Ключевые слова: макулярный пигмент, каротиноиды, макулярная дегенерация, методы определения плотности макулярного пигмента.
Abstract
Carotinoids and macular pigments. What do we know?
Literature review
Egorov E.A. 1, Gvetadze A.A.1,2
1 Russian National Research Medical University named after
N.I. Pirogov, Moscow
2 Municipal Clinical Hospital 15 named after O.M. Filatov
Chemical structure of macular carotinoids and their role in antioxidative defence are presented.
Particular attention is given to optical density of macular pigment and methods of its estimating.
Key words: macular pigment, carotinoids, macular degeneration, methods of defining of a density of macular pigment.
Каротиноиды – это природные органические пигменты, окрашенные в желтый, оранжевый или красный цвета, синтезируемые бактериями, грибами, водорослями, высшими растениями, коралловыми полипами и т. д. К 2012 г. было описано около 600 различных каротиноидов. Примерно 50 каротиноидов обнаружены в пищевом рационе человека, из которых только 10 присутствуют в плазме крови в ощутимых количествах. К каротиноидам относят преимущественно каротины и ксантофиллы. Известно, что по своей химической структуре это тетратерпены и тетратерпеноиды, соединения, которые формально являются производными продуктами гидрирования, дегидрирования, циклизации, окисления либо комбинации этих процессов их ациклического предшественника – ликопина. Молекулярная формула ликопина – C40H56 (рис. 1).
В 1945 г. G. Wald выделил специфические ретинальные каротиноиды и доказал их преимущественную локализацию в макулярной области сетчатки. Кроме того, опытным путем стало известно, что желтый пигмент центральной области сетчатки поглощает свет с длиной волны 430–490 нм (максимум поглощения – 465 нм).
Дальнейшие исследования были направлены на изучение химической структуры макулярных каротиноидов, а также их значения для зрения [36]. В середине 1980-х гг. была определена химическая структура ретинальных каротиноидов. Тогда же ученые заговорили о лютеине и зеаксантине [9, 12, 20]. Последний, как впоследствии удалось доказать, характеризуется наличием 2 стереоизомеров, причем первый носит название «зеаксантин», а второй – «мезозеаксантин». Молекулярная формула стереоизомеров – C40H56O2, а их систематическое название – 4-[18-(4-гидрокси-2,6,6-тримети-1-циклогексенил)-3,7,12,16-тетраметил-октадека-1,3,5,7,9,11,13,15,17-нонаэнил]-3,5,5-триметил-циклогекс-3-ен-1-ол (рис. 2).
Лютеин существует в качестве одного стереоизомера [11]. Его молекулярная формула – C40H56O2, систематическое название – β, ε-каротин-3,3'-диол (рис. 3).
Лютеин и зеаксантин в основном потребляются с пищей в соотношении примерно 7:1, тогда как мезозеаксантин не встречается в продуктах питания [29]. По результатам исследования в сыворотке крови населения США лютеин и зеаксантин выявлены в ощутимом количестве, а мезозеаксантин, напротив, обнаружен не был. Эти наблюдения привели к возникновению гипотезы о том, что мезозеаксантин является продуктом конверсии лютеина и синтезируется исключительно в сетчатке глазного яблока [10, 11]. В свою очередь, опыты in vitro показали, что преобразование лютеина в мезозеаксантин легко достигается путем каталитических химических реакций [11], что и является основой для его синтеза в производственных масштабах.
