Lumican 在眼科疾病中表达及作用的相关研究进展*

郭洋辰，桑爱民*

（南通大学附属医院眼科，南通 226001）

1 Lumican 简介

正常眼球的细胞外基质对眼球的结构、稳态和功能至关重要[1]。富含亮氨酸重复序列的小分子蛋白聚糖（small leucine rich repeat proteoglycans,SLRPs）家族是细胞外基质的重要组成成分。SLPRs 在细胞增殖、迁移以及调节生长因子的活性等方面发挥着重要作用[2]。属于SLRPs 相关家族成员之一的lumican，是一种主要富含硫酸角质素的聚膜蛋白[3]。Lumican 基因定位在染色体12q21.3-q22 上。它是由4 个结构域组成，即：（1）1 个信号肽；（2）1 个带负电荷的N-末端结构域；（3）串联富含亮氨酸的重复序列；（4）1 个羧基末端长度为50 个氨基酸残基，其中1 个二硫键连接的半胱氨酸残基相隔32 个残基[4]。Lumican 最初是在角膜基质中被发现，并因其有助于角膜透明而被命名为光蛋白聚糖。接着，越来越多的研究[2]表明，在其他组织包括主动脉、关节软骨、肌肉、肠道、肾和肺中，lumican 都发挥着重要的作用。研究[5]表明，在眼睛中，lumican 在角膜、巩膜、小梁网、虹膜、晶状体、人类神经感觉视网膜、视网膜血细胞、Bruch 膜、脉络膜和巩膜中都有不同程度的表达。在不同的地方，lumican 的作用大不相同。

2 Lumican 与炎症性眼病

Lumican 已被证明与调节Toll 样受体4（Tolllike receptor 4,TLR4）信号有关[6]。Lumican 与脂多糖（lipopolysaccharides,LPS）和TLR4 结合，并与CD14共沉淀，从而进一步促进NF-κB 的表达，因而最终产生一系列的炎症反应[3]。此外，lumican 通过促进Fas-Fas 配体介导的细胞凋亡来抑制细胞增殖，在从固有免疫系统（即中性粒细胞和巨噬细胞）募集细胞方面发挥作用，并且与趋化因子和LPS 结合[7]。因此，可以从lumican 这一基因层面遏制上下游的炎症通路，从而有效地靶向控制早期眼内炎症，遏制其后期的进展。

2.1 Lumican 与角膜炎 在角膜中，lumican 通过调节胶原纤维生成、促进角膜上皮伤口愈合、调节基因表达和维持角膜稳态来维持角膜透明度。研究[8]表明，NF-κB 通路参与IL-1β 诱导的角膜细胞表型变化，从而显著下调角质细胞标志物（keratocan、lumican、Aldh3a1 和CD34）的基因和蛋白质表达水平，在体外诱导角质细胞表型变化。此外，X.Y.YUAN 等[9]在研究实验性真菌性角膜炎中富含亮氨酸的小蛋白多糖的表达时发现，真菌性角膜炎发作时，lumican、纤维调节蛋白、骨调节蛋白、角质素、骨甘氨酸、双糖链蛋白聚糖、阿斯孢菌素和软骨黏连蛋白的基因显著下调（P<0.01）。这表明在白色念珠菌角膜炎的初始阶段，角蛋白聚糖和其他蛋白聚糖的转录水平降低，提示lumican 的改变可能导致角膜感染的急性炎症反应。先前的研究[3]已经证实lumican 可以募集多核中性粒细胞（polymorphonuclear neutrophils,PMNs）。Y.HAYASHI 等[10]探讨了lumican 在清创后角膜上皮愈合的早期炎症阶段中PMN 外渗过程中的作用，他们使用了Lum-／-小鼠和一种新型转基因小鼠Lum-／-，Kera-Lum。这种新型转基因小鼠仅在角膜基质中表达lumican，可以很好地评估lumican 在PMN 外渗到受伤角膜中的作用。该研究结果表明，PMN 不容易侵入Lum-／-小鼠受损的角膜，而lumican 在Lum-／-，Kera-Lum 小鼠角膜中的表达可以挽救这种缺陷。此外，在酪蛋白诱导的炎症中，原位lumican 的存在有助于PMN 浸润到腹膜腔中，这证明了lumican 有助于角膜损伤和炎症后的中性粒细胞募集和侵袭。鉴于PMN 募集在角膜炎症反应中至关重要，lumican可能在感染性和非感染性角膜炎的发病机制中发挥积极作用。E.C.CARLSON 等[11]在LPS 诱导的角膜炎小鼠模型中，与野生型小鼠相比，Lum-／-小鼠在LPS刺激下角膜厚度增加的幅度更小。与Kera-／-和野生型相比，Lum-／-小鼠的角膜雾状混浊也增加。在注射LPS 6 h 和24 h 后，与其他组别小鼠相比，Lum-／-小鼠的中性粒细胞迁移缺陷最严重。他们在另一项研究[12]中发现，CXCL1 趋化因子在角膜炎症过程中与lumican 和keratocan 结合，这可能在产生趋化因子梯度中发挥作用，对细胞从血管系统迁移到组织损伤部位至关重要。

