糖尿病視網(wǎng)膜微血管病變相關(guān)信號通路及生理機制研究進展*

董志斌,胡永恒,呂旭東,李 岱**

(1．湖北科技學院醫(yī)學部藥學院,湖北 咸寧 437100;2．湖北科技學院第一附屬醫(yī)院/同濟咸寧中心醫(yī)院眼科)

糖尿病(diabetes mellitus,DM)是影響人類健康的重要危險因素之一,根據(jù)國際糖尿病聯(lián)合會數(shù)據(jù)顯示,到本世紀中葉全球糖尿病患者將達到6億多人[1]。糖尿病為一種代謝疾病,其機制是由于胰島B細胞分泌胰島素不足,或體外組織細胞對胰島素的敏感性降低,而導致血糖升高,臨床表現(xiàn)表現(xiàn)為多飲、多食、多尿及體重減輕[2]。在糖尿病的發(fā)展和轉(zhuǎn)歸過程中,體內(nèi)的一些信號通路及細胞因子在調(diào)控組織細胞增殖分化、抑制凋亡方面起到了關(guān)鍵作用,這些信號在調(diào)節(jié)細胞因子的蛋白質(zhì)磷酸化、去磷酸化與信號轉(zhuǎn)導相互作用之間的關(guān)系是復雜的。而糖尿病視網(wǎng)膜病變(DR)的發(fā)生及發(fā)展開始主要與微血管損傷導致毛細血管通透性增加有關(guān),進而導致視網(wǎng)膜組織缺氧。此外,組織在長期缺氧條件下會促進血管內(nèi)皮細胞生長因子(VEGF)表達,因此,長期慢性高血糖與組織細胞缺氧是導致視網(wǎng)膜微血管病變主要誘因[3]。本文主要在糖尿病視網(wǎng)膜微血管病變相關(guān)的信號通道、細胞因子、基因調(diào)控等方面做出綜述。

1 糖尿病視網(wǎng)膜微血管相關(guān)的生理機制

1.1 調(diào)節(jié)視網(wǎng)膜相關(guān)細胞因子

糖尿病視網(wǎng)膜微血管病變在發(fā)病機制中與各種細胞因子有關(guān),其中免疫細胞介導的Th1Th2細胞在免疫應(yīng)答和炎癥演變起到重要作用,包括內(nèi)皮細胞生長因子、腫瘤壞死因子、干擾素及白細胞介素等,這些細胞因子是信號通道發(fā)揮作用的前提,可以控制不同的信號通道。

1.1.1 視網(wǎng)膜組織細胞免疫相關(guān)細胞因子

糖尿病視網(wǎng)膜微血管病變發(fā)展過程中,抗原刺激并激活早期Th0細胞,并分化為具有不同功能的亞群有效細胞。其中T細胞是構(gòu)成免疫系統(tǒng)的主要細胞,T細胞主要介導細胞免疫應(yīng)答和機體特異性自身免疫性疾病,且Th1細胞免疫發(fā)生的機制主要與IL-2、IL-8、TNF-α及干擾素-γ(IFN-γ)等細胞因子的產(chǎn)生有關(guān)。而Th2細胞主要調(diào)節(jié)機體體液免疫應(yīng)答,產(chǎn)生IL-4、IL-6、IL-10等因子[4]。這些信號因子在炎性刺激下過分表達,進而引起視網(wǎng)膜炎癥反應(yīng),從而促進視網(wǎng)膜炎性增生。

1.1.2 血管內(nèi)皮細胞生長因子(VEGF)

在視網(wǎng)膜血管損傷修復中,內(nèi)皮細胞生長因子起到至關(guān)重要的作用,其主要調(diào)節(jié)視網(wǎng)膜的微血管生長,以及促進視網(wǎng)膜微血管修復。但到后期,內(nèi)皮生長因子過度表達,促進微血管過度生長,導致視網(wǎng)膜微血管增厚分支過多,從而影響視網(wǎng)膜微血管供血功能,是糖尿病視網(wǎng)膜微血管病變發(fā)生的重要機制之一。同時,內(nèi)皮生長因子后期促進微血管廣泛生長,也是引起視網(wǎng)膜脫離及玻璃體出血的重要誘因之一。

