Muller细胞与糖尿病视网膜病变关系的研究进展

Muller细胞与糖尿病视网膜病变关系的研究进展

陈晶王华1李强翔

(湖南省老年医院,湖南长沙410016)

关键词〔〕糖尿病视网膜病变；Muller细胞

中图分类号〔〕R587.1〔文献标识码〕A〔

基金项目：国家自然科学基金面上项目(81170823)；湖南省高层次卫生人才“225”工程培养项目资助;湖南省中医药科研计划(21341)；中国博士后科学基金第53批面上资助(2013M531788)；湖南省卫生厅科研计划课题(C2012-038)；湖南省自然科学基金(12jj5047)

通讯作者：李强翔(1970-)，男，博士后，主任医师，硕士生导师，主要从事糖尿病研究。

1中南大学湘雅医院眼科

第一作者：陈晶(1988-)，女，在读硕士，主要从事糖尿病研究。

糖尿病视网膜病变(DR)是糖尿病微血管病变中最为常见的一种并发症，主要表现为视力进行性损害。其早期病理特征是微血管功能改变，视网膜血管扩张；晚期则为新生血管破裂出血，玻璃体完整性丧失。目前，DR发生的确切机制尚不明确。近年来，有很多研究认为，DR的发生与Muller细胞有着密切的关系。下面就Muller细胞与DR的关系进行总结。

1Muller细胞的分布与功能

Muller细胞是一种神经胶质细胞，贯穿视网膜内界膜与外界膜之间。郑宏华〔1〕发现，Muller细胞在视网膜各象限中分布较均匀，但各层分布差异性显著，大小形态较为一致，主要集中在内网状层、内核层及节细胞和神经纤维层，而视网膜细胞内的线粒体分布则与Muller细胞分布趋势相一致，表明Muller细胞为视网膜细胞的重要组成部分，由于葡萄糖主要通过线粒体供给能量，因此认为神经元细胞供能来源大部分由Muller细胞提供〔2〕。另有研究显示，在胚胎期，鼠视网膜细胞的发育时间与Muller细胞发育的时间相一致，且在神经元晚期发育阶段中形成以Muller细胞为中心的柱状结构，从而提供稳定的支架，为视觉形成奠定基础〔3〕。近10年来的研究表明，Muller细胞不管是在形态上还是在功能上都表现有视网膜干细胞潜能，就哺乳动物而言，视网膜受到损伤后，Muller细胞的去分化及再增殖能力相对有限，需要一些生长因子、转录因子、细胞外基质等的参与，而这些因子通过特定的信号通路来完成，目前机制尚不明确〔4～8〕。总之，Muller细胞不仅是视网膜的支架，并且对神经细胞起到营养、支持、绝缘等保护作用。

2Muller细胞与DR

糖尿病会导致糖脂代谢异常，而高糖高脂、高胰岛素等会进一步加速糖尿病血管病变的发展。王心蕊等〔9〕发现Muller细胞形态改变，线粒体等细胞器受到损伤，Muller细胞功能下降；另有研究发现，长期暴露于高浓度游离脂肪酸中的INS-1细胞、人血管内皮细胞，其增殖受到明显抑制〔10〕，由此可推测：长期高脂可损伤视网膜Muller细胞，使其增殖受到抑制，不能完成修复功能，而导致DR。此外，在应用胰岛素早期，胰岛素可能通过激活 Muller细胞的K+通道，引起周细胞收缩，减少血流，从而促进DR进展〔11〕。有实验研究观察到，糖尿病早期Muller细胞核已发生改变，先于视网膜血管内皮细胞、周细胞〔12〕。因此，探讨糖尿病视网膜Muller细胞发病机制具有早期诊断、治疗的重大意义，而视网膜Muller细胞功能改变累及至DR主要与下列因素密切相关。

2.1谷氨酸的积累视网膜Muller细胞是唯一能合成谷氨酰胺合成酶(GS)的视网膜细胞，并对谷氨酸转运体(主要是GLAST)有着高亲和力，通过将谷氨酸逆浓度差由细胞外转运到细胞内，由细胞内的GS将其转化为谷氨酰胺，谷氨酰胺又被输送给神经细胞重新合成谷氨酸，从而消除高浓度谷氨酸对神经毒性。高糖、缺血缺氧、高游离脂肪酸时，Muller细胞形态改变，血-视网膜屏障(BRB)受到损害，从而使谷氨酸渗漏到细胞间质；GLAST蛋白及mRNA表达减少，功能活化受到抑制，使其逆浓度差转运谷氨酸过程受阻，谷氨酰胺合成减少；通过激活c-jun基因，下调 GS蛋白及mRNA表达，使得 GS生成减少，谷氨酸代谢下降。上述导致谷氨酸积累，而高浓度谷氨酸使谷氨酸受体(尤其是NMDA受体)功能过度活跃，Na+、Ca2+内流过多引起膜内外离子失衡，从而激活神经毒性信号转导途径，最终导致神经元细胞非正常凋亡。

