糖尿病性角膜病變發(fā)病機(jī)制的研究進(jìn)展

吳 蓉，陸曉和

0 引言

糖尿病是一組由多種因素導(dǎo)致胰島素分泌不足和(或)其生物作用缺陷、以靜脈血漿葡萄糖含量升高為臨床特征的代謝性疾病。根據(jù)2010年的調(diào)查顯示，在20歲以上的人群中，糖尿病的患病率高達(dá)9.7%，其中大部分患者出現(xiàn)了眼部的并發(fā)癥，據(jù)報(bào)道有47%～64%的糖尿病患者會出現(xiàn)糖尿病性角膜病變(diabetic keratopathy，DK)[1]。DK是由 Schultz最先提出并命名，分為原發(fā)性DK和繼發(fā)性DK，原發(fā)性是指糖尿病本身引起的角膜病變，繼發(fā)性是指糖尿病患者行眼部手術(shù)后引起的角膜并發(fā)癥[2]。本文主要討論原發(fā)性DK，雖然原發(fā)性DK的發(fā)病機(jī)制尚未完全闡明，但多年來國內(nèi)外學(xué)者已對其進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)性和應(yīng)用性研究，并取得了一定的進(jìn)展，以下就原發(fā)性DK的主要臨床表現(xiàn)相對應(yīng)的發(fā)病機(jī)制進(jìn)行綜述。

1 糖尿病性角膜病變的臨床表現(xiàn)

1.1干眼癥干眼癥發(fā)病機(jī)制包括淚膜不穩(wěn)定、淚液滲透壓升高、眼表炎癥和損害、神經(jīng)感覺異常等[3]。有資料顯示糖尿病患者中干眼癥的發(fā)病率約52.8%[2]，干眼癥在糖尿病患者中的發(fā)病率與糖尿病患者年齡、病程和血糖控制情況以及是否存在糖尿病視網(wǎng)膜病變有一定的相關(guān)性[3-4]。

1.2角膜上皮損傷包括上皮再生遲緩、淺層點(diǎn)狀角膜炎、反復(fù)的上皮糜爛、無菌性潰瘍、上皮通透性增加等[5]。

1.3角膜知覺減退角膜神經(jīng)主要是由三叉神經(jīng)眼支的感覺神經(jīng)纖維組成，同時(shí)也存在少量腎上腺素能和乙酰膽堿能植物神經(jīng)纖維[6]，糖尿病引起的角膜神經(jīng)病變可導(dǎo)致角膜知覺減退。文獻(xiàn)報(bào)道糖尿病患者平均中央角膜知覺顯著低于正常對照組[7]。

1.4角膜中央厚度增加國內(nèi)外許多研究者對正常人和糖尿病患者的角膜中央厚度進(jìn)行測量，結(jié)果顯示糖尿病患者角膜中央厚度增加[8-9]。

2 發(fā)病機(jī)制

2.1干眼癥發(fā)病機(jī)制

2.1.1淚液分泌減少Alves等[10]發(fā)現(xiàn)糖尿病小鼠淚液重量的減少與淚腺結(jié)構(gòu)的改變有關(guān)。目前國內(nèi)外關(guān)于DK引起的淚液減少的發(fā)病機(jī)制為：(1)醛糖還原酶途徑：在高血糖的狀態(tài)下，葡萄糖在增強(qiáng)的醛糖還原酶作用下轉(zhuǎn)換為山梨醇和果糖[11]。山梨醇在細(xì)胞內(nèi)的累積導(dǎo)致副淚腺細(xì)胞發(fā)生滲透性水腫，從而淚液基礎(chǔ)分泌量減少[12]；(2)糖尿病周圍神經(jīng)病變可通過影響支配淚腺分泌的神經(jīng)造成淚液分泌減少，角膜知覺能力減退引起淚液反射性分泌減少[7]；(3)高血糖可導(dǎo)致瞼板腺上皮細(xì)胞凋亡引起淚膜脂質(zhì)層減少，從而促進(jìn)干眼的發(fā)生[13]。

2.1.2淚膜成分的改變有研究顯示糖尿病患者淚液中的炎癥因子IL-1β及TNF-α的表達(dá)增高[10,14]，提示炎癥在DK患者干眼癥的發(fā)生起到了重要作用。除炎癥因子的改變外，淚液中的P物質(zhì)和胰島素也發(fā)生了變化，它們具有提供營養(yǎng)支持、促進(jìn)淚腺新陳代謝的作用，它們的減少促進(jìn)了DK干眼癥的發(fā)生[13]。

