糖尿病視網(wǎng)膜神經(jīng)變性機(jī)制研究進(jìn)展

劉一諾 張雨晴 邵毅

(南昌大學(xué)第一附屬醫(yī)院眼科，江西 南昌 330006)

糖尿病現(xiàn)已成為較為普遍的一種疾病，同時伴隨著多種并發(fā)癥。根據(jù)國際糖尿病聯(lián)盟(IDF)2017年統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示：全球糖尿病患者約有4.25億，預(yù)計到2045年，糖尿病患者可能達(dá)到6.29億〔1〕。隨著經(jīng)濟(jì)水平不斷上升糖尿病已經(jīng)成為一種流行疾病，糖尿病患者中糖尿病視網(wǎng)膜病變(DR)等并發(fā)癥疾病的發(fā)病率也在上升。盡管糖尿病患者中DR發(fā)病率如此之高，但目前對DR的篩查和治療策略主要集中在DR的晚期階段，在此階段代償機(jī)制已失效，視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)和視力已被嚴(yán)重影響〔2〕，因此需要更好地了解疾病早期的發(fā)病機(jī)制。在對DR深入研究中發(fā)現(xiàn)，DR不是一種單純的微血管疾病，而是一種更復(fù)雜的糖尿病并發(fā)癥，糖尿病視網(wǎng)膜神經(jīng)變性(DRN)是早期DR的關(guān)鍵過程〔2，3〕。DRN是指在DR的早期改變中出現(xiàn)神經(jīng)細(xì)胞凋亡和反應(yīng)性膠質(zhì)增生，這在視網(wǎng)膜中被認(rèn)為是一個進(jìn)行性和退行性的過程〔4，5〕。在人類及1型和2型糖尿病小鼠模型中，DRN先于DR微血管病變這一結(jié)果已被多項研究報道〔6，7〕。了解DRN機(jī)制對DR的治療具有重要意義，本文旨在系統(tǒng)性地總結(jié)出這些變性機(jī)制。

1 DR的病理生理學(xué)

1.1DR的臨床特征 DR的特征通常是微血管異常，如不規(guī)則血管和微動脈瘤，導(dǎo)致微出血〔8〕。這類受損的血管容易使血液、脂質(zhì)和液體漏出視網(wǎng)膜，導(dǎo)致黃斑水腫和視力模糊。

1.2DRN 糖尿病影響完整的視網(wǎng)膜神經(jīng)血管單位(NVU)，在可觀察到血管病變之前會發(fā)生早期神經(jīng)血管耦合喪失，漸進(jìn)性神經(jīng)變性〔9〕。NVU是指中樞神經(jīng)系統(tǒng)中神經(jīng)元、膠質(zhì)細(xì)胞和高度專門化的血管系統(tǒng)之間的功能耦合和相互依賴〔10，11〕。視網(wǎng)膜內(nèi)血管缺乏自主神經(jīng)支配，NVU對復(fù)雜的循環(huán)和神經(jīng)信號的動態(tài)自我調(diào)節(jié)反應(yīng)對于調(diào)節(jié)通過視網(wǎng)膜內(nèi)部的血流至關(guān)重要〔12〕。在正常的視網(wǎng)膜中，視網(wǎng)膜血管內(nèi)皮與神經(jīng)元的神經(jīng)膠質(zhì)和周皮細(xì)胞相互作用，以響應(yīng)代謝需求來控制視網(wǎng)膜血流〔13〕。糖尿病視網(wǎng)膜中神經(jīng)血管耦合的喪失導(dǎo)致自身調(diào)節(jié)受損，并可能由于代謝功能障礙導(dǎo)致神經(jīng)元丟失。視網(wǎng)膜由不同類型的神經(jīng)元構(gòu)成：神經(jīng)節(jié)細(xì)胞、無長突神經(jīng)細(xì)胞、雙極細(xì)胞、水平細(xì)胞、光感受器。這些神經(jīng)元被組織成視網(wǎng)膜組織中的特定層并形成一個復(fù)雜的神經(jīng)回路，使用分級的電活動轉(zhuǎn)化成動作電位將視覺信號傳遞到大腦。通過視網(wǎng)膜電圖評估神經(jīng)膠質(zhì)功能表明神經(jīng)節(jié)、雙極細(xì)胞、無長突神經(jīng)細(xì)胞和光感受器細(xì)胞功能會因糖尿病而發(fā)生改變〔14〕。目前，多項研究結(jié)果表明視網(wǎng)膜神經(jīng)變性是早期事件而不是血管損傷的結(jié)果〔15〕。

1.3DRN的分子變化 健康的視網(wǎng)膜出現(xiàn)炎癥即會引起神經(jīng)功能的障礙、神經(jīng)膠質(zhì)過多癥，隨即引起白細(xì)胞停滯和內(nèi)皮細(xì)胞死亡，出現(xiàn)血-視網(wǎng)膜屏障破裂、膠質(zhì)增生增加(此過程又可引起視網(wǎng)膜炎癥)，之后產(chǎn)生微動脈瘤、出血、毛細(xì)血管功能喪失的癥狀，最后導(dǎo)致增生性視網(wǎng)膜病變(新生血管、水腫、纖維化)，這即是DRN的分子改變。

