Muller細胞與糖尿病視網膜病變關系的研究進展

Muller細胞與糖尿病視網膜病變關系的研究進展

陳晶王華1李強翔

(湖南省老年醫院,湖南長沙410016)

關鍵詞〔〕糖尿病視網膜病變；Muller細胞

中圖分類號〔〕R587.1〔文獻標識碼〕A〔

基金項目：國家自然科學基金面上項目(81170823)；湖南省高層次衛生人才“225”工程培養項目資助;湖南省中醫藥科研計劃(21341)；中國博士后科學基金第53批面上資助(2013M531788)；湖南省衛生廳科研計劃課題(C2012-038)；湖南省自然科學基金(12jj5047)

通訊作者：李強翔(1970-)，男，博士后，主任醫師，碩士生導師，主要從事糖尿病研究。

1中南大學湘雅醫院眼科

第一作者：陳晶(1988-)，女，在讀碩士，主要從事糖尿病研究。

糖尿病視網膜病變(DR)是糖尿病微血管病變中最為常見的一種并發癥，主要表現為視力進行性損害。其早期病理特征是微血管功能改變，視網膜血管擴張；晚期則為新生血管破裂出血，玻璃體完整性喪失。目前，DR發生的確切機制尚不明確。近年來，有很多研究認為，DR的發生與Muller細胞有著密切的關系。下面就Muller細胞與DR的關系進行總結。

1Muller細胞的分布與功能

Muller細胞是一種神經膠質細胞，貫穿視網膜內界膜與外界膜之間。鄭宏華〔1〕發現，Muller細胞在視網膜各象限中分布較均勻，但各層分布差異性顯著，大小形態較為一致，主要集中在內網狀層、內核層及節細胞和神經纖維層，而視網膜細胞內的線粒體分布則與Muller細胞分布趨勢相一致，表明Muller細胞為視網膜細胞的重要組成部分，由于葡萄糖主要通過線粒體供給能量，因此認為神經元細胞供能來源大部分由Muller細胞提供〔2〕。另有研究顯示，在胚胎期，鼠視網膜細胞的發育時間與Muller細胞發育的時間相一致，且在神經元晚期發育階段中形成以Muller細胞為中心的柱狀結構，從而提供穩定的支架，為視覺形成奠定基礎〔3〕。近10年來的研究表明，Muller細胞不管是在形態上還是在功能上都表現有視網膜干細胞潛能，就哺乳動物而言，視網膜受到損傷后，Muller細胞的去分化及再增殖能力相對有限，需要一些生長因子、轉錄因子、細胞外基質等的參與，而這些因子通過特定的信號通路來完成，目前機制尚不明確〔4～8〕。總之，Muller細胞不僅是視網膜的支架，并且對神經細胞起到營養、支持、絕緣等保護作用。

2Muller細胞與DR

糖尿病會導致糖脂代謝異常，而高糖高脂、高胰島素等會進一步加速糖尿病血管病變的發展。王心蕊等〔9〕發現Muller細胞形態改變，線粒體等細胞器受到損傷，Muller細胞功能下降；另有研究發現，長期暴露于高濃度游離脂肪酸中的INS-1細胞、人血管內皮細胞，其增殖受到明顯抑制〔10〕，由此可推測：長期高脂可損傷視網膜Muller細胞，使其增殖受到抑制，不能完成修復功能，而導致DR。此外，在應用胰島素早期，胰島素可能通過激活 Muller細胞的K+通道，引起周細胞收縮，減少血流，從而促進DR進展〔11〕。有實驗研究觀察到，糖尿病早期Muller細胞核已發生改變，先于視網膜血管內皮細胞、周細胞〔12〕。因此，探討糖尿病視網膜Muller細胞發病機制具有早期診斷、治療的重大意義，而視網膜Muller細胞功能改變累及至DR主要與下列因素密切相關。

2.1谷氨酸的積累視網膜Muller細胞是唯一能合成谷氨酰胺合成酶(GS)的視網膜細胞，并對谷氨酸轉運體(主要是GLAST)有著高親和力，通過將谷氨酸逆濃度差由細胞外轉運到細胞內，由細胞內的GS將其轉化為谷氨酰胺，谷氨酰胺又被輸送給神經細胞重新合成谷氨酸，從而消除高濃度谷氨酸對神經毒性。高糖、缺血缺氧、高游離脂肪酸時，Muller細胞形態改變，血-視網膜屏障(BRB)受到損害，從而使谷氨酸滲漏到細胞間質；GLAST蛋白及mRNA表達減少，功能活化受到抑制，使其逆濃度差轉運谷氨酸過程受阻，谷氨酰胺合成減少；通過激活c-jun基因，下調 GS蛋白及mRNA表達，使得 GS生成減少，谷氨酸代謝下降。上述導致谷氨酸積累，而高濃度谷氨酸使谷氨酸受體(尤其是NMDA受體)功能過度活躍，Na+、Ca2+內流過多引起膜內外離子失衡，從而激活神經毒性信號轉導途徑，最終導致神經元細胞非正常凋亡。

