Ch.14 Reactive Oxygen Species and Antioxidants 活性含氧物與抗氧化劑

一、Overview（概論）與本章重點

Highlights（本章重點）

• Oxidative stress（氧化壓力）可導致許多威脅視力的疾病，包括 cataract（白內障）、glaucoma（青光眼）、diabetic retinopathy（DR，糖尿病視網膜病變）與 age-related macular degeneration（AMD，老年性黃斑部退化）⁠^Q134。p.345
• 氧化過程在 nuclear sclerosis（核硬化）的形成中扮演核心角色；水晶體利用 glutathione（GSH，麩胱甘肽）等多種抗氧化機轉對抗氧化壓力。p.345
• Age-Related Eye Disease Study（AREDS）證實抗氧化物在減緩黃斑部退化進展上的角色。p.345
• 以氧化路徑為標的，為部分最常見的眼科疾病提供新的治療介入方向。p.345

ROS 與 oxidative stress 的定義

• 生理狀態下，reactive oxygen species（ROS，活性氧物質）參與正常生化反應，作為中間產物或 second messenger（第二傳訊者）。p.345
• ROS 也可由外源產生，例如 ultraviolet（UV，紫外線）光暴露或吸菸。p.345
• Oxidative stress 的定義：ROS 的產生超過其分解。p.345

ROS 造成細胞傷害的方式

• 未受控制的 ROS 會傷害細胞膜與 DNA，造成組織損傷與細胞死亡。p.345
• ROS 與 free radical（自由基）一樣，會與細胞內及細胞膜上的 unsaturated fatty acid（不飽和脂肪酸）反應，形成 lipid peroxide（脂質過氧化物）。p.345
• 膜磷脂氧化被假設會增加細胞膜通透性及／或抑制膜離子幫浦；這種屏障功能喪失被認為會造成水腫、電解質失衡與細胞內鈣離子上升，皆促成細胞功能異常，並可能導致細胞死亡。p.345
• Free radical 媒介的 DNA 損傷也可經由誘發 apoptosis（細胞凋亡）造成細胞死亡。p.345
• 細胞流失造成的眼部功能障礙依疾病而異：glaucoma 為 trabecular meshwork（TM，小樑網）與 retinal ganglion cell（RGC，視網膜神經節細胞）；DR 為 inner retina（內層視網膜）；AMD 為 outer retina（外層視網膜）⁠^Q134。p.345

二、ROS 的來源與種類

種類

• ROS 由代謝過程、發炎反應與 UV 光暴露產生；包括 hydrogen peroxide（H₂O₂，過氧化氫）、singlet oxygen（¹O₂，單態氧）、lipid peroxide，以及 ketoamine、ketoaldehyde 等 reactive carbohydrate（活性碳水化合物）。p.346
• Free radical 是另一類 ROS，帶有一個 unpaired electron（未成對電子），因此對其他分子具高度反應性。p.346

外源與內源來源

• 外源：UV 光、tobacco smoke（菸草煙霧）。p.346
• 內源：粒線體的 electron transport chain（電子傳遞鏈）；以及先天免疫的 respiratory burst（呼吸爆發），此時形成 superoxide anion（O₂•⁻，超氧陰離子）與 hydroxyl radical（OH•，氫氧自由基）以攻擊病原體。p.346
• Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase（Nox）是一個酵素家族，主要功能為產生 ROS，表現於許多細胞。p.346

Table 14-1：ROS 與抗氧化路徑

出處 p.347

Fig 14-1：ROS 的生成與解毒

• 左：鐵與 O₂•⁻ 及 H₂O₂ 反應生成 OH•。p.346
• 中：O₂•⁻ 轉換為 H₂O₂，之後 H₂O₂ 經 3 條路徑清除：(1) glutathione peroxidase；(2) catalase；(3) peroxidase⁠^Q1404。p.346
• 右：由葡萄糖起始的 pentose phosphate pathway（五碳糖磷酸路徑）提供 NADPH，供 glutathione reductase 將 oxidized glutathione（GSSG，氧化型麩胱甘肽）還原為 reduced glutathione（GSH，還原型）以進行氧化還原反應⁠^Q1404。p.346