2.1.3眼表地形改變糖尿病可導(dǎo)致角膜發(fā)生相應(yīng)的形態(tài)學(xué)變化[15-16]，眼表地形改變可導(dǎo)致淚膜分布不均從而導(dǎo)致干眼癥的發(fā)生，但目前相關(guān)臨床與基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究較少，且存在一定爭議[17]，我們需要進(jìn)一步研究其中的關(guān)系。

2.2角膜知覺減退的發(fā)病機(jī)制

2.2.1醛糖還原酶途徑山梨醇在Schwann細(xì)胞中的積聚產(chǎn)生機(jī)械壓迫和毒性作用損害神經(jīng)軸突，從而導(dǎo)致了神經(jīng)傳導(dǎo)速度的下降,同時(shí)山梨醇在細(xì)胞內(nèi)聚集造成肌醇大量的減少，蛋白激酶C活性下降，Na+-K+-ATP酶的活性下降，一方面導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)Na+含量增高，細(xì)胞水腫，神經(jīng)細(xì)胞脫髓鞘改變；另一方面經(jīng)膜Na+濃度降低，神經(jīng)傳導(dǎo)速度減慢[1-2]。醛糖還原酶途徑活性增加也導(dǎo)致NADPH消耗增加，使還原型谷胱甘肽生成減少，組織的抗氧化能力降低，自由基的清除減少，引起細(xì)胞損傷；且NADH/NAD比值增加又阻止了糖酵解途徑中 3-磷酸甘油醛向1，3-二磷酸甘油酸的轉(zhuǎn)化，影響組織能量代謝，造成細(xì)胞相對缺氧[1]。

2.2.2糖基化作用晚期糖基化終末產(chǎn)物(advanced glycation end-products，AGEs)是蛋白質(zhì)、氨基酸、脂類或核酸等物質(zhì)的游離氨基與還原糖的羰基經(jīng)過縮合、重排、裂解及氧化修飾等一系列反應(yīng)后形成的一類穩(wěn)定的終末產(chǎn)物的總稱，糖尿病患者的病理性高血糖可加速糖基化反應(yīng)。有研究顯示AGEs可促進(jìn)體外培養(yǎng)的Schwann細(xì)胞和神經(jīng)細(xì)胞的凋亡，擾亂神經(jīng)細(xì)胞軸漿運(yùn)輸，導(dǎo)致軸突變性萎縮[18]；經(jīng)糖基化修飾的Schwann細(xì)胞髓磷脂蛋白易被巨噬細(xì)胞識別吞噬，引起神經(jīng)纖維節(jié)段性脫髓鞘等，但目前尚無AGEs與糖尿病角膜神經(jīng)病變相關(guān)性的直接性研究。

2.2.3免疫機(jī)制免疫機(jī)制促進(jìn)了糖尿病角膜神經(jīng)病變的發(fā)生和進(jìn)展。研究發(fā)現(xiàn)糖尿病性角膜病變患者存在相關(guān)免疫功能紊亂、神經(jīng)細(xì)胞損傷及神經(jīng)軸索萎縮和消失，致使神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)抗原蛋白漏出，進(jìn)一步激活免疫系統(tǒng)，產(chǎn)生神經(jīng)自身抗體，最終導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞凋亡[19]。除以上作用機(jī)制外，高糖環(huán)境下角膜神經(jīng)營養(yǎng)因子的減少也可導(dǎo)致糖尿病性角膜神經(jīng)病的病變的發(fā)生。

2.3糖尿病角膜上皮損傷的機(jī)制研究糖尿病患者會出現(xiàn)角膜上皮細(xì)胞層數(shù)減少、基底膜增厚、基底膜脆弱性增加、成分改變等[20-21]。

