神經(jīng)血管單元與糖尿病視網(wǎng)膜病變

惠延年

0 神經(jīng)血管單元概念形成與腦相關(guān)研究

腦是身體最復(fù)雜的器官，需要通過血液供應(yīng)快速接收大量的氧和葡萄糖能量，但缺乏儲(chǔ)備能量的“蓄水池”。腦由起源于顱外、深入到腦內(nèi)的復(fù)雜血管網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)。血液循環(huán)需要在正確的時(shí)間和部位以合適的量到達(dá)腦的不同部分；只要缺血數(shù)分鐘，后果是災(zāi)難性的。長(zhǎng)期以來，腦和血管之間相互作用一直受到關(guān)注。在2001.07美國(guó)衛(wèi)生研究院神經(jīng)疾病和卒中研究所的第一次卒中進(jìn)展審查小組會(huì)議上，學(xué)者們提出了神經(jīng)血管單元(neurovascular unit,NVU)的概念，以強(qiáng)調(diào)腦細(xì)胞和腦血管之間在發(fā)育、結(jié)構(gòu)與功能上相互依賴的共生關(guān)系。這一概念為研究神經(jīng)元信號(hào)如何調(diào)節(jié)臨近的微血管以支持腦的代謝需求提供了有用的框架[1-2]。

NVU的概念旋即得到神經(jīng)科學(xué)界的廣泛接受，在腦功能及腦病研究的各方面占據(jù)了中心地位。研究發(fā)現(xiàn)，在神經(jīng)血管耦合中，神經(jīng)元通過產(chǎn)生信號(hào)直接或通過介入細(xì)胞作用于局部血管，啟動(dòng)血管反應(yīng)，調(diào)節(jié)腦血流。星形膠質(zhì)細(xì)胞的突觸和局部微血管關(guān)系密切，可將神經(jīng)活動(dòng)與微血管功能聯(lián)系起來影響腦血流。血管內(nèi)皮細(xì)胞在誘導(dǎo)的神經(jīng)血管信號(hào)逆行傳播中至關(guān)重要，通過對(duì)血管活性分子如一氧化氮(NO)、前列腺素、內(nèi)皮素等的反應(yīng)發(fā)揮調(diào)節(jié)血流的作用。NVU功能障礙會(huì)引起腦功能障礙，如NVU的改變引起缺氧和內(nèi)穩(wěn)態(tài)破壞，營(yíng)養(yǎng)因子生成減少，神經(jīng)元和膠質(zhì)的疾病易感性增加；一些分子的積累引起神經(jīng)變性和蛋白質(zhì)病[1-2]。腦NVU研究中的這些發(fā)現(xiàn)對(duì)視網(wǎng)膜病理生理學(xué)和疾病有重要的借鑒意義。

1 視網(wǎng)膜的神經(jīng)血管單元

視網(wǎng)膜血管與腦血管具有結(jié)構(gòu)和功能的相似性，都是復(fù)雜的多細(xì)胞單元。NVU概念在2007年被引入視網(wǎng)膜[3]。人視網(wǎng)膜由三層神經(jīng)細(xì)胞體組成，間隔著兩層神經(jīng)叢的突觸。視網(wǎng)膜具有異常高的代謝需求，神經(jīng)功能依賴于持續(xù)的氧氣和營(yíng)養(yǎng)。為此，兩個(gè)不同結(jié)構(gòu)和功能的血管床滋養(yǎng)視網(wǎng)膜神經(jīng)叢。內(nèi)層視網(wǎng)膜由終末動(dòng)脈發(fā)出的多層毛細(xì)血管網(wǎng)絡(luò)灌注。視網(wǎng)膜毛細(xì)血管是神經(jīng)叢和循環(huán)之間交換營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、氧和代謝物的關(guān)鍵界面，由無孔的內(nèi)皮細(xì)胞組成，周圍是支撐的周細(xì)胞和膠質(zhì)終足。視網(wǎng)膜內(nèi)的血管系統(tǒng)根據(jù)神經(jīng)元的代謝需求進(jìn)行自我調(diào)節(jié)，以確保視網(wǎng)膜的持續(xù)血流，這種現(xiàn)象稱為神經(jīng)血管耦合(neurovascular coupling)[4-5]。

