二甲双胍在年龄相关性眼病中应用的研究进展

燕朱轩,吕 洋

0 引言

年龄相关性眼病是指随着年龄增加,由眼组织老化后的退行性病变所引发的一系列眼科疾病,如年龄相关性黄斑变性(age-related macular degeneration,ARMD)、年龄相关性白内障(age-relate cataract,ARC)、糖尿病视网膜病变(diabetic retinopathy,DR)和青光眼等,随着全球社会人口老龄化的加剧,这些疾病的发病率也逐年激增[1-3]。二甲双胍是治疗2型糖尿病的一线用药,在临床应用已有60多年的历史[4]。近年来,越来越多的研究发现二甲双胍不仅降糖作用确切,其在防治肿瘤、心血管系统疾病、呼吸系统疾病、神经系统疾病、消化系统疾病、生殖系统疾病以及年龄相关性疾病中也发挥着积极作用,显示出巨大潜力及良好的应用前景[5-6]。目前,二甲双胍在眼部疾病的研究仍处于初始阶段,针对二甲双胍在高发病率的四种年龄相关性眼病中潜在作用和保护机制将在本文综述中进行总结。

1 二甲双胍由来

17世纪,英国植物学家提出山羊豆有抗糖尿病的功效。1914年,法国科学家首先从山羊豆种子中提取得到山羊豆碱,并对这一生物碱进行了初步研究。1918年,通过动物实验发现胍类物质具有降血糖功效。1922年,爱尔兰化学家首次合成二甲双胍。1957年,二甲双胍首次通过临床试验证实了降血糖功效[7]。近年来,对二甲双胍深入研究发现,其不仅可以降低血糖,还可预防和治疗与衰老相关的疾病。

2 二甲双胍在防治年龄相关性疾病中的作用机制

2.1 二甲双胍抗氧化应激的作用机制氧化应激在关节炎、糖尿病、痴呆、癌症、动脉粥样硬化、血管疾病、肥胖症和骨质疏松症等年龄相关性疾病的发展中起着至关重要的作用[8]。活性氧(ROS)的过度增加会破坏自身氧化-抗氧化平衡,发生氧化应激反应,是生物分子氧化和细胞损伤的根本原因[9]。研究发现,二甲双胍通过改善抗氧化作用机制、维持氧化还原稳态和转运蛋白的功能来抑制鱼藤酮诱导的氧化应激损伤[10]。Hartwig等[11]发现二甲双胍可激活叉头框蛋白O3(FOXO3),从而降低免疫细胞中的ROS水平,提示二甲双胍可降低心血管疾病和癌症的发病风险。Yang等[12]发现二甲双胍可以通过AMP依赖的蛋白激酶/激酶帕霉素靶蛋白(AMPK/mTOR)信号通路抑制扩张型心肌病中心肌细胞的氧化应激损伤。同时,线粒体是ROS产生的主要场所,也是ROS攻击的主要目标。相关研究表明,二甲双胍可通过抑制线粒体复合物Ⅰ,从而减少内源性ROS的产生和相关DNA的损伤[13-15]。另外,核因子红细胞系2相关因子2(Nrf2)作为细胞对氧化应激反应的主要调节因子,在各种氧化应激损伤的细胞中均可观察到Nrf2功能障碍。二甲双胍可通过上调Nrf2介导的转录诱导抗氧化系统,从而抑制细胞中的氧化应激反应,并恢复细胞中鱼藤酮诱导的线粒体功能障碍和能量缺失[16]。抗氧化标志物包括谷胱甘肽(GSH)和超氧化物歧化酶(SOD),Sabzali等[17]发现二甲双胍可显著提高细胞中SOD和GSH活性,从而减轻神经细胞的氧化应激损伤。总之,二甲双胍可有效减少ROS的生成,调节细胞能量代谢并改善线粒体功能,以及调节与抗氧化有关转录因子和酶的活性,从而发挥抗氧化应激作用。

