糖尿病早期視網(wǎng)膜神經(jīng)元退行性病變與自噬的相關(guān)性研究現(xiàn)狀

李貴富，李春霞

糖尿病（Diabetes Mellitus，DM）已成為威脅人類(lèi)健康的常見(jiàn)慢性代謝性疾病。據(jù)估計(jì)，到2035年全球DM患者人數(shù)將升至5.9億人左右[1]。其中糖尿病視網(wǎng)膜病變（Diabetic Retinopathy,DR）是DM臨床上嚴(yán)重?fù)p害視力的主要微血管病變。隨著DM發(fā)病率的上升，DR已成為全世界工作人群中的致盲性眼病之一[2]。DR是視網(wǎng)膜血管系統(tǒng)疾病，視網(wǎng)膜神經(jīng)元退行性病變是導(dǎo)致微血管變化的主要病理學(xué)原因[3]。視網(wǎng)膜神經(jīng)元退行性病變的特征性表現(xiàn)主要為視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞（Retinal ganglion cells，RGCs）凋亡增加和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞反應(yīng)性增高。自噬是在應(yīng)激條件下維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)和細(xì)胞存活的重要代謝途徑之一。相關(guān)研究顯示，自噬在視網(wǎng)膜神經(jīng)元退行性病變中發(fā)揮重要作用[4]。本文對(duì)DM早期視網(wǎng)膜神經(jīng)元退行性病變與自噬之間的關(guān)系進(jìn)行綜述，為早期預(yù)防和治療DR提供新的策略。

1　DM早期視網(wǎng)膜神經(jīng)元退行性病變表現(xiàn)

1.1　視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞凋亡

RGCs是一種能將視覺(jué)信息傳遞給大腦的傳入神經(jīng)元，RGCs的凋亡是損害視力的主要因素。RGCs位于視網(wǎng)膜內(nèi)層，是視網(wǎng)膜神經(jīng)細(xì)胞在DM相關(guān)的凋亡過(guò)程中最先檢測(cè)到的指標(biāo)之一[5]。誘導(dǎo)RGCs凋亡的因素有很多，如多元醇通路激活、晚期糖基化終末產(chǎn)物積聚、氧化應(yīng)激、谷氨酸興奮性毒性和炎癥反應(yīng)，都會(huì)影響DR中的RGCs凋亡。越來(lái)越多的研究表明，RGCs損傷發(fā)生在DR的早期階段，可能在可觀察到的視網(wǎng)膜血管病變之前[6]。RGCs凋亡的增加會(huì)使視網(wǎng)膜神經(jīng)纖維層（retinal nerve fiber，RNFL）厚度減少，通過(guò)光學(xué)相干斷層成像技術(shù)可以觀測(cè)到這一現(xiàn)象[7]。Evre Pekel[8]等人通過(guò)對(duì)69例糖尿病眼與49例健康眼的RNFL的橫斷面對(duì)照研究發(fā)現(xiàn)，非DR的糖尿病患者雙眼的RNFL厚度不等，而與健康眼對(duì)比，前者的RNFL厚度變薄。實(shí)際上，在發(fā)生臨床可檢測(cè)的視網(wǎng)膜血管病理變化之前，以及在實(shí)驗(yàn)性小鼠I型DM模型建立后的短時(shí)間內(nèi)，通過(guò)視網(wǎng)膜電圖檢測(cè)可發(fā)現(xiàn)異常的波形和傳導(dǎo)時(shí)間延長(zhǎng)[9]。這表明視網(wǎng)膜神經(jīng)元的損害是在DM病理狀態(tài)的影響下發(fā)生的早期事件。

1.2　神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞反應(yīng)性增高

神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞是神經(jīng)系統(tǒng)的間質(zhì)細(xì)胞，數(shù)量為神經(jīng)元的10~50倍。具有支持和保護(hù)神經(jīng)元、調(diào)節(jié)神經(jīng)遞質(zhì)和影響突觸的形態(tài)功能等，在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的生理病理中發(fā)揮重要作用。其中小膠質(zhì)細(xì)胞和Müller細(xì)胞是視網(wǎng)膜中主要的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞類(lèi)型[10]。DM的異常代謝改變對(duì)于神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的刺激可能是誘導(dǎo)視網(wǎng)膜神經(jīng)元發(fā)生病理變化的因素之一。