Еще одним доказательством гипотезы «преобразования» является распределение отдельных каротиноидов в сетчатке. Известно, что плотность мезозеаксантина в области фовеа на площади кольцевого пространства сетчатки с ретинальным эксцентриситетом – 10°, значительно выше плотности лютеина и зеаксантина, тогда как на периферии (с ретинальным эксцентриситетом 35°) ситуация является обратной [25]. Это свидетельствует в первую очередь о том, что процесс преобразования работает с большей эффективностью в центре фовеа по сравнению с периферической сетчаткой. Кроме того, наблюдается сходство в химическом составе молекул лютеина и мезозеаксантина: наличие и конфигурация гидроксильных групп, а также их расположение на 3 и 3' атомах углерода. Значит, можно предположить, что сложный ферментативный механизм синтеза мезозеаксантина сводится к образованию в процессе гидратации лютеина метаболита дегидролютеина, а также к переходу одной углеродной группы в кольцо ε. Это, по всей вероятности, и есть альтернативный путь формирования мезозеаксантина [24]. К сожалению, вышеописанные ферментативные реакции преобразования мезозеаксантина in vivo пока доказаны на моделях животных, в частности, на сетчатке глаза приматов [19]. Существуют данные, что в плазме дегидролютеин образуется не только из лютеина, но и из зеаксантина [21, 31].
Известно, что каротиноиды выполняют функции антиоксидантов в организме человека. А ретинальные каротиноиды, накапливаясь преимущественно в наружных сегментах фоторецепторов, слое волокон Генле, клетках наружного и внутреннего плексиформного слоев фовеа и, в самой меньшей степени, в клетках пигментного эпителия сетчатки, защищают макулу от двух основных нежелательных воздействий [4, 7]. Они абсорбируют синюю часть спектра и обеспечивают мощную антиоксидантную защиту от свободных радикалов, перекисного окисления липидов и т. д.
Эксперименты in vitro показывают, что зеаксантин является более мощным антиоксидантом, чем лютеин [23]. В сыворотке крови здорового человека соотношение зеаксантина и лютеина составляет примерно 1:4. Кроме того, стало известно, что лютеин и зеаксантин присутствуют и в клеточных мембранах [7, 8].
Суммарная концентрация лютеина, зеаксантина и мезозеаксантина в центральной области сетчатки составляет оптическую плотность макулярного пигмента (ОПМП). По данным ряда авторов, с возрастом происходит снижение ОПМП [6], что сопровождается и снижением уровня каротиноидов в макуле [17]. Некоторые клинические исследования доказывают, что ОПМП в здоровой популяции зависит от возраста, пола, расовой принадлежности и др. [37]. Существует мнение, что ОПМП снижается не только с годами, но и при некоторых заболеваниях центральной области сетчатки, например, при ВМД. Поэтому показатель ОПМП имеет важное клиническое значение. Исследования для определения ОПМП проводятся повсеместно: в США, Европе, Канаде, Азии и т. д. И во многих странах мира уже есть накопленный опыт и прямые доказательства о связи ОПМП с риском развития ВМД. В 2013 г. А.В. Зыковой и соавт. проведено исследование по определению ОПМП в возрастных группах от 20 до 66 лет в здоровой российской популяции. Но по его результатам достоверных различий в величине ОПМП выявлено не было [2]. К сожалению, масштабных исследований для определения ОПМП у здоровых лиц, а также у лиц с патологическим изменениями макулярной области в Российской Федерации пока не проводилось. Этот вопрос до сих пор открыт и весьма актуален.
В последнее время офтальмологи стали проявлять интерес к внедрению в клиническую практику неинвазивных методов исследования уровня ОПМП у пациентов разных возрастов. В первую очередь это необходимо для того, чтобы расширить свои знания о патофизиологических механизмах некоторых заболеваний центральной области сетчатки, а также определить связь между плотностью МП и риском развития макулопатии.
Существуют психофизические и физические методы измерения ОПМП. Психофизические методы основаны на измерении параметров индивидуальной световой чувствительности. Основными на сегодняшний день являются гетерохроматическая фликер (мерцающая) фотометрия (ГФФ) и ее модификация – гетерохроматическая модуляционная фотометрия (ГМФ), а также рефлектометрия МП и спектроскопия комбинационного рассеяния (СКР). К физическим можно отнести аутофлюоресценцию (АФ) и аутофлюоресцентную спектрометрию (АФС).