2.2 二甲双胍抗炎的作用机制炎症是机体老化和细胞衰老的伴随反应,并导致许多年龄相关性疾病发生,包括2型糖尿病、痴呆症和癌症[18]。巨噬细胞是炎症反应过程中的关键细胞,激活后的巨噬细胞可极化为两种主要表型,即促炎的M1型和抗炎的M2型[19]。研究表明,二甲双胍可降低血液中促炎细胞因子白细胞介素-6(IL-6)、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)的水平和脂肪组织中M1巨噬细胞标志物整合素αX抗体(CD11c)和单核细胞趋化蛋白-1(MCP-1)的表达,并增加了M2巨噬细胞的比例[20]。Putilin等[21]发现二甲双胍可通过激活AMPK抑制mTOR信号传导,进而降低炎症细胞因子白细胞介素-1β(IL-1β)和白细胞介素-17-A(IL-17-A)的水平。在最近的一项为期5a的随访研究中,二甲双胍也被证实可降低老年糖尿病患者的血液中促炎细胞因子的水平[22]。同时,转录因子-kappa B(NF-κB)为炎症过程中的关键因子[23],二甲双胍可通过调节NF-κB信号传导和影响单核细胞分化为巨噬细胞,从而抑制来自巨噬细胞的促炎细胞因子,以起到减轻炎症损害的作用[24-25]。一项研究报告称,1213例既往患有糖尿病的患者在感染2019冠状病毒病(COVID-19)住院期间,二甲双胍的应用可减少患者循环炎症标志物,如C反应蛋白(CRP)、IL-6、白细胞介素-2(IL-2)和TNF-α,并降低了血液中的中性粒细胞与淋巴细胞比率[26]。以上研究结果表明,二甲双胍可有效降低来自M1型巨噬细胞中的促炎因子水平,并通过调节与抗炎相关信号因子,从而发挥抗炎作用。

2.3 二甲双胍诱导自噬的作用机制自噬是一种进化上保守的分解代谢过程,负责依赖溶酶体的降解和循环利用,在维持真核生物的细胞内稳态和活力方面发挥着重要作用,与年龄相关性疾病发生有关[27]。自噬作为长寿保证的核心过程而出现,是年龄相关的疾病的潜在治疗靶点。Wang等[28]发现二甲双胍可以激活AMPKα1和α2介导的通路,从而恢复心肌缺血再灌注过程中的自噬通量。在高糖诱导的糖尿病小鼠模型中,二甲双胍通过激活小鼠前动力蛋白2/核糖核酸依赖性蛋白激酶(PK2/PKR)途径介导的自噬,使丝氨酸-苏氨酸蛋白激酶(AKT)和糖原合酶激酶3β(GSK3β)水平恢复,提示二甲双胍可通过激活PK2/PKR/AKT/GSK3β增强糖尿病小鼠睾丸细胞自噬和抑制细胞凋亡[29]。另一项研究表明,二甲双胍可通过AMPK/沉默信息调节因子1-叉头框蛋白O1(SIRT1-FOXO1)信号通路促进自噬,从而减轻高糖培养大鼠系膜细胞的氧化应激反应,缓解糖尿病大鼠的糖脂代谢紊乱、肾功能不全和蛋白尿[30]。另外,二甲双胍可通过降低果蝇抗源序列蛋白3(SMAD3)介导的Tribbles同源蛋白3(TRIB3)表达,诱导自噬并恢复自噬通量,进而抑制黑色素瘤进展[31]。值得一提的是,二甲双胍对自噬的激活并不是单向的。在肿瘤细胞中,二甲双胍可以通过自噬抑制途径发挥抗肿瘤作用。葡萄糖调节蛋白78(GRP78)是抗骨髓瘤药物硼替佐米诱导自噬的关键驱动因素,二甲双胍可通过抑制GRP78,破坏细胞防御状态,进而增强硼替佐米的抗骨髓瘤作用[32]。总之,二甲双胍可通过多种信号通路包括AMPK依赖型通路或非依赖型通路诱导自噬,并对细胞自噬的影响具有双向性。

3 二甲双胍在年龄相关性眼病中的研究进展

3.1 二甲双胍在ARMD中的研究进展ARMD是60岁以上老年人不可逆失明的主要原因,其发病率随着年龄的增加而增高。流行病学调查显示,2020年全球范围内约有1.96亿ARMD患者[33]。在最近的几项临床回顾性研究中发现,服用二甲双胍的糖尿病患者发生ARMD的几率显著降低,表明二甲双胍对ARMD的发生发展具有延缓和预防作用[34-35]。

视网膜是人体耗氧量最高的组织之一,由于高氧代谢的特性,视网膜组织会产生大量的ROS,导致视网膜受到氧化损伤[36],因此,视网膜色素上皮层(retinal pigment epithelium,RPE)细胞的氧化应激损伤在ARMD的发生和发展起关键作用。Qu等[37]通过体内外试验研究发现二甲双胍可通过激活AMPK/Sirt1信号通路上调硫氧还蛋白相互作用蛋白(TXNIP)的表达,降低RPE细胞氧化应激中ROS的产生,从而保护RPE细胞免受氧化损伤。同样,二甲双胍可通过激活AMPK信号通路增强自噬,从而保护RPE细胞免受H2O2诱导的氧化损伤[38]。另外,RPE细胞的高代谢需大量线粒体的参与,二甲双胍可通过激活AMPK信号通路增强线粒体生物的合成,并可清除受损线粒体,从而发挥保护视网膜结构与功能的作用[39]。

