糖尿病早期视网膜神经元退行性病变与自噬的相关性研究现状

李贵富，李春霞

糖尿病（Diabetes Mellitus，DM）已成为威胁人类健康的常见慢性代谢性疾病。据估计，到2035年全球DM患者人数将升至5.9亿人左右[1]。其中糖尿病视网膜病变（Diabetic Retinopathy,DR）是DM临床上严重损害视力的主要微血管病变。随着DM发病率的上升，DR已成为全世界工作人群中的致盲性眼病之一[2]。DR是视网膜血管系统疾病，视网膜神经元退行性病变是导致微血管变化的主要病理学原因[3]。视网膜神经元退行性病变的特征性表现主要为视网膜神经节细胞（Retinal ganglion cells，RGCs）凋亡增加和神经胶质细胞反应性增高。自噬是在应激条件下维持细胞稳态和细胞存活的重要代谢途径之一。相关研究显示，自噬在视网膜神经元退行性病变中发挥重要作用[4]。本文对DM早期视网膜神经元退行性病变与自噬之间的关系进行综述，为早期预防和治疗DR提供新的策略。

1　DM早期视网膜神经元退行性病变表现

1.1　视网膜神经节细胞凋亡

RGCs是一种能将视觉信息传递给大脑的传入神经元，RGCs的凋亡是损害视力的主要因素。RGCs位于视网膜内层，是视网膜神经细胞在DM相关的凋亡过程中最先检测到的指标之一[5]。诱导RGCs凋亡的因素有很多，如多元醇通路激活、晚期糖基化终末产物积聚、氧化应激、谷氨酸兴奋性毒性和炎症反应，都会影响DR中的RGCs凋亡。越来越多的研究表明，RGCs损伤发生在DR的早期阶段，可能在可观察到的视网膜血管病变之前[6]。RGCs凋亡的增加会使视网膜神经纤维层（retinal nerve fiber，RNFL）厚度减少，通过光学相干断层成像技术可以观测到这一现象[7]。Evre Pekel[8]等人通过对69例糖尿病眼与49例健康眼的RNFL的横断面对照研究发现，非DR的糖尿病患者双眼的RNFL厚度不等，而与健康眼对比，前者的RNFL厚度变薄。实际上，在发生临床可检测的视网膜血管病理变化之前，以及在实验性小鼠I型DM模型建立后的短时间内，通过视网膜电图检测可发现异常的波形和传导时间延长[9]。这表明视网膜神经元的损害是在DM病理状态的影响下发生的早期事件。

1.2　神经胶质细胞反应性增高

神经胶质细胞是神经系统的间质细胞，数量为神经元的10~50倍。具有支持和保护神经元、调节神经递质和影响突触的形态功能等，在中枢神经系统的生理病理中发挥重要作用。其中小胶质细胞和Müller细胞是视网膜中主要的神经胶质细胞类型[10]。DM的异常代谢改变对于神经胶质细胞的刺激可能是诱导视网膜神经元发生病理变化的因素之一。

1.2.1小胶质细胞活化小胶质细胞主要位于RNFL层、RGCs层和内、外丛状层[10]。在神经退行性疾病中，小胶质细胞在相关神经炎症的发生中发挥关键作用[11]。小胶质细胞是中枢神经系统的固有免疫细胞，具有传感器和执行器的功能以及细胞的吞噬能力。电镜下未活化的小胶质细胞呈分枝状，主要功能是维护内环境稳定，应激状态下活化的小胶质细胞呈阿米巴状，小胶质细胞活化后释放多种炎性因子，如一氧化氮 （NO）、肿瘤坏死因子-α（TNF-α)、白介素-6（IL-6）等[10,11]，进而引起损伤神经元细胞的损伤。相关研究报道，链脲佐菌素诱导的I型DM大鼠模型，在造模成功4周左右即出现视网膜中小胶质细胞的数量增多，细胞形态产生变化，分枝状外观变短变粗，小胶质细胞被活化[12]。另一研究发现，链脲佐菌素诱导的I型DM大鼠模型，造模成功4个月时，RGCs层、外丛状层和内丛状层出现小胶质细胞数量增加，RGCs神经元发生损害[13]。因此在DM早期神经元退行性病变中小胶质细胞的活化可能是诱导视网膜神经元细胞损害的原因之一。

1.2.2视网膜Müller细胞反应性增高视网膜Müller细胞（Retinal Müller cells，RMCs）是唯一贯穿视网膜，并与视网膜血管和视网膜神经元紧密接触的细胞。RMCs通过释放神经元营养因子，回收神经递质，以及控制细胞外的离子平衡来维持视网膜内环境的稳态[14]。RMCs具有监测视网膜结构和功能的特性，其过程围绕视网膜血管，从而控制视网膜屏障，也是视网膜细胞之间分子转移的导管。胶质纤维酸性蛋白（glial fibrillary acidic portein,GFAP）是反应性胶质增生的常见标记物。在正常生理状态下，RMCs通常不表达GFAP[15]。DR中RMCs反应的表现之一是GFAP增加，间接反映了视网膜神经元的损害。早期实验研究表明，高血糖条件会诱导RCMs释放血管内皮生长因子 （vascular endothelial growth factor，VEGF）、色素上皮衍生因子、促炎细胞因子和趋化因子，如 IL-1β，IL-6，TNF-α和趋化因子配体-2（CCL2）[16,17]。随着 RMCs中促炎细胞因子和 VEGF的增加，进而刺激视网膜中慢性炎症环境与DR后期新生血管的形成。RMCs反应性增高是早期视网膜神经元退行性病变的表现特征之一，与DR的发生与发展密切相关。

