褪黑素治療糖尿病視網(wǎng)膜病變的研究進展△

唐磊 徐國彤 張敬法

糖尿病視網(wǎng)膜病變(DR)是糖尿病在眼部重要的并發(fā)癥，是導(dǎo)致全球工作人群視力下降的主要原因之一。其中，糖尿病黃斑水腫(DME)以及增生型DR(PDR)是導(dǎo)致DR患者致盲的最主要原因。在過去30多年中，隨著醫(yī)療進步、早期篩查以及防治工作的開展，PDR的發(fā)病率逐年下降。因此，現(xiàn)階段DME成為糖尿病患者最主要的致盲原因[1]。

1 DR的發(fā)病機制

DR的發(fā)病機制復(fù)雜，包括微血管病變、神經(jīng)元病變以及低-中度炎癥反應(yīng)，其中，氧化應(yīng)激、炎癥、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和自噬等諸多因素均參與了DR的病理生理過程[2]。在高血糖狀態(tài)下，氧化應(yīng)激水平升高可導(dǎo)致線粒體功能障礙、多元醇途徑和氨基己糖途徑激活、糖基化產(chǎn)物增加、蛋白激酶C活化，產(chǎn)生大量活性氧自由基(ROS)。而過量的ROS又會激活上述四條途徑，攻擊視網(wǎng)膜蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、核酸及細胞膜內(nèi)酶系統(tǒng)，破壞細胞內(nèi)生物大分子，導(dǎo)致視網(wǎng)膜微血管病變、神經(jīng)元及神經(jīng)膠質(zhì)細胞病變，加重視網(wǎng)膜“神經(jīng)-血管單元”損傷，參與并加重了DR的發(fā)生發(fā)展[3]。

長期慢性炎癥也是DR發(fā)病的重要環(huán)節(jié)。促炎相關(guān)因子釋放增多，如細胞間黏附分子-1(ICAM-1)所介導(dǎo)的白細胞與視網(wǎng)膜毛細血管內(nèi)皮黏附是DR發(fā)生的早期事件。血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)、腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、白細胞介素-1β(IL-1β)、誘導(dǎo)型一氧化氮合酶(iNOS)和ICAM-1等炎癥相關(guān)因子共同參與了內(nèi)皮細胞及周細胞丟失、基底膜增厚、微血管瘤形成，以及視網(wǎng)膜新生血管形成等[2]。在糖尿病動物模型中，拮抗促炎因子可不同程度地減緩糖尿病血-視網(wǎng)膜屏障(BRB)的破壞；在不同階段的糖尿病患者，包括NPDR、PDR和DME的眼內(nèi)液中，可檢測到大量炎癥相關(guān)因子的表達升高，如VEGF、PLGF、IGF-1、bFGF、PEDF、IL-1β、IL-6、IL-8、IL-10、IP10、MCP-1、ICAM-1、VCAM-1、TNF-α、iNOS、RANTES、C3a/5a等[4]。并且，在臨床實踐中，糖皮質(zhì)激素，如緩釋地塞米松植入物，可顯著減輕DME患者黃斑區(qū)水腫，這些均提示炎癥因素在DR發(fā)病機制中發(fā)揮了重要作用[5]。

2 褪黑素及其在DR中的應(yīng)用

褪黑素是人腦松果體的合成產(chǎn)物，可釋放到腦脊液和血液中[2]。正常人視網(wǎng)膜也可產(chǎn)生褪黑素，調(diào)節(jié)氧化還原反應(yīng)和多巴胺代謝，其代謝產(chǎn)物吲哚具有多種生理功能，對炎癥和氧化應(yīng)激具有拮抗作用[6]。此外，褪黑素在不同的病理生理條件下具有調(diào)節(jié)自噬和凋亡的作用[7]。

