圆锥角膜的病因学研究进展

刘婷婷 综述，徐 梅 审校

(重庆医科大学附属第一医院眼科，重庆 400010)

圆锥角膜是一种进行性角膜扩张症，具有遗传和环境危险因素的复杂疾病，特点是角膜中央部分变薄并以圆锥形的方式向前隆起，导致近视、不规则散光和视力障碍。圆锥角膜全球患病率为每100 000人中有138人[1]，通常发生在10～40岁，并影响患者余生[2]。目前，圆锥角膜的病因尚不清楚，包括遗传、氧化应激、炎症、激素甚至污染等，其中遗传是目前认为的主要因素。

1 遗 传

有研究表明，血缘关系是圆锥角膜的危险因素，与非近亲夫妇的孩子比较，一、二级亲属孩子患圆锥角膜的可能性是非近亲夫妇的4倍[3]。目前，与圆锥角膜发生、发展相关的众多因素中遗传易感性已被广泛研究，在对单卵双胞胎和异卵双胞胎的多项研究中发现，单卵双胞胎在圆锥角膜的表达上具有更高水平的一致性[4]。此外，与一般人群比较，圆锥角膜患者亲属患该疾病的风险也有所增加，一级亲属圆锥角膜患病率是普通人群的15～67倍[5]。尽管在过去的几十年里学者对圆锥角膜进行了广泛研究，但其遗传病因仍不清楚，现发现圆锥角膜与许多眼部或系统疾病有关，通过研究与其相关的基因探讨圆锥角膜的遗传学因素是目前的一大研究方向。

1.1视觉系统同源框1(VSX1)基因 VSX1基因是成对样同源转录因子成员，位于染色体20p11～q11上，在胚胎颅面组织、成人视网膜和角膜中表达。VSX1基因编码的同源蛋白与红绿视觉色素基因簇的基因座控制区的核心结合，并可在胚胎发育过程中调节视锥蛋白基因的表达。然而，VSX1基因在角膜病中仍存在争议，在受伤的角膜中或血清共培养模拟伤口愈合反应时角膜细胞向成纤维细胞转化并开始表达VSX1基因，越来越多的研究发现，与人类圆锥角膜相关的VSX1基因序列存在变异。在对中国的散发性圆锥角膜患者研究中，GUAN等[6]观察到VSX1基因编码区变异范围内增加了一个新的VSX1基因编码区错义序列变异(p.Arg131Pro)，表明VSX1基因序列变异可能参与了散发性圆锥角膜的发病机制。但JEOUNG等[7]对首尔国立大学选取的圆锥角膜患者研究结果却发现，VSX1基因及其氨基酸变化的突变在圆锥角膜的发病机制中没有起主要作用。目前，尚不清楚VSX1基因的突变是否促成圆锥角膜的发病，可能是因为VSX1基因的突变仅影响少数圆锥角膜患者，故尚需进一步研究VSX1基因在圆锥角膜中的发病机制。

1.2超氧化物歧化酶1(SOD1)基因 SOD1基因位于21号染色体上，编码SOD，该酶是一种主要的细胞质抗氧化酶，可将超氧自由基代谢为分子氧和过氧化氢以防御氧毒性。迄今为止，人们普遍认为，氧化应激在圆锥角膜的进展中具有关键作用；且21三体患者圆锥角膜患病率较同龄非21三体人群明显增加[8]。因此，根据SOD1基因功能及染色体位置推测其在圆锥角膜的发病机制中发挥作用并对其进行了许多研究。然而，尚未在圆锥角膜患者中发现SOD1基因的致病性突变，故目前尚不清楚SOD1基因是否在圆锥角膜发病机制中发挥作用。