2.3.1糖基化AGEs主要有兩種致病機(jī)制(非受體介導(dǎo)和受體介導(dǎo)兩種途徑)，糖基化終末產(chǎn)物羧甲基賴氨酸(Nε-carboxymethyl lysine，CML)沉積于糖尿病患者角膜上皮基底膜，造成角膜上皮細(xì)胞基底膜的增厚及錨原纖維減少等，糖基化的層黏連蛋白和纖維連接蛋白對角膜上皮細(xì)胞黏附作用較差[22-23]，同時(shí)也減少了角膜上皮細(xì)胞的移行能力；另一方面，AGEs與AGEs受體(RAGE)的結(jié)合促進(jìn)了細(xì)胞內(nèi)活性氧(ROS)的生成，活化了細(xì)胞內(nèi)c-Jun氨基末端激酶和p38絲裂原活化蛋白激酶信號通路，從而加速了角膜上皮細(xì)胞的凋亡[18,24-25]。

2.3.2醛糖還原酶途徑增強(qiáng)的醛糖還原酶可破壞細(xì)胞內(nèi)正常的K+/Na+比例從而造成細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和完整性受損，且同時(shí)損傷機(jī)體氧化還原系統(tǒng)和神經(jīng)組織，影響能量的代謝障礙，造成角膜上皮細(xì)胞相對缺氧[11,26]，還可通過影響基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinases,MMPs)的表達(dá)促進(jìn)角膜上皮的損傷[27]。目前關(guān)于使用ARI藥物治療DK的臨床試驗(yàn)較少，可以進(jìn)一步探究ARI在DK中的治療作用。

2.3.3蛋白水解酶蛋白水解酶包括MMPs、纖溶酶原激活物(serpine)等，在胚胎發(fā)育、凝血、創(chuàng)口愈合和組織重塑中起著重要的作用[28]。

MMPs能降解細(xì)胞外基質(zhì)的幾乎所有成分[29],角膜上皮細(xì)胞、基質(zhì)中的成纖維細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞均可合成和分泌MMPs，且有研究顯示糖尿病可促進(jìn)MMPs的表達(dá)[30-31]。MMPs可降解角膜上皮基底膜的成分從而促進(jìn)角膜上皮的損傷[30-33]。有研究發(fā)現(xiàn)半乳糖喂養(yǎng)的小鼠角膜上皮內(nèi)MMP-10明顯增加，且伴有整合素α3β1的減少，在MMP-10降至正常時(shí)，整合素α3β1也恢復(fù)至正常[30-31]，說明了基底膜成分的改變可能是由于MMPs(特別是MMP-10)介導(dǎo)的蛋白降解導(dǎo)致的。關(guān)于糖尿病性角膜中MMPs表達(dá)增加的機(jī)制，目前有相關(guān)研究證實(shí)是某些生長因子、細(xì)胞因子的異常活動和AGEs表達(dá)升高的作用，但具體作用機(jī)制尚未明確[32]。

Serpine是一種絲氨酸蛋白酶抑制劑，主要抑制尿激酶纖溶酶原激活劑(uPA)，而uPA與細(xì)胞遷移和黏附所需的細(xì)胞外蛋白水解過程有關(guān)[34]。在角膜創(chuàng)傷愈合過程中serpine-1表達(dá)會升高，促進(jìn)角膜上皮細(xì)胞黏附和移行[35-36],有研究顯示糖尿病角膜上皮創(chuàng)傷修復(fù)過程中serpine-1的表達(dá)較正常角膜上皮修復(fù)組少，且對糖尿病組使用serpine-1后角膜修復(fù)速度加快，說明serpine-1的缺乏可能導(dǎo)致了糖尿病角膜上皮修復(fù)遲緩，為DK提供了治療方法[37-38]。

