吸收光譜不同，但 vitamin A 對其特定波長的構型變化相同。p.336
• RPE 細胞的基本功能是產生 11-cis-retinal（又稱 11-cis-retinaldehyde）⁠^Q144。p.336
• 光活化 rhodopsin → 11-cis-retinal 異構化為 all-trans-retinal，啟動 phototransduction cascade（光傳導級聯）；被活化的 rhodopsin 釋出 all-trans-retinal，須再結合另一個 11-cis-retinal 才能被下一個光子活化⁠^{Q172 Q1661}。p.336
• 游離的 all-trans-retinal 經一系列酵素反應（即 visual cycle，又稱 retinoid cycle）再生回 11-cis-retinal；此循環確保 opsins 有穩定的 11-cis-retinal 供應以維持視覺，且需要 RPE 與感光細胞外節密切互動⁠^{Q118 Q172 Q1661}。p.336
• Fig 13-4：11-cis-retinal 接在 rhodopsin 的 lysine residue（離胺酸殘基）上；吸光後轉為 all-trans-retinal 的過程稱 photoisomerization（光異構化），造成 rhodopsin 構型改變、活化 second-messenger system（第二傳訊系統）。p.337

Visual cycle 步驟（以 rods 為例）

出處 p.336–337

• 上表即游離 all-trans-retinal 由 ABCA4（ATP-binding cassette transporter protein，轉運蛋白）送出盤膜後，經 retinol dehydrogenase、LRAT、RPE65、11-cis-retinol dehydrogenase 等一連串酵素反應再生為 11-cis-retinal 的過程⁠^Q172。p.336–337
• RPE 的其他 vitamin A 來源：血液中與 retinol-binding protein（RBP）及 transthyretin 結合的 vitamin A；吞噬脫落外節盤膜也能回收 vitamin A。p.336
• IRBP 在 visual cycle 中作為 shuttle（穿梭載體），運送 retinoid 並保護細胞膜免受 membranolytic（溶膜性）retinoid 分子破壞⁠^Q300。p.336–337
• ABCA4 負責把游離 all-trans-retinal 從 rod discs 清到外節 cytosol；在某些疾病（如 Stargardt disease，Stargardt 病）中，ABCA4 無法順利清除盤膜內的 all-trans-retinal（見第五節）⁠^Q1660。p.336, p.338

CLINICAL PEARL：RPE65 與基因治療

• Vitamin A 中間產物具溶膜性，因此需要 shuttles 或被酯化，以保護感光細胞與 RPE 的細胞膜；許多 inherited retinal diseases（遺傳性視網膜疾病）中已找到編碼這些 shuttles 與酵素之基因的致病變異。p.338
• RPE65 基因（編碼 retinoid isomerohydrolase RPE65，將 all-trans-retinyl ester 轉為 11-cis 構型）的致病變異造成一部分（subset）Leber congenital amaurosis（LCA，Leber 先天性黑矇）與 retinitis pigmentosa（RP，視網膜色素病變）⁠^Q183。p.331, p.338
• US Food and Drug Administration（FDA，美國食品藥物管理局）核准的治療以 adeno-associated virus（AAV，腺相關病毒）vector 將人類 RPE65 complementary DNA（cDNA）送入 RPE，用於部分 LCA 與 RP（Highlights：一小部分病人）⁠^Q183。p.331, p.338

五、吞噬脫落的感光細胞外節盤膜

• RPE 對 rod 與 cone 感光膜的 turnover（更新）扮演關鍵角色；被 RPE 吞噬的是脫落的 photoreceptor outer-segment discs（外節盤膜）⁠^{Q118 Q1661}。p.338
• 每個感光細胞每日約脫落 100 片外節盤膜；因許多感光細胞與單一 RPE 細胞交錯，每個 RPE 細胞每日吞噬並消化 > 4000 片盤膜⁠^Q109。p.338
• 脫落遵循 circadian rhythm（晝夜節律）：rods 在 dawn（黎明）最旺盛；cones 在 dusk（黃昏）最旺盛。p.338
• 脫落盤膜被包入 phagosomes → 與 lysosomes（溶小體）融合並被消化；分解出的 building blocks（構成材料）回收至感光細胞以合成與組裝新盤膜。p.338
• RPE 特徵性的 lipofuscin（脂褐素）源自感光膜，是 fundus autofluorescence（FAF，眼底自發螢光）影像訊號的來源⁠^{Q109 Q184}。p.338
• Fig 13-6：FAF 型態改變反映 RPE 疾病——hyperfluorescence 代表 RPE disorders，hypofluorescence 代表 atrophic RPE（萎縮）。p.340
• FAF 偵測的視網膜 intrinsic fluorophores（內源性螢光團）包括 lipofuscin／bisretinoids 與 melanin；bisretinoids 隨正常老化累積於 RPE 細胞的 lysosomes，RPE 細胞死亡時所含 lipofuscin 散失，該區在 FAF 上變暗（本章外）⁠^Q184。BCSC 12 p.29–30
• 死後人類視網膜研究顯示 carotenoids（xanthophylls，類胡蘿蔔素／葉黃素類）構成黃斑部黃色色素；lutein 與 zeaxanthin 存在於黃斑部並位於 Henle fiber layer；carotenoids 只存在於 retina、不存在於 RPE（本章外）⁠^{Q109 Q184}。BCSC 2 p.354

