脂肪因子与糖尿病视网膜病变的研究进展

李猷娜,姚润莲

0引言

无论是发展中国家还是发达国家,糖尿病(DM)的患病率都在逐年上升。根据国际糖尿病联盟(International Diabetes Federation,IDF)发布的《全球糖尿病地图(第10版)》,2021年,估计有5.37亿人患有DM,预计2045年将达到7.83亿。我国是成人DM患者人数最高的国家之一,预计到2045年仍将如此[1]。糖尿病视网膜病变(DR)是DM常见的微血管病变之一,也是成人失明的主要原因。由此可见,寻找 DR预防与治疗的特异性靶点至关重要。DR的发展是一个错综复杂的过程,已知的DR病理机制主要是由于持续高血糖诱导的氧化应激、血管通透性异常、微血管动脉瘤、血管阻塞和内皮细胞功能障碍,视网膜血管通透性增加、神经退行性变、新生血管形成,最终导致血-视网膜屏障破坏[2-5]。研究表明,脂肪因子在DR的发生和发展中具有重要作用。脂肪因子不仅可以直接通过血液循环作用于血管内皮,还能通过影响交感神经系统活性、胰岛素敏感性等方式间接影响血管内皮功能[6]。本文就几种新型脂肪因子在DR的发生发展中的作用进行综述。

1脂质运载蛋白2

脂质运载蛋白2(LCN2),也称为中性粒细胞明胶酶相关脂质运载蛋白(NGAL)或癌基因24p3,是脂肪因子超家族的一种分泌型糖蛋白。LCN2首先从人中性粒细胞中分离出来,并被描述为α2-微量白蛋白相关蛋白质。通过核磁共振光谱测定,LCN2的三级结构包含1个N-末端310-样螺旋,随后是由2个α-螺旋包围的8个反平行的β-折叠,进而形成1个杯状口袋[7]。LCN2是一种循环蛋白,与巨蛋白/糖蛋白和GP330 SLC22A17或24p3R LCN2受体结合后,负责将小分子和疏水分子(类固醇、游离脂肪酸、前列腺素和激素)转运至靶器官[8]。LCN2在介导先天免疫反应、炎症反应、铁稳态、细胞迁移和分化、能量代谢和体内其他过程中具有多种生物学功能[9]。此外,LCN2在侵袭性亚型的癌症组织中含量也很丰富[7]。

LCN2是多种炎症和代谢过程的多效性介质,其分泌主要由感染、损伤和代谢紊乱引起[10]。既往研究表明,DM和DR均属于慢性炎症疾病。Mahfouz等[11]发现2型糖尿病(T2DM)患者血清LCN2水平较正常人显著升高,且LCN2表达水平与胰岛素抵抗指数、DM相关标志物以及DM的病程进展呈正相关。LCN2在视网膜中主要由视网膜色素上皮(RPE)细胞分泌,可以通过调节细胞因子和趋化因子的产生,以及通过调节抗氧化酶促进细胞活力和减少凋亡,从而保护视网膜免受炎症诱导的退化[12]。在内毒素诱导的葡萄膜炎(EIU)中,LCN2在Müller细胞中表达显著上调,脂多糖(LPS)刺激的Müller细胞可显著提高LCN2的表达,而LCN2又可以减少Müller细胞中肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、白细胞介素-6(IL-6)和单核细胞趋化蛋白-1(MCP-1)的表达和分泌[13]。Ahn等[14]研究表明,炎症小体的激活可以调节小鼠巨噬细胞中LCN2的分泌,核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3(NLRP3)可减弱LCN2表达。然而,Kim等[15]研究发现,LCN2通过激活核因子-κB(NF-κB)通路可以直接上调NLRP3炎症体复合物,以协助LPS刺激巨噬细胞,且充当促炎调节剂。已知NF-κB通路是影响DM和DR发展的关键因素,综上,LCN2既可以通过减少炎症因子的分泌抑制眼部炎症,又可以通过激活NF-κB通路发挥促炎作用。