2.2 Lumican 与葡萄膜炎 研究[4]表明lumican 存在于虹膜中，提示lumican 可能在前葡萄膜中招募炎症细胞和促进TLR 介导的免疫反应中有类似的作用。在幼年特发性关节炎相关葡萄膜炎血管生成相关参数[13]的评估中，lumican 与血管生成相关，并且在蛋白质印迹分析中表达增加。因此，在临床上与常用的皮质类固醇相比，开发阻断lumican 与TLR 受体结合的药物可能是减少葡萄膜炎的更有针对性的方法。

3 Lumican 与创伤愈合

Lumican 参与炎症细胞的外渗和血管生成，这些对基质伤口的愈合至关重要[14]。T.F.GESTEIRA等[15]发现一种由lumican 的13 个C 末端氨基酸（LumC13）设计的肽与ALK5／TGFBR1 结合以促进伤口愈合，他们进一步评估了这种合成C 末端的两亲肽（LumC13）与ALK5 结合的机制。将LumC13 衍生物在体外和体内进行了测试，分别评估它们促进角膜上皮细胞迁移和角膜伤口愈合的能力，结果验证了LumC13 对角膜上皮清创愈合的促进作用。E.C.CARLSON 等[16]发现lumican缺失小鼠表现出胶原纤维组织的改变和角膜透明度的丧失。N.VIJ 等[7]发现，Lum-／--小鼠损伤的角膜中caspase-3／7 活性（细胞凋亡）显著降低，并且表现出伤口的愈合延迟，巨噬细胞和中性粒细胞募集减少，髓过氧化物酶水平降低，且没有诱导促炎细胞因子TNF-α 和IL-1β 的表达。与Lum+／+小鼠损伤的角膜相比，Lum-／-小鼠损伤前后的Fas 蛋白水平显著降低，表明lumican 在介导Fas-Fas 配体相互作用，且在细胞凋亡中发挥重要作用。在新生血管的生成中，lumican 也同样起到至关重要的作用。M.BARBARIGA 等[1]在研究细胞外基质在小鼠和人角膜新生血管（corneal neovascularization,CNV）中的作用时，他们鉴定和定量了2 315 个小鼠蛋白和691 个人蛋白，验证了5 个在小鼠和人血管化标本中差异表达的蛋白，最终发现Tenascin-C 和Fibronectin-1 在CNV 样本中表达上调，而decorin、lumican 和collagen-Ⅵ在CNV 样本中表达下调，这表明lumican 的增高促进了CNV 的产生，但在CNV 中的具体作用和机制还需进一步深入研究。

目前临床治疗角膜严重损伤，除了角膜移植外均缺少有效且彻底的方法。然而，角膜移植又由于供体的缺乏大大限制了其应用。已有研究[17]表明，将人类角膜基质干细胞与精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸表面耦合图案丝膜相结合，可以培养出富含lumican 这种角膜特异性细胞外基质成分，成功开发了高度有序的基于胶原原纤维的角膜再生和角膜基质组织修复结构。还有研究[18]发现，牙周韧带可以分化成含有丰富lumican 的角膜基质角膜细胞样细胞。以上研究都证明了lumican 在为开发用于角膜再生和角膜基质组织修复的高度有序的基于胶原原纤维的构建体提供了强大的依据，所以lumican 可能为角膜基质的再生和修复提供一个广阔的前景。