2.2血管内皮生长因子(VEGF)的分泌增加目前，很多研究表明VEGF受多种因素调节参与DR新生血管的形成，主要由视网膜血管内皮、视网膜色素上皮、周细胞、Muller细胞及神经节细胞合成与分泌。有研究观察到〔13〕，DR早期VEGF蛋白及VEGF mRNA表达、Muller细胞分泌的VEGF含量都明显增高，并且呈时间依赖性，而VEGF的增高引起毛细血管通透性增强，造成BRB破坏 ,诱导血管生成素生成增加，共同促进新生血管的形成，造成视力不可逆性损害；在DR晚期，由于Muller细胞的凋亡，各种生物学功能下降，VEGF的合成相应减少。前者分析其主要原因如下：①VEGF的受体数目增加；②低氧诱导因子(HIF)-1α介导的低氧转导通路被激活：HIF-1α是一种氧气敏感性转录因子，参与细胞黏附、血管张力、细胞存活、代谢稳态等生理功能的调节，其高表达不仅能直接促进VEGF的表达，还可以通过增强VEGF mRNA的稳定性来提高VEGF的表达 。高胰岛素、糖基化终末产物(AEGs)及高糖、缺氧等情况下，通过激活磷酸肌醇-3-激酶(PI3K)、丝-苏氨蛋白激酶AKT(又称蛋白酶B)、丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)和(FRAP)等信号途径来增加HIF-1α蛋白水平，从而增加HIF-1α转录活性，通过诱导其下游基因VEGF的表达，进而增加VEGF mRNA的转录，从而最终诱使视网膜Muller细胞产生大量的VEGF，促进新生血管生成〔14〕。

2.3水通道蛋白4(AQP4)表达下降AQP4是介导水转运的专一性通道蛋白，表达于不同组织和器官，视网膜细胞中主要定位于视网膜Muller细胞，主要功能时调节细胞内外水分平衡及水分转运相关的各项生理活动，参与调节细胞外间隙大小及K+浓度〔15〕。有实验观察到〔16〕，缺氧缺血、高糖等条件下，Muller细胞受损，同时导致AQP4的表达下降，并且呈浓度-时间依赖性，机制可能是由于Muller细胞中谷氨酸盐释放、水、离子转运障碍，细胞去极化，丢失大部分K+到细胞外，导致细胞内外K+，而AQP4介导水转运可能伴有K+流出，通过足突将过多的K+泵入细胞，并伴有水外流，以代偿渗透性的改变。另外，由于细胞间隙K+、H+及谷氨酰胺等兴奋性氨基酸浓度上升，从而激活Muller细胞PKC，导致AQP4磷酸化，生物活性降低，细胞水肿。

2.4离子及离子通道的改变

2.4.1钙离子与钙离子通道钙离子广泛存在于细胞内外，参与细胞生长和信号传递等重要生理功能，作为信号传递过程的中心环节，有着重要的意义。有研究发现〔17〕，在DR中，Muller细胞通过增加钙离子通道开放概率而增加细胞内钙离子浓度，并与糖尿病病程呈正相关，包括血糖浓度、持续时间、胰岛素浓度等，而高浓度血糖、高胰岛素被认为是两个独立因素。总结可能原因如下：(1)激活Muller细胞上L型钙离子通道，使钙离子进入细胞内的量增加〔18〕；(2)钙离子、VEGF通过激活PKC途径，产生IP3，使钙离子从钙池中释放〔19〕；(3)高血糖酶的糖基化直接抑制Ca2+-ATP酶活性，同时抑制Na+-Ca2+-ATP酶活性，使Ca2+从胞浆转移到胞外受阻；(4)谷氨酸通过激活NMDA、AMPA受体，增加钙离子内流〔20〕；(5)糖酵解导致体内pH值下降，从而促进钙离子释放〔21〕。Muller细胞的钙离子内流增强激活钙依赖型K+流，从而促进Muller细胞增殖；另一方面胞内的钙超载，可诱导Muller细胞凋亡。

