多元醇通路导致糖尿病视网膜病变的研究

孙丹

糖尿病视网膜病变(DR)已逐渐成为导致成人失明的主要原因,它也是糖尿病最常见的并发症。据一些报道,患糖尿病15～20年的患者有75%会发展为DR,而几乎所有的1型糖尿病患者和超过半数的2型糖尿病患者最终会发展为DR[1]。

1 糖尿病视网膜病变的发病机制

糖尿病视网膜病变(DR)主要是视网膜微血管的改变。糖尿病微血管病变的典型改变有微循环障碍、微血管瘤形成和微血管基底膜增厚[2]。山梨醇旁路代谢增强,血液流变学改变,凝血机制失调,血小板功能异常,红细胞2,3-二磷酸甘油酸(2,3-DPG)、糖化血红蛋白含量增高导致组织缺氧等,可能与微血管病变的发生、发展有关。DR的基本病理改变包括以下5点:(1)周细胞选择性的丢失。(2)基底膜增厚。(3)微血管瘤的形成。(4)内皮细胞增生。(5)新生血管形成。其中周细胞选择性的丢失是最早的病理改变[3]。DR按眼底病理改变分为两大类:(1) 非增殖型(又称背景性或纯型),病变局限于视网膜内,表现为视网膜微血管瘤、出血斑、软性或硬性渗出物、视网膜动脉或静脉病变。(2)增殖型(PDR)病变至少有部分向内延伸超过内界膜,新生血管出现是其主要标志,PDR以视网膜新生血管形成及纤维化为特征[4]。总之,DR发生的关键因素是视网膜组织缺氧,视网膜微循环异常。早期的病理改变有毛细血管内皮细胞的基底膜增厚、周细胞丧失、毛细血管自动调节功能失代偿,随后内皮细胞屏障功能损害,血-视网膜屏障破坏,血液成分渗出、毛细血管闭塞,视网膜水肿,晚期可见新生血管、异常血管形成及纤维化增生,导致视网膜脱离。

2 多元醇通路激活与DR发病的关系

多元醇通路,由醛糖还原酶(aldose reductase,AR)及山梨醇脱氢酶(sorbitol dehydrogenase,SDH)共同构成。多元醇通路激活的损伤机制目前有以下3种假说:(1)葡萄糖高渗假说,认为人患有糖尿病时,当血糖持续升高超过了糖原合成和葡萄糖氧化能力时,己糖激酶趋于饱和,醛糖还原酶(AR)活力升高使山梨醇生成增多,山梨醇在山梨醇脱氧酶(SDH)作用下转变为果糖(如图1),细胞内山梨醇和果糖积聚,渗透压显著升高,损伤组织及细胞,产生DR。(2)肌醇代谢异常假说,山梨醇在细胞中的大量聚集可造成肌醇的丢失。而肌醇与细胞膜的结构和功能密切相关,组织中肌醇含量减少,使磷脂酰肌醇的代谢减弱,一方面代谢产物三磷酸肌醇和甘油二脂释放减少;另一方面蛋白激酶C活性下降,进而使Na+、K+、三磷酸腺苷(ATP)酶的活性下降。(3)NADPH/NADP+比例失调假说,多元醇通路活性增加,导致NADPH的消耗增加,以其为辅酶的还原型GSH生成减少,组织的抗氧化能力降低,自由基的清除减少,引起细胞损伤;另一方面,NADH/NAD+比值增加又阻止了糖酵解途径中3-磷酸甘油醛向1,3-磷酸甘油酸的转化,影响组织能量代谢,造成细胞相对缺氧,从而更易损伤[5]。

