原发性开角型青光眼发病机制的研究进展

唐静 邓应平 王琼 陈晓明

原发性开角型青光眼(primary open angle glaucoma,POAG)是一种以视神经损伤和视野缺损为主要表现的不可逆致盲性眼病，本质是视网膜神经节细胞(retinal ganglion cell,RGC)损伤，治疗中最常干预眼压。2013年全球POAG发病人数达6000万，预计2040年将超过1亿。主要临床表现为：相对升高的眼压、典型的青光眼视盘改变、视神经纤维束缺失及特异性视野缺损[1-3]。

迄今为止，POAG的发病机制尚未被完全阐释。既往认为其发生发展与房水的产生和外流有关，衍生了机械学说和血管学说，长期指导POAG的诊断和治疗。近年来，我国学者提出跨筛板压力学说，为该疾病的机制研究提供了新的线索。过去的几十年里，不断有致病基因被发现，且近年来基因治疗备受关注，多基因遗传理论已成为POAG的研究热点。持续发展的还有免疫机制的基础研究，为该疾病的未来诊疗提供了新思路。

1 传统的发病机制学说

机械学说于1858年由Müller等提出，认为眼压升高超过了视神经的可承受限度，改变了视神经筛板的结构，造成神经纤维的机械性损伤。进一步的研究发现，视神经轴浆运输在筛板区受阻，轴突膜不能利用线粒体产生ATP酶，轴突因代谢问题导致蛋白生成和移动减少，细胞功能受损而自发性凋亡[4]。线粒体通过氧化磷酸化产生ATP并调节RGC凋亡，其中线粒体融合相关蛋白视神经萎缩蛋白1(optic atrophy 1,OPA-1)的突变对RGC的变性产生了促进作用[5-6]。因此，许多研究通过眼内注射药物、升高眼压诱导筛板损伤来制作POAG动物模型。

在长期临床观察中，部分POAG患者即使眼压控制良好，病情仍持续发展。血管学说认为，血管痉挛导致灌注不足是POAG发病的主要原因。最近研究显示，POAG患者不仅存在血管痉挛因素，还有血液流变学改变。Rokicki等[7]认为青光眼是一种以过氧化氢酶上调为主要表现的氧化障碍，脂质过氧化主要影响红细胞膜，导致红细胞表面变化。即使这些微小的改变也会引起RGC的形态学和功能异常，因此，这些改变可能参与了青光眼的缺血机制。Ruiz-Pesini等[2]认为POAG的发生原因主要是视盘的灌注异常造成视神经缺血，不仅损害视神经节细胞的功能，还可能激活周围胶质细胞。也有研究通过血细胞的聚集、血红蛋白浓度与POAG患者视网膜神经纤维层厚度的关系，证实POAG患者红细胞的聚集率较高，由此推测，高的红细胞聚集和变形能力可能通过影响视神经盘和视网膜微灌注参与POAG的发生途径[8]。

从两个理论的解释上，机械学说与血管学说并没有完全割裂开，眼压和RGC死亡一直伴随着疾病的发展过程。随着研究的深入，不再局限于宏观的组织损伤，而是在细胞和通路上寻找POAG发生的规律。有研究表明，一些髓样细胞，如常驻的小胶质细胞、因局部炎症因子激活导致的单核/巨噬细胞募集等，可能与POAG的发病机制相关[9]。与阿尔茨海默病研究相似的结果也在POAG的研究中得到验证，如大脑内处于稳态与激活二相平衡的小胶质细胞，在POAG中其吞噬作用可促进RGC的死亡[10]。因此，若能抑制小胶质细胞的激活，如载脂蛋白的通路[11]，可能是保存POAG患者神经功能的一个有利方向。由此，有关全血和血清中脑源性神经营养因子(brain-derived neurotrophic factor,BDNF)、热休克蛋白70(heat shock protein 70,HSP70)和载脂蛋白(apolipoprotein E,ApoE)的表达水平研究结果显示，POAG患者血清ApoE表达高于对照组[12]，这和阿尔茨海默病患者大脑内ApoE表达升高具有一致性。也有研究认为，神经营养因子是RGC赖以生存的必要因素，但青光眼不太可能是影响中枢神经系统的原发性神经退行性变，而更可能是伴有中枢神经系统不良反应的视神经病变[13]。临床研究发现，中枢神经系统的神经元损伤会影响视网膜轴突，因此认为视网膜神经纤维层厚度下降要综合寻找原因，以免POAG的误诊和不必要的抗青光眼药物使用，以及避免颅内疾病的延迟诊断[14]。一项前瞻性研究通过MRI量化脑白质强度、血管的空间扩展高频率和动力学异常，说明脑部小血管病变的MRI证据与POAG视野异常密切相关[15]。因此，在POAG的研究中，与中枢神经系统疾病的联系是很好的切入口。

