晶状体上皮细胞葡萄糖代谢的研究进展△

任若昕 管怀进 季 敏

糖尿病已成为影响人类健康的主要疾病之一。据有效数据显示,我国老年2型糖尿病人口占比高达30.0%,且呈上升趋势[1]。糖尿病性白内障(DC)是糖尿病患者的常见并发症之一,其严重程度受病程和血糖控制情况等影响,且与年龄相关性白内障(ARC)相比,DC发病年龄相对较小、病情发展较为迅速,给个体、家庭和社会造成了沉重的负担[2]。晶状体是眼球屈光系统的重要组成部分,其前囊膜下晶状体上皮细胞(LECs)正常的生理功能是维持晶状体透明的重要因素。研究表明,DC 的发生与LECs在高糖环境下发生葡萄糖代谢紊乱有关[3]。因此,本研究汇总近年来国内外的研究进展,就LECs在高糖环境下的葡萄糖代谢改变以及高糖对LECs的影响进行综述。

1 LECs中的葡萄糖代谢

葡萄糖代谢是指葡萄糖在体内经过一系列分解反应后释放大量能量以供机体生命活动所用的过程,该过程根据是否需氧可分为有氧糖酵解和无氧糖酵解[4]。LECs中的葡萄糖代谢主要是无氧糖酵解过程,即房水中的葡萄糖通过扩散和易化转运进入LECs,葡萄糖在多种酶的催化下产生乳酸和三磷酸腺苷(ATP)。

1.1 LECs中的葡萄糖无氧酵解过程及其关键酶LECs摄取的葡萄糖大部分来自于房水,主要通过扩散和易化转运的方式转运入细胞内。进入LECs的葡萄糖在己糖基酶(HK)作用下生成葡萄糖-6-磷酸(G6P)后,经过磷酸果糖激酶(PFK)和丙酮酸激酶等多种酶作用下转换为丙酮酸,最终在乳酸脱氢酶(LDH)的作用下生成乳酸。仅有很少一部分丙酮酸进入三羧酸循环产生ATP。

1.1.1 HKHK是葡萄糖无氧酵解第一步的限速酶。HK以HK I和HK II两种同工酶形式存在于人晶状体中,且二者对葡萄糖亲和力和热稳定性均存在差异。有研究发现,HK活性会随着晶状体体积增加而减少,随着年龄的增加,HK的分布也会发生变化[5]。此外,HK在紫外线等作用下活性将减弱甚至失活[6]。

1.1.2 PFKPFK是糖酵解过程中的另一限速酶,它以E1和E2两种同工酶的形式存在于LECs内,pH值变化可影响其耐热性。目前研究表明,这两种同工酶形式可发生转化,且PFK同HK一样,年龄增加或中波紫外线照射可以使其活性下降[7-8]。

1.1.3 丙酮酸激酶丙酮酸激酶催化磷酸烯醇丙酮酸为丙酮酸是糖酵解最后一步,此步骤是糖酵解中第二次底物水平磷酸化反应,需要Mg2+和K+参与。LECs中丙酮酸激酶主要以M2亚型存在,具有一定的耐热性。其活性可受到K+和NH4+浓度调节,受到ATP抑制,但Mg2+的加入可恢复ATP抑制的丙酮酸激酶活性[9]。

1.2 磷酸戊糖途径和多元醇通路G6P在LECs中还可通过磷酸戊糖途径(PPP)进行代谢。此途径主要是为机体合成代谢提供多种原料。多元醇通路指葡萄糖在醛糖还原酶(AR)和山梨醇脱氢酶(SDH)作用下生成山梨醇和果糖。在正常情况下,葡萄糖通过无氧糖酵解进行代谢,多元醇通路微乎其微,但当机体发生糖尿病时,房水中葡萄糖含量增高,当HK达到饱和时,多元醇通路将被激活,且该通路激活与DC的发生发展有关[10]。

2 葡萄糖代谢异常对LECs的影响

LECs正常的葡萄糖代谢对晶状体维持透明尤为重要。当机体发生糖尿病等全身代谢性疾病时,房水中葡萄糖含量增加,LECs葡萄糖代谢可发生紊乱,最终晶状体将发生混浊[11]。

