糖尿病性角膜病變的研究進(jìn)展

譚思文，梁榮斌 綜述 邵毅 審校

(南昌大學(xué)第一附屬醫(yī)院眼科，南昌 330006)

糖尿病(diabetes mellitus，DM)是當(dāng)前嚴(yán)重威脅人類健康的世界性公共衛(wèi)生問題，是一種常見的代謝性疾病。由于生活方式的改變，熱量攝入增加，導(dǎo)致肥胖的發(fā)生。DM的發(fā)病率一直呈上升趨勢。目前，全世界有4.15億成年人被診斷為DM，預(yù)計(jì)到2040年，將有超過6.4億人將罹患DM。

糖尿病性角膜病變(diabetic keratopathy，DK)是DM患者中常見但常被忽視的眼部并發(fā)癥，是一種潛在的視力威脅性疾病。DK的臨床表現(xiàn)取決于疾病的嚴(yán)重程度，包括持續(xù)性角膜上皮糜爛、淺點(diǎn)狀角膜病變、上皮再生延遲和角膜敏感性降低，可導(dǎo)致視力下降或永久性視力喪失。臨床上47%～64%的DM患者會(huì)出現(xiàn)DK，但大部分未能被及時(shí)診斷。同時(shí)，由于臨床研究數(shù)量有限，很難完全了解DK的病理生物學(xué)，且目前尚無有效的治療方法[1]。本文就DM的生物學(xué)特征、DM的病理生理學(xué)、其對角膜的影響、病理生理學(xué)以及DK的現(xiàn)行及未來可能用于臨床的治療策略進(jìn)行綜述。

1 DM 的生物學(xué)特征

DM是一種由自身免疫性胰島素耗竭或獲得性胰島素抵抗引起的疾病，可分為T1DM和T2DM兩種類型。由于持續(xù)的高血糖水平會(huì)引起廣泛的血管損傷，影響心臟、眼睛、腎和神經(jīng)的功能，T1DM和T2DM 晚期均可導(dǎo)致多種并發(fā)癥的發(fā)生[2]。研究[3]表明：長期高血糖癥產(chǎn)生的晚期糖基化終末產(chǎn)物(advanced glycation end products，AGEs)是引起DM慢性并發(fā)癥的重要因素之一，它集中存在于富含層粘連蛋白的上皮基底膜，參與DM高血糖記憶效應(yīng)的發(fā)生并能改變機(jī)體的糖脂代謝情況；同時(shí)，它可與糖基化終末產(chǎn)物受體(receptor of advanced glycation end products，RAGE)結(jié)合，啟動(dòng)細(xì)胞活性氧(reactive oxygen species，ROS)生成、造成炎癥反應(yīng)、細(xì)胞凋亡，引起組織生物力學(xué)改變，使組織黏彈性降低、膠原纖維滑移、上皮細(xì)胞附著減少，增加基質(zhì)脆性和膠原纖維敏感性，因而促進(jìn)DK的發(fā)生及發(fā)展[4]。

2 DM 的病理生理學(xué)

美國DM 協(xié)會(huì)定義的DM 診斷標(biāo)準(zhǔn)如下[5]：1)空腹血糖水平＞126 mg/dL(7 mmol/L)；2) 2 h血漿胰島素激發(fā)后的血糖水平：75 g＞200 mg/dL (7 mmol/L)；3)葡萄糖化血紅蛋白(HbA1C)＞6.5% (48 mmol/L)；4)隨機(jī)血糖水平＞200 mg/dL (11.1 mmol/L)。這些指標(biāo)因種族差異而不同，在剔除年齡、性別和BMI等無關(guān)因素后，糖耐量較低的亞洲人較白種人HbA1C水平更高。

