超氧化物歧化酶在糖尿病視網(wǎng)膜病變中的研究進(jìn)展

冉啟艷,譚 薇

0 引言

糖尿病視網(wǎng)膜病變(diabetic retinopathy, DR)是糖尿病并發(fā)癥中最常見(jiàn)的微血管疾病,是導(dǎo)致工作年齡人群視力損害和失明的主要原因[1]。隨著全球肥胖癥患病率逐年增加和糖尿病(diabetes mellitus, DM)患者的老齡化,目前DM嚴(yán)重影響全球健康問(wèn)題。DM患病率在全球范圍內(nèi)呈上升趨勢(shì),根據(jù)最新國(guó)際糖尿病聯(lián)合會(huì)估計(jì),2030年將有5.78億成年人患有DM,2045年將有7億成年人患有DM[2],預(yù)計(jì)至2045年約有1.6億人會(huì)受到DR的影響[3]。DR早期通常無(wú)癥狀,隨著病情的進(jìn)展,視力進(jìn)一步下降,嚴(yán)重者出現(xiàn)糖尿病性黃斑水腫、玻璃體積血以及牽拉性視網(wǎng)膜脫離等,進(jìn)而導(dǎo)致嚴(yán)重的視覺(jué)損害[4]。DR患者早期治療主要依賴血糖水平的控制,血管病變嚴(yán)重者則需要行視網(wǎng)膜激光光凝術(shù)、玻璃體切除術(shù)。長(zhǎng)期高血糖是引起DR的主要病理生理變化,高血糖加劇氧化應(yīng)激反應(yīng),釋放大量的活性氧自由基,導(dǎo)致視網(wǎng)膜毛細(xì)血管基底膜增厚,視網(wǎng)膜血管通透性增加,促進(jìn)新生血管形成[5]。氧化應(yīng)激是由自由基的形成和清除之間的不平衡引起。在生理?xiàng)l件下,ROS的主要功能是介導(dǎo)各種生物反應(yīng)作為信號(hào)分子,然而,在病理?xiàng)l件下,ROS過(guò)度積累增加氧化應(yīng)激反應(yīng)促進(jìn)視網(wǎng)膜氧化損傷[6]。氧化應(yīng)激被認(rèn)為是DR發(fā)生發(fā)展的重要因素之一[7]。因此,尋找新的治療方式來(lái)延緩DR的發(fā)生發(fā)展非常有意義。目前抗氧化酶如超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)、谷胱甘肽還原酶、谷胱甘肽過(guò)氧化物酶以及過(guò)氧化氫酶可以減輕活性氧自由基(reactive oxygen species, ROS)的產(chǎn)生,這些抗氧化酶可以保護(hù)細(xì)胞免受其細(xì)胞毒性作用的影響[8],在視網(wǎng)膜中SOD活性的增加可以有效延緩DR的進(jìn)展[9]。目前DR的發(fā)病作用機(jī)制尚不明確,本文就抗氧化物酶SOD在DR疾病中對(duì)周細(xì)胞、神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的保護(hù)作用研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 SOD的家族

SOD是抗氧化酶庫(kù)中的第一道防線,主要是通過(guò)中和超氧陰離子。SOD包括三種異構(gòu)體,在哺乳動(dòng)物中存在著三種SOD的同工酶,它們包括在胞質(zhì)中依賴銅鋅的形式(Cu/ZnSOD, SOD1)和線粒體依賴錳的形式(MnSOD, SOD2)以及在細(xì)胞外依賴銅鋅的形式(extracellular-SOD, EC-SOD, SOD3)[10]。值得注意的是,每個(gè)亞型都需要一個(gè)氧化還原過(guò)渡金屬在其活性位點(diǎn)來(lái)使O2-發(fā)生歧化。SOD1需要銅和鋅作為輔助因子,存在于細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞核、以及過(guò)氧化物酶和線粒體內(nèi)膜中[11]。EC-SOD的異構(gòu)體是另一種含銅和鋅作為輔助因子來(lái)維持氧化還原活性,EC-SOD的異構(gòu)體由平滑肌細(xì)胞產(chǎn)生并釋放。有研究表明EC-SOD在DR和心血管疾病中發(fā)揮重要作用。線粒體SOD需要錳作為輔助因子,SOD2主要是線粒體超氧化物清除劑,被認(rèn)為是有氧生存所必需的條件[12]。