图1

机体正常环境下,葡萄糖经过三羧酸循环,为细胞代谢提供能量,也可经糖酵解或戊糖旁路代谢。在血糖正常时,因己糖激酶对葡萄糖的亲和力远高于醛糖还原酶(AR),醛糖还原酶对葡萄糖的亲和力较低,通过这一途径代谢的葡萄糖占总葡萄糖量的百分比很小,葡萄糖主要经糖酵解通路代谢,AR活性抑制,山梨醇生成很少[6]。而在糖尿病人中,血糖浓度升高时,己糖激酶被葡萄糖饱和,AR活性表达增强,并被激活,多余的葡萄糖通过多元醇醛糖还原酶途径代谢,转化成山梨醇,山梨醇再在山梨醇脱氢酶与辅酶Ⅰ(NAD+)的作用下氧化成果糖。在高糖状态下,人体内许多组织包括视网膜、肾脏、神经、动脉、晶状体、红细胞等的多元醇代谢活跃,葡萄糖在醛糖还原酶作用下,生成多元醇。这些多元醇本身并没毒性,但因其不易通过细胞膜,致使细胞内山梨醇、果糖过度堆积,从而引起细胞内渗透压升高,细胞内水肿,同时多元醇通路的激活可抑制磷酸已糖旁路,改变膜的功能,引起肌醇代谢异常,使细胞DNA合成障碍,最后导致细胞增殖活力下降[7]。另一方面可致细胞摄取磷酸肌醇能力障碍,细胞内Na+-K+-ATP酶活性下降。葡萄糖在细胞内转化为山梨醇的过程中消耗大量的还原性NADPH,机体抗氧化能力降低。此外,AR的激活还引起内皮源性一氧化氮(NO)合成减少,使内皮依赖性血管舒张功能受损。细胞、组织缺氧,营养缺乏,内皮细胞受损,细胞功能低下,这些改变促使糖尿病视网膜微血管并发症的发生和发展[8]。

在人视网膜中,AR仅存在于视网膜毛细血管周细胞(P)。当血糖浓度升高时,一方面,山梨醇在周细胞内蓄积,形成渗透梯度,D-葡萄糖竞争性与肌醇载体结合,使细胞内肌醇耗竭,从而使周细胞膜Na+-K+-ATP酶活性降低,导致周细胞死亡;另一方面,多元醇通路的激活可抑制磷酸已糖旁路,改变膜的功能,致细胞摄取磷酸肌醇能力障碍,进而DNA活性下降,导致周细胞死亡。周细胞的选择性丢失,视网膜毛细血管内皮细胞受损,出现无结构毛细血管,最后视网膜毛细血管闭塞,发展成DR[9]。

2.1 醛糖还原酶(AR)与DR的关系

醛糖还原酶(AR)是体内多元醇通路的限速酶,可以将葡萄糖还原为山梨醇。大量研究表明,AR在糖尿病发病中有重要作用。近年来,AR抑制剂(ARI)的研究也支持多元醇通路在DR致病中的作用。研究者发现,视网膜毛细血管周细胞中含有的AR,在高血糖状态下被激活,大量的山梨醇积累于周细胞中,使其发生渗透性肿胀,肌醇和K+丢失,周细胞Na+-K+-ATP酶活性下降,导致周细胞死亡和内皮细胞受损,出现无细胞结构的毛细血管,最后闭塞。此外,在高血糖的状态下,AR过度利用NADPH,限制了一氧化氮合成酶和GSH过氧化物酶,对NADPH的竞争引起了抗氧化防御作用的减弱,在此基础上,进一步导致了DR的发生。还有一些学者认为,免疫损伤也参与了DR中AR的激活过程,Dagher等[10]发现,人和大鼠视网膜内皮细胞都有AR的免疫活性,把糖尿病大鼠AR阻断可以阻止早期DR的补体激活,控制随后发生的血管内皮细胞和周细胞凋亡及无细胞毛细血管的产生。而醛糖还原酶抑制剂可以阻止多元醇通路的激活导致视网膜内皮细胞功能的损伤[10]。由此可见AR在早期DR的微血管损害及神经细胞凋亡中起到了不可忽视的作用。

