糖尿病視網(wǎng)膜神經(jīng)變性機(jī)制的研究進(jìn)展

龍小鳳，譚 薇，楊 曼

0引言

糖尿病視網(wǎng)膜病變(diabetic retinopathy,DR)是糖尿病的常見并發(fā)癥，是不可逆的致盲性眼病，給全世界的醫(yī)療保健系統(tǒng)帶來了巨大的社會經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[1]。越來越多的證據(jù)表明，糖尿病視網(wǎng)膜神經(jīng)變性即糖尿病視神經(jīng)變性是DR發(fā)病機(jī)制中的早期事件[2-4]，且可能與微血管異常的發(fā)展有關(guān)[3,5]。Sohn等[6]研究發(fā)現(xiàn)在光學(xué)相干斷層掃描(optical coherence tomography,OCT)上，沒有DR的糖尿病患者神經(jīng)纖維層(nerve fiber layer,NFL)、神經(jīng)節(jié)細(xì)胞層(ganglion cell layer，GCL)和內(nèi)網(wǎng)狀層(inner plexiform layer,IPL)在4a內(nèi)有顯著的進(jìn)行性變薄。有研究發(fā)現(xiàn)，糖尿病患者在沒有出現(xiàn)視網(wǎng)膜微血管病變之前就已經(jīng)表現(xiàn)出暗適應(yīng)、對比敏感度和視網(wǎng)膜電圖(electroretinogram,ERG)反應(yīng)下降[7-8]，綜上均提示糖尿病病程早期，可能已經(jīng)出現(xiàn)了視神經(jīng)變性，并且視神經(jīng)變性可能先于糖尿病引起的臨床和形態(tài)學(xué)血管病變[6]。因此，更深入地了解糖尿病視神經(jīng)變性的潛在機(jī)制可能會為DR提供新的和更有效的預(yù)防策略。

1糖尿病視神經(jīng)變性的特征

視神經(jīng)變性在本質(zhì)上是慢性的神經(jīng)元、光感受器和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的累積丟失，以及與血管系統(tǒng)相關(guān)的病理改變[6]。神經(jīng)細(xì)胞凋亡和反應(yīng)性膠質(zhì)細(xì)胞增生是糖尿病視神經(jīng)變性的兩個(gè)特征[9]。視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞(retinal ganglion cell,RGC)和無長突細(xì)胞是最先檢測到糖尿病誘導(dǎo)凋亡的神經(jīng)元，光感受器也有增加的凋亡率，這種凋亡的結(jié)構(gòu)性后果是視網(wǎng)膜NFL、GCL和IPL的厚度減少[10]，現(xiàn)在可以通過高分辨率的光譜域光學(xué)相干層析成像(spectral domain optical coherence tomography，SD-OCT)技術(shù)檢測到。行SD-OCT測量視網(wǎng)膜乳頭周圍NFL和GCL厚度發(fā)現(xiàn)糖尿病前期患者的內(nèi)黃斑GCL厚度明顯變薄[11]。膠質(zhì)細(xì)胞由大膠質(zhì)細(xì)胞(Müller細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞)和小膠質(zhì)細(xì)胞組成，膠質(zhì)細(xì)胞在神經(jīng)元存活和正常代謝中起著關(guān)鍵作用。Müller細(xì)胞在谷氨酸代謝、細(xì)胞外離子平衡和神經(jīng)元功能中起著重要作用[12]。糖尿病患者膠質(zhì)細(xì)胞的特征性變化稱為反應(yīng)性膠質(zhì)增生。這包括Müller細(xì)胞過度表達(dá)膠質(zhì)酸性纖維蛋白，星形膠質(zhì)細(xì)胞功能受損，小膠質(zhì)細(xì)胞釋放導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞死亡的細(xì)胞因子[12-13]。膠質(zhì)細(xì)胞活化可能將視神經(jīng)變性與微血管病變聯(lián)系起來[9]。