细胞焦亡是一种炎性形式的程序性细胞死亡,分为经典的半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-1(caspase-1)依赖途径与非经典的caspase-11依赖途径[16]。Zhang等[17]对增殖性糖尿病视网膜病变(PDR)患者的视网膜增殖膜进行研究,发现caspase-1表达水平增高。Su等[18]研究表明,DR视网膜内皮细胞中LCN2的表达显著上调,用sh-LCN2转染后,可以显著下调消皮素D(GSDMD)/caspase-1/NLRP3信号轴相关蛋白的表达,且沉默LCN2可以抑制NLRP3/caspase-1介导的细胞焦亡。烟酰胺腺嘌呤二核苷酸依赖的去乙酰化酶1(SIRT1)是一种公认的负责性别决定区Y框蛋白9(SOX9)脱乙酰化的脱乙酰酶,可通过SOX9脱乙酰化促进其核转位,从而增加LCN2的表达,进一步诱导血管内皮生长因子(VEGF)和炎症相关因子的分泌,以及细胞凋亡、迁移和血管生成,并最终促进脉络膜新生血管(CNV)诱导的年龄相关性黄斑变性(ARMD)的血管形成[19]。由此可见,沉默LCN2可以改善血管内皮细胞功能障碍,抑制DR的发展。此外,研究发现,过高表达的LCN2可介导铁离子转运,导致细胞内铁离子过度聚集,产生过量氧自由基引发过氧化反应,诱导晚期糖基化终末产物(AGEs)受体增加,从而导致炎症反应[20]。目前已证实LCN2可以参与DR的发生发展,但具体机制仍不能明确,其能否成为DR的治疗靶点仍需进一步研究。

2 C1q/肿瘤坏死因子相关蛋白3

C1q/肿瘤坏死因子相关蛋白3(CTRP3),2001年首次发现于经处理以诱导软骨形成分化的小鼠间充质干细胞中。由于其大小和N-末端胶原蛋白结构域中的23个Gly-X-Y重复序列,最初被命名为CORS26[21]。后来Wong等[22]确定其为脂联素同源物家族成员,命名为肿瘤坏死因子相关蛋白(CTRP),CORS26被重新命名为CTRP3。CTRP3是脂肪因子超家族的一个新的独特成员,其在多种组织中具有独特的作用,如增加肝脏脂质氧化、保护缺血的心血管、减弱炎症反应以及促进软骨细胞增殖和分化等。CTRP3以自分泌、旁分泌和内分泌的方式发挥作用。

脂联素具有抗DM作用,且是DM的预测因子,CTRP3作为脂联素同源物家族成员,同样可以作为DR的独立预测因子。Yan等[23]通过校正其他危险因素后进行多元回归分析显示CTRP3与DR呈负相关(P<0.05),并证实,CTRP3以AMP依赖的蛋白激酶(AMPK)通路抑制高糖高脂(HGHL)诱导的血管细胞黏附分子-1(VCAM-1)在人视网膜微血管内皮细胞(HRMECs)中的表达,但并不显著影响细胞间黏附分子-1(ICAM-1),这一发现不同于其他脂联素,后者可以同时抑制ICAM-1和VCAM-1的表达,提示CTRP3可能在DM微血管病变的发病机制中作为一种更具选择性的介质预防炎症反应。DM中高糖(HG)诱导的代谢异常可导致活性氧(ROS)的过量产生,ROS的产生和抗氧化防御系统之间的不平衡可激活氧化应激反应,从而促进DR的发病。研究表明,核因子红细胞2相关因子2(Nrf2)途径的激活可保护视网膜免受DM诱导的损伤,并潜在防止视力丧失,CTRP3过表达增强了HG刺激的人视网膜色素上皮细胞(ARPE-19)中Nrf2/HO-1通路的激活,敲除Nrf2可逆转CTRP3介导的氧化应激和细胞凋亡,这表明CTRP3可能通过激活Nrf2/HO-1通路抑制HG诱导的氧化损伤[24]。Li等[25]研究表明,CTRP3可促进前体脂肪细胞(3T3-L1)中脂联素、瘦素、内脂素和脂肪细胞因子的表达和分泌,其可通过AMPK信号通路上调3T3-L1脂肪细胞中脂联素的表达,并通过降低3T3-L1脂肪细胞中的炎症反应提高胰岛素敏感性。已有研究证实,DR患者视网膜受损后,血-视网膜内屏障(iBRB)完整性降低,CTRP3可抑制了HGHL造成的iBRB损伤,表明CTRP3对DR的保护作用机制主要是保护iBRB的屏障功能,CTRP3还可以通过AMPK1/闭锁蛋白(Occludin)、紧密连接蛋白5(Claudin5)途径抑制HGHL诱导的iBRB功能损伤[26]。CTRP3过表达可通过抑制HG刺激的小鼠肾小球系膜细胞(MCs)中Janus蛋白酪氨酸激酶2(JAK2)/信号转导和转录活化因子3(STAT3)通路的激活,抑制细胞增殖和细胞外基质(ECM)生成,从而治疗糖尿病肾病[27]。