Гетерохроматическая фликер-фотометрия (ГФФ). Методика основана на сравнении показателей индивидуальной чувствительности к короткой длине волны света, поглощаемой макулярной областью и периферическими отделами сетчатки. Известно, что в центральной области сетчатки MП присутствует в высокой концентрации, в то время как плотность МП на периферии — низкая или отсутствует вовсе [14]. Эта чувствительность обычно измеряется соотношением короткой и длинной световых волн, т. к. последняя не поглощается MП [13, 17, 18]. Суть методики сводится к тому, что пациент самостоятельно корректирует яркость одного статического мерцающего огонька-метки до тех пор, пока восприятие мерцания не прекратится или не будет сведено к минимуму. За стандартный уровень освещенности или стандартной яркости принимается такой уровень яркости света, который дает восприятие мерцания при его минимальном пороге. Данная методика успешно используется для измерения ОПМП, хотя имеет ряд недостатков [22, 26, 27]. Во-первых, пациенту, который впервые проводит это исследование, сложно определить порог минимального мерцания [34]. Регулировка яркости света со слишком высоким или слишком низким порогом увеличивает восприятие мерцания, и пациент может запутаться. Во-вторых, характеристики мерцания сильно зависят от ее частоты: с одной стороны, наблюдаются крупные мерцания, когда частота слишком высока, с другой – его полное отсутствие, если частота слишком мала. И это может привести к недостоверным результатам. В-третьих, точность результатов может быть оценена только путем серии измерений. Кроме того, по мнению А.В. Дога и соавт., методика определения ОПМП является достаточно субъективной и зависит от интеллектуального развития и психофизиологических особенностей пациента.
Для того чтобы нивелировать недостатки ГФФ, была разработана улучшенная модификация метода – гетерохроматическая модуляционная фотометрия (ГМФ) [28, 30]. Аналогично ГФФ, ГМФ – это тест на световые модуляции в диапазоне средних или высоких частот. Основным преимуществом этой методики является тот факт, что световой поток исходит из двух огней-меток. Общие яркость и цветность остаются постоянными на протяжении всего эксперимента. Поэтому тест с легкостью может выполнить «неопытный» пациент, поскольку суть исследования сводится к обнаружению мерцания, а не определению значения его минимального порога [30].
Рефлектометрия макулярного пигмента (РМП). Оценку ОПМП можно также получить с помощью рефлектометра макулярного пигмента. На сегодняшний день за рубежом активно используется аппарат MPOD фирмы Maastricht Instruments (Нидерланды). Согласно краткому описанию Van der Kraats, Van Norren, Berendschot et al. [5, 32, 33], методика строится на теории, основанной на предположениях об отражении и поглощении светового спектра в разных слоях сетчатки глаза [33]. Параметры для объективной оценки оптической плотности разработаны с учетом возраста пациентов. В 2012 г. Dragostinoff N. et al. проводили клинические исследования для определения повторяемости измерений ОПМП с помощью рефлектометрии. Стало известно, что рефлектометрия обеспечивает хорошую повторяемость, а, соответственно, метод достоверен и делает возможным мониторирование ОПМП у больных с патологическими изменениями макулярной области [16].
Спектроскопия комбинационного рассеяния (СКР), основанная на эффекте Рамана, – раздел оптической спектроскопии, изучающий взаимодействия монохроматического излучения с веществом, что, в свою очередь, сопровождается изменением энергии рассеянного излучения по сравнению с энергией падающего на объект (возбуждающего) излучения. Комбинационное рассеяние обусловлено неупругими столкновениями фотонов с молекулами (или ионами), в ходе которых они обмениваются энергией. По изменению энергии фотона можно судить об изменении энергии молекулы, т. е. о переходе ее на новый энергетический уровень. СКР – эффективный метод изучения состава органических и неорганических веществ в любых агрегатных состояниях. Использование лазеров значительно расширило границы применения СКР. Этот метод позволяет определять низкие концентрации веществ, что особенно важно для биологии, биохимии и медицины. СКР активно используется в клинических исследованиях во всем мире для определения ОПМП в разных этнических группах. Преимущество СКР заключается в ее высокой специфичности для количественного обнаружения каротиноидов в сетчатке, а также неинвазивности и быстроты получения объективных измерений.
