炎癥因子在圓錐角膜發(fā)病機(jī)制中的研究進(jìn)展

蘇渲迪，汪阿美，張文芳

0引言

圓錐角膜(keratoconus,KC)的特征是角膜結(jié)構(gòu)逐漸變薄和衰退，因此KC通常被定義為退行性非炎癥性角膜病。由于KC患者的眼睛通常不會(huì)顯示炎癥跡象，如眼紅、角膜水腫或明顯的血管形成，所以以往認(rèn)為KC與其他經(jīng)典炎癥疾病無關(guān)。然而，最新的研究已經(jīng)將一些炎癥分子與KC聯(lián)系起來并對(duì)其深入研究，在病理生理學(xué)中提出各種炎癥因子在眼睛摩擦、隱形眼鏡磨損和紫外線照射中都可引起角膜微環(huán)境免疫性的特定變化[1]，它們引起炎癥的作用是圓錐角膜炎癥性質(zhì)的一個(gè)方面[2]，另一方面，KC的發(fā)病機(jī)制還與患者的淚液中促炎性細(xì)胞因子的過度表達(dá)有關(guān)[3]，并且增加遺傳和環(huán)境因素風(fēng)險(xiǎn)[4-5]。遺傳易感性和環(huán)境觸發(fā)因素(如眼睛摩擦和配戴隱形眼鏡)在圓錐角膜發(fā)展過程中的相互作用可能是了解炎癥在圓錐角膜病理生理學(xué)中作用的關(guān)鍵。現(xiàn)就KC發(fā)病機(jī)制中炎癥因子的作用進(jìn)行綜述。

1炎癥性疾病與KC發(fā)病機(jī)制的關(guān)聯(lián)性

由于KC與各種慢性炎癥性疾病如類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、潰瘍性結(jié)腸炎和特應(yīng)性疾病(包括哮喘)之間存在異乎尋常的強(qiáng)關(guān)聯(lián)，KC中免疫通路的失調(diào)可以進(jìn)一步得到認(rèn)識(shí)。據(jù)Nemet等[6]報(bào)道KC與過敏性免疫疾病以及自身免疫性疾病之間存在很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，為KC和炎癥之間的相互關(guān)系增加證據(jù)，免疫通路的失調(diào)進(jìn)一步得到共識(shí)。

2眼摩擦中炎癥因子對(duì)KC損傷機(jī)制

眼摩擦是KC發(fā)生和發(fā)展的一個(gè)成熟危險(xiǎn)因素，它涉及多個(gè)途徑，包括炎癥的刺激[7]，通過摩擦，KC造成的上皮微損傷會(huì)使由上皮細(xì)胞和基質(zhì)細(xì)胞分泌的基質(zhì)金屬蛋白酶MMP-1和MMP-13以及炎癥介質(zhì)包括IL-6和腫瘤壞死因子(TNF-α)水平升高[8]，這些因子的釋放導(dǎo)致KC發(fā)病進(jìn)展。這一過程包括由于IL-1水平升高而導(dǎo)致的上皮細(xì)胞凋亡以及隨后基質(zhì)細(xì)胞的喪失(詳見下文)。Balasubramanian等[7]提出KC炎性分子可能與眼睛摩擦和圓錐角膜之間有因果關(guān)系，選取一組無此病史的志愿者，也沒有配戴隱形眼鏡，要求他們?cè)?0s內(nèi)以可控的方式摩擦眼睛。在眼睛摩擦前后收集到基底淚液，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，摩擦后MMP-13、IL-6和TNF-α的水平明顯升高。作者得出結(jié)論，長(zhǎng)時(shí)間的習(xí)慣性眼部摩擦?xí)又剡@些炎癥標(biāo)志物的表達(dá)，并有助于KC的進(jìn)展。在KC患者中常見持續(xù)眼部摩擦，導(dǎo)致角膜內(nèi)的剪切應(yīng)力和靜水壓力增加，這也會(huì)引發(fā)炎癥，可能通過持續(xù)升高的蛋白酶、炎癥介質(zhì)和蛋白酶活性水平而導(dǎo)致疾病的發(fā)展。

