(轉載)透視水晶體的生與死

透視水晶體的生與死

眼睛裡負責聚焦光線的水晶體，為什麼可以如此純淨透明？原來一切都是細胞自殺的結果！

撰文╱達姆（Ralf Dahm）
翻譯／姚若潔

眼球中的水晶體，是人體唯一的透明組織。過去幾年，專家已確知聚光所必需的透明度，大部份源於水晶體細胞的獨特能力，它們可在發育即將完成時啟動自我摧毀程式，變成中空但能續存的細胞，好讓可見光通過。

若能更了解水晶體細胞是如何變成透明並繼續維持，或許可找到防止白內障的方法。65歲以上的美國人中，逾半數有這種視線受阻的問題。唯一的治療方式是透過手術摘除水晶體，並置入人工移植物。儘管如此，很多病人還是出現併發症，而需要進行第二次手術。由於白內障多半影響年紀大的人，對這些人而言，任何手術都是一種負擔，若有什麼辦法能減緩或停止白內障的形成，甚或使受損的水晶體恢復，將會有很大的助益。

對於水晶體如何嚴密控制細胞自殺，若能有更進一步的了解，除了能維護視力，還可以提供一些洞見，以治療因細胞過度死亡或不當而導致的病症，其中包括帕金森氏症、阿茲海默症，還有慢性感染如愛滋病等。

水晶體是活的嗎？

水晶體是生物上的奇蹟，集密度、彈性與透明於一身。只要它稍微不透明，我們的視覺世界會變成像哈哈鏡一般，充滿變形而模糊的光影。如果水晶體有些許顏色，便會吸光，使我們看不見某些顏色。

許多動物都有半透明的部份，例如昆蟲的翅膀，但自然界中真正透明的組織非常稀有，也很難達成。人類的角膜是透明的，但它只是薄薄一層由蛋白質與醣類構成的膠狀結構，而非細胞構成的組織。水晶體則由約1000層完全透明的活細胞組成。除了視覺之外，在自然世界中應用透明度的顯著例子，只有某些海洋與淡水生物，牠們利用本身的透明融入開放水域，以躲避掠食者，水母即是其中一例。然而這類動物絕大部份只能算是「高度半透明」，還不算完全透明。

透明並不容易達成，因為細胞中有稱為「胞器」的內部構造，例如儲存DNA的細胞核、產生能量的粒線體，以及對合成蛋白質與脂質很重要的高爾基體與內質網。每個構造都有各自的折射率，當光線穿越折射率不同的區域時，便會散射而造成某種程度的不透明。

再者，有些細胞會吸收某些光波而產生顏色。例如血球細胞中的血紅素，其獨特的紅色便是由血色素所造成。器官與肌肉由於有血液供應，基本上也呈現紅色。另外，不少細胞（尤其是頭髮與皮膚細胞）都含有黑色素，那是一種色素分子，顏色從紅到黑都有。

水晶體則沒有黑色素也沒有血液供應。不過單是如此還不足以達成透明，就像軟骨，既沒有黑色素亦無血液供應，同時也沒有顏色，但它頂多只是半透明。這是因為幾乎所有的組織、細胞或纖維都以不同角度排列，造成折射率不同，使得光線通過時發生散射。而水晶體只由一種細胞構成，而且所有細胞都精確地同向排列。

既然水晶體細胞沒有血液供應，沒有結締組織、神經組織，也沒有胞器，那麼它們還能算是活的嗎？答案視「活著」的定義為何而異。有許多小動物雖然沒有血液供應，仍然在地球上繁衍著；人類軟骨沒有血液，但任何一位生物學家都不會否認它是活的。如果「活著」是指一個細胞要有代謝，那麼水晶體細胞便是活的-儘管它只是以最低的限度活著。雖然它沒有製造能量的粒線體，某些養份與其他分子仍可藉由滲透作用，從水晶體的最外層，透過一個一個細胞慢慢地往內傳送。

