《International Journal of Molecular Sciences》：Peripheral Blood Mononuclear Cell Oxygen Consumption and Systemic Bioenergetics in Glaucoma Management
Chun Hsiung,
Ta-Hung Chiu,
Wei-Ting Yen and
Da-Wen Lu
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这篇综述系统性阐述了青光眼神经退行性变从传统的压力中心模型向生物能量学模型的范式转变。文章聚焦于线粒体功能障碍、外周血单个核细胞(PBMC)作为系统性生物能量学窗口的作用，以及烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)耗竭和SARM1介导的轴突变性等关键机制。文中整合了临床与基础研究证据，提出将PBMC耗氧率(OCR)和系统NAD+水平作为疾病进展的生物标志物，并深入探讨了靶向线粒体生物能量学的神经保护疗法（如烟酰胺、丙酮酸盐、辅酶Q10和二甲双胍）的临床转化前景，为青光眼的个体化精准治疗提供了新策略。
引言：从压力模型到生物能量学模型
青光眼是一种以视网膜神经节细胞进行性丢失为特征的多因素性视神经病变。传统上，降低眼压是其主要治疗策略。然而，大量患者即使有效控制眼压，视神经损害仍持续进展，尤其是占开角型青光眼绝大多数的正常眼压性青光眼(NTG)患者。这种临床矛盾促使人们重新审视疾病本质，认识到眼压并非决定视网膜神经节细胞存活的唯一因素，而是作为一个应激源，与个体的内在易感性相互作用。代谢脆弱性和系统性线粒体功能障碍被认为是这种内在易感性的主要驱动因素，标志着青光眼病理机制的研究正从压力中心模型转向生物能量学模型。
代谢脆弱性被定义为一种系统性生物能量学脆性状态，其特征包括：外周血单个核细胞(PBMC)基础耗氧率降低、系统性烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)耗竭以及外周血线粒体DNA拷贝数减少。视网膜和视神经因其极高的代谢需求，对线粒体呼吸功能的缺陷尤为敏感。
青光眼神经退行性变的线粒体理论
青光眼的病理生理学已演变为一个多因素框架，其中代谢功能不足是关键的平行驱动因素。其生物能量学衰退可分为三个渐进性参数：线粒体功能障碍（上游的结构和酶缺陷，主要是复合体I活性降低、mtDNA突变和活性氧泄漏）、代谢功能不全（功能后果，表现为备用呼吸容量降低和ATP合成受限）以及生物能量危机（晚期的病理级联反应，以严重的NAD+耗竭、ATP池崩溃、SARM1介导的轴突变性和自噬失败为特征）。这种内在的代谢缺陷使得眼组织无法承受并发的生理应激，如眼压波动或缺血事件。
眼组织的脆弱性取决于其代谢需求。小梁网是调节房水流出的代谢活跃组织，在原发性开角型青光眼(POAG)中，其细胞表现出独特的线粒体表型，包括氧化DNA损伤积累和致病性的大片段mtDNA缺失，导致生物能量学衰竭和细胞衰老，进而损害房水流出功能，引发高眼压。筛板细胞则表现出严重的代谢缺陷，如线粒体膜电位崩溃、钙调节异常和ATP生成减少，并产生高水平的活性氧，损害细胞外基质重塑，与固有的生物力学应变共同导致临床可见的视杯扩大。视网膜神经节细胞因其形态和生理特点而尤为脆弱，其眼球内段轴突无髓鞘，依赖于连续性而非跳跃性传导，能量效率低下，需要高密度的线粒体和离子泵来维持稳态，对能量供应中断极为敏感。