2 跨筛板压力学说

我国王宁利教授提出跨筛板压升高是引起青光眼发展的原因，通过动物实验和人口调查，证实视神经筛板前和颅内压之间的压力差增大是引起POAG发病的重要原因，发现在正常眼压性青光眼(normal tension glaucoma,NTG)患者人群中颅内压偏低，高眼压(high tension glaucoma,HTG)患者颅内压偏高，通过三维MRI重建视神经眶内段和视交叉的垂直截面积，经活体影像学证实青光眼视神经的萎缩，评估视觉中枢的损害[16-18]。此系列研究结果在国内外首创建立了青光眼视神经损害学说，刷新了该项研究的空白，说明了青光眼视神经损害机制，由此也回答了长久以来青光眼是否需要视神经治疗的争论。

3 遗传机制

POAG的遗传学研究显示，一级亲属患病率为22.0%，相比对照组的2.3%增加了9倍，提示POAG是由遗传缺陷造成的[19]。第1个基因myocilin(MYOC)被定位和识别，证实了家族发病的POAG遵循孟德尔遗传定律，认为单一基因的改变就足以导致疾病发生。之后又在MYOC、OPTN和CYP1B1中发现了一些具有孟德尔遗传的高外显率的突变，以及TBK1的拷贝数变异，并认为MYOC和CYP1B1中的突变是高眼压型POAG发生的原因，OPTN突变和TBK1的拷贝数变化是NTG发生的原因[20]。Micheal等[21]对一个多家系的全外显子测序，发现TP53BP2是POAG新的候选基因。Qiu等[22]研究认为COL4A4、COL3A1、COL1A2、ITGB5、COL5A2、COL5A1 6个基因通过与ECM受体的相互作用影响了POAG的发生。Seet等[23]通过定位于虹膜上的基因表达，对比发现POAG患者COL1A1、VEGFB、VEGFC和VEGFR2的 mRNA表达明显高于闭角型青光眼患者。Siwak等[24]的研究提示了HDAC6、CXCR3、SIRT1基因表达水平与POAG进展有关。Springelkamp等[25]的Meta分析中总结了与视神经杯盘比例相关的基因位点和与眼压相关的位点，因而发现CDKN1A变异在POAG发病中的作用。

尽管取得了这些成功，但迄今为止发现的孟德尔基因中高度外显的突变只占POAG病例的一小部分,POAG的遗传异质性也很重要。比如在一项对青少年发育性青光眼的基因研究中，划分了POAG、早发型青光眼和原发性先天性青光眼3种亚类，并分析其在MYOC和CYP1B1两个基因上共享的表型，结果显示3个亚类无共享的MYOC表型，但在CYP1B1上有5个共享的致病变异。由此说明了早发型的POAG不遵循简单的孟德尔模式[26]。然而，在对其他基因的筛查中，仍不断发现MYOC的突变位点，如GLC1A基因的分析中，不仅发现了B4GALT3 这个新的突变，也发现了MYOC上3号外显子的c.C1456T突变[27]。在公共的基因变异数据库研究中，始终显示了MYOC丰富的变异，反映了该位点仍是POAG最大的单基因原因[20]。由此可见，人类遗传学领域的进展使人们对不同基因引起的不同类型青光眼有了很高的辨识力。

