糖尿病視網(wǎng)膜病變神經(jīng)血管損傷發(fā)病機制的研究進展

袁滿 金瑋 郝昕蕾 楊安懷

糖尿病視網(wǎng)膜病變(diabetic retinopathy,DR)是糖尿病眼病中最嚴重的并發(fā)癥，已成為許多發(fā)達國家致盲的主要原因[1-2]。在2.46億糖尿病患者中，約三分之一有DR跡象，其中三分之一可能發(fā)展至威脅視力的嚴重程度(增生期視網(wǎng)膜病變或黃斑水腫)[3-4]。越來越多的研究表明，無論是在人類，還是實驗動物的早期DR中，視網(wǎng)膜神經(jīng)元與膠質(zhì)細胞結(jié)構(gòu)與功能的異常發(fā)生早于視網(wǎng)膜微血管病變[5-7]。本文就DR中神經(jīng)血管單元(neurovascular unit,NVU)損傷的發(fā)病機制研究進展進行綜述。

1 NVU

NVU主要由神經(jīng)元、膠質(zhì)細胞和血管細胞共同耦合構(gòu)成，是調(diào)控視網(wǎng)膜正常生理活動的基本結(jié)構(gòu)與功能單元，包括神經(jīng)元(神經(jīng)節(jié)細胞、無長突細胞、水平和雙極細胞)、神經(jīng)膠質(zhì)(Müller細胞和星形膠質(zhì)細胞)、血管細胞(內(nèi)皮細胞和周細胞)、免疫細胞(小膠質(zhì)細胞和巨噬細胞)、基底膜以及細胞外基質(zhì)[8-9]。在NVU中，神經(jīng)元是神經(jīng)系統(tǒng)的最終效應器，通過調(diào)控血管活動接收營養(yǎng)物質(zhì)和消除代謝廢物。膠質(zhì)細胞發(fā)揮協(xié)同血管作用，以滿足神經(jīng)元的代謝需求，消除代謝產(chǎn)物，傳遞神經(jīng)遞質(zhì)，維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)以及信號轉(zhuǎn)導[10-11]。小膠質(zhì)細胞作為免疫細胞，監(jiān)測并清除功能衰退的細胞[12]。在神經(jīng)血管耦合中，視網(wǎng)膜血管調(diào)節(jié)發(fā)生于血管微環(huán)境，神經(jīng)元通過局部代謝產(chǎn)物進行自身調(diào)節(jié)，如谷氨酸、一氧化氮、氧氣、腺苷和花生四烯酸代謝物等，調(diào)節(jié)血管舒張或收縮，以滿足神經(jīng)信號轉(zhuǎn)導和傳輸能量需求[13-15]。神經(jīng)元、膠質(zhì)細胞、小膠質(zhì)細胞以及血管細胞的相互協(xié)同作用，對維持正常視功能至關(guān)重要[16]。

2 糖尿病引起的NVU的損傷

DR以NVU損傷作為研究對象，為臨床前期患者提供了新的診療思路。早期DR電鏡可見Müller細胞活動增強、密度增多，其附近的基底膜增厚，并伸入Müller細胞間隙[17]。暗適應[18]、對比敏感度[19]和視網(wǎng)膜電圖[20-21]功能檢測也出現(xiàn)相應異常。在正常生理情況下，視網(wǎng)膜血管通過自身調(diào)節(jié)，在閃爍光刺激時會導致視網(wǎng)膜血管擴張，吸入體積分數(shù)100%的氧氣時會導致血管收縮，而在早期DR模型中，相應刺激對于血管的調(diào)節(jié)卻減弱。多項研究表明，糖尿病患者的視網(wǎng)膜血管舒張或收縮功能發(fā)生障礙[22-24]。這表明，在早期DR中，視網(wǎng)膜神經(jīng)血管復合體的正常調(diào)節(jié)機制已受損，并非單純的血管或神經(jīng)組織受損導致。

3 神經(jīng)血管損傷的分子機制

NVU中各組成細胞在DR中均有損傷。在DR中，興奮性毒性代謝產(chǎn)物增多、氧化應激增加、神經(jīng)營養(yǎng)因子合成減少和神經(jīng)炎癥的發(fā)生，最終導致神經(jīng)元凋亡[25-27]。神經(jīng)應激和細胞凋亡促使膠質(zhì)細胞反應性活化增生，激活的膠質(zhì)細胞和小膠質(zhì)細胞吞噬凋亡細胞，清除細胞碎片和毒素，并分泌神經(jīng)營養(yǎng)因子起神經(jīng)保護作用[28-29]。然而，持續(xù)的神經(jīng)膠質(zhì)激活對視網(wǎng)膜血管和神經(jīng)元卻是有害的[30]。過度增生的膠質(zhì)細胞持續(xù)分泌炎性細胞因子、細胞毒性分子和血管生長因子，使得微血管功能障礙和神經(jīng)損傷不斷加重[31]。由于神經(jīng)元和膠質(zhì)細胞之間的影響因素繁多并交錯復雜，尚不清楚這兩種病理因素中的哪一種(凋亡或神經(jīng)膠質(zhì)激活)最先出現(xiàn)，并起主導作用。但兩種因素互為因果，久之造成惡性循環(huán)。NVU的漸進性損害最終導致臨床中血-視網(wǎng)膜屏障破壞的特征，即微動脈囊、出血和黃斑水腫等。