3紫外線照射中炎癥因子對(duì)KC的影響作用

多年來，紫外線被認(rèn)為是導(dǎo)致圓錐角膜發(fā)病的成熟的危險(xiǎn)因素。紫外線也能導(dǎo)致DNA 的損傷從而啟動(dòng)角膜上皮細(xì)胞的凋亡程序[9],因?yàn)镵C無法處理活性氧(ROS)，導(dǎo)致角膜降解、變薄和視力喪失。角膜上皮細(xì)胞在正常眼睛中對(duì)紫外線照射產(chǎn)生多種促炎細(xì)胞因子[10]。與正常角膜相比，圓錐角膜處理活性氧的能力下降，導(dǎo)致圓錐角膜能增加活性氧種類和氧化損傷[11]。導(dǎo)致這種增加的原因可能是，活性氧在紫外線照射(以及眼摩擦和過敏狀態(tài))下的積累[11]，紫外線輻射通過角膜厚度傳播時(shí)逐漸被吸收。圓錐角膜視錐區(qū)的內(nèi)皮細(xì)胞可能暴露于更高的紫外線水平。與正常角膜相比[11]， 圓錐角膜的氧化損傷有所增加，可能與角膜變薄以及紫外線輻射損傷導(dǎo)致角膜敏感性增加有關(guān)。此外，上皮細(xì)胞對(duì)紫外線的反應(yīng)產(chǎn)生的促炎細(xì)胞因子的輻射可能導(dǎo)致KC的其他炎癥過程。

4配戴角膜塑形鏡中炎癥因子對(duì)KC的作用機(jī)制

因?yàn)榻悄は∪毙?，硬性接觸鏡的配戴成為圓錐角膜目前最常規(guī)的治療方法。與隱形眼鏡配戴相關(guān)的角膜血管化可能是炎癥介質(zhì)濃度增加的結(jié)果，隨著配戴時(shí)間的延長(zhǎng)，會(huì)面臨炎癥介質(zhì)濃度增加的風(fēng)險(xiǎn)。這對(duì)KC患者來說不可忽視，因?yàn)樗麄儗?duì)隱形眼鏡的依賴，可能比非KC患者的時(shí)間更長(zhǎng)。有報(bào)道稱，用于治療輕度至中度KC的隱形眼鏡會(huì)導(dǎo)致KC患者眼淚中促炎細(xì)胞因子升高。并且，與KC密切相關(guān)的隱形眼鏡磨損會(huì)升高KC患者淚液中IL-6的水平[12]。

5炎癥因子在KC中的異常表達(dá)

5.1IL-1IL-1家族的細(xì)胞因子由超過10個(gè)成員組成，其中IL-1α和IL-1β具有強(qiáng)烈的促炎癥作用。 IL-1α和IL-1β具有多種免疫功能，參與促進(jìn)各種促炎細(xì)胞因子，以及在病毒、細(xì)菌和真菌感染過程中調(diào)節(jié)炎性細(xì)胞的細(xì)胞生長(zhǎng)、分化和運(yùn)動(dòng)。 在幾個(gè)KC群體中已經(jīng)報(bào)道了與IL-1基因簇相關(guān)的遺傳易感性基因[13]。此外，漢族患者中IL-1α基因與KC有關(guān)[14]。事實(shí)上，KC增加了IL-1α和IL-1β表達(dá)， 來自KC患者的成纖維細(xì)胞顯示IL-1α受體的表達(dá)升高[15]。一般來說，角膜上皮損傷或組織損傷或凋亡后分泌IL-1。IL-1α和IL-1β都能誘導(dǎo)角膜內(nèi)皮細(xì)胞凋亡，并與細(xì)胞因子如TNF-α通過產(chǎn)生活性氮類物質(zhì)協(xié)同作用，損傷DNA。有趣的是，IL-1α只在KC中導(dǎo)致角膜氧化損傷，在KC基質(zhì)細(xì)胞中，IL-1α特異性下調(diào)了細(xì)胞外超氧化物歧化酶(SOD3)的合成，而SOD3是一種主要的超氧化物清除劑[16]。另外，KC成纖維細(xì)胞在IL-1刺激下產(chǎn)生的前列腺素E2是正常角膜的10倍，而膠原蛋白的產(chǎn)生則較低[15]。另外，角膜的變薄和擴(kuò)張表明角膜膠原蛋白的直接降解可能是與基質(zhì)金屬蛋白酶(MMPs)等酶有關(guān)[17]。在人類角膜中，MMPs活性是部分通過IL-1β調(diào)節(jié)。 因此，IL-1α和IL-1β在KC中具有不同的致病作用，在基因易感個(gè)體中可以內(nèi)源性高表達(dá)，在角膜受損最小時(shí)可大量分泌。誘導(dǎo)角膜細(xì)胞凋亡后，誘導(dǎo)產(chǎn)生MMPs，增強(qiáng)組織損傷，改變角膜結(jié)構(gòu)。

