脂肪因子與糖尿病視網膜病變的研究進展

李猷娜,姚潤蓮

0引言

無論是發展中國家還是發達國家,糖尿病(DM)的患病率都在逐年上升。根據國際糖尿病聯盟(International Diabetes Federation,IDF)發布的《全球糖尿病地圖(第10版)》,2021年,估計有5.37億人患有DM,預計2045年將達到7.83億。我國是成人DM患者人數最高的國家之一,預計到2045年仍將如此[1]。糖尿病視網膜病變(DR)是DM常見的微血管病變之一,也是成人失明的主要原因。由此可見,尋找 DR預防與治療的特異性靶點至關重要。DR的發展是一個錯綜復雜的過程,已知的DR病理機制主要是由于持續高血糖誘導的氧化應激、血管通透性異常、微血管動脈瘤、血管阻塞和內皮細胞功能障礙,視網膜血管通透性增加、神經退行性變、新生血管形成,最終導致血-視網膜屏障破壞[2-5]。研究表明,脂肪因子在DR的發生和發展中具有重要作用。脂肪因子不僅可以直接通過血液循環作用于血管內皮,還能通過影響交感神經系統活性、胰島素敏感性等方式間接影響血管內皮功能[6]。本文就幾種新型脂肪因子在DR的發生發展中的作用進行綜述。

1脂質運載蛋白2

脂質運載蛋白2(LCN2),也稱為中性粒細胞明膠酶相關脂質運載蛋白(NGAL)或癌基因24p3,是脂肪因子超家族的一種分泌型糖蛋白。LCN2首先從人中性粒細胞中分離出來,并被描述為α2-微量白蛋白相關蛋白質。通過核磁共振光譜測定,LCN2的三級結構包含1個N-末端310-樣螺旋,隨后是由2個α-螺旋包圍的8個反平行的β-折疊,進而形成1個杯狀口袋[7]。LCN2是一種循環蛋白,與巨蛋白/糖蛋白和GP330 SLC22A17或24p3R LCN2受體結合后,負責將小分子和疏水分子(類固醇、游離脂肪酸、前列腺素和激素)轉運至靶器官[8]。LCN2在介導先天免疫反應、炎癥反應、鐵穩態、細胞遷移和分化、能量代謝和體內其他過程中具有多種生物學功能[9]。此外,LCN2在侵襲性亞型的癌癥組織中含量也很豐富[7]。

LCN2是多種炎癥和代謝過程的多效性介質,其分泌主要由感染、損傷和代謝紊亂引起[10]。既往研究表明,DM和DR均屬于慢性炎癥疾病。Mahfouz等[11]發現2型糖尿病(T2DM)患者血清LCN2水平較正常人顯著升高,且LCN2表達水平與胰島素抵抗指數、DM相關標志物以及DM的病程進展呈正相關。LCN2在視網膜中主要由視網膜色素上皮(RPE)細胞分泌,可以通過調節細胞因子和趨化因子的產生,以及通過調節抗氧化酶促進細胞活力和減少凋亡,從而保護視網膜免受炎癥誘導的退化[12]。在內毒素誘導的葡萄膜炎(EIU)中,LCN2在Müller細胞中表達顯著上調,脂多糖(LPS)刺激的Müller細胞可顯著提高LCN2的表達,而LCN2又可以減少Müller細胞中腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、白細胞介素-6(IL-6)和單核細胞趨化蛋白-1(MCP-1)的表達和分泌[13]。Ahn等[14]研究表明,炎癥小體的激活可以調節小鼠巨噬細胞中LCN2的分泌,核苷酸結合寡聚化結構域樣受體蛋白3(NLRP3)可減弱LCN2表達。然而,Kim等[15]研究發現,LCN2通過激活核因子-κB(NF-κB)通路可以直接上調NLRP3炎癥體復合物,以協助LPS刺激巨噬細胞,且充當促炎調節劑。已知NF-κB通路是影響DM和DR發展的關鍵因素,綜上,LCN2既可以通過減少炎癥因子的分泌抑制眼部炎癥,又可以通過激活NF-κB通路發揮促炎作用。