3.1 代謝紊亂高血糖直接誘導多元醇途徑激活、細胞氧化還原狀態(tài)改變、三酰甘油的生成增加以及蛋白激酶C(protein kinase C,PKC)途徑激活和晚期糖基化終末產(chǎn)物(advanced glycation end products,AGEs)生成，致使視網(wǎng)膜神經(jīng)組織和微血管系統(tǒng)的異常。

醛糖還原酶(aldose reductase,AR)是多元醇途徑的限速酶，在DR的發(fā)病機制中起重要作用。高血糖激活多元醇代謝途徑，AR生成增多，積累的AR造成神經(jīng)節(jié)細胞損傷，參與DR的發(fā)生[32]。臨床和動物實驗研究表明[33-34]，AR抑制劑在保護神經(jīng)節(jié)細胞中起至關(guān)重要的作用，可以抑制DR的發(fā)生和發(fā)展。

視網(wǎng)膜是一個低流量、高代謝的組織，極易受到氧化應激的影響。而氧化應激在高血糖和糖尿病微血管并發(fā)癥之間起因果關(guān)系的作用。高血糖會刺激糖酵解和三羧酸循環(huán)通路的流量增加，造成NADH和FADH2過量產(chǎn)生，進入電子傳遞鏈后，產(chǎn)生過量的超氧自由基，從而破壞自由基的穩(wěn)態(tài)平衡，最終導致氧化應激。線粒體接受過多的超氧自由基，導致蛋白質(zhì)和脂質(zhì)膜等多種細胞結(jié)構(gòu)破壞，細胞膜完整性欠缺，造成細胞凋亡，微血管損害及視網(wǎng)膜屏障功能的破壞，最終導致DR的發(fā)生[35]。此外，氧化應激還會介導其他途徑，如多元醇和PKC途徑的激活、AGEs產(chǎn)生，從而使損傷惡化[36]，最終對視網(wǎng)膜內(nèi)皮和周細胞造成廣泛損害，從而導致DR的進展。

PKC的激活誘導下調(diào)內(nèi)皮素-1受體和上調(diào)血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)[37]。內(nèi)皮素-1為強有力的血管收縮劑，可導致血流動力學改變。VEGF在細胞內(nèi)信號傳遞中起重要作用，導致血管通透性改變，并促進內(nèi)皮細胞增殖遷移和血管形成[38]。PKC的激活在血管的調(diào)節(jié)異常和視網(wǎng)膜新生血管中起一定作用。

AGEs可以通過還原糖和二羰基修飾蛋白質(zhì)氨基化而生成，高血糖狀態(tài)下，AGEs產(chǎn)生速度增快，異常積累于視網(wǎng)膜。一方面直接改變蛋白質(zhì)、核酸、脂質(zhì)的正常結(jié)構(gòu)；另一方面激活多條信號轉(zhuǎn)導通路，導致視網(wǎng)膜周細胞凋亡、內(nèi)皮細胞功能障礙，增加了VEGF的分泌，進而誘導氧化應激和炎癥反應[39-40]，是參與DR發(fā)生、發(fā)展的主要機制。

谷氨酸是神經(jīng)元之間傳遞信號的興奮性神經(jīng)遞質(zhì)。然而，中樞神經(jīng)系統(tǒng)突觸前谷氨酸水平過高會導致興奮性毒性，并參與神經(jīng)退行性疾病的發(fā)病，如帕金森癥和阿爾茨海默病等。糖尿病則通過以下3種途徑調(diào)節(jié)神經(jīng)膠質(zhì)細胞和神經(jīng)元之間谷氨酸和谷氨酰胺的平衡[41-42]。首先，Müller細胞對谷氨酸的攝取減少，致細胞外谷氨酸增多；第二，高血糖致Müller細胞中谷氨酰胺合成酶的活性降低，阻礙了谷氨酸轉(zhuǎn)化為谷氨酰胺的能力；第三，谷氨酸氧化成α-酮戊二酸的能力減弱。這些均導致了神經(jīng)細胞中谷氨酸在細胞外積累，N-甲基-D-天冬氨酸受體表達增加，隨后神經(jīng)元過度去極化和Ca2+超載，激活了Caspase依賴和非依賴性凋亡級聯(lián)反應，最終誘導神經(jīng)細胞凋亡[43]。生長激素抑制素(somatostatin,SST)即通過抑制視網(wǎng)膜神經(jīng)元Ca2+通道和激活K+通道，減少谷氨酸的釋放，發(fā)揮神經(jīng)保護作用[44]。SST眼液在DR中具有預防和延緩神經(jīng)血管損傷的作用已得到驗證[45]。

