炎症因子在圆锥角膜发病机制中的研究进展

苏渲迪，汪阿美，张文芳

0引言

圆锥角膜(keratoconus,KC)的特征是角膜结构逐渐变薄和衰退，因此KC通常被定义为退行性非炎症性角膜病。由于KC患者的眼睛通常不会显示炎症迹象，如眼红、角膜水肿或明显的血管形成，所以以往认为KC与其他经典炎症疾病无关。然而，最新的研究已经将一些炎症分子与KC联系起来并对其深入研究，在病理生理学中提出各种炎症因子在眼睛摩擦、隐形眼镜磨损和紫外线照射中都可引起角膜微环境免疫性的特定变化[1]，它们引起炎症的作用是圆锥角膜炎症性质的一个方面[2]，另一方面，KC的发病机制还与患者的泪液中促炎性细胞因子的过度表达有关[3]，并且增加遗传和环境因素风险[4-5]。遗传易感性和环境触发因素(如眼睛摩擦和配戴隐形眼镜)在圆锥角膜发展过程中的相互作用可能是了解炎症在圆锥角膜病理生理学中作用的关键。现就KC发病机制中炎症因子的作用进行综述。

1炎症性疾病与KC发病机制的关联性

由于KC与各种慢性炎症性疾病如类风湿性关节炎、溃疡性结肠炎和特应性疾病(包括哮喘)之间存在异乎寻常的强关联，KC中免疫通路的失调可以进一步得到认识。据Nemet等[6]报道KC与过敏性免疫疾病以及自身免疫性疾病之间存在很强的关联性，为KC和炎症之间的相互关系增加证据，免疫通路的失调进一步得到共识。

2眼摩擦中炎症因子对KC损伤机制

眼摩擦是KC发生和发展的一个成熟危险因素，它涉及多个途径，包括炎症的刺激[7]，通过摩擦，KC造成的上皮微损伤会使由上皮细胞和基质细胞分泌的基质金属蛋白酶MMP-1和MMP-13以及炎症介质包括IL-6和肿瘤坏死因子(TNF-α)水平升高[8]，这些因子的释放导致KC发病进展。这一过程包括由于IL-1水平升高而导致的上皮细胞凋亡以及随后基质细胞的丧失(详见下文)。Balasubramanian等[7]提出KC炎性分子可能与眼睛摩擦和圆锥角膜之间有因果关系，选取一组无此病史的志愿者，也没有配戴隐形眼镜，要求他们在60s内以可控的方式摩擦眼睛。在眼睛摩擦前后收集到基底泪液，结果发现，摩擦后MMP-13、IL-6和TNF-α的水平明显升高。作者得出结论，长时间的习惯性眼部摩擦会加重这些炎症标志物的表达，并有助于KC的进展。在KC患者中常见持续眼部摩擦，导致角膜内的剪切应力和静水压力增加，这也会引发炎症，可能通过持续升高的蛋白酶、炎症介质和蛋白酶活性水平而导致疾病的发展。

3紫外线照射中炎症因子对KC的影响作用

多年来，紫外线被认为是导致圆锥角膜发病的成熟的危险因素。紫外线也能导致DNA 的损伤从而启动角膜上皮细胞的凋亡程序[9],因为KC无法处理活性氧(ROS)，导致角膜降解、变薄和视力丧失。角膜上皮细胞在正常眼睛中对紫外线照射产生多种促炎细胞因子[10]。与正常角膜相比，圆锥角膜处理活性氧的能力下降，导致圆锥角膜能增加活性氧种类和氧化损伤[11]。导致这种增加的原因可能是，活性氧在紫外线照射(以及眼摩擦和过敏状态)下的积累[11]，紫外线辐射通过角膜厚度传播时逐渐被吸收。圆锥角膜视锥区的内皮细胞可能暴露于更高的紫外线水平。与正常角膜相比[11]， 圆锥角膜的氧化损伤有所增加，可能与角膜变薄以及紫外线辐射损伤导致角膜敏感性增加有关。此外，上皮细胞对紫外线的反应产生的促炎细胞因子的辐射可能导致KC的其他炎症过程。

