基于視網(wǎng)膜神經(jīng)血管單元損傷及其耦聯(lián)失衡防治糖尿病視網(wǎng)膜病變的研究進(jìn)展

李寶花，郭超紅，郭承偉

0引言

糖尿病視網(wǎng)膜病變(diabetic retinopathy，DR)是最常見的糖尿病并發(fā)癥之一，2017年全球有4.25億人(年齡20～79歲)患有糖尿病，到2045年，這一數(shù)字預(yù)計將上升到6.29億，與之相應(yīng)的是DR發(fā)生率的逐年升高[1]。明確DR的發(fā)病機(jī)制，對于DR的防治顯得尤為重要。常規(guī)臨床評估顯示出血、滲出、棉絮斑和新生血管等典型的微血管損傷作為DR的主要病理特征，一直是研究者最為關(guān)注的熱點，然而隨著研究的不斷進(jìn)展，對DR的認(rèn)識已從單純的微血管損傷轉(zhuǎn)向神經(jīng)-膠質(zhì)-血管單元(neuro-glia-vascular unit，NVU)概念及其耦聯(lián)機(jī)制(coupling)[2]，即在高血糖病理條件下，神經(jīng)性損傷可能是起源，其次是血管病變、血流變化和基質(zhì)分子分泌的改變[3-5]。本文總結(jié)近10a來有關(guān)神經(jīng)血管單元損傷與DR發(fā)病相關(guān)的研究，探討神經(jīng)血管單元損傷及其耦聯(lián)失衡在DR發(fā)病中的關(guān)鍵病理作用，為DR的早期治療及預(yù)防提供參考價值。

1視網(wǎng)膜NVU的結(jié)構(gòu)組成及功能

NVU最初應(yīng)用于研究血-腦屏障(blood-brain barrier，BBB)破壞的一些疾病，如中風(fēng)、腦梗塞及阿爾茲海默癥等[6]，在維持腦內(nèi)、外微環(huán)境的平衡中起著關(guān)鍵作用[7]，后來被引入視網(wǎng)膜疾病的一些研究。它是指神經(jīng)元、膠質(zhì)細(xì)胞和高度分化的中樞神經(jīng)系統(tǒng)、血管系統(tǒng)之間的功能耦合和相互依賴[8]。NVU的幾種細(xì)胞類型之間不是孤立的，而是一系列事件相互影響的結(jié)果，神經(jīng)元就像這一系列事件發(fā)生的“起搏器”，當(dāng)神經(jīng)元接受到外界環(huán)境的細(xì)微變化(如血糖升高、炎癥等)時，與相鄰的星形膠質(zhì)細(xì)胞建立突觸聯(lián)系，星形膠質(zhì)細(xì)胞的端足與血管的平滑肌細(xì)胞或周細(xì)胞有廣泛的接觸面，如此通過神經(jīng)遞質(zhì)發(fā)送相關(guān)的氧化需求和命令，與血管通信，控制血管張力，導(dǎo)致血管收縮或血管舒張，從而影響周圍區(qū)域的血液供應(yīng)[9-10]。另外內(nèi)皮細(xì)胞又為神經(jīng)元、膠質(zhì)細(xì)胞的正常工作提供足夠的氧氣和葡萄糖，同時限制其他的分子流量，以保護(hù)NVU耦聯(lián)機(jī)制[11]。

2神經(jīng)血管單元維持血-視網(wǎng)膜屏障的完整性

在20世紀(jì)，首次提出BBB來解釋某些藥物不能治療腦部疾病的原因[12-13]。BBB作為一個更高的選擇性屏障，保護(hù)和分離中樞神經(jīng)系統(tǒng)免受毒性、破壞性的血源性化合物等的侵害，保護(hù)神經(jīng)突觸的信號傳遞，允許必需的分子進(jìn)入，清除大分子和腦代謝產(chǎn)物，維持腦微環(huán)境的平衡[14]。以前認(rèn)為BBB的概念是大腦的純內(nèi)皮質(zhì)屏障，是由緊密連接和黏附連接組成的物理屏障[15]，但是現(xiàn)在BBB更多的被認(rèn)為是“神經(jīng)膠質(zhì)血管單位”[16]。從解剖及生理的角度看，眼睛被認(rèn)為是大腦的延伸，血-視網(wǎng)膜屏障(blood-retinal barrier，BRB)作為一個動態(tài)復(fù)雜的界面，控制體循環(huán)與視網(wǎng)膜環(huán)境之間的物質(zhì)交換，調(diào)節(jié)著眼血管床和視網(wǎng)膜組織之間的液體和分子運動，防止大分子和其他潛在有害物質(zhì)泄漏到視網(wǎng)膜，保持眼球的微環(huán)境。