1.1.3 調(diào)節(jié)血管生長相關(guān)轉(zhuǎn)化生長因子

眼組織周細胞分泌轉(zhuǎn)化生長因子-β(TGF-β)常發(fā)生在DR早期,通過抑制內(nèi)皮細胞失常式增殖,起到保護視網(wǎng)膜的作用。隨著疾病的不斷發(fā)展,到達DR增殖期時,TGF-β通過控制視網(wǎng)膜色素上皮細胞的分布,刺激新血管的形成,增強免疫功能,增加膠質(zhì)細胞與細胞外粘附的程度,改善DR增殖期癥狀[5]。TGF-β參與細胞損傷修復存在3個重要過程:①促進炎性細胞的遷徙;②促進新生血管的形成;③對成纖維細胞(ECM)進行重構(gòu)。在體外血管視網(wǎng)膜屏障模型中,TGF-β通過誘導ECM的重構(gòu),引起創(chuàng)面纖維化及收縮愈合,且在活化的TGF-β1介導的屏障損傷中也觀察到了類似的血管緊張素轉(zhuǎn)化酶輔助作用。

1.2 調(diào)節(jié)細胞因子及炎癥相關(guān)的基因類型

1.2.1 調(diào)控血管細胞內(nèi)皮生長因子相關(guān)基因

在前述中提到內(nèi)皮細胞生長因子主要調(diào)控視網(wǎng)膜微血管生長,而人類血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)基因發(fā)現(xiàn)于人類染色體6p21.3,該基因是由7個內(nèi)含子和8個外顯子組成。研究表明[6],VEGF是屬于單核苷酸多態(tài)性(SNP)的基因,因受單核苷酸多態(tài)性的影響,在5′非翻譯區(qū)和啟動子區(qū)域能夠明顯調(diào)控內(nèi)皮生長因子基因翻譯相關(guān)蛋白。長期慢性高血糖和細胞缺氧可能刺激VEGF蛋白表達增加,因此,目前VEGF被認為是DR的主要因素。當血管內(nèi)皮生長因子被過度激活表達,視網(wǎng)膜色素上皮層新生血管侵入玻璃體,引起玻璃體積血,當玻璃體內(nèi)部積血超過機體自行吸收能力時,玻璃體內(nèi)積血機化,新生血管進一步牽拉視網(wǎng)膜,導致糖尿病視網(wǎng)膜微血管病變的發(fā)生。

1.2.2 炎癥因子白介素相關(guān)基因

臨床治療糖尿病過程中,發(fā)生糖尿病視網(wǎng)膜病變時,大多時候會有前期血管改變,主要表現(xiàn)為動靜脈變細并有不同程度的代謝異常,特別是視網(wǎng)膜細胞發(fā)生缺血缺氧情況,進而引起眼底炎癥發(fā)生[7]。在糖尿病視網(wǎng)膜增值病變的發(fā)生發(fā)展過程中,視網(wǎng)膜微血管改變是一個重要的演變過程,組織細胞因子水平和不同細胞因子介導的炎癥反應(yīng)會發(fā)生一系列變化。在DR的進展中,白細胞介素-1(IL-1)、IL-10、白細胞介素-37(IL-37)等有著重要的意義[8]。并且,也有相關(guān)研究表明[9],在糖尿病模型中,全身多處組織基因轉(zhuǎn)錄檢測中,非特異性免疫系統(tǒng)產(chǎn)生的抗炎細胞因子IL-10可在多個細胞中表達。這些白介素相關(guān)基因在糖尿病條件下轉(zhuǎn)錄和翻譯增加,進而增加白介素相關(guān)蛋白表達上調(diào),從而使DR進一步發(fā)展。