3.2 反應性膠質(zhì)增生膠質(zhì)細胞位于視網(wǎng)膜血管系統(tǒng)和神經(jīng)元之間，在視網(wǎng)膜微環(huán)境組成的精細調(diào)控中起著關(guān)鍵作用[46]。高血糖使視網(wǎng)膜處于慢性炎癥狀態(tài)，持續(xù)激活Müller細胞、星形膠質(zhì)細胞和小膠質(zhì)細胞的活化增生，分泌炎癥因子以及神經(jīng)毒性因子增多、神經(jīng)營養(yǎng)因子減少而導致神經(jīng)元與微血管的損傷。

小膠質(zhì)細胞在啟動神經(jīng)炎癥反應中起關(guān)鍵作用[47]。小膠質(zhì)細胞對外界刺激非常敏感，生理情況下起監(jiān)視、穩(wěn)定內(nèi)環(huán)境的作用。高血糖使靜息狀態(tài)的小膠質(zhì)細胞激活并開始分泌炎性介質(zhì)[48]，產(chǎn)生神經(jīng)炎癥，Müller細胞和星形膠質(zhì)細胞隨之激活并放大炎癥反應[49]，最終造成視網(wǎng)膜損傷。Zeng等[50]研究表明，阻斷膠質(zhì)細胞的活化可能是一種預防DR神經(jīng)退行性變的策略，抑制小膠質(zhì)細胞活化的有效性研究已在最近的臨床試驗中得到驗證。

3.3 炎性細胞因子和神經(jīng)營養(yǎng)因子糖尿病患者視網(wǎng)膜代謝與免疫調(diào)節(jié)紊亂誘導膠質(zhì)細胞分泌多種炎癥因子，活化的炎癥介質(zhì)通過級聯(lián)放大效應，激活更多趨化因子直接作用于內(nèi)皮細胞，既可參與白細胞募集的表達，又可作為血管生成誘導劑，如核因子-κB激活在DR的發(fā)病機制中發(fā)揮著重要作用，可誘導多種細胞因子、趨化因子、前炎癥因子等合成[51]。在DR中，視網(wǎng)膜炎癥與血管損傷相互促進，交互調(diào)控，致使血管結(jié)構(gòu)破壞，基底膜溶解，最終導致血-視網(wǎng)膜屏障的破壞。

在臨床和實驗研究中，DR患者視網(wǎng)膜腫瘤壞死因子α(TNF-α)、白細胞介素-1β(IL-1β)、白細胞介素-6(IL-6)、細胞間黏附分子-1(ICAM-1)和血管內(nèi)皮細胞黏附分子(VCAM-1)等表達上調(diào)，抑制這些炎癥介質(zhì)的表達有利于阻止DR的進展[52-54]。

相比之下，一些神經(jīng)營養(yǎng)因子，如腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(brain-derived neurotrophic factor,BDNF)、神經(jīng)生長因子(nerve growth factor,NGF)、色素上皮衍生因子(pigment epithelium derived factor,PEDF)等，在神經(jīng)元之間的發(fā)育和調(diào)節(jié)中起重要作用。BDNF由Müller細胞和神經(jīng)節(jié)細胞分泌，維持視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)和無長突細胞的正常存活。研究證明，BDNF在糖尿病視網(wǎng)膜中表達下調(diào)[27]，補充BDNF可以通過TrkB/ERK/MAPK通路保護視網(wǎng)膜神經(jīng)元[55]。

NGF具有抑制Müller細胞和神經(jīng)元凋亡的作用，而其前體蛋白(pro-NGF)誘導視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞凋亡通路，導致神經(jīng)細胞的損傷[56]。糖尿病患者視網(wǎng)膜的氧化環(huán)境破壞了pro-NGF向成熟NGF轉(zhuǎn)化的平衡，最終導致神經(jīng)節(jié)細胞凋亡、血管通透性增加和炎癥反應[57]。

PEDF是一種有效的血管生成抑制劑，在保護神經(jīng)元免受光損傷和氧化應激中起重要作用[58]。DR中PEDF水平的降低可能導致炎癥和血管滲漏，而補充PEDF可減少糖尿病小鼠視網(wǎng)膜血管滲漏[59]。

視網(wǎng)膜中神經(jīng)保護因子生成的失衡，促進了視網(wǎng)膜NVU的損傷，適當補充神經(jīng)營養(yǎng)因子可以改善DR。

4 小結(jié)

雖然目前大多數(shù)治療仍集中于增生期DR和黃斑水腫，但隨著研究的不斷推進，基于對DR發(fā)病機制和神經(jīng)元、膠質(zhì)細胞以及血管細胞之間相互作用的不斷認識，相信在不久的將來，人們能夠找到更好的治療方式，對更早期DR進行干預，從而延緩其進展。