5.2IL-6IL-6是一種多效細(xì)胞因子，能夠驅(qū)動(dòng)多種生物學(xué)過程，并在刺激幾種免疫反應(yīng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，如根除感染和傷口修復(fù)。 IL-6可以在角膜內(nèi)，在炎癥的發(fā)生中起重要作用[18]。而許多研究小組的報(bào)告指出KC角膜中IL-6的水平是增加的[19]。上皮細(xì)胞合成大量IL-6，可能影響許多免疫和炎癥活動(dòng)，這可能導(dǎo)致角膜損傷。目前尚不清楚IL-6是如何與KC中角膜微環(huán)境相互作用的。然而，在角膜中IL-6的表達(dá)受到KC并列的幾個(gè)因素的影響，最重要的是擦眼，還有特應(yīng)性體質(zhì)和隱形眼鏡配戴。IL-6通過結(jié)合細(xì)胞上的IL-6受體或在細(xì)胞中大量表達(dá)的可溶性IL-6受體(sIL-6R)發(fā)揮其作用[20]。Ebihara等[21]證明IL-1激活的成纖維細(xì)胞誘導(dǎo)產(chǎn)生誘導(dǎo)上皮細(xì)胞遷移的IL-6和sIL-6R。這表明IL-6與由主要與KC相關(guān)的外源因素和事件引起的角膜變薄直接相關(guān)。

5.3TNF-α除了IL-6和IL-1β之外，TNF-α被認(rèn)為是全身性和角膜炎癥中的主要致病因子[22]。TNF-α也是能夠在人角膜上皮細(xì)胞中誘導(dǎo)IL-6表達(dá)的細(xì)胞因子之一[23]。此外，最近的研究已經(jīng)表明，TNF-α起著各種角膜疾病的重要的作用[24]。并且，TNF-α誘導(dǎo)角膜中MMP-9的表達(dá)。而MMP-9水平的增加與角膜變薄相關(guān)，可能是因?yàn)榛|(zhì)膠原降解，因?yàn)镸MP-9活性在KC患者的眼淚中也較高[22]。另外，TNF-α破壞角膜上皮細(xì)胞的屏障功能。此外，先前的研究表明，MMP-1、MMP-2、MMP-9可能參與了圓錐角膜的病理學(xué)研究，圓錐角膜的變薄和擴(kuò)張主要?dú)w因于細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)的降解增加[22]。有研究表明，在圓錐角膜的成纖維細(xì)胞中TNF-α和IL-6的過度表達(dá)可通過誘導(dǎo)MMP-1的表達(dá)[25]，從而導(dǎo)致角膜ECM降解。

5.4IL-17IL-17是一種炎性細(xì)胞因子，與許多慢性炎癥性疾病有關(guān)。IL-17與角膜炎癥中的致病機(jī)制有關(guān)，其通過刺激基質(zhì)細(xì)胞分泌各種促炎細(xì)胞因子， 包括IL-6、IL-8和細(xì)胞間黏附分子1(ICAM-1)[26]。用IL-17刺激角膜成纖維細(xì)胞導(dǎo)致產(chǎn)生幾種MMP。 因此，IL-17可能通過激活成纖維細(xì)胞和金屬蛋白酶生成而促成KC中的角膜損傷。 IL-17水平升高可能會(huì)誘發(fā)KC組織損傷，并可能與疾病嚴(yán)重程度有關(guān)[27]。促炎細(xì)胞因子，蛋白水解酶和抑制劑之間存在惡性循環(huán)，這些因素是造成圓錐角膜微環(huán)境變化的原因。這種不平衡觸發(fā)了角膜中炎癥通路的信號(hào)傳導(dǎo)，導(dǎo)致疾病進(jìn)展的結(jié)構(gòu)異常[28]。