在视网膜神经节细胞中，线粒体电子传递链的效率是关键生存决定因素。大量研究已确定复合体I缺陷是青光眼生物能量学的标志。青光眼患者的系统组织持续表现出特定的复合体I缺陷，其特征是NADH关联的呼吸作用受损。这种缺陷通常由线粒体基因组中的体细胞突变驱动，尤其是在MT-ND1和MT-ND5基因中识别出的高频突变热点。复合体I功能障碍会损害电子传递，限制ATP产生，并增加电子泄漏，产生活性氧，驱动氧化应激。
线粒体功能障碍的一个关键下游后果是NAD+的耗竭。在青光眼中，转运失败或生物能量学应激导致局部烟酰胺单核苷酸腺苷酰转移酶2耗竭，造成轴突NAD+减少及其前体烟酰胺单核苷酸的积累。这种烟酰胺单核苷酸/NAD+比例的改变充当了SARM1的分子开关，而SARM1是瓦勒氏变性的核心执行者。一旦激活，SARM1作为一种强效的NADase，迅速水解轴突中剩余的NAD+，导致不可逆的代谢崩溃和轴突结构断裂。动物模型表明，敲除SARM1基因的小鼠在慢性高眼压模型中能有效防止视网膜神经节细胞丢失。
眼部环境极易发生氧化损伤。在青光眼中，功能失调的电子传递链的“渗漏”加剧了活性氧的生成，压倒了超氧化物歧化酶2等抗氧化防御系统，导致8-羟基-2-脱氧鸟苷的积累。研究表明，青光眼患者房水和血清中的8-羟基-2-脱氧鸟苷水平显著高于白内障对照组，且该标志物的高水平与正常眼压性青光眼的视野进展速度相关，证实氧化应激不仅是副产物，也是疾病恶化的驱动因素。
外周血单个核细胞作为系统性生物能量学窗口
由于活体视网膜组织的不可及性，外周血单个核细胞提供了一个可及的系统性替代指标。其代谢特征通过三个因素在功能上反映了视网膜神经节细胞的状态：共享的系统性线粒体DNA变异所建立的基线生物能量学脆弱性；同时暴露于循环中的损伤因子（如活性氧和细胞因子）；以及对系统性复合体I和NAD+缺陷均表现出选择性的高代谢需求脆弱性。因此，外周血单个核细胞敏感地反映了青光眼神经血管微环境。最近的蛋白质组学分析证实，开角型青光眼受试者的外周血单个核细胞在调节免疫功能、自噬和线粒体代谢的通路中发生了显著改变，与眼中的神经退行性事件相呼应。
Petriti等人的研究证实了外周血单个核细胞在青光眼管理中的应用价值。研究结果显示，原发性开角型青光眼患者的基础和最大耗氧率显著低于健康同龄人。较低的外周血单个核细胞耗氧率与更快的视野丢失和视网膜神经纤维层变薄相关，且独立于眼压。这表明系统生物能量学能力作为一种抵抗因素。目前，受损的外周血单核细胞耗氧率主要作为一个特征标志物，用于识别基线内在生物能量学脆弱性，这种脆弱性降低了视网膜神经节细胞在眼压升高等局部应激下受损的阈值。
与呼吸测定数据相平行，Petriti等人也发现原发性开角型青光眼受试者外周血单个核细胞中的总NAD+水平显著低于健康对照者。此外，系统性NAD+水平与耗氧率呈正相关，将NAD+耗竭这一特定分子缺陷与呼吸功能输出联系起来。这种系统性耗竭反映了SARM1通路中描述的轴突缺陷，表明青光眼患者存在NAD+生物合成的普遍失败或加速消耗。
