糖尿病性黄斑水肿流行病学及发病机制的研究进展

王 滨 马华锋 李 会 马力兴

据统计,目前全世界的糖尿病患者数量呈现明显上升趋势[1-2]。糖尿病患者可出现多种并发症,其中糖尿病视网膜病变(DR)是导致其视力丧失的主要原因。不同研究中糖尿病患者DR的患病率为1.0%～40.0%,差异较大[3]。DR患者可出现玻璃体积血、视网膜脱离、黄斑水肿(DME)等多种并发症,其中DME是导致DR患者视力下降的主要原因,在DR各阶段均可发生。有研究显示,DR患者DME的患病率为2.7%～11.0%,与糖尿病患者性别、病程及血糖控制情况有关,但在病程达到25年的糖尿病患者中,DME的患病率约为30.0%[3-4]。Kume等[3]调查了日本17 403例DR患者,有420例患者存在DME。有研究发现,约三分之一的糖尿病患者最终会出现DR,而约三分之一的DR患者最终会出现DME[5]。本文将基于最新研究概述DME的流行病学及发病机制以便更好地认识DME。

1 DME患者的流行病学特征

1.1 DME患者的人口分布

DME患者主要为中老年人[3,6-7]。随着年龄增加,DME患病率逐渐降低。与60岁以上的糖尿病患者相比,小于60岁的患者更易发生DME[8-9]。不同研究中DME患者中男性占比有所不同,但不同性别DME患者的初始病情及愈后无明显差异[3,6-7,10]。不同地区DME的患病情况也有所不同,美国糖尿病患者中DME的患病率约为3.0%[8],欧洲为3.7%[11],非洲为5.7%[9],土耳其为15.3%[12],波兰为5.4%[13];我国北京糖尿病患者中DME的患病率为5.2%,上海为4.3%[10]。

1.2 DME与全身因素

1.2.1 DME与糖尿病

在Korobelnik等[6]、Busch等[14]和 Jung等[15]的研究中,DME患者中2型糖尿病患者占比分别为83.0%、84.4%和100.0%。虽然DME患者中2型糖尿病占比较大,但1型糖尿病患者中DME患病率高于2型糖尿病[11]。DME患者血糖大多控制较差,需要规范的降血糖治疗[10]。DME患者糖尿病病程较长,大多在10年以上[14-15]。

1.2.2 DME与血压

高血压是糖尿病最常见的伴随疾病[9]。Jung等[15]研究显示,DME患者中合并高血压者占63.6%。另一研究显示,DME患者中合并高血压者占89.3%,且虽然其中87.0%的患者在进行降血压治疗,但仍有82.0%患者的血压治疗未达标[14]。

1.2.3 DME与血脂

Jung等[15]研究中,DME患者合并高血脂者占81.8%。在另一研究中,虽然有65.0%的DME患者在进行降血脂治疗,但仍有38.0%患者的甘油三酯较高,93.0%患者的低密度脂蛋白较高,15.0%患者的高密度脂蛋白较低;低密度脂蛋白升高会促进DME进展,高密度脂蛋白升高会降低发生DME的风险[14],因此,血脂管理也需引起重视。

1.2.4 DME与BMI

Busch等[14]研究显示,DME患者的体重指数(BMI)为(32.8±6.0) kg·m-2,其中92.0%患者的BMI≥25.0 kg·m-2,69.0%的患者BMI≥30.0 kg·m-2,高BMI与DME的发生呈正相关,但Ejigu等[9]研究显示,BMI与DME无关。因此,DME与BMI的关系仍需进一步研究。

2 DME病因及发病机制

无论何种类型的糖尿病患者,持续高血糖均为DME发生的主要原因[16-17]。视网膜长期高血糖会引起多种代谢异常,导致多种细胞因子紊乱,最终破坏血-视网膜屏障(BRB),发生血管渗漏,出现DME[18]。下面将从生物化学、分子水平及细胞水平三个层面对DME的发病机制进行概述。