随着眼组织的老化,RPE细胞中促炎和抗炎细胞因子之间平衡的失调,诱发低度慢性炎症并持续较长时间,进而促进ARMD发病[40]。ARMD患者体内炎症相关分子的基因突变以及炎症急性期反应蛋白水平的上升在ARMD进展中发挥着重要作用[41]。另外,玻璃膜疣和脉络膜新生血管的形成作为ARMD的特征性表现也与炎症及炎症微环境密切相关[42]。研究发现,二甲双胍可以通过激活AMPK通路,抑制视网膜炎症反应,改善内皮功能、阻止视网膜新生血管的生成[43]。同样,二甲双胍可通过激活AMPK信号通路抑制激活素受体样激酶1(ALK1)介导的脉络膜新生血管(choroidal neovascularization,CNV)产生[44]。

细胞自噬功能减退及自噬通量下降是促进ARMD疾病发展的关键因素之一[45]。Shu等[46]发现在视网膜损伤的动物模型和细胞模型中,二甲双胍可以诱导自噬并恢复自噬通量,提升微管相关蛋白轻链3 Ⅱ(LC3-Ⅱ)在视网膜组织中的水平,从而发挥保护RPE细胞的作用。

以上研究结果表明,二甲双胍可通过AMPK依赖型通路或非依赖型通路降低视网膜氧化应激水平、减轻炎症反应、增强自噬、抑制视网膜细胞凋亡和抑制CNV生长,在预防和延缓ARMD的发生发展方面有重要意义。

3.2 二甲双胍在ARC中的研究进展

ARC又称老年性白内障,是以晶状体进行性混浊为主要特征的致盲性眼病,是最为常见的白内障类型,其发病率也随着年龄的增长而明显升高[47]。韩国一项关于2型糖尿病患者使用二甲双胍的临床回顾性研究表明,使用二甲双胍的患者,白内障发病率明显降低[48],在荷兰鹿特丹市的一项大型队列研究中也有同样的发现[49]。

目前普遍认为,晶状体上皮细胞(lens epithelial cells,LECs)的氧化损伤是ARC发生和发展中的关键因素[50]。Chen等[51]发现二甲双胍可通过激活AMPK信号通路改善溶酶体功能和下调mTOR表达并恢复自噬通量,进而抑制氧化应激诱导的人LECs的氧化损伤。此外,在该研究中还发现,AMPK信号通路介导的自噬在模拟ARC的人LECs中受损并失活。Zhang等[52]发现二甲双胍干预H2O2诱导氧化应激损伤的人LECs后,细胞凋亡标志物p53、p21、p16和促炎细胞因子IL-6、IL-8明显下调,提示二甲双胍可抑制人LECs的氧化应激损伤及凋亡。基于动物实验发现,二甲双胍可通过激活AMPK信号通路来增强自噬抑制雄性C57BL/6小鼠LECs的氧化应激损伤,进而发挥保护LECs的作用[53]。

以上研究结果表明,二甲双胍可通过AMPK依赖型信号通路在减轻LECs氧化应激损伤和抑制LECs凋亡方面有一定作用,提示二甲双胍可能对ARC的发生发展具有预防和治疗作用。

3.3 二甲双胍在DR中的研究进展DR是最常见的视网膜血管病,是40岁以上人群主要致盲性眼病之一。流行病学调查显示,全世界DR患者的数量将从2010年的1.266亿增加到2030年的1.910亿[54]。在关于DR的部分临床回顾性研究中,二甲双胍的应用被证实可显著降低DR的发病风险或延缓疾病的进展[55-56]。

DR是糖尿病的微血管并发症,是糖尿病患者后天性失明的主要原因。已证实氧化应激是糖尿病视网膜病变发病机制的关键因素之一[57]。通过高糖诱导的DR大鼠中研究发现,二甲双胍可通过抑制RPE中NF-kB/Toll样受体4(TLR4)介导的氧化应激损伤,并显著抑制了糖尿病诱导的丙二醛(MDA)、谷氨酸、TNF-α和血管内皮生长因子(vascular endothlial growth factor,VEGF)的增加,进而抑制DR的发展[58]。同样,二甲双胍可恢复高糖诱导大鼠血清中紧密连接蛋白-1(claudin-1)和GSH/MDA的比例,下调TNF-α和VEGF的表达,从而减轻了糖尿病大鼠的视网膜病变[59]。