三、Lipid peroxidation（脂質過氧化）

Auto-oxidation（自氧化）

• Lipid peroxidation 經由 auto-oxidation 與 photo-oxidation 兩種途徑發生。p.347
• Auto-oxidation 是脂質的隨機氧化，屬 free radical chain reaction（自由基連鎖反應），通常描述為 3 步驟：initiation（起始）→ propagation（傳播）→ termination（終止）。p.347
• Initiation：脂肪酸被移除一個 allylic hydrogen（烯丙位氫）後轉為中間自由基。p.347
• Propagation（緊接著發生）：脂肪酸自由基中間物兩端與氧反應，生成 fatty acid peroxy radical（ROO•，脂肪酸過氧自由基），此過程即稱為 lipid peroxidation；因此又形成新的脂肪酸自由基，可再與氧反應。只要有氧，單一自由基可造成數千個不飽和脂肪酸氧化。p.347
• Termination：2 個自由基形成非自由基產物，可中斷連鎖反應；vitamin E 等 free radical scavenger（自由基清除劑）造成終止反應，抑制 auto-oxidation（Fig 14-2）⁠^{Q122 Q1404}。p.347–348
• Polyunsaturated fatty acid（PUFA，多元不飽和脂肪酸）易發生 auto-oxidation，原因在其雙鍵：雙鍵的 allylic hydrogen 容易被多種起始自由基移除⁠^Q122。p.348
• Propagation 步驟的主要產物為 hydroperoxide（ROOH，氫過氧化物），可能分解（特別是有微量過渡金屬離子時，例如 ferrous ion（還原態鐵，Fe²⁺）或 cupric ion（書中標為還原態銅，Cu¹⁺））生成 ROO•、OH• 與 oxy radical（RO•）。p.348
• 特別容易過氧化的 PUFA：arachidonic acid（花生四烯酸）與 docosahexaenoic acid（DHA，二十二碳六烯酸）。DHA 存在於感光細胞外節，最多占桿細胞脂質總量的 40%⁠^Q122。p.348

Photo-oxidation（光氧化）

• 氧被光活化形成 ¹O₂，¹O₂ 再與不飽和脂肪酸或其他細胞成分反應。p.348
• 最廣為接受的 ¹O₂ 生成機轉：photosensitizer（光敏劑）在一般 triplet oxygen（³O₂，三重態氧）存在下受光照射。p.348
• Photo-oxidation 可被 ¹O₂ quencher（淬熄劑），例如 carotenoids 抑制⁠^Q122。p.348

出處 p.347–348

Fig 14-2：抗氧化物的保護機轉

• Free radical 導致 lipid peroxide 形成；vitamin E 清除自由基中間物以抑制 auto-oxidation；carotenoids 淬熄 ¹O₂ 以抑制 photo-oxidation。p.348
• 已形成的 lipid hydroperoxide 可被 GSH-Px 還原，GSH-Px 需要 selenium（硒）作為輔因子；若這些保護酵素活性不足，lipid peroxide 分解會產生更多自由基，進一步氧化 PUFA。p.348

二次傷害：分解產物（Fig 14-3）

• Lipid peroxidation 除了直接傷害細胞膜，其分解產物也造成二次細胞傷害。p.349
• Lipid peroxide 不穩定，分解成多種 aldehyde（醛類），如 malondialdehyde 與 4-hydroxyalkenal；這些醛類可迅速與蛋白質反應、抑制其正常功能。水晶體與視網膜都容易受這類氧化傷害。p.349
• Fig 14-3：磷脂雙層過氧化後釋出大量 arachidonic acid，作為數種發炎介質的受質（經 cyclo-oxygenase 生成 prostaglandin、thromboxane 等；經 lipoxygenase 生成 HETE、leukotriene B4 等）；此外，自由基直接參與 isoprostane 的生成，isoprostane 是氧化壓力的標記與介質。p.349

四、ROS 與防禦機轉

眼球構造對 UV 的阻擋

• 眼睛持續暴露於光線，但不同眼部構造以多種機轉保護眼睛免受 UV 暴露的後果：cornea（角膜）與 lens（水晶體）阻擋不同波長的 UV 到達視網膜。p.349
• 房水與玻璃體中高濃度的 ascorbate（vitamin C，維生素 C）也可阻擋 UV，並參與細胞抗氧化路徑。p.349