2.2 山梨醇脱氢酶与DR的关系

醛糖还原酶(AR)以NADPH为辅酶,催化己糖的还原反应,将葡萄糖转化为相应的还原产物山梨醇,山梨醇再在山梨醇脱氢酶与辅酶Ⅰ(NAD+)的作用下氧化成果糖[11]。当血糖浓度升高时,己糖激酶被葡萄糖饱和,AR表达增强,并被激活,细胞内过多的葡萄糖通过AR转化为山梨醇,山梨醇脱氢酶(SDH)的活性随之相应增加,造成山梨醇及果糖在细胞内堆积。山梨醇是一种极性很强的化合物,不能自由进出细胞,引起细胞内山梨醇堆积。一方面造成细胞水肿及细胞渗透压的损伤,引起一系列病理改变,从而诱发DM并发症,如:白内障、视网膜病变、神经病变及肾脏病变等[12]。

多元醇通路中的山梨醇脱氢酶,它能将山梨醇转化为果糖,但是在糖代谢的过程中AR比SDH的作用更直接。然而,Tiltonetal[13]和Amanoetal[14]提出,在糖尿病视网膜病变的形成过程中,SDH比第一步中的AR发挥了更重要的作用。在以往多元醇通路中针对AR的研究较多,对该通路中另一重要的限速酶SDH的研究却比较少。SDH在晶状体及肾脏等人体多个器官都有表达,它主要介导山梨醇向果糖的转化,是多元醇通路中重要的限速酶,其在DR的发病机制中发挥了重要的作用[15]。研究发现,用链脲佐菌素(STZ)诱导糖尿病大鼠,在第10周可观察到糖尿病鼠视网膜上中央神经元的凋亡和神经胶质酸性蛋白(GFAP)的表达增强,糖基化血红蛋白(HbAlc)浓度高达16%,说明视网膜上山梨醇和果糖发生蓄积。Shinjiro Amano[14]等也发现,血糖增高时,周细胞中SDH表达增加,明显刺激活性氧(ROS)的生成,ROS能够介导SDH过表达对细胞的损伤作用,ROS产生增加,DNA的合成减少,血管内皮生长因子mRNA的表达增多,可能是导致高血糖状态下相应细胞损伤的原因。使用醛糖还原酶抑制剂非达司他,能够阻止高糖状态下SDH在周细胞中的沉积,减少ROS的生成,减少因SDH的过表达对细胞造成的损伤,同时能明显降低血管的通透性,阻止DR的早期改变。Tilton[13]等的研究发现,尽管在糖尿病大鼠视网膜组织中山梨醇脱氢酶的表达量增加了11倍,但是应用了SDH抑制剂后能够减轻糖尿病大鼠眼内组织血管的功能紊乱。因此,使用非达司他阻断山梨醇的生成,可能是一种针对糖尿病视网膜病变早期治疗的新策略。这些研究说明SDH介导的山梨醇到果糖的转变,以及ROS的产生,可能在糖尿病视网膜病变的致病机制中发挥了重要的作用。同时也提示SDH的活性在DR的病因学中可能发挥着比AR更重要的作用[16]。

3 研究展望

多元醇通路的激活是导致糖尿病视网膜病变(DR)的重要机制之一,而醛糖还原酶(AR)和山梨醇脱氢酶(SDH)是多元醇通路中研究得最多的两个限速酶,在血糖正常时,这两个限速酶不会激活多元醇通路,而在高血糖的情况下,其中任何一个限速酶都会导致通路的激活。目前,在醛糖还原酶和山梨醇脱氢酶的研究还多停留在化学分子阶段,涉及基因表达的研究较少,下一步,我们的研究将更多会向控制这两种酶的基因上进行,通过调控基因的表达来治疗和预防疾病的发生。此外,除了对AR和SDH的研究,对于激活多元醇通路的其他化合物因素,我们还要继续挖掘和探索。如今,我们通过对AR的研究,了解到控制DR发生的机制,通过抑制醛糖还原酶用来治疗DR,开发了醛糖还原酶抑制剂ARI,给广大DR患者带来福音。随着基因工程的研究的进一步深入,相信治疗DR的新途径和新药物会越来越多。

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