2.1 生物化学改变

在糖尿病患者中,长期高血糖会诱导晚期糖基化终末产物(AGEs)的过度生成、激活蛋白激酶C(PKC)、干扰多元醇途径和过度激活氨基己糖途径等,引起炎症、氧化应激和血管生成缺陷,促进炎症因子和生长因子的产生[16-17]。

2.1.1 AGEs

AGEs是蛋白质、脂质或DNA等生物大分子糖基化的产物,积聚过多可改变蛋白质结构,损害其功能[19-20]。在DR患者中,AGEs过多会损伤细胞间连接(闭塞蛋白和钙黏蛋白),激活白细胞,增加白细胞介素(IL)-6、IL-8等炎症因子的产生,上调内皮细胞表面黏附分子的表达[19]。糖尿病患者中,AGEs会随着血糖的升高而增加,同时患者的视网膜血管内皮细胞和周细胞上的AGEs受体(RAGE)也会上调。AGEs与RAGE结合,可促进血管内皮生长因子(VEGF)的产生[17,19],还会激活肾素-血管紧张素-醛固酮系统(RAAS)、丝裂原活化蛋白激酶和核因子激活的B细胞的κ-轻链增强(NF-κB)等细胞内信号转导通路,损害抗氧化系统,诱导活性氧(ROS)的产生,引起炎症和微血管功能障碍;而氧化环境又可加剧AGEs的产生,加重损伤。研究表明,抑制AGEs-RAGE信号转导可在一定程度上预防并减轻糖尿病并发症[19,21]。

2.1.2 多元醇途径

正常人葡萄糖主要通过糖酵解途径代谢,而糖尿病患者糖酵解途径饱和,过多的葡萄糖会被分流至多元醇途径[19]。多元醇途径包括两步,首先,醛糖还原酶将葡萄糖还原为山梨醇,将还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)氧化为烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸;随后山梨醇脱氢酶将山梨醇转化为果糖,将烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)转化为还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸。糖尿病患者多元醇途径活跃,会过多消耗NADPH和NAD+,导致机体谷胱甘肽合成减少,抗氧化作用减弱,氧化应激水平增高[17,22];同时山梨醇亲水性较强,通过细胞膜的能力较低,易在视网膜细胞内积聚并诱导渗透性损伤[19];此外,多元醇途径中的果糖部分会被转化为3-脱氧葡萄糖,可抑制糖酵解,并促进AGEs的合成[23]。

2.1.3 氨基己糖途径

氨基己糖途径是指由果糖-6-磷酸产生UDP-N-乙酰基葡萄糖胺(UDP-GlcNAc)这一过程,UDP-GlcNAc是大分子糖基化的底物。正常人中仅少量葡萄糖会代谢为UDP-GlcNAc,而高血糖时氨基己糖途径活跃,UDP-GlcNAc生成增多,过度糖基化蛋白质[24];糖基化也会在蛋白质修饰过程中与磷酸化竞争,从而影响蛋白质代谢及功能[19]。研究发现,p53蛋白过度糖基化会导致周细胞丢失及微血管功能障碍,NF-κB过度糖基化会诱导神经细胞凋亡[25],RNA聚合酶II转录因子的糖基化可能导致调节DME的蛋白质表达失调[26]。此外,氨基己糖途径过度活跃还会促进胆固醇特异性蛋白1的表达,导致胆固醇升高[17]。

2.1.4 PKC途径

长期高血糖会导致甘油二酯积聚,而甘油二酯可激活PKC;高血糖也可通过AGEs-RAGE途径和多元醇途径激活PKC[19]。PKC可促进内皮素A的产生,收缩血管,减少视网膜血流量[27];PKC也可诱导细胞外基质的改变,促进血管生成和白细胞黏附[28]。此外,PKC途径还会加重氧化应激,下调正常的生存信号通路,促进细胞凋亡[19]。最终,PKC的激活会上调VEGF的表达,导致视网膜血管功能障碍[29]。