Как уже отмечалось выше, ключевым вопросом для клинического применения методов измерения ОПМП является их повторяемость. Поэтому ни один из предложенных психофизических тестов не может рассматриваться как «золотой стандарт» для исследования ОПМП [16]. При определении ОПМП всегда необходимо использовать серию измерений.
Аутофлюоресценция (АФ) – высокоинформативный неинвазивный метод визуализации глазного дна, который основан на свойствах некоторых веществ (флюорофоров) излучать свет [1]. В первую очередь к таким флюорофорам относится липофусцин ПЭС. Накопление липофусцина в ПЭС указывает на действие окислительного повреждения этих клеток и свидетельствует об активности болезни. Интенсивность АФ коррелирует с количеством и распределением липофусцина в слое ПЭС [3, 35]. Последние зарубежные исследования позволяют рассматривать метод как перспективу для скрининга ВМД.
Аутофлюоресцентная спектрометрия (АФС) основана на измерении интенсивности флуоресценции на 710 нм, при этом режиме макулярный пигмент имеет практически нулевое поглощение. Суть методики состоит в стимулировании флуоресценции двумя длинами волн, одна из которых хорошо поглощается МП, а другая – минимально. С помощью АФС можно сделать точные измерения плотности макулярного пигмента за один сеанс. Доказано, что полученные данные коррелируют с данными рефлектометрии МП и результатами ГФФ. Кроме того, оценка повторяемости измерений указывает на то, что результаты аутофлюоресцентной спектрометрии достоверны (средняя абсолютная разница между измерениями была менее чем 0,05) [15].
К сожалению, пока ответов на вопросы о механизмах развития некоторых заболеваний макулярной области недостаточно. Но уже есть некоторые данные. Например, клинические исследования для определения ОПМП с помощью СКР и ГФФ доказали, что концентрация МП снижается с возрастом. Кроме того, стало известно, что средний уровень лютеина и зеаксантина ниже в глазах с ВМД. А уровень ОПМП в группе пациентов с ВМД, которые начали регулярно употреблять витаминно-минеральные комплексы, содержащие высокие дозы лютеина (≥4 мг/день) и зеаксантина, значительно повысился по сравнению с таковым у пациентов, не потреблявших витаминные препараты. Эти данные согласуются с гипотезой о том, что низкий уровень МП может стать фактором риска развития ВМД.
Несмотря на то, что современная офтальмология обладает огромным спектром новых высокотехнологичных методов исследования для определения ОПМП, ни один из предложенных тестов не может рассматриваться как «золотой стандарт» измерения ОПМП. Кроме того, необходимо учесть, что результаты исследований ОПМП даже в здоровой популяции в разных этнических группах весьма неоднородны. Поэтому изучение возможностей измерения ОПМП в норме и при патологических изменениях макулярной области – интересная и актуальная задача.
Литература
1. Астахов Ю.С., Лисочкина А.Б., Нечипоренко П.А. Современные методы диагностики «сухой» формы возрастной макулярной дегенерации // Офтальмологические ведомости. 2010. Т. III. № 2. С. 41–47.
2. Зыкова А.В., Рзаев В.М., Эскина Э.Н. Исследование оптической плотности макулярного пигмента у разновозрастных пациентов в норме: Сб. науч. тр. VI Российского общенационального офтальмологического форума. М., 2013. Т. 2. С. 685–688.
3. Нечипоренко П.А. Современные методы диагностики и динамического наблюдения пациентов с «сухой» формой возрастной макулярной дегенерации: Автореф. дис. …. канд. мед. наук. СПб., 2010.