2　自噬与DM视网膜神经元退行性病变

2.1　自噬的定义及分类

自噬是一种维持细胞稳态和细胞存活的代谢途径之一，在应激条件下细胞中蛋白质、脂类甚至整个细胞器被自噬体和溶酶体消除利用。根据待降解材料到达溶酶体的方式进行分类，自噬有三种主要类型：①巨自噬：细胞质成分被吞噬在双膜结构中形成自噬体，这些细胞器与溶酶体融合进行降解吞噬[18]。②分子伴侣介导的自噬：仅发生在哺乳动物细胞中，允许具有特定氨基酸序列的蛋白质进行选择性降解[19]。③微自噬：通过溶酶体或膜的内陷达到溶酶体腔发生自噬[20]。

2.2　氧化应激与RGCs自噬

由高血糖引起的异常代谢可导致自由基如羟自由基和超氧化物自由基过度生成，这些称为活性氧（reactive oxygen species，ROS）[21]。ROS 在调节细胞生长、分化、存活和死亡的信号通路中发挥重要作用。氧化应激是DR发病机制中的关键病理因素之一，ROS的积累可导致氧化应激，引起视网膜血管和周围的组织的损伤，最终导致DR神经元退行性病变。ROS的产生主要取决于两个因素：线粒体氧化磷酸化和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸酯氧化酶系统[22]。线粒体是主要产生内源性ROS的细胞器，通过线粒体电子链产生超氧化物如O2-和 H2O2。在高糖条件下，线粒体产生的ROS增加诱导氧化应激，进而诱发自噬[23]。RGCs具有较高密度的线粒体，这使得它们对能量缺乏更敏感而且易受氧化应激的影响。

2.2.1ROS诱导自噬相关基因4失活ROS中H2O2通过调节自噬相关基因 4（autophagy-related gene 4，ATG4）的活性而作为诱导自噬体形成的信号分子。H2O2可以结合到ATG4的半胱氨酸81位点，形成可逆的亚磺酸或二硫键，从而影响可以直接激活ATG4的半胱氨酸77位点，并使微管相关蛋白1轻链 3（microtubule-associated protein 1 light chain 3，MAP1-LC3）进行脂质化，随后引发它与磷脂酰乙醇胺结合[24]。这个过程对于自噬体的形成至关重要。自噬体形成后融合到溶酶体发生自噬，局部环境转化为H2O2缺乏，ATG4恢复激活状态，MAP1-LC3被脱脂并再循环，进而自噬体的形成增多[24]。氧化应激可能会影响ATG4的活性并诱导自噬。自噬相关基因4同源物B（ATG4B）是在人和小鼠中发现的酵母ATG4同源物。Yoshimura K等人[25]发现在视网膜中ATG4B的mRNA水平升高。实验研究[26]也发现来自ATG4B失活小鼠的视网膜显示MAP1-LC3脂质化明显降低和自噬晚期标志物SQSTM1水平的表达增加，与对照组相比，ATG4B小鼠存活的RGCs数量也降低。说明ATG4可能在RGCs的自噬中起关键作用。

2.2.2腺苷酸活化蛋白激酶信号通路激活RGCs具有高密度的线粒体，氧化应激会破坏线粒体结构，进而导致能量失衡。腺苷酸活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK） 信号通路是一种调节细胞能量的代谢途径，当营养缺乏或AMP/ATP比例上升时，会激活AMPK信号通路[27]。活化的AMPK促进结节硬化复合体蛋白1/2（Tuberous sclerosis complex1/2，TSC1/2）的形成，TSC1/2可以降低脑内富含的小G蛋白Ras同系物（Ras homolog enriched in brain，RHEB）的 GDP 结合形式，并增加其GDP酶活性。许多体内和体外的研究已经证明RHEB-GTP抑制雷帕霉素靶蛋白 （mammalian target of rapamycin，mTOR）的活性[28]。所以在 AMPK-TSC1-TSC2-RHEB通路中mTOR被抑制，随后自噬被激活。RGCs中自噬增强最终导致的细胞死亡可能与AMPK的激活相关。

2.3　自噬与RMCs反应性增高

在DR中RMCs反应性增高，其已发现的病理改变表现之一为VEGF升高，这与DR晚期新生血管的形成病变密切相关。至今，抗VEGF治疗已成为治疗DR的重要靶点。Jacqueline M等人[29]研究发现：当RMCs暴露于高糖环境时，高糖会上调RMCs自噬的启动，但由于溶酶体功能障碍，早期自噬标记物p62和晚期自噬标记物SQTSM1增加。这种积累导致大量的VEGF释放和诱导RMCs凋亡。说明在高糖条件下抑制自噬会导致RMCs更高的凋亡率。在雷帕霉素（自噬诱导剂）治疗下，自噬激活后减少了早期自噬标记物p62和晚期自噬标记物SQTSM1的积累，阻止了RMCs的VEGF释放。该实验结果表明了RMCs在高糖条件下中自噬的受损是RMCs反应性增高后释放血管内皮生长因子的重要因素，溶酶体功能障碍和和自噬受损是DR病理改变中的早期变化。从上述看来，自噬与RMCs反应性增高互相关联，改变自噬在RMCs中的平衡对于治疗DR可能是新的方向。

3　展望

DM早期视网膜神经元退行性病变是DR早期病理改变，也是DR发展过程的重要因素之一。在DM早期视网膜神经元退行性病变的病理改变都与自噬相关联，自噬在DR的发展中贯穿整个细胞凋亡的过程。自噬相关的机制在当今学术界已被研究的越来越多，而自噬与DM早期视网膜神经元退行性病变之间的相关机制尚需进一步深入的研究。对自噬过程的调节可能是早期预防DR视力损害和治疗DR的有效途径之一。