2 SOD與DR的關(guān)系

DR是DM主要微血管并發(fā)癥之一,體內(nèi)持續(xù)高糖水平是誘導(dǎo)視網(wǎng)膜病變的重要原因之一[13],高血糖引發(fā)炎癥反應(yīng)的同時(shí),加劇氧化應(yīng)激反應(yīng),釋放大量的ROS。高血糖引起的細(xì)胞損傷、氧化應(yīng)激和ROS是介導(dǎo)DM并發(fā)癥發(fā)生發(fā)展的關(guān)鍵因素[14]。ROS與抗氧化防御系統(tǒng)之間的平衡被打破,破壞細(xì)胞膜的完整性并刺激細(xì)胞發(fā)生氧化反應(yīng),進(jìn)而加重視網(wǎng)膜氧化損傷,最終導(dǎo)致視網(wǎng)膜微血管損傷以及血-視網(wǎng)膜屏障的破壞[15]。SOD在人類健康和疾病中發(fā)揮著重要作用[16],其活性增加是DR中最重要的抗氧化防御系統(tǒng)之一。目前研究證據(jù)表明,DR發(fā)病機(jī)制極為復(fù)雜,是一種由多因素共同作用導(dǎo)致的疾病,其中氧化應(yīng)激在DR的發(fā)生發(fā)展過(guò)程起著重要作用。在高糖環(huán)境下,隨著多元醇途徑及己糖胺途徑的激活、血管緊張素Ⅱ及晚期糖基化終產(chǎn)物的生成增加以及二酰甘油-蛋白激酶C系統(tǒng)的活化,增加氧化應(yīng)激和ROS產(chǎn)生,以及活化的B細(xì)胞激活核因子導(dǎo)致炎癥的進(jìn)一步發(fā)生。ROS在視網(wǎng)膜中過(guò)量生成,引起氧化應(yīng)激和線粒體的損傷,導(dǎo)致局部炎癥和內(nèi)皮細(xì)胞凋亡,從而使血管通透性增加、視網(wǎng)膜缺氧及新生血管的形成,最終導(dǎo)致DR的發(fā)生發(fā)展[17]。SOD是一種主要的抗氧化酶,主要通過(guò)加速SOD的突變反應(yīng)來(lái)保護(hù)細(xì)胞免受超氧化物的損傷。SOD與過(guò)氧化氫酶和谷胱甘肽過(guò)氧化物酶協(xié)同發(fā)揮作用,可以有效降低ROS的有害作用。研究表明,與健康人(正常對(duì)照組)相比DR組中血清SOD的活性值均降低,且在不同程度的DR組中患者體內(nèi)SOD也有差異,嚴(yán)重非增殖性DR組SOD的活性水平明顯低于前期DR組,隨著DR的進(jìn)展,血清中SOD的活性值呈逐漸下降的趨勢(shì)[18]。ROS的過(guò)量生成降低了抗氧化酶的活性,從而導(dǎo)致細(xì)胞氧化損傷增加。重要的是,由于抗氧化酶調(diào)節(jié)失衡,細(xì)胞容易發(fā)生氧化損傷進(jìn)一步促進(jìn)DR進(jìn)展[19]。SOD和過(guò)氧化氫酶是抗氧化酶中重要的兩種酶,SOD是促進(jìn)超氧化物轉(zhuǎn)化為過(guò)氧化氫,隨后被谷胱甘肽過(guò)氧化物酶和過(guò)氧化氫酶分解為氧氣和水[20],廣泛存在于生物體內(nèi)是生物體內(nèi)清除氧自由基的重要物質(zhì),可以阻止氧自由基對(duì)細(xì)胞造成的損害。其中,過(guò)氧化氫酶也是一種常見(jiàn)酶,催化過(guò)氧化氫分解為水和氧氣,過(guò)氧化氫酶的活性可以反映細(xì)胞清除ROS的能力和抗氧化損傷的能力。綜上所述,機(jī)體通過(guò)誘導(dǎo)抗氧化基因的表達(dá)來(lái)清除氧自由基,產(chǎn)生細(xì)胞內(nèi)源性保護(hù)作用,使氧化應(yīng)激及抗氧化應(yīng)激反應(yīng)處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài),但是,在高血糖環(huán)境下,這種動(dòng)態(tài)平衡被打破,從而促進(jìn)視網(wǎng)膜內(nèi)皮細(xì)胞的氧化損傷。因此,維持抗氧化酶SOD的水平在延緩DR的發(fā)生發(fā)展中有著重要作用。