細胞焦亡是一種炎性形式的程序性細胞死亡,分為經典的半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-1(caspase-1)依賴途徑與非經典的caspase-11依賴途徑[16]。Zhang等[17]對增殖性糖尿病視網膜病變(PDR)患者的視網膜增殖膜進行研究,發現caspase-1表達水平增高。Su等[18]研究表明,DR視網膜內皮細胞中LCN2的表達顯著上調,用sh-LCN2轉染后,可以顯著下調消皮素D(GSDMD)/caspase-1/NLRP3信號軸相關蛋白的表達,且沉默LCN2可以抑制NLRP3/caspase-1介導的細胞焦亡。煙酰胺腺嘌呤二核苷酸依賴的去乙酰化酶1(SIRT1)是一種公認的負責性別決定區Y框蛋白9(SOX9)脫乙酰化的脫乙酰酶,可通過SOX9脫乙酰化促進其核轉位,從而增加LCN2的表達,進一步誘導血管內皮生長因子(VEGF)和炎癥相關因子的分泌,以及細胞凋亡、遷移和血管生成,并最終促進脈絡膜新生血管(CNV)誘導的年齡相關性黃斑變性(ARMD)的血管形成[19]。由此可見,沉默LCN2可以改善血管內皮細胞功能障礙,抑制DR的發展。此外,研究發現,過高表達的LCN2可介導鐵離子轉運,導致細胞內鐵離子過度聚集,產生過量氧自由基引發過氧化反應,誘導晚期糖基化終末產物(AGEs)受體增加,從而導致炎癥反應[20]。目前已證實LCN2可以參與DR的發生發展,但具體機制仍不能明確,其能否成為DR的治療靶點仍需進一步研究。

2 C1q/腫瘤壞死因子相關蛋白3

C1q/腫瘤壞死因子相關蛋白3(CTRP3),2001年首次發現于經處理以誘導軟骨形成分化的小鼠間充質干細胞中。由于其大小和N-末端膠原蛋白結構域中的23個Gly-X-Y重復序列,最初被命名為CORS26[21]。后來Wong等[22]確定其為脂聯素同源物家族成員,命名為腫瘤壞死因子相關蛋白(CTRP),CORS26被重新命名為CTRP3。CTRP3是脂肪因子超家族的一個新的獨特成員,其在多種組織中具有獨特的作用,如增加肝臟脂質氧化、保護缺血的心血管、減弱炎癥反應以及促進軟骨細胞增殖和分化等。CTRP3以自分泌、旁分泌和內分泌的方式發揮作用。

脂聯素具有抗DM作用,且是DM的預測因子,CTRP3作為脂聯素同源物家族成員,同樣可以作為DR的獨立預測因子。Yan等[23]通過校正其他危險因素后進行多元回歸分析顯示CTRP3與DR呈負相關(P<0.05),并證實,CTRP3以AMP依賴的蛋白激酶(AMPK)通路抑制高糖高脂(HGHL)誘導的血管細胞黏附分子-1(VCAM-1)在人視網膜微血管內皮細胞(HRMECs)中的表達,但并不顯著影響細胞間黏附分子-1(ICAM-1),這一發現不同于其他脂聯素,后者可以同時抑制ICAM-1和VCAM-1的表達,提示CTRP3可能在DM微血管病變的發病機制中作為一種更具選擇性的介質預防炎癥反應。DM中高糖(HG)誘導的代謝異常可導致活性氧(ROS)的過量產生,ROS的產生和抗氧化防御系統之間的不平衡可激活氧化應激反應,從而促進DR的發病。研究表明,核因子紅細胞2相關因子2(Nrf2)途徑的激活可保護視網膜免受DM誘導的損傷,并潛在防止視力喪失,CTRP3過表達增強了HG刺激的人視網膜色素上皮細胞(ARPE-19)中Nrf2/HO-1通路的激活,敲除Nrf2可逆轉CTRP3介導的氧化應激和細胞凋亡,這表明CTRP3可能通過激活Nrf2/HO-1通路抑制HG誘導的氧化損傷[24]。Li等[25]研究表明,CTRP3可促進前體脂肪細胞(3T3-L1)中脂聯素、瘦素、內脂素和脂肪細胞因子的表達和分泌,其可通過AMPK信號通路上調3T3-L1脂肪細胞中脂聯素的表達,并通過降低3T3-L1脂肪細胞中的炎癥反應提高胰島素敏感性。已有研究證實,DR患者視網膜受損后,血-視網膜內屏障(iBRB)完整性降低,CTRP3可抑制了HGHL造成的iBRB損傷,表明CTRP3對DR的保護作用機制主要是保護iBRB的屏障功能,CTRP3還可以通過AMPK1/閉鎖蛋白(Occludin)、緊密連接蛋白5(Claudin5)途徑抑制HGHL誘導的iBRB功能損傷[26]。CTRP3過表達可通過抑制HG刺激的小鼠腎小球系膜細胞(MCs)中Janus蛋白酪氨酸激酶2(JAK2)/信號轉導和轉錄活化因子3(STAT3)通路的激活,抑制細胞增殖和細胞外基質(ECM)生成,從而治療糖尿病腎病[27]。