在疾病發(fā)展方面，由于細(xì)胞從循環(huán)中攝取的葡萄糖減少，T1DM和T2DM均可導(dǎo)致高血糖。而T2DM導(dǎo)致?lián)p傷的潛在機(jī)制則歸因于“慢性燃料過剩”，主要表現(xiàn)為高糖對細(xì)胞的毒性、脂代謝異常、胰島素抵抗以及胰腺β細(xì)胞損傷等，引發(fā)全身性炎癥反應(yīng)。DM患者常表現(xiàn)出胰腺、肝和脂肪組織等多器官功能障礙[6]。另外，長期高血糖會(huì)促進(jìn)高表達(dá)蛋白質(zhì)(如膠原蛋白、層粘連蛋白和硫酸乙酰肝素蛋白多糖)生成AGEs，導(dǎo)致與血管阻塞和內(nèi)皮損傷相關(guān)的病理學(xué)疾病。DM的發(fā)展也與可遺傳因素有關(guān)，包括與β細(xì)胞功能和代謝有關(guān)的關(guān)鍵基因，如轉(zhuǎn)錄因子TCFL2以及與脂肪團(tuán)和肥胖相關(guān)的蛋白(fat and obesity associated，F(xiàn)TO)[7]。

3 DM 對角膜的影響及其病理生理學(xué)

DM對角膜的形態(tài)、生理、代謝和臨床等方面都有重大影響[8]。高血糖對人體所有細(xì)胞幾乎都有毒性作用，當(dāng)主要膠原亞型(如I型、III型和V型膠原)或蛋白多糖(如角蛋白聚糖、基膜聚糖或核心蛋白聚糖)表達(dá)異常時(shí)，它會(huì)影響膠原蛋白纖維之間形成交聯(lián)的數(shù)量，改變角膜內(nèi)原纖維的直徑和構(gòu)造，進(jìn)而影響組織的生物力學(xué)性能，造成視力障礙。而當(dāng)DM患者出現(xiàn)角膜細(xì)胞功能障礙和修復(fù)機(jī)制紊亂時(shí)，表現(xiàn)為角膜組織復(fù)發(fā)性糜爛、傷口愈合延遲、潰瘍和水腫。在高血糖狀態(tài)下，角膜結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生不同的病理改變[9]，如持續(xù)性上皮缺損和干眼、復(fù)發(fā)性角膜糜爛[10]和細(xì)菌感染及基底膜退化等[11]。

首先，DM會(huì)導(dǎo)致角膜上皮功能障礙，如出現(xiàn)淺表穿刺性角膜炎和上皮糜爛，角膜上皮異常是DM最常見的并發(fā)癥之一。角膜上皮基底細(xì)胞(corneal epithelial basal cells，CEBC)來源于角膜緣干細(xì)胞，在基底膜的形成中起重要作用。Chang等[12]發(fā)現(xiàn)，DM患者CEBC密度降低、細(xì)胞大小變異性增加和細(xì)胞內(nèi)空間變寬。角膜神經(jīng)纖維釋放多種神經(jīng)肽以維持角膜上皮的穩(wěn)態(tài)，而神經(jīng)營養(yǎng)因子作為關(guān)鍵的調(diào)節(jié)分子，在DK中發(fā)揮重要作用[13]。神經(jīng)支配的改變可能是DM患者CEBC密度降低的主要原因。

角膜是機(jī)體神經(jīng)末梢分布最廣的器官之一，DM對基底下神經(jīng)群的影響可能是DM對角膜組織產(chǎn)生病理影響的另一主要原因。角膜神經(jīng)纖維的功能之一是維持健康的角膜和促進(jìn)眼外傷后的傷口愈合[14]，角膜神經(jīng)的缺失會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)營養(yǎng)因子供應(yīng)減少，愈合時(shí)間延長。因此，角膜神經(jīng)支配受損的患者，例如皰疹性角膜炎、糖尿病和屈光手術(shù)后，由于營養(yǎng)支持減少，角膜損傷的風(fēng)險(xiǎn)增加[15]。另外，DM還能改變角膜感覺神經(jīng)形態(tài)，如使三叉神經(jīng)纖維密度下降，分支減少[16]。而角膜神經(jīng)受損可導(dǎo)致角膜敏感性減弱、干眼、神經(jīng)營養(yǎng)性角膜炎甚至失明[17]。