2.1 褪黑素調(diào)控血糖長期存在的高血糖會對糖尿病患者的各種組織，特別是眼、腎、心臟、血管、神經(jīng)造成慢性損害及功能障礙，而褪黑素在控制血糖方面發(fā)揮了良好作用。新近研究表明，2型糖尿病患者與正常人相比，夜間褪黑素的分泌量較低，給予褪黑素緩釋劑(2 mg)5個月后可顯著降低患者糖化血紅蛋白和血糖的水平[8]，且較大劑量的褪黑素(6 mg)能夠更好地控制2型糖尿病患者的血糖濃度[9]。此外，對部分糖尿病患者給于褪黑素(10 mg)、醋酸鋅(50 mg)聯(lián)合二甲雙胍用藥，其組織反應(yīng)性較單一用藥效果更好。

在松果體切除的動物中，由于葡萄糖轉(zhuǎn)運體-4的表達降低導(dǎo)致葡萄糖耐受不良和胰島素抵抗，褪黑素可控制動物血糖水平并緩解這些癥狀[10]。在鏈-脲佐菌素誘導(dǎo)的糖尿病大鼠模型中，給予重組人胰島素注射液(15 U·kg-1·d-1)和褪黑素(0.2 mg·kg-1·d-1)聯(lián)合用藥8周，與胰島素單獨用藥相比，可有效改善血漿葡萄糖水平和胰島素敏感性[11]，且褪黑素治療(100 mg·kg-1·d-1)8周后可改善高脂肪飲食小鼠的血清褪黑素水平和胰島素抵抗[12]。

2.2 褪黑素抑制氧化應(yīng)激視網(wǎng)膜中的光感受器細胞是褪黑素的主要產(chǎn)生部位，也是視網(wǎng)膜ROS產(chǎn)生的主要場所。在高血糖狀態(tài)下，抗氧化酶表達受抑制，清除自由基功能下降，由于糖尿病大鼠視網(wǎng)膜褪黑素水平降低，因此其夜間較白天產(chǎn)生更多的超氧化物[13]。

谷胱甘肽作為抗氧化劑與其他自由基清除劑發(fā)揮協(xié)同作用，褪黑素可上調(diào)糖尿病大鼠視網(wǎng)膜中的谷胱甘肽，并維持過氧化氫酶的活性，從而延緩DR的發(fā)展[14]。除了刺激抗氧化酶(谷胱甘肽還原酶、谷胱甘肽過氧化物酶、超氧化物歧化酶和過氧化氫酶等)的產(chǎn)生外，褪黑素還可抑制促氧化酶[髓過氧化物酶、嗜酸性粒細胞過氧化物酶、一氧化氮合酶(NOS)和環(huán)氧合酶-2等]的活性、清除自由基、減少氧化應(yīng)激損傷[15]。褪黑素還可通過螯合Fenton/Haber-Weiss反應(yīng)中的過渡金屬來減少羥自由基的形成，在與自由基相互作用后，褪黑素轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定且不可逆的自由基清除代謝物，啟動清除級聯(lián)反應(yīng)[16]。褪黑素還可以限制線粒體電子傳遞鏈中的電子泄漏，減少超氧陰離子自由基的氧還原，抑制氧化應(yīng)激反應(yīng)。

核因子E2相關(guān)因子(Nrf2)是調(diào)節(jié)機體氧化應(yīng)激反應(yīng)的重要轉(zhuǎn)錄因子，負責調(diào)控下游Ⅱ相解毒酶與抗氧化酶(血紅素-1、醌氧化還原酶1、谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶)的表達，褪黑素通過刺激這些抗氧化基因的表達維持細胞氧化還原的穩(wěn)定性。在糖尿病大鼠視網(wǎng)膜及體外高糖培養(yǎng)的Müller細胞中，Nrf2表達降低，谷胱甘肽和谷氨酸半胱氨酸連接酶下調(diào)，褪黑素通過激活PI3K/Akt/PKB通路，提升Nrf2活性和谷氨酸半胱氨酸連接酶水平，從而降低糖尿病大鼠視網(wǎng)膜中的氧化應(yīng)激水平[6]。

