非侵入性电刺激在眼科应用的研究进展

2020-04-14韩梦雨金明

中国中医眼科杂志 2020年2期

韩梦雨，金明

视网膜色素变性（retinitis pigmentosa，RP）、年龄相关性黄斑变性（age-related macular degeneration，AMD）、青光眼等是导致患者视力下降甚至致盲的常见眼病，目前临床上迫切需要寻找有效治疗方法以拯救已丧失的视功能。基因疗法、干细胞疗法、视网膜假体植入等是目前研究的热点所在，但这些疗法均处于临床前阶段[1]。1873 年，Henri Dor 将电刺激（electrical stimulation，ES）对治疗眼部疾患的潜在价值带入大众及科研工作者的视野[2]。ES 可以通过侵入性或非侵入性的方法来实现[1]（图1），近些年来的研究也证明了它在修复患者视力障碍并提高视网膜细胞存活率等方面的价值[3-4]。经角膜、经眼睑、经眼眶是目前眼科常用的非侵入性电刺激实施方式，具备无创且易实施、仅有轻微的不良反应、降低严重并发症发生的风险等优点[5-6]。本文将系统地讨论近10 年非侵入性电刺激在动物试验和各种临床研究中的主要发现及进展。

图1 眼部不同路径电刺激实施简图。红圈虹膜、睫状体、脉络膜；灰色半圆视网膜色素上皮细胞；黄色半圆视网膜（图片由Hakon Raanes 挪威提供）

1 经角膜电刺激

经角膜电刺激（transcorneal electrical stimulation，TES）的优势作用体现在RP、视神经离断等动物试验中[7-13]。在模拟RP 的兔视紫质突变模型中，视网膜变性过程明显被TES 减慢，TES 能够增加光感受器细胞的存活和提高视网膜功能[7]。Tagami 等[8]研究表明，TES 可能促进原发性开角型青光眼（primary open-angle glaucoma，POAG）患者的轴突再生，提高视网膜神经节细胞（retinal ganglion cells，RGCs）功能。Morimoto 等[9-10]研究了TES 对视神经离断的大鼠模型的影响，研究表明离断后的7 d，RGCs 存活率高于对照组，细胞的存活程度取决于电荷的大小。胰岛素样生长因子1（insulin-like growth factor1，IGF-1）在受损的RGCs 存活中发挥着重要作用，非侵入性ES 使视网膜中的IGF-1 明显上调。TES 在视神经离断后的退行性的RGCs 神经保护作用的最优参数分别是：1 ms/相和2 ms/相，100 μA 和200 μA，频率为1 Hz，5 Hz和20 Hz，持续时间≥30 min，并证明了视神经切断术后的重复刺激模式是最有利的[10]。另一项研究[11]证明在12 周内每周2 次实施TES，导致光感受器敏感性显著保留。Hanif Adam M等[12]在P23H-1 型视紫红蛋白突变的转基因大鼠试验中发现，全眼电刺激治疗后治疗组大鼠的眼睛比未治疗的眼睛显示出明显更高的空间频率阈值，通过ERG 振荡电位检测，视网膜内功能在治疗后8 周和12 周与假眼相比有改善，脑源性神经营养因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）、半胱天冬酶-3、成纤维细胞生长因子-2 和谷氨酰胺合成酶（glutamine synthase，GS）的基因表达水平在治疗处理后1 h显著升高，但处理后24 h 则未见升高。急性高眼压致沙鼠视网膜损伤的研究[13]中表明，早期使用TES 可以保护RGCs 免受继发损伤并挽救视网膜功能。与对照组相比，TES 治疗的眼睛RGCs 在1 个月的存活率显著提高，产生这一结果主要是白细胞介素10（interleukin，IL-10）表达增加，IL-6 和环氧化酶-2 表达相应降低，NF-KB 磷酸化水平降低，发挥抑制小胶质细胞活化。TES 的治疗作用不仅限于拯救视网膜中的神经元。Sun 等[14]认为，TES 诱发的皮质反应受到视网膜内电场分布和不同视网膜神经节细胞激活阈值的影响，并在文中指出TES 诱发的潜伏期短于视觉刺激；Sergeeva 等[15-16]成功地研究出在非麻醉的大鼠实施电刺激的新方法，该动物模型的大鼠允许行为测试，并建立了从视觉皮层和皮层下结构记录场电位的装置，当增加TES 电流的脉冲宽度或强度时，观察到反应区域从皮质区逐渐扩展到代表中央视野的区域。

TES 的临床研究主要集中在RP、视网膜动脉阻塞等患者群体。多项临床实验[17-18]均表明TES 治疗对于RP 患者是很好耐受并安全的。RP 患者每周接受TES 治疗且为期1 年的2组随机对照实验的结果均表明，患者的视力或视网膜功能得到明显改善[18-19]。一项小样本的研究[20-21]中，7 例RP 患者经过6 周TES 治疗后，视力、对比敏感度、视野均得到明显提升，经过数月TES 治疗后的3 例RP 患者视力改善，即使中断治疗后，TES 再治疗也会修复和防止视力逐渐下降。目前一项长期研究TES 治疗POAG 患者疗效的先导临床研究的结果表明，TES 处理次数与视野检测敏感性MD 值变化呈正相关，说明TES 可以改善RGCs 功能，研究者[22]推测TES 可以通过模仿小梁切除术的降低眼压的作用来恢复RGCs 功能，从而改善青光眼性视野缺陷。一项对8 例视网膜分支动脉长期闭塞或新鲜闭塞的患者实施TES 后的研究[23-24]中发现，虽然在新鲜闭塞的患者中没有观察到视野的改善，但长期阻塞的病例中多焦点ERG 和视野参数均有所改善，提示TES 对视网膜动脉闭塞患者视网膜内、外神经元均有良好的作用。在其他视网膜病变如卵黄囊样黄斑营养不良患者的病例研究结果表明，TES 治疗和视觉改善之间存在因果关系。

