糖尿病早期視網膜神經元退行性病變與自噬的相關性研究現狀

李貴富，李春霞

糖尿病（Diabetes Mellitus，DM）已成為威脅人類健康的常見慢性代謝性疾病。據估計，到2035年全球DM患者人數將升至5.9億人左右[1]。其中糖尿病視網膜病變（Diabetic Retinopathy,DR）是DM臨床上嚴重損害視力的主要微血管病變。隨著DM發病率的上升，DR已成為全世界工作人群中的致盲性眼病之一[2]。DR是視網膜血管系統疾病，視網膜神經元退行性病變是導致微血管變化的主要病理學原因[3]。視網膜神經元退行性病變的特征性表現主要為視網膜神經節細胞（Retinal ganglion cells，RGCs）凋亡增加和神經膠質細胞反應性增高。自噬是在應激條件下維持細胞穩態和細胞存活的重要代謝途徑之一。相關研究顯示，自噬在視網膜神經元退行性病變中發揮重要作用[4]。本文對DM早期視網膜神經元退行性病變與自噬之間的關系進行綜述，為早期預防和治療DR提供新的策略。

1　DM早期視網膜神經元退行性病變表現

1.1　視網膜神經節細胞凋亡

RGCs是一種能將視覺信息傳遞給大腦的傳入神經元，RGCs的凋亡是損害視力的主要因素。RGCs位于視網膜內層，是視網膜神經細胞在DM相關的凋亡過程中最先檢測到的指標之一[5]。誘導RGCs凋亡的因素有很多，如多元醇通路激活、晚期糖基化終末產物積聚、氧化應激、谷氨酸興奮性毒性和炎癥反應，都會影響DR中的RGCs凋亡。越來越多的研究表明，RGCs損傷發生在DR的早期階段，可能在可觀察到的視網膜血管病變之前[6]。RGCs凋亡的增加會使視網膜神經纖維層（retinal nerve fiber，RNFL）厚度減少，通過光學相干斷層成像技術可以觀測到這一現象[7]。Evre Pekel[8]等人通過對69例糖尿病眼與49例健康眼的RNFL的橫斷面對照研究發現，非DR的糖尿病患者雙眼的RNFL厚度不等，而與健康眼對比，前者的RNFL厚度變薄。實際上，在發生臨床可檢測的視網膜血管病理變化之前，以及在實驗性小鼠I型DM模型建立后的短時間內，通過視網膜電圖檢測可發現異常的波形和傳導時間延長[9]。這表明視網膜神經元的損害是在DM病理狀態的影響下發生的早期事件。

1.2　神經膠質細胞反應性增高

神經膠質細胞是神經系統的間質細胞，數量為神經元的10~50倍。具有支持和保護神經元、調節神經遞質和影響突觸的形態功能等，在中樞神經系統的生理病理中發揮重要作用。其中小膠質細胞和Müller細胞是視網膜中主要的神經膠質細胞類型[10]。DM的異常代謝改變對于神經膠質細胞的刺激可能是誘導視網膜神經元發生病理變化的因素之一。

1.2.1小膠質細胞活化小膠質細胞主要位于RNFL層、RGCs層和內、外叢狀層[10]。在神經退行性疾病中，小膠質細胞在相關神經炎癥的發生中發揮關鍵作用[11]。小膠質細胞是中樞神經系統的固有免疫細胞，具有傳感器和執行器的功能以及細胞的吞噬能力。電鏡下未活化的小膠質細胞呈分枝狀，主要功能是維護內環境穩定，應激狀態下活化的小膠質細胞呈阿米巴狀，小膠質細胞活化后釋放多種炎性因子，如一氧化氮 （NO）、腫瘤壞死因子-α（TNF-α)、白介素-6（IL-6）等[10,11]，進而引起損傷神經元細胞的損傷。相關研究報道，鏈脲佐菌素誘導的I型DM大鼠模型，在造模成功4周左右即出現視網膜中小膠質細胞的數量增多，細胞形態產生變化，分枝狀外觀變短變粗，小膠質細胞被活化[12]。另一研究發現，鏈脲佐菌素誘導的I型DM大鼠模型，造模成功4個月時，RGCs層、外叢狀層和內叢狀層出現小膠質細胞數量增加，RGCs神經元發生損害[13]。因此在DM早期神經元退行性病變中小膠質細胞的活化可能是誘導視網膜神經元細胞損害的原因之一。