脂質(zhì)過氧化標記物硫代巴比妥酸反應(yīng)物和蛋白質(zhì)氧化標記物氧化蛋白產(chǎn)物在DR患者血清和糖尿病大鼠視網(wǎng)膜中表達升高[17]。褪黑素可降低糖尿病大鼠視網(wǎng)膜中脂質(zhì)過氧化物水平，抑制NOS活性，減少一氧化氮(NO)的產(chǎn)生，恢復(fù)過氧化氫酶活性。作為活性氧的直接清除劑，褪黑素可中和糖尿病脂質(zhì)過氧化過程中的羥自由基和清除H2O2[18]。

2.3 褪黑素抑制炎癥NF-κB激活引起的炎癥因子釋放在DR中扮演了重要角色。高血糖、氧化應(yīng)激、細胞因子表達、蛋白激酶等均可誘導(dǎo)NF-κB的活化，繼而上調(diào)各種黏附因子的表達，促進白細胞與視網(wǎng)膜內(nèi)皮細胞黏附，導(dǎo)致毛細血管閉塞和視網(wǎng)膜缺血。褪黑素通過抑制NF-κB活化減少多種炎癥因子的表達，如TNF-α、IL-6、IL-1β等，進而減輕視網(wǎng)膜炎癥和微血管障礙[19]。褪黑素還通過拮抗p38 MAPK通路的激活及各種刺激因子抑制環(huán)氧化酶-2發(fā)揮抗炎作用，改善炎癥情況[20]。

DR晚期伴隨著大量新生血管生成，炎癥和氧化應(yīng)激可刺激視網(wǎng)膜色素上皮(RPE)細胞釋放大量的VEGF，且巨噬細胞也可分泌TNF-α等促炎細胞因子誘導(dǎo)RPE細胞分泌VEGF，視網(wǎng)膜中高濃度的VEGF可導(dǎo)致血-視網(wǎng)膜屏障破壞，引起血管滲漏并促進視網(wǎng)膜新生血管的生成。褪黑素通過抑制iNOS減少NO產(chǎn)生，降低過氧亞硝酸鹽引起的脂質(zhì)過氧化，降低視網(wǎng)膜中VEGF和NO的水平，抑制視網(wǎng)膜新生血管的生成[21]。

DME的病理特征是視網(wǎng)膜層間積液或視網(wǎng)膜下積液，此外，也可觀察到視網(wǎng)膜Müller細胞腫脹、星形膠質(zhì)細胞減少。褪黑素可降低糖尿病大鼠視網(wǎng)膜中基質(zhì)金屬蛋白酶-9(MMP-9)和NO水平，并抑制高糖培養(yǎng)的Müller細胞產(chǎn)生大量的HIF-1α和VEGF，減輕Müller細胞腫脹和血管滲漏情況[6]。臨床中，抗VEGF藥物，如雷珠單抗、阿柏西普、康柏西普等，在治療DME中療效顯著，能減輕黃斑水腫?？筕EGF藥物聯(lián)合褪黑素使用有可能提高DR的治療效果。

2.4 褪黑素抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是多種蛋白的主要合成場所，當各種應(yīng)激因素導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)穩(wěn)態(tài)被打破，使過多的未折疊或錯誤折疊蛋白在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蓄積時，將引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激(ERS)。褪黑素可不同程度減輕糖尿病高血糖誘導(dǎo)的視網(wǎng)膜ERS[18]。衣霉素(ERS激活劑)和雷帕霉素(自噬誘導(dǎo)劑)可降低細胞活力，褪黑素可通過抑制ERS減輕自噬，提升細胞活力[22]。此外，褪黑素通過下調(diào)促凋亡蛋白(p38、JNK)和半胱氨酸蛋白酶-3等凋亡標志物，清除自由基，緩解胰島素瘤大鼠胰腺β細胞的ERS，提升高血糖狀態(tài)下胰島細胞的存活率[23]。有研究發(fā)現(xiàn)，褪黑素通過抑制ERS相關(guān)基因的表達保護神經(jīng)膠質(zhì)細胞免受甲基苯丙胺誘導(dǎo)的損傷，同時褪黑素可促進抗氧化基因的表達，恢復(fù)細胞的抗氧化能力[24]。