視網(wǎng)膜NVU包括血管內(nèi)皮細(xì)胞與周細(xì)胞、Müller細(xì)胞與星形膠質(zhì)細(xì)胞、神經(jīng)元突起及密切相關(guān)的免疫細(xì)胞等。膠質(zhì)細(xì)胞為神經(jīng)元提供代謝支持，其突起圍繞視網(wǎng)膜所有血管，是視網(wǎng)膜內(nèi)穩(wěn)態(tài)的組成部分。小膠質(zhì)細(xì)胞是視網(wǎng)膜內(nèi)、外叢狀層的固有免疫細(xì)胞，是支持神經(jīng)元存活的神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子的重要來源，在感染或缺血時(shí)會(huì)產(chǎn)生促炎細(xì)胞因子，與NVU的穩(wěn)態(tài)密切相關(guān)[4-6]。

2 與NVU相關(guān)的關(guān)鍵糖尿病視網(wǎng)膜病變

糖尿病視網(wǎng)膜病變(diabetic retinopathy，DR)作為一種微血管疾病的概念已經(jīng)改變。現(xiàn)在被認(rèn)為是一種更復(fù)雜的糖尿病并發(fā)癥，其中NVU損傷起著關(guān)鍵作用。在DR，NVU的所有成分都被擾亂。神經(jīng)炎癥與神經(jīng)變性是DR各階段的共同現(xiàn)象，并與血管病變與缺血交織在一起；但至少部分獨(dú)立存在。這可以解釋一些患者盡管得到最佳治療，但視力結(jié)果卻很差[4-11]。

2.1微血管病變?cè)谔悄虿≡缙?，血管自?dòng)調(diào)節(jié)的喪失可導(dǎo)致內(nèi)層視網(wǎng)膜缺氧。缺血是視網(wǎng)膜功能障礙的早期表現(xiàn)，但沒有確定的臨床參數(shù)，患者可被歸類為“無視網(wǎng)膜病變”，直至出現(xiàn)滲出和微動(dòng)脈瘤等體征。DR的組織病理學(xué)特征，如毛細(xì)血管基底膜增厚，損害內(nèi)皮細(xì)胞與NVU其他成分的細(xì)胞間通信，可導(dǎo)致功能喪失。周細(xì)胞死亡可繼發(fā)微動(dòng)脈瘤；內(nèi)皮細(xì)胞的消失會(huì)導(dǎo)致大面積毛細(xì)血管無灌注區(qū)。DR中生長(zhǎng)因子和促炎因子的增加可能最初來自缺氧的Müller細(xì)胞，隨之激活的小膠質(zhì)細(xì)胞和浸潤(rùn)的巨噬細(xì)胞也可成為這些因子的主要來源。這是DR威脅視力的先決條件。

2.2神經(jīng)膠質(zhì)病變糖尿病環(huán)境與膠質(zhì)細(xì)胞增生和功能障礙有關(guān)，其特征是Müller細(xì)胞中膠質(zhì)纖維酸性蛋白過表達(dá)。Müller細(xì)胞功能障礙在DR的NVU功能障礙中起關(guān)鍵作用。毛細(xì)血管界面上Müller細(xì)胞端足的Kir4.1通道錯(cuò)位，水通道蛋白的調(diào)控異常，會(huì)導(dǎo)致水調(diào)節(jié)和內(nèi)屏障受損及黃斑水腫，膠質(zhì)細(xì)胞死亡，加劇神經(jīng)元和血管完整性的喪失。

2.3神經(jīng)元病變DR視網(wǎng)膜的神經(jīng)損害可用視覺電生理檢查顯示。其中，受無長(zhǎng)突細(xì)胞和雙極細(xì)胞之間電生理通信的影響，以及神經(jīng)節(jié)細(xì)胞與無長(zhǎng)突細(xì)胞的相互作用，振蕩電位潛伏時(shí)間是最一致的缺陷標(biāo)志。在明顯的微血管病變出現(xiàn)之前，最初損失的表現(xiàn)是神經(jīng)節(jié)細(xì)胞(RGC)凋亡。在無DR的糖尿病患者可檢出視網(wǎng)膜神經(jīng)纖維層變薄。在模型動(dòng)物，RGC凋亡和ERG異常與谷氨酸毒性共存。高血糖誘導(dǎo)的一些重要神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子的下調(diào)可能在促進(jìn)或啟動(dòng)神經(jīng)元凋亡和毛細(xì)血管丟失中起核心作用。