細胞層級的防禦

• 細胞含有中和 ROS 及 ROS 與細胞成分作用後產生之毒性代謝物的酵素，這些酵素包括 SOD、catalase、glutathione reductase、GSH-Px⁠^Q1404。p.349
• Nuclear factor erythroid 2–related factor 2（Nrf2）是轉錄因子，調控許多抗氧化基因的表現，在氧化壓力下上調；是潛在治療標的，在 ischemia–reperfusion（缺血再灌流）造成氧化壓力的實驗模型中，誘導 Nrf2 可增加 RGC 存活。p.349–350
• Compartmentalization（區隔化）：把 ROS 隔離、避免接觸細胞內成分，例如電子傳遞鏈位於粒線體壁內；但部分活性物質可能從酵素結合位漏出或逃過抗氧化酵素，傷害蛋白質、膜脂質與 DNA。p.350
• 任何游離 Fe²⁺ 都可能催化由 O₂•⁻ 與 H₂O₂ 生成 OH•（Fig 14-1）。p.350

五、水晶體的氧化傷害與保護機轉

ROS 來源與 UV

• 水晶體幾乎完全依賴 anaerobic metabolism（無氧代謝）且與免疫系統隔絕，因此水晶體 ROS 的主要來源是 UV 光暴露。p.350
• UVB（波長 <320 nm）照到人眼時，大部分被 cornea 或房水中高濃度 ascorbate 吸收，但仍有一定量到達 lens epithelium（水晶體上皮）並可能造成傷害。p.350
• UVA（320–400 nm）可更深入水晶體，與多種 chromophore（發色團）反應生成 H₂O₂、O₂•⁻ 與 ¹O₂。p.350

不可逆傷害的部位

• 修復與再生機轉存在於 lens epithelium 與 superficial cortex（淺層皮質）；deep cortex（深層皮質）與 nucleus（核）沒有這類機轉，該處蛋白質與膜脂質的任何損傷都不可逆。p.350
• 此損傷的結果之一可能是蛋白質 crosslinking（交聯）與 insolubilization（不溶化）→ 失去透明度。p.350
• 水晶體含異常高量的 protein sulfhydryl group（蛋白質硫氫基），必須幾乎全部維持還原態，組織才能保持透明。p.350

抗氧化系統

• 年輕健康的水晶體有多種有效抗氧化系統，包括酵素 glutathione reductase、GSH-Px、catalase、SOD⁠^Q1404。p.350
• GSH 集中於 lens epithelium，是水晶體中一個主要的 ROS scavenger（清除者）。p.350
• 人類水晶體 GSH 隨年齡顯著下降，尤其在 nucleus；研究指出成熟人類水晶體可能存在 cortical–nuclear barrier（皮質–核屏障），阻礙 GSH 流向核 → 隨年齡核更易受氧化傷害、也更易形成白內障。p.350–351
• 水晶體中也有 free radical scavenger ascorbate 與 vitamin E，與 GSH 及 GSH 的 reduction-oxidation（redox，氧化還原）循環共同保護；能淬熄 ¹O₂ 的 carotenoids 也存在於水晶體⁠^Q1404。p.351

抗氧化補充與白內障

• Epidemiologic（observational，觀察性）研究：血漿抗氧化物（特別是 vitamin E）較高者，白內障風險較低，尤其 nuclear cataract（核性白內障）。p.351
• 然而 3 個前瞻性、隨機、安慰劑對照試驗——AREDS、AREDS2、Vitamin E, Cataract, and Age-Related Maculopathy Trial（VECAT）——發現高劑量抗氧化配方既不能預防、也不能減緩 age-related cataract（老年性白內障）。p.351

六、視網膜對 ROS 的易感性

實驗證據

• 實驗資料：視網膜感光細胞在 hyperbaric oxygen（高壓氧）、iron overload（鐵超載）或玻璃體內注射 lipid peroxide 等氧化挑戰下會退化。p.351
• 抗氧化防禦降低時，即使沒有異常的氧化壓力，視網膜也會退化（推測是 lipid peroxidation 增加）。p.351