2.1.5 其他

在DME患者玻璃体中,RAAS成分含量增加[19],而RAAS成分可刺激局部炎症和氧化应激的产生,诱导VEGF的生成[30];谷氨酸浓度升高,可对视网膜神经元产生兴奋性毒性,γ-氨基丁酸浓度增加,可抑制视网膜电图波幅[19]。DME患者视网膜中Rho相关卷曲蛋白激酶(ROCK)过度活化,会诱导闭合蛋白-5(Claudin-5)的重新分布,破坏细胞间紧密连接,损害BRB,增加血管通透性[31]。糖尿病患者房水中S蛋白(PS)高于非糖尿病患者,其中DME患者高于无DME患者,且DME程度越重患者房水中PS含量越高,但PS在DME中的作用机制暂不清楚[32]。在视网膜高血糖和炎症时,精氨酸酶表达会增加,可导致线粒体功能障碍,加剧细胞应激和凋亡[33]。当高血糖诱导的氧化应激持续损害细胞DNA时,会过度激活多聚二磷酸腺苷核糖聚合酶,消耗NAD+[34]。血糖升高时视网膜葡萄糖转运蛋白活性会增强,导致进入视网膜的葡萄糖增多[35]。高血糖还可影响血管内皮细胞氧化应激的表观遗传调控,诱导5-羟基甲基胞嘧啶和肾素-血管紧张素系统相关C3肉毒菌毒素底物1的表达,促进ROS的发生[36]。

2.2 分子改变

与正常人相比,DME患眼内多种分子含量发生改变,包括胎盘生长因子、IL-6、ROS等,可分为生长因子类、炎症因子类、氧化应激相关分子、MMP等[18-19],以下将分别对其进行概述。

2.2.1 生长因子

正常人促血管生成因子和抗血管生成因子处于一个平衡状态,当高血糖长期存在时会打破该平衡,导致促血管生成因子大量产生,其中以VEGF为主[37]。当长期高血糖损害视网膜微血管时,细胞缺氧,缺氧诱导因子-1表达增加,激活VEGF基因,促进VEGF的表达[38]。视网膜中有多种细胞可表达VEGF,包括胶质细胞、血管内皮细胞和周细胞等[18]。VEGF可直接促进血管内皮细胞增殖,诱导肌动蛋白丝排列的改变,促进闭锁小带蛋白-1(ZO-1)和闭塞素等细胞连接蛋白的磷酸化,增加血管通透性,在DME的发生中起关键作用[18]。同时,VEGF与其受体结合,也可诱导促炎因子的产生,趋化白细胞到炎症部位,还可诱导内皮细胞的生长和迁移,损害BRB[18]。DME患眼中胎盘生长因子和血小板衍生生长因子浓度增加,胎盘生长因子可与血管内皮细胞上的VEGF受体结合,发挥促炎及增加血管通透性的作用[19],而血小板衍生生长因子与DR患者新生血管的形成密切相关[39]。研究发现,DR患者中色素上皮衍生因子浓度低于正常人,而色素上皮衍生因子可下调VEGF的表达,并抑制新生血管形成[40]。

2.2.2 炎症因子

DR患者中,IL-6、IL-8、单核细胞趋化蛋白-1(MCO-1)和细胞间黏附分子-1(ICAM-1)等炎症因子含量增加[18],此类分子均会趋化和激活炎症细胞。此外,IL-6还会诱导肌动蛋白丝的重排,产生细胞间缝隙连接,增加血管内皮细胞的通透性[18];IL-8会下调内皮细胞间多种紧密连接蛋白(包括外周蛋白ZO-1、跨膜蛋白Claudin-5和Occludin等)的表达,降低血管通透性[41];MCP-1可诱导细胞连接蛋白的磷酸化,损伤细胞间连接,增加血管通透性[18];ICAM-1可促进白细胞的滚动及其与血管壁的黏附,引起白细胞沉积,导致内皮细胞损伤,破坏BRB[18]。有研究发现,增生性DR患者中 IL-37含量增加,且与VEGF呈正相关[42],但IL-37是一种炎症抑制因子,会抑制炎症,与IL-6、IL-8等相拮抗,推测IL-37增加是DR患者炎症较重时的一种代偿,而不能逆转炎症。