3 EC-SOD在DR中對(duì)周細(xì)胞的保護(hù)作用

周細(xì)胞是構(gòu)成正常微血管管壁的細(xì)胞,在體內(nèi)血管新生時(shí)可以降低血管基質(zhì)、控制內(nèi)皮細(xì)胞增殖、調(diào)控新生血管生長(zhǎng)的功能[21]。周細(xì)胞是由外胚層或中胚層發(fā)育而來(lái)的平滑肌樣細(xì)胞,通過(guò)基底膜包裹毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞。Müller細(xì)胞是視網(wǎng)膜神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞,與血管和神經(jīng)元密切聯(lián)系。這些類型的細(xì)胞包圍著內(nèi)皮細(xì)胞,使細(xì)胞-細(xì)胞相互作用維持視網(wǎng)膜功能。研究表明中樞神經(jīng)系統(tǒng)、胸腺、視網(wǎng)膜和脈絡(luò)膜中的周細(xì)胞由分化的神經(jīng)嵴源細(xì)胞發(fā)展而來(lái)[22]。周細(xì)胞是包圍著微血管毛細(xì)血管內(nèi)皮、末梢小動(dòng)脈和毛細(xì)血管后小靜脈的平滑肌樣細(xì)胞,具有收縮功能[23]。視網(wǎng)膜微血管中周細(xì)胞的缺失是DR最早被觀察到的形態(tài)學(xué)改變,與內(nèi)皮細(xì)胞的比例下降至1∶4[24]。周細(xì)胞穿透基底膜與內(nèi)皮細(xì)胞接觸,從而影響內(nèi)皮細(xì)胞的生長(zhǎng)和功能,這表明周細(xì)胞與內(nèi)皮細(xì)胞之間或周細(xì)胞自身之間的細(xì)胞間聯(lián)系可能在維持血管系統(tǒng)氧化還原穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮作用。

EC-SOD位于細(xì)胞外液中,它與硫酸乙酰肝素蛋白和膠原蛋白結(jié)合,將EC-SOD蛋白錨定在細(xì)胞外基質(zhì)上[25]。EC-SOD抗氧化酶在ROS調(diào)節(jié)中起著核心作用,EC-SOD可以清除超氧化物自由基,研究表明,EC-SOD與Ⅰ型和Ⅳ型膠原蛋白通過(guò)肝素結(jié)合,從而保護(hù)它們免受氧化損傷[26]。周細(xì)胞的損失被認(rèn)為是早期DR的標(biāo)志,周細(xì)胞在DR發(fā)病機(jī)制中的研究從開始以來(lái)就受到了廣泛的關(guān)注,在視網(wǎng)膜微血管系統(tǒng)中,內(nèi)皮細(xì)胞被周細(xì)胞和Müller細(xì)胞足突包圍。一定的ROS在細(xì)胞中不斷產(chǎn)生,以維持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定,然而,過(guò)度的內(nèi)源性和外源性ROS的產(chǎn)生和ROS的去除不足導(dǎo)致氧化應(yīng)激反應(yīng),可能通過(guò)VEGF和腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-ɑ,TNF-α)[27]的表達(dá)增加微血管周細(xì)胞的脫落。據(jù)報(bào)道,抗氧化劑的使用可以防止糖尿病大鼠視網(wǎng)膜病變的發(fā)生。在動(dòng)物模型中探索了EC-SOD的重要性在脂多糖誘導(dǎo)的小鼠角膜炎癥模型中,缺乏EC-SOD的小鼠出現(xiàn)更嚴(yán)重的內(nèi)皮細(xì)胞發(fā)生炎癥變化[28],在EC-SOD基因轉(zhuǎn)染小鼠可以抑制視神經(jīng)脫髓鞘[29]減輕內(nèi)皮細(xì)胞炎癥變化。然而,視網(wǎng)膜血管細(xì)胞分泌的因素往往會(huì)損害自己,以自分泌的方式伴隨著EC-SOD減少,從而刺激炎性因子的表達(dá)增加。研究結(jié)果表明對(duì)鏈脲佐菌素(streptozocin,STZ)誘導(dǎo)的糖尿病大鼠用EC-SOD處理可改善氧化應(yīng)激相關(guān)的視網(wǎng)膜氧化損傷,在EC-SOD治療中有效改善了糖尿病大鼠的視網(wǎng)膜Müller細(xì)胞活化和周細(xì)胞功能障礙,并減弱了糖尿病大鼠a波和b波振幅的損失,EC-SOD還改善了視網(wǎng)膜穆勒細(xì)胞的活化和神經(jīng)炎癥[30]。周細(xì)胞中的EC-SOD表達(dá)降低和促炎因子的刺激可能誘發(fā)和促進(jìn)視網(wǎng)膜微血管異常。EC-SOD不僅具有抗氧化特性,還具有抗血管生成、抗增殖、抗趨化和抗炎特性[31]。綜上所述,EC-SOD在DR中對(duì)周細(xì)胞發(fā)揮了保護(hù)作用,改善周細(xì)胞的功能障礙,阻止了早期毛細(xì)血管變化和炎癥的發(fā)生過(guò)程,進(jìn)一步抑制視網(wǎng)膜早期氧化損傷。值得注意的是,目前未能明確指出EC-SOD對(duì)中晚期DR中的周細(xì)胞是否也有保護(hù)作用。因此,希望在未來(lái)治療中EC-SOD有望成為DR的一個(gè)有吸引力的治療靶點(diǎn),通過(guò)維持高水平的EC-SOD可能會(huì)減輕視網(wǎng)膜氧化損傷延緩DR的進(jìn)展,這有待臨床中進(jìn)一步研究。