BRB可分為外血-視網(wǎng)膜屏障(outer blood-retina barrier,oBRB)和內(nèi)血-視網(wǎng)膜屏障(inner blood-retina barrier,iBRB)兩部分，其中oBRB由視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞及其連接構(gòu)成，iBRB由視網(wǎng)膜血管內(nèi)皮細(xì)胞及其連接、基底膜、周細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞的突起共同構(gòu)成[17]。內(nèi)皮細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞和視網(wǎng)膜神經(jīng)元之間的信號通路和細(xì)胞反應(yīng)的整合，是確保眼球結(jié)構(gòu)和功能正常的必要條件。因此BRB可以被認(rèn)為是NVU的解剖中心成分，而BRB的功能正常發(fā)揮又依賴于NVU的內(nèi)部協(xié)調(diào)。

3視網(wǎng)膜NVU在DR發(fā)病中的關(guān)鍵作用

在DR發(fā)病中，視網(wǎng)膜神經(jīng)退行性病變先于臨床可檢測到的微血管損傷[18]。雖然脈絡(luò)膜毛細(xì)血管受到交感神經(jīng)自主支配，但是視網(wǎng)膜內(nèi)部的血管系統(tǒng)會根據(jù)神經(jīng)元的代謝需求進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，確保視網(wǎng)膜血流量恒定，以輸送氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)，并且支配視網(wǎng)膜特定區(qū)域的活動，完成神經(jīng)血管耦合[19]。在體內(nèi)高血糖環(huán)境下，腦部神經(jīng)系統(tǒng)受到刺激，視網(wǎng)膜NVU系統(tǒng)基質(zhì)分子分泌改變，神經(jīng)-血管耦聯(lián)失衡，最終導(dǎo)致血管病變及血流改變，膠質(zhì)細(xì)胞信號募集激活，反向?qū)е律窠?jīng)元損傷和突觸功能障礙，至此眼部組織生理障礙、代謝障礙、免疫障礙和運輸障礙相繼而生。下面就視網(wǎng)膜NVU各組成部分在整個耦聯(lián)機(jī)制中的作用作一一論述，以闡明每一部分在DR發(fā)病中的關(guān)鍵性。

3.1視網(wǎng)膜神經(jīng)元視網(wǎng)膜神經(jīng)元包括光感受器、水平細(xì)胞、雙極細(xì)胞、無長突細(xì)胞和神經(jīng)節(jié)細(xì)胞。實驗證明，視網(wǎng)膜內(nèi)神經(jīng)元是將淺層血管引導(dǎo)到深層的關(guān)鍵，對視網(wǎng)膜深部血管叢的形成至關(guān)重要[20]。比如在視網(wǎng)膜中，神經(jīng)細(xì)胞和膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)，并促進(jìn)視網(wǎng)膜血管系統(tǒng)的發(fā)育[21]。研究顯示，在視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞(retinal ganglion cells，RGC)缺陷小鼠中，內(nèi)皮細(xì)胞未能從視盤遷移到視網(wǎng)膜[22]；無長突細(xì)胞和水平細(xì)胞中VEGF的缺失或這些細(xì)胞的功能受損，阻礙了中間血管網(wǎng)絡(luò)的發(fā)育[23]。視網(wǎng)膜神經(jīng)元是整個視網(wǎng)膜發(fā)育健全的重要發(fā)起者，高糖環(huán)境刺激神經(jīng)元的分子分泌及信號傳遞異常，最終會導(dǎo)致DR。

3.2膠質(zhì)細(xì)胞NVU的膠質(zhì)成分包括大膠質(zhì)細(xì)胞(星形膠質(zhì)細(xì)胞和Müller細(xì)胞)、小膠質(zhì)細(xì)胞和少突膠質(zhì)細(xì)胞，它們圍繞在神經(jīng)元周圍，形成了視網(wǎng)膜神經(jīng)元主要的防御和穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。膠質(zhì)細(xì)胞是神經(jīng)元和血管系統(tǒng)之間的界面，也是他們之間功能的關(guān)鍵調(diào)節(jié)器[24]。Müller細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞不僅提供結(jié)構(gòu)支持，還參與新陳代謝、吞噬神經(jīng)元碎片、釋放某些遞質(zhì)和營養(yǎng)因子以及K+攝取[25]。下面重點論述一下大膠質(zhì)細(xì)胞在視網(wǎng)膜NVU中的關(guān)鍵作用。