2.5 褪黑素調(diào)節(jié)自噬自噬是人體分解代謝的重要途徑之一，主要通過對受損細胞器和細胞內(nèi)大分子物質(zhì)的降解和循環(huán)利用來維持細胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定。自噬能夠在一定程度上延緩DR的發(fā)生發(fā)展過程。

褪黑素調(diào)節(jié)自噬的機制研究也較為廣泛。正常生理條件下，褪黑素可以調(diào)節(jié)乙?；富钚?，通過mTOR依賴途徑誘導(dǎo)自噬，促進細胞存活[25]。然而在氧化應(yīng)激或有毒物質(zhì)刺激下，褪黑素通過激活細胞內(nèi)PI3k/Akt通路抑制自噬[26]。

研究表明，褪黑素通過激活A(yù)MPK導(dǎo)致HIF-1α積累，調(diào)控DR自噬清除過剩的自由基，保護線粒體內(nèi)膜的完整性，增加線粒體復(fù)合酶活性，從而干擾細胞凋亡[27]。抑制自噬會誘發(fā)RPE細胞在高糖刺激下NLRP3炎癥小體的激活[28]，褪黑素降低了高糖刺激下視網(wǎng)膜內(nèi)皮細胞和RPE細胞的炎癥水平[29]。此外，褪黑素通過改善氧化應(yīng)激和ERS間接影響自噬。

2.6 褪黑素抑制乙?；窪R中表觀遺傳修飾可引起線粒體損傷，氧化應(yīng)激使組蛋白乙酰化和甲基化發(fā)生變化，因此去乙酰化酶在DR的進展中發(fā)揮重要作用[30]。糖尿病誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激抑制SIRT1促使NF-κB乙?；?，從而激活MMP-9轉(zhuǎn)錄[31]。MMP-9在疾病早期觸發(fā)細胞凋亡，在疾病后期促進血管生成。白藜蘆醇作為去乙?；傅孜锏姆€(wěn)定劑，通過調(diào)節(jié)谷氨酸轉(zhuǎn)運體和谷氨酰胺合成酶的表達來阻止糖尿病大鼠視網(wǎng)膜細胞外谷氨酸的積累。這種去乙酰化酶介導(dǎo)的作用使DR中神經(jīng)元細胞免于死亡。在DR中，谷氨酸系統(tǒng)(谷氨酸受體和轉(zhuǎn)運體)和突觸功能(胞外蛋白)受損，導(dǎo)致興奮性毒性和神經(jīng)元退化。在這種情況下，褪黑素作為去乙?；负涂古d奮分子的調(diào)制器，可能有助于預(yù)防和治療DR[32]。

3 小結(jié)

由于全球糖尿病患病率的快速增長，探索糖尿病并發(fā)癥的有效治療方法是一個重要問題。糖尿病的常規(guī)治療一般基于血糖控制，但現(xiàn)有藥物不能完全控制并發(fā)癥的發(fā)生。目前的研究表明，褪黑素通過調(diào)節(jié)脂質(zhì)和糖代謝減少胰島素抵抗，增加胰島素的敏感性來改善糖尿病及其并發(fā)癥。本文回顧了炎癥、氧化應(yīng)激、自噬途徑、線粒體功能障礙和ERS等在DR中的病理機制；并闡述了褪黑素在上述過程中的作用。鑒于褪黑素的抗氧化和抗炎特性及其調(diào)節(jié)線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的功能，褪黑素有望成為治療DR的有效藥物。