胎兒時期，剛由幹細胞形成的水晶體細胞確實有著胞器，但這些胞器在發育早期便被摧毀。（成年時期，週期性形成的新細胞也會進行相同程序。）剩下的細胞質是極濃稠的「晶狀蛋白質」溶液。雖然水晶體常被形容為「像結晶一樣」，但這並非化學上的定義。化學所謂的結晶，是指離子或分子間的幾何位置有系統地重複。水晶體則是「生物性的晶體」，亦即它的細胞有著非常規則的排列。這些細胞內都有晶狀蛋白質這種大分子，它們形成仲晶排列的複合體。這種結構使細胞質在光學上十分均質，折射率在細胞內與細胞間都不會改變。

老眼矇矓

要達成透明清晰，當然要付出代價。水晶體細胞撐過胞器控制性自殺的過程，這種毀壞卻暗示嚴重的後果。失去細胞核，合成新物質的遺傳程式也就消失，成熟的水晶體細胞便無法像其他細胞一樣再生或自我修復。

修復損傷是生物系統最主要的優點。組成人類細胞的分子，半生期通常是幾分鐘到數天；大約六個月左右，構成我們身體的所有分子，有90%已完全更新。然而，水晶體細胞卻必須工作一輩子那麼長的時間。

但水晶體細胞缺乏修復機制，面對某些壓力時便顯得十分脆弱。例如，嚴重脫水會造成晶狀蛋白質沉澱，促使細胞碎成一堆，這便是白內障。這種小顆粒會破壞水晶體原本均質的折射率，在視野中製造出模糊的點。只要嚴重脫水幾個星期，便可能促使白內障形成。

即使不是上述狀況，缺乏修復機能，意味長期下來小損害也會累積。經常暴露於高度活性分子（如氧自由基）或紫外線輻射，或因糖尿病而經年處於高血糖狀態，都導致許多人罹患白內障，不得不求助於白內障手術。

移除模糊水晶體的文獻記載，可追溯到公元前1800年古巴比倫《漢摩拉比法典》。古埃及、中世紀歐洲和伊斯蘭文獻都描述了如何讓水晶體與睫狀肌分離，並將水晶體下壓到玻璃體（水晶體後方的濃稠液體）中。這種方法把遮蔽物從光的通道上移除了，卻讓光線無法聚焦，因此病人只能看到模糊影像，有如在水中看東西。

17、18世紀時有了特殊鏡片，終於可以彌補無法聚焦的問題。而今日的人工水晶體甚至不需要鏡片。光是在美國，醫生每年施行的白內障手術便高達100萬件。幸好，現今的手術成功率近乎100%，且費時不超過45分鐘。不過，仍有約三分之一的病人因未分化細胞（幹細胞）造成的白內障後遺症而再度求醫。手術過程中不慎留下的幹細胞，後來開始增殖，但它們不像胚胎發育時期的行為，而是形成沒有秩序的一團，模糊了視線，必須靠手術移除。在沒有手術資源的開發中國家，有一半的盲人是白內障所造成的。單在印度，每年就有大約380萬人因為白內障而失去視力。

年老水晶體容易發生白內障，也容易變黃。吸收藍、綠光的蛋白質逐漸累積，使這些光無法到達視網膜，也使水晶體呈現黃或褐色；只有紅、黃與褐光可通過時，所看到的世界便改變了。

控制中的自殺

近年來，科學家做的已不只是讚歎水晶體的透明度，或擔憂水晶體隨著老化而衰退了。他們發現，水晶體有系統地摧毀其所含胞器的過程，可能為我們提供絕佳機會，解決某些人類最苦惱的疾病。

在早期胎兒發育階段，從幹細胞形成時，水晶體細胞和所有細胞一樣都含有胞器，不過一旦分化，水晶體細胞便會摧毀胞器，只留下碎片而變得透明。這乍看沒有什麼問題，但試想其他細胞，只要DNA有少許損傷就會進入一個稱為「細胞凋亡」的細胞死亡程式，而這過程是不可回復的：破壞性的蛋白質被釋放進入細胞，打碎DNA及重要蛋白質，粒線體也不再工作，使細胞失去能量來源，於是受破壞的細胞變得支離破碎並消失。