全基因组测序可以进一步认识青光眼的发病原因。目前研究涉及到越来越多的青光眼相关基因及其丰富的突变类型。全外显子基因组测序提示POAG患者的眼球发育、蛋白表达及细胞膜稳态，通过分析具有潜在破坏性的遗传变异，鉴定与POAG及其亚型相关的生物学过程，如HTG可能是由于蛋白质折叠异常引起的，而蛋白质折叠异常可能是分子伴侣治疗的结果。研究表明， NTG与受损的细胞膜稳态有关，增加了细胞凋亡的敏感性[28]。Danford等[29]通过生物信息学工具，编译了542个与POAG及其相关表型有关的基因，并进行功能注释和分析，结果显示没有一个单一的分子途径可以包含POAG的病理生理学改变，衰老和炎症可能是在RGC变性中持续起关键作用的原因，而转化生长因子β(transforming growth factor β,TGF-β)是重要的影响因素。这使得基因研究与POAG机制的联系更广泛。

全基因组关联研究(genome-wide association studies，GWAS)是在POAG基础研究中备受关注的研究方法，单核苷酸多态性(single-nucleotide polymorphism,SNPs)的研究常常能确定潜在的疾病易感性通路，提出预防和治疗的新靶点。全基因组关联研究已经确定了许多POAG的遗传危险基因，包括CAV1/CAV2、CDKN2B-AS1、TMCO1、ATOH7、SIX1/SIX6、GAS7、ABCA1、 AFAP1、GMDS、PMM2、FNDC3B、TFGBR3、TXNRD2、ATXN2和FOXC1I。虽然这些变异可见于健康人，但在青光眼患者中显著升高[30]。一项多中心结果的Meta分析中发现了3个新的位点：TXNRD2内的rs35934224、ATXN2的rs7137828以及FOXC1上游的rs22745572[31]。 Vishal等[32]通过GWAS的研究，发现基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase,MMP)-7作为新的POAG候选基因，在小梁网中表达下调，影响了房水的动力学机制。而MMP-9基因rs2274755 SNP与NTG显著相关，支持了MMP-9基因在NTG发病中的可能作用[33]。POAG与氧化应激的关系在rs4656461-TMCO1、rs4236601-CAV1/CAV2、rs2157719-CDKN2B-AS1和rs3088440-CDKN2A 4个位点被证实[34]。Cuellar-Partida等[35]通过GWAS的研究绘制了几个位点图谱，发现了仅有ABCA1唯一基因与老年性黄斑病变关联联系起来。SNPs rs10483727和rs33912345与POAG，尤其与40岁以上患者的NTG显著相关[36]。

同时，非编码miRNA在青光眼的发病机制中起重要作用。SNP导致miRNA与靶基因的结合调控异常从而调控靶基因表达，该miRNA和靶基因可能成为未来研究的候选分子，用来确定二者在POAG病理生理学中的作用和治疗青光眼的潜力。Ghanbari等[37]列出了POAG的表型和关联的SNP位点，为POAG提供了可供参考的治疗位点。Liu等[38]通过miRNA-182表达水平的增高确认了rs76481776 SNP与POAG的关系。WDR36基因与青光眼的关系在文献中一直存在争议，Liu等[39]通过5个位点的SNP分析，确实没有获得有与POAG关联的阳性结果。

