硫化氫在糖尿病視網(wǎng)膜病變發(fā)病機(jī)制中的作用

陳飛 綜述 張學(xué)東 審校

重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院眼科 重慶市眼科研究所 眼科學(xué)重慶市市級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 400016

陳飛現(xiàn)在重慶市壁山區(qū)人民醫(yī)院眼科 402760

糖尿病視網(wǎng)膜病變(diabetic retinopathy，DR)是糖尿病常見(jiàn)且重要的眼部并發(fā)癥，其發(fā)病機(jī)制尚不完全清楚，可能與以下因素有關(guān)：(1)多元醇-肌醇代謝異常；(2)晚期糖基化終末產(chǎn)物的異常生成和堆積；(3)氧化應(yīng)激作用；(4)二酰甘油-蛋白激酶C系統(tǒng)的活化；(5)腎素-血管緊張素系統(tǒng)的活化；(6)細(xì)胞因子、細(xì)胞自噬與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的作用；(7)慢性低度炎癥的作用[1]。現(xiàn)階段對(duì)DR的治療仍以對(duì)癥治療為主，尚不能完全阻止其發(fā)生和發(fā)展。DR作為一種“無(wú)法治愈”的常見(jiàn)慢性致盲眼病給廣大患者及其家庭，乃至整個(gè)社會(huì)帶來(lái)了巨大的負(fù)擔(dān)。硫化氫是近期發(fā)現(xiàn)的第3個(gè)氣體信號(hào)分子，其在神經(jīng)系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)及內(nèi)分泌系統(tǒng)中均發(fā)揮著重要的生理病理作用。近期有研究表明，硫化氫及其內(nèi)生酶系參與了糖尿病及糖尿病并發(fā)癥的病理過(guò)程[2]。目前已有一些研究通過(guò)細(xì)胞實(shí)驗(yàn)或動(dòng)物模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了硫化氫在DR發(fā)生和發(fā)展過(guò)程中起保護(hù)作用，提示硫化氫對(duì)DR具有潛在的治療作用。本文就硫化氫在DR發(fā)病機(jī)制中的作用進(jìn)行綜述。

1 硫化氫的抗凋亡作用

研究表明，視網(wǎng)膜周細(xì)胞在高血糖狀態(tài)下凋亡率升高，可見(jiàn)周細(xì)胞的丟失與高血糖狀態(tài)有直接關(guān)系[3]。在DR初期，周細(xì)胞的不斷丟失及基底膜增厚會(huì)導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞調(diào)控的異常，繼而出現(xiàn)新生血管，是導(dǎo)致DR發(fā)生和發(fā)展的重要因素[4]。此外，DR的主要病理改變與視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞(retinal ganglion cell，RGC)的功能障礙及凋亡相關(guān)。在糖尿病狀態(tài)下，持續(xù)高血糖導(dǎo)致活性氧簇(reactive oxygen species，ROS)生成增加，線粒體損傷，最終導(dǎo)致RGC凋亡[5]。此外，高血糖誘導(dǎo)的視網(wǎng)膜色素上皮(retinal pigment epithelium，RPE)細(xì)胞凋亡也被認(rèn)為參與了DR的發(fā)展過(guò)程[6]。綜上所述，這些細(xì)胞的凋亡在DR的發(fā)生和發(fā)展中起重要作用。硫化氫在不同組織中具有抗凋亡作用。Sodha等[7]研究表明，在心肌細(xì)胞缺血-再灌注損傷中硫化氫可以通過(guò)抑制caspase-9發(fā)揮抗凋亡作用。Sivarajah等[8]進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，一種KATP通道阻滯劑5-羥基癸酸能夠阻斷硫化氫對(duì)心肌細(xì)胞凋亡、caspase-9活性及bcl-2蛋白質(zhì)表達(dá)的抑制作用[8]。這說(shuō)明硫化氫抗凋亡的機(jī)制可能與線粒體ATP敏感性鉀通道的開(kāi)放有關(guān)。此外，硫化氫還可以抑制高糖誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞凋亡，通過(guò)抑制ROS及caspase-3激活，減少缺氧導(dǎo)致的神經(jīng)元凋亡[9]。Biermann等[10]研究發(fā)現(xiàn)，在大鼠發(fā)生視網(wǎng)膜缺血前，讓其吸入硫化氫抑制了大鼠視網(wǎng)膜組織中caspase-3的激活和細(xì)胞凋亡。以上研究均證實(shí)了硫化氫的抗凋亡作用，但硫化氫能否在DR模型中發(fā)揮抗凋亡作用仍需進(jìn)一步研究證實(shí)。