2.2血管內皮生長因子(VEGF)的分泌增加目前，很多研究表明VEGF受多種因素調節參與DR新生血管的形成，主要由視網膜血管內皮、視網膜色素上皮、周細胞、Muller細胞及神經節細胞合成與分泌。有研究觀察到〔13〕，DR早期VEGF蛋白及VEGF mRNA表達、Muller細胞分泌的VEGF含量都明顯增高，并且呈時間依賴性，而VEGF的增高引起毛細血管通透性增強，造成BRB破壞 ,誘導血管生成素生成增加，共同促進新生血管的形成，造成視力不可逆性損害；在DR晚期，由于Muller細胞的凋亡，各種生物學功能下降，VEGF的合成相應減少。前者分析其主要原因如下：①VEGF的受體數目增加；②低氧誘導因子(HIF)-1α介導的低氧轉導通路被激活：HIF-1α是一種氧氣敏感性轉錄因子，參與細胞黏附、血管張力、細胞存活、代謝穩態等生理功能的調節，其高表達不僅能直接促進VEGF的表達，還可以通過增強VEGF mRNA的穩定性來提高VEGF的表達 。高胰島素、糖基化終末產物(AEGs)及高糖、缺氧等情況下，通過激活磷酸肌醇-3-激酶(PI3K)、絲-蘇氨蛋白激酶AKT(又稱蛋白酶B)、絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)和(FRAP)等信號途徑來增加HIF-1α蛋白水平，從而增加HIF-1α轉錄活性，通過誘導其下游基因VEGF的表達，進而增加VEGF mRNA的轉錄，從而最終誘使視網膜Muller細胞產生大量的VEGF，促進新生血管生成〔14〕。

2.3水通道蛋白4(AQP4)表達下降AQP4是介導水轉運的專一性通道蛋白，表達于不同組織和器官，視網膜細胞中主要定位于視網膜Muller細胞，主要功能時調節細胞內外水分平衡及水分轉運相關的各項生理活動，參與調節細胞外間隙大小及K+濃度〔15〕。有實驗觀察到〔16〕，缺氧缺血、高糖等條件下，Muller細胞受損，同時導致AQP4的表達下降，并且呈濃度-時間依賴性，機制可能是由于Muller細胞中谷氨酸鹽釋放、水、離子轉運障礙，細胞去極化，丟失大部分K+到細胞外，導致細胞內外K+，而AQP4介導水轉運可能伴有K+流出，通過足突將過多的K+泵入細胞，并伴有水外流，以代償滲透性的改變。另外，由于細胞間隙K+、H+及谷氨酰胺等興奮性氨基酸濃度上升，從而激活Muller細胞PKC，導致AQP4磷酸化，生物活性降低，細胞水腫。

2.4離子及離子通道的改變

2.4.1鈣離子與鈣離子通道鈣離子廣泛存在于細胞內外，參與細胞生長和信號傳遞等重要生理功能，作為信號傳遞過程的中心環節，有著重要的意義。有研究發現〔17〕，在DR中，Muller細胞通過增加鈣離子通道開放概率而增加細胞內鈣離子濃度，并與糖尿病病程呈正相關，包括血糖濃度、持續時間、胰島素濃度等，而高濃度血糖、高胰島素被認為是兩個獨立因素。總結可能原因如下：(1)激活Muller細胞上L型鈣離子通道，使鈣離子進入細胞內的量增加〔18〕；(2)鈣離子、VEGF通過激活PKC途徑，產生IP3，使鈣離子從鈣池中釋放〔19〕；(3)高血糖酶的糖基化直接抑制Ca2+-ATP酶活性，同時抑制Na+-Ca2+-ATP酶活性，使Ca2+從胞漿轉移到胞外受阻；(4)谷氨酸通過激活NMDA、AMPA受體，增加鈣離子內流〔20〕；(5)糖酵解導致體內pH值下降，從而促進鈣離子釋放〔21〕。Muller細胞的鈣離子內流增強激活鈣依賴型K+流，從而促進Muller細胞增殖；另一方面胞內的鈣超載，可誘導Muller細胞凋亡。

