硫化氢在糖尿病视网膜病变发病机制中的作用

2021-04-17陈飞综述张学东审校

中华实验眼科杂志 2021年12期

陈飞综述张学东审校

重庆医科大学附属第一医院眼科重庆市眼科研究所眼科学重庆市市级重点实验室 400016

陈飞现在重庆市壁山区人民医院眼科 402760

糖尿病视网膜病变(diabetic retinopathy，DR)是糖尿病常见且重要的眼部并发症，其发病机制尚不完全清楚，可能与以下因素有关：(1)多元醇-肌醇代谢异常；(2)晚期糖基化终末产物的异常生成和堆积；(3)氧化应激作用；(4)二酰甘油-蛋白激酶C系统的活化；(5)肾素-血管紧张素系统的活化；(6)细胞因子、细胞自噬与内质网应激的作用；(7)慢性低度炎症的作用[1]。现阶段对DR的治疗仍以对症治疗为主，尚不能完全阻止其发生和发展。DR作为一种“无法治愈”的常见慢性致盲眼病给广大患者及其家庭，乃至整个社会带来了巨大的负担。硫化氢是近期发现的第3个气体信号分子，其在神经系统、循环系统、免疫系统及内分泌系统中均发挥着重要的生理病理作用。近期有研究表明，硫化氢及其内生酶系参与了糖尿病及糖尿病并发症的病理过程[2]。目前已有一些研究通过细胞实验或动物模型实验验证了硫化氢在DR发生和发展过程中起保护作用，提示硫化氢对DR具有潜在的治疗作用。本文就硫化氢在DR发病机制中的作用进行综述。

1 硫化氢的抗凋亡作用

研究表明，视网膜周细胞在高血糖状态下凋亡率升高，可见周细胞的丢失与高血糖状态有直接关系[3]。在DR初期，周细胞的不断丢失及基底膜增厚会导致内皮细胞调控的异常，继而出现新生血管，是导致DR发生和发展的重要因素[4]。此外，DR的主要病理改变与视网膜神经节细胞(retinal ganglion cell，RGC)的功能障碍及凋亡相关。在糖尿病状态下，持续高血糖导致活性氧簇(reactive oxygen species，ROS)生成增加，线粒体损伤，最终导致RGC凋亡[5]。此外，高血糖诱导的视网膜色素上皮(retinal pigment epithelium，RPE)细胞凋亡也被认为参与了DR的发展过程[6]。综上所述，这些细胞的凋亡在DR的发生和发展中起重要作用。硫化氢在不同组织中具有抗凋亡作用。Sodha等[7]研究表明，在心肌细胞缺血-再灌注损伤中硫化氢可以通过抑制caspase-9发挥抗凋亡作用。Sivarajah等[8]进一步研究发现，一种KATP通道阻滞剂5-羟基癸酸能够阻断硫化氢对心肌细胞凋亡、caspase-9活性及bcl-2蛋白质表达的抑制作用[8]。这说明硫化氢抗凋亡的机制可能与线粒体ATP敏感性钾通道的开放有关。此外，硫化氢还可以抑制高糖诱导的心肌细胞和内皮细胞凋亡，通过抑制ROS及caspase-3激活，减少缺氧导致的神经元凋亡[9]。Biermann等[10]研究发现，在大鼠发生视网膜缺血前，让其吸入硫化氢抑制了大鼠视网膜组织中caspase-3的激活和细胞凋亡。以上研究均证实了硫化氢的抗凋亡作用，但硫化氢能否在DR模型中发挥抗凋亡作用仍需进一步研究证实。

