糖尿病視網(wǎng)膜病變的病理生理學(xué)研究進(jìn)展

馮曉彤 柯 靜 朱 琳 趙 冬

(首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京潞河醫(yī)院內(nèi)分泌代謝與免疫性疾病中心 糖尿病防治研究北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 101149)

糖尿病視網(wǎng)膜病變(diabetic retinopathy, DR)是糖尿病最常見的慢性并發(fā)癥之一。據(jù)統(tǒng)計(jì),2017年全球20～79歲人群中有4.25億人患有糖尿病,預(yù)計(jì)到2045年糖尿病患者將增加到6.29億,與此同時DR患病人數(shù)也將隨之增加[1]。研究[2-3]顯示,DR是導(dǎo)致亞太地區(qū)中老年群體新發(fā)失明的主要病因,全球約51%的DR致盲患者來自亞太地區(qū)。2017年美國糖尿病協(xié)會對DR分級進(jìn)行了詳細(xì)的描述,大致可以分為4個階段,分別為輕度、中度、重度非增殖期DR和增殖期DR。在疾病的早期階段,由于視網(wǎng)膜血流的改變、血管通透性增加、基膜增厚、周細(xì)胞缺失等,導(dǎo)致微血管瘤、靜脈串珠、視網(wǎng)膜微血管異常等病理改變,此階段又可分為輕度、中度和重度非增殖性DR階段。隨著缺血的增加,視網(wǎng)膜分泌生長因子導(dǎo)致視網(wǎng)膜內(nèi)表面血管的增殖,甚至侵入玻璃體,新生血管比較脆弱,更加容易泄漏以及破壞,導(dǎo)致玻璃體內(nèi)出血,甚至導(dǎo)致視網(wǎng)膜脫落[4-5]。

神經(jīng)血管單元(neurovascular unit, NVU)是由視網(wǎng)膜血管內(nèi)皮細(xì)胞、周細(xì)胞、膠質(zhì)細(xì)胞(星型膠質(zhì)細(xì)胞和Müller細(xì)胞)等多種細(xì)胞構(gòu)成的復(fù)合體。NVU 結(jié)構(gòu)及功能的完整性是維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)的基礎(chǔ),除此之外,NVU 有調(diào)整局部血流,滿足視網(wǎng)膜功能及代謝需求的作用。NVU損害是DR的早期階段,也是DR進(jìn)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[6]。

1 血管內(nèi)皮細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能受損

在DR進(jìn)展過程中,血管內(nèi)皮細(xì)胞的損傷、凋亡、異常增殖,以及細(xì)胞連接的破壞是導(dǎo)致血-視網(wǎng)膜屏障功能異常的重要原因。

1.1 視網(wǎng)膜微血管內(nèi)皮細(xì)胞的損傷和凋亡

在DR中,血管內(nèi)皮細(xì)胞的損傷及凋亡是導(dǎo)致血-視網(wǎng)膜屏障功能異常的一個重要原因[7]。氧化應(yīng)激、炎癥反應(yīng)、內(nèi)皮細(xì)胞增殖障礙及衰老是視網(wǎng)膜內(nèi)皮細(xì)胞損傷和凋亡的發(fā)生機(jī)制。首先,氧化應(yīng)激在DR的發(fā)病機(jī)制中起著重要的作用,持續(xù)高糖刺激導(dǎo)致糖基化終產(chǎn)物(advanced glycation end products, AGEs)積聚,進(jìn)一步導(dǎo)致活性氧(reactive oxygen species, ROS)的產(chǎn)生,ROS的持續(xù)產(chǎn)生導(dǎo)致視網(wǎng)膜內(nèi)皮細(xì)胞的凋亡[8]。其次,在DR中,視網(wǎng)膜血管內(nèi)皮細(xì)胞表面的糖萼、白細(xì)胞黏附分子、血小板內(nèi)皮黏附分子等的含量發(fā)生改變,從而導(dǎo)致血管通透性增加、白細(xì)胞黏附增加,導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞更易黏附白細(xì)胞,炎癥反應(yīng)增加,進(jìn)而導(dǎo)致?lián)p傷和凋亡,而內(nèi)皮細(xì)胞的死亡導(dǎo)致無細(xì)胞毛細(xì)血管的形成,即所謂的血管退化,從而導(dǎo)致DR中的進(jìn)展性缺血[7]。另有臨床研究[9]表明,在一次富含AGE的飲食后,無論糖尿病患者還是非糖尿病患者,均觀察到內(nèi)皮細(xì)胞功能發(fā)生改變。一項(xiàng)研究[10]中測定了55例接受玻璃體切除治療的增殖期DR患者的玻璃體中可溶性細(xì)胞內(nèi)皮黏附分子-1(soluble intercellular adhesion molecules-1, sICAM-1), 可溶性血管內(nèi)皮細(xì)胞黏附因子-1(soluble vascular endothelial cell adhesion factor-1, sVCAM-1)和可溶性E-選擇素的表達(dá)水平,結(jié)果表明增殖期DR患者玻璃體中這3種分子的表達(dá)量均高于對照組。在糖尿病小鼠模型中也可觀察到內(nèi)皮細(xì)胞的凋亡和無細(xì)胞毛細(xì)血管的形成[11]。

