二甲雙胍在年齡相關(guān)性眼病中應(yīng)用的研究進(jìn)展

燕朱軒,呂 洋

0 引言

年齡相關(guān)性眼病是指隨著年齡增加,由眼組織老化后的退行性病變所引發(fā)的一系列眼科疾病,如年齡相關(guān)性黃斑變性(age-related macular degeneration,ARMD)、年齡相關(guān)性白內(nèi)障(age-relate cataract,ARC)、糖尿病視網(wǎng)膜病變(diabetic retinopathy,DR)和青光眼等,隨著全球社會人口老齡化的加劇,這些疾病的發(fā)病率也逐年激增[1-3]。二甲雙胍是治療2型糖尿病的一線用藥,在臨床應(yīng)用已有60多年的歷史[4]。近年來,越來越多的研究發(fā)現(xiàn)二甲雙胍不僅降糖作用確切,其在防治腫瘤、心血管系統(tǒng)疾病、呼吸系統(tǒng)疾病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病、消化系統(tǒng)疾病、生殖系統(tǒng)疾病以及年齡相關(guān)性疾病中也發(fā)揮著積極作用,顯示出巨大潛力及良好的應(yīng)用前景[5-6]。目前,二甲雙胍在眼部疾病的研究仍處于初始階段,針對二甲雙胍在高發(fā)病率的四種年齡相關(guān)性眼病中潛在作用和保護(hù)機(jī)制將在本文綜述中進(jìn)行總結(jié)。

1 二甲雙胍由來

17世紀(jì),英國植物學(xué)家提出山羊豆有抗糖尿病的功效。1914年,法國科學(xué)家首先從山羊豆種子中提取得到山羊豆堿,并對這一生物堿進(jìn)行了初步研究。1918年,通過動物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)胍類物質(zhì)具有降血糖功效。1922年,愛爾蘭化學(xué)家首次合成二甲雙胍。1957年,二甲雙胍首次通過臨床試驗(yàn)證實(shí)了降血糖功效[7]。近年來,對二甲雙胍深入研究發(fā)現(xiàn),其不僅可以降低血糖,還可預(yù)防和治療與衰老相關(guān)的疾病。

2 二甲雙胍在防治年齡相關(guān)性疾病中的作用機(jī)制

2.1 二甲雙胍抗氧化應(yīng)激的作用機(jī)制氧化應(yīng)激在關(guān)節(jié)炎、糖尿病、癡呆、癌癥、動脈粥樣硬化、血管疾病、肥胖癥和骨質(zhì)疏松癥等年齡相關(guān)性疾病的發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用[8]?；钚匝?ROS)的過度增加會破壞自身氧化-抗氧化平衡,發(fā)生氧化應(yīng)激反應(yīng),是生物分子氧化和細(xì)胞損傷的根本原因[9]。研究發(fā)現(xiàn),二甲雙胍通過改善抗氧化作用機(jī)制、維持氧化還原穩(wěn)態(tài)和轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的功能來抑制魚藤酮誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激損傷[10]。Hartwig等[11]發(fā)現(xiàn)二甲雙胍可激活叉頭框蛋白O3(FOXO3),從而降低免疫細(xì)胞中的ROS水平,提示二甲雙胍可降低心血管疾病和癌癥的發(fā)病風(fēng)險。Yang等[12]發(fā)現(xiàn)二甲雙胍可以通過AMP依賴的蛋白激酶/激酶帕霉素靶蛋白(AMPK/mTOR)信號通路抑制擴(kuò)張型心肌病中心肌細(xì)胞的氧化應(yīng)激損傷。同時,線粒體是ROS產(chǎn)生的主要場所,也是ROS攻擊的主要目標(biāo)。相關(guān)研究表明,二甲雙胍可通過抑制線粒體復(fù)合物Ⅰ,從而減少內(nèi)源性ROS的產(chǎn)生和相關(guān)DNA的損傷[13-15]。另外,核因子紅細(xì)胞系2相關(guān)因子2(Nrf2)作為細(xì)胞對氧化應(yīng)激反應(yīng)的主要調(diào)節(jié)因子,在各種氧化應(yīng)激損傷的細(xì)胞中均可觀察到Nrf2功能障礙。二甲雙胍可通過上調(diào)Nrf2介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄誘導(dǎo)抗氧化系統(tǒng),從而抑制細(xì)胞中的氧化應(yīng)激反應(yīng),并恢復(fù)細(xì)胞中魚藤酮誘導(dǎo)的線粒體功能障礙和能量缺失[16]?？寡趸瘶?biāo)志物包括谷胱甘肽(GSH)和超氧化物歧化酶(SOD),Sabzali等[17]發(fā)現(xiàn)二甲雙胍可顯著提高細(xì)胞中SOD和GSH活性,從而減輕神經(jīng)細(xì)胞的氧化應(yīng)激損傷?？傊?二甲雙胍可有效減少ROS的生成,調(diào)節(jié)細(xì)胞能量代謝并改善線粒體功能,以及調(diào)節(jié)與抗氧化有關(guān)轉(zhuǎn)錄因子和酶的活性,從而發(fā)揮抗氧化應(yīng)激作用。