2.1 LECs中的葡萄糖代谢改变Obrosova等[12]在链脲佐菌素(STZ)诱导DC的模型中发现,DC晶状体中的糖酵解受到抑制,多元醇通路被激活。有学者认为糖酵解抑制现象可能与LECs中糖酵解代谢关键酶减少有关[13]。由于代谢关键酶受到了不同程度的抑制,使得LECs葡萄糖代谢功能失常,ATP 产生不足,促进细胞的凋亡,进而形成白内障。

多元醇通路激活与DC的发生密切相关。山梨醇是多元醇通路的代谢产物之一,其生成后将聚集在细胞内,导致细胞膜通透性增加,造成谷胱甘肽、可溶性蛋白质、氨基酸等细胞内成分不断外漏,晶状体出现囊泡、水隙和板层分离、体积膨胀等现象,最终导致白内障发生[14]。AR是多元醇通路的关键酶之一。有研究表明,DC患者的LECs中AR表达和活性均增强,且晶状体混浊程度与AR和多元醇水平呈正相关;而将AR敲除后,DC模型中晶状体中多元醇含量明显降低,晶状体透明[15]。

2.2 葡萄糖代谢异常对LECs 细胞膜蛋白的影响LECs在高糖刺激下,葡萄糖代谢发生改变,这可影响LECs膜表面多种分子通道和转运体表达水平。LECs膜表面有多种转运葡萄糖的通道蛋白,当LECs处于高糖环境下时,通道蛋白表达水平改变。葡萄糖转运蛋白1(GLUT1)是位于LECs中的主要葡萄糖转运蛋白,是LECs中血-房水屏障的一部分;而GLUT5是人眼部的主要果糖转运体。DC患者的LECs中GLUT1和GLUT5表达均增高[16]。此外,钠-葡萄糖协同转运蛋白 2 (SGLT2) 表达水平也增高[16]。LECs膜表面的葡萄糖转运蛋白可能为代偿性表达水平增高,可加重LECs葡萄糖代谢紊乱形成恶性循环。

水通道蛋白(AQPs)是一种具有高渗透性的水通道蛋白家族。APQ1在眼内主要表达在LECs上,对维持晶状体透明至关重要。有研究表明,高糖可刺激LECs中AQP1表达水平增加,该现象可能与高糖诱导LECs内山梨醇聚集有关[17]。此外,在DC动物模型中敲除AQP5发现,AQP5的缺失可导致LECs微环境改变,最终引起晶状体混浊[18]。

Na+-H+交换体1(NHE-1)广泛分布于哺乳动物组织中,对调节细胞内pH值起到关键作用。有研究发现,在DC动物模型中,NHE-1表达水平增加且活性增加。NHE-1表达上调可使葡萄糖转运增加,并激活HK和PFK,由此推测NHE-1 可能参与DC的形成[19]。因此,当机体处于高糖环境下时,LECs膜表面的多种转运蛋白表达水平改变,这可能是机体对高糖环境的代偿现象,但这些转运蛋白的表达水平长期处于异常状态会对LECs产生不良影响,最终导致白内障的发生。

2.3 葡萄糖代谢异常对LECs 细胞脂质的影响有研究发现,DC患者晶状体的脂质过氧化(LPO)和丙二醛(MDA) 水平明显高于非DC患者,并认为此现象可能与葡萄糖氧化和蛋白质的非酶糖基化有关[20]。齐艳秀等[21]通过外源性给予丙酮酸改善了此现象,出现此现象的原因可能有2点:其一,丙酮酸直接或间接减少了高糖诱导的自由基,具有轻度抗自由基损伤的作用;其二,丙酮酸可促进ATP的生成,具有改善能量代谢的作用。

2.4 葡萄糖代谢异常对 LECs 内蛋白的影响

2.4.1 结构蛋白晶状体蛋白是晶状体中特有的蛋白质,占晶状体可溶性蛋白的90%,其空间排列顺序对于维持晶状体的透明至关重要。而当LECs处于高糖环境下时,晶状体蛋白表达也会有所改变,1型DC(T1DC)晶状体内主要以γB-晶状体蛋白增多为主,2型DC(T2DC)主要以αB-晶状体蛋白增多为主[22]。

