《Ecotoxicology and Environmental Safety》：Mechanistic insights into PM
2.5-induced myopia in mice: Role of NRF2/HIF-1α signaling and therapeutic potential of sulforaphane
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随着全球近视率攀升及空气污染加剧，探明其关联机制至关重要。本研究通过孟德尔随机化分析首次为空气颗粒物污染(PMAP)与近视的因果关联提供遗传流行病学证据，并深入揭示了PM2.5通过抑制NRF2、激活氧化应激促进小鼠近视的分子机制。研究发现萝卜硫素(sulforaphane)可作为NRF2稳定剂，通过靶向NRF2/HIF-1α信号轴，有效缓解PM2.5诱导的近视进展，为环境相关近视的防治提供了新策略。
想象一下，在不远的将来，每两个成年人中就有一个是近视眼。这不是危言耸听，根据预测，全球近视患病率将在2050年飙升至近50%。与此同时，我们呼吸的空气也变得越来越“沉重”，细颗粒物PM2.5已成为威胁公共健康的重要环境因素。眼睛作为直接暴露于外界的精密器官，首当其冲。早已有观察性研究发现，在空气污染严重的地区，儿童和青少年的近视患病率显著升高。然而，这两者之间究竟是偶然的伴随现象，还是存在确凿的因果关系？如果存在因果关系，PM2.5又是如何“穿透”我们的眼睛，导致眼球变长、视力模糊的呢？长期以来，这一领域缺乏强有力的遗传学证据和清晰的分子机制图谱。
近期，一项发表在环境健康领域权威期刊《Ecotoxicology and Environmental Safety》上的研究，为我们揭开了这层神秘面纱的一角。由Bo Liu、Xueting Yao、Jinhui Dai等人组成的研究团队，综合运用遗传流行病学、动物模型和分子细胞生物学技术，首次系统性地论证了空气颗粒物污染与近视之间的因果关联，并深入阐释了PM2.5通过扰乱眼睛内部的“抗氧化总司令”NRF2（核因子E2相关因子2）的信号，最终导致近视发生发展的全新机制。更有价值的是，他们从常见的十字花科蔬菜中提取的活性物质——萝卜硫素（sulforaphane）身上，找到了破解这一难题的潜在钥匙。
为了回答上述问题，研究人员主要采用了以下几项关键技术方法：首先，他们利用来自IEU Open GWAS数据库的大规模人群遗传数据（PMAP：455,314人；近视：460,536人），进行了孟德尔随机化（Mendelian randomization, MR）分析，以评估空气污染与近视的因果关联。其次，他们构建了小鼠近视模型，通过对4周龄C57BL/6J小鼠的眼表滴注PM2.5标准品（SRM1649b）30天，模拟长期暴露，并使用红外偏心验光仪和光学相干断层扫描分别测量小鼠的屈光度和眼轴长度。在机制探索层面，研究团队对小鼠视网膜组织进行了蛋白质组学测序分析，以寻找PM2.5作用的关键通路；并利用661W光感受器样细胞系，在体外验证PM2.5对氧化应激和特定蛋白表达的影响。此外，他们通过腺相关病毒（AAV9）介导的基因操作技术，在小鼠视网膜中敲低或过表达Nrf2基因，以确认其功能。最后，运用细胞热位移分析（Cellular Thermal Shift Assay, CETSA）和分子对接模拟，验证了萝卜硫素与NRF2蛋白的直接结合作用。
研究结果层层递进，揭示了从宏观流行病学到微观分子机制的完整证据链。
PMAP与近视风险存在因果关联
研究人员首先运用MR分析这一工具，来规避传统观察性研究中的混杂偏倚。分析结果显示，基因预测的PMAP水平每增加一个标准差，个体患近视的风险就会显著增加6.5%（OR = 1.065， 95% CI： 1.033–1.098）。这一关联在不同MR分析方法下均保持一致，且未发现明显的多效性偏倚，为“空气污染可能导致近视”提供了强有力的遗传学证据。