蛋白质组学分析表明，生物能量危机（特别是系统性复合体I缺陷和NAD+耗竭的综合效应）与蛋白质清除机制的广泛受损密切相关。本质上，线粒体功能障碍是上游触发因素。由体细胞突变驱动的基底复合体I功能障碍限制了ATP产生并产生活性氧，后者通过上调Beclin-1信号传导启动自噬。然而，受损的线粒体自噬表现为下游后果。由于自噬和线粒体自噬通量的完成是一个高度依赖能量的过程，并发的ATP和NAD+耗竭剥夺了细胞执行囊泡成熟和溶酶体降解最终阶段所需的能量底物。Giammaria等人在人类外周血单个核细胞中描述了这种流产自噬的表型，即细胞机制试图启动自噬通量，但由于下游囊泡成熟缺陷而无法完成该过程。这种生物能量学的启动与清除之间的解离，与在DBA/2J小鼠模型中发现的病理学相平行。
线粒体自噬失败最初是能量饥饿的下游后果，但这些泄漏细胞器的保留将病理转变为自我维持的正反馈循环。
不同青光眼亚型的代谢表型
呼吸测定数据将正常眼压性青光眼置于代谢谱中受损最严重的一端，其线粒体功能显著低于高眼压性青光眼患者和对照组。在正常眼压性青光眼中，线粒体本质上是低效的，这意味着它们拥有最小的备用呼吸容量。虽然血管调节障碍和系统性低血压是正常眼压性青光眼中公认的平行驱动因素，但这种深刻的生物能量学脆弱性解释了为何这些患者即使在积极降低眼压后仍经常进展。即使是正常的生理性眼压，当与这些并发易感性相互作用时，也足以耗尽这些已减少的能量储备并触发变性。
相比之下，高眼压性青光眼被认为代表继发性代谢功能不全。虽然相对于对照组功能受损，但高眼压性青光眼的线粒体功能通常优于正常眼压性青光眼。尽管眼压升高引起的机械应力是主要驱动因素，但高眼压性青光眼患者通常携带减少的外周血线粒体DNA拷贝数。这表明，虽然机械应变引发损伤，但潜在的基线代谢脆弱性仍然存在，并可能决定进展速度。
剥脱性青光眼是一种由LOXL1基因变异驱动的侵袭性顽固性疾病。它代表一种具有严重生物能量学后果的系统性弹性组织疾病。致病性LOXL1变异导致蛋白质错误折叠和聚集，这些聚集体诱导内质网应激并直接损害线粒体功能。重要的是，这种病理还涉及严重的微管缺陷，这与更广泛的生物能量危机存在机制上的交汇点：被破坏的微管网络既阻碍了线粒体的轴浆运输，也阻碍了线粒体自噬机制的运动。因此，剥脱性青光眼成纤维细胞表现出显著降低的ATP产量和备用呼吸容量。这种系统性生物能量衰竭与原发性小梁网阻塞的机械损伤相结合，驱动了剥脱性青光眼特有的快速进展。
诊断与预后指标
通过开发量化代谢风险的新型诊断指标，这些生物学见解正在转化为临床实践。代谢风险评分整合了遗传易感性和代谢组学数据。分层分析显示，良好的代谢风险评分显著降低了发生青光眼的几率，即使在遗传负担最高的个体中也是如此。而最高的遗传易感性与最高的代谢风险相结合，则导致易感性显著升高。这种相互作用强调了血清代谢物谱区分遗传易感但代谢受保护的患者与具有双重负担的患者的能力。
为了直接评估眼内线粒体功能，开发了黄素蛋白荧光成像技术。这种非侵入性技术利用了线粒体中氧化型黄素腺嘌呤二核苷酸的自身荧光。当电子传递链高效运作时，黄素腺嘌呤二核苷酸主要被还原为非荧光性的FADH2。然而，当电子传递链功能失调时，氧化型黄素腺嘌呤二核苷酸池增加，在蓝光激发下发出绿色荧光。临床研究表明，最显著的信号变化发生在视神经乳头和视乳头周围视网膜，青光眼患者的黄素腺嘌呤二核苷酸荧光强度显著高于对照组。有证据表明，在光学相干断层扫描检测到显著结构性变薄之前，在青光眼疑似患者和高眼压症患者中即可检测到黄素腺嘌呤二核苷酸荧光升高，这有可能作为代谢应激和即将发生的神经退行性变的早期生物标志物。
