量子化学可以预防年龄相关性黄斑变性
2023年5月10日
在西方国家，导致视力下降的主要原因是年龄相关性黄斑变性(AMD)，这是一种中央视力恶化，始于称为脂褐素的脂质和蛋白质小滴在视网膜上积累并损害细胞。目前还没有有效的治疗方法，也不清楚健康的眼睛如何防止这种积聚。
然而，耶鲁大学和德国图宾根大学的研究人员发现了眼睛保护机制的一部分，其中涉及黑色素的不寻常的量子化学反应去除了脂褐素。他们说，这一发现可以为AMD的治疗提供信息。
“开始看起来黑色素是应对各种生物学挑战的自然解决方案，”耶鲁大学治疗放射学和皮肤病学教授Douglas E. Brash说，他是这项新研究的合著者。
该结果发表在5月8日的《美国国家科学院院刊》上。
光感受器是眼睛中的特殊细胞，将光转换成信号，然后发送到大脑。这些细胞的外部包括称为视盘的膜堆叠，其中充满了视紫红质，这种分子可以捕捉光线并将其转化为电信号。一旦暴露在光线下，堆叠顶部的视盘会经历一个回收过程，其中有用的材料会被收集起来重新使用。同时，新视盘在堆叠的底部形成。这个过程在人的一生中不断重复。
一些不能被视盘分解的物质变成脂褐素。随着脂褐素的积累，它会损害视网膜中的细胞，并导致AMD。
以前对白化小鼠的研究表明，脂褐素积累和视网膜损伤比着色小鼠发生得早。因此，在这项新的研究中，研究人员首先使用高倍电子显微镜观察了白化小鼠和遗传改变以模拟AMD的色素小鼠视网膜细胞中未消化的视盘。
图宾根大学眼科中心教授、该研究的资深作者Ulrich Schraermeyer说:“在白化小鼠中，无法消化的视盘残余物的出现频率是着色小鼠的十倍。”
黑色素是一种存在于头发、皮肤和眼睛中的色素；它因人而异，并随着年龄的增长而变得不那么有效。白化老鼠也缺乏这种物质，导致它们变色。研究小组怀疑这种色素可能在防止脂褐素积累方面发挥作用，因此在白化小鼠中诱导了黑色素的合成。研究人员发现，这样做减少了小鼠体内的脂褐素含量。
Ulrich对紫外线如何导致皮肤癌感兴趣。在之前的研究中，他的实验室发现，黑色素中发生的电子化学激发或“化学激发”会引起导致DNA损伤的反应。
Ulrich说:“这些量子化学反应将黑色素电子激发到高能状态，并翻转其自旋，从而产生不同寻常的化学反应。”。
为了测试化学激发是否可以介导脂褐素的清除，他确定了可以直接激发电子而无需通过黑色素的化合物，以及一种可以阻止化学激发的黑色素引发其他反应的化合物。
“我们知道，随着年龄的增长，黑色素变得越来越无效，”Ulrich说。“因此，一旦Schraermeyer实验室确定了黑色素是光感受器视盘更新所必需的，并且对于防止脂褐素积累是必不可少的，我们就想看看化学兴奋药物是否可以在诱导其作用的同时避免黑色素。”
研究人员在白化小鼠的视网膜组织上测试了这些化合物。
“两天内，脂褐素大幅减少，”该研究的主要作者、中国上海市第一人民医院的研究员Yanan Lyu说。"而这种改善被激发态淬灭剂所阻止."
激发电子逆转脂褐素的后续化学过程仍有待确定。但Schraermeyer对将这一发现转化为临床持乐观态度。
“30年来，我一直相信黑素体——细胞中产生黑色素的细胞器——会降解脂褐素，但无法确定其机制，”他说。“化学激发是缺失的一环，它应该让我们绕过当眼睛的黑色素随着年龄的增长而下降时AMD开始的问题。一种直接化学激发的药物可能是我们患者的一个突破。”
https://news.yale.edu/2023/05/10/quantum-chemistry-protects-against-age-related-macular-degeneration