3.2.1星形膠質(zhì)細(xì)胞星形膠質(zhì)細(xì)胞負(fù)責(zé)淺層視網(wǎng)膜血管系統(tǒng)發(fā)育，實驗表明，星形膠質(zhì)細(xì)胞中VEGF的缺失完全阻止了淺層血管網(wǎng)的形成[26]；并且星形膠質(zhì)細(xì)胞是NVU各成分之間的信號傳遞的關(guān)鍵，正常情況下，星形膠質(zhì)細(xì)胞端足與毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞基底膜及周細(xì)胞緊密貼壁，使得局部神經(jīng)細(xì)胞與血管壁細(xì)胞構(gòu)建連接，然而，在糖尿病環(huán)境下，星形膠質(zhì)細(xì)胞足突在與神經(jīng)元和毛細(xì)血管接觸部位收縮、分離，使得視網(wǎng)膜NVU之間失去聯(lián)系，導(dǎo)致視網(wǎng)膜生理功能障礙。

3.2.2Müller細(xì)胞Müller細(xì)胞是唯一一種橫跨整個視網(wǎng)膜寬度的細(xì)胞，位于內(nèi)界膜和外界膜之間，并且?guī)缀跖c視網(wǎng)膜中的每一種細(xì)胞類型都有接觸，它利用自身獨特的位置優(yōu)勢執(zhí)行著視網(wǎng)膜穩(wěn)態(tài)所必需的各種功能，如儲存糖原轉(zhuǎn)化為乳酸、促使視黃醇合成視黃酸、調(diào)節(jié)細(xì)胞外離子濃度來調(diào)節(jié)質(zhì)膜極化/去極化、維持細(xì)胞外pH值、參與神經(jīng)元谷氨酸/谷氨酰胺循環(huán)來控制神經(jīng)傳遞、回收遞質(zhì)和運輸代謝物、保護(hù)神經(jīng)元免受谷氨酸興奮性毒性等等[27-30]。Müller細(xì)胞在幾乎所有致病因素的刺激下都能被激活。

綜上可見，大膠質(zhì)細(xì)胞支持光感受器和神經(jīng)元的功能和代謝，并在神經(jīng)元和微血管之間構(gòu)成解剖和功能聯(lián)系，大多數(shù)營養(yǎng)物質(zhì)、廢物、離子、水和其他分子通過大膠質(zhì)細(xì)胞在血管和神經(jīng)元之間傳遞，它們的功能失衡在啟動炎癥及凋亡等過程中發(fā)揮了重要作用。而小膠質(zhì)細(xì)胞是高度特化的吞噬細(xì)胞，不斷監(jiān)測局部突觸活動，清除死亡細(xì)胞和代謝碎片[31]。在DR等慢性視網(wǎng)膜疾病中，它們會分泌大量促炎細(xì)胞因子，影響NVU的正常功能[32-33]。

3.3視網(wǎng)膜微血管內(nèi)皮細(xì)胞、周細(xì)胞和少量的星形膠質(zhì)細(xì)胞(通過它們的端足)聚集在一起，形成視網(wǎng)膜的微血管。NVU的自動調(diào)節(jié)，決定了血管的充血及其腔內(nèi)直徑的變化，血管擴(kuò)張和血管狹窄，血管主要成分的兩種細(xì)胞又有其不可替代的自身價值。

3.3.1內(nèi)皮細(xì)胞越來越多的證據(jù)支持內(nèi)皮細(xì)胞代謝在血管生成中起關(guān)鍵作用。內(nèi)皮細(xì)胞的增殖和遷移依賴于糖酵解的能量，糖酵解是內(nèi)皮細(xì)胞產(chǎn)生ATP的主要來源，在此基礎(chǔ)上，內(nèi)皮細(xì)胞調(diào)節(jié)著血管收縮和舒張、中樞神經(jīng)系統(tǒng)與外周的物質(zhì)交換、抗凝和血管生成等[34]。