1.2.3 調(diào)控物質(zhì)合成相關(guān)基因microRNA

microRNA(miRNA)被鑒定為功能性生物標志物,可用于早期發(fā)現(xiàn)和治療多種疾病,特別是DR。miRNA主要是通過調(diào)控目標基因的轉(zhuǎn)錄和翻譯表達,這樣,miRNA可以調(diào)節(jié)幾乎每個細胞和發(fā)育過程,包括調(diào)節(jié)本能的免疫應(yīng)答和炎癥。研究表明[10],microRNAs(miRNAs)對DR的病因具有重要意義,miRNA表達水平的變化可能與DR的發(fā)作和進展有關(guān)。此外,由于miRNA在檢測DR嚴重性方面的可用性和穩(wěn)定性,miRNA已成為有效的疾病標記物。

1.3 氧化應(yīng)激反應(yīng)

氧化應(yīng)激反應(yīng)是造成糖尿病視網(wǎng)膜損傷主要原因之一。在視網(wǎng)膜高糖環(huán)境下,細胞代謝異常,使得細胞主要產(chǎn)生能量的糖代謝途徑混亂,因糖代謝異常使得線粒體產(chǎn)生ATP能力降低,進而使得細胞活性氧ROS產(chǎn)生增加,活性氧ROS反過來抑制正常細胞生長,最終在氧化應(yīng)激反應(yīng)下,視網(wǎng)膜細胞不同程度發(fā)生死亡[11]。高血糖的發(fā)病機制與多因素有關(guān),包括線粒體產(chǎn)能異常、糖基化產(chǎn)物堆積、多種蛋白激酶C活化、多元醇代謝等。高血糖對細胞和組織有明顯的影響,在高糖環(huán)境下,糖化血紅蛋白在機體血管內(nèi)占總血紅蛋白增加,使得血紅蛋白攜帶氧氣能力下降,導致氧氣不能傳遞進入機體組織細胞,紅細胞無氧氧化產(chǎn)生2,3-二磷酸減少,削弱紅細胞的氧輸送能力,且毛細血管底膜增厚,血管管腔狹窄進一步導致組織慢性缺血缺氧,最終造成組織損傷。在視網(wǎng)膜炎性反應(yīng)中,炎性細胞因子被激活,組織糖代謝異常及線粒體功能損傷,機體產(chǎn)生能量不足,進而產(chǎn)生過量活性氧ROS,導致視網(wǎng)膜組織氧化損傷,最終引起視網(wǎng)膜微血管改變及視網(wǎng)膜脫離[12]。

2 糖尿病視網(wǎng)膜微血管病變相關(guān)的信號通道

2.1 調(diào)節(jié)視網(wǎng)膜微血管代謝相關(guān)的信號通道

絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)是一種重要的信號調(diào)節(jié)酶,廣泛分布于細胞中,與細胞膜表面受體結(jié)合并決定基因表達。而蛋白激酶C(PKC)能夠收集不同細胞外刺激所發(fā)出的信息傳遞,且PKC通過Ras的機制激活MAPK,從而形成PKC-MAPK級聯(lián)反應(yīng),最終調(diào)控細胞生長、分化。JAKs信號通道和STAT是也可以形成一條細胞內(nèi)的信號轉(zhuǎn)導途徑,當JAK接收上游細胞信號并發(fā)生激活時,JAK-STAT形成聯(lián)合信號,使得STAT發(fā)生絡(luò)氨酸磷酸化形成二聚體,同時該信號通路也是HIF-1和VEGF表達所必需的信號通道[13]。DR中低氧活化還原型輔酶Ⅱ釋放活性氧簇觸發(fā)JAK2-STAT3途徑,增強VEGF表達,導致玻璃體新生血管的形成[14]。HIF-1是一種低氧誘導因子,只在特定的低氧條件下才進行應(yīng)答,而在高氧環(huán)境下表達水平極低,因此,在高糖環(huán)境下能夠明顯提高HIF-1誘導基因的表達水平。PI3K/Akt是一類廣泛存在于細胞質(zhì)中可受細胞因子等激活,參與細胞分化和抑制凋亡的信號轉(zhuǎn)導途徑,缺氧條件時,可通過PI3K/Akt信號通道,激活核因子NF-κB,其p50和p65亞基可能與HIF-1α啟動子結(jié)合,進而使HIF-1αmRNA表達增加[15]。而PKC、PI3K/Akt及MAPK信號通道則為調(diào)控HIF-1α轉(zhuǎn)錄所必需,同時,PKC和PI3K/Akt可在上游調(diào)控MAPK(包括p44/p42MAPK和SAPK/JNK)信號通路[16]。以上所述的信號通道在基因表達、細胞增殖、促進凋亡和調(diào)節(jié)其他細胞中發(fā)揮重要作用,與眼病、神經(jīng)疾病、腫瘤疾病及代謝系統(tǒng)疾病等密切相關(guān)。