Taylor和Kimsey[18]報(bào)道DM患者角膜基底膜較正常更厚。這一病理變化目前可歸因?yàn)榛啄ごx異常。眾所周知，AGEs在DK中起重要作用。Ishida等[19]檢測到DM患者與健康人相比角膜自體熒光增強(qiáng)。角膜自體熒光與DM角膜中AGEs的沉積相關(guān)。同時(shí)，在DM大鼠的角膜上皮和上皮基底膜部位也檢測到AGEs的累積[20]。AGEs可通過激活c-Jun N末端激酶和p38絲裂原活化蛋白激酶途徑以及產(chǎn)生ROS，誘導(dǎo)人角膜上皮細(xì)胞凋亡[21]。此外，DM中角膜神經(jīng)的喪失導(dǎo)致神經(jīng)營養(yǎng)支持減少，導(dǎo)致上皮細(xì)胞的加速喪失和增殖減少、異?；啄さ漠a(chǎn)生和上皮細(xì)胞與異?；啄さ酿じ讲蛔鉡22]。

DM也可引起角膜基質(zhì)的改變，角膜基質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能改變，使角膜透明度喪失，威脅患者的視力[23]。透射電鏡顯示DM角膜前基質(zhì)的組織結(jié)構(gòu)不同：在DM角膜的中心，雖然膠原層的結(jié)構(gòu)與正常角膜中相似，但基底上皮層比正常角膜更厚。在外周角膜中，前部上皮基底層中出現(xiàn)異常的瓷磚狀膠原纖維。同時(shí)，在角膜基質(zhì)中還檢測到AGE免疫反應(yīng)，這都有可能導(dǎo)致膠原交聯(lián)和基質(zhì)異常。AGEs的增加導(dǎo)致膠原分子和蛋白聚糖之間的非酶交聯(lián)，使角膜基質(zhì)的超微結(jié)構(gòu)變化，從而導(dǎo)致角膜硬化和增厚[24]。

DM對角膜內(nèi)皮也有影響。Liaboe等[25]發(fā)現(xiàn)DM患者的平均ECD顯著降低，而DM角膜的細(xì)胞面積變異系數(shù)較高[26]。此外，DM患者眼睛中多形性內(nèi)皮細(xì)胞數(shù)量顯著增加。內(nèi)皮細(xì)胞含有許多免疫和炎癥因子，如血管內(nèi)皮生長因子、腫瘤壞死因子-α、白細(xì)胞介素(IL)和基質(zhì)金屬蛋白酶。這些因素也損傷角膜內(nèi)皮，導(dǎo)致內(nèi)皮功能和形態(tài)的改變，以及分子水平的改變[27]。

4 DK 的現(xiàn)行及未來可能用于臨床的治療策略

4.1 DK 的現(xiàn)行治療策略

DM現(xiàn)行的治療方式主要是控制機(jī)體血糖水平，改變生活方式(如飲食和運(yùn)動(dòng))及藥物干預(yù)(如使用胰島素、α-葡萄糖苷酶抑制劑和雙胍類等降糖藥物)；而DK的治療也同樣集中于控制血糖水平的支持性療法，主要是預(yù)防感染和提供有利于愈合的最佳環(huán)境。

DK局部治療的目的是維持光滑濕潤的眼表、保持完整的上皮，最大限度地減少視覺損失并提高舒適度。具體的治療方法取決于病情的嚴(yán)重程度及所涉及的具體結(jié)構(gòu)。這些主流治療方法主要包括局部滴用人工淚液、使用角膜繃帶鏡及局部使用抗炎藥物，如非甾體類抗炎藥、類固醇和環(huán)孢菌素A等，以減輕眼表炎癥、保護(hù)角膜上皮細(xì)胞，促進(jìn)角膜上皮生長。但這些現(xiàn)有的治療方法對于角膜組織損傷的修復(fù)能力有限。近年來，一批新興的治療方法涌現(xiàn)，未來有望應(yīng)用于臨床。