3.3.2周細(xì)胞周細(xì)胞具有高度可塑性和再生潛能，是一種多功能細(xì)胞，是視網(wǎng)膜NVU的關(guān)鍵細(xì)胞成分，有助于BRB的形成和維持。周細(xì)胞在視網(wǎng)膜類似于腦組織中，可重新編程成神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞[35-37]。周細(xì)胞可以說是NVU的中心，周細(xì)胞的退化不可避免地導(dǎo)致神經(jīng)血管解耦。

微血管的形成、成熟和穩(wěn)定需要周細(xì)胞-內(nèi)皮細(xì)胞之間的相互作用，周細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞的緊密結(jié)合促進(jìn)了它們的直接接觸[38]。視網(wǎng)膜微血管系統(tǒng)通過向視網(wǎng)膜組織提供營養(yǎng)和氧氣，并將廢物排出組織來支持神經(jīng)視網(wǎng)膜的視覺功能。這滿足了視網(wǎng)膜這一個代謝活躍的神經(jīng)血管組織高水平耗氧需求[39]。

由此可見，膠質(zhì)、神經(jīng)和微血管功能障礙是相互影響的，糖尿病破壞了NVU的所有組成部分，高糖環(huán)境可出現(xiàn)特征性神經(jīng)病變，產(chǎn)生多種代謝產(chǎn)物，誘導(dǎo)神經(jīng)元死亡及膠質(zhì)異常應(yīng)答，致使神經(jīng)-血管耦合受損，最終誘發(fā)視網(wǎng)膜血管損傷，血管舒縮功能及血管通透性異常；視網(wǎng)膜血管的異常，又進(jìn)一步影響了神經(jīng)細(xì)胞的生長、代謝及功能，如此則形成了惡性循環(huán)。因此，NVU能夠更加科學(xué)、全面闡明DR的內(nèi)在機(jī)制，視網(wǎng)膜的功能依賴于構(gòu)成這個器官的復(fù)雜細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)之間的通信。

4視網(wǎng)膜NVU損傷導(dǎo)致DR發(fā)病的潛在分子機(jī)制

以上所述的神經(jīng)膠質(zhì)傳導(dǎo)引起的視網(wǎng)膜血管損傷，以及視網(wǎng)膜血管的異常反向誘導(dǎo)神經(jīng)細(xì)胞的生長、代謝及功能，這種惡性循環(huán)是建立在宏觀基礎(chǔ)上的認(rèn)識，而該過程中各種潛在的生長因子和細(xì)胞因子通過多種信號途徑在誘導(dǎo)視網(wǎng)膜NVU損傷。導(dǎo)致NVU破壞的分子包括VEGF、缺氧誘導(dǎo)因子(hypoxia inducible factor，HIF)、胎盤生長因子(placental growth factor，PlGF)、血小板衍生生長因子(platelet-derived growth factor，PDGF)、胰島素樣生長因子(insulin-like growth factor，IGF)和黏附分子、成纖維細(xì)胞生長因子(fibroblast growth factor，F(xiàn)GF)以及炎癥因子等。VEGF主要通過腎素-血管緊張素系統(tǒng)、磷脂酰肌醇3激酶(phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K)/Akt進(jìn)行介導(dǎo)[40]。PlGF是VEGF家族的成員，與VEGF和神經(jīng)纖毛蛋白受體亞型結(jié)合后，調(diào)節(jié)一系列不同于VEGF的神經(jīng)、膠質(zhì)和血管細(xì)胞反應(yīng)，PlGF表達(dá)選擇性地與病理性血管生成和炎癥相關(guān)[41]。PDGF是創(chuàng)傷愈合中的一個關(guān)鍵因素，是第一個經(jīng)證明可用于局部應(yīng)用以加速傷口愈合的重組生長因子，其影響不可低估[42]。IGF主要通過Ras-MAP激酶途徑的異常激活，導(dǎo)致細(xì)胞功能失調(diào)，細(xì)胞間接觸異常，細(xì)胞連接蛋白減少，以及毛細(xì)血管滲漏[43]。慢性高血糖導(dǎo)致視網(wǎng)膜組織發(fā)生一系列病理變化，進(jìn)而視網(wǎng)膜組織缺血缺氧，HIF表達(dá)異常，并發(fā)展為DR[44]。在高血糖患者中，e-選擇素和細(xì)胞間黏附分子的濃度隨著HbA1c的升高而升高，并且與視網(wǎng)膜微血管損傷密切相關(guān)[45]。DR應(yīng)激狀態(tài)下激活TLR、NF-κB等信號通路，引起視網(wǎng)膜的炎癥反應(yīng)，誘導(dǎo)TNF-α、IL-6、IL-1β等炎癥因子的高表達(dá)，這些炎癥介質(zhì)的累積被認(rèn)為是導(dǎo)致視網(wǎng)膜NVU早期損傷的原因之一[46]。