近年來,CTRP3在DM發生發展中的潛在保護作用逐漸受到重視,目前研究證實,CTRP3可以通過抑制炎癥因子、保護視網膜內屏障及視網膜免受氧化損傷、增加胰島素敏感性等多方面對視網膜產生“保護”作用,未來可對CTRP3能否抑制視網膜新生血管的生成進行研究,從而延緩DR的發展。

3網膜素-1

網膜素-1(Omentin-1),也稱為Intelectin-1,是一種38-40 kDa的脂肪因子,由Yang等[28]在2003年從內臟網膜脂肪組織的cDNA文庫中鑒定出來,Omentin mRNA主要在內臟脂肪組織的基質血管中表達,在皮下脂肪庫和成熟脂肪細胞中幾乎檢測不到。Omentin-1屬于胰島素抵抗潛在介質,來源于人胎盤及脂肪組織的脂肪因子,參與胰島素抵抗過程[29]。據報道,健康個體的Omentin-1水平約為370±120 ng/mL,但在肥胖患者、糖耐量受損者,尤其是T2DM患者中顯著降低[30]。與皮下脂肪型肥胖相比,Omentin-1對DM的預后影響更大[31]。Omentin-1是一種具有胰島素增敏、抗氧化、抗炎和抗動脈粥樣硬化作用的脂肪因子[32]。

研究表明,Omentin-1通過抑制內質網應激和氧化應激,并通過激活AMPK/過氧化物酶體增殖物激活受體δ(PPARδ)途徑促進一氧化氮(NO)的產生,從而抑制HG誘導的血管內皮功能障礙[30]。Xu等[33]研究證明外源性Omentin-1可通過AMPK/蛋白激酶B(Akt)信號通路減弱血管平滑肌細胞的成骨分化,從而減輕動脈鈣化。El-Mesallamy等[34]研究T2DM患者和有無缺血性心臟病的埃及人群Omentin-1的循環水平發現,白介素-6(IL-6)水平是影響血清Omentin-1水平的獨立危險因素,表明Omentin-1受炎癥調節,炎癥可以將T2DM與心血管并發癥的進展聯系起來。Kazama等[35]首次發現Omentin可抑制TNF-α誘導的血管平滑肌細胞炎癥。Zhong等[36]發現Omentin可以通過阻斷細胞外調節蛋白激酶/核轉錄因子κB(ERK/NF-κB)信號通路抑制ICAM-1和VCAM-1的表達,隨后抑制TNF-α激活的內皮細胞和單核細胞黏附,由此抑制內皮功能障礙的發生。Chen等[37]研究發現游離脂肪酸(FFA-)可以抑制人臍靜脈內皮細胞(HUVECs)的增殖和遷移能力,促進血管內皮細胞中連續單層細胞的修復,這對于維持血管內皮細胞完整性至關重要,聯合應用Omentin-1后可以增加S和G2期細胞比例,從而刺激HUVECs增殖,因此Omentin-1可以促進FFA-處理后受損的HUVECs遷移能力。該研究表明Omentin-1可能有助于維持血管內皮的完整性。臨床研究發現,與單純的T2DM患者相比,DR患者血清中Omentin水平顯著減低,且血清中Omentin水平與視網膜病變的嚴重程度呈負相關[38]。由此可見,Omentin-1可能通過抑制NF-κB通路和激活AMPK/Akt通路發揮作用,對DM和DR患者具有保護作用,推測足夠水平的Omentin-1可以預防DR的發生發展,未來可能會成為DM和DR篩查和靶向治療的有前途的標志物,但還需要更深入的研究。