2 硫化氫的抗氧化作用

目前國(guó)內(nèi)外研究者普遍認(rèn)為氧化應(yīng)激是DR發(fā)生和發(fā)展中的重要環(huán)節(jié)，其主要機(jī)制是通過(guò)激活下游信號(hào)通路促進(jìn)炎癥反應(yīng)及細(xì)胞凋亡的發(fā)生[11]。慢性高血糖可引起糖尿病患者脂質(zhì)過(guò)氧化，從而引起線粒體功能異常及ROS水平升高，形成氧化應(yīng)激反應(yīng)。氧化應(yīng)激進(jìn)一步加劇ROS產(chǎn)生，引起新生血管生成及炎性因子的大量激活，最終導(dǎo)致DR的發(fā)生和發(fā)展[12]。硫化氫作為一種抗氧化劑，在各種氧化應(yīng)激損傷中發(fā)揮著保護(hù)作用。一方面，硫化氫能夠增強(qiáng)半胱氨酸及其轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的活性，增加谷胱甘酮的產(chǎn)生，發(fā)揮抗氧化作用；另一方面，硫化氫能夠直接抑制過(guò)氧化氫陰離子、過(guò)氧化氫和過(guò)氧化氫亞硝酸鹽的生成[13]。此外，硫化氫可以調(diào)節(jié)線粒體功能，其作為一種有效的細(xì)胞色素C氧化酶可逆抑制劑，通過(guò)減弱細(xì)胞呼吸能力，降低線粒體活性，減少線粒體損傷，從而起到細(xì)胞保護(hù)作用[14]。Jha等[15]研究發(fā)現(xiàn)，硫化氫能夠通過(guò)增加細(xì)胞中的抗氧化作用，保護(hù)肝細(xì)胞免受缺血-再灌注損傷；相反，在缺氧性肺動(dòng)脈高壓大鼠模型中，由于內(nèi)源性硫化氫生成的減少氧化應(yīng)激水平升高。甚至有研究認(rèn)為，外源性硫化氫能夠減輕DR模型大鼠視網(wǎng)膜中線粒體的功能障礙，減少大鼠視網(wǎng)膜中ROS的形成[16]。根據(jù)上述研究結(jié)果，說(shuō)明硫化氫可能通過(guò)抗氧化在DR中發(fā)揮視網(wǎng)膜保護(hù)作用。

3 硫化氫的抗炎作用

大量證據(jù)表明，炎癥在DR的發(fā)生和發(fā)展中起重要作用，但其機(jī)制仍不清楚，可能的機(jī)制包括多元醇途徑增加、糖基化終末產(chǎn)物形成增加、蛋白激酶C亞型激活、己糖胺途徑增加等[17]。這些通路的失調(diào)導(dǎo)致線粒體中自由基大量產(chǎn)生，氧化應(yīng)激增加，流變學(xué)異常和腎素-血管緊張素系統(tǒng)活化，產(chǎn)生大量生長(zhǎng)因子和炎性細(xì)胞因子，最終影響血管壁的完整性，導(dǎo)致血管通透性增加、管腔閉塞及局部缺血，加速DR發(fā)生[18]。