4. Beatty S., Koh H.H., Phil M., Henson D., Boulton M. The role of oxidative stress in the pathogenesis of age-related macular degeneration // Surv. Ophthalmol. 2000. Vol. 45. P. 115–134.
5. Berendschot T.T., Goldbohm R.A., Klöpping W.A., van de Kraats J., van Norel J., et al. Influence of lutein supplementation on macular pigment, assessed with two objective techniques // Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 2000. Vol. 41. P. 3322–3326.
6. Bressler N.M., Bressler S.B., Childs A.L. Surgery for hemorrhagic choroidal neovascular lesions of age-related macular degeneration // Ophthalmology. 2004. Vol. 111. P. 1993–2006.
7. Bone R.A., Landrum J.T. Macular Pigment in Henle Fiber Membranes a Model for Haidinger's Brushes // Vision Res. 1984. Vol. 24. P. 103–108.
8. Bone R.A., Landrum J.T., Cains A. Optical Density Spectra of the Macular Pigment in vivo and in vitro // Vision Res. 1992. Vol. 32. P. 105–110.
9. Bone R.A., Landrum J.T., Fernandez L., Tarsis S.L. Analysis of the Macular Pigment by HPLC:Retinal Distribution and Age Study // Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 1988. Vol. 29. P. 843–849.
10. Bone R.A., Landrum J.T., Friedes L.M., Gomez C.M., Kilburn M.D., Menendez E., Vidal I., Wang W. Distribution of Lutein and Zeaxanthin Stereoisomers in the Human Retina // Exp. Eye Res. 1997. Vol. 64. P. 211–218.
11. Bone R.A., Landrum J.T., Hime G.W., Cains A., Zamor J. Stereochemistry of the Human Macular Carotenoids // Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 1993. Vol. 34. P. 2033–2040.
12. Bone R.A., Landrum J.T., Tarsis S.L. Preliminary Identification of the Human Macular Pigment // Vision Res. 1985. Vol. 25. P. 1531–1535.
13. Campochiaro P.A. Gene transfer for neovascular age-related macular degeneration. Human Gene Therapy. 2011. Vol. 22 (5). P. 523–529.
14. Coleman H.R., Chan C.C., Ferris F.L.III, Chew E.Y. Age-related macular degeneration // The Lancet. 2008. Vol. 372 (9652). P. 1835–1845.
15. Delori F.C., Goger D.G., Hammond B.R., Snodderly D.M., Burns S.A. Macular pigment density measured by autofluorescence spectrometry: comparison with reflectometry and heterochromatic flicker photometry // J. Opt. Soc. Am. A. Opt. Image Sci. Vis. 2001. Vol. 18 (6). P. 1212–1230.
16. Dragostinoff N., Werkmeister R.M., Kaya S., Weigert G., Pemp B., Sacu S., Garhöfer G., Schmidt-Erfurth U., Schmetterer L. Short- and mid-term repeatability of macular pigment optical density measurements using spectral fundus reflectance // Graefes Arch. Clin. Exp. Ophthalmol. 2012. Vol. 250 (9). P. 1261–1266.
17. Edwards A.O., Ritter R., Abel K.J. et al. Complement factor H polymorphism and age-related macular degeneration // Science. 2005. Vol. 308. № 5720. P. 421–424.
18. Gass J.D. Drusen and disciform macular detachment and degeneration // Arch. Ophthalmol. 1973. Vol. 90 (3). P. 206–217.
19. Goralczyk R., Buser S., Bausch J., Bee W., Zühlke U., Barker F.M. Occurrence of Birefringent Retinal Inclusions in Cynomolgus Monkeys After High Doses of Canthaxanthin // Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 1997. Vol. 38. P. 741–752.
20. Handelman G.J., Dratz E.A., Reay C.C., van Kuijk F.J.G.M. Carotenoids in the human macula and whole retina // Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 1988. Vol. 29. P. 850–855.