5.5TGF-β2TGF-β2控制上皮細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞中的細(xì)胞增殖和分化[29]。TGF-β可與多種膠原蛋白相互作用，刺激MMPs分泌，影響角膜結(jié)構(gòu)和膠原在角膜中的分布。 越來越多的證據(jù)支持KC中TGF-β信號(hào)的作用[30-31]。角膜成纖維細(xì)胞對(duì)TGF-β1特別敏感，并在其作用下分化為成肌細(xì)胞。在角膜損傷后，TGF-β受體激活通過分泌細(xì)胞外基質(zhì)促使肌成纖維細(xì)胞恢復(fù)角膜的完整性。該通路的失調(diào)與病理性角膜纖維化有關(guān)[30]。因此，TGF-β1可能與嚴(yán)重圓錐角膜的瘢痕形成和組織修復(fù)有關(guān)。TGF-β1信號(hào)紊亂本身可能是其他致病因素的結(jié)果，因?yàn)榕囵B(yǎng)的KC患者角膜基質(zhì)間質(zhì)纖維母細(xì)胞能夠顯著表達(dá)TGF-β1 mRNA[32]。

有證據(jù)表明，TGF-β1和TGF-β3的潛在失衡驅(qū)動(dòng)了KC角膜角質(zhì)細(xì)胞的病理分化[33], 可能是通過調(diào)控糖蛋白催乳素誘導(dǎo)蛋白(PIP)，而該蛋白在KC中上調(diào)并參與角膜纖維化[34]。角膜纖維化的典型特征是膠原蛋白III沉積增加[33]。除TGF-β1外，Engler等[35]發(fā)現(xiàn)KC角膜和房水中TGF-β2水平增加。TGF-β2尤其存在于房水中，具有維持眼睛免疫特性的功能，但矛盾的是，在炎癥條件下會(huì)誘導(dǎo)一些促炎癥細(xì)胞因子。雖然其在KC中的作用尚不清楚，但TGF-β2可能參與炎癥介質(zhì)的表達(dá)，導(dǎo)致組織損傷。然而，TGF-β2信號(hào)還可以通過促進(jìn)Th17與TGF-b1的分化，誘導(dǎo)角膜上皮細(xì)胞IL-6的表達(dá)[36]。

上述研究有助于我們認(rèn)識(shí)到TGF-β家族成員對(duì)各種病理性角膜改變(如炎癥介質(zhì)的表達(dá)增加、MMPs的產(chǎn)生、KC患者角膜纖維化的誘導(dǎo))具有重要作用。這說明TGF-β信號(hào)的調(diào)制可能是治療KC的一個(gè)有趣的靶點(diǎn)。

5.6神經(jīng)生長(zhǎng)因子角膜有非常高密度的神經(jīng)細(xì)胞，去神經(jīng)化改變了它的上皮代謝[37]。神經(jīng)生長(zhǎng)因子(NGF)是一種重要的角膜神經(jīng)支配細(xì)胞因子。NGF是淚膜的正常成分，在KC中增加[38]。角膜是一種天然的無血管和高度神經(jīng)支配的器官。NGF被認(rèn)為在角膜的傷面愈合中起作用，影響角膜上皮細(xì)胞增殖。NGF主要通過特異性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)蛋白酪氨酸激酶受體A(TrkA)作用于細(xì)胞，這種受體通常存在于所有角膜細(xì)胞中。而在KC受試者的角膜中未檢測(cè)到TrkA[39]。這些研究沒有證實(shí)NGF在KC的病理生理學(xué)中有一定的作用。需進(jìn)一步的研究來確定NGF在KC中的潛在作用。

6展望

角膜本身無血管，其營(yíng)養(yǎng)代謝主要來自房水、淚膜、角膜緣血管，因此角膜自身的變化與房水、淚膜及血液成分的改變必定密切相關(guān)。在目前的研究中，已經(jīng)證明眼表面炎癥因子增加在KC的發(fā)病機(jī)制中起著合理的作用,這將有助于KC及其進(jìn)展。關(guān)于炎性因子在影響細(xì)胞外重塑中的作用的是需要我們繼續(xù)探索的。在未來研究中，將大量健康眼作為對(duì)照組，以及將眼睛中炎癥因子水平與角膜中其他炎癥狀況的比較，將有助于闡明這些問題并最終有助于揭示圓錐角膜的病因?qū)W奧秘。這使我們能夠探索抗炎治療的潛力，以阻止KC的進(jìn)展。