2.2 二甲雙胍抗炎的作用機(jī)制炎癥是機(jī)體老化和細(xì)胞衰老的伴隨反應(yīng),并導(dǎo)致許多年齡相關(guān)性疾病發(fā)生,包括2型糖尿病、癡呆癥和癌癥[18]。巨噬細(xì)胞是炎癥反應(yīng)過程中的關(guān)鍵細(xì)胞,激活后的巨噬細(xì)胞可極化為兩種主要表型,即促炎的M1型和抗炎的M2型[19]。研究表明,二甲雙胍可降低血液中促炎細(xì)胞因子白細(xì)胞介素-6(IL-6)、腫瘤壞死因子-α(TNF-α)的水平和脂肪組織中M1巨噬細(xì)胞標(biāo)志物整合素αX抗體(CD11c)和單核細(xì)胞趨化蛋白-1(MCP-1)的表達(dá),并增加了M2巨噬細(xì)胞的比例[20]。Putilin等[21]發(fā)現(xiàn)二甲雙胍可通過激活A(yù)MPK抑制mTOR信號傳導(dǎo),進(jìn)而降低炎癥細(xì)胞因子白細(xì)胞介素-1β(IL-1β)和白細(xì)胞介素-17-A(IL-17-A)的水平。在最近的一項(xiàng)為期5a的隨訪研究中,二甲雙胍也被證實(shí)可降低老年糖尿病患者的血液中促炎細(xì)胞因子的水平[22]。同時,轉(zhuǎn)錄因子-kappa B(NF-κB)為炎癥過程中的關(guān)鍵因子[23],二甲雙胍可通過調(diào)節(jié)NF-κB信號傳導(dǎo)和影響單核細(xì)胞分化為巨噬細(xì)胞,從而抑制來自巨噬細(xì)胞的促炎細(xì)胞因子,以起到減輕炎癥損害的作用[24-25]。一項(xiàng)研究報告稱,1213例既往患有糖尿病的患者在感染2019冠狀病毒病(COVID-19)住院期間,二甲雙胍的應(yīng)用可減少患者循環(huán)炎癥標(biāo)志物,如C反應(yīng)蛋白(CRP)、IL-6、白細(xì)胞介素-2(IL-2)和TNF-α,并降低了血液中的中性粒細(xì)胞與淋巴細(xì)胞比率[26]。以上研究結(jié)果表明,二甲雙胍可有效降低來自M1型巨噬細(xì)胞中的促炎因子水平,并通過調(diào)節(jié)與抗炎相關(guān)信號因子,從而發(fā)揮抗炎作用。