靶向线粒体韧性的治疗应用
NAD+耗竭、复合体I缺陷和SARM1激活的发现奠定了代谢神经保护的基础。治疗目标正从单纯降低眼压转向增强视网膜神经节细胞的备用呼吸容量。
烟酰胺是主要的代谢药物。作为NAD+的前体，高剂量补充可补充耗竭的NAD+水平，防止诱导SARM1激活的烟酰胺单核苷酸/NAD+比例下降。此外，NAD+可增强复合体I活性并通过PARP酶支持DNA修复。一项随机二期研究表明，烟酰胺和丙酮酸盐联用可显著改善青光眼患者的视觉功能，表现为短期视野恢复。这种功能增益在单纯降眼压治疗中很少见到。此外，Hui等人证明，补充烟酰胺后，通过明视负反应振幅量化，内层视网膜的生理性能改善了14.8%，这种程度的恢复在传统的降眼压管理中很少实现。
正在进行中的NAMinG三期试验正在评估高剂量口服烟酰胺，以确定系统性代谢支持是否能减缓已接受标准降眼压治疗的开角型青光眼患者的视野恶化率。如果试验结果良好，烟酰胺将成为首个经过验证的非降眼压神经保护疗法。然而，将高剂量烟酰胺疗法转化为常规临床实践需要严格的安全性监测。长期服用存在药物性肝损伤和血清转氨酶升高的风险。这种肝毒性潜力对老年青光眼患者尤为关键，他们常伴有与年龄相关的肝清除率下降，并面临多种合并症带来的多重用药不良相互作用。因此，美国青光眼协会和美国眼科学会目前警告不要在临床试验之外进行无监督的高剂量烟酰胺补充。
丙酮酸盐补充从另一个角度解决生物能量学缺陷。作为三羧酸循环的关键底物，丙酮酸盐绕过糖酵解的限速步骤，直接驱动线粒体呼吸。Li等人证实，高系统性丙酮酸盐水平赋予了对青光眼的抵抗力。动物模型表明，膳食丙酮酸盐可保护视网膜神经节细胞免受眼压诱导的死亡，并提高具有线粒体缺陷细胞的存活率。
HDAP2是一种高密度芳香肽，通过与心磷脂结合来稳定线粒体内膜。在青光眼中，氧化应激引发心磷脂过氧化，破坏膜完整性并释放细胞色素c以启动细胞死亡。在自发性青光眼DBA/2J小鼠模型中，MacNeil等人证明，系统性给予HDAP2使视网膜神经节细胞存活率相对于对照组提高了约49%。此外，该肽在多种压力暴露下能有效保护轴突和视网膜神经节细胞，从而增加了组织对眼压的抵抗力。
辅酶Q10是复合体I/II和复合体III之间必需的电子载体，可绕过青光眼外周血单个核细胞中观察到的特异性复合体I缺陷，同时中和活性氧。在机制上，辅酶Q10稳定Bax/Bcl-2轴；在视网膜缺血模型中，它上调抗凋亡的Bcl-xL并下调促凋亡的Bax，防止线粒体通透性转换孔的开放。此外，辅酶Q10通过减少反应性星形胶质细胞中GFAP的表达并抑制促炎细胞因子（如肿瘤坏死因子-α和白细胞介素-1β）的释放来减轻神经炎症。此外，Dogan等人报告，接受局部辅酶Q10/维生素E治疗12个月的原发性开角型青光眼患者，与对照组相比，视觉诱发电位P100潜伏期显著缩短，振幅增加，提示对视网膜神经纤维层厚度的保护作用。