2.2.3 氧化应激相关分子

在DR患者中,氧化剂与抗氧化剂失衡与DME的发展密切相关。DR中有多种机制可形成ROS,高血糖可直接诱导NADPH氧化酶的活性增加,促进超氧化物或过氧化氢的形成[43];高血糖也会增加PKC的激活,而PKC可加强NADPH氧化酶的活性,进一步促进氧化应激[44]。此外,在DR患者中,精氨酸酶与一氧化氮合酶(NOS)竞争L-精氨酸,可引起NOS解偶联,进而产生超氧化物,同时一氧化氮(NO)生成减少,血管舒张受损,导致缺氧,加重ROS的形成[17]。过多的ROS会抑制线粒体DNA的生物合成及修复功能,降低抗氧化剂(如锰超氧化物歧化酶、谷胱甘肽等)的水平,甲基化线粒体DNA,干扰正常蛋白质的表达,导致线粒体功能障碍及其膜通透性增加,增加细胞色素C的释放并诱导细胞凋亡[45]。此外,ROS可促进NF-κB、PKC、丝裂原活化蛋白激酶等炎症因子的产生,加重炎症[46];氧化应激还会下调微小RNA(miR)-126、miR-146a和miR-200b的表达水平来促进VEGF的表达[37]。

2.2.4 MMP

MMP是一类需要Ca2+、Zn2+等金属离子作为辅助因子的蛋白酶,参与组织重塑、血管生成和细胞迁移等过程。正常人视网膜中MMP含量很低,在DR患者高糖、炎症及氧化应激的刺激下,MMP含量增加,可降解微血管基底膜中的细胞外基质,破坏BRB,导致血管通透性增加;同时,基底膜的降解将促进血管内皮细胞迁移,形成新生血管[47]。有研究发现,PDR患者玻璃体中MMP-1、MMP-7、MMP-9和MMP-14的水平升高,其中,MMP-9与DR相关性最强[48-49]。高血糖诱导的炎症、氧化应激和缺氧可以直接(诱导MMP-9转录因子增加)或间接(表观遗传途径)刺激MMP-9的表达。MMP-9主要可通过以下3种方式参与DR发展[37],包括:(1) MMP-9在血管生成中具有双重作用,在DR早期可以激活血管内皮抑制素,还可通过损伤线粒体促进血管内皮细胞凋亡,从而发挥抑制血管生成的作用;而在DR晚期,MMP-9可促进血管内皮细胞迁移及细胞外基质重塑,促进新生血管及DME的形成。(2) MMP-9可破坏胆固醇结合膜糖蛋白,而该蛋白是视网膜发育和保护的重要分子。(3) MMP-9可破坏血管内皮细胞间连接(如ZO-1和Occludin),降解基底膜成分,破坏BRB,引起DME[49]。

2.2.5 其他分子

有研究发现,DR患者玻璃体中血浆激肽释放酶、缓激肽及其受体含量增加,缓激肽可增加血管通透性[50]。DME患者视网膜内界膜上的水通道蛋白(AQP)4、AQP7、AQP11较黄斑裂孔患者表达更高,尤其是AQP4[51]。

2.3 细胞层面改变

DR患者生长因子和炎症因子表达的增加,ROS水平的提高,会干扰视网膜内的血管内皮细胞、周细胞、胶质细胞、色素上皮细胞等的代谢[18],损害其功能,导致患者视网膜内液体平衡失调,这与DME的发生密切相关。