4配戴角膜塑形镜中炎症因子对KC的作用机制

因为角膜稀缺性，硬性接触镜的配戴成为圆锥角膜目前最常规的治疗方法。与隐形眼镜配戴相关的角膜血管化可能是炎症介质浓度增加的结果，随着配戴时间的延长，会面临炎症介质浓度增加的风险。这对KC患者来说不可忽视，因为他们对隐形眼镜的依赖，可能比非KC患者的时间更长。有报道称，用于治疗轻度至中度KC的隐形眼镜会导致KC患者眼泪中促炎细胞因子升高。并且，与KC密切相关的隐形眼镜磨损会升高KC患者泪液中IL-6的水平[12]。

5炎症因子在KC中的异常表达

5.1IL-1IL-1家族的细胞因子由超过10个成员组成，其中IL-1α和IL-1β具有强烈的促炎症作用。 IL-1α和IL-1β具有多种免疫功能，参与促进各种促炎细胞因子，以及在病毒、细菌和真菌感染过程中调节炎性细胞的细胞生长、分化和运动。 在几个KC群体中已经报道了与IL-1基因簇相关的遗传易感性基因[13]。此外，汉族患者中IL-1α基因与KC有关[14]。事实上，KC增加了IL-1α和IL-1β表达， 来自KC患者的成纤维细胞显示IL-1α受体的表达升高[15]。一般来说，角膜上皮损伤或组织损伤或凋亡后分泌IL-1。IL-1α和IL-1β都能诱导角膜内皮细胞凋亡，并与细胞因子如TNF-α通过产生活性氮类物质协同作用，损伤DNA。有趣的是，IL-1α只在KC中导致角膜氧化损伤，在KC基质细胞中，IL-1α特异性下调了细胞外超氧化物歧化酶(SOD3)的合成，而SOD3是一种主要的超氧化物清除剂[16]。另外，KC成纤维细胞在IL-1刺激下产生的前列腺素E2是正常角膜的10倍，而胶原蛋白的产生则较低[15]。另外，角膜的变薄和扩张表明角膜胶原蛋白的直接降解可能是与基质金属蛋白酶(MMPs)等酶有关[17]。在人类角膜中，MMPs活性是部分通过IL-1β调节。 因此，IL-1α和IL-1β在KC中具有不同的致病作用，在基因易感个体中可以内源性高表达，在角膜受损最小时可大量分泌。诱导角膜细胞凋亡后，诱导产生MMPs，增强组织损伤，改变角膜结构。

5.2IL-6IL-6是一种多效细胞因子，能够驱动多种生物学过程，并在刺激几种免疫反应中发挥关键作用，如根除感染和伤口修复。 IL-6可以在角膜内，在炎症的发生中起重要作用[18]。而许多研究小组的报告指出KC角膜中IL-6的水平是增加的[19]。上皮细胞合成大量IL-6，可能影响许多免疫和炎症活动，这可能导致角膜损伤。目前尚不清楚IL-6是如何与KC中角膜微环境相互作用的。然而，在角膜中IL-6的表达受到KC并列的几个因素的影响，最重要的是擦眼，还有特应性体质和隐形眼镜配戴。IL-6通过结合细胞上的IL-6受体或在细胞中大量表达的可溶性IL-6受体(sIL-6R)发挥其作用[20]。Ebihara等[21]证明IL-1激活的成纤维细胞诱导产生诱导上皮细胞迁移的IL-6和sIL-6R。这表明IL-6与由主要与KC相关的外源因素和事件引起的角膜变薄直接相关。

5.3TNF-α除了IL-6和IL-1β之外，TNF-α被认为是全身性和角膜炎症中的主要致病因子[22]。TNF-α也是能够在人角膜上皮细胞中诱导IL-6表达的细胞因子之一[23]。此外，最近的研究已经表明，TNF-α起着各种角膜疾病的重要的作用[24]。并且，TNF-α诱导角膜中MMP-9的表达。而MMP-9水平的增加与角膜变薄相关，可能是因为基质胶原降解，因为MMP-9活性在KC患者的眼泪中也较高[22]。另外，TNF-α破坏角膜上皮细胞的屏障功能。此外，先前的研究表明，MMP-1、MMP-2、MMP-9可能参与了圆锥角膜的病理学研究，圆锥角膜的变薄和扩张主要归因于细胞外基质(ECM)的降解增加[22]。有研究表明，在圆锥角膜的成纤维细胞中TNF-α和IL-6的过度表达可通过诱导MMP-1的表达[25]，从而导致角膜ECM降解。