2糖尿病視神經(jīng)變性的機(jī)制

2.1谷氨酸興奮毒性谷氨酸是視網(wǎng)膜中的一種主要神經(jīng)遞質(zhì)，負(fù)責(zé)將興奮信號從視網(wǎng)膜中的光感受器傳送到雙極細(xì)胞，并從雙極細(xì)胞傳送到RGC[14]。視網(wǎng)膜中谷氨酸濃度的增加會導(dǎo)致過度激活，并導(dǎo)致所謂的“興奮性毒性”，導(dǎo)致神經(jīng)退化[15-16]。谷氨酸神經(jīng)毒性是中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性變的主要機(jī)制[17]。在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型的視網(wǎng)膜和糖尿病患者的玻璃體液中發(fā)現(xiàn)谷氨酸水平升高[15，18]。但糖尿病導(dǎo)致谷氨酸興奮性毒性的具體機(jī)制，目前還未明確。

2.2氧化應(yīng)激幾十年來，氧化應(yīng)激一直被廣泛認(rèn)為是DR病理生理學(xué)的主要因素。已有研究證實(shí)糖尿病時(shí)糖基化終末產(chǎn)物、多元醇、氨基己糖和蛋白激酶C等代謝途徑被激活，其副產(chǎn)物的積累可通過活性氧(reactive oxygen species,ROS)和活性氮(reactive nitrogen species,RNS)的形成誘導(dǎo)氧化應(yīng)激[14,19]。產(chǎn)生的ROS或RNS可能通過上述幾條通路來潛在攻擊視網(wǎng)膜神經(jīng)元[20]。在糖尿病小鼠的視網(wǎng)膜中，ROS的生成顯著增加，抑制ROS的產(chǎn)生可有效抑制視力損害和caspase-3介導(dǎo)的視網(wǎng)膜神經(jīng)元凋亡[21]。在細(xì)胞氧化應(yīng)激的情況下，ROS產(chǎn)生過量，ROS可直接作用于蛋白質(zhì)和DNA，或間接作為第二信使調(diào)節(jié)各種信號級聯(lián)而作用于DR的發(fā)病機(jī)制，導(dǎo)致細(xì)胞損傷和死亡，最終導(dǎo)致組織和器官功能障礙[22]。在大多數(shù)細(xì)胞中，線粒體是內(nèi)源性ROS的主要來源，由于其高反應(yīng)性和局部產(chǎn)生特性，線粒體成分如線粒體DNA也是最先暴露和損傷的。這會導(dǎo)致線粒體能量產(chǎn)生減少，導(dǎo)致視神經(jīng)變性的發(fā)生和發(fā)展[12]。此外，許多脂質(zhì)在受光照射時(shí)會發(fā)生光氧化，產(chǎn)生氧化脂質(zhì)，對視網(wǎng)膜細(xì)胞產(chǎn)生毒性作用[2]。以上這些研究的發(fā)現(xiàn)至關(guān)重要，可以將視神經(jīng)病變與微血管病變聯(lián)系起來，并增進(jìn)我們對DR的理解。