2.3.1 微血管改变

DR患者生长因子和炎症因子长期表达增加,会导致毛细血管内皮细胞、周细胞、胶质细胞减少及血管内皮基底膜(EBM)增厚,引起血管通透性增大、BRB破坏,血管成分外渗,发生DME。已有研究显示,在DR早期发现了Müller细胞和星形胶质细胞的损伤,这会导致患者视网膜内液体排入视网膜血管减少,细胞内外液体积聚[18]。有研究显示,DME与视网膜浅层毛细血管丛的异常相关[52],也有研究认为,DME与深层毛细血管丛的异常相关[53]。Lei等[54]进一步将视网膜浅层毛细血管丛分为毛细血管和小动静脉,结果发现,后者血管直径与DME呈正相关;考虑视网膜小动静脉的扩张会引起视网膜高灌注,进而促进DME的发生。在大量VEGF及炎症因子的持续刺激下,BRB完整性被破坏,主要是细胞间紧密连接中的Claudin-5重新分布,该过程受ROCK介导[31]。此外,在DR早期即可观察到EBM增厚、周细胞和内皮细胞丢失及白细胞沉着,导致血管屏障功能减弱。白细胞沉着于血管内皮会导致血栓形成和毛细血管阻塞,进而加重病情[55]。此外,炎症可促进细胞外基质蛋白的表达,使EBM增厚[19]。

2.3.2 视网膜胶质细胞

胶质细胞参与维持视网膜稳态,将细胞外液体运输到视网膜血管内。有研究显示,在DR早期,Müller细胞和星形胶质细胞均存在损伤,视网膜细胞间液体回吸收至血管减少,导致细胞外液体积聚[18]。糖尿病的慢性损伤会持续激活小胶质细胞,使其释放有害的细胞因子(ROS和活性氮等),引起神经元、周细胞、内皮细胞和视网膜色素上皮(RPE)细胞的损伤,损害内层和外层BRB[19,56]。

2.3.3 RPE和脉络膜

RPE在视网膜和脉络膜之间运输营养物质和水,脉络膜为外层视网膜提供血液[19,57]。在长病程糖尿病患者中,RPE介导的从视网膜到脉络膜的离子和水运输减少,细胞间连接蛋白的表达降低,VEGF和炎症因子的表达增加,导致DME的发生发展[19,58]。在糖尿病患者的脉络膜中,可有毛细血管缺失、微动脉瘤等改变,白细胞黏附分子增多,可促进白细胞由脉络膜迁移到视网膜内,加重视网膜炎症[19,59]。对于脉络膜厚度,非DME的DR患者与正常健康者相近,DME患者最厚,且经抗VEGF治疗后明显变薄[60]。

2.3.4 血流速度

长期炎症及高血糖可损伤血管内皮细胞,刺激血小板聚集、白细胞滚动和黏附,血小板及白细胞黏附于内皮损伤处,引起血流淤滞。此外,内皮细胞受损,血管通透性增加,血浆成分外渗,血液浓缩,可加剧血流淤滞[18,50]。与无DME的患者相比,DME患者的视网膜血流速度更低,且与病变程度相关[61]。DR患者中炎症因子水平(MCP-1、IL-8等)与血流速度呈负相关[62]。

3 结束语

DME是导致糖尿病患者视力下降的主要原因,大部分患者合并有高血压、高血脂等全身性疾病,且控制欠佳。在DR患者中,长期高血糖会诱导AGEs过度生成、PKC及多元醇途径过度激活等代谢异常,刺激炎症因子和生长因子的产生,引起细胞功能异常,导致内皮细胞减少、周细胞减少、基底膜增厚、白细胞黏附、胶质细胞及RPE细胞功能异常,导致血流淤滞、视网膜缺血缺氧、BRB破坏,血管内液体漏出,同时细胞间液体回吸收减少,组织间液体稳态失调,从而导致DME。DME的发病机制较为复杂,未来仍需探索各细胞因子所介导的特定病变过程,以及各细胞因子对病情严重程度及愈后特征的指导意义。