5.4IL-17IL-17是一种炎性细胞因子，与许多慢性炎症性疾病有关。IL-17与角膜炎症中的致病机制有关，其通过刺激基质细胞分泌各种促炎细胞因子， 包括IL-6、IL-8和细胞间黏附分子1(ICAM-1)[26]。用IL-17刺激角膜成纤维细胞导致产生几种MMP。 因此，IL-17可能通过激活成纤维细胞和金属蛋白酶生成而促成KC中的角膜损伤。 IL-17水平升高可能会诱发KC组织损伤，并可能与疾病严重程度有关[27]。促炎细胞因子，蛋白水解酶和抑制剂之间存在恶性循环，这些因素是造成圆锥角膜微环境变化的原因。这种不平衡触发了角膜中炎症通路的信号传导，导致疾病进展的结构异常[28]。

5.5TGF-β2TGF-β2控制上皮细胞和内皮细胞中的细胞增殖和分化[29]。TGF-β可与多种胶原蛋白相互作用，刺激MMPs分泌，影响角膜结构和胶原在角膜中的分布。 越来越多的证据支持KC中TGF-β信号的作用[30-31]。角膜成纤维细胞对TGF-β1特别敏感，并在其作用下分化为成肌细胞。在角膜损伤后，TGF-β受体激活通过分泌细胞外基质促使肌成纤维细胞恢复角膜的完整性。该通路的失调与病理性角膜纤维化有关[30]。因此，TGF-β1可能与严重圆锥角膜的瘢痕形成和组织修复有关。TGF-β1信号紊乱本身可能是其他致病因素的结果，因为培养的KC患者角膜基质间质纤维母细胞能够显著表达TGF-β1 mRNA[32]。

有证据表明，TGF-β1和TGF-β3的潜在失衡驱动了KC角膜角质细胞的病理分化[33], 可能是通过调控糖蛋白催乳素诱导蛋白(PIP)，而该蛋白在KC中上调并参与角膜纤维化[34]。角膜纤维化的典型特征是胶原蛋白III沉积增加[33]。除TGF-β1外，Engler等[35]发现KC角膜和房水中TGF-β2水平增加。TGF-β2尤其存在于房水中，具有维持眼睛免疫特性的功能，但矛盾的是，在炎症条件下会诱导一些促炎症细胞因子。虽然其在KC中的作用尚不清楚，但TGF-β2可能参与炎症介质的表达，导致组织损伤。然而，TGF-β2信号还可以通过促进Th17与TGF-b1的分化，诱导角膜上皮细胞IL-6的表达[36]。

上述研究有助于我们认识到TGF-β家族成员对各种病理性角膜改变(如炎症介质的表达增加、MMPs的产生、KC患者角膜纤维化的诱导)具有重要作用。这说明TGF-β信号的调制可能是治疗KC的一个有趣的靶点。

5.6神经生长因子角膜有非常高密度的神经细胞，去神经化改变了它的上皮代谢[37]。神经生长因子(NGF)是一种重要的角膜神经支配细胞因子。NGF是泪膜的正常成分，在KC中增加[38]。角膜是一种天然的无血管和高度神经支配的器官。NGF被认为在角膜的伤面愈合中起作用，影响角膜上皮细胞增殖。NGF主要通过特异性神经营养蛋白酪氨酸激酶受体A(TrkA)作用于细胞，这种受体通常存在于所有角膜细胞中。而在KC受试者的角膜中未检测到TrkA[39]。这些研究没有证实NGF在KC的病理生理学中有一定的作用。需进一步的研究来确定NGF在KC中的潜在作用。

6展望

角膜本身无血管，其营养代谢主要来自房水、泪膜、角膜缘血管，因此角膜自身的变化与房水、泪膜及血液成分的改变必定密切相关。在目前的研究中，已经证明眼表面炎症因子增加在KC的发病机制中起着合理的作用,这将有助于KC及其进展。关于炎性因子在影响细胞外重塑中的作用的是需要我们继续探索的。在未来研究中，将大量健康眼作为对照组，以及将眼睛中炎症因子水平与角膜中其他炎症状况的比较，将有助于阐明这些问题并最终有助于揭示圆锥角膜的病因学奥秘。这使我们能够探索抗炎治疗的潜力，以阻止KC的进展。