糖尿病视网膜病变发病机制研究进展

杜长虹，刘银萍

（皖南医学院弋矶山医院眼科，安徽 芜湖 241001）

糖尿病（diabetes mellitus，DM）患病率在近些年来呈现上升趋势，2017 年影响全球约4.25 亿成年人，据预估测2045 年，DM 人数将增至6.29亿。有数据显示2019 年中国DM 患病总人数约1.29亿人，预测2040年中国DM患病人数将居世界首位［1］。DM会导致多种并发症，其中约三分之一将发展为糖尿病视网膜病变（diabetic retinopathy，DR），并且DR 是致使视力损伤和丧失的重要原因［2-3］，其中对视力构成威胁最常见的是增殖性糖尿病视网膜病变（proliferative diabetic retinopathy，PDR）和糖尿病性黄斑水肿（diabetic macular edema，DME）［4-5］。根据国际分期，DR 分为增殖期和非增殖期。目前临床上对于DR的治疗主要为抗血管生成疗法、抗炎疗法及激光疗法。显然，目前的治疗方法是在视网膜已经发生病变的基础上进行的，然而，对于严重视力丧失的患者，使用目前可用的治疗方法，仍然难以实现阅读或驾驶视力。DM 一旦发展为DR 则对视力产生极大危害，并且增加了DM 人群的经济负担，降低了其生活质量，因此在视网膜发生病变之前进行干扰，成为目前的潜在治疗方法。目前DR发生发展机制的研究较多，如抑制DM 的氧化应激和视网膜上活性氧（reactive oxygen species，ROS）的过度生成；靶向抑制Rab20 的过表达，改善视网膜内皮细胞和Müller 细胞的细胞间通讯；抑制视网膜小胶质细胞向M2型极化，从而抑制视网膜的炎症反应等都可能成为DR 的潜在预防和治疗的方法。现将具体机制及研究进展进行综述。

1 高血糖与氧化应激

氧化应激是DM 发展为DR 过程中的重要机制之一。有研究发现，高血糖激活某些通路进而打破体内的氧化抗氧化系统的平衡状态，从而激发氧化应激的发生［6-7］。关于这其中的通路，不少学者也进行了探索和研究，高血糖激活多元醇途径，在将葡萄糖转化为果糖的过程中，会导致烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）的大量消耗，而NADPH 可以促使细胞产生谷胱甘肽（一种具抗氧化物质），因此，NADPH 的大量消耗可导致谷胱甘肽产生不足，氧化物堆积，这是导致氧化抗氧化系统失衡的重要原因之一［8］；还通过己糖胺途径致使产生大量的H2O2，由于大量ROS 的产生和积累，进而导致一系列病理改变如细胞内皮损伤、血管通透性增加、促进新生血管的生成［9］；通过PKC 通路导致血管内皮通透性增加，诱导血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）表达增加等病理改变［10］。