2 影響DRN的相關(guān)因素

2.1高血糖、炎癥和氧化應(yīng)激 急性和慢性高血糖及血糖的高變異性與低級炎癥和氧化應(yīng)激相關(guān)。在高血糖的早期階段，轉(zhuǎn)錄因子被激活，從而釋放炎癥因子，觸發(fā)微膠質(zhì)細(xì)胞的激活，導(dǎo)致視網(wǎng)膜的輕度炎癥〔16〕。長期的高血糖會導(dǎo)致周細(xì)胞凋亡或死亡，以及血管壁功能障礙。炎癥被定義為對不同病理刺激反應(yīng)引起的級聯(lián)現(xiàn)象。炎癥與細(xì)胞因子的增加有關(guān)，特別是血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)、白細(xì)胞介素(IL)-6、IL-8、腫瘤壞死因子(TNF)-α等〔17，18〕，炎癥基因C-C基序趨化因子配體(CCL)2、細(xì)胞間黏附分子(ICAM)-1、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活因子(STAT)3、趨化因子受體(CCR)5和分化決定簇抗原(CD)44的表達(dá)增加在對糖尿病大鼠整個視網(wǎng)膜的基因組評估中被發(fā)現(xiàn)〔19〕，炎癥是高血糖的繼發(fā)效應(yīng)〔20〕。它在糖尿病及其晚期并發(fā)癥包括DR的發(fā)展中起著重要的作用，糖基化終末產(chǎn)物過量產(chǎn)生會導(dǎo)致過載的氧化應(yīng)激，并激活炎癥過程〔21〕。視網(wǎng)膜上有大量多不飽和脂肪酸，這使得它對氧化應(yīng)激特別敏感〔22〕。在高血糖條件下，葡萄糖代謝增強(qiáng)，導(dǎo)致糖酵解增強(qiáng)和線粒體超氧陰離子(O2-)過量產(chǎn)生，而超氧陰離子是其他活性氧物種(ROS)的重要底物〔23〕。ROS合成增加激活了4條經(jīng)典途徑〔24〕，并作用于血管緊張素轉(zhuǎn)化酶系統(tǒng)〔25〕，每個途徑的激活進(jìn)一步促進(jìn)了ROS的產(chǎn)生與正反饋，從而加強(qiáng)了氧化和對視網(wǎng)膜血屏障結(jié)構(gòu)的損害〔26〕。

2.2多形核中性粒細(xì)胞(PMNs) 外周血PMNs是主要的炎癥細(xì)胞之一，可能對內(nèi)皮細(xì)胞的損傷有顯著影響。活化的中性粒細(xì)胞對內(nèi)皮細(xì)胞的損傷作用機(jī)制與大量ROS、蛋白水解酶和細(xì)胞因子的釋放有關(guān)。此外，增加的中性粒細(xì)胞聚集和黏附內(nèi)皮被證明會導(dǎo)致白細(xì)胞栓塞和毛細(xì)血管堵塞，從而引起隨后的血流損害和“組織缺血”。在生理上，PMNs的死亡是通過程序性細(xì)胞死亡，即凋亡(未刺激細(xì)胞)或壞死(活化細(xì)胞)〔27〕。在糖尿病患者中，外周血循環(huán)中PMNs的活性增加，同時它們對刺激的反應(yīng)變差。糖尿病患者體內(nèi)能夠反映細(xì)胞活性的大量特異性表達(dá)受體CD11b/CD18的循環(huán)PMNs明顯高于健康對象〔28，29〕。PMNs產(chǎn)生的O2-和H2O2與煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)氧化酶的激活密切相關(guān)。結(jié)果表明，該酶活性在高血糖和低血糖情況下均顯著升高，反映了在神經(jīng)退行性變中起關(guān)鍵作用的輕度炎癥反應(yīng)。

2.3谷氨酸興奮性毒性 谷氨酸是視網(wǎng)膜中的一種關(guān)鍵的神經(jīng)遞質(zhì)，中樞神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)元凋亡通常與細(xì)胞外谷氨酸的釋放增加有關(guān)，它被認(rèn)為在急性和慢性神經(jīng)變性中起核心作用〔30〕。視網(wǎng)膜中谷氨酸濃度的增加會導(dǎo)致過度激活，并導(dǎo)致所謂的“興奮性毒性”，導(dǎo)致神經(jīng)變性〔31〕。Müller視網(wǎng)膜細(xì)胞(一種視網(wǎng)膜大膠質(zhì)細(xì)胞)主要負(fù)責(zé)細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外的谷氨酸水平。谷氨酸有2種代謝途徑：酰胺化為谷氨酰胺和轉(zhuǎn)氨化為α-酮戊二酸。大量研究表明過量的谷氨酸鹽神經(jīng)元細(xì)胞與中樞神經(jīng)系統(tǒng)和視網(wǎng)膜中的丟失是相關(guān)的。膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元中谷氨酸和谷氨酰胺之間的平衡會在糖尿病中發(fā)生改變，可能在視網(wǎng)膜神經(jīng)退行性變中發(fā)揮重要的作用。糖尿病中出現(xiàn)這種現(xiàn)象有幾種潛在的機(jī)制，首先，高血糖情況下，Müller細(xì)胞中的谷酰胺合成酶活性降低；其次谷氨酸氧化為α-酮戊二酸受損；最后，Müller細(xì)胞攝取谷氨酸減少，導(dǎo)致谷氨酸在神經(jīng)視網(wǎng)膜細(xì)胞外積累〔32〕。谷氨酸升高水平與神經(jīng)變性有關(guān)〔33〕，谷氨酸興奮性毒性是DRN的關(guān)鍵過程。