Stargardt disease 與 A2E

• 正常時 all-trans-retinal 由 ABCA4 從外節盤膜運到外節 cytosol；在某些疾病（如 Stargardt disease）ABCA4 無法順利清除，過多 all-trans-retinal 與盤膜脂雙層中的 phosphatidylethanolamine（PE）結合成 N-retinylidene-PE（N-ret-PE）⁠^Q1660。p.338
• 升高的 N-ret-PE 與 all-trans-retinal 在外節進行 secondary nonenzymatic condensation（次級非酵素性縮合）→ A2PE-H2；含這些物質的遠端外節照常被 RPE 吞噬，但 RPE 無法完全分解此非生理負荷 → 由 A2PE-H2 衍生的 A2E 等毒性 retinal fluorophores 累積，傷害 RPE⁠^Q145。p.338
• 強光在日常可能遇到的程度即對視網膜具 phototoxic（光毒性）；角膜雖吸收 UV，沒有 nuclear sclerotic cataract（核硬化白內障）的眼睛，視網膜仍暴露於 350–400 nm UV；成人水晶體吸收近 100% 的 < 400 nm 光，故老年人幾乎沒有 UV 到達視網膜（本章外）⁠^Q145。BCSC 2 p.352
• 周邊視網膜中，lutein 與 zeaxanthin 集中於 rod outer segments，可能作為 antioxidants（抗氧化劑）保護視網膜對抗短波長可見光（本章外）⁠^Q145。BCSC 2 p.354

六、Transport（上皮運輸）

• 視網膜神經元的健康仰賴受良好調控的細胞外環境；RPE 經由運輸離子、液體與代謝物，控制 subretinal space 液體的體積與組成⁠^{Q109 Q118 Q1661}。p.338, p.340
• 頂側與基底外側膜的運輸蛋白分布不對稱，使上皮能進行 vectorial transport（向量性／定向運輸）；膜蛋白靠 tight junction proteins 維持在正確位置；細胞內機制將新合成蛋白優先送往頂側或基底外側膜以維持極性，細胞骨架蛋白對決定極性與調控運輸至關重要⁠^Q1661。p.340
• RPE 的離子運輸系統主動維持視網膜下腔的水性環境，運輸 K+、Ca2+、Na+、Cl-、HCO3-；多數為向量性：Na+ 由 choriocapillaris 主動運向 subretinal space，K+ 方向相反。p.340
• 此運輸的主要部位似乎是 RPE 的 apical membrane：ouabain-sensitive Na+,K+-ATPase 位於頂側（而非基底側）；主動 bicarbonate（重碳酸鹽）運輸系統似乎也位於頂側膜；高 carbonic anhydrase（碳酸酐酶）活性似乎同時與頂側及基底側有關。p.340
• 淨離子流造成可跨 RPE 頂側膜量測的 transepithelial electrical potential（跨上皮電位），在多種代謝抑制劑（如 ouabain、dinitrophenol）存在時迅速改變。p.340
• 跨 RPE 的離子梯度驅動水由 subretinal space 運往 choriocapillaris；RPE 也把視網膜代謝產生的 lactic acid（乳酸）運離 subretinal space；taurine、methionine、folate 等代謝物亦有主動向量性運輸系統。p.340
• RPE 因此似乎對維持視網膜下腔離子環境很重要，而此環境又維持 RPE–感光細胞介面的完整。p.340
• Trans-RPE potential（跨 RPE 電位）是 electro-oculogram（EOG，眼電圖）的基礎，EOG 是評估 RPE 最常用的電生理檢查⁠^{Q1553 Q1661}。p.340

七、Pigmentation（色素）

• Melanin（黑色素）是 RPE 的特徵；成人 RPE 細胞質中色素顆粒豐富，主要位於頂側與中段。p.341
• 發育時 tyrosinase promoter（酪胺酸酶啟動子）活化觸發 melanogenesis（黑色素生成），並標誌神經外胚層決定成為 RPE。p.341
• 大部分 melanogenesis 發生於出生前，但 RPE 終生仍以緩慢速率製造 melanin；隨年齡增長 melanin granules 與 lysosomes 融合，因此老年人眼底色素較年輕人少，臨床上以周邊眼底最明顯。p.341
• Melanin 在細胞內的確切角色仍屬推測；公認的功能是作為散射光的 neutral-density filter（中性密度濾光器），因此可能具保護作用⁠^Q1661。p.341
• 即使在色素極少的眼底，視力仍可達 20/20；albinism（白化症）病人的視力問題歸因於 foveal hypoplasia（中心凹發育不全），而非光學散射。p.341
• Melanin 低於臨界值（如 oculocutaneous albinism，眼皮膚白化症）時：視覺路徑神經元遷移異常（ganglion cells 有較多 contralateral projections，對側投射）、中心凹發育不全、low vision、nystagmus（眼球震顫）、strabismus（斜視）。p.341
• Melanin 也是 free-radical stabilizer（自由基穩定劑），可結合多種毒素與藥物（如 chloroquine、hydroxychloroquine）；部分臨床醫師視此為保護作用，另一些則認為它促成組織毒性⁠^Q1661。p.341