1.3微小RNA-184(miR-184) miR-184是角膜和晶状体上皮中表达最丰富的miRNA，但其表达仅限于角膜基底和基底上细胞层，并且突变位于种子区域，因此，极有可能影响miRNA的功能。HUGHES等[9]报道了北爱尔兰家族miR-184种子区域内杂合C到T的转变(c.57c>T)，其中3代中18人受到白内障相关圆锥角膜的影响。既往威尔默眼科研究所角膜遗传学中心报道了在2例患有EDICT综合征(角膜内皮营养不良、虹膜发育不全、先天性白内障和角膜基质变薄)的家族中发现了相同的突变[10]。同样，BYKHOVSKAYA等[11]在西班牙加利西亚的5代家族成员中也发现了miR-184 c.57C>T的突变，突变的个体患有先天性白内障和不同的角膜异常，包括非扩张性角膜变薄和严重的早发性圆锥角膜。LECHNER等[12]回顾性分析了780例圆锥角膜患者的临床资料，发现其中2例圆锥角膜的种子区的2个杂合置换突变(+8C>A和+3A>G)。因此，无论是否存在晶状体或角膜缺陷，miR-184的突变均与角膜病相关。

1.4锌指蛋白469(ZNF469) ZNF469是一个外显子基因，编码由3 925个氨基酸残基组成的413×103蛋白质，可在角膜等多种组织中检测到。据文献报道，ZNF469可能参与了转化生长因子β通路，导致人角膜中胶原蛋白合成紊乱[13]。该基因中的纯合功能丧失突变已被反复报道为脆性角膜综合征的基础，其特征是角膜极度变薄，容易自发破裂，表明ZNF469对角膜结构完整性很重要。在新西兰43例散发性圆锥角膜患者中23%存在ZNF469等位基因突变[13]。YU等[14]对53例汉族圆锥角膜患者进行的研究发现，除1例携带ZNF469 和胞质分裂作用因子9突变患者外，11.3%(6/53)的圆锥角膜患者存在ZNF469 6个潜在致病性新突变，表明ZNF469可能对汉族人群角膜疾病具有致病作用，并拓展了中国圆锥角膜的突变谱。然而，KAROLAK等[15]在对波兰圆锥角膜患者进行全外显子组测序中没有发现ZNF469序列变异的富集，认为ZNF469的变异与圆锥角膜无关。同样，LUCAS等[16]对澳大利亚欧洲裔圆锥角膜患者进行测序得到了与KAROLAK等[15]相同的结论。与以往的研究结果相矛盾，因此，尚需更多的重复测序和进一步的功能研究确定ZNF469是否与圆锥角膜的发病相关。

2 氧化应激与炎症

2.1氧化应激 氧化应激是活性氧(ROS)积累的一种表现，可能会导致细胞正常氧化还原状态的紊乱，并通过自由基的毒性作用损害所有细胞成分，包括 DNA、蛋白质和脂质。圆锥角膜会经历氧化应激和组织溶解，从组织学角度看，圆锥角膜特征是角膜上皮基底膜的降解，胶原数量和密度、微原纤维和细颗粒物质数量的减少，基质层变薄及角膜基质细胞的坏死凋亡。角膜基质变薄与角膜细胞凋亡、细胞外基质的改变及多种酶的活性变化有关，这些酶参与活化降解酶并促进细胞死亡，二者均由氧化应激所致。LIU等[17]在兔模型圆锥角膜组中发现，与健康对照组比较，圆锥角膜组中与ROS相关的蛋白——血红素氧合酶-1、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶-2、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶-4、核转录因子红系相关因子2表达水平均显著升高，提示圆锥角膜中存在氧化应激和抗氧化蛋白的代偿性激活，表明角膜基质细胞的氧化应激损伤在圆锥角膜发展中具有重要作用。可通过研究细胞的代谢，以及识别关键代谢物了解疾病的机制。

2.2炎症 圆锥角膜通常被描述为一种非炎症性疾病，因其并不表现出炎症性疾病的典型临床表现，即红肿、发热和疼痛。然而，即使没有典型的炎症表现，圆锥角膜患者泪液中高水平的炎性细胞因子的存在也引起了人们对这种角膜病理的非炎症性质的怀疑。LEMA等[18]发现,圆锥角膜患者眼泪中白细胞介素-6(IL-6)、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、基质金属蛋白酶9(MMP-9)等炎性细胞因子表达水平升高，提出圆锥角膜的发病机制可能与慢性炎症有关。TAURONE等[19]在病理角膜组织中也发现了TNF-α、IL-6水平增加，与LEMA等[18]研究结果一致。还有研究发现，进展期圆锥角膜患者泪液IL-6水平高于稳定期[17]。此外，有研究在圆锥角膜患者角膜组织的免疫组织化学染色中发现了圆锥角膜有巨噬细胞浸润、白细胞沉积及树突状朗格汉斯细胞的定位[20]。同时，LOH等[21]发现，在圆锥角膜样本中伤口愈合、神经保护、血管生成和炎症途径被激活，为重新定义圆锥角膜为慢性炎性角膜疾病提供了理论依据。将圆锥角膜分类为炎症病理学或炎症相关病理学可能有助于指导未来的研究。