4 Lumican 与白内障

Lumican 与白内障的形成及其手术并发症有关。在先天性单侧白内障伴前玻璃体晶状体界面发育不全患儿的后囊膜斑块的蛋白质组学中发现，在间充质组织中含有大量的lumican 蛋白[19]。众所周知，白内障摘除引起的晶状体上皮细胞损伤，从而导致后囊膜浑浊（posterior capsule opacity,PCO）。临床上，PCO 是白内障术后视力丧失的常见原因。上述研究表明了lumican 在PCO 和前囊下白内障中聚集。在损伤诱导的上皮-间充质转化过程中，lumican 在细胞分化中起着重要作用，这可能是PCO 发生的机制之一。此外，TGF-β 在PCO 的发展中起很重要的作用。Smad3 是传递TGF-β 信号所需的磷酸化受体激活的Smad。F.L.MENG 等[20]的研究发现，与野生型小鼠相比，Smad3-KO 小鼠的晶状体上皮中lumican表达水平较低。在白内障术后，lumican 可能是通过Smad3 信号通路，诱导晶状体上皮的间充质转化，从而导致PCO 的形成。因此，阻断lumican 可以为降低白内障术后患者发生PCO 的风险提供基础实验依据。在临床上值得考虑将lumican 作为减少现代白内障术后并发症的一个重要药物预防和治疗靶点。

5 Lumican 与青光眼

免疫组织化学分析[21]显示，人小梁网（trabecular meshwork,TM）中lumican 呈弱阳性染色。S.DISKIN等[22]研究显示，原发性开角型青光眼（primary open angle glaucoma,POAG）患者和正常人的TM 具有不同的基因表达谱，在阵列上的2 001 个基因中，19 个基因在POAG 中的差异表达超过1.4 倍。与正常眼相比，POAG 的TM 中，lumican 的表达是正常眼的2倍以上。与正常患者的血清样本对比，POAG 患者血清样本中lumican 的基因表达升高，且与血管的生成也有一定的关系[13]。因此，在临床上可以通过血清样本检测lumican，从而对POAG 患者进行早期确诊。尽管lumican 影响房水流出[4]的机制目前尚未明确，但有理由推测lumican 与房水流出阻力的维持和调节有关。

6 Lumican 与视网膜疾病

在新生小鼠视网膜中，随着光刺激的增加，lumican 的表达量随之增加。在光照射后的3 d 内，其水平增加了150 倍以上，主要位于小鼠视网膜的神经节细胞层、内从状层、内核层和外从状层[23]。并且，lumican 的积累与视网膜神经节细胞损失有一定的相关性。然而，目前尚不清楚lumican 是否作为调节因子导致视网膜神经节细胞的异常或丢失。动物实验研究[24]发现，中波紫外线（ultraviolet B-rays,UVB）照射大鼠视网膜后lumican 的表达明显降低，这提示lumican 的表达减少与光间受体基质（interphotoreceptor matrix,IPM）的结构完整性和功能受损有关。因此，lumican 也被鉴定为与IPM 破坏相关的紫外线光毒性生物标志物。Lumican 基因敲除小鼠双眼容易出现视网膜脱离，这可能是由于眼轴长度增加所致。Lumican 还是一种潜在的水性生物标志物，可用于预测特发性视网膜前膜的发展并监测其进展[25]。以上的临床和动物实验都表明了lumican 对视网膜结构和功能的维持具有重要作用。在临床上，对于特定的视网膜疾病（例如特发性视网膜前膜）有早期的诊断和监测进展的作用。