4 SOD在DR缺血-再灌注損傷中的保護(hù)作用

視網(wǎng)膜缺血是引起視力損害的常見(jiàn)眼病的致病因素,包括青光眼、DR、視網(wǎng)膜中央動(dòng)脈閉塞[32]。缺血可以誘導(dǎo)一系列有害事件,如線粒體功能障礙、釋放興奮性谷氨酸、細(xì)胞內(nèi)鈣離子的積累,其中,引起線粒體一系列氧化反應(yīng),并為各種細(xì)胞活動(dòng)產(chǎn)生能量,維持膜電位和保存細(xì)胞內(nèi)離子穩(wěn)態(tài)。缺血、缺氧時(shí)線粒體發(fā)生的功能障礙在誘導(dǎo)神經(jīng)變性中起者核心作用[33]。正常情況下,超氧化物通過(guò)SOD和谷胱甘肽過(guò)氧化物酶清除,在缺血狀態(tài)下,氧化水平升高,抗氧化劑水平降低,從而誘導(dǎo)視網(wǎng)膜的氧化損傷。由于代謝的中斷,抗氧化酶不能立即除大量的游離自由基,從而導(dǎo)致ROS過(guò)度積累。在體外實(shí)驗(yàn)中,高血糖條件下觀察到超氧化物水平的增加伴有視網(wǎng)膜細(xì)胞中過(guò)氧化氫含量的增加,氧化應(yīng)激是缺血性損傷的重要病理特征,常導(dǎo)致視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞(retinal ganglion cells, RGCs)丟失和血管功能障礙的后節(jié)段病變[34]。研究證實(shí)缺血-再灌注損傷產(chǎn)生過(guò)氧化氫、次氯酸鹽、超氧自由基等產(chǎn)生多種ROS[35]。此外,缺血-再灌注損傷后SOD等抗氧化酶氧自由基清除率降低,進(jìn)一步加重眼部組織氧化應(yīng)激反應(yīng)。因此,針對(duì)線粒體功能障礙的早期有效干預(yù)可以通過(guò)降低ROS的產(chǎn)生來(lái)恢復(fù)RGCs的功能[36-37]?？寡趸蛑委煴徽J(rèn)為是與DR、缺血-再灌注損傷相關(guān)的青光眼、視網(wǎng)膜靜脈阻塞和早產(chǎn)兒視網(wǎng)膜病變的一種治療選擇,通過(guò)基因載體將編碼抗氧化酶的質(zhì)粒導(dǎo)入RGCs,以抵抗RGCs的氧化損傷[38]。目前直接將SOD等抗氧化酶輸送到RGCs是治療DR疾病的一種替代策略。SOD是缺血損傷和修復(fù)的主要決定因素,直接將SOD蛋白送入RGCs的非病毒載體中,以降低視網(wǎng)膜缺血時(shí)ROS活性。一種富含硼酸的樹突狀分子(boronic acid-rich dendrimer, BARD)已作為非病毒基因和蛋白質(zhì)載體而得到廣泛關(guān)注,它在細(xì)胞內(nèi)傳遞天然蛋白和多肽時(shí)具有強(qiáng)大的功效,并保持其生物活性[39],BARD是一種被廣泛應(yīng)用于藥物和基因載體的納米聚合物。樹突狀大分子具有高密度的官能團(tuán),能夠調(diào)控局部環(huán)境,實(shí)現(xiàn)獨(dú)特的組織相互作用,這些都有利于新療法的發(fā)展[40]。BARD能夠通過(guò)氮硼配位和離子相互作用[41]與各種蛋白共同組裝成納米顆粒,而SOD是一種保護(hù)酶,可以清除超氧自由基及其代謝產(chǎn)物,因此使用BARD將SOD傳遞到眼細(xì)胞中達(dá)到下調(diào)氧化應(yīng)激。在視網(wǎng)膜缺血模型中,通過(guò)BARD介導(dǎo)的SOD納米制劑能有效保護(hù)視網(wǎng)膜功能,減少RGCs的凋亡[42]。