3 其他因素

3.1肥胖 ELIASI等[22]对579 946名16～19.9岁的犹太人进行的横断面研究发现，与正常体重青少年比较，超重和肥胖青少年患圆锥角膜的可能性更大。而既往一些文献报道了肥胖与圆锥角膜之间的关联，主要是与阻塞性呼吸睡眠暂停(OSA)相关。1997年MCNAB[23]描述了OSA与眼部疾病存在关联，而后在2013年PIHLBLAD 等[24]研究结果显示，与健康者比较，圆锥角膜患者肥胖率明显增高[52%(26/50)]，同时还发现,24%(14/50)的患者既往诊断为OSA。肥胖人群中圆锥角膜的病理生理学尚不清楚，据推测肥胖可能会减少睑板弹性蛋白，从而导致眼睑皮肤变弱，继而降低了眼睑对角膜的保护功能。但问题是体重减轻或保持较低的体重指数是否可防止高危人群圆锥角膜的进展尚需在分子及遗传学水平进一步探索肥胖人群圆锥角膜发生的病理生理机制。

3.2特应性、揉眼和隐形眼镜 特应性是一种易患变应性疾病的体质或全身状态，称为过敏体质或全身致敏状态，包括湿疹、哮喘、过敏等，众多作者支持特应性与圆锥角膜有关[1,25-26]，但其与圆锥角膜的确切联系尚不清楚，由于瘙痒或过敏反应而过度用力地揉眼被认为是圆锥角膜的可能原因。长期以来，人们一直在描述揉眼与圆锥角膜的关联，认为揉眼与免疫球蛋白E驱动相关，是使疾病恶化和发展的相关危险因素之一。有研究表明，摩擦角膜对上皮造成的微创伤会造成MMP-1、MMP-13水平升高，其由上皮细胞和基质细胞及炎症介质(包括IL-6和TNF-α)所分泌，这些因子的释放参与了圆锥角膜的进展过程，这些过程还包括由于IL-1水平增加及随后的基质体积减小而导致的角膜细胞凋亡[27]。ZHANG等[28]探讨了机械压迫(类似于揉眼诱导的压迫)对人角膜成纤维细胞的细胞形态、增殖、凋亡及细胞外基质合成和降解的影响，结果显示，压缩应力显著影响角膜基质细胞，这种机械效应可能与慢性揉眼相关的圆锥角膜有关。SAHEBJADA等[29]对发表的有关揉眼与圆锥角膜的6项研究进行了荟萃分析，结果显示，揉眼与圆锥角膜存在一致性。但尚需要进一步研究解决这种揉眼与其诱发、持续进展和圆锥角膜严重程度的复杂关系。除揉眼外，另一个导致圆锥角膜发生的重要机械性因素可能是侧卧或面朝下睡觉时枕头或手直接对眼睑施加了压力。MAZHARIAN等[30]在33例单侧或高度不对称圆锥角膜患者中发现，剧烈的揉眼和不对称的睡眠姿势与单侧或高度不对称圆锥角膜有关，将来可作为危险因素对其进行调查。隐形眼镜对圆锥角膜的发展作用仍存在争议，大多数患者需要佩戴硬性角膜接触镜以获得视功能，然而，美国爱荷华城的一项回顾性研究结果显示，隐形眼镜的佩戴与圆锥角膜的发展存在关联，认为长期佩戴隐形眼镜是导致圆锥角膜的一个因素，提出镜片引起的角膜摩擦可能会促进圆锥角膜[31]。尽管角膜接触镜与圆锥角膜进展的确切联系尚不清楚，但间接证据表明，长期佩戴接触镜会促进角膜细胞凋亡，可能是通过促炎细胞因子诱导的[32]。