二甲双胍作为一种抗糖尿病药物，基于其在临床前模型中观察到的神经保护和抗纤维化特性，已成为一个治疗候选药物。流行病学上，回顾性队列研究发现，使用二甲双胍与降低原发性开角型青光眼风险相关，而其他糖尿病药物则与风险增加相关。在机制上，二甲双胍激活主要的细胞能量传感器AMP激活的蛋白激酶。通过轻度抑制复合体I并增加AMP/ATP比值，二甲双胍触发AMPK抑制哺乳动物雷帕霉素靶蛋白，从而解除对自噬的抑制。这恢复了自噬通量，上调了线粒体自噬受体（如帕金森蛋白和视神经蛋白），并促进了功能失调细胞器以及p62等积累蛋白的清除。此外，体外研究表明，二甲双胍通过调节整合素/Rho相关激酶通路来靶向小梁网，以重排细胞骨架并减少纤维化标志物，从而减轻房水流出阻力。Satriano等人在小鼠模型中证明了低剂量二甲双胍的毒物兴奋效应，即低剂量可显著防止视网膜神经节细胞丢失，而高剂量则无效，这突显了最佳剂量窗口的重要性。然而，这些有前景的机制和观察性发现缺乏在人类队列中完成的随机对照试验的验证。
青光眼的异质性需要量身定制的代谢干预。在正常眼压性青光眼中，主要缺陷是内在的生物能量学脆弱性和备用呼吸容量降低，治疗重点在于最大化ATP输出和电子传递效率。正常眼压性青光眼的最佳治疗方案将主要包含烟酰胺、丙酮酸盐和辅酶Q10，以直接为呼吸供能并绕过复合体I缺陷。相比之下，剥脱性青光眼代表一种双重病理，其中LOXL1驱动的蛋白质错误折叠诱导严重的内质网应激和继发性线粒体崩溃。对于剥脱性青光眼，仅进行能量补充不足以解决同时存在的蛋白酶体功能受损。因此，针对性的剥脱性青光眼代谢干预可能受益于纳入强效的自噬诱导剂。基于上述临床前模型，理论上，如二甲双胍等可增强AMPK并增加自噬通量的药物，可能有助于清除有毒的LOXL1聚集体。然而，需要严谨设计的临床试验来确定这种机制靶向方法能否安全有效地为剥脱综合征患者带来可测量的视觉益处。
未来的临床试验必须超越单纯依赖眼压标准，纳入主动的代谢分层，以防止将阳性治疗效果稀释在异质性队列中：烟酰胺试验应纳入表现出显著降低的基础外周血单个核细胞耗氧率和深度系统性NAD+耗竭的患者。丙酮酸盐试验应针对通过代谢风险评分分析确定的、缺乏保护性循环丙酮酸盐和柠檬酸盐的个体。二甲双胍/AMPK激活剂试验应优先考虑患有剥脱性青光眼或具有严重蛋白质稳态失败生物标志物的患者，以恢复自噬通量。
结论
本综述综合的证据促使我们重新评估青光眼管理，将其从单纯的眼压降低策略扩展到纳入代谢神经保护。虽然眼压仍然是主要的可调节风险因素，但视网膜神经节细胞的生物能量学韧性和患者的系统生理学决定了导致失明的阈值。
体细胞线粒体DNA突变诱发系统性复合体I缺陷，造成代谢脆弱性。在眼压诱导的应激下，这种脆弱性表现为NAD+耗竭和烟酰胺单核苷酸积累，从而触发SARM1介导的轴突变性。这些过程通过降低的耗氧率、NAD+耗竭以及以p62积累为特征的自噬阻断，在外周血单个核细胞中得到系统性反映，并且这些生物标志物与视力下降密切相关。
因此，青光眼管理正在向双重策略发展。这种方法一方面降低机械应力，另一方面通过烟酰胺、丙酮酸盐、HDAP2、辅酶Q10和二甲双胍等药物提高生物能量学阈值。然而，由于外周血单个核细胞替代指标的局限性和疾病的异质性，转化这些发现需要谨慎。进一步的研究依赖于开发精准分层工具，以识别最有可能从这种生物能量学框架中受益的特定患者亚群。