高糖还可使晶状体蛋白发生糖基化修饰增加,最终会形成大量相对不溶的高分子量聚集体,影响晶状体的透明度和屈光作用。早期研究发现,不同晶状体蛋白对非酶糖基化反应敏感度不同,且晶状体混浊程度与晶状体蛋白发生非酶糖基化水平有关[23]。最近研究发现,晶状体蛋白发生非酶糖基化与赖氨酸密切相关,且在体内和体外发生非酶糖基化的结合位点不同[24]。

α-晶状体蛋白是小热休克蛋白(sHsp)家族的代表性成员,具有分子伴侣作用,对维持晶状体透明性有一定保护作用。高糖可导致α-晶状体蛋白分子伴侣的活性降低,功能会发生改变,最终导致白内障的发生[25]。最新研究发现,ATP具有防止晶状体蛋白聚集作用,该作用与ATP浓度呈正相关,与α-晶状体蛋白、γS-晶状体蛋白有关[26]。

总之,在高糖环境下,过量的葡萄糖进入LECs,晶状体蛋白表达水平将发生改变,且晶状体蛋白发生非酶糖基化反应增强,导致其功能发生改变,其中α-晶状体蛋白伴侣活性在此过程中尤为重要。此外,高糖诱导LECs发生葡萄糖代谢紊乱,导致丙酮酸和ATP生成减少,将使二者对晶状体的保护作用减弱。

2.4.2 功能蛋白高糖可诱导LECs产生氧化应激损伤。有研究证明,高糖可导致LECs中氧化应激物质表达增加,抗氧化应激物质减少,最终导致晶状体透明度改变[27]。高糖还可诱导LECs内Ca2+浓度升高,激活钙调蛋白激酶系统。有研究发现,瞬时受体电位香草醛2(TRPV2)在DC患者的LECs中呈高表达水平,且可诱导LECs凋亡[28]。此外,Du等[29]研究发现,高糖诱导的LECs中高Ca2+环境可诱导其发生上皮-间充质转化(EMT)发生。

在高糖环境下,LECs内的细胞凋亡相关基因和蛋白表达水平发生改变,Bcl2等抑制凋亡基因和蛋白表达水平降低、Bax等促凋亡基因和蛋白表达水平升高[30]。高糖还可诱导LECs自噬水平异常。Liu等[27]研究发现,经高糖培养的LECs的自噬体形态增大,可包裹多个线粒体,且自噬相关蛋白表达与高糖刺激的时间长短有关,即早期细胞自噬增强,但在长期高糖环境下,细胞自噬会被阻断。此外,有研究发现,外源性给予丙酮酸盐可以逆转高糖诱导的自噬抑制[31]。

细胞焦亡是一种由半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶 1(caspase-1)介导的,gasdermin D蛋白(GSDMD)来执行的程序性细胞死亡。既往研究发现,caspase-1和白细胞介素1β(IL-1β)通路参与了ARC的发生[32]。滕贺等[33]研究发现,DC患者的前囊膜LECs中Nod样受体蛋白 3(NLRP3)、caspase-1、GSDMD mRNA和蛋白表达水平均高于非DC患者,而且DC患者房水中IL-1β和IL-18表达水平也高于非DC患者。由此可见,caspase-1介导的LECs焦亡以及焦亡导致的炎性介质释放可能参与了DC的发生和发展。Xie等[34]研究发现,DC患者LECs的细胞焦亡水平与糖尿病病程、血糖控制情况和是否发生DR及 DR 程度有一定的相关性。目前关于细胞焦亡在DC的发生发展中的具体作用还需进一步研究。