5基于視網(wǎng)膜NVU的修復(fù)治療DR

DR患者視網(wǎng)膜的損傷在傳統(tǒng)認(rèn)知里主要是關(guān)注于視網(wǎng)膜微血管損傷，因此大多數(shù)的治療策略僅側(cè)重于視網(wǎng)膜微血管的修復(fù)，新興的NVU概念強(qiáng)調(diào)視網(wǎng)膜中不同類型細(xì)胞之間的耦合，對以微血管為中心的概念進(jìn)行了補(bǔ)充和修正[47]。雖然DR在各個階段的進(jìn)展是通過病理學(xué)特征的積累來描述的，但進(jìn)展也可以被認(rèn)為是沿著神經(jīng)血管單位解體的連續(xù)統(tǒng)一體進(jìn)行的演變，因而修復(fù)也是關(guān)注于統(tǒng)一體的協(xié)調(diào)。Galan 等[48]在小鼠結(jié)膜下注射p75NTR拮抗劑，阻斷proNGF/p75NTR信號軸發(fā)現(xiàn)可以降低視網(wǎng)膜炎癥、水腫、神經(jīng)元死亡，并對視網(wǎng)膜NVU有長期保護(hù)作用。Barcelona 等[49]在鏈脲佐菌素誘導(dǎo)DR的小鼠模型中，發(fā)現(xiàn)p75NTR在發(fā)病早期的膠質(zhì)細(xì)胞和周細(xì)胞中上調(diào)，介導(dǎo)細(xì)胞炎癥，神經(jīng)膠質(zhì)-血管單位及血視網(wǎng)膜屏障的破壞、水腫和神經(jīng)元死亡，并且使用p75NTR拮抗劑或配體proNGF拮抗劑可以抑制不同的病理階段，改善視網(wǎng)膜NVU，防止疾病進(jìn)展。目前DR治療著眼于神經(jīng)血管單元的修復(fù)的實驗研究比較少，期待更多的研究來拓展視網(wǎng)膜NVU的修復(fù)這一方向。

6小結(jié)

DR目前的治療取得了突破性的進(jìn)展，如激光光凝、抗VEGF[50]和玻璃體腔內(nèi)注射類固醇等[51]。然而，這些治療都是針對中、晚期并發(fā)癥或者解剖相關(guān)，此時視力已經(jīng)明顯受到了影響[52]。因此，需要再更加明確該病的病理基礎(chǔ)，以采取更新的、更有效的措施對疾病早期進(jìn)行干預(yù)，以期減少DR的發(fā)病，甚至對其它視網(wǎng)膜眼病的治療帶來革命性的進(jìn)展。目前的證據(jù)支持，神經(jīng)退行性變是DR的早期事件，NVU損傷及其耦聯(lián)機(jī)制失衡是DR發(fā)病的病理基礎(chǔ)。內(nèi)皮細(xì)胞、膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元界面的信號傳導(dǎo)在時間和空間上具體是如何整合的，以促進(jìn)眼球的正常發(fā)育，這方面的研究仍未得到很大程度的探索[53]。

我們對視網(wǎng)膜神經(jīng)退行性變和微血管疾病相關(guān)的細(xì)胞和分子機(jī)制的了解有限，雖然VEGF、HIF、PlGF、PDGF、IGF和E-選擇素、FGF以及炎癥因子等可能是導(dǎo)致NVU破壞的分子機(jī)制，改變的PI3K/Akt、TLR、proNGF/p75NTR等信號通路和病理條件如何導(dǎo)致血管異常和疾病表型尚不完全清楚，因此需要更深層次的研究來證明NVU與DR發(fā)病的分子、細(xì)胞代謝動力關(guān)系。探討糖尿病對視網(wǎng)膜NVU損傷的特異性機(jī)制以及通過NVU損傷引起的神經(jīng)退行性變，可以更全面地了解DR發(fā)病的機(jī)制，有助于找到有效的預(yù)防和治療方法，延緩甚至避免DR的發(fā)生。