3.1 硫化氫在新生血管形成中的作用及機(jī)制

眾所周知，視網(wǎng)膜新生血管形成是增生性糖尿病視網(wǎng)膜病變(proliferative diabetic retinopathy，PDR)的病理基礎(chǔ)。血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)在血管生成中起關(guān)鍵作用[19]。在大腦和視網(wǎng)膜中VEGF能增強(qiáng)白細(xì)胞對(duì)血管壁的黏附，增加細(xì)胞間黏附分子-1(intercellular adhesion molecule-1，ICAM-1)和血管細(xì)胞黏附分子-1的表達(dá)。在內(nèi)皮細(xì)胞中，VEGF也能夠增加ICAM-1的表達(dá)，導(dǎo)致白細(xì)胞活化和細(xì)胞因子產(chǎn)生。細(xì)胞因子反過(guò)來(lái)介導(dǎo)炎癥反應(yīng)并刺激VEGF的進(jìn)一步釋放[20-21]。在缺氧條件下，VEGF產(chǎn)生增多，導(dǎo)致血-視網(wǎng)膜屏障(blood-retinal barrier，BRB)的通透性增強(qiáng)[21]。因此，VEGF被認(rèn)為是導(dǎo)致DR發(fā)展的主要血管生長(zhǎng)因子[21]。研究發(fā)現(xiàn)在鏈脲佐菌素(streptozotocin，STZ)誘導(dǎo)的大鼠DR模型中，給予外源性硫化氫可降低大鼠玻璃體中VEGF的含量及低氧誘導(dǎo)因子-1α和VEGFR2的mRNA表達(dá)，減少視網(wǎng)膜血管的滲漏和無(wú)細(xì)胞毛細(xì)血管的形成[22]。該研究還顯示，在DR的細(xì)胞和動(dòng)物模型中，硫化氫能夠通過(guò)抑制核因子-κB(nuclear factor-κB，NF-κB)信號(hào)通路，降低細(xì)胞因子及趨化因子，如白細(xì)胞介素1β(interleukin-1β，IL-1β)、ICAM-1、誘導(dǎo)型一氧化氮合酶和環(huán)氧合酶等的表達(dá)，進(jìn)而減輕炎癥反應(yīng)，抑制血管壁的破壞及視網(wǎng)膜局部缺血，發(fā)揮抗新生血管的作用[22]。上述研究表明，硫化氫可能在DR發(fā)展中發(fā)揮著抗新生血管的作用。但也有研究指出，硫化氫具有促新生血管生成的作用，其能夠通過(guò)PI3K/Akt信號(hào)通路促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞增生、遷移及管狀結(jié)構(gòu)形成[23]，這可能限制了硫化氫在PDR治療中的應(yīng)用。因此，硫化氫可能在DR的不同階段發(fā)揮著不同的作用，還需要更多的研究來(lái)揭示硫化氫在DR新生血管形成中的作用及機(jī)制。

3.2 硫化氫抑制腫瘤壞死因子-α的表達(dá)及其誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng)

腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)能夠通過(guò)下調(diào)緊密連接蛋白的表達(dá)增加視網(wǎng)膜內(nèi)皮細(xì)胞的通透性，進(jìn)而導(dǎo)致BRB的破壞[24]。由于RGC的死亡和視神經(jīng)的退化，TNF-α也能刺激白細(xì)胞黏附并誘導(dǎo)氧化和ROS的產(chǎn)生[25]。VEGF存在下TNF-α水平升高可刺激視網(wǎng)膜新生血管的生成[26]。研究表明，糖尿病患者血清及玻璃體中TNF-α水平明顯高于非糖尿病患者[27]。因此，TNF-α與DR的發(fā)生和發(fā)展密切相關(guān)。在腎損傷模型中，硫化氫通過(guò)抑制NF-κB信號(hào)通路，降低了兔外周血白細(xì)胞中TNF-α的表達(dá)水平[28]。Perna等[29]研究結(jié)果顯示，硫化氫能夠通過(guò)抑制TNF-α的活化，減輕內(nèi)皮細(xì)胞的炎癥反應(yīng)。Pan等[30]研究也發(fā)現(xiàn)在TNF-α刺激下的內(nèi)皮細(xì)胞中，外源性硫化氫能減少黏附分子的表達(dá)和單核細(xì)胞與內(nèi)皮細(xì)胞的黏附作用，并降低細(xì)胞內(nèi)TNF-α誘導(dǎo)的ROS產(chǎn)生。進(jìn)一步研究表明，這種抗炎作用主要是通過(guò)抑制NF-κB和p38信號(hào)通路以及血紅素氧合酶1表達(dá)的上調(diào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。上述研究表明，硫化氫不但能夠抑制TNF-α的表達(dá)，還能抑制TNF-α誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng)，但硫化氫能否通過(guò)這些通路在DR模型中抑制TNF-α及其誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng)還需要更多的研究來(lái)證實(shí)。

3.3 硫化氫抑制IL-6和IL-8的表達(dá)