铁死亡是用于描述一种基于脂质的活性氧物质的积累引起的铁依赖性调节形式的细胞死亡,它与铁过载和LPO有密切关系,其特征性形态学改变为线粒体体积缩小、线粒体嵴减少或消失、线粒体膜密度浓缩等细胞器形态学改变[35]。在老年人和白内障患者的晶状体中存在LPO水平升高和氧化还原活性铁累积现象[20]。这有力地支持了晶状体老化和白内障发生过程中可能存在的铁死亡。Wei等[36]在2021年首次发现了衰老的LECs对铁死亡更为敏感,即LECs对铁死亡的敏感程度与年龄有关,并认为这种现象与脂质过氧化随年龄增加而升高有关。由于此现象仅存在于动物实验和细胞实验中,人晶状体中是否存在此现象还有待进一步探究。

2.5 葡萄糖代谢异常对LECs核酸的影响在白内障患者中,DNA损伤的研究大多以ARC为主,DC研究较少。早期研究显示,高糖可加重并加速LECs的DNA损伤,这并非直接因素,但长期高糖可导致DNA损伤且更加严重。Palsamy等[37]研究发现,DC患者的晶状体中抗氧化应激Keap1基因的去甲基化水平明显增高,导致机体抗氧化能力减弱,这可能与DC发生发展有关。

近年来,非编码RNA如微小RNA(miRNA)、长链非编码RNA(lncRNA)等在DC领域被广泛报道,它们具有不同的表达水平和作用。与自噬相关的miR-30,其在DC患者的LECs中表达水平降低[38]。在DC患者的LECs中有多种与细胞凋亡相关的miRNA和lncRNA表达水平也发生了改变,miR-29a、miR-29c、 lncRNA NEAT1表达水平降低,而miR-211、lncRNA MALAT 1、lncRNA PVT1表达水平升高[39-42]。此外,高糖可诱导LECs中有关EMT的miRNA和 lncRNA发生改变,在高糖诱导下,LECs中的miR-199a、miR-30a表达显著下调,lncRNA MALAT 1表达显著上调[40,43-44]。

环状RNA(circRNA)是通过具有共价闭环结构的反向剪接机制产生的,其可充当miRNA海绵发挥作用,还可调节基因表达和表观遗传修饰。有研究发现,circKMT2E表达在DC中上调,并与miR-204-5p海绵功能相关[45]。CircPAG1表达在DC中显著下调,充当miR-211-5p 的海绵发挥作用,影响LECs细胞增殖和凋亡[46]。此外,Yang等[47]研究发现,circPAG1还可以充当miR-630海绵作用,抑制高糖诱导的LECs损伤。

2.6 葡萄糖代谢异常对 LECs细胞外基质的影响细胞外基质(ECM)是一类存在于细胞间,由胶原蛋白、蛋白聚糖及糖蛋白等大分子物质组成的动态网状结构[48]。正常LECs的ECM主要为Ⅳ型胶原蛋白,而高糖可诱导LECs的ECM成分发生变化。

DC患者的E-钙黏蛋白表达下调,N-钙黏蛋白表达上调,而α-平滑肌肌动蛋白和波形蛋白表达上调[45,49]。ECM蛋白分子结构和功能各不相同,其改变可通过不同的作用机制使LECs发生黏附、移行等生物学行为变化,导致LECs发生EMT,最终引起晶状体发生混浊。

3 结束语

DC是糖尿病最重要的慢性眼部并发症之一。目前国际上公认的发病机制理论包括渗透压学说、蛋白质糖基化学说和氧化应激学说,这些学说均认为LECs长期处于高糖环境下出现的葡萄糖代谢紊乱在DC的形成中至关重要。本文探讨了当LECs出现葡萄糖代谢紊乱后由外至内发生的一系列的病理改变,如细胞膜通道蛋白改变、细胞膜脂质过氧化、结构蛋白和功能蛋白改变等现象,最终可导致DC发生。目前针对LECs葡萄糖代谢的研究大多围绕多元醇通路展开,如应用AR抑制剂延缓或阻止DC发生,但是由于AR抑制剂的种类繁多,且化学结构尚未明确,存在一定的临床局限性。丙酮酸盐可以通过局部用药发挥作用来改善LECs葡萄糖代谢,并有望成为新的DC治疗靶点,但由于这部分研究数量较少,还需进一步深入研究。总而言之,通过改善LECs葡萄糖代谢,进而寻求防治 DC的靶点,有望为提升患者生存质量提供新思路。