2.2 糖尿病視網(wǎng)膜微血管病變離子型相關(guān)信號通道

2.2.1 鉀離子信號通道

鉀離子信號通道存在于大多數(shù)的細胞類型中,是細胞完成信號傳遞、產(chǎn)生電信號的基礎(chǔ),是穩(wěn)定細胞內(nèi)外環(huán)境穩(wěn)定的重要離子通道。鉀信號的通道是分布廣泛的離子通道,它允許細胞選擇性地使鉀(K+)沿著電化學梯度穿過細胞膜。鉀通道能夠參與調(diào)節(jié)激素分泌、維持血管張力和調(diào)節(jié)心肌細胞活動,其中Kir 4．1是Müller細胞上承擔排水功能的主要通道蛋白,通過調(diào)節(jié)K+的跨膜轉(zhuǎn)運來起到排水的作用:正常狀態(tài)下,神經(jīng)組織興奮產(chǎn)生的K+、組織代謝產(chǎn)生的水,均釋放到組織間隙內(nèi);K+內(nèi)流進入到Müller細胞內(nèi),細胞內(nèi)的K+會刺激Kir 4．1通道,主動的將K+排至毛細血管內(nèi),同時,隨著K+的外流,水再次自細胞內(nèi)流到血管內(nèi),從而完成一整套神經(jīng)視網(wǎng)膜內(nèi)的排水過程。當鉀離子通道功能異常時,細胞內(nèi)外濃度失平衡導致細胞內(nèi)外滲透壓改變,最終導致視網(wǎng)膜黃斑水腫的發(fā)生。

2.2.2 鈉離子信號通道

鈉離子信號通道允許鈉離子(Na+)沿著電化學梯度進入人體細胞,其本質(zhì)是一種內(nèi)部膜蛋白。為了傳播動作電位需要打開鈉通道使細胞去極化。當細胞受到刺激時,鈉離子信號通道打開,形成動作電位,膜電位迅速增長,極化消除。膜電位的去極化還導致鉀通道和鈣通道的開放,進而使動作電位復極化。因此,Na+通道在維持視網(wǎng)膜細胞的興奮性和正常生理功能方面起著重要作用。

2.2.3 鈣離子信號通道

Ca2+信號通道主要參與神經(jīng)信號傳遞的調(diào)節(jié),且鈣離子信號通道主要可分為L型、R型、T型等。其中L型和T型存在于心血管和中樞神經(jīng)系統(tǒng)中,主要參與神經(jīng)信號的傳遞,其他類型主要分布于神經(jīng)元。在DR發(fā)病初期,視網(wǎng)膜動脈血管內(nèi)離子通道的異常改變是導致其異常收縮、血流動力學紊亂的主要原因之一[17],其中視網(wǎng)膜血管平滑肌細胞大電導鈣離子激活鉀離子(large conductance Ca2+-acti-vated K+channel,BK)通道的改變尤為重要。糖尿病發(fā)展過程中視網(wǎng)膜動脈平滑肌細胞內(nèi)鈣離子濃度的變化,反映BK通道功能的改變。鈣離子信號通路發(fā)生異常時,直接導致視網(wǎng)膜微血管異常收縮及血流動力學發(fā)生改變,也是導致視網(wǎng)膜血管阻塞主要的誘因。