7 Lumican 与病理性近视

目前，我国近视人数逐年提升，且近视人员逐渐低龄化，因此，探索预防和治疗近视的新方法尤为重要。而人类基因多态性的遗传学研究支持了lumican在近视中的重要作用。Lumican 是巩膜的关键成分，Lum 基因缺失会影响巩膜的结构完整性。Lumican基因调控区域的单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphism,SNP）与人类病理性近视相关。G.F.WANG 等[26]调查了华南人群Lum 基因与高度近视的相关性，该研究鉴定出Lum 基因的3 个SNP：Lum c.32（rs577456426）、Lum c.507（rs17853500）和Lum c.849（rs181915277）。3 个SNP 中，rs17853500的基因型和等位基因频率在患者和对照组之间差异有统 计学意义（P<0.05），但两组间rs181915277 和rs577456426 差异无统计学意义（P＞0.05）。因此得出Lum c.507 多态性可能是华南人群高度近视发病的危险因素这一结论。Z.J.DENG 等[27]对中国人群lumican 启动子多态性与高度近视的关联性进行了Meta 分析，结果表明中国lumican rs3759223 C 等位基因携带者与T 等位基因携带者相比，高度近视的风险降低（优势比：0.531，95%CI：0.304～0.925，P=0.025）；对照者平均眼轴长度减弱rs3759223 对高度近视的影响（斜率：-0.914，95%CI：-1.490～0.337，P=0.002）。因此，在中国人中lumican rs3759223 C 等位基因携带者可能降低高度近视的风险。另一项Meta 分析[28]表明，lumican-1554T／C 多态性可能与高度近视易感性中度相关。在动物实验中，M.Y.LIN 等[29]研究出一种新的近视眼造模方法。主要是针对斑马鱼lumican基因的药物吗啉代，注射到单细胞斑马鱼胚胎中，导致巩膜过度扩张，最终形成近视。

Lumican 基因在近视的发病机制中也发挥重要的作用。吕晓彤等[30]研究发现，lumican 突变（c.596T＞C）增加了人巩膜成纤维细胞中碱性成纤维细胞生长因子（basic fibroblast growth factor,bFGF）和TGF-β2的表达，说明lumican 突变（c.596T＞C）可能通过调节bFGF 和TGF-β2 参与近视过程中的巩膜重构，并改变了巩膜细胞外基质的代谢。Lumican 在维持巩膜生物力学特性方面发挥着重要作用。J.S.WU 等[31]发现，lumican 通过调节组织金属蛋白酶抑制剂2、基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinase,MMP）-2 和MMP-14 的过表达，从而促进巩膜成纤维细胞凋亡，最终导致近视。还有研究[32]表明，lumican 也可能与纤维调蛋白密切相关。同时敲除lumican 和纤维调节蛋白的小鼠（Lum-／-Fmod-／-），其眼睛显示出高度近视的某些特征：眼轴长度增加、巩膜变薄和视网膜脱离。对于有高度近视风险的患者，应用柔性合成lumican 可以恢复角膜瘢痕，甚至可以限制近视的进展。因此，了解lumican 在病理性近视中所扮演的角色，在临床上有助于探索预防和治疗近视的新方法。

8 Lumican 的总结和展望

Lumican 在角膜、巩膜、虹膜、晶状体、小梁网、人类神经感觉视网膜、视网膜血细胞、Bruch 膜、脉络膜中均有表达[3,33]。目前临床上对与lumican 的研究主要体现在：lumican 可以维持角膜清晰度；lumican 促进角膜基质的再生和修复，可以作为一种新型的植入材料，很好地弥补角膜移植供体不足的缺陷；在炎症性眼病中，对炎症的进展发挥重要作用；对于原发性开角型青光眼，可以血清检测lumican进行疾病的早期诊断；通过调节房水的流出，从而可以控制青光眼的进展；白内障术后控制lumican 的表达，还可以降低术后并发症；lumican 对巩膜的结构完整性至关重要，因此它与视网膜脱离和人类高度近视高度相关。此外在细胞层面，lumican 可以作为多种细胞过程的调节分子，包括细胞增殖和迁移。但目前对于lumican 的研究主要还是局限在眼前节，对眼后段疾病方面的作用机制还有待深入研究。在其他疾病方面lumican 也发挥重要的作用，例如，lumican 在人骨骼健康[34]、肿瘤[35-37]、妇产科[38]等领域有一定的研究。滑膜囊内注射lumican 可以有效地控制骨性炎症的进展[34]；在肿瘤的发生发展方面，lumican 对不同的肿瘤组织中新生血管生成和抑制[36]有一定的治疗作用；lumican 还是胶质母细胞瘤的预后标志物[37]等。但其在眼科中的关于一些新生血管类疾病（例如角膜、视网膜、脉络膜等新生血管相关性疾病）还有待进一步的探索和研究。鉴于lumican在各种不同的眼科疾病中不同作用和机制，因此对其进一步研究在临床上可能为不同的眼科疾病提供新的诊断指标和药物治疗靶点。