糖尿病视网膜神经变性机制研究进展

刘一诺 张雨晴 邵毅

(南昌大学第一附属医院眼科，江西 南昌 330006)

糖尿病现已成为较为普遍的一种疾病，同时伴随着多种并发症。根据国际糖尿病联盟(IDF)2017年统计数据显示：全球糖尿病患者约有4.25亿，预计到2045年，糖尿病患者可能达到6.29亿〔1〕。随着经济水平不断上升糖尿病已经成为一种流行疾病，糖尿病患者中糖尿病视网膜病变(DR)等并发症疾病的发病率也在上升。尽管糖尿病患者中DR发病率如此之高，但目前对DR的筛查和治疗策略主要集中在DR的晚期阶段，在此阶段代偿机制已失效，视网膜结构和视力已被严重影响〔2〕，因此需要更好地了解疾病早期的发病机制。在对DR深入研究中发现，DR不是一种单纯的微血管疾病，而是一种更复杂的糖尿病并发症，糖尿病视网膜神经变性(DRN)是早期DR的关键过程〔2，3〕。DRN是指在DR的早期改变中出现神经细胞凋亡和反应性胶质增生，这在视网膜中被认为是一个进行性和退行性的过程〔4，5〕。在人类及1型和2型糖尿病小鼠模型中，DRN先于DR微血管病变这一结果已被多项研究报道〔6，7〕。了解DRN机制对DR的治疗具有重要意义，本文旨在系统性地总结出这些变性机制。

1 DR的病理生理学

1.1DR的临床特征 DR的特征通常是微血管异常，如不规则血管和微动脉瘤，导致微出血〔8〕。这类受损的血管容易使血液、脂质和液体漏出视网膜，导致黄斑水肿和视力模糊。

1.2DRN 糖尿病影响完整的视网膜神经血管单位(NVU)，在可观察到血管病变之前会发生早期神经血管耦合丧失，渐进性神经变性〔9〕。NVU是指中枢神经系统中神经元、胶质细胞和高度专门化的血管系统之间的功能耦合和相互依赖〔10，11〕。视网膜内血管缺乏自主神经支配，NVU对复杂的循环和神经信号的动态自我调节反应对于调节通过视网膜内部的血流至关重要〔12〕。在正常的视网膜中，视网膜血管内皮与神经元的神经胶质和周皮细胞相互作用，以响应代谢需求来控制视网膜血流〔13〕。糖尿病视网膜中神经血管耦合的丧失导致自身调节受损，并可能由于代谢功能障碍导致神经元丢失。视网膜由不同类型的神经元构成：神经节细胞、无长突神经细胞、双极细胞、水平细胞、光感受器。这些神经元被组织成视网膜组织中的特定层并形成一个复杂的神经回路，使用分级的电活动转化成动作电位将视觉信号传递到大脑。通过视网膜电图评估神经胶质功能表明神经节、双极细胞、无长突神经细胞和光感受器细胞功能会因糖尿病而发生改变〔14〕。目前，多项研究结果表明视网膜神经变性是早期事件而不是血管损伤的结果〔15〕。

1.3DRN的分子变化 健康的视网膜出现炎症即会引起神经功能的障碍、神经胶质过多症，随即引起白细胞停滞和内皮细胞死亡，出现血-视网膜屏障破裂、胶质增生增加(此过程又可引起视网膜炎症)，之后产生微动脉瘤、出血、毛细血管功能丧失的症状，最后导致增生性视网膜病变(新生血管、水肿、纤维化)，这即是DRN的分子改变。

2 影响DRN的相关因素

2.1高血糖、炎症和氧化应激 急性和慢性高血糖及血糖的高变异性与低级炎症和氧化应激相关。在高血糖的早期阶段，转录因子被激活，从而释放炎症因子，触发微胶质细胞的激活，导致视网膜的轻度炎症〔16〕。长期的高血糖会导致周细胞凋亡或死亡，以及血管壁功能障碍。炎症被定义为对不同病理刺激反应引起的级联现象。炎症与细胞因子的增加有关，特别是血管内皮生长因子(VEGF)、白细胞介素(IL)-6、IL-8、肿瘤坏死因子(TNF)-α等〔17，18〕，炎症基因C-C基序趋化因子配体(CCL)2、细胞间黏附分子(ICAM)-1、信号转导和转录激活因子(STAT)3、趋化因子受体(CCR)5和分化决定簇抗原(CD)44的表达增加在对糖尿病大鼠整个视网膜的基因组评估中被发现〔19〕，炎症是高血糖的继发效应〔20〕。它在糖尿病及其晚期并发症包括DR的发展中起着重要的作用，糖基化终末产物过量产生会导致过载的氧化应激，并激活炎症过程〔21〕。视网膜上有大量多不饱和脂肪酸，这使得它对氧化应激特别敏感〔22〕。在高血糖条件下，葡萄糖代谢增强，导致糖酵解增强和线粒体超氧阴离子(O2-)过量产生，而超氧阴离子是其他活性氧物种(ROS)的重要底物〔23〕。ROS合成增加激活了4条经典途径〔24〕，并作用于血管紧张素转化酶系统〔25〕，每个途径的激活进一步促进了ROS的产生与正反馈，从而加强了氧化和对视网膜血屏障结构的损害〔26〕。