2.3視網(wǎng)膜合成的神經(jīng)保護(hù)因子的不平衡視網(wǎng)膜合成神經(jīng)保護(hù)因子，如色素上皮衍生因子(pigment epithelium-derived factor,PEDF)，生長抑素(somatostatin,SST)，間質(zhì)視黃醇結(jié)合蛋白(interphotoreceptor retinoid-binding protein,IRBP)和其他神經(jīng)營養(yǎng)素[1]。PEDF具有抗血管生成和神經(jīng)保護(hù)的特性，還可降低氧化應(yīng)激和谷氨酸興奮性毒性，這種肽在視網(wǎng)膜動(dòng)態(tài)平衡中起著關(guān)鍵的作用[1]。SST是一種強(qiáng)大的抗血管生成因子，也是視網(wǎng)膜中一種重要的神經(jīng)調(diào)節(jié)劑，它通過調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)Ca2+信號、一氧化氮功能和減少光感受器的谷氨酸分泌來發(fā)揮作用[16]。上述這些神經(jīng)保護(hù)因子在糖尿病視網(wǎng)膜病變中明顯下調(diào)，這可能與視神經(jīng)變性密切相關(guān)[23]。然而，并不是所有的神經(jīng)保護(hù)因子在糖尿病視網(wǎng)膜病變中都下調(diào)。例如，血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)和促紅細(xì)胞生成素(erythropoietin,EPO)是兩個(gè)公認(rèn)的神經(jīng)保護(hù)因子，在糖尿病視網(wǎng)膜病變中表達(dá)增加[1,24]。VEGF在視神經(jīng)變性的非常早期階段上調(diào)，谷氨酸的積累及PEDF和SST的丟失是VEGF過度表達(dá)的機(jī)制[10]。EPO是一種強(qiáng)大的神經(jīng)保護(hù)因子，在糖尿病患者的玻璃體液中發(fā)現(xiàn)這種激素的水平非常高[25]。在DR早期，PEDF、SST和IRBP等關(guān)鍵因子的下調(diào)可被VEGF和EPO的上調(diào)所抵消，但神經(jīng)保護(hù)因子的下調(diào)可能占主導(dǎo)地位，從而導(dǎo)致視網(wǎng)膜神經(jīng)變性[10]。神經(jīng)保護(hù)因子的失衡是糖尿病視網(wǎng)膜神經(jīng)變性的早期且至關(guān)重要的現(xiàn)象,這些發(fā)現(xiàn)很有趣，具有臨床意義，但是需要進(jìn)一步的研究才能更好地理解。

2.4抗氧化防御機(jī)制受損為了保持細(xì)胞氧化還原動(dòng)態(tài)平衡，并控制自由基，細(xì)胞有一個(gè)有效的酶和非酶抗氧化防御系統(tǒng)。常見的抗氧化防御酶包括超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、谷胱甘肽過氧化物酶和谷胱甘肽還原酶[26]。紅系衍生核因子2相關(guān)因子2(nuclear factor-erythroid 2 related factor 2,Nrf2)是全身性抗氧化防御系統(tǒng)的關(guān)鍵核轉(zhuǎn)錄因子[27]。糖尿病患者視網(wǎng)膜的抗氧化防御系統(tǒng)受損，抗氧化防御酶如超氧化物歧化酶、谷胱甘肽還原酶和過氧化氫酶活性顯著降低，Nrf2的轉(zhuǎn)錄活性也低于正常水平[26,28]。糖尿病患者各種抗氧化酶的減少與視網(wǎng)膜神經(jīng)細(xì)胞凋亡有關(guān)[29]。在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭校?dāng)不同的抗氧化劑化合物用于DR治療時(shí)，它們可以通過恢復(fù)某些抗氧化酶來阻止視網(wǎng)膜神經(jīng)細(xì)胞凋亡[30-31]?？寡趸瘎┛赡苡糜谥委烡R，但是需要進(jìn)一步的研究以確認(rèn)抗氧化劑治療的有效性。

2.5線粒體功能障礙線粒體通過糖酵解提供ATP形式的細(xì)胞能量，以及正常突觸傳遞所需的鈣儲存和緩沖物質(zhì)，對正常的神經(jīng)組織功能至關(guān)重要[32]。而線粒體損傷和線粒體能量代謝改變在糖尿病視網(wǎng)膜神經(jīng)病變中尤為突出[13]。在糖尿病受試者的供體眼中，細(xì)胞色素C和凋亡誘導(dǎo)因子等促凋亡線粒體蛋白在視網(wǎng)膜中的表達(dá)顯著增加[33]。Tien等[34]體外研究表明，高糖暴露與線粒體碎裂和細(xì)胞凋亡增加有關(guān)。線粒體呼吸是ROS產(chǎn)生的主要非酶來源，被證明與糖尿病視網(wǎng)膜病變有關(guān)[35]。氧化應(yīng)激介導(dǎo)的線粒體功能障礙是神經(jīng)退行性疾病中神經(jīng)元損傷的主要機(jī)制[36-37]，在DR中也得到了相似的研究結(jié)果[26,38]。線粒體功能障礙還會導(dǎo)致鈣的不正確分布，而鈣離子對神經(jīng)元的損害尤為嚴(yán)重[39]。