1.2.2視網膜Müller細胞反應性增高視網膜Müller細胞（Retinal Müller cells，RMCs）是唯一貫穿視網膜，并與視網膜血管和視網膜神經元緊密接觸的細胞。RMCs通過釋放神經元營養因子，回收神經遞質，以及控制細胞外的離子平衡來維持視網膜內環境的穩態[14]。RMCs具有監測視網膜結構和功能的特性，其過程圍繞視網膜血管，從而控制視網膜屏障，也是視網膜細胞之間分子轉移的導管。膠質纖維酸性蛋白（glial fibrillary acidic portein,GFAP）是反應性膠質增生的常見標記物。在正常生理狀態下，RMCs通常不表達GFAP[15]。DR中RMCs反應的表現之一是GFAP增加，間接反映了視網膜神經元的損害。早期實驗研究表明，高血糖條件會誘導RCMs釋放血管內皮生長因子 （vascular endothelial growth factor，VEGF）、色素上皮衍生因子、促炎細胞因子和趨化因子，如 IL-1β，IL-6，TNF-α和趨化因子配體-2（CCL2）[16,17]。隨著 RMCs中促炎細胞因子和 VEGF的增加，進而刺激視網膜中慢性炎癥環境與DR后期新生血管的形成。RMCs反應性增高是早期視網膜神經元退行性病變的表現特征之一，與DR的發生與發展密切相關。

2　自噬與DM視網膜神經元退行性病變

2.1　自噬的定義及分類

自噬是一種維持細胞穩態和細胞存活的代謝途徑之一，在應激條件下細胞中蛋白質、脂類甚至整個細胞器被自噬體和溶酶體消除利用。根據待降解材料到達溶酶體的方式進行分類，自噬有三種主要類型：①巨自噬：細胞質成分被吞噬在雙膜結構中形成自噬體，這些細胞器與溶酶體融合進行降解吞噬[18]。②分子伴侶介導的自噬：僅發生在哺乳動物細胞中，允許具有特定氨基酸序列的蛋白質進行選擇性降解[19]。③微自噬：通過溶酶體或膜的內陷達到溶酶體腔發生自噬[20]。

2.2　氧化應激與RGCs自噬

由高血糖引起的異常代謝可導致自由基如羥自由基和超氧化物自由基過度生成，這些稱為活性氧（reactive oxygen species，ROS）[21]。ROS 在調節細胞生長、分化、存活和死亡的信號通路中發揮重要作用。氧化應激是DR發病機制中的關鍵病理因素之一，ROS的積累可導致氧化應激，引起視網膜血管和周圍的組織的損傷，最終導致DR神經元退行性病變。ROS的產生主要取決于兩個因素：線粒體氧化磷酸化和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸酯氧化酶系統[22]。線粒體是主要產生內源性ROS的細胞器，通過線粒體電子鏈產生超氧化物如O2-和 H2O2。在高糖條件下，線粒體產生的ROS增加誘導氧化應激，進而誘發自噬[23]。RGCs具有較高密度的線粒體，這使得它們對能量缺乏更敏感而且易受氧化應激的影響。