4.2 DK 未來可能用于臨床的治療策略

4.2.1 神經(jīng)生長因子局部滴眼治療

神經(jīng)生長因子(nerve growth factor，NGF)是調(diào)節(jié)發(fā)育中的神經(jīng)元生長分化的分子，參與神經(jīng)元的維護(hù)和生長，從而控制維持角膜上皮細(xì)胞的正常和更新[28]。膠質(zhì)細(xì)胞源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(glial cell line-derived neurotrophic factor，GDNF)和睫狀神經(jīng)營養(yǎng)因子(ciliary neurotrophic factor，CNTF)等因子通過在角膜上皮中的受體刺激角膜上皮細(xì)胞增殖和遷移，以增強(qiáng)其免疫保護(hù)功能[29]。其中NGF和GDNF來源于角膜上皮細(xì)胞，存在于角膜、結(jié)膜、淚液和淚腺中[30]，參與角膜神經(jīng)再生，可因高血糖受損[31]。體外研究結(jié)果表明：角膜上皮細(xì)胞和神經(jīng)元之間存在營養(yǎng)支持，如三叉神經(jīng)神經(jīng)元釋放神經(jīng)遞質(zhì)和神經(jīng)因子，以促進(jìn)角膜上皮細(xì)胞的生長、增殖、分化和VII型膠原的產(chǎn)生[32]；基質(zhì)角膜細(xì)胞也產(chǎn)生神經(jīng)營養(yǎng)素，如神經(jīng)營養(yǎng)素3和4[33]。目前的研究[34]表明：局部應(yīng)用NGF可通過促進(jìn)ROS的形成反轉(zhuǎn)糖尿病模型中角膜的凋亡和炎癥，小鼠NGF也已成功用于加速角膜傷口愈合。因此，NGF可作為促進(jìn)角膜傷口愈合的有潛力的治療劑。但是，因?yàn)榕cNGF臨床療效相關(guān)的大多數(shù)實(shí)驗(yàn)證據(jù)都是通過小鼠實(shí)驗(yàn)獲得的，所以結(jié)論具有一定的局限性。如重組人神經(jīng)生長因子(recombinant human nerve growth factor，rhNGF)在人類周圍神經(jīng)病變中的作用與小鼠NGF的作用并不可比[35]。同時(shí)，由于其目前的成本高昂，無法大規(guī)模用于臨床治療。

4.2.2 局部胰島素療法

胰島素較神經(jīng)生長因子價(jià)格更廉價(jià)安全，又能更好地被眼組織耐受[36]，是一種更經(jīng)濟(jì)、更成熟的替代品。對DM患者全身或局部使用胰島素均可促進(jìn)皮膚傷口愈合[37]。在眼部應(yīng)用方面，胰島素也被認(rèn)為對DK有類似的積極治療作用：在一項(xiàng)針對32例DM患者的小型人體臨床試驗(yàn)中，與安慰劑治療的對照組相比，術(shù)后1個(gè)月局部胰島素治療組預(yù)后良好，上皮缺損減少，角膜上皮的恢復(fù)也有顯著改善[38]。類似地，胰島素樣生長因子1(insulin like growth factor-1，IGF-1)能促進(jìn)細(xì)胞增殖，局部給II型DM小鼠服用后，與對照組相比角膜基底下神經(jīng)密度有所改善[39]。這些研究支持了降低細(xì)胞外葡萄糖水平對促進(jìn)角膜傷口修復(fù)至關(guān)重要這一假說。

但值得注意的是，胰島素或IGF-1治療的療效取決于DM的嚴(yán)重程度，在正常角膜中使用胰島素并不會(huì)加速傷口愈合。雖然實(shí)驗(yàn)證明胰島素能促進(jìn)角膜上皮傷口愈合，但目前其具體機(jī)制尚未明確。另一方面，當(dāng)胰島素濃度＞10 ng/mL時(shí)會(huì)激活低親和力受體(如IGF-1R)，因此長期局部球后注射胰島素可能會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的不良并發(fā)癥[40]，限制了局部胰島素療法在DK患者中的應(yīng)用，因此，在胰島素或IGF-1局部治療法被廣泛推廣前需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究以及更多的數(shù)據(jù)支持。