IL是免疫細(xì)胞間相互作用的重要細(xì)胞因子，并在炎癥反應(yīng)中起重要作用。有研究發(fā)現(xiàn)重組IL-1β與TNF-α的共同刺激可增加人RPE細(xì)胞分泌IL-6和IL-8。同時(shí)，IL-1β與TNF-α共同促進(jìn)了血管生成的活性[31]。已有研究證實(shí)IL-1β具有促進(jìn)血管生成的作用，并介導(dǎo)視網(wǎng)膜新生血管形成[32]。最近的研究通過(guò)抑制糖尿病小鼠中IL-1β產(chǎn)生所需的酶或阻斷IL-1β的受體來(lái)抑制IL-1β活性，結(jié)果顯示IL-1β通路受到抑制的小鼠視網(wǎng)膜毛細(xì)血管變性減少[33]。因此，IL-1β在糖尿病引起的視網(wǎng)膜疾病的發(fā)展中起重要作用。最新研究發(fā)現(xiàn)，硫化氫通過(guò)抑制高糖誘導(dǎo)的H9C2心肌細(xì)胞中Toll樣受體4和NF-κB的活化，抑制了NLRP3炎癥小體及IL-1β、IL-18等炎性因子的表達(dá)[34]。在DR的細(xì)胞及動(dòng)物模型實(shí)驗(yàn)中也證實(shí)了硫化氫可通過(guò)抑制NF-κB通路抑制IL-1β等炎性因子的表達(dá)[22]。

IL-6是一種多功能細(xì)胞因子，參與調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)，增加血管通透性和刺激血管生成。體外研究發(fā)現(xiàn)，IL-6能夠增加內(nèi)皮細(xì)胞的通透性，從而誘導(dǎo)肌動(dòng)蛋白絲重排，改變內(nèi)皮細(xì)胞的形狀[35]。此外，IL-6還可以促進(jìn)VEGF的表達(dá)，導(dǎo)致新生血管形成和血管通透性增加[36]。在DR患者的玻璃體中，IL-6的表達(dá)水平均明顯升高，且其水平高低與DR嚴(yán)重程度相關(guān)[37]。IL-8是一種具有趨化能力的細(xì)胞因子，在DR的發(fā)展過(guò)程中，IL-8加強(qiáng)了中性粒細(xì)胞的脫顆粒和吞噬作用，釋放了蛋白酶，導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞損傷，最終引起血流淤滯、組織壞死，促進(jìn)新生血管形成[38]。它還能增加ICAM的表達(dá)，加強(qiáng)血管內(nèi)皮細(xì)胞、RPE細(xì)胞上ICAM的黏附和聚集，產(chǎn)生的細(xì)胞因子再激活小膠質(zhì)細(xì)胞，從而刺激炎癥循環(huán)[39]。另外，在高糖狀態(tài)下，RPE細(xì)胞中IL-8和TNF-α表達(dá)增加，IL-8破壞了視網(wǎng)膜血管內(nèi)皮細(xì)胞和RPE細(xì)胞的緊密連接，導(dǎo)致BRB破壞，血管通透性增加，加速了DR的進(jìn)展[40]?？梢?jiàn)IL-6和IL-8可能是視網(wǎng)膜炎癥和新生血管形成的重要介質(zhì)。目前有研究表明，外源性硫化氫能夠抑制急性肺損傷大鼠模型肺組織中IL-6和IL-8的表達(dá)[41]。另外，Kloesch等[42]研究也發(fā)現(xiàn)外源性硫化氫通過(guò)抑制MAPK通路可以抑制人軟骨細(xì)胞中IL-1β誘導(dǎo)的IL-6和IL-8的表達(dá)，說(shuō)明硫化氫可能通過(guò)MAPK通路抑制IL-6和IL-8的表達(dá)。然而在DR模型中，硫化氫是否通過(guò)這一通路抑制IL-6和IL-8的表達(dá)仍需進(jìn)一步研究。