2.4.2鉀離子與鉀通道的改變正常成熟的Muller細胞胞膜具有高鉀離子傳導性，通過特定的通道高密度表達所致，主要包括：(1)Kir家族的內向整流通道，主要是Kir4.1和Kir2.1，前者是介導K+緩沖作用，后者幾乎無外向鉀離子流；(2)雙孔鉀離子通道(TASK)通道，允許去極化膜電位時的外向電流；(3)鈣離子依賴性鉀離子通道(BK通道)，需要胞內Ca2+濃度增加或膜去極化以進入開放狀態。有多個實驗觀察到〔22〕：Muller細胞分別在高糖、高胰島素、缺血缺氧的情況下，胞膜上的K+傳導性下降，導致視網膜K+動態平衡紊亂，影響Muller細胞的生物功能，最終使細胞死亡。總結原因可能與下述機制相關〔23〕：(1)Na+-K+-ATP酶活性下降，K+細胞內流減少，導致細胞外K+增高，使K+依賴性神經細胞興奮和谷氨酸鹽毒性；(2)Kir4.1蛋白的錯位及氧化應激，從而引起Kir4.1 通道介導的電流下調，損害跨膠質細胞 K+電流，導致細胞再極化過程受阻，損害細胞生物功能；(3)Kir2.1蛋白表達下降，使細胞外鉀進入細胞內的時間延長，影響細胞再極化過程，從而導致Muller細胞生物學功能下降，具體機制尚不清楚；(4)BK通道開放概率降低，使K+外流降低，并影響細胞去極化過程。由于胞外高鉀，影響內向修飾鉀通道，破壞離子和水平衡，最終導致Muller細胞死亡。

2.5細胞凋亡細胞凋亡是指為維持內環境穩定，由基因控制的細胞自主的有序死亡。有實驗研究觀察到〔9〕視網膜Muller細胞長時間暴露于高糖、高游離脂肪酸、缺血缺氧等環境中時，胞漿皺縮，線粒體空泡樣改變，染色質凝集貼附于核膜周邊，核固縮，并有凋亡小體形成。凋亡機制可分為3個主要方面：谷氨酸的神經毒性作用、鈣離子超載及氧化應激，其中氧化應激被認為是主要途徑。

2.5.1谷氨酸神經毒性上文已經提到，過多的谷氨酸通過影響谷氨酸受體的功能引起離子平衡紊亂，從而激活神經毒性信號轉導途徑。目前研究最多的機制是由NMDA受體所介導〔24〕：(1)谷氨酸-一氧化氮-cGMP途徑：NMDA受體活化引起突觸后神經元內Ca2+濃度升高，隨后與鈣調節蛋白結合，激活一氧化氮合成酶，增加一氧化氮的合成，從而激活鳥苷酸環化酶(GC)，使cGMP生成增多，作為第二信使導致神經毒性；(2)ATP的減少：鈣及鈣調蛋白依賴的蛋白磷酸酶的活動，使Na+-K+-ATP酶去磷酸化，活動加強，ATP消耗過多；線粒體內的Ca2+增多，削弱了呼吸鏈和ATP活動；增多的鈣活化了一氧化氮合成酶，一氧化氮增多，削弱了呼吸鏈中的某些含有亞鐵血紅素的組分，降低ATP酶的活性。

2.5.2鈣超載上文中對鈣離子超載的機制進行了描述，而鈣離子超載可以通過下列途徑損傷細胞，促進細胞凋亡〔25〕：(1)鈣依賴鈣激活蛋白酶活化而直接激活Caspases;(2)鈣激活蛋白酶裂解Bax而增加其促凋亡活性;(3)鈣激活蛋白酶還可通過Caspases執行凋亡,Ca2+信號能導致Bad活化,使線粒體對促凋亡Bcl-2家族成員敏感性增加,這可能與Ca2+能誘導MPTP(線粒體通透性改變孔)的開放有關;(4)同時由于MPTP的開放改變，導致線粒體腫脹，功能失調。

2.5.3氧化應激高糖、高游離脂肪酸等環境下，細胞內的自由基增多，均存在明顯的氧化應激現象〔26〕。氧化應激是指在各種有害刺激下體內的自由基和活性氮自由基產生過多，抗氧化系統不能與之抗衡，而通過調節各種信號轉到通路及基因表達而損傷組織、細胞等。關于Muller細胞氧化損傷的主要路徑為線粒體途徑，具體機制如下：由于氧自由基及活性氮自由基的增加，引起線粒體去極化，促進細胞色素C的釋放，觸發蛋白水解酶家族caspases激活的級聯反應，通過內源性凋亡途徑導致細胞死亡；另外，氧化應激下調bcl-2啟動子，觸發線粒體源性細胞凋亡。除此之外，細胞內Ca2+濃度增加，激活NF-kB，上調Fas的表達，與FasL結合增加，通過死亡受體通路，觸發caspases家族產生級聯反應，從而誘發細胞凋亡。

3展望

糖尿病早期視網膜Muller細胞的超微結構和生理功能就已經發生改變，影響整個DR的進展，因此，如何通過抑制或延緩甚至逆轉受損Muller細胞的功能，成為至關重要的一環，已經有學者提出通過移植Muller細胞來治療DR的提議。就目前而言，人們對Muller細胞的研究已從分子水平跨入基因水平，這對于進一步了解視網膜發病機制和治療有明顯幫助的。

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〔2015-02-11修回〕

(編輯李相軍)

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