2 硫化氢的抗氧化作用

目前国内外研究者普遍认为氧化应激是DR发生和发展中的重要环节，其主要机制是通过激活下游信号通路促进炎症反应及细胞凋亡的发生[11]。慢性高血糖可引起糖尿病患者脂质过氧化，从而引起线粒体功能异常及ROS水平升高，形成氧化应激反应。氧化应激进一步加剧ROS产生，引起新生血管生成及炎性因子的大量激活，最终导致DR的发生和发展[12]。硫化氢作为一种抗氧化剂，在各种氧化应激损伤中发挥着保护作用。一方面，硫化氢能够增强半胱氨酸及其转运蛋白的活性，增加谷胱甘酮的产生，发挥抗氧化作用；另一方面，硫化氢能够直接抑制过氧化氢阴离子、过氧化氢和过氧化氢亚硝酸盐的生成[13]。此外，硫化氢可以调节线粒体功能，其作为一种有效的细胞色素C氧化酶可逆抑制剂，通过减弱细胞呼吸能力，降低线粒体活性，减少线粒体损伤，从而起到细胞保护作用[14]。Jha等[15]研究发现，硫化氢能够通过增加细胞中的抗氧化作用，保护肝细胞免受缺血-再灌注损伤；相反，在缺氧性肺动脉高压大鼠模型中，由于内源性硫化氢生成的减少氧化应激水平升高。甚至有研究认为，外源性硫化氢能够减轻DR模型大鼠视网膜中线粒体的功能障碍，减少大鼠视网膜中ROS的形成[16]。根据上述研究结果，说明硫化氢可能通过抗氧化在DR中发挥视网膜保护作用。

3 硫化氢的抗炎作用

大量证据表明，炎症在DR的发生和发展中起重要作用，但其机制仍不清楚，可能的机制包括多元醇途径增加、糖基化终末产物形成增加、蛋白激酶C亚型激活、己糖胺途径增加等[17]。这些通路的失调导致线粒体中自由基大量产生，氧化应激增加，流变学异常和肾素-血管紧张素系统活化，产生大量生长因子和炎性细胞因子，最终影响血管壁的完整性，导致血管通透性增加、管腔闭塞及局部缺血，加速DR发生[18]。

3.1 硫化氢在新生血管形成中的作用及机制

众所周知，视网膜新生血管形成是增生性糖尿病视网膜病变(proliferative diabetic retinopathy，PDR)的病理基础。血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)在血管生成中起关键作用[19]。在大脑和视网膜中VEGF能增强白细胞对血管壁的黏附，增加细胞间黏附分子-1(intercellular adhesion molecule-1，ICAM-1)和血管细胞黏附分子-1的表达。在内皮细胞中，VEGF也能够增加ICAM-1的表达，导致白细胞活化和细胞因子产生。细胞因子反过来介导炎症反应并刺激VEGF的进一步释放[20-21]。在缺氧条件下，VEGF产生增多，导致血-视网膜屏障(blood-retinal barrier，BRB)的通透性增强[21]。因此，VEGF被认为是导致DR发展的主要血管生长因子[21]。研究发现在链脲佐菌素(streptozotocin，STZ)诱导的大鼠DR模型中，给予外源性硫化氢可降低大鼠玻璃体中VEGF的含量及低氧诱导因子-1α和VEGFR2的mRNA表达，减少视网膜血管的渗漏和无细胞毛细血管的形成[22]。该研究还显示，在DR的细胞和动物模型中，硫化氢能够通过抑制核因子-κB(nuclear factor-κB，NF-κB)信号通路，降低细胞因子及趋化因子，如白细胞介素1β(interleukin-1β，IL-1β)、ICAM-1、诱导型一氧化氮合酶和环氧合酶等的表达，进而减轻炎症反应，抑制血管壁的破坏及视网膜局部缺血，发挥抗新生血管的作用[22]。上述研究表明，硫化氢可能在DR发展中发挥着抗新生血管的作用。但也有研究指出，硫化氢具有促新生血管生成的作用，其能够通过PI3K/Akt信号通路促进内皮细胞增生、迁移及管状结构形成[23]，这可能限制了硫化氢在PDR治疗中的应用。因此，硫化氢可能在DR的不同阶段发挥着不同的作用，还需要更多的研究来揭示硫化氢在DR新生血管形成中的作用及机制。