近年来,CTRP3在DM发生发展中的潜在保护作用逐渐受到重视,目前研究证实,CTRP3可以通过抑制炎症因子、保护视网膜内屏障及视网膜免受氧化损伤、增加胰岛素敏感性等多方面对视网膜产生“保护”作用,未来可对CTRP3能否抑制视网膜新生血管的生成进行研究,从而延缓DR的发展。

3网膜素-1

网膜素-1(Omentin-1),也称为Intelectin-1,是一种38-40 kDa的脂肪因子,由Yang等[28]在2003年从内脏网膜脂肪组织的cDNA文库中鉴定出来,Omentin mRNA主要在内脏脂肪组织的基质血管中表达,在皮下脂肪库和成熟脂肪细胞中几乎检测不到。Omentin-1属于胰岛素抵抗潜在介质,来源于人胎盘及脂肪组织的脂肪因子,参与胰岛素抵抗过程[29]。据报道,健康个体的Omentin-1水平约为370±120 ng/mL,但在肥胖患者、糖耐量受损者,尤其是T2DM患者中显著降低[30]。与皮下脂肪型肥胖相比,Omentin-1对DM的预后影响更大[31]。Omentin-1是一种具有胰岛素增敏、抗氧化、抗炎和抗动脉粥样硬化作用的脂肪因子[32]。

研究表明,Omentin-1通过抑制内质网应激和氧化应激,并通过激活AMPK/过氧化物酶体增殖物激活受体δ(PPARδ)途径促进一氧化氮(NO)的产生,从而抑制HG诱导的血管内皮功能障碍[30]。Xu等[33]研究证明外源性Omentin-1可通过AMPK/蛋白激酶B(Akt)信号通路减弱血管平滑肌细胞的成骨分化,从而减轻动脉钙化。El-Mesallamy等[34]研究T2DM患者和有无缺血性心脏病的埃及人群Omentin-1的循环水平发现,白介素-6(IL-6)水平是影响血清Omentin-1水平的独立危险因素,表明Omentin-1受炎症调节,炎症可以将T2DM与心血管并发症的进展联系起来。Kazama等[35]首次发现Omentin可抑制TNF-α诱导的血管平滑肌细胞炎症。Zhong等[36]发现Omentin可以通过阻断细胞外调节蛋白激酶/核转录因子κB(ERK/NF-κB)信号通路抑制ICAM-1和VCAM-1的表达,随后抑制TNF-α激活的内皮细胞和单核细胞黏附,由此抑制内皮功能障碍的发生。Chen等[37]研究发现游离脂肪酸(FFA-)可以抑制人脐静脉内皮细胞(HUVECs)的增殖和迁移能力,促进血管内皮细胞中连续单层细胞的修复,这对于维持血管内皮细胞完整性至关重要,联合应用Omentin-1后可以增加S和G2期细胞比例,从而刺激HUVECs增殖,因此Omentin-1可以促进FFA-处理后受损的HUVECs迁移能力。该研究表明Omentin-1可能有助于维持血管内皮的完整性。临床研究发现,与单纯的T2DM患者相比,DR患者血清中Omentin水平显著减低,且血清中Omentin水平与视网膜病变的严重程度呈负相关[38]。由此可见,Omentin-1可能通过抑制NF-κB通路和激活AMPK/Akt通路发挥作用,对DM和DR患者具有保护作用,推测足够水平的Omentin-1可以预防DR的发生发展,未来可能会成为DM和DR筛查和靶向治疗的有前途的标志物,但还需要更深入的研究。