2.3 二甲雙胍誘導(dǎo)自噬的作用機(jī)制自噬是一種進(jìn)化上保守的分解代謝過程,負(fù)責(zé)依賴溶酶體的降解和循環(huán)利用,在維持真核生物的細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)和活力方面發(fā)揮著重要作用,與年齡相關(guān)性疾病發(fā)生有關(guān)[27]。自噬作為長壽保證的核心過程而出現(xiàn),是年齡相關(guān)的疾病的潛在治療靶點(diǎn)。Wang等[28]發(fā)現(xiàn)二甲雙胍可以激活A(yù)MPKα1和α2介導(dǎo)的通路,從而恢復(fù)心肌缺血再灌注過程中的自噬通量。在高糖誘導(dǎo)的糖尿病小鼠模型中,二甲雙胍通過激活小鼠前動力蛋白2/核糖核酸依賴性蛋白激酶(PK2/PKR)途徑介導(dǎo)的自噬,使絲氨酸-蘇氨酸蛋白激酶(AKT)和糖原合酶激酶3β(GSK3β)水平恢復(fù),提示二甲雙胍可通過激活PK2/PKR/AKT/GSK3β增強(qiáng)糖尿病小鼠睪丸細(xì)胞自噬和抑制細(xì)胞凋亡[29]。另一項(xiàng)研究表明,二甲雙胍可通過AMPK/沉默信息調(diào)節(jié)因子1-叉頭框蛋白O1(SIRT1-FOXO1)信號通路促進(jìn)自噬,從而減輕高糖培養(yǎng)大鼠系膜細(xì)胞的氧化應(yīng)激反應(yīng),緩解糖尿病大鼠的糖脂代謝紊亂、腎功能不全和蛋白尿[30]。另外,二甲雙胍可通過降低果蠅抗源序列蛋白3(SMAD3)介導(dǎo)的Tribbles同源蛋白3(TRIB3)表達(dá),誘導(dǎo)自噬并恢復(fù)自噬通量,進(jìn)而抑制黑色素瘤進(jìn)展[31]。值得一提的是,二甲雙胍對自噬的激活并不是單向的。在腫瘤細(xì)胞中,二甲雙胍可以通過自噬抑制途徑發(fā)揮抗腫瘤作用。葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白78(GRP78)是抗骨髓瘤藥物硼替佐米誘導(dǎo)自噬的關(guān)鍵驅(qū)動因素,二甲雙胍可通過抑制GRP78,破壞細(xì)胞防御狀態(tài),進(jìn)而增強(qiáng)硼替佐米的抗骨髓瘤作用[32]。總之,二甲雙胍可通過多種信號通路包括AMPK依賴型通路或非依賴型通路誘導(dǎo)自噬,并對細(xì)胞自噬的影響具有雙向性。

3 二甲雙胍在年齡相關(guān)性眼病中的研究進(jìn)展

3.1 二甲雙胍在ARMD中的研究進(jìn)展ARMD是60歲以上老年人不可逆失明的主要原因,其發(fā)病率隨著年齡的增加而增高。流行病學(xué)調(diào)查顯示,2020年全球范圍內(nèi)約有1.96億ARMD患者[33]。在最近的幾項(xiàng)臨床回顧性研究中發(fā)現(xiàn),服用二甲雙胍的糖尿病患者發(fā)生ARMD的幾率顯著降低,表明二甲雙胍對ARMD的發(fā)生發(fā)展具有延緩和預(yù)防作用[34-35]。

視網(wǎng)膜是人體耗氧量最高的組織之一,由于高氧代謝的特性,視網(wǎng)膜組織會產(chǎn)生大量的ROS,導(dǎo)致視網(wǎng)膜受到氧化損傷[36],因此,視網(wǎng)膜色素上皮層(retinal pigment epithelium,RPE)細(xì)胞的氧化應(yīng)激損傷在ARMD的發(fā)生和發(fā)展起關(guān)鍵作用。Qu等[37]通過體內(nèi)外試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)二甲雙胍可通過激活A(yù)MPK/Sirt1信號通路上調(diào)硫氧還蛋白相互作用蛋白(TXNIP)的表達(dá),降低RPE細(xì)胞氧化應(yīng)激中ROS的產(chǎn)生,從而保護(hù)RPE細(xì)胞免受氧化損傷。同樣,二甲雙胍可通過激活A(yù)MPK信號通路增強(qiáng)自噬,從而保護(hù)RPE細(xì)胞免受H2O2誘導(dǎo)的氧化損傷[38]。另外,RPE細(xì)胞的高代謝需大量線粒體的參與,二甲雙胍可通過激活A(yù)MPK信號通路增強(qiáng)線粒體生物的合成,并可清除受損線粒體,從而發(fā)揮保護(hù)視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)與功能的作用[39]。

