多元醇通路導(dǎo)致糖尿病視網(wǎng)膜病變的研究

孫丹

糖尿病視網(wǎng)膜病變(DR)已逐漸成為導(dǎo)致成人失明的主要原因,它也是糖尿病最常見的并發(fā)癥。據(jù)一些報(bào)道,患糖尿病15～20年的患者有75%會發(fā)展為DR,而幾乎所有的1型糖尿病患者和超過半數(shù)的2型糖尿病患者最終會發(fā)展為DR[1]。

1 糖尿病視網(wǎng)膜病變的發(fā)病機(jī)制

糖尿病視網(wǎng)膜病變(DR)主要是視網(wǎng)膜微血管的改變。糖尿病微血管病變的典型改變有微循環(huán)障礙、微血管瘤形成和微血管基底膜增厚[2]。山梨醇旁路代謝增強(qiáng),血液流變學(xué)改變,凝血機(jī)制失調(diào),血小板功能異常,紅細(xì)胞2,3-二磷酸甘油酸(2,3-DPG)、糖化血紅蛋白含量增高導(dǎo)致組織缺氧等,可能與微血管病變的發(fā)生、發(fā)展有關(guān)。DR的基本病理改變包括以下5點(diǎn):(1)周細(xì)胞選擇性的丟失。(2)基底膜增厚。(3)微血管瘤的形成。(4)內(nèi)皮細(xì)胞增生。(5)新生血管形成。其中周細(xì)胞選擇性的丟失是最早的病理改變[3]。DR按眼底病理改變分為兩大類:(1) 非增殖型(又稱背景性或純型),病變局限于視網(wǎng)膜內(nèi),表現(xiàn)為視網(wǎng)膜微血管瘤、出血斑、軟性或硬性滲出物、視網(wǎng)膜動脈或靜脈病變。(2)增殖型(PDR)病變至少有部分向內(nèi)延伸超過內(nèi)界膜,新生血管出現(xiàn)是其主要標(biāo)志,PDR以視網(wǎng)膜新生血管形成及纖維化為特征[4]?？傊?DR發(fā)生的關(guān)鍵因素是視網(wǎng)膜組織缺氧,視網(wǎng)膜微循環(huán)異常。早期的病理改變有毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞的基底膜增厚、周細(xì)胞喪失、毛細(xì)血管自動調(diào)節(jié)功能失代償,隨后內(nèi)皮細(xì)胞屏障功能損害,血-視網(wǎng)膜屏障破壞,血液成分滲出、毛細(xì)血管閉塞,視網(wǎng)膜水腫,晚期可見新生血管、異常血管形成及纖維化增生,導(dǎo)致視網(wǎng)膜脫離。

2 多元醇通路激活與DR發(fā)病的關(guān)系

多元醇通路,由醛糖還原酶(aldose reductase,AR)及山梨醇脫氫酶(sorbitol dehydrogenase,SDH)共同構(gòu)成。多元醇通路激活的損傷機(jī)制目前有以下3種假說:(1)葡萄糖高滲假說,認(rèn)為人患有糖尿病時(shí),當(dāng)血糖持續(xù)升高超過了糖原合成和葡萄糖氧化能力時(shí),己糖激酶趨于飽和,醛糖還原酶(AR)活力升高使山梨醇生成增多,山梨醇在山梨醇脫氧酶(SDH)作用下轉(zhuǎn)變?yōu)楣?如圖1),細(xì)胞內(nèi)山梨醇和果糖積聚,滲透壓顯著升高,損傷組織及細(xì)胞,產(chǎn)生DR。(2)肌醇代謝異常假說,山梨醇在細(xì)胞中的大量聚集可造成肌醇的丟失。而肌醇與細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能密切相關(guān),組織中肌醇含量減少,使磷脂酰肌醇的代謝減弱,一方面代謝產(chǎn)物三磷酸肌醇和甘油二脂釋放減少;另一方面蛋白激酶C活性下降,進(jìn)而使Na+、K+、三磷酸腺苷(ATP)酶的活性下降。(3)NADPH/NADP+比例失調(diào)假說,多元醇通路活性增加,導(dǎo)致NADPH的消耗增加,以其為輔酶的還原型GSH生成減少,組織的抗氧化能力降低,自由基的清除減少,引起細(xì)胞損傷;另一方面,NADH/NAD+比值增加又阻止了糖酵解途徑中3-磷酸甘油醛向1,3-磷酸甘油酸的轉(zhuǎn)化,影響組織能量代謝,造成細(xì)胞相對缺氧,從而更易損傷[5]。