3.2 硫化氢抑制肿瘤坏死因子-α的表达及其诱导的炎症反应

肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)能够通过下调紧密连接蛋白的表达增加视网膜内皮细胞的通透性，进而导致BRB的破坏[24]。由于RGC的死亡和视神经的退化，TNF-α也能刺激白细胞黏附并诱导氧化和ROS的产生[25]。VEGF存在下TNF-α水平升高可刺激视网膜新生血管的生成[26]。研究表明，糖尿病患者血清及玻璃体中TNF-α水平明显高于非糖尿病患者[27]。因此，TNF-α与DR的发生和发展密切相关。在肾损伤模型中，硫化氢通过抑制NF-κB信号通路，降低了兔外周血白细胞中TNF-α的表达水平[28]。Perna等[29]研究结果显示，硫化氢能够通过抑制TNF-α的活化，减轻内皮细胞的炎症反应。Pan等[30]研究也发现在TNF-α刺激下的内皮细胞中，外源性硫化氢能减少黏附分子的表达和单核细胞与内皮细胞的黏附作用，并降低细胞内TNF-α诱导的ROS产生。进一步研究表明，这种抗炎作用主要是通过抑制NF-κB和p38信号通路以及血红素氧合酶1表达的上调来实现的。上述研究表明，硫化氢不但能够抑制TNF-α的表达，还能抑制TNF-α诱导的炎症反应，但硫化氢能否通过这些通路在DR模型中抑制TNF-α及其诱导的炎症反应还需要更多的研究来证实。

3.3 硫化氢抑制IL-6和IL-8的表达

IL是免疫细胞间相互作用的重要细胞因子，并在炎症反应中起重要作用。有研究发现重组IL-1β与TNF-α的共同刺激可增加人RPE细胞分泌IL-6和IL-8。同时，IL-1β与TNF-α共同促进了血管生成的活性[31]。已有研究证实IL-1β具有促进血管生成的作用，并介导视网膜新生血管形成[32]。最近的研究通过抑制糖尿病小鼠中IL-1β产生所需的酶或阻断IL-1β的受体来抑制IL-1β活性，结果显示IL-1β通路受到抑制的小鼠视网膜毛细血管变性减少[33]。因此，IL-1β在糖尿病引起的视网膜疾病的发展中起重要作用。最新研究发现，硫化氢通过抑制高糖诱导的H9C2心肌细胞中Toll样受体4和NF-κB的活化，抑制了NLRP3炎症小体及IL-1β、IL-18等炎性因子的表达[34]。在DR的细胞及动物模型实验中也证实了硫化氢可通过抑制NF-κB通路抑制IL-1β等炎性因子的表达[22]。

IL-6是一种多功能细胞因子，参与调节免疫反应，增加血管通透性和刺激血管生成。体外研究发现，IL-6能够增加内皮细胞的通透性，从而诱导肌动蛋白丝重排，改变内皮细胞的形状[35]。此外，IL-6还可以促进VEGF的表达，导致新生血管形成和血管通透性增加[36]。在DR患者的玻璃体中，IL-6的表达水平均明显升高，且其水平高低与DR严重程度相关[37]。IL-8是一种具有趋化能力的细胞因子，在DR的发展过程中，IL-8加强了中性粒细胞的脱颗粒和吞噬作用，释放了蛋白酶，导致内皮细胞损伤，最终引起血流淤滞、组织坏死，促进新生血管形成[38]。它还能增加ICAM的表达，加强血管内皮细胞、RPE细胞上ICAM的黏附和聚集，产生的细胞因子再激活小胶质细胞，从而刺激炎症循环[39]。另外，在高糖状态下，RPE细胞中IL-8和TNF-α表达增加，IL-8破坏了视网膜血管内皮细胞和RPE细胞的紧密连接，导致BRB破坏，血管通透性增加，加速了DR的进展[40]。可见IL-6和IL-8可能是视网膜炎症和新生血管形成的重要介质。目前有研究表明，外源性硫化氢能够抑制急性肺损伤大鼠模型肺组织中IL-6和IL-8的表达[41]。另外，Kloesch等[42]研究也发现外源性硫化氢通过抑制MAPK通路可以抑制人软骨细胞中IL-1β诱导的IL-6和IL-8的表达，说明硫化氢可能通过MAPK通路抑制IL-6和IL-8的表达。然而在DR模型中，硫化氢是否通过这一通路抑制IL-6和IL-8的表达仍需进一步研究。