4 硫化氫的抗自噬作用

自噬與DR具有密切的關(guān)系。有實(shí)驗(yàn)表明，高糖可激活自噬過(guò)程促進(jìn)人RPE細(xì)胞增生，而抑制自噬則可以抑制RPE細(xì)胞的增生[43]。在DR模型中，氧化應(yīng)激能激活自噬途徑，并導(dǎo)致細(xì)胞自噬性死亡，而經(jīng)過(guò)胰高血糖素樣肽-1處理后自噬得到顯著緩解[44]。國(guó)內(nèi)報(bào)道也發(fā)現(xiàn)，高糖或TNF-α能夠誘導(dǎo)猴脈絡(luò)膜視網(wǎng)膜血管內(nèi)皮細(xì)胞(RF/6A)自噬蛋白的表達(dá)增加，使細(xì)胞增生、遷移及管腔形成能力增強(qiáng)，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)抑制自噬可以抑制這些改變[45-46]，說(shuō)明自噬參與了高糖或TNF-α誘導(dǎo)的新生血管形成，可能在DR新生血管的形成中發(fā)揮促進(jìn)作用。此外，研究發(fā)現(xiàn)RPE細(xì)胞中高表達(dá)的自噬蛋白可能參與視網(wǎng)膜細(xì)胞內(nèi)低水平的炎癥過(guò)程，參與DR的發(fā)展[47-48]。目前研究表明，在各種糖尿病模型中，硫化氫對(duì)自噬起著調(diào)節(jié)作用。Xiao等[49]研究發(fā)現(xiàn)，在糖尿病大鼠模型中，糖尿病能夠引起心肌顯著纖維化，增強(qiáng)心肌細(xì)胞自噬，并抑制PI3K/Akt1信號(hào)通路，而經(jīng)過(guò)NaHS處理后心肌纖維化得到改善，心肌細(xì)胞自噬減少，PI3K/Akt1通路抑制被逆轉(zhuǎn)，這說(shuō)明硫化氫對(duì)糖尿病心肌纖維化的保護(hù)作用可能與激活PI3K/Akt1信號(hào)通路，抑制自噬有關(guān)。Liu等[50]研究認(rèn)為，外源性硫化氫可以通過(guò)抑制由Nrf2-ROS-AMPK信號(hào)通路引起的氧化應(yīng)激，減輕過(guò)度自噬，從而保護(hù)動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞。在STZ誘發(fā)的糖尿病小鼠模型中，硫化氫可以通過(guò)抑制Akt、TGF-1和NF-κB信號(hào)通路，減少氧化應(yīng)激，減輕腎組織纖維化和自噬作用[51]。然而，硫化氫能否通過(guò)抑制自噬來(lái)緩解DR的發(fā)展仍需進(jìn)一步研究證實(shí)。

5 硫化氫的神經(jīng)保護(hù)作用

目前認(rèn)為除了血管的改變外，神經(jīng)節(jié)細(xì)胞、神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞、小神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞等非血管細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能損傷在DR發(fā)生和發(fā)展中也起著重要作用[52]。有證據(jù)表明，視網(wǎng)膜神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的神經(jīng)變性甚至發(fā)生在微血管瘤之前[53]。硫化氫能夠抑制神經(jīng)元的凋亡和退化，它主要通過(guò)抗炎、抗氧化應(yīng)激及抗凋亡的機(jī)制發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用[54]。硫化氫能抑制ROS的生成，減少髓過(guò)氧化物酶催化后產(chǎn)生的次氯酸，從而減少其對(duì)神經(jīng)元的毒性作用，它還能夠通過(guò)抑制細(xì)胞色素氧化酶C或cAMP水平升高引起的N-甲基-D-天冬氨酸受體過(guò)度激活，減少神經(jīng)元死亡[55-57]。在阿爾茨海默病、亨廷頓病、帕金森病等神經(jīng)退行性疾病中，硫化氫表達(dá)水平表達(dá)下降會(huì)導(dǎo)致過(guò)氧亞硝基離子增多及神經(jīng)元退化[58-59]。視網(wǎng)膜電圖(electroretinogram，ERG)的b波及震蕩電位(oscillatory potentials，OPs)振幅可以用來(lái)評(píng)價(jià)神經(jīng)元的功能，在STZ誘導(dǎo)的DR大鼠模型中，外源性硫化氫改善了其ERG中b波及OPs振幅的降低，同時(shí)增加了腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子及突觸小泡的表達(dá)[22]，說(shuō)明硫化氫對(duì)視網(wǎng)膜神經(jīng)元具有保護(hù)作用。進(jìn)一步研究硫化氫在DR中的神經(jīng)保護(hù)作用及其機(jī)制對(duì)DR的治療是一種新的思路。

6 小結(jié)及展望

綜上所述，硫化氫在各種組織器官或細(xì)胞中發(fā)揮著抗細(xì)胞凋亡、抗氧化應(yīng)激、抗炎、抗自噬及神經(jīng)保護(hù)等作用，硫化氫可能通過(guò)這些作用在DR的發(fā)生和發(fā)展中發(fā)揮保護(hù)性作用，但目前關(guān)于硫化氫在DR方面的研究報(bào)道仍較少，進(jìn)一步探索硫化氫在DR發(fā)病機(jī)制中的作用可以為DR的治療提供新的思路。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突