圖1

機(jī)體正常環(huán)境下,葡萄糖經(jīng)過三羧酸循環(huán),為細(xì)胞代謝提供能量,也可經(jīng)糖酵解或戊糖旁路代謝。在血糖正常時(shí),因己糖激酶對葡萄糖的親和力遠(yuǎn)高于醛糖還原酶(AR),醛糖還原酶對葡萄糖的親和力較低,通過這一途徑代謝的葡萄糖占總葡萄糖量的百分比很小,葡萄糖主要經(jīng)糖酵解通路代謝,AR活性抑制,山梨醇生成很少[6]。而在糖尿病人中,血糖濃度升高時(shí),己糖激酶被葡萄糖飽和,AR活性表達(dá)增強(qiáng),并被激活,多余的葡萄糖通過多元醇醛糖還原酶途徑代謝,轉(zhuǎn)化成山梨醇,山梨醇再在山梨醇脫氫酶與輔酶Ⅰ(NAD+)的作用下氧化成果糖。在高糖狀態(tài)下,人體內(nèi)許多組織包括視網(wǎng)膜、腎臟、神經(jīng)、動脈、晶狀體、紅細(xì)胞等的多元醇代謝活躍,葡萄糖在醛糖還原酶作用下,生成多元醇。這些多元醇本身并沒毒性,但因其不易通過細(xì)胞膜,致使細(xì)胞內(nèi)山梨醇、果糖過度堆積,從而引起細(xì)胞內(nèi)滲透壓升高,細(xì)胞內(nèi)水腫,同時(shí)多元醇通路的激活可抑制磷酸已糖旁路,改變膜的功能,引起肌醇代謝異常,使細(xì)胞DNA合成障礙,最后導(dǎo)致細(xì)胞增殖活力下降[7]。另一方面可致細(xì)胞攝取磷酸肌醇能力障礙,細(xì)胞內(nèi)Na+-K+-ATP酶活性下降。葡萄糖在細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)化為山梨醇的過程中消耗大量的還原性NADPH,機(jī)體抗氧化能力降低。此外,AR的激活還引起內(nèi)皮源性一氧化氮(NO)合成減少,使內(nèi)皮依賴性血管舒張功能受損。細(xì)胞、組織缺氧,營養(yǎng)缺乏,內(nèi)皮細(xì)胞受損,細(xì)胞功能低下,這些改變促使糖尿病視網(wǎng)膜微血管并發(fā)癥的發(fā)生和發(fā)展[8]。

在人視網(wǎng)膜中,AR僅存在于視網(wǎng)膜毛細(xì)血管周細(xì)胞(P)。當(dāng)血糖濃度升高時(shí),一方面,山梨醇在周細(xì)胞內(nèi)蓄積,形成滲透梯度,D-葡萄糖競爭性與肌醇載體結(jié)合,使細(xì)胞內(nèi)肌醇耗竭,從而使周細(xì)胞膜Na+-K+-ATP酶活性降低,導(dǎo)致周細(xì)胞死亡;另一方面,多元醇通路的激活可抑制磷酸已糖旁路,改變膜的功能,致細(xì)胞攝取磷酸肌醇能力障礙,進(jìn)而DNA活性下降,導(dǎo)致周細(xì)胞死亡。周細(xì)胞的選擇性丟失,視網(wǎng)膜毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞受損,出現(xiàn)無結(jié)構(gòu)毛細(xì)血管,最后視網(wǎng)膜毛細(xì)血管閉塞,發(fā)展成DR[9]。