1.2 血管內(nèi)皮細(xì)胞間細(xì)胞連接的破壞

血管內(nèi)皮細(xì)胞連接是由緊密連接、黏附物連接和間隙連接組成的復(fù)合物。細(xì)胞連接除了發(fā)揮細(xì)胞與細(xì)胞間黏附作用外,還發(fā)揮調(diào)節(jié)內(nèi)皮細(xì)胞生長、細(xì)胞存活、維持細(xì)胞極性及通透性的作用。病理狀態(tài)下,緊密連接蛋白的破壞會導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞通透性增加。同時,緊密連接mRNA和蛋白表達(dá)下調(diào)是血視網(wǎng)膜屏障破壞的主要機(jī)制之一。在高糖、高脂飲食的2型糖尿病小鼠模型中,增加胰高血糖素樣肽-1(glucagon-likepeptide-1, GLP-1)受體表達(dá)可增加緊密連接蛋白緊密連接蛋白-1(zonula occludens-1,ZO-1)的表達(dá),進(jìn)而改善血管滲漏和視網(wǎng)膜屏障功能[12]。另有研究[13]表明,一種基于寡核苷酸的藥物CD5-2也通過增加內(nèi)皮細(xì)胞中血管內(nèi)皮鈣黏蛋白(vascular endothelial cadherin,VE-cadherin)的表達(dá)維持血-視網(wǎng)膜屏障的完整。

2 內(nèi)皮細(xì)胞-周細(xì)胞改變及機(jī)制

周細(xì)胞是中胚層起源的特殊的可收縮間充質(zhì)細(xì)胞,周細(xì)胞緊貼內(nèi)皮細(xì)胞并與內(nèi)皮細(xì)胞共用一層基底膜,可調(diào)節(jié)血管張力和灌注壓[14]。周細(xì)胞一方面對血管壁起到機(jī)械性的支撐作用,另一方面通過分泌信號與細(xì)胞-細(xì)胞間直接接觸的方式,完成與視網(wǎng)膜微血管內(nèi)皮細(xì)胞的交流,以此來維持血管壁的完整性[15]。在視網(wǎng)膜中,周細(xì)胞與內(nèi)皮細(xì)胞比例為1∶1,這個比例要大于血-腦脊液屏障中1∶3的比例,說明周細(xì)胞對血-視網(wǎng)膜屏障的結(jié)構(gòu)及功能的完整性至關(guān)重要[16]。

2.1 周細(xì)胞功能異常及丟失

周細(xì)胞功能異常及丟失是DR早期的病理改變之一,周細(xì)胞的功能改變早于周細(xì)胞的丟失,主要表現(xiàn)在周細(xì)胞對毛細(xì)血管直徑和舒縮反應(yīng)的控制受到了影響[17]。周細(xì)胞的遷移可導(dǎo)致周細(xì)胞丟失增加[18]。高糖環(huán)境中,周細(xì)胞從原始血管上的遷移導(dǎo)致周細(xì)胞的凋亡及丟失,隨后周細(xì)胞的丟失會破壞血-視網(wǎng)膜屏障的完整性,改變血管的通透性。一項(xiàng)動物研究[19]表明,在非糖尿病小鼠視網(wǎng)膜中,周細(xì)胞的刺激能產(chǎn)生明顯的血管舒縮反應(yīng),而在糖尿病小鼠視網(wǎng)膜中血管的舒縮反應(yīng)減弱,周細(xì)胞在局部精細(xì)調(diào)節(jié)毛細(xì)血管直徑方面發(fā)揮重要作用。在 XLacZ 小鼠模型中,高血糖狀態(tài)提高了周細(xì)胞的遷移數(shù)量,周細(xì)胞對毛細(xì)血管的黏附減少,數(shù)量減少[20]。