4.2.3 小分子療法之納曲酮

靶向阿片樣物質(zhì)受體也能改善DM患者的傷口愈合情況，加速角膜移植。內(nèi)源性阿片物質(zhì)是類生長抑制因子，其通過抑制或減緩細(xì)胞DNA的合成，延緩角膜上皮的增殖和創(chuàng)傷愈合。靶向阿片樣物質(zhì)受體的作用機(jī)制是通過抑制阿片類生長因子受體，促進(jìn)成纖維細(xì)胞增殖，從而抑制醛糖還原酶的產(chǎn)生，減少其對上皮屏障的損害[41]。

納曲酮是一種長效阿片類拮抗劑，局部或口服給藥均被證明可加速角膜傷口愈合并恢復(fù)角膜敏感性，在多種動(dòng)物模型中也被證明是安全有效的[42]。同時(shí)，納曲酮可在體外逆轉(zhuǎn)人DM角膜和DM動(dòng)物模型的角膜病變。以上發(fā)現(xiàn)均表明：局部使用納曲酮作為DK的治療劑沒有不良反應(yīng)或較大的毒性，具有很大的應(yīng)用潛力。然而，為方便制備和管理，目前所有關(guān)于納曲酮的臨床研究均以溶液形式進(jìn)行。此時(shí)，藥物溶液的局部眼部給藥會(huì)被滯留的淚液迅速稀釋，并通過鼻淚管引流消除。同時(shí)，納曲酮的味道非?？唷Ｒ虼?，未來的研究應(yīng)側(cè)重于延長納曲酮在角膜前的停留時(shí)間，并盡量減少其通過鼻淚管的引流，以盡量減少苦味感，從而提高患者對該藥物的接受能力。

4.2.4 小分子療法之醛糖還原酶抑制劑

DM的并發(fā)癥還與通過山梨醇途徑增加的代謝流量有關(guān)，該過程的第一步需通過醛糖還原酶介導(dǎo)葡萄糖轉(zhuǎn)化為山梨醇。與山梨醇途徑在DM導(dǎo)致的角膜缺損中的作用一致，抑制醛糖還原酶對傷口的愈合有積極作用。在一組實(shí)驗(yàn)中，與未經(jīng)治療的半乳糖喂養(yǎng)的對照組相比，實(shí)驗(yàn)組在局部和口服醛糖還原酶抑制劑(aldose reductase inhibitors，ARI) 7個(gè)月后角膜敏感性仍保持不變[43]。

4.2.5 抗氧化劑

由于DM能導(dǎo)致炎癥的增加，抗氧化劑混合物在改變或抑制DM相關(guān)的病理學(xué)方面也具有靶向作用。角膜的生理結(jié)構(gòu)使其本身易受氧化損傷的影響，氧化和抗氧化劑水平失衡會(huì)導(dǎo)致mtDNA突變，突變隨著時(shí)間的推移不斷累積，一旦超過閾值，細(xì)胞將會(huì)產(chǎn)生能量障礙，出現(xiàn)疾病的臨床表型[44]?；谏鲜鰴C(jī)制，可以使用抗氧化劑治療某些角膜疾病，以減少角膜損傷。在清創(chuàng)術(shù)后7 d，對STZ誘導(dǎo)的DM小鼠納米膠束內(nèi)和鼻內(nèi)姜黃素給藥，與未經(jīng)治療的對照組相比，實(shí)驗(yàn)組角膜再上皮化和敏感性有明顯改善[45]。其他生長因子/抗氧化劑混合物也有過應(yīng)用。例如，局部應(yīng)用色素上皮衍生因子(pigment epithelium-derived factor，PEDF)和二十二碳六烯酸(docosahexaenoic acid，DHA)可改善STZ誘導(dǎo)的小鼠模型上皮清創(chuàng)術(shù)后12 d角膜的再上皮化、神經(jīng)纖維的保持和敏感性[46]。這些結(jié)果表明，以參與DM的下游效應(yīng)器為目標(biāo)可能有助于預(yù)防或延緩DM相關(guān)的病理。