2.1 醛糖還原酶(AR)與DR的關(guān)系

醛糖還原酶(AR)是體內(nèi)多元醇通路的限速酶,可以將葡萄糖還原為山梨醇。大量研究表明,AR在糖尿病發(fā)病中有重要作用。近年來,AR抑制劑(ARI)的研究也支持多元醇通路在DR致病中的作用。研究者發(fā)現(xiàn),視網(wǎng)膜毛細(xì)血管周細(xì)胞中含有的AR,在高血糖狀態(tài)下被激活,大量的山梨醇積累于周細(xì)胞中,使其發(fā)生滲透性腫脹,肌醇和K+丟失,周細(xì)胞Na+-K+-ATP酶活性下降,導(dǎo)致周細(xì)胞死亡和內(nèi)皮細(xì)胞受損,出現(xiàn)無細(xì)胞結(jié)構(gòu)的毛細(xì)血管,最后閉塞。此外,在高血糖的狀態(tài)下,AR過度利用NADPH,限制了一氧化氮合成酶和GSH過氧化物酶,對NADPH的競爭引起了抗氧化防御作用的減弱,在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步導(dǎo)致了DR的發(fā)生。還有一些學(xué)者認(rèn)為,免疫損傷也參與了DR中AR的激活過程,Dagher等[10]發(fā)現(xiàn),人和大鼠視網(wǎng)膜內(nèi)皮細(xì)胞都有AR的免疫活性,把糖尿病大鼠AR阻斷可以阻止早期DR的補(bǔ)體激活,控制隨后發(fā)生的血管內(nèi)皮細(xì)胞和周細(xì)胞凋亡及無細(xì)胞毛細(xì)血管的產(chǎn)生。而醛糖還原酶抑制劑可以阻止多元醇通路的激活導(dǎo)致視網(wǎng)膜內(nèi)皮細(xì)胞功能的損傷[10]。由此可見AR在早期DR的微血管損害及神經(jīng)細(xì)胞凋亡中起到了不可忽視的作用。

2.2 山梨醇脫氫酶與DR的關(guān)系

醛糖還原酶(AR)以NADPH為輔酶,催化己糖的還原反應(yīng),將葡萄糖轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的還原產(chǎn)物山梨醇,山梨醇再在山梨醇脫氫酶與輔酶Ⅰ(NAD+)的作用下氧化成果糖[11]。當(dāng)血糖濃度升高時(shí),己糖激酶被葡萄糖飽和,AR表達(dá)增強(qiáng),并被激活,細(xì)胞內(nèi)過多的葡萄糖通過AR轉(zhuǎn)化為山梨醇,山梨醇脫氫酶(SDH)的活性隨之相應(yīng)增加,造成山梨醇及果糖在細(xì)胞內(nèi)堆積。山梨醇是一種極性很強(qiáng)的化合物,不能自由進(jìn)出細(xì)胞,引起細(xì)胞內(nèi)山梨醇堆積。一方面造成細(xì)胞水腫及細(xì)胞滲透壓的損傷,引起一系列病理改變,從而誘發(fā)DM并發(fā)癥,如:白內(nèi)障、視網(wǎng)膜病變、神經(jīng)病變及腎臟病變等[12]。