4 硫化氢的抗自噬作用

自噬与DR具有密切的关系。有实验表明，高糖可激活自噬过程促进人RPE细胞增生，而抑制自噬则可以抑制RPE细胞的增生[43]。在DR模型中，氧化应激能激活自噬途径，并导致细胞自噬性死亡，而经过胰高血糖素样肽-1处理后自噬得到显著缓解[44]。国内报道也发现，高糖或TNF-α能够诱导猴脉络膜视网膜血管内皮细胞(RF/6A)自噬蛋白的表达增加，使细胞增生、迁移及管腔形成能力增强，进一步研究发现抑制自噬可以抑制这些改变[45-46]，说明自噬参与了高糖或TNF-α诱导的新生血管形成，可能在DR新生血管的形成中发挥促进作用。此外，研究发现RPE细胞中高表达的自噬蛋白可能参与视网膜细胞内低水平的炎症过程，参与DR的发展[47-48]。目前研究表明，在各种糖尿病模型中，硫化氢对自噬起着调节作用。Xiao等[49]研究发现，在糖尿病大鼠模型中，糖尿病能够引起心肌显著纤维化，增强心肌细胞自噬，并抑制PI3K/Akt1信号通路，而经过NaHS处理后心肌纤维化得到改善，心肌细胞自噬减少，PI3K/Akt1通路抑制被逆转，这说明硫化氢对糖尿病心肌纤维化的保护作用可能与激活PI3K/Akt1信号通路，抑制自噬有关。Liu等[50]研究认为，外源性硫化氢可以通过抑制由Nrf2-ROS-AMPK信号通路引起的氧化应激，减轻过度自噬，从而保护动脉内皮细胞。在STZ诱发的糖尿病小鼠模型中，硫化氢可以通过抑制Akt、TGF-1和NF-κB信号通路，减少氧化应激，减轻肾组织纤维化和自噬作用[51]。然而，硫化氢能否通过抑制自噬来缓解DR的发展仍需进一步研究证实。

5 硫化氢的神经保护作用

目前认为除了血管的改变外，神经节细胞、神经胶质细胞、小神经胶质细胞等非血管细胞的结构和功能损伤在DR发生和发展中也起着重要作用[52]。有证据表明，视网膜神经元和神经胶质细胞的神经变性甚至发生在微血管瘤之前[53]。硫化氢能够抑制神经元的凋亡和退化，它主要通过抗炎、抗氧化应激及抗凋亡的机制发挥神经保护作用[54]。硫化氢能抑制ROS的生成，减少髓过氧化物酶催化后产生的次氯酸，从而减少其对神经元的毒性作用，它还能够通过抑制细胞色素氧化酶C或cAMP水平升高引起的N-甲基-D-天冬氨酸受体过度激活，减少神经元死亡[55-57]。在阿尔茨海默病、亨廷顿病、帕金森病等神经退行性疾病中，硫化氢表达水平表达下降会导致过氧亚硝基离子增多及神经元退化[58-59]。视网膜电图(electroretinogram，ERG)的b波及震荡电位(oscillatory potentials，OPs)振幅可以用来评价神经元的功能，在STZ诱导的DR大鼠模型中，外源性硫化氢改善了其ERG中b波及OPs振幅的降低，同时增加了脑源性神经营养因子及突触小泡的表达[22]，说明硫化氢对视网膜神经元具有保护作用。进一步研究硫化氢在DR中的神经保护作用及其机制对DR的治疗是一种新的思路。