高血糖通过上述途径诱导了氧化应激的发生，ROS 增多会氧化蛋白质和脂质，从而导致细胞和组织功能的障碍，与DM 患者视网膜损害发生密切相关。已有研究显示氧化应激会导致DNA 断裂［11］，由此可改变分子结构，影响基因表达和细胞的活性。尤其是线粒体DNA，它与核基因不同，是裸露的双链DNA 分子，无核膜包被。因此线粒体DNA 和蛋白质更容易受到ROS 诱导的损害，而线粒体DNA 编码的蛋白质是电子传递链的组成成分，会使电子传递链系统异常，产生更多的ROS，由此构成恶性循环。内质网的功能之一是蛋白质的加工和折叠，在二硫键的形成过程中，蛋白质二硫键异构酶活性位点上的电子转移会触发ROS的形成［12］，ROS 的过度产生可能会导致蛋白质的错误折叠及其积累，从而产生内质网应激［13］，为了清除内质网内错误折叠蛋白的积累，于是便激活了未折叠蛋白反应（UPR）［14］，此反应所涉及的三条信号通路已经被证实参与视网膜炎症、凋亡和血管的生成。综合以上认为氧化应激对内质网应激可能有着推进的作用。近年有越来越多的证据表明内质网和线粒体两个细胞器之间存在着膜的链接，Ca2+的储存位点在内质网，在内质网产生应激时释放Ca2+，被线粒体吸收，从而间接增加ROS 的产生［15］，因此，氧化应激与内质网应激之间存在相互促进的关系，形成了一个恶性循环，加剧氧化应激的进程。氧化应激可以激活多元醇通路，导致过量的葡萄糖转化为山梨糖醇，但山梨糖醇很难穿透细胞膜，在细胞内积聚，导致细胞水肿、结构改变、代谢紊乱和微血管损伤，这一病理进程在大鼠DR 模型中也有所验证［16］。还可以激活PKC 通路减少DM 患者的视网膜血流量，也在临床试验及动物实验中证实［17-18］。视网膜血流量的减少，会导致视网膜组织形成缺血缺氧状态，进而诱发VEGF 等血管生成因子的表达增加，增加内皮通透性，促进黄斑水肿和增殖性视网膜病变进程［19］。氧化应激产生的ROS 还会抑制胰岛素基因的表达，导致胰腺β 细胞功能障碍，无法提供足够的胰岛素控制血糖，这也是糖尿病进展的重要原因之一，由于糖尿病的发生发展，机体形成高血糖的状态，又会进一步诱导视网膜的损伤，促进DR 病理状态的发生［20］。以上研究表明，抑制氧化应激可能成为DR 的潜在治疗靶点。

2 高血糖与糖尿病视网膜血管及神经的病变

视网膜是视觉形成的初始部位，也是多种致盲性眼病的病变部位，DR 是糖尿病微血管并发症之一［21］，是工作人群视力丧失的重要原因之一，也对患者的生活和工作造成了极大的困扰。视网膜具有高代谢性，其高代谢状态可以由其具有丰富的血液供应所体现［22］。视网膜微血管主要由内皮细胞和周细胞构成，二者之间通过缝隙连接进行细胞间通讯［23］，对维持视网膜血管内稳态起着至关重要的作用［24-26］。缝隙连接蛋白是由两个半通道对接而成，是由线粒体连接蛋白43（mitochondrial connexin 43，MtCx43）基因表达而来。有体外试验表明，高血糖会抑制MtCx43 基因表达，从而破环缝隙连接的结构和活性，微血管内皮细胞和周细胞之间连接通道受到破坏影响细胞间通讯，从而血管通透性增加而导致渗漏，这是DR渗出性病变的原因之一［27］。另一方面，内皮细胞损伤时会生成较多的血管收缩剂如内皮素、血栓素A2 促进微血管的收缩，有助于缺氧环境的形成，内皮细胞、周细胞、视网膜色素上皮细胞会释放更多VEGF，VEGF 与促红细胞生成素（EPO）二者起到相互协同作用共同促进微血管的生成，由于新生血管结构脆弱易于破裂出血，因此DR患者易发生视网膜出血，若新生血管长入到玻璃体可能会发生玻璃体积血［28］。研究表明Cx43 在细胞间通讯中起着核心作用，并有助于调节视网膜Müller 细胞的存活［27］，视网膜Müller 细胞参与构成血视网膜屏障，对神经元起到营养和保护作用，Müller 细胞-周细胞通讯对于维持视网膜稳态至关重要，高血糖会上调视网膜内皮细胞和 Müller 细胞中 Rab20 的表达，这种异常的Rab20 高表达有效抑制Cx43 从细胞内运输到细胞表面，从而损害缝隙连接细胞间通讯活性，并促进与DR 相关的视网膜内皮细胞和Müller细胞的丢失，因此靶向抑制Rab20 的过表达可用于改善高视网膜内皮细胞和Müller 细胞中的细胞间通讯，并预防与DR 相关的神经血管破坏，可能成为DR的潜在治疗方法［29］。