4 免疫学机制

免疫学机制研究是近年来青光眼基础研究的重要方向，提出青光眼损害机制是由于压力引起的局部缺血、视盘缺氧，以及谷氨酰胺诱导的毒性产物增加、炎性介质水平的升高和营养因子流量的改变而导致的RGC死亡，其间伴随的轴突顺行和逆行运输受阻，并伴有轴索断裂，最终失明。因此眼压的损伤、缺血、代谢毒素的影响等多种机制均可引起RGC死亡，最终导致青光眼[40]。POAG的RGC和轴突进行性变性，临床上表现为眼压控制稳定后仍持续的神经元丢失和视野缺损，表明POAG的发病机制已超出压力介导的神经退行性变。另有研究通过研究大鼠模型中慢性高眼压与海马的关系[41]，使用行为测试评估学习和记忆能力，检测蛋白表达和相关信号通路，结果发现慢性高眼压大鼠学习记忆能力受损，同时在海马区tau蛋白表达(GSK-3β、BACE1)和碱性磷酸酶(PP2A)蛋白的表达增加。研究认为POAG的MRI表现与海马功能的改变有关，由此支持POAG是内分泌免疫损伤性疾病的假说。Chou 等[42]通过研究大样本数据库，结果显示POAG与肾病的进展有关，提出肾病进展中的免疫因子改变和炎性因子释放是联系两种疾病的纽带。在一项口腔常驻菌和眼部的关系研究中，发现细菌性脑膜炎致病菌与POAG可能存在关联，并推测细菌产物可能通过该区域的常驻小胶质细胞接触而引发炎症反应，导致轴索神经变性[19]。Chen等[43]提出并验证了由升高的眼压-完整的共生菌群-活化的T细胞反应在青光眼发病机制中的因果关系，触发适应性免疫或自身免疫反应，在最初的损伤消失后，继续引起青光眼性RGC的丢失和轴突损伤；同时在缺乏T细胞的小鼠上表现出RGC和轴突损伤减弱，指出控制眼压后的视网膜损伤持续是由T细胞介导的。HSP60被证实在POAG中表达升高，与之相关的Th1和Th2促炎-抗炎失衡，是导致POAG进展的重要原因[44]。也有临床研究显示，分析细胞因子可以了解POAG严重程度，POAG患者玻璃体中的IL-2、IL-5、单核细胞趋化蛋白-1、肿瘤坏死因子-α和γ-干扰素诱生蛋白-10会明显升高[45]。Toll样受体4(toll-like receptor 4,TLR4)是一种常见的先天免疫分子，在POAG的小梁网和RGC中均有表达。Poyomtip[46]研究证明了TLR4的激活调节了纤维化和细胞死亡，抑制TLR4可降低TGF-β2诱导的小梁网细胞纤维化，提高视神经损伤和缺血模型中RGC的细胞存活率。明确POAG发病机制中各种通路的相关调节因子功能，对促进疾病的神经修复具有重要作用。

5 线粒体相关机制

青光眼的特征与神经退行性疾病有很多相似之处，除了发病率与年龄呈正相关、单个神经元细胞群的选择性丧失、神经元细胞死亡机制的相似性等，还有对ATP的高需求量。将培养的RGC暴露在高静水压下3 d，可诱导线粒体分裂，并伴有ATP产生的损伤，引起细胞凋亡。POAG患者外周血中线粒体DNA突变增加，线粒体呼吸功能下降20%[47]。Collins等[48]对非裔美国人的V83I单基因多态性研究中发现，线粒体细胞色素C氧化酶相关基因与男性POAG密切相关，两个位点的错义突变将影响视神经的杯盘比增大，由于破坏了β-淀粉样蛋白肽与神经保护蛋白UBQLN1的相互作用，可能是引起RGC凋亡的重要原因。而Singh等[49]则采用外周血全线粒体DNA测序发现，线粒体DNA编码的MT-ND2基因可能抑制POAG的发生。RGC长期被作为中枢神经系统神经元的标准模型,其线粒体密集分布于视盘周围，线粒体通过氧化磷酸化产生ATP和通过凋亡调节细胞死亡。但POAG患者视网膜和视神经是否也存在类似的线粒体功能障碍，还期待更多的证据说明[50]。