視網膜易受 lipid peroxidation 傷害的特徵

• 脊椎動物 rod outer segment（桿細胞外節）因含高量 PUFA 而易受氧傷害；其磷脂含 DHA——自然界多元不飽和程度最高的脂肪酸；PUFA 對過氧化的敏感度與雙鍵數目成正比（well established）⁠^Q122。p.351
• Rod inner segment（桿細胞內節）非常富含粒線體；大多數內源 ROS 由粒線體電子傳遞鏈產生，可能漏出活化的氧物種⁠^Q122。p.351
• Choroid（脈絡膜）與 retinal vessel（視網膜血管）提供的豐富氧氣增加氧化傷害風險；離體（in vitro）脊椎動物視網膜的每毫克蛋白耗氧率，比其他所有受測組織（adrenal gland（腎上腺）除外）至少高 7 倍；氧分壓在 choroid 最高，往視網膜內節方向遞減⁠^Q122。p.351–352
• 外層視網膜有許多 chromophore；光暴露可能誘發由 ¹O₂ 媒介的 photo-oxidative（光氧化）過程⁠^Q122。p.352

光毒性與 UV 到達視網膜

• 日常生活中可能遇到的強光，對視網膜具 phototoxicity（光毒性）⁠^{Q134 Q145}。p.352
• 雖然 cornea 吸收 UV，沒有 nuclear sclerotic cataract（核硬化性白內障）的眼睛，其視網膜仍暴露於 350–400 nm 的 UV⁠^Q145。p.352
• 水晶體隨年齡變黃後，可阻擋最長到 430 nm 的波長；成人水晶體吸收近 100% 的 400 nm 以下光線，因此年長者視網膜幾乎或完全沒有 UV 到達。p.352
• 視網膜中的天然 chromophore（melanin、hemoglobin、xanthophyll）強烈吸收約 400–580 nm，使視網膜在此波段易受 photochemical injury（光化學傷害），尤其是藍光；aphakic eye（無水晶體眼）沒有天然水晶體吸收 UVA，易受傷害的範圍延伸到 400 nm 以下（約 315 nm），這是部分人工水晶體加入 UV-blocking 與 blue-blocking chromophore 的依據⁠^Q145。BCSC 3 p.139
• 在某些疾病狀態（如 Stargardt disease），過多 all-trans-retinal 在外節形成 A2PE-H2；RPE 吞噬外節後無法完全分解此非生理負荷 → A2E 等毒性 retinal fluorophore（視網膜螢光團）累積，傷害 RPE⁠^{Q134 Q145}。BCSC 2 p.338
• Table 14-2（AMD）：光暴露與 ROS 及 advanced glycation end product（AGE，糖化終產物）生成增加、以及 AMD 風險增加相關；AMD 的 Bruch membrane、drusen 與 RPE 細胞中有蛋白質與 DNA 的氧化修飾⁠^{Q134 Q145}。p.356
• 臨床層面：UV（UVA 或 UVB）暴露與 AMD 進展相關的證據薄弱；也沒有證據顯示電子產品發出的藍光會增加 AMD 風險⁠^Q134。BCSC 12 p.76

七、視網膜與 RPE 的抗氧化物

抗氧化機轉與清單

• 生物系統中已確立數種抗氧化機轉，包括 free radical scavenging（自由基清除）、¹O₂ quenching（淬熄）、ROOH 的酵素性還原。p.352
• 脊椎動物視網膜與 RPE 中的抗氧化物包括：selenium、GSH、selenium-dependent GSH-Px、non–selenium-dependent GSH-Px（glutathione-S-transferase）、vitamin E、SOD、catalase、carotenoids。p.352

Selenium、glutathione 與 glutathione peroxidase

• GSH 媒介的過氧化物解毒，主要酵素是 selenium-dependent 的 GSH-Px。p.352
• 人眼中 selenium 濃度最高的是 RPE：RPE 細胞可能含 100–400 ng，最多為視網膜（40 ng）的 10 倍。p.352
• 人眼視網膜的 selenium 量隨年齡維持恆定；RPE 的 selenium 則隨年齡增加。p.352