1.2.1小膠質(zhì)細(xì)胞活化小膠質(zhì)細(xì)胞主要位于RNFL層、RGCs層和內(nèi)、外叢狀層[10]。在神經(jīng)退行性疾病中，小膠質(zhì)細(xì)胞在相關(guān)神經(jīng)炎癥的發(fā)生中發(fā)揮關(guān)鍵作用[11]。小膠質(zhì)細(xì)胞是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的固有免疫細(xì)胞，具有傳感器和執(zhí)行器的功能以及細(xì)胞的吞噬能力。電鏡下未活化的小膠質(zhì)細(xì)胞呈分枝狀，主要功能是維護(hù)內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定，應(yīng)激狀態(tài)下活化的小膠質(zhì)細(xì)胞呈阿米巴狀，小膠質(zhì)細(xì)胞活化后釋放多種炎性因子，如一氧化氮 （NO）、腫瘤壞死因子-α（TNF-α)、白介素-6（IL-6）等[10,11]，進(jìn)而引起損傷神經(jīng)元細(xì)胞的損傷。相關(guān)研究報(bào)道，鏈脲佐菌素誘導(dǎo)的I型DM大鼠模型，在造模成功4周左右即出現(xiàn)視網(wǎng)膜中小膠質(zhì)細(xì)胞的數(shù)量增多，細(xì)胞形態(tài)產(chǎn)生變化，分枝狀外觀變短變粗，小膠質(zhì)細(xì)胞被活化[12]。另一研究發(fā)現(xiàn)，鏈脲佐菌素誘導(dǎo)的I型DM大鼠模型，造模成功4個(gè)月時(shí)，RGCs層、外叢狀層和內(nèi)叢狀層出現(xiàn)小膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)量增加，RGCs神經(jīng)元發(fā)生損害[13]。因此在DM早期神經(jīng)元退行性病變中小膠質(zhì)細(xì)胞的活化可能是誘導(dǎo)視網(wǎng)膜神經(jīng)元細(xì)胞損害的原因之一。

1.2.2視網(wǎng)膜Müller細(xì)胞反應(yīng)性增高視網(wǎng)膜Müller細(xì)胞（Retinal Müller cells，RMCs）是唯一貫穿視網(wǎng)膜，并與視網(wǎng)膜血管和視網(wǎng)膜神經(jīng)元緊密接觸的細(xì)胞。RMCs通過(guò)釋放神經(jīng)元營(yíng)養(yǎng)因子，回收神經(jīng)遞質(zhì)，以及控制細(xì)胞外的離子平衡來(lái)維持視網(wǎng)膜內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)[14]。RMCs具有監(jiān)測(cè)視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)和功能的特性，其過(guò)程圍繞視網(wǎng)膜血管，從而控制視網(wǎng)膜屏障，也是視網(wǎng)膜細(xì)胞之間分子轉(zhuǎn)移的導(dǎo)管。膠質(zhì)纖維酸性蛋白（glial fibrillary acidic portein,GFAP）是反應(yīng)性膠質(zhì)增生的常見(jiàn)標(biāo)記物。在正常生理狀態(tài)下，RMCs通常不表達(dá)GFAP[15]。DR中RMCs反應(yīng)的表現(xiàn)之一是GFAP增加，間接反映了視網(wǎng)膜神經(jīng)元的損害。早期實(shí)驗(yàn)研究表明，高血糖條件會(huì)誘導(dǎo)RCMs釋放血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子 （vascular endothelial growth factor，VEGF）、色素上皮衍生因子、促炎細(xì)胞因子和趨化因子，如 IL-1β，IL-6，TNF-α和趨化因子配體-2（CCL2）[16,17]。隨著 RMCs中促炎細(xì)胞因子和 VEGF的增加，進(jìn)而刺激視網(wǎng)膜中慢性炎癥環(huán)境與DR后期新生血管的形成。RMCs反應(yīng)性增高是早期視網(wǎng)膜神經(jīng)元退行性病變的表現(xiàn)特征之一，與DR的發(fā)生與發(fā)展密切相關(guān)。