另外研究表明在缺血-再灌注誘導(dǎo)的大鼠視網(wǎng)膜損傷每日通過(guò)肢體遠(yuǎn)端缺血條件反射(limb remote ischemic conditioning, LRIC)來(lái)增加抗氧化防御[43]來(lái)減輕缺血-再灌注誘導(dǎo)的大鼠視網(wǎng)膜損傷。缺血條件反射被認(rèn)為是一種通過(guò)內(nèi)源性保護(hù)機(jī)制來(lái)啟動(dòng)的對(duì)多種器官缺血性損傷的保護(hù)形式[44]。有報(bào)道稱,在1型和2型糖尿病動(dòng)物模型中,眼壓升高引起的視網(wǎng)膜缺血條件反射可預(yù)防和減輕視網(wǎng)膜功能損害[45]。研究者在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和臨床研究中都證明了LRIC也具有神經(jīng)保護(hù)作用。Brandli[46]報(bào)道LRIC通過(guò)顯著增加光致視網(wǎng)膜損傷動(dòng)物模型的a和b波振幅,也具有保護(hù)作用。研究LRIC對(duì)DR的處理對(duì)抗氧化酶的影響,在大鼠腹腔注射戊巴比妥鈉(30mg/kg)麻醉,缺血10min和再灌注10min,在STZ注射4d后應(yīng)用LRIC治療,此后每天重復(fù),持續(xù)12wk后,通過(guò)對(duì)血漿SOD/過(guò)氧化氫酶比值和還原性谷胱甘肽(glutathione, GSH)/氧化性谷胱甘肽(oxidized glutathione, GSSG)比值的測(cè)定,與正常Sprague-Dawley大鼠對(duì)照組相比,DM組大鼠視網(wǎng)膜中SOD和谷胱甘肽活性分別顯著降低16.8%,與DM組相比,LRIC治療組大鼠視網(wǎng)膜中SOD活性顯著提高19.1%,結(jié)果表明LRIC可增強(qiáng)SOD和GSH活性[47]。

綜上所述,在缺血、缺氧中通過(guò)BARD將SOD蛋白送入RGCs的非病毒載體中將是抗氧化基因治療DR的一個(gè)靶點(diǎn)來(lái)減少或預(yù)防視網(wǎng)膜并發(fā)癥,減少氧化和炎癥效應(yīng)對(duì)DR是非常有益。也可通過(guò)LRIC治療提高SOD的活性對(duì)DR保護(hù)發(fā)揮了重要的作用。因此,希望在未來(lái)治療方案中有待考慮。

5 總結(jié)與展望

綜上所述,目前DR的發(fā)病機(jī)制尚不明確,以往對(duì)DR的病因研究及治療多集中于關(guān)注視網(wǎng)膜毛細(xì)血管病變,研究發(fā)現(xiàn)在DR早期能夠提高SOD活性延緩DR的發(fā)生發(fā)展?？寡趸缚梢砸种芌OS的生成、清除自由基、增強(qiáng)抗氧化防御系統(tǒng)的功能延緩DR很重要。因此,希望未來(lái)在SOD維持DR氧化還原反應(yīng)動(dòng)態(tài)平衡的作用和機(jī)制中展開進(jìn)一步研究,為臨床治療DR提供依據(jù)支持。