2.6腎素-血管緊張素系統(tǒng)的激活以往的研究表明，腎素-血管緊張素系統(tǒng)(renin-angiotensin system,RAS)的激活可能在糖尿病視神經(jīng)變性中起關(guān)鍵作用[40]。同時(shí)也有研究者認(rèn)為局部RAS因子，特別是血管緊張素Ⅱ(angiotensin Ⅱ,Ang Ⅱ)的形成是糖尿病視網(wǎng)膜神經(jīng)和血管成分受損的主要作用來源[41]。Ang Ⅱ是血管緊張素轉(zhuǎn)換酶的活性成分，大量研究表明糖尿病視網(wǎng)膜中Ang Ⅱ水平升高，可能在導(dǎo)致DR的神經(jīng)血管損傷中起主要作用[42]。有報(bào)道稱糖尿病視網(wǎng)膜中血管緊張素Ⅱ 1型受體(angiotensin Ⅱ type 1 receptor,AT1R)水平升高導(dǎo)致神經(jīng)功能受損，AT1R阻滯劑替米沙坦可抑制受損的視網(wǎng)膜功能[41]。來自臨床和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷难芯勘砻?，RAS在糖尿病視網(wǎng)膜病變中被激活，其阻斷可能保護(hù)視網(wǎng)膜損傷[41,43]。

2.7微管相關(guān)蛋白tau磷酸化動(dòng)物研究表明，視神經(jīng)變性不限于細(xì)胞死亡，還包括突觸蛋白表達(dá)的減少、神經(jīng)傳遞的改變及神經(jīng)遞質(zhì)的釋放、再攝取和代謝的變化[7]。微管相關(guān)蛋白tau是阿爾茨海默病和其他神經(jīng)退行性疾病中神經(jīng)毒性的關(guān)鍵介質(zhì)，具有微管的組裝和穩(wěn)定、軸突運(yùn)輸和以磷酸化依賴的方式突起生長的功能[44]。最近Mazzaro等[45]在RGC層檢測到tau的過度磷酸化，并在攜帶P301S突變的人tau的轉(zhuǎn)基因小鼠中發(fā)現(xiàn)與神經(jīng)視網(wǎng)膜功能障礙相關(guān)，提示tau過度磷酸化與RGC變性之間存在相關(guān)性。Zhu等[46]首次證明，微管相關(guān)蛋白tau的異常過度磷酸化通過危及依賴微管的突觸，并通過線粒體損傷減少突觸能量產(chǎn)生，從而導(dǎo)致突觸丟失和RGC功能障礙，進(jìn)而觸發(fā)糖尿病視神經(jīng)變性。因此，過度磷酸化的tau可能是糖尿病視神經(jīng)變性的關(guān)鍵因素[47]?？赏ㄟ^靶向tau來抵抗RGC神經(jīng)變性，為DR的神經(jīng)保護(hù)干預(yù)策略開辟新途徑。

3展望

糖尿病視網(wǎng)膜病變所致的視力損失會影響患者的生活質(zhì)量，并對其心理產(chǎn)生負(fù)面影響。而目前DR的治療主要針對晚期DR，特別是血管病變，并伴有不良副作用。闡明導(dǎo)致糖尿病視網(wǎng)膜神經(jīng)變性的機(jī)制有可能發(fā)現(xiàn)新的治療靶點(diǎn)，旨在減輕DR的進(jìn)展。治療DR的新療法可能包括神經(jīng)保護(hù)劑，以及糾正神經(jīng)遞質(zhì)釋放、攝取和神經(jīng)遞質(zhì)受體信號異常的藥物。更早地發(fā)現(xiàn)眼部糖尿病損害，并盡早對其進(jìn)行治療，從而可以防止糖尿病患者的視力喪失。