2　自噬與DM視網(wǎng)膜神經(jīng)元退行性病變

2.1　自噬的定義及分類(lèi)

自噬是一種維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)和細(xì)胞存活的代謝途徑之一，在應(yīng)激條件下細(xì)胞中蛋白質(zhì)、脂類(lèi)甚至整個(gè)細(xì)胞器被自噬體和溶酶體消除利用。根據(jù)待降解材料到達(dá)溶酶體的方式進(jìn)行分類(lèi)，自噬有三種主要類(lèi)型：①巨自噬：細(xì)胞質(zhì)成分被吞噬在雙膜結(jié)構(gòu)中形成自噬體，這些細(xì)胞器與溶酶體融合進(jìn)行降解吞噬[18]。②分子伴侶介導(dǎo)的自噬：僅發(fā)生在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中，允許具有特定氨基酸序列的蛋白質(zhì)進(jìn)行選擇性降解[19]。③微自噬：通過(guò)溶酶體或膜的內(nèi)陷達(dá)到溶酶體腔發(fā)生自噬[20]。

2.2　氧化應(yīng)激與RGCs自噬

由高血糖引起的異常代謝可導(dǎo)致自由基如羥自由基和超氧化物自由基過(guò)度生成，這些稱(chēng)為活性氧（reactive oxygen species，ROS）[21]。ROS 在調(diào)節(jié)細(xì)胞生長(zhǎng)、分化、存活和死亡的信號(hào)通路中發(fā)揮重要作用。氧化應(yīng)激是DR發(fā)病機(jī)制中的關(guān)鍵病理因素之一，ROS的積累可導(dǎo)致氧化應(yīng)激，引起視網(wǎng)膜血管和周?chē)慕M織的損傷，最終導(dǎo)致DR神經(jīng)元退行性病變。ROS的產(chǎn)生主要取決于兩個(gè)因素：線(xiàn)粒體氧化磷酸化和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸酯氧化酶系統(tǒng)[22]。線(xiàn)粒體是主要產(chǎn)生內(nèi)源性ROS的細(xì)胞器，通過(guò)線(xiàn)粒體電子鏈產(chǎn)生超氧化物如O2-和 H2O2。在高糖條件下，線(xiàn)粒體產(chǎn)生的ROS增加誘導(dǎo)氧化應(yīng)激，進(jìn)而誘發(fā)自噬[23]。RGCs具有較高密度的線(xiàn)粒體，這使得它們對(duì)能量缺乏更敏感而且易受氧化應(yīng)激的影響。

2.2.1ROS誘導(dǎo)自噬相關(guān)基因4失活ROS中H2O2通過(guò)調(diào)節(jié)自噬相關(guān)基因 4（autophagy-related gene 4，ATG4）的活性而作為誘導(dǎo)自噬體形成的信號(hào)分子。H2O2可以結(jié)合到ATG4的半胱氨酸81位點(diǎn)，形成可逆的亞磺酸或二硫鍵，從而影響可以直接激活A(yù)TG4的半胱氨酸77位點(diǎn)，并使微管相關(guān)蛋白1輕鏈 3（microtubule-associated protein 1 light chain 3，MAP1-LC3）進(jìn)行脂質(zhì)化，隨后引發(fā)它與磷脂酰乙醇胺結(jié)合[24]。這個(gè)過(guò)程對(duì)于自噬體的形成至關(guān)重要。自噬體形成后融合到溶酶體發(fā)生自噬，局部環(huán)境轉(zhuǎn)化為H2O2缺乏，ATG4恢復(fù)激活狀態(tài)，MAP1-LC3被脫脂并再循環(huán)，進(jìn)而自噬體的形成增多[24]。氧化應(yīng)激可能會(huì)影響ATG4的活性并誘導(dǎo)自噬。自噬相關(guān)基因4同源物B（ATG4B）是在人和小鼠中發(fā)現(xiàn)的酵母ATG4同源物。Yoshimura K等人[25]發(fā)現(xiàn)在視網(wǎng)膜中ATG4B的mRNA水平升高。實(shí)驗(yàn)研究[26]也發(fā)現(xiàn)來(lái)自ATG4B失活小鼠的視網(wǎng)膜顯示MAP1-LC3脂質(zhì)化明顯降低和自噬晚期標(biāo)志物SQSTM1水平的表達(dá)增加，與對(duì)照組相比，ATG4B小鼠存活的RGCs數(shù)量也降低。說(shuō)明ATG4可能在RGCs的自噬中起關(guān)鍵作用。