隨著眼組織的老化,RPE細(xì)胞中促炎和抗炎細(xì)胞因子之間平衡的失調(diào),誘發(fā)低度慢性炎癥并持續(xù)較長時間,進(jìn)而促進(jìn)ARMD發(fā)病[40]。ARMD患者體內(nèi)炎癥相關(guān)分子的基因突變以及炎癥急性期反應(yīng)蛋白水平的上升在ARMD進(jìn)展中發(fā)揮著重要作用[41]。另外,玻璃膜疣和脈絡(luò)膜新生血管的形成作為ARMD的特征性表現(xiàn)也與炎癥及炎癥微環(huán)境密切相關(guān)[42]。研究發(fā)現(xiàn),二甲雙胍可以通過激活A(yù)MPK通路,抑制視網(wǎng)膜炎癥反應(yīng),改善內(nèi)皮功能、阻止視網(wǎng)膜新生血管的生成[43]。同樣,二甲雙胍可通過激活A(yù)MPK信號通路抑制激活素受體樣激酶1(ALK1)介導(dǎo)的脈絡(luò)膜新生血管(choroidal neovascularization,CNV)產(chǎn)生[44]。

細(xì)胞自噬功能減退及自噬通量下降是促進(jìn)ARMD疾病發(fā)展的關(guān)鍵因素之一[45]。Shu等[46]發(fā)現(xiàn)在視網(wǎng)膜損傷的動物模型和細(xì)胞模型中,二甲雙胍可以誘導(dǎo)自噬并恢復(fù)自噬通量,提升微管相關(guān)蛋白輕鏈3 Ⅱ(LC3-Ⅱ)在視網(wǎng)膜組織中的水平,從而發(fā)揮保護(hù)RPE細(xì)胞的作用。

以上研究結(jié)果表明,二甲雙胍可通過AMPK依賴型通路或非依賴型通路降低視網(wǎng)膜氧化應(yīng)激水平、減輕炎癥反應(yīng)、增強(qiáng)自噬、抑制視網(wǎng)膜細(xì)胞凋亡和抑制CNV生長,在預(yù)防和延緩ARMD的發(fā)生發(fā)展方面有重要意義。

3.2 二甲雙胍在ARC中的研究進(jìn)展

ARC又稱老年性白內(nèi)障,是以晶狀體進(jìn)行性混濁為主要特征的致盲性眼病,是最為常見的白內(nèi)障類型,其發(fā)病率也隨著年齡的增長而明顯升高[47]。韓國一項(xiàng)關(guān)于2型糖尿病患者使用二甲雙胍的臨床回顧性研究表明,使用二甲雙胍的患者,白內(nèi)障發(fā)病率明顯降低[48],在荷蘭鹿特丹市的一項(xiàng)大型隊(duì)列研究中也有同樣的發(fā)現(xiàn)[49]。

目前普遍認(rèn)為,晶狀體上皮細(xì)胞(lens epithelial cells,LECs)的氧化損傷是ARC發(fā)生和發(fā)展中的關(guān)鍵因素[50]。Chen等[51]發(fā)現(xiàn)二甲雙胍可通過激活A(yù)MPK信號通路改善溶酶體功能和下調(diào)mTOR表達(dá)并恢復(fù)自噬通量,進(jìn)而抑制氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的人LECs的氧化損傷。此外,在該研究中還發(fā)現(xiàn),AMPK信號通路介導(dǎo)的自噬在模擬ARC的人LECs中受損并失活。Zhang等[52]發(fā)現(xiàn)二甲雙胍干預(yù)H2O2誘導(dǎo)氧化應(yīng)激損傷的人LECs后,細(xì)胞凋亡標(biāo)志物p53、p21、p16和促炎細(xì)胞因子IL-6、IL-8明顯下調(diào),提示二甲雙胍可抑制人LECs的氧化應(yīng)激損傷及凋亡?；趧游飳?shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),二甲雙胍可通過激活A(yù)MPK信號通路來增強(qiáng)自噬抑制雄性C57BL/6小鼠LECs的氧化應(yīng)激損傷,進(jìn)而發(fā)揮保護(hù)LECs的作用[53]。