CLINICAL PEARL：雷射光凝固

• 視網膜 laser photocoagulation（雷射光凝固）時，RPE 的 melanin 吸收雷射光，吸收的能量以 heat（熱）傳給周圍組織；外層視網膜受損，隨之而來的發炎反應在視網膜與 RPE 之間形成 adhesion（黏連）⁠^{Q111 Q126}。p.341
• 因脈絡膜血流量高，熱通常會散去，脈絡膜損傷極小或沒有⁠^{Q111 Q126}。p.341

八、Retinal adhesion（視網膜貼附）

• Subretinal space 從未被組織橋接，但神經視網膜終生牢固貼附於 RPE；RPE 對維持視網膜貼附至關重要⁠^{Q109 Q144}。p.341
• 感光細胞與 RPE 分離可導致視網膜永久性的型態與功能改變。p.341
• 維持貼附的因素：passive hydrostatic forces（被動靜水壓力）、外節與 RPE microvilli 交錯、主動運輸 subretinal fluid（視網膜下液）、interphotoreceptor matrix 的複雜結構與結合特性（van der Waals forces，凡得瓦力）⁠^Q144。p.341
• 剝離不會只因視網膜有洞或 RPE 有滲漏就發生；必須有牽拉神經視網膜的 positive traction（正向牽引），或把液體推入 subretinal space 且超過 RPE 移除能力的 positive forces。p.341

CLINICAL PEARL：Pneumatic retinopexy（氣體視網膜固定術）

• 部分 rhegmatogenous retinal detachment（裂孔性視網膜剝離）可用 pneumatic retinopexy 修復：玻璃體腔注入氣泡，擺頭位使氣泡位於裂孔上方；RPE 把視網膜下液打出，同時氣泡封住裂孔、阻止更多液體進入 → 視網膜得以復位，之後可做 laser retinopexy。p.342

九、Secretion（分泌）

• RPE 分泌多種 growth factors、cytokines（細胞激素）與 immune modulators（免疫調節因子），對維持感光細胞與 choriocapillaris 的生理功能不可或缺。p.342

出處 p.342

十、Autophagy（自噬）在 RPE 的角色

• Autophagy是正常的恆定機制：細胞分解自身受損成分並回收分解產物，以維持細胞存活。p.342
• 依分解標的分型：p.342
  • Microautophagy：細胞質物質。p.342
  • Chaperone-mediated autophagy：可被 heat shock protein complex（熱休克蛋白複合體）辨識的蛋白質。p.342
  • Macroautophagy：細胞胞器。p.342
  • Mitophagy（macroautophagy 的一種）：粒線體。p.342
• RPE 細胞的 autophagic machinery（含 phagosomes 與 lysosomes）豐富；autophagy 是 RPE 處理被吞噬外節及更新自身成分所必需⁠^Q159。p.331, p.342
• 因 RPE 細胞在正常情況下不分裂，autophagy 對細胞內成分的品質控制也很重要。p.342
• Clinical pearl：autophagy 失調參與 age-related macular degeneration（AMD，年齡相關黃斑部病變）、glaucoma（青光眼）及 retinal detachment 中感光細胞流失等疾病的致病機轉；抑制 autophagy 的藥物（如 chloroquine）會造成 RPE 與感光細胞損傷。p.342

十一、RPE 與疾病

非遺傳性疾病

• RPE 特有的基因缺陷可能造成視網膜退化與疾病（Table 13-1）；RPE 也參與非遺傳性眼疾。p.343
• Central serous chorioretinopathy（CSC，中心性漿液性脈絡膜視網膜病變）：有人提出其病因是 RPE 的 pump mechanism（幫浦機制）缺陷。p.343
• Proliferative vitreoretinopathy（PVR，增殖性玻璃體視網膜病變）：某些病理情況下，正常不分裂的 RPE 細胞脫離基底膜並具遷移性，接觸 vitreous（玻璃體）和／或 transforming growth factor β（TGF-β）後發生 metaplasia（化生），獲得 myofibroblast（肌纖維母細胞）特性；化生的 RPE 在視網膜表面形成可收縮的膜，導致視網膜剝離。p.343
• PVR 是術後 recurrent retinal detachment（復發性視網膜剝離）最常見的原因。p.343

Table 13-1：RPE-specific gene defects（RPE 特異性基因缺陷）

出處 p.343