2.2.4 糖尿病視網(wǎng)膜微血管病變相關(guān)的特殊類型信號通道

糖尿病視網(wǎng)膜微血管病變存在一些特殊信號通道,這些通道受基因、細胞因子、酶代謝、氧化應(yīng)激及各種離子受體等調(diào)控。NF-κB信號通道是一種廣泛存在于真核細胞中的多向轉(zhuǎn)錄因子,它參與人體內(nèi)的多種生物過程,并調(diào)節(jié)多種細胞因子、生化因子、酶和其他基因的表達。研究表明[18],NF-κB信號通路是糖尿病視網(wǎng)膜病變的主要分解代謝通路之一,調(diào)節(jié)各種細胞因子、生物酶代謝。當NF-κB等通路被過度激活時,可誘導IL-1β、TNF-α炎性因子的高表達,進而導致炎性反應(yīng)發(fā)生。另外,NF-κB通道也是人體一種重要的信號通道,在糖尿病視網(wǎng)膜病微血管變中,主要是調(diào)節(jié)視網(wǎng)膜細胞的代謝信號通道,促進視網(wǎng)膜各種細胞的修復,但在過度刺激下,該通道也會使微血管過度增生從而影響視網(wǎng)膜功能[19]。此外,PTEN/PI3K/AKT通路是主要調(diào)節(jié)神經(jīng)元凋亡的因素,PTEN可以對PI3K/AKT信號通路產(chǎn)生負性調(diào)控,促進神經(jīng)元細胞凋亡[20]。而Ras/mapk通路在介導糖尿病增值性視網(wǎng)膜病變中,能夠?qū)е挛⒀艿膹V泛擴散和血管通透性的增加,從而導致視網(wǎng)膜微血管增生及滲出性病變。這些信號通路在激活的狀態(tài)下能夠加速視網(wǎng)膜微血管內(nèi)皮細胞代謝,血管內(nèi)皮生長因子相互作用,共同介導微血管內(nèi)皮細胞的遷移、存活,誘導新生血管形成,是一種促存活信號通路。

3 小 結(jié)

DR是一種復雜且與機體內(nèi)分泌異常相關(guān)的疾病,嚴重影響我國廣大糖尿病患者的視力,這是引起患者中度至重度視力障礙的主要原因。此外,糖尿病視網(wǎng)膜微血管病變是屬于糖尿病視網(wǎng)膜病變常見并發(fā)癥,也是臨床上最為常見的病理變化。當糖尿病患者發(fā)生視力功能障礙時,一般多為眼底視網(wǎng)膜變化,且多發(fā)生在黃斑水腫及視網(wǎng)膜脫離的患者[21]。糖尿病視網(wǎng)膜微血管病變與各種信號通道密切相關(guān),其中包括NF-κB、PTEN/PI3K/AKT、JAK-STAT死亡信號通路,Na+、Ca2+及K+等離子通道,VGEF、TGF-β等細胞因子,MiRNA基因調(diào)控等。通過此篇綜述可以了解到,這些信號通道、細胞因子、基因調(diào)控及氧化應(yīng)激等能夠作為醫(yī)學人員研究的重點方向,在研究藥物對糖尿病視網(wǎng)膜微血管病變的發(fā)病機制具有促進還是抑制作用,及研究相關(guān)的信號通路及生理機制。后續(xù)DR研究人員只有不斷的深入了解糖尿病視網(wǎng)膜微血管病變機制,提高對糖尿病視網(wǎng)膜病變的認識和了解,才能更好地揭示DR的致病性,為預測DR發(fā)展提供了新思路,也為DR提供了新的有效診斷指標和治療方法。