2.4神經(jīng)保護(hù)因子合成失衡 神經(jīng)元生存、生長和功能依賴于神經(jīng)營養(yǎng)因子和生長因子的局部可用性。神經(jīng)營養(yǎng)因子的失調(diào)被認(rèn)為是糖尿病過程中視網(wǎng)膜神經(jīng)退行性變的主要原因。具有神經(jīng)保護(hù)作用的視網(wǎng)膜因子包括色素上皮衍生因子(PEDF)、生長抑素、間質(zhì)視黃醇結(jié)合蛋白(IRBP)、腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(BDNF)和神經(jīng)生長因子(NGF)在糖尿病中的療效和濃度均降低〔34〕。有趣的是，神經(jīng)營養(yǎng)因子如VEGF、胰島素生長因子(IGF)-1和促紅細(xì)胞生成素在糖尿病發(fā)現(xiàn)不久后也降低，但都隨著增生性視網(wǎng)膜病變發(fā)展而增加。這種雙向反應(yīng)的性質(zhì)仍不確定。PEDF和生長抑素的主要來源是視網(wǎng)膜色素上皮，兩者都有抗血管生成和神經(jīng)保護(hù)的特性。PEDF可預(yù)防氧化應(yīng)激和谷氨酸興奮性毒性〔35，36〕。生長抑素是一種內(nèi)源性神經(jīng)保護(hù)肽和神經(jīng)遞質(zhì)，先前的研究發(fā)現(xiàn)糖尿病患者的眼結(jié)構(gòu)中生長抑素減少〔37〕。IRBR由光感受器產(chǎn)生并參與視覺周期，研究發(fā)現(xiàn)IRBP水平在DR初期明顯降低，視網(wǎng)膜神經(jīng)變性與IRBP下調(diào)密切相關(guān)〔38〕。BDNF和NGF主要由膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞合成和分泌，BDNF為視網(wǎng)膜神經(jīng)元和無長突細(xì)胞提供營養(yǎng)支持，恢復(fù)NGF水平可預(yù)防神經(jīng)元死亡的早期凋亡。VEGF是一種被廣泛描述的因子，因為參與了抗凋亡信號的傳遞，在維持內(nèi)皮細(xì)胞完整性方面具有重要作用。此外，VEGF可能具有神經(jīng)保護(hù)作用，有研究發(fā)現(xiàn)，在大鼠中注射阻斷所有VEGF亞型的抗體后，神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的劑量依賴性降低〔39〕。所有的神經(jīng)營養(yǎng)因子和許多生長因子都負(fù)責(zé)視網(wǎng)膜的功能和結(jié)構(gòu)圖像，其對神經(jīng)元分化、存活、神經(jīng)突生長、突觸形成和可塑性有強(qiáng)有力的影響〔40〕。

3 DR關(guān)鍵機(jī)制

由于遺傳和環(huán)境的因素會導(dǎo)致糖尿病及胰島素抵抗，從而引起高血糖癥、氧化應(yīng)激、PMNs、晚期糖基化、炎癥細(xì)胞因子發(fā)揮影響，導(dǎo)致神經(jīng)退化和微血管病。同時，谷氨酸興奮性中毒及其引起的神經(jīng)保護(hù)因子的喪失也會促使神經(jīng)退化，神經(jīng)退化和微血管病皆會引起神經(jīng)與血管的損傷，最終導(dǎo)致DR。

綜上，基于這些早期階段發(fā)病機(jī)制的基礎(chǔ)上，若能開發(fā)出更好診斷技術(shù)對疾病加以評估，在明顯血管異常之前就能夠發(fā)現(xiàn)神經(jīng)變性并對癥治療，DR的診療也會更上一層樓。目前對糖尿病誘導(dǎo)的視網(wǎng)膜神經(jīng)變性和微血管疾病之間關(guān)系的了解仍然有限，DRN可能代表糖尿病視網(wǎng)膜損傷的最早跡象，然而，目前臨床上還沒有為糖尿病患者提供神經(jīng)保護(hù)治療，我們期待治療DR的神經(jīng)保護(hù)藥物更多的研發(fā)，因為DRN 早期治療可能會減少 DR 的進(jìn)展。近年來，對視網(wǎng)膜厚度和對無創(chuàng)精確評估被廣泛引入臨床實踐，對視網(wǎng)膜神經(jīng)功能障礙的篩查也應(yīng)被臨床推廣，這可以對DR進(jìn)行早期評估，并具有潛在的治療意義。