PM2.5促进近视进展
在动物层面，研究证实了PM2.5的直接致病作用。与滴注生理盐水的对照组相比，眼表长期暴露于PM2.5的小鼠出现了明显的近视性屈光漂移（即屈光度向近视方向变化）和病理性眼轴增长。视网膜组织的病理切片也显示，PM2.5处理组小鼠的光感受器细胞层结构排列紊乱。
PM2.5激活氧化应激通路
为了探究PM2.5如何发挥作用，研究者对小鼠视网膜进行了蛋白质组学分析。结果显示，差异表达蛋白显著富集在氧化应激相关通路。在体外细胞实验中，PM2.5处理能剂量依赖性地增加661W细胞内的活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）水平，同时升高脂质过氧化产物丙二醛（MDA）含量，降低抗氧化剂谷胱甘肽（GSH）水平，明确证实PM2.5引发了视网膜细胞的氧化损伤。
PM2.5抑制NRF2表达
氧化应激通路中的关键转录因子NRF2引起了研究者的注意。他们发现，无论是在小鼠视网膜组织中还是在661W细胞内，PM2.5暴露都会显著降低NRF2在mRNA和蛋白水平的表达。这表明PM2.5可能通过“削弱”眼睛的抗氧化防御核心NRF2，导致氧化应激失控。
NRF2通过结合并负调控HIF-1α发挥作用
那么，NRF2下调如何最终导致眼轴拉长？进一步分析发现，缺氧诱导因子-1α（Hypoxia-Inducible Factor 1-α, HIF-1α）通路也被激活，而已知HIF-1α的活化能促进近视进展。机制研究表明，NRF2蛋白能够与HIF-1α直接结合。当在细胞中敲低NRF2时，HIF-1α的表达升高；反之，过表达NRF2则会抑制HIF-1α的表达。这说明NRF2通过直接相互作用负向调控HIF-1α，可能是其抑制近视进展的重要方式。
NRF2是PM2.5促进近视的关键介质
功能获得与缺失实验直接证明了NRF2的核心地位。在小鼠视网膜中敲低NRF2，即使没有PM2.5处理，也会加速近视进展。而在PM2.5暴露的同时过表达NRF2，则可以有效抵消PM2.5引起的近视性屈光改变和眼轴增长。这明确了PM2.5是通过抑制NRF2来促进近视的。
萝卜硫素以NRF2为靶点并发挥治疗作用
基于上述机制，寻找能激活NRF2的物质成为潜在的干预策略。通过数据库筛选和实验验证，研究发现萝卜硫素能与NRF2稳定结合（CETSA实验证实），并剂量依赖性地提升细胞和小鼠视网膜中NRF2的表达。在动物实验中，给予萝卜硫素治疗，可以显著缓解PM2.5暴露所诱导的小鼠近视进展，将屈光度和眼轴长度拉回正常范围。
综上所述，本研究得出了以下几项核心结论：首先，通过孟德尔随机化分析，首次为空气颗粒物污染（PMAP）与近视风险之间存在正向因果关联提供了遗传流行病学证据。其次，在机制上，首次系统阐明PM2.5通过抑制视网膜组织中的NRF2表达，引发氧化应激，进而破坏NRF2对HIF-1α的负调控作用，最终驱动眼轴异常增长和近视进展的完整信号轴（NRF2/HIF-1α）。最后，发现天然产物萝卜硫素能够特异性稳定并激活NRF2，从而有效抵抗PM2.5的致近视作用，验证了靶向NRF2通路进行干预的可行性。
在讨论部分，作者强调了本研究的多重意义。它首次将MR分析应用于空气污染与近视的关联研究，为环境因素致病的因果推断提供了更高级别的证据。所揭示的NRF2/HIF-1α新机制，将环境暴露（PM2.5）、氧化应激、关键转录调控与近视病理生理学紧密联系起来，深化了对近视发病机制的理解。更重要的是，研究不仅指出了问题，还提供了潜在的解决方案。以萝卜硫素作为探针，验证了通过药理手段增强眼部抗氧化防御系统（激活NRF2）来防治环境相关性近视的策略前景。尽管将萝卜硫素直接应用于人类近视防治仍需大量后续研究，但这项工作无疑为开发新的预防和治疗策略（如针对NRF2通路的口服或局部药物、营养补充剂）开辟了全新的思路。在全球近视负担日益加重、空气污染问题持续存在的背景下，这项研究为我们从环境病因学角度认识和干预近视，带来了重要的科学启示和希望。