2.2.2腺苷酸活化蛋白激酶信號(hào)通路激活RGCs具有高密度的線(xiàn)粒體，氧化應(yīng)激會(huì)破壞線(xiàn)粒體結(jié)構(gòu)，進(jìn)而導(dǎo)致能量失衡。腺苷酸活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK） 信號(hào)通路是一種調(diào)節(jié)細(xì)胞能量的代謝途徑，當(dāng)營(yíng)養(yǎng)缺乏或AMP/ATP比例上升時(shí)，會(huì)激活A(yù)MPK信號(hào)通路[27]?；罨腁MPK促進(jìn)結(jié)節(jié)硬化復(fù)合體蛋白1/2（Tuberous sclerosis complex1/2，TSC1/2）的形成，TSC1/2可以降低腦內(nèi)富含的小G蛋白R(shí)as同系物（Ras homolog enriched in brain，RHEB）的 GDP 結(jié)合形式，并增加其GDP酶活性。許多體內(nèi)和體外的研究已經(jīng)證明RHEB-GTP抑制雷帕霉素靶蛋白 （mammalian target of rapamycin，mTOR）的活性[28]。所以在 AMPK-TSC1-TSC2-RHEB通路中mTOR被抑制，隨后自噬被激活。RGCs中自噬增強(qiáng)最終導(dǎo)致的細(xì)胞死亡可能與AMPK的激活相關(guān)。

2.3　自噬與RMCs反應(yīng)性增高

在DR中RMCs反應(yīng)性增高，其已發(fā)現(xiàn)的病理改變表現(xiàn)之一為VEGF升高，這與DR晚期新生血管的形成病變密切相關(guān)。至今，抗VEGF治療已成為治療DR的重要靶點(diǎn)。Jacqueline M等人[29]研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)RMCs暴露于高糖環(huán)境時(shí)，高糖會(huì)上調(diào)RMCs自噬的啟動(dòng)，但由于溶酶體功能障礙，早期自噬標(biāo)記物p62和晚期自噬標(biāo)記物SQTSM1增加。這種積累導(dǎo)致大量的VEGF釋放和誘導(dǎo)RMCs凋亡。說(shuō)明在高糖條件下抑制自噬會(huì)導(dǎo)致RMCs更高的凋亡率。在雷帕霉素（自噬誘導(dǎo)劑）治療下，自噬激活后減少了早期自噬標(biāo)記物p62和晚期自噬標(biāo)記物SQTSM1的積累，阻止了RMCs的VEGF釋放。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了RMCs在高糖條件下中自噬的受損是RMCs反應(yīng)性增高后釋放血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子的重要因素，溶酶體功能障礙和和自噬受損是DR病理改變中的早期變化。從上述看來(lái)，自噬與RMCs反應(yīng)性增高互相關(guān)聯(lián)，改變自噬在RMCs中的平衡對(duì)于治療DR可能是新的方向。

3　展望

DM早期視網(wǎng)膜神經(jīng)元退行性病變是DR早期病理改變，也是DR發(fā)展過(guò)程的重要因素之一。在DM早期視網(wǎng)膜神經(jīng)元退行性病變的病理改變都與自噬相關(guān)聯(lián)，自噬在DR的發(fā)展中貫穿整個(gè)細(xì)胞凋亡的過(guò)程。自噬相關(guān)的機(jī)制在當(dāng)今學(xué)術(shù)界已被研究的越來(lái)越多，而自噬與DM早期視網(wǎng)膜神經(jīng)元退行性病變之間的相關(guān)機(jī)制尚需進(jìn)一步深入的研究。對(duì)自噬過(guò)程的調(diào)節(jié)可能是早期預(yù)防DR視力損害和治療DR的有效途徑之一。