3.3紫外线暴露 圆锥角膜在世界各地的流行情况并不相同，在气候炎热、阳光充足的中东国家及印度部分地区的发病率相对较高，而在北欧、乌拉尔地区、美国北部、日本的流行率很低[33]。紫外线是ROS的来源，过度暴露于阳光下会导致角膜的氧化损伤，包括3类醛脱氢酶及去除ROS所需的歧化酶在内的酶的数量减少。NEWKIRK等[34]进行的动物实验发现，暴露于紫外线的小鼠表现出间质胶原蛋白变性和间质变薄，角膜细胞明显减少。然而，需指出的是，紫外线辐射可诱导角膜胶原的交联，从而减轻疾病的发展或进程。紫外线交联是非常成功的，是已获得美国食品和药物管理局批准的圆锥角膜治疗程序，这使紫外线病因学变得不太可能。因此，在将紫外线视为危险因素之前尚需进一步探讨其与圆锥角膜的因果关系。

3.4激素 圆锥角膜患者甲状腺功能障碍患病率高于一般人群[35]，与健康者比较，圆锥角膜患者泪液甲状腺素水平及角膜基质细胞甲状腺素受体水平均更高，暗示甲状腺素在圆锥角膜的病理生理中的关键作用可能是由甲状腺素受体所介导[36]。但研究尚未发现圆锥角膜与自身免疫性甲状腺疾病的联系，在甲状腺功能减退患者中也未发现圆锥角膜患病率的增加。BASSIOUNY 等[37]在对50例甲状腺功能障碍患者研究中发现，中央角膜厚度、最薄厚度均与血清促甲状腺激素水平呈正相关，而与血清游离甲状腺素水平呈负相关，非自身免疫性甲状腺功能障碍患者中央角膜厚度、最薄厚度、垂直偏差均显著低于自身免疫患者。人类角膜中存在雌激素和雄激素受体，但其作用尚不明确。据文献报道，激素失衡促进了圆锥角膜的发生、发展[38]。AYAN等[39]对30例计划进行角膜胶原交联的圆锥角膜患者和20例因屈光不正而准备使用准分子激光治疗的圆锥角膜患者进行比较发现，在mRNA表达上圆锥角膜患者角膜上皮中雌激素α和雄激素受体的表达率显著升高，但未能显示相应的蛋白水平的增加。KARAMICHOS 等[40]对来自圆锥角膜和健康对照的角膜基质细胞及人类上皮细胞的促性激素相关标识物进行了研究，首次揭示了圆锥角膜中促性腺激素及其受体的存在，表明人类角膜能对促性腺激素做出反应，但目前尚不清楚这些受体在人类角膜中的作用，仍需进行多中心大样本研究确定激素与圆锥角膜的关系。

3.5污染物 既往已有一些文献将污染作为圆锥角膜的危险因素，GORSKOVA等[41]于1998年进行的一项流行病学调查结果显示，在城市和污染更严重地区患圆锥角膜的风险是农村地区的5倍。JURKIEWICZ等[42]发现，细颗粒物似乎是圆锥角膜的新兴危险因素，其可能通过加剧现有的危险因素(如特应性和揉眼)间接发挥作用，也可能通过增加上皮细胞凋亡并直接与基质胶原结构相互作用而对角膜产生直接作用。未来的体内外研究对更好地了解污染是如何影响圆锥角膜的发展是必要的。

4 小 结

圆锥角膜的病因复杂，有时相互矛盾，其病理生理学机制尚不清楚。遗传学研究结果显示，圆锥角膜有多个可能涉及的基因，包括VSX1、SOD1、miR-184、ZNF-469等。同时，圆锥角膜患者泪液及病理组织中炎性细胞因子增加、白细胞沉积均支持圆锥角膜中存在眼表炎症，动物模型研究表明，氧化应激损伤在圆锥角膜发展中具有重要作用，且肥胖、揉眼、紫外线、激素、污染物等环境因素均可能影响圆锥角膜的发生、发展，进一步研究圆锥角膜的病因及了解决定圆锥角膜发展的潜在病理生理机制是预防、识别和制定治疗方法的关键。