2.2.1ROS誘導自噬相關基因4失活ROS中H2O2通過調節自噬相關基因 4（autophagy-related gene 4，ATG4）的活性而作為誘導自噬體形成的信號分子。H2O2可以結合到ATG4的半胱氨酸81位點，形成可逆的亞磺酸或二硫鍵，從而影響可以直接激活ATG4的半胱氨酸77位點，并使微管相關蛋白1輕鏈 3（microtubule-associated protein 1 light chain 3，MAP1-LC3）進行脂質化，隨后引發它與磷脂酰乙醇胺結合[24]。這個過程對于自噬體的形成至關重要。自噬體形成后融合到溶酶體發生自噬，局部環境轉化為H2O2缺乏，ATG4恢復激活狀態，MAP1-LC3被脫脂并再循環，進而自噬體的形成增多[24]。氧化應激可能會影響ATG4的活性并誘導自噬。自噬相關基因4同源物B（ATG4B）是在人和小鼠中發現的酵母ATG4同源物。Yoshimura K等人[25]發現在視網膜中ATG4B的mRNA水平升高。實驗研究[26]也發現來自ATG4B失活小鼠的視網膜顯示MAP1-LC3脂質化明顯降低和自噬晚期標志物SQSTM1水平的表達增加，與對照組相比，ATG4B小鼠存活的RGCs數量也降低。說明ATG4可能在RGCs的自噬中起關鍵作用。

2.2.2腺苷酸活化蛋白激酶信號通路激活RGCs具有高密度的線粒體，氧化應激會破壞線粒體結構，進而導致能量失衡。腺苷酸活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK） 信號通路是一種調節細胞能量的代謝途徑，當營養缺乏或AMP/ATP比例上升時，會激活AMPK信號通路[27]。活化的AMPK促進結節硬化復合體蛋白1/2（Tuberous sclerosis complex1/2，TSC1/2）的形成，TSC1/2可以降低腦內富含的小G蛋白Ras同系物（Ras homolog enriched in brain，RHEB）的 GDP 結合形式，并增加其GDP酶活性。許多體內和體外的研究已經證明RHEB-GTP抑制雷帕霉素靶蛋白 （mammalian target of rapamycin，mTOR）的活性[28]。所以在 AMPK-TSC1-TSC2-RHEB通路中mTOR被抑制，隨后自噬被激活。RGCs中自噬增強最終導致的細胞死亡可能與AMPK的激活相關。

2.3　自噬與RMCs反應性增高

在DR中RMCs反應性增高，其已發現的病理改變表現之一為VEGF升高，這與DR晚期新生血管的形成病變密切相關。至今，抗VEGF治療已成為治療DR的重要靶點。Jacqueline M等人[29]研究發現：當RMCs暴露于高糖環境時，高糖會上調RMCs自噬的啟動，但由于溶酶體功能障礙，早期自噬標記物p62和晚期自噬標記物SQTSM1增加。這種積累導致大量的VEGF釋放和誘導RMCs凋亡。說明在高糖條件下抑制自噬會導致RMCs更高的凋亡率。在雷帕霉素（自噬誘導劑）治療下，自噬激活后減少了早期自噬標記物p62和晚期自噬標記物SQTSM1的積累，阻止了RMCs的VEGF釋放。該實驗結果表明了RMCs在高糖條件下中自噬的受損是RMCs反應性增高后釋放血管內皮生長因子的重要因素，溶酶體功能障礙和和自噬受損是DR病理改變中的早期變化。從上述看來，自噬與RMCs反應性增高互相關聯，改變自噬在RMCs中的平衡對于治療DR可能是新的方向。

3　展望

DM早期視網膜神經元退行性病變是DR早期病理改變，也是DR發展過程的重要因素之一。在DM早期視網膜神經元退行性病變的病理改變都與自噬相關聯，自噬在DR的發展中貫穿整個細胞凋亡的過程。自噬相關的機制在當今學術界已被研究的越來越多，而自噬與DM早期視網膜神經元退行性病變之間的相關機制尚需進一步深入的研究。對自噬過程的調節可能是早期預防DR視力損害和治療DR的有效途徑之一。