21. Hartmann D., Thurmann P.A., Spitzer V., Scalch W., Manner B., Cohn W. Plasma kinetics of zeaxanthin and 3'-dehydro-lutein after multiple oral doses of synthetic zeaxanthin // American Journal of Clinical Nutrition. 2004. Vol.79. P. 410–417.
22. Kaiser P.K. Sensation luminance: a new name to distinguish CIE luminance from luminance dependent on an individual’s spectral sensitivity // Vision Res. 1988. Vol. 28. P. 455–456.
23. Kim S.R., Nakanishi K., Itagaki Y., Sparrow J.R. Photooxidation of A2-PE, a photoreceptor outer segment fluorophore, and protection by lutein and zeaxanthin // Experimental Eye Research. 2006. Vol. 82. P. 828–839.
24. Landrum J.T., Bone R.A. Mechanistic evidence for eye diseases and carotenoids. In: Krinsky N.I., editor. Carotenoids in Health and Disease // New York, Marcel Dekker, Inc. 2004. P.445–472.
25. Landrum J.T., Bone R.A., Moore L.L., Gomez C.M. Analysis of Zeaxanthin Distribution within Individual Human Retinas // In: Packer L, editor. Methods Enzymol. Academic Press. 1999. Vol. 299. P.457–467.
26. Lee B.B., Martin P.R., Valberg A. The physiological basis of heterochromatic flicker photometry demonstrated in the ganglion cells of the macaque retinа // J.Physiol. 1988. Vol. 404. P. 323–347.
27. Lennie P., Pokorny J., Smith V.C. Luminance // J. Opt. Soc. Am. A. 1993. Vol. 10. P. 1283–1293.
28. Lutze M., Cox N.J., Smith V.C., Pokorny J. Genetic studies of variation in Rayleigh and photometric matches in normal trichromats // Vision Res. 1990. Vol. 30. P. 149–162.
29. Müller H. Die tägliche Aufnahme von Carotinoiden (Carotine und Xanthophylle) aus Gesamtnahrungsproben und die Carotinoidgehalte ausgewählter. Gemüse- und Obstarten // Zeitschrift für Ernährungswissenschaft. 1996. Vol. 35. P. 45–50.
30. Pokorny J., Jin Q., Smith V.C. Spectral-luminosity functions, scalar linearity, and chromatic adaptation // J. Opt. Soc. Am. A. 1993. Vol. 10. P. 1304–1313.
31. Thurmann P.A., Schalch W., Aebischer J.C., Tenter U., Cohn W. Plasma kinetics of lutein, zeaxanthin, and 3-dehydro-lutein after multiple oral doses of a lutein supplement // American Journal of Clinical Nutrition. 2005. Vol. 82. P. 88–97.
32. Van de Kraats J., Berendschot T.T., van Norren D. The pathways of light measured in fundus reflectometry // Vision Res. 1996. Vol. 36. P. 2229–2247.
33. Van de Kraats J., Berendschot T.T.J.M., Valen S., van Norren D. Fast assessment of the central macular pigment density with natural pupil using the macular pigment reflectometer // J. Biomed Opt. 2006. Vol. 11(6). 064031.
34. Van der Veen R.L.P., Berendschot T.T.J.M., Hendrikse F., Carden D., Makridaki M. et al. A new desktop instrument for measuring macular pigment optical density based on a novel technique for setting flicker thresholds // Ophthalmic Physiol Opt. 2009. Vol. 29. P. 127–137.
35. Von Ruckmann A., Fitzke F.W., Bird A.C. Distribution of fundus autofluorescence with a scanning laser ophthalmoscope // British Journal of Ophthalmology. 1995. Vol. 79 (5). P. 407–412.
36. Wald G. Human vision and the spectrum // Science. 1945. Vol. 101. P. 653–658.
37. Werner J.S., Donnelly S.K., Kliegl R. Aging and human macular pigment density: Appended with translations from the work of Max Schultze and Ewald Hering // Vision Res. 1987. Vol. 27. P. 257–268.
Для корреспонденции:
gvetadzanya@mail.ru А.А. Гветадзе