以上研究結(jié)果表明,二甲雙胍可通過AMPK依賴型信號通路在減輕LECs氧化應(yīng)激損傷和抑制LECs凋亡方面有一定作用,提示二甲雙胍可能對ARC的發(fā)生發(fā)展具有預(yù)防和治療作用。

3.3 二甲雙胍在DR中的研究進(jìn)展DR是最常見的視網(wǎng)膜血管病,是40歲以上人群主要致盲性眼病之一。流行病學(xué)調(diào)查顯示,全世界DR患者的數(shù)量將從2010年的1.266億增加到2030年的1.910億[54]。在關(guān)于DR的部分臨床回顧性研究中,二甲雙胍的應(yīng)用被證實(shí)可顯著降低DR的發(fā)病風(fēng)險或延緩疾病的進(jìn)展[55-56]。

DR是糖尿病的微血管并發(fā)癥,是糖尿病患者后天性失明的主要原因。已證實(shí)氧化應(yīng)激是糖尿病視網(wǎng)膜病變發(fā)病機(jī)制的關(guān)鍵因素之一[57]。通過高糖誘導(dǎo)的DR大鼠中研究發(fā)現(xiàn),二甲雙胍可通過抑制RPE中NF-kB/Toll樣受體4(TLR4)介導(dǎo)的氧化應(yīng)激損傷,并顯著抑制了糖尿病誘導(dǎo)的丙二醛(MDA)、谷氨酸、TNF-α和血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothlial growth factor,VEGF)的增加,進(jìn)而抑制DR的發(fā)展[58]。同樣,二甲雙胍可恢復(fù)高糖誘導(dǎo)大鼠血清中緊密連接蛋白-1(claudin-1)和GSH/MDA的比例,下調(diào)TNF-α和VEGF的表達(dá),從而減輕了糖尿病大鼠的視網(wǎng)膜病變[59]。

炎癥在非增殖型糖尿病中起著至關(guān)重要的作用。研究表明,二甲雙胍可逆轉(zhuǎn)高脂誘導(dǎo)的視網(wǎng)膜中信號蛋白的變化,如AKT、細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶(ERK)和AMPK,從而減少了眼內(nèi)炎癥反應(yīng)[60]。

高血糖導(dǎo)致的缺氧可引起血管內(nèi)皮細(xì)胞功能異常和VEGF表達(dá)增加,VEGF導(dǎo)致新生血管生成以及血管通透性增加是晚期DR微血管病變的重要代償反應(yīng)[61]。Zhang等[62]發(fā)現(xiàn)二甲雙胍可通過誘導(dǎo)靶向VEGF-A的miR-497a-5p來抑制VEGF-A蛋白的翻譯,從而減少視網(wǎng)膜新生血管的形成。同樣,二甲雙胍可誘導(dǎo)VEGF-A mRNA剪接至VEGF120異構(gòu)體,以減少其對VEGFR2的激活,從而抑制視網(wǎng)膜新生血管的形成[63]。

以上研究結(jié)果表明,二甲雙胍可降低DR中視網(wǎng)膜氧化應(yīng)激水平,并抑制視網(wǎng)膜新生血管的形成,在預(yù)防和治療DR的發(fā)生發(fā)展方面有重要意義。