有关TES 治疗眼部疾患的相关研究提示，TES 主要通过增加脉络膜视网膜血流量[25]、促进神经营养因子的释放[9,26]、抑制肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor-alpha，TNF-α）和促凋亡基因Bax 的产生、抗炎等途径发挥作用。Sato 等[27]在培养的视网膜Muller 细胞中发现TES 增加了成纤维细胞生长因子-2 的表达。有人认为L 型钙通道可能控制这些生长因子的分泌，L 型电压依赖性钙通道阻滞剂(硝苯地平) 抑制IGF-1和BDNF 的上调[26,28]。视神经离断大鼠模型中表明TES 促进RGCs 细胞存活主要通过减少小胶质细胞活化及小胶质细胞源TNF-α 的分泌[29]。大鼠视网膜缺血模型中研究了ES 的其他作用，包括增加Muller 细胞的GS 的分泌，从而改善谷氨酸介导的神经兴奋毒性[30]。此外，ES 促进神经元生存也可能通过增加细胞内Ca2+涌入导致神经细胞去极化，增加细胞内环腺苷酸水平[31]。Zhou 等[32]研究提示，ES 抑制IL-1β 和TNF-α的分泌、有利于Müller 细胞分泌BDNF 和睫状神经营养因子。Willmann 等[33]研究还显示神经保护基因表达的确切变化，TES 应用于健康或患病的视网膜的不同可能会表达不同的基因。他们还证实，TES 导致视网膜490 个基因表达的差异，包括Bax 和TNF 家族成员等。在TES 后的30 min 和24 h 内，差异表达蛋白的模式发生了改变，作者认为TES 导致了蛋白质表达的急慢性变化。进一步提出急性变化为电刺激对神经细胞的直接和瞬态效应，而慢性变化为mRNA 表达或蛋白信号通路的间接和继发效应[34]。

2 经眼眶电刺激

在有关经眼眶电刺激的动物试验中，Foik 等[35]的研究表明，重复眼眶交流电刺激（repetitive transorbital alternating current stimulation，rtACS）在视觉通路中引起的反应是由视网膜激活而非其他大脑区域启动的，且与参考电极的放置无关。因此，在眼球周围放置刺激电极可能就足以达到治疗效果，研究人员随之提出从视网膜到顶盖和丘脑的输入的协调是rtACS 的必要的、功能性机制。最近一项试验结果为rtACS 提升神经细胞存活的机制提供一定证据参考，指出脑电刺激可诱导树突剥脱，促使神经细胞沉默，提高视神经损伤后沉默神经元的存活；他们通过结果推测，在创伤后的早期，在rtACS 之后，完全的树突剥离可以保护神经元免受兴奋性细胞死亡的影响。相反，未治疗的视网膜细胞树突在轴突损伤和神经元死亡后缓慢退化[36]。目前有关经眼眶电刺激的动物试验研究报道还相对较少，需要开展更深入、更细致量化刺激参数等相关内容的试验研究进一步探究经眼眶交流电刺激的治疗效果和作用机制。

在有关经眼眶电刺激的临床研究中，一项7 例慢性视交叉系统损伤患者的小样本临床研究中，经眼眶ES 增强了一种与知觉改善相关的α 带功能连接，并使得枕叶和额叶间功能连接的神经元同步得到强化[37]。此外，视神经损伤患者的经眼眶ES 治疗后在检测能力、视野和视力方面均有显著提高[4，38-39]。另一项大样本多中心随机双盲的研究表明，rtACS 是一种安全有效的可部分恢复视神经损伤后患者视力的方法，临床设置中使用rtACS 治疗后可以通过脑网络再同步（对较小视觉刺激的视觉处理速度更快，更有效地处理减少的视觉输入）激活残留视觉，可部分地恢复由神经系统损害引起的视力丧失的患者的视力。这类证据表明视野可以通过此类方式得到改善[40]。

3 经眼睑电刺激

目前，尚未有已经发表的动物试验研究经眼睑电刺激治疗眼部疾患的报道。根据已发表的4 篇关于经眼睑电刺激功能的临床研究是在AMD 和POAG 患者中进行的[41-43]。Anastassiou 等[41]研究表明，经眼睑电刺激疗法在患者中是安全的，一些患者的视觉功能有暂时性的增加。Shinoda 等[43]研究表明，经眼睑电刺激治疗后湿性AMD 和干性AMD 患者的最佳矫正视力均有提高。在一项纳入了46 例（78 只眼）POAG 患者的前瞻性对照实验中，经眼睑电刺激的降压反应与前列腺素类似物或各种药物组合所描述的相同，所产生的降压作用可以与一线的眼压药物治疗效果相媲美，同时又不会产生系统性或局部的副作用。推测应用经眼睑特异性外源性电压电刺激可发挥类似酪氨酸激酶抑制剂的作用[44]。