Vitamin E

• 清除自由基，終止 propagation 步驟、中斷 auto-oxidation⁠^Q122。p.352
• 脊椎動物眼睛顯微切割研究：RPE 的 vitamin E 相對多於感光細胞；感光細胞又相對多於眼內大多數其他細胞。p.353
• 人類視網膜組織的 vitamin E 隨年齡增加，直到 sixth decade（50 多歲），之後下降；此下降與族群中 AMD 發生率上升的年齡相符。p.353

Superoxide dismutase 與 catalase

• SOD 催化 superoxide 的 dismutation（歧化）生成 H₂O₂；H₂O₂ 再由 catalase 或 peroxidase 還原為水⁠^Q1404。p.353
• 哺乳類組織分離出兩種 SOD：p.353

出處 p.353

• SOD 活性與 polymorphism（多型性）在某些族群中被認為與 AMD 有關。p.353
• Catalase 催化 H₂O₂ 還原為水；目前視網膜 catalase 活性的資訊有限，兔子的視網膜總 catalase 活性非常低但可測得。p.353
• 有報告指出 catalase 在視網膜 ischemia–reperfusion 損傷的大鼠中具保護作用：預防 RGC 流失，並以 electroretinography（ERG，視網膜電圖）顯示功能保留；在細胞培養與動物模型中，catalase 治療對高血糖誘發的氧化壓力也有保護作用。p.353

Ascorbate（vitamin C）

• 在許多物種中，ascorbate 分布於整個眼睛，濃度相對其他組織高。p.353
• 除了在房水中阻擋 UV，ascorbate 被認為與 vitamin E 協同終止自由基反應；vitamin C 是 electron donor（電子供給者），還原被氧化的元素與分子。p.353
• 有人提出：vitamin C 可與 vitamin E 清除自由基時形成的 vitamin E radical 反應，使其再生為原態 vitamin E；再生後產生的 vitamin C radical 可由 NADH reductase 還原。p.353
• Ascorbate 在房水與玻璃體中濃度高，在玻璃體中也具降低氧濃度的功能。p.353

Carotenoids（類胡蘿蔔素）

• Carotenoids（xanthophylls，葉黃素類）被認為在生物系統中扮演多種角色，包括限制 fovea（中心小凹）的 chromatic aberration（色像差），以及淬熄 ¹O₂⁠^Q119。p.354
• Beta carotene（β 胡蘿蔔素）是 vitamin A 的前驅物，在低氧分壓下可作為 free radical trap（自由基捕捉劑）⁠^Q119。p.354
• 死後人類視網膜研究顯示，黃斑部的黃色色素由 carotenoids 構成；黃斑部有 lutein（葉黃素）與 zeaxanthin（玉米黃素）兩種，位於 Henle fiber layer（Henle 纖維層）⁠^Q119。p.354
• 人類中，zeaxanthin 主要集中於 fovea，lutein 則散布於整個視網膜⁠^{Q119 Q134}。p.354
• 人眼中 beta carotene 含量很少；carotenoids 只存在於視網膜，RPE 中沒有⁠^Q119。p.354
• 周邊視網膜中，lutein 與 zeaxanthin 集中於 rod outer segment，可能作為抗氧化物，保護視網膜對抗 short-wavelength visible light（短波長可見光）⁠^{Q119 Q134 Q145}。p.354
• Table 14-2：low macular pigment（黃斑色素低）與 AMD 相關。p.356

Fig 14-4：抗氧化物在視網膜的分布

• 黃斑部：vitamin E 與 selenium 主要集中於 RPE；carotenoids 位於 Henle fiber layer；周邊視網膜中 carotenoids 也存在於桿細胞。p.355
• 周邊視網膜橫切面：vitamin E 與 selenium 仍主要集中於 RPE，但也富集於 rod outer segment；carotenoids 存在於周邊視網膜的 rod outer segment。p.355

出處 p.352–355

八、氧化壓力在威脅視力眼疾中的角色

總論

• ROS 與 oxidative stress 已被直接牽涉於數種主要致盲疾病的致病機轉，包括 glaucoma、DR 與 AMD（Table 14-2）；在許多情況下，氧化傷害的開始可能早於這些疾病的臨床表現⁠^Q134。p.354
• 氧化機轉也參與許多前段與後段疾病，且是許多遺傳性眼疾的核心；未來研究與治療將直接或間接以這些機轉為標的。p.354