4脂肪細胞因子

脂肪細胞因子(Apelin)是從牛胃提取物中分離出的生物活性生長因子,被認為是血管緊張素Ⅱ1型受體相關蛋白(APJ)的內源性配體,屬于G蛋白偶聯受體家族,能夠介導血管生成[39]。Apelin編碼序列位于染色體Xq25-q26.1上,天然Apelin肽由77個氨基酸殘基組成的前原蛋白的C-末端部分產生[40]。Apelin廣泛表達于人體組織中,在調節體液和葡萄糖穩態方面發揮著重要作用[41]。

Li等[42]報道Apelin在糖尿病性黃斑水腫(DME)患者的玻璃體液中表達上調,Apelin在正常和HG條件下均可誘導人視網膜微血管內皮細胞(HRMECs)的增殖和遷移,同時促進細胞骨架和緊密連接蛋白的磷酸化,提示Apelin/APJ系統參與DR的病理過程。Lu等[43]證實Apelin參與了視網膜前膜(ERM)的形成,且Apelin在PDR ERMs中的表達明顯高于特發性ERM,Apelin促進了外膜的形成,外膜在血管生物學中起著重要作用,可以分化為內皮細胞、平滑肌細胞和系膜細胞,參與修復血管損傷。Chen等[44]通過體外實驗證明,HG處理的人微血管內皮細胞(HMEC-1)中微小RNA-503(miR-503)呈高表達,而Apelin-12呈低表達。miR-503可顯著上調HG處理的HMEC-1細胞中氨基末端蛋白激酶(JNK)/絲裂原活化蛋白激酶p38抗體(p38 MAPK)信號通路的磷酸化,但Apelin-12顯示出相反的作用,miR-503又可直接作用于Apelin-12,提示miR-503可能通過Apelin-12影響HG誘導的HMEC-1細胞損傷。由此可見,高血糖可以通過miR-503抑制Apelin-12的表達,從而影響內皮的炎癥反應。Lu等[45]報道,內皮細胞中的Apelin/APJ系統參與黏附分子和趨化因子的活化,這對于內皮炎癥相關疾病的發生非常重要。Kasai等[46]研究證明Apelin表達上調可導致氧誘導性視網膜病變(OIR)的小鼠視網膜內皮細胞過度增殖和病理性血管生成。Kasai等[47]證明Apelin/APJ系統通過磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)/Akt信號通路引起內皮細胞過度增殖和病理性血管生成,靶向敲除內皮細胞中的Apelin,可以抑制PI3K/Akt信號通路激活信號轉導分子3(Smad3),誘導MCP-1的表達,同時抑制Apelin可以加速周細胞的募集。由此可見Apelin與DR病理性血管的生成息息相關。目前雖然確定Apelin具有明確的抗DM功效,但關于其潛在機制的報道卻有矛盾,未來進一步細化Apelin亞型可能會有所發現。在已確定的Apelin亞型中,Apelin-13具有改善葡萄糖耐量和胰島素敏感性的能力,以及增強胰島素分泌的潛在作用。既往研究發現,Apelin-13可改善DM并發癥[48]。

5小結與展望

除上述因子外,還有許多其他脂肪因子。Vaspin[49]是一種內臟脂肪組織衍生的絲氨酸蛋白酶抑制劑,具有胰島素增敏、抗炎、抑制細胞凋亡等多種生物學活性。Vaspin對正常內皮細胞沒有作用,不能預防TNF-α誘導的炎癥損傷[50]。然而Jung等[51]通過實驗驗證Vaspin可以抑制TNF-α誘導的血管內皮細胞NF-κB活化及炎癥細胞和黏附分子的表達,進而改善內皮細胞的炎癥反應。分析產生兩種不同結果的原因可能與檢測方法等有關,因此需要更多的研究進一步證實Vaspin在血管內皮中的作用。

綜上所述,脂肪因子對DR的發生發展起著至關重要的作用。多種脂肪因子均參與DR的發生發展過程,機制復雜,目前研究有限,未來需進一步深入研究,有望為DR的治療提供新的思路。