4脂肪细胞因子

脂肪细胞因子(Apelin)是从牛胃提取物中分离出的生物活性生长因子,被认为是血管紧张素Ⅱ1型受体相关蛋白(APJ)的内源性配体,属于G蛋白偶联受体家族,能够介导血管生成[39]。Apelin编码序列位于染色体Xq25-q26.1上,天然Apelin肽由77个氨基酸残基组成的前原蛋白的C-末端部分产生[40]。Apelin广泛表达于人体组织中,在调节体液和葡萄糖稳态方面发挥着重要作用[41]。

Li等[42]报道Apelin在糖尿病性黄斑水肿(DME)患者的玻璃体液中表达上调,Apelin在正常和HG条件下均可诱导人视网膜微血管内皮细胞(HRMECs)的增殖和迁移,同时促进细胞骨架和紧密连接蛋白的磷酸化,提示Apelin/APJ系统参与DR的病理过程。Lu等[43]证实Apelin参与了视网膜前膜(ERM)的形成,且Apelin在PDR ERMs中的表达明显高于特发性ERM,Apelin促进了外膜的形成,外膜在血管生物学中起着重要作用,可以分化为内皮细胞、平滑肌细胞和系膜细胞,参与修复血管损伤。Chen等[44]通过体外实验证明,HG处理的人微血管内皮细胞(HMEC-1)中微小RNA-503(miR-503)呈高表达,而Apelin-12呈低表达。miR-503可显著上调HG处理的HMEC-1细胞中氨基末端蛋白激酶(JNK)/丝裂原活化蛋白激酶p38抗体(p38 MAPK)信号通路的磷酸化,但Apelin-12显示出相反的作用,miR-503又可直接作用于Apelin-12,提示miR-503可能通过Apelin-12影响HG诱导的HMEC-1细胞损伤。由此可见,高血糖可以通过miR-503抑制Apelin-12的表达,从而影响内皮的炎症反应。Lu等[45]报道,内皮细胞中的Apelin/APJ系统参与黏附分子和趋化因子的活化,这对于内皮炎症相关疾病的发生非常重要。Kasai等[46]研究证明Apelin表达上调可导致氧诱导性视网膜病变(OIR)的小鼠视网膜内皮细胞过度增殖和病理性血管生成。Kasai等[47]证明Apelin/APJ系统通过磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)/Akt信号通路引起内皮细胞过度增殖和病理性血管生成,靶向敲除内皮细胞中的Apelin,可以抑制PI3K/Akt信号通路激活信号转导分子3(Smad3),诱导MCP-1的表达,同时抑制Apelin可以加速周细胞的募集。由此可见Apelin与DR病理性血管的生成息息相关。目前虽然确定Apelin具有明确的抗DM功效,但关于其潜在机制的报道却有矛盾,未来进一步细化Apelin亚型可能会有所发现。在已确定的Apelin亚型中,Apelin-13具有改善葡萄糖耐量和胰岛素敏感性的能力,以及增强胰岛素分泌的潜在作用。既往研究发现,Apelin-13可改善DM并发症[48]。

5小结与展望

除上述因子外,还有许多其他脂肪因子。Vaspin[49]是一种内脏脂肪组织衍生的丝氨酸蛋白酶抑制剂,具有胰岛素增敏、抗炎、抑制细胞凋亡等多种生物学活性。Vaspin对正常内皮细胞没有作用,不能预防TNF-α诱导的炎症损伤[50]。然而Jung等[51]通过实验验证Vaspin可以抑制TNF-α诱导的血管内皮细胞NF-κB活化及炎症细胞和黏附分子的表达,进而改善内皮细胞的炎症反应。分析产生两种不同结果的原因可能与检测方法等有关,因此需要更多的研究进一步证实Vaspin在血管内皮中的作用。

综上所述,脂肪因子对DR的发生发展起着至关重要的作用。多种脂肪因子均参与DR的发生发展过程,机制复杂,目前研究有限,未来需进一步深入研究,有望为DR的治疗提供新的思路。