炎症在非增殖型糖尿病中起着至关重要的作用。研究表明,二甲双胍可逆转高脂诱导的视网膜中信号蛋白的变化,如AKT、细胞外信号调节激酶(ERK)和AMPK,从而减少了眼内炎症反应[60]。

高血糖导致的缺氧可引起血管内皮细胞功能异常和VEGF表达增加,VEGF导致新生血管生成以及血管通透性增加是晚期DR微血管病变的重要代偿反应[61]。Zhang等[62]发现二甲双胍可通过诱导靶向VEGF-A的miR-497a-5p来抑制VEGF-A蛋白的翻译,从而减少视网膜新生血管的形成。同样,二甲双胍可诱导VEGF-A mRNA剪接至VEGF120异构体,以减少其对VEGFR2的激活,从而抑制视网膜新生血管的形成[63]。

以上研究结果表明,二甲双胍可降低DR中视网膜氧化应激水平,并抑制视网膜新生血管的形成,在预防和治疗DR的发生发展方面有重要意义。

线粒体功能障碍是青光眼后期视神经退行性变的重要影响因素,减少视网膜神经节细胞(retinal ganglion cells,RGCs)死亡对防治青光眼有重要意义[67]。研究表明,二甲双胍可显著改善RGCs中线粒体结构与功能,并调节线粒体自噬相关基因和蛋白的表达,从而提高RGCs的存活率[68]。此外,在N甲基-D-天冬氨酸受体诱导RGCs的兴奋性毒性中,二甲双胍可通过AMPK和MEK/ERK信号通路抑制RGCs的炎症反应损伤,进而抑制RGCs的死亡[69]。

青光眼滤过性手术(glaucoma filtering surgery,GFS)被认为是降低眼压的最有效选择。然而,术中组织损伤可能会刺激结膜成纤维细胞迁移、增殖,并从成纤维细胞分化为肌成纤维细胞,这虽然是伤口修复的重要过程,但通常会导致瘢痕的形成[70]。目前临床上广泛应用丝裂霉素(MMC)或5-氟尿嘧啶(5-FU)等抗结膜瘢痕药物来改善GFS的预后,但由于一些严重的并发症(如黄斑变性、滤过性囊泡渗漏和角膜上皮功能障碍)而受到限制[71]。研究发现,二甲双胍可通过激活AMPK/Nrf2信号通路调节巨噬细胞极化,从而预防青光眼滤过手术后的纤维化及结膜瘢痕的形成[72]。此外,氧化应激引起小梁网结构损伤和功能障碍,造成房水引流障碍后导致的病理性高眼压是青光眼发病过程中的重要环节[73]。然而,目前并没有直接的证据证实二甲双胍对氧化应激引起小梁网结构损伤和功能障碍具有抑制作用。

以上研究结果表明,二甲双胍在改善RGCs的线粒体功能,调节线粒体自噬、减少RGCs死亡、保护视神经功能和预防GFS后纤维化方面具有有一定作用,但进一步应用于临床仍旧需要更多的基础研究和临床验证。

4 总结与展望

二甲双胍作为治疗2型糖尿病的一线药物,不仅具有良好的降血糖作用,而且能通过激活AMPK依赖型通路或非依赖型通路对多种年龄相关性疾病发挥防治作用。临床研究表明,长期服用二甲双胍可降低多种与年龄相关的病理风险,包括心血管相关疾病、神经退行性疾病和癌症等。其中,二甲双胍的抗氧化应激、抗炎和诱导自噬等作用与年龄相关性眼病的病理变化密切相关,为防治年龄相关性眼病提供了新思路。然而,目前大多数关于二甲双胍与年龄相关性眼病的回顾性研究中,研究对象均为糖尿病患者。二甲双胍是否在非糖尿病患者的年龄相关性眼病中取得同样显著的效果值得临床进一步研究证实。基于二甲双胍的药物代谢动力学特性,其最佳药物剂量及浓度和药物传递系统也需要更进一步研究[74]。此外,长期使用二甲双胍需要注意潜在的维生素B12缺乏症。

近年来,二甲双胍在年龄相关性眼病的广泛研究中展现了其良好的应用前景。然而,目前二甲双胍在年龄相关性眼病的研究仍处于起步阶段,其作用机制和潜在应用价值有待于进一步深入挖掘。