2.2多形核中性粒细胞(PMNs) 外周血PMNs是主要的炎症细胞之一，可能对内皮细胞的损伤有显著影响。活化的中性粒细胞对内皮细胞的损伤作用机制与大量ROS、蛋白水解酶和细胞因子的释放有关。此外，增加的中性粒细胞聚集和黏附内皮被证明会导致白细胞栓塞和毛细血管堵塞，从而引起随后的血流损害和“组织缺血”。在生理上，PMNs的死亡是通过程序性细胞死亡，即凋亡(未刺激细胞)或坏死(活化细胞)〔27〕。在糖尿病患者中，外周血循环中PMNs的活性增加，同时它们对刺激的反应变差。糖尿病患者体内能够反映细胞活性的大量特异性表达受体CD11b/CD18的循环PMNs明显高于健康对象〔28，29〕。PMNs产生的O2-和H2O2与烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)氧化酶的激活密切相关。结果表明，该酶活性在高血糖和低血糖情况下均显著升高，反映了在神经退行性变中起关键作用的轻度炎症反应。

2.3谷氨酸兴奋性毒性 谷氨酸是视网膜中的一种关键的神经递质，中枢神经系统的神经元凋亡通常与细胞外谷氨酸的释放增加有关，它被认为在急性和慢性神经变性中起核心作用〔30〕。视网膜中谷氨酸浓度的增加会导致过度激活，并导致所谓的“兴奋性毒性”，导致神经变性〔31〕。Müller视网膜细胞(一种视网膜大胶质细胞)主要负责细胞内和细胞外的谷氨酸水平。谷氨酸有2种代谢途径：酰胺化为谷氨酰胺和转氨化为α-酮戊二酸。大量研究表明过量的谷氨酸盐神经元细胞与中枢神经系统和视网膜中的丢失是相关的。胶质细胞和神经元中谷氨酸和谷氨酰胺之间的平衡会在糖尿病中发生改变，可能在视网膜神经退行性变中发挥重要的作用。糖尿病中出现这种现象有几种潜在的机制，首先，高血糖情况下，Müller细胞中的谷酰胺合成酶活性降低；其次谷氨酸氧化为α-酮戊二酸受损；最后，Müller细胞摄取谷氨酸减少，导致谷氨酸在神经视网膜细胞外积累〔32〕。谷氨酸升高水平与神经变性有关〔33〕，谷氨酸兴奋性毒性是DRN的关键过程。

2.4神经保护因子合成失衡 神经元生存、生长和功能依赖于神经营养因子和生长因子的局部可用性。神经营养因子的失调被认为是糖尿病过程中视网膜神经退行性变的主要原因。具有神经保护作用的视网膜因子包括色素上皮衍生因子(PEDF)、生长抑素、间质视黄醇结合蛋白(IRBP)、脑源性神经营养因子(BDNF)和神经生长因子(NGF)在糖尿病中的疗效和浓度均降低〔34〕。有趣的是，神经营养因子如VEGF、胰岛素生长因子(IGF)-1和促红细胞生成素在糖尿病发现不久后也降低，但都随着增生性视网膜病变发展而增加。这种双向反应的性质仍不确定。PEDF和生长抑素的主要来源是视网膜色素上皮，两者都有抗血管生成和神经保护的特性。PEDF可预防氧化应激和谷氨酸兴奋性毒性〔35，36〕。生长抑素是一种内源性神经保护肽和神经递质，先前的研究发现糖尿病患者的眼结构中生长抑素减少〔37〕。IRBR由光感受器产生并参与视觉周期，研究发现IRBP水平在DR初期明显降低，视网膜神经变性与IRBP下调密切相关〔38〕。BDNF和NGF主要由胶质细胞和小胶质细胞合成和分泌，BDNF为视网膜神经元和无长突细胞提供营养支持，恢复NGF水平可预防神经元死亡的早期凋亡。VEGF是一种被广泛描述的因子，因为参与了抗凋亡信号的传递，在维持内皮细胞完整性方面具有重要作用。此外，VEGF可能具有神经保护作用，有研究发现，在大鼠中注射阻断所有VEGF亚型的抗体后，神经节细胞的剂量依赖性降低〔39〕。所有的神经营养因子和许多生长因子都负责视网膜的功能和结构图像，其对神经元分化、存活、神经突生长、突触形成和可塑性有强有力的影响〔40〕。

3 DR关键机制

由于遗传和环境的因素会导致糖尿病及胰岛素抵抗，从而引起高血糖症、氧化应激、PMNs、晚期糖基化、炎症细胞因子发挥影响，导致神经退化和微血管病。同时，谷氨酸兴奋性中毒及其引起的神经保护因子的丧失也会促使神经退化，神经退化和微血管病皆会引起神经与血管的损伤，最终导致DR。

综上，基于这些早期阶段发病机制的基础上，若能开发出更好诊断技术对疾病加以评估，在明显血管异常之前就能够发现神经变性并对症治疗，DR的诊疗也会更上一层楼。目前对糖尿病诱导的视网膜神经变性和微血管疾病之间关系的了解仍然有限，DRN可能代表糖尿病视网膜损伤的最早迹象，然而，目前临床上还没有为糖尿病患者提供神经保护治疗，我们期待治疗DR的神经保护药物更多的研发，因为DRN 早期治疗可能会减少 DR 的进展。近年来，对视网膜厚度和对无创精确评估被广泛引入临床实践，对视网膜神经功能障碍的筛查也应被临床推广，这可以对DR进行早期评估，并具有潜在的治疗意义。