線粒體功能障礙是青光眼后期視神經(jīng)退行性變的重要影響因素,減少視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞(retinal ganglion cells,RGCs)死亡對防治青光眼有重要意義[67]。研究表明,二甲雙胍可顯著改善RGCs中線粒體結(jié)構(gòu)與功能,并調(diào)節(jié)線粒體自噬相關(guān)基因和蛋白的表達(dá),從而提高RGCs的存活率[68]。此外,在N甲基-D-天冬氨酸受體誘導(dǎo)RGCs的興奮性毒性中,二甲雙胍可通過AMPK和MEK/ERK信號通路抑制RGCs的炎癥反應(yīng)損傷,進(jìn)而抑制RGCs的死亡[69]。

青光眼濾過性手術(shù)(glaucoma filtering surgery,GFS)被認(rèn)為是降低眼壓的最有效選擇。然而,術(shù)中組織損傷可能會刺激結(jié)膜成纖維細(xì)胞遷移、增殖,并從成纖維細(xì)胞分化為肌成纖維細(xì)胞,這雖然是傷口修復(fù)的重要過程,但通常會導(dǎo)致瘢痕的形成[70]。目前臨床上廣泛應(yīng)用絲裂霉素(MMC)或5-氟尿嘧啶(5-FU)等抗結(jié)膜瘢痕藥物來改善GFS的預(yù)后,但由于一些嚴(yán)重的并發(fā)癥(如黃斑變性、濾過性囊泡滲漏和角膜上皮功能障礙)而受到限制[71]。研究發(fā)現(xiàn),二甲雙胍可通過激活A(yù)MPK/Nrf2信號通路調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞極化,從而預(yù)防青光眼濾過手術(shù)后的纖維化及結(jié)膜瘢痕的形成[72]。此外,氧化應(yīng)激引起小梁網(wǎng)結(jié)構(gòu)損傷和功能障礙,造成房水引流障礙后導(dǎo)致的病理性高眼壓是青光眼發(fā)病過程中的重要環(huán)節(jié)[73]。然而,目前并沒有直接的證據(jù)證實(shí)二甲雙胍對氧化應(yīng)激引起小梁網(wǎng)結(jié)構(gòu)損傷和功能障礙具有抑制作用。

以上研究結(jié)果表明,二甲雙胍在改善RGCs的線粒體功能,調(diào)節(jié)線粒體自噬、減少RGCs死亡、保護(hù)視神經(jīng)功能和預(yù)防GFS后纖維化方面具有有一定作用,但進(jìn)一步應(yīng)用于臨床仍舊需要更多的基礎(chǔ)研究和臨床驗(yàn)證。

4 總結(jié)與展望

二甲雙胍作為治療2型糖尿病的一線藥物,不僅具有良好的降血糖作用,而且能通過激活A(yù)MPK依賴型通路或非依賴型通路對多種年齡相關(guān)性疾病發(fā)揮防治作用。臨床研究表明,長期服用二甲雙胍可降低多種與年齡相關(guān)的病理風(fēng)險,包括心血管相關(guān)疾病、神經(jīng)退行性疾病和癌癥等。其中,二甲雙胍的抗氧化應(yīng)激、抗炎和誘導(dǎo)自噬等作用與年齡相關(guān)性眼病的病理變化密切相關(guān),為防治年齡相關(guān)性眼病提供了新思路。然而,目前大多數(shù)關(guān)于二甲雙胍與年齡相關(guān)性眼病的回顧性研究中,研究對象均為糖尿病患者。二甲雙胍是否在非糖尿病患者的年齡相關(guān)性眼病中取得同樣顯著的效果值得臨床進(jìn)一步研究證實(shí)?；诙纂p胍的藥物代謝動力學(xué)特性,其最佳藥物劑量及濃度和藥物傳遞系統(tǒng)也需要更進(jìn)一步研究[74]。此外,長期使用二甲雙胍需要注意潛在的維生素B12缺乏癥。

近年來,二甲雙胍在年齡相關(guān)性眼病的廣泛研究中展現(xiàn)了其良好的應(yīng)用前景。然而,目前二甲雙胍在年齡相關(guān)性眼病的研究仍處于起步階段,其作用機(jī)制和潛在應(yīng)用價值有待于進(jìn)一步深入挖掘。