多元醇通路中的山梨醇脫氫酶,它能將山梨醇轉(zhuǎn)化為果糖,但是在糖代謝的過程中AR比SDH的作用更直接。然而,Tiltonetal[13]和Amanoetal[14]提出,在糖尿病視網(wǎng)膜病變的形成過程中,SDH比第一步中的AR發(fā)揮了更重要的作用。在以往多元醇通路中針對AR的研究較多,對該通路中另一重要的限速酶SDH的研究卻比較少。SDH在晶狀體及腎臟等人體多個(gè)器官都有表達(dá),它主要介導(dǎo)山梨醇向果糖的轉(zhuǎn)化,是多元醇通路中重要的限速酶,其在DR的發(fā)病機(jī)制中發(fā)揮了重要的作用[15]。研究發(fā)現(xiàn),用鏈脲佐菌素(STZ)誘導(dǎo)糖尿病大鼠,在第10周可觀察到糖尿病鼠視網(wǎng)膜上中央神經(jīng)元的凋亡和神經(jīng)膠質(zhì)酸性蛋白(GFAP)的表達(dá)增強(qiáng),糖基化血紅蛋白(HbAlc)濃度高達(dá)16%,說明視網(wǎng)膜上山梨醇和果糖發(fā)生蓄積。Shinjiro Amano[14]等也發(fā)現(xiàn),血糖增高時(shí),周細(xì)胞中SDH表達(dá)增加,明顯刺激活性氧(ROS)的生成,ROS能夠介導(dǎo)SDH過表達(dá)對細(xì)胞的損傷作用,ROS產(chǎn)生增加,DNA的合成減少,血管內(nèi)皮生長因子mRNA的表達(dá)增多,可能是導(dǎo)致高血糖狀態(tài)下相應(yīng)細(xì)胞損傷的原因。使用醛糖還原酶抑制劑非達(dá)司他,能夠阻止高糖狀態(tài)下SDH在周細(xì)胞中的沉積,減少ROS的生成,減少因SDH的過表達(dá)對細(xì)胞造成的損傷,同時(shí)能明顯降低血管的通透性,阻止DR的早期改變。Tilton[13]等的研究發(fā)現(xiàn),盡管在糖尿病大鼠視網(wǎng)膜組織中山梨醇脫氫酶的表達(dá)量增加了11倍,但是應(yīng)用了SDH抑制劑后能夠減輕糖尿病大鼠眼內(nèi)組織血管的功能紊亂。因此,使用非達(dá)司他阻斷山梨醇的生成,可能是一種針對糖尿病視網(wǎng)膜病變早期治療的新策略。這些研究說明SDH介導(dǎo)的山梨醇到果糖的轉(zhuǎn)變,以及ROS的產(chǎn)生,可能在糖尿病視網(wǎng)膜病變的致病機(jī)制中發(fā)揮了重要的作用。同時(shí)也提示SDH的活性在DR的病因?qū)W中可能發(fā)揮著比AR更重要的作用[16]。

3 研究展望

多元醇通路的激活是導(dǎo)致糖尿病視網(wǎng)膜病變(DR)的重要機(jī)制之一,而醛糖還原酶(AR)和山梨醇脫氫酶(SDH)是多元醇通路中研究得最多的兩個(gè)限速酶,在血糖正常時(shí),這兩個(gè)限速酶不會激活多元醇通路,而在高血糖的情況下,其中任何一個(gè)限速酶都會導(dǎo)致通路的激活。目前,在醛糖還原酶和山梨醇脫氫酶的研究還多停留在化學(xué)分子階段,涉及基因表達(dá)的研究較少,下一步,我們的研究將更多會向控制這兩種酶的基因上進(jìn)行,通過調(diào)控基因的表達(dá)來治療和預(yù)防疾病的發(fā)生。此外,除了對AR和SDH的研究,對于激活多元醇通路的其他化合物因素,我們還要繼續(xù)挖掘和探索。如今,我們通過對AR的研究,了解到控制DR發(fā)生的機(jī)制,通過抑制醛糖還原酶用來治療DR,開發(fā)了醛糖還原酶抑制劑ARI,給廣大DR患者帶來福音。隨著基因工程的研究的進(jìn)一步深入,相信治療DR的新途徑和新藥物會越來越多。

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