2.3.4生長因子生長因子是指存在于生物體內(nèi)，對生物的生長、發(fā)育具有廣泛調(diào)節(jié)作用的活性蛋白質(zhì)或多肽。(1)表皮生長因子(EGF)：EGF在角膜損傷后與角膜緣干細(xì)胞膜上EGFR結(jié)合，促進(jìn)角膜上皮、基質(zhì)細(xì)胞的快速分化和增殖[29]，EGFR信號在糖尿病角膜中表達(dá)明顯下降可能延緩糖尿病角膜上皮的修復(fù)。(2)肝細(xì)胞生長因子(HGF)：HGF主要是由角膜上皮細(xì)胞產(chǎn)生，其受體由角膜基質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生，Chandrasekher等[39]研究者發(fā)現(xiàn)HGF通過對細(xì)胞周期的調(diào)控可修復(fù)難治愈的角膜上皮損傷，Ljubimov等研究者檢測到了糖尿病患者中HGF的上調(diào)，但其受體表達(dá)降低，通過上調(diào)其受體的表達(dá)，糖尿病角膜上皮的修復(fù)得到了明顯的改善。(3)阿片類生長因子(OGF)：內(nèi)源性阿片物質(zhì)是類生長抑制因子，OGF與OGFR通過抑制或減緩細(xì)胞DNA的合成延緩了角膜上皮的增殖和創(chuàng)傷愈合[5]，在糖尿病患者和肥胖的老鼠中都出現(xiàn)了OGF的升高[40]。(4)胸腺素β4(Tβ4)：Tβ4是一種淋巴生長因子，主要存在于角膜上皮中，Tβ4通過促進(jìn)MMP-2和MMP-9的表達(dá)促進(jìn)角膜上皮的修復(fù)，通過抑制NF-κβ的表達(dá)抑制炎癥反應(yīng)[41-42]，Saghizadeh等[43]發(fā)現(xiàn)在糖尿病角膜中Tβ4含量明顯減少。除了以上因子，有研究顯示纖維母細(xì)胞生長因子(FGF)、胰島素生長因子(IGF)、角質(zhì)細(xì)胞生長因子(KGF)等與DK的發(fā)生也具有一定相關(guān)性[29]。

糖尿病角膜上皮病變的發(fā)生除了以上機(jī)制，還可能與microRNA[44-46]、甘油二酯-蛋白激酶P通路、某些信號分子有關(guān)，但這些機(jī)制都不是單獨(dú)作用的，它們共同作用導(dǎo)致糖尿病角膜上皮病變的發(fā)生。

2.4角膜中央厚度增加的發(fā)病機(jī)制

2.4.1膠原交聯(lián)有研究顯示，糖尿病是圓錐角膜和開角型青光眼的保護(hù)因子，這可能與DK導(dǎo)致的角膜基質(zhì)層膠原交聯(lián)增加了角膜的硬度和厚度有關(guān)[47]。角膜基質(zhì)層是非酶糖基化的靶點(diǎn)[48]，且Brummer等[49]研究發(fā)現(xiàn)，糖基化抑制劑的使用抑制了角膜基質(zhì)層的膠原交聯(lián)，說明糖基化促進(jìn)了角膜基質(zhì)層的膠原交聯(lián)[50]。

2.4.2基質(zhì)含水量增加角膜基質(zhì)厚度的增加多是由于分布在膠原纖維之間的黏多糖吸水膨脹成凝膠狀態(tài)，這與內(nèi)皮細(xì)胞的密度和形態(tài)有很大關(guān)系，多元醇途徑造成了內(nèi)皮細(xì)胞滲透壓升高，降低了Na+-K+-ATP酶泵功能，同時(shí)也造成了內(nèi)皮細(xì)胞肌醇的喪失，這些共同作用導(dǎo)致了角膜內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙，進(jìn)而造成角膜水腫。F-肌動蛋白參與維持內(nèi)皮細(xì)胞的形態(tài)和屏障功能，Kim等[51]發(fā)現(xiàn)DK患者的內(nèi)皮細(xì)胞的F-肌動蛋白纖維異常。另外DK患者角膜細(xì)胞長期處于缺氧狀態(tài)，從而導(dǎo)致無氧糖酵解增加，產(chǎn)生的乳酸增加，亦可引起角膜水腫[2]。

3 討論和展望

糖尿病已經(jīng)成為全球范圍內(nèi)的公共性疾病，其并發(fā)癥對糖尿病患者的生活質(zhì)量產(chǎn)生了巨大影響，導(dǎo)致患者就醫(yī)頻率和醫(yī)療費(fèi)用逐年增長，加重患者及其家庭的醫(yī)療負(fù)擔(dān)，盡管DK發(fā)病率較高，但仍未受到臨床醫(yī)生相應(yīng)的重視，希望在以后的臨床工作中，臨床醫(yī)生能對DK有更進(jìn)一步的認(rèn)識。本文主要就原發(fā)性DK的主要臨床表現(xiàn)和發(fā)病機(jī)制進(jìn)了綜述，但內(nèi)容較為局限且認(rèn)識不夠深刻，且未對其治療方法進(jìn)行綜述，希望能在以后的研究中彌補(bǔ)不足。