2.2 周細(xì)胞-內(nèi)皮細(xì)胞相互交流的破壞

周細(xì)胞-內(nèi)皮細(xì)胞的相互交流對血管神經(jīng)單元的完整性及功能至關(guān)重要。研究[21]表明一些旁分泌和自分泌信號通路對周細(xì)胞-內(nèi)皮細(xì)胞交流的調(diào)節(jié)發(fā)揮重要作用,例如血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)、血小板源性生長因子亞單位B(platelet-derived growth factor subunit B, PDGFB)、血管生成素樣蛋白(angiopoietin)、轉(zhuǎn)化生長因子-β(transforming growth factor-beta, TGF-β)等,其中PDGFR-PDGFRβ信號通路為發(fā)育中的血管募集周細(xì)胞。在DR中,血管生成素樣蛋白2(angiopoietin 2)的表達(dá)上調(diào),可影響PDGFB刺激通路,從而影響周細(xì)胞的招募,導(dǎo)致病理性血管的生成[22]。同時,周細(xì)胞通過VEGF信號通路調(diào)節(jié)內(nèi)皮細(xì)胞在視網(wǎng)膜血管生成中的增殖和發(fā)芽,另有動物實(shí)驗(yàn)[23]也表明,VEGF受體缺失的小鼠存在內(nèi)皮細(xì)胞出芽缺陷,以上均提示內(nèi)皮細(xì)胞和周細(xì)胞的相互作用對于維持視網(wǎng)膜的正常結(jié)構(gòu)和功能具有重要的意義。

3 神經(jīng)細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的改變

視網(wǎng)膜NVU的膠質(zhì)細(xì)胞包括小膠質(zhì)細(xì)胞(microglia)和兩種大膠質(zhì)細(xì)胞(星型膠質(zhì)細(xì)胞和Müller細(xì)胞)[24]。小膠質(zhì)細(xì)胞是駐留在視網(wǎng)膜中的特殊的單核巨噬細(xì)胞,在DR中,激活的小膠質(zhì)細(xì)胞釋放促炎癥介質(zhì),包括細(xì)胞因子、半胱天冬酶和谷氨酸等,在初始的有害刺激下,小膠質(zhì)細(xì)胞可以維持促炎因子和抗炎因子的平衡,當(dāng)有害刺激持續(xù)存在時,這種平衡就會打破而達(dá)到一種促炎因子占主導(dǎo)的狀態(tài),除此之外,激活的小膠質(zhì)細(xì)胞還會促進(jìn)血管內(nèi)皮細(xì)胞增殖、遷移及通透性改變[25-26],而炎癥因子可進(jìn)一步導(dǎo)致小膠質(zhì)細(xì)胞增殖,形成惡性循環(huán)[27]。

4 結(jié)語

NVU 的損害是 DR發(fā)生和發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[6],包括內(nèi)皮細(xì)胞損傷、凋亡及內(nèi)皮細(xì)胞間緊密連接的破壞、周細(xì)胞的丟失、內(nèi)皮細(xì)胞-周細(xì)胞相互作用的破壞等,目前對于DR 的病理生理學(xué)機(jī)制還存在很多未知的領(lǐng)域,DR的治療手段也仍然非常有限,目前主要針對重度非增殖期和增殖期病變進(jìn)行治療,缺乏早期的防治手段,因此明確DR的病理生理過程有助于尋找早期防治的靶點(diǎn)和手段。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突。

作者貢獻(xiàn)聲明馮曉彤、朱琳:資料查閱和收集,撰寫論文;柯靜:制定論文方案,撰寫和修訂論文;趙冬:提出文章思路,總體把關(guān),審定論文。