6 危险因素

POAG发病的最主要危险因素是眼压升高，也有越来越多的影响因素被发现。

6.1 眼压和角膜厚度眼压是POAG治疗中唯一可控的因素，但药物和手术也不一定能达到理想效果。同时，角膜厚度可以影响眼压的测量值。Aschard等[51]从基因的相关性上证实了眼压与POAG的关系。Cui等[52]研究发现GMDS基因的rs950301和PTGFR基因中rs3766355位点的突变可能与POAG患者对拉坦前列素的眼压反应有关。

6.2 激素妊娠期间会出现眼压降低，但在生产后3个月便会恢复至基线眼压水平。黄体酮可能通过降低房水的流出阻力而起到主要作用。对比之下，绝经则会引起眼压升高，有研究提出自然绝经史与POAG的发病具有相关性[53]，而Bailey等[54]则提出了雌激素的影响和睾酮的代谢通路可能与HTG有一致性。

6.3 人种POAG的发病率在不同人种有明显差异，非裔美国人患病率很高，有研究者提出其与血管因素有关[55]，也有FMNL2、PDE7B、TMTC2、IKZF2、CADM2、DGKG、ANKH、EXOC2和LMX1B等基因突变发现[56]，且以错义突变为主。线粒体DNA单倍体L1c2是POAG的危险因素，这个种族中大约1/4的人携带这种mtDNA，也许就是该人群POAG发病率高的原因[57]。而CAV1/CAV2基因上rs4236601位点与白人POAG有关[58]。Bonnemaijer等[59]发现了新的候选位点rs141186647上的EXOC4与西非黑人的POAG发病相关。SNP rs4236601和SNP rs3801994与亚洲东南部地区人群POAG相关[60]，GSTM1基因型缺失使希腊人群中POAG发病风险增加[61]，TLR4在墨西哥人POAG病理生理中起重要作用[62]。因此，基因研究在种族发病率差异中发挥了重要的解释作用。

6.4 全身系统性疾病全身血压的任何变化都可能影响眼压。收缩压波动是POAG发生的主要全身危险因素，收缩压升高10 mmHg(1 kPa=7.5 mmHg)，可生理性地伴随眼压升高1 mmHg[63]。2型糖尿病患者青光眼患病率可达27.4%，主要原因是糖尿病性视网膜病变和视神经微血管损伤不仅损害血管的自调节功能[64],也会影响视网膜神经细胞的新陈代谢,尤其是引起RGC死亡[65]。POAG被认为与呼吸暂停综合征相关,二者继发疾病的比例在1%左右[66]。也有研究显示青光眼患者血清褪黑激素水平显著升高，尤其是患有睡眠障碍、焦虑和抑郁等精神疾病的患者[67]。还有研究认为维生素D缺乏[68]、吸烟[69]、偏头痛[70]等会影响POAG的发病率。

7 结语

POAG作为不可逆致盲性眼病，目前对其发病机制的研究还在积极探索中。随着基因组技术的迅速发展，利用全基因组关联研究对POAG相关遗传因素的鉴定工作也得到了迅速的发展，在过去若干年，全球丰富的基因数据资源极大促进了GWAS的研究，疾病及其内表型相关遗传因素的识别为研究青光眼的细胞和分子机制提供了新的机会。同时越来越多的结果揭示了个体来源和环境来源的危险因素影响着POAG发病过程。目前被基础实验和临床观察印证的学说，从不同层面解释了各种类型POAG的病理生理过程，指导了青光眼的疾病诊疗。POAG作为多因素疾病，患病率逐年上升，源于检查方法和设备的完善，对其发病机制的研究越来越多与神经系统疾病联系，诊断方法上也不断拓展到外周循环系统的炎性标志物探索。由于受全身性疾病的影响，对该疾病是原发还是继发也曾出现过讨论。这些对青光眼发生发展的新认识，将为患者带来更多有效的预防、诊断和治疗选择。