2.4.2钾离子与钾通道的改变正常成熟的Muller细胞胞膜具有高钾离子传导性，通过特定的通道高密度表达所致，主要包括：(1)Kir家族的内向整流通道，主要是Kir4.1和Kir2.1，前者是介导K+缓冲作用，后者几乎无外向钾离子流；(2)双孔钾离子通道(TASK)通道，允许去极化膜电位时的外向电流；(3)钙离子依赖性钾离子通道(BK通道)，需要胞内Ca2+浓度增加或膜去极化以进入开放状态。有多个实验观察到〔22〕：Muller细胞分别在高糖、高胰岛素、缺血缺氧的情况下，胞膜上的K+传导性下降，导致视网膜K+动态平衡紊乱，影响Muller细胞的生物功能，最终使细胞死亡。总结原因可能与下述机制相关〔23〕：(1)Na+-K+-ATP酶活性下降，K+细胞内流减少，导致细胞外K+增高，使K+依赖性神经细胞兴奋和谷氨酸盐毒性；(2)Kir4.1蛋白的错位及氧化应激，从而引起Kir4.1 通道介导的电流下调，损害跨胶质细胞 K+电流，导致细胞再极化过程受阻，损害细胞生物功能；(3)Kir2.1蛋白表达下降，使细胞外钾进入细胞内的时间延长，影响细胞再极化过程，从而导致Muller细胞生物学功能下降，具体机制尚不清楚；(4)BK通道开放概率降低，使K+外流降低，并影响细胞去极化过程。由于胞外高钾，影响内向修饰钾通道，破坏离子和水平衡，最终导致Muller细胞死亡。

2.5细胞凋亡细胞凋亡是指为维持内环境稳定，由基因控制的细胞自主的有序死亡。有实验研究观察到〔9〕视网膜Muller细胞长时间暴露于高糖、高游离脂肪酸、缺血缺氧等环境中时，胞浆皱缩，线粒体空泡样改变，染色质凝集贴附于核膜周边，核固缩，并有凋亡小体形成。凋亡机制可分为3个主要方面：谷氨酸的神经毒性作用、钙离子超载及氧化应激，其中氧化应激被认为是主要途径。

2.5.1谷氨酸神经毒性上文已经提到，过多的谷氨酸通过影响谷氨酸受体的功能引起离子平衡紊乱，从而激活神经毒性信号转导途径。目前研究最多的机制是由NMDA受体所介导〔24〕：(1)谷氨酸-一氧化氮-cGMP途径：NMDA受体活化引起突触后神经元内Ca2+浓度升高，随后与钙调节蛋白结合，激活一氧化氮合成酶，增加一氧化氮的合成，从而激活鸟苷酸环化酶(GC)，使cGMP生成增多，作为第二信使导致神经毒性；(2)ATP的减少：钙及钙调蛋白依赖的蛋白磷酸酶的活动，使Na+-K+-ATP酶去磷酸化，活动加强，ATP消耗过多；线粒体内的Ca2+增多，削弱了呼吸链和ATP活动；增多的钙活化了一氧化氮合成酶，一氧化氮增多，削弱了呼吸链中的某些含有亚铁血红素的组分，降低ATP酶的活性。

2.5.2钙超载上文中对钙离子超载的机制进行了描述，而钙离子超载可以通过下列途径损伤细胞，促进细胞凋亡〔25〕：(1)钙依赖钙激活蛋白酶活化而直接激活Caspases;(2)钙激活蛋白酶裂解Bax而增加其促凋亡活性;(3)钙激活蛋白酶还可通过Caspases执行凋亡,Ca2+信号能导致Bad活化,使线粒体对促凋亡Bcl-2家族成员敏感性增加,这可能与Ca2+能诱导MPTP(线粒体通透性改变孔)的开放有关;(4)同时由于MPTP的开放改变，导致线粒体肿胀，功能失调。

2.5.3氧化应激高糖、高游离脂肪酸等环境下，细胞内的自由基增多，均存在明显的氧化应激现象〔26〕。氧化应激是指在各种有害刺激下体内的自由基和活性氮自由基产生过多，抗氧化系统不能与之抗衡，而通过调节各种信号转到通路及基因表达而损伤组织、细胞等。关于Muller细胞氧化损伤的主要路径为线粒体途径，具体机制如下：由于氧自由基及活性氮自由基的增加，引起线粒体去极化，促进细胞色素C的释放，触发蛋白水解酶家族caspases激活的级联反应，通过内源性凋亡途径导致细胞死亡；另外，氧化应激下调bcl-2启动子，触发线粒体源性细胞凋亡。除此之外，细胞内Ca2+浓度增加，激活NF-kB，上调Fas的表达，与FasL结合增加，通过死亡受体通路，触发caspases家族产生级联反应，从而诱发细胞凋亡。

3展望

糖尿病早期视网膜Muller细胞的超微结构和生理功能就已经发生改变，影响整个DR的进展，因此，如何通过抑制或延缓甚至逆转受损Muller细胞的功能，成为至关重要的一环，已经有学者提出通过移植Muller细胞来治疗DR的提议。就目前而言，人们对Muller细胞的研究已从分子水平跨入基因水平，这对于进一步了解视网膜发病机制和治疗有明显帮助的。

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〔2015-02-11修回〕

(编辑李相军)

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