3 慢性炎症

DR 不单纯是微血管的病变，也是一种慢性炎症以及视网膜的神经退行性病变，有研究表明，高血糖诱导的代谢途径导致神经血管单位的损伤。先前多数学者认为视网膜神经变性是受到微血管病变的影响，后来Kim 等［30］的OCT 研究表明，DR 患者在出现微血管病变之前，即可观察到的视网膜神经纤维、神经节细胞和内丛状层较薄，表明视网膜内神经元的死亡可能先于血管细胞的死亡，视网膜神经变性可能存在独立于微血管病变之外的影响途径。视网膜神经变性主要包括神经元的死亡和神经胶质细胞的增生。神经胶质细胞的活化及增生后释放大量炎症因子，加速DR 进程，导致神经元细胞的功能障碍，其中Müller 细胞的增生活化，产生大量炎症细胞因子，一部分参与了DR 的进程，一部分反作用于Müller细胞本身，刺激其产生更多炎症因子，由此形成恶性循环，Müller 细胞对炎症的放大做用被认为是DR 发生发展的重要原因［31］。小胶质细胞不仅是神经胶质细胞，还在中枢系统中起到免疫细胞作用，在DM大鼠早期就可以检测到小胶质细胞的增生以及激活的比例增加，且在实验中观察到小胶质细胞形态变化时，尚未发生视网膜神经元的凋亡［32］，这表明小胶质细胞的反应性的发生先于DR。小胶质细胞作为一种特定类型的巨噬细胞，与巨噬细胞有很多共同的特征，可分为多种亚型，包括M1、M2a、M2b和M2c，M1小胶质细胞显著表达促炎因子如IL-6、TNF-α、IL-12 和吞噬氧化酶如iNOS 和MHC-Ⅱ。M2a 是典型的M2，具有很强的抗炎特征，表达IL-10、CD206、精氨酸酶1（Arg-1）和几丁质酶-3-like-3。M2b是M1和M2a之间的一个亚型，其特征是即表达抗炎因子如Arg-1、CD206，也表达促炎细胞因子如IL-12、IL-6、TNF-α。M2c 较高水平表达TGF-β 和VEGF-A，与血管生成和免疫抑制相关。这些小胶质细胞亚型可以相互动态分化，这一过程被称为极化［33］。在初始的炎症反应中主要起到纠正性作用即抗炎作用，长期过度的炎症刺激，致使小胶质细胞变为促炎状态，分泌大量促炎分子［34］。实验表明高血糖首先诱导M2a 样极化，这对附近的神经元细胞有保护作用。随着时间的推移，这种M2a 样极化转变为M2b，其特征是产生一些M1 促炎因子并伴随M2 因子受损，表明慢性高血糖可能会导致小胶质细胞极化逐渐改变为越来越促炎的亚型。事实上，在后期，极化的小胶质细胞似乎是M1样，小胶质细胞极化的这种变化极有可能是动态的和连续的［35］。小胶质细胞反应性和促炎性细胞因子和趋化因子水平升高是DR 病理学的重要标志。尽管尚不清楚小胶质细胞与疾病进展之间的确切分子联系，但研究表明，调节小胶质细胞可以缓解视力障碍［36］。

4 小结

DR 是危害视力的首位视网膜病变，氧化应激和慢性炎症反应以及Cx43 表达的下调在其发病过程中起着极为重要的作用，抑制氧化应激以及靶向诱导Cx43 表达可能成为DR 的潜在治疗靶点。神经胶质细胞的异常活化及产生炎症因子，是导致神经元及神经血管单位损伤的重要原因之一，抑制Müller 细胞的炎症放大作用，可能会延缓DR的进展。鉴于小胶质细胞可以向促炎型及抗炎型转化的特点，阻止小胶质细胞向促炎型转化，是有前景的DR治疗策略。