Table 14-2：常見視網膜疾病的氧化機轉（精簡）

出處 p.356

Glaucoma（青光眼）

• ROS 在青光眼中的角色可能與其對 TM 與 RGC 的作用有關；越來越多證據提示 TM 暴露於 ROS 後會出現小樑功能障礙。p.355
• 數篇報告顯示，培養中的 RGC 暴露於升高的壓力時，會產生氧化壓力與細胞流失。p.355
• 飲食抗氧化物對青光眼的族群研究結果互相矛盾，較早研究未顯示益處；但之後一項追蹤較久的研究顯示：攝取較多高抗氧化物食物者，發生 primary open-angle glaucoma（POAG，原發性隅角開放性青光眼）的風險低 20%；POAG 病人採類似飲食，發生 paracentral visual field defect（旁中心視野缺損）的風險降低 44%。此效果的機轉被認為可能與異常的 nitric oxide（一氧化氮）路徑有關。p.356

Diabetic retinopathy（糖尿病視網膜病變）

• DR 是全球 20–64 歲成人失明的首要原因。p.357
• 由高血糖與 insulin signaling（胰島素訊息）缺乏所啟動、會產生氧化壓力並與 DR 發生有關的代謝路徑：polyol pathway、protein kinase C（PKC）pathway、hexosamine pathway。p.357
• Advanced glycation end products（AGEs）：由蛋白質、脂質、核酸等分子的 nonenzymatic glycation（非酵素性糖化）產生，也存在於極高溫烹調的食物中；AGE 與特定細胞表面受體作用 → 傳遞細胞內發炎路徑訊息 → 產生 ROS。p.358
• ROS 可經由 epigenetic modification（表觀遺傳修飾，尤其在 mitochondrial DNA）造成長期改變，可能部分解釋 metabolic memory（代謝記憶）：過去嚴格代謝控制的好處可持續一段時間、減少視網膜病變進展（Diabetes Control and Complications Trial（DCCT）所示）；反之，代謝控制不佳者，表觀遺傳修飾可能讓 DR 在達成強化控制後仍持續進展。p.358
• 支持抗氧化物在 DR 角色的資料多數來自細胞培養或動物模型；一項臨床試驗評估 PKC inhibitor ruboxistaurin，與對照組相比，DR 病人視力喪失與黃斑雷射需求減少。p.358

Age-related macular degeneration（老年性黃斑部退化）

• AMD 是西方世界失明的首要原因。p.358
• 與氧化機轉相關的危險因子：sunlight exposure（日光暴露）、smoking（吸菸），以及某種程度上的 genetics（遺傳）⁠^Q134。p.358
• 數種模型顯示抗氧化物對 AMD 有保護作用。p.358
• AREDS 與 AREDS2 是研究抗氧化物對眼睛影響（尤其水晶體混濁的發生，以及 AMD 的發生與進展）的最大型前瞻性隨機臨床試驗中的 2 個：沒有資料證實口服補充品在白內障發生中有作用；但兩試驗都支持抗氧化物可限制高風險病人的 AMD 進展。p.358–359

Fig 14-5：治療介入方向

• 流程：oxidative stress（老化、吸菸、光、高血糖）→ oxidized environment（ROS、AGEs）→ stress response（mtDNA 損傷、血管變化、發炎調節、apoptosis）。p.357
• 抗氧化防禦（綠色＝支持性介入）：antioxidants（vitamins C + E、carotenes、xanthophylls、thiols、zinc、α-lipoic acid），由 vitamin A、AREDS、AREDS2 支持；antioxidant enzymes（catalase、SOD、GSH-Px、glutathione reductase、paraoxonase 1），由 gene therapy、curcumin 支持；sulforaphane 標示在由 antioxidants 指向 antioxidant enzymes 的綠色箭頭旁。p.357
• 抑制性介入（其他顏色）：pyridoxamine、aminoguanidine 作用於 AGEs；idebenone 作用於 mtDNA 損傷；bevacizumab、ranibizumab、aflibercept、brolucizumab、faricimab 作用於血管變化；corticosteroids 與 immunomodulatory therapy 作用於發炎調節（及血管變化）；quercetin 作用於 apoptosis。p.357