4.2.6 基因治療

除現(xiàn)有的傳統(tǒng)方法外，新的治療手段，如靶向份子治療、基因和干細(xì)胞療法都很有希望，但這些領(lǐng)域已發(fā)表的成果大多數(shù)仍局限于對動(dòng)物模型的評估，而尚未進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段，尚未轉(zhuǎn)化為常規(guī)療法。

隨著基因治療的迅速發(fā)展，目前已有很多新的方法用于修復(fù)DM角膜。當(dāng)前的研究中主要應(yīng)用病毒作為載體[47]。病毒可以有效地進(jìn)行基因傳遞，效率高、效果持久，但可能誘發(fā)免疫反應(yīng)、炎癥或不受控制地整合到宿主基因組中。雖然新重組腺病毒、腺相關(guān)病毒和慢病毒不會(huì)引起嚴(yán)重的免疫反應(yīng)，也不會(huì)轉(zhuǎn)染非分裂細(xì)胞，但安全問題(如對干細(xì)胞的毒性)和表達(dá)載體特異性缺乏等依然存在。miRNA是重要的轉(zhuǎn)錄后基因表達(dá)調(diào)控因子，可調(diào)控基因沉默，用于治療DM角膜傷口愈合延遲，但僅在器官培養(yǎng)中有過報(bào)道[48]。另一方面，由于大多數(shù)miRNA作用于多個(gè)靶點(diǎn)，并在不同的DM組織中表達(dá)的變化不同，因此，在治療中時(shí)應(yīng)先對傳遞途徑和生物分布等進(jìn)行徹底地論證?？傮w來說，基因治療是用于恢復(fù)異常DM角膜的很有前途的工具，應(yīng)進(jìn)一步發(fā)展為未來臨床所用。

5 結(jié)語

角膜的生理功能正常是獲取高質(zhì)量視覺圖像的前提。DK作為DM的慢性并發(fā)癥之一常造成患者視力下降，嚴(yán)重者甚至失明，但在臨床上，因其發(fā)生常伴有其他眼部疾病的發(fā)生而常被忽視。該領(lǐng)域已有大量相關(guān)研究，但目前仍缺乏有效的醫(yī)療手段，凸顯了該疾病的復(fù)雜性。機(jī)體的高血糖水平與DK密不可分，近年來的臨床研究主要是對DM的干預(yù)。本文綜述了DM的生物學(xué)及病理生理學(xué)特征和DM對角膜的影響，總結(jié)了DK現(xiàn)行的治療方式。局部滴用人工淚液、使用角膜繃帶鏡及局部使用抗炎藥物安全有效，同時(shí)已證明可以減輕角膜病變的癥狀，為目前DK臨床治療的主要療法，而涉及局部胰島素和阿片類拮抗劑納曲酮療法、基因、納米和細(xì)胞治療等新方法仍處于實(shí)驗(yàn)階段，未來需要進(jìn)一步大量的臨床實(shí)驗(yàn)來證實(shí)其療效及安全性。由于目前還沒有特效藥物，進(jìn)一步深入了解細(xì)胞水平上DK發(fā)展的病理生理學(xué)對開發(fā)能夠促進(jìn)角膜再上皮化以加速傷口愈合的潛在藥劑至關(guān)重要。隨著技術(shù)的融合及生物制劑作為治療手段的迅猛發(fā)展，未來有望在DK的治療上提供更多新的和更有效的治療選擇。此外，隨著血管生成、免疫學(xué)和內(nèi)分泌代謝領(lǐng)域的不斷發(fā)現(xiàn)，相信在不久的將來，將出現(xiàn)新的潛在的治療靶點(diǎn)，將會(huì)有更多新的治療DK的方法將應(yīng)用于臨床。

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