2.4免疫細(xì)胞激活及其病理作用在DR早期，血管內(nèi)白細(xì)胞-內(nèi)皮細(xì)胞相互作用增強(qiáng)，致使白細(xì)胞淤積黏附在內(nèi)皮細(xì)胞上，使毛細(xì)血管閉塞和無灌注。在糖尿病的早期到晚期，都存在漸進(jìn)式的持續(xù)炎癥。慢性炎癥致使小膠質(zhì)細(xì)胞長(zhǎng)時(shí)間激活，產(chǎn)生谷氨酸鹽、iNOS和促炎細(xì)胞因子，加劇視網(wǎng)膜細(xì)胞功能障礙和死亡。

雖然視網(wǎng)膜色素上皮和脈絡(luò)膜不屬于視網(wǎng)膜NVU，但在糖尿病環(huán)境中也明顯受累，并參與外層視網(wǎng)膜炎癥和光感受器細(xì)胞凋亡。

3 以NVU損害為靶點(diǎn)的DR早期療法

由于DR在病變明顯進(jìn)展之前無癥狀，因此在早期進(jìn)行篩查以發(fā)現(xiàn)病變是必要的。目前的治療，如激光光凝、玻璃體內(nèi)注射糖皮質(zhì)激素或抗血管內(nèi)皮細(xì)胞生長(zhǎng)因子(VEGF)藥物，針對(duì)的是視力已經(jīng)明顯受損的晚期。而在DR自然病程的很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，除了控制可變的危險(xiǎn)因素，如血糖水平和高血壓之外，并沒有直接針對(duì)視網(wǎng)膜病變的藥物治療。在DR自然病程中，神經(jīng)變性并不總有明顯的表現(xiàn)，需要通過表現(xiàn)型特征來確定神經(jīng)保護(hù)治療是否有益。由于神經(jīng)炎癥和神經(jīng)變性在發(fā)病機(jī)制中的重要作用，許多抗炎藥物和神經(jīng)保護(hù)藥物在研發(fā)中，例如具有神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)和血管生成特性的蛋白質(zhì)與多肽、阻斷內(nèi)皮素-1，干預(yù)突觸連接與軸突轉(zhuǎn)運(yùn)的神經(jīng)介質(zhì)等[7,9-14]。

4 細(xì)胞替代療法干預(yù)DR

視網(wǎng)膜NVU完整性的進(jìn)行性喪失是DR發(fā)病的核心機(jī)制。DR早期即有神經(jīng)元損失。已有報(bào)告表明DR患者可分為主要是微血管變性表型或主要是神經(jīng)變性表型。針對(duì)不同的表型，可通過新的再生治療來解決。以往大多數(shù)DR的干細(xì)胞研究都集中在血管病變上。目前開展的臨床前和臨床研究有利用血管活性祖細(xì)胞，包括間充質(zhì)基質(zhì)/干細(xì)胞、脂肪干細(xì)胞、CD34+細(xì)胞、內(nèi)皮集落形成細(xì)胞和誘導(dǎo)多能干細(xì)胞來源的內(nèi)皮細(xì)胞，來修復(fù)受損血管。在神經(jīng)元替代方面，應(yīng)用了視網(wǎng)膜祖細(xì)胞、多能干細(xì)胞衍生的光感受器和神經(jīng)節(jié)細(xì)胞以及Müller干細(xì)胞。雖然干細(xì)胞療法在DR早期甚至晚期替代死亡細(xì)胞方面具有巨大潛力，但由于存在不同的表型，為個(gè)體化患者選擇最合適的干細(xì)胞將是成功治療的關(guān)鍵。這些研究從基礎(chǔ)到臨床還存在著一系列巨大的挑戰(zhàn)[15]。

5 結(jié)語

DR極其復(fù)雜的病理變化反映了神經(jīng)組織中所有組成細(xì)胞相互關(guān)連的特性，同時(shí)提示存在廣泛的分子或細(xì)胞生物學(xué)可能干預(yù)的靶點(diǎn)。以NVU的整體觀念出發(fā)進(jìn)行研究，將擴(kuò)展并加深對(duì)DR病理生理學(xué)的認(rèn)識(shí)，研發(fā)既改善血液循環(huán)、抗炎，又滿足神經(jīng)保護(hù)需求的多元化新藥物，以及干細(xì)胞替代新療法，為在DR的更早階段乃至疾病全程防控提供新的機(jī)會(huì)。