糖尿病视网膜病变的病理生理学研究进展

冯晓彤 柯 静 朱 琳 赵 冬

(首都医科大学附属北京潞河医院内分泌代谢与免疫性疾病中心 糖尿病防治研究北京市重点实验室, 北京 101149)

糖尿病视网膜病变(diabetic retinopathy, DR)是糖尿病最常见的慢性并发症之一。据统计,2017年全球20～79岁人群中有4.25亿人患有糖尿病,预计到2045年糖尿病患者将增加到6.29亿,与此同时DR患病人数也将随之增加[1]。研究[2-3]显示,DR是导致亚太地区中老年群体新发失明的主要病因,全球约51%的DR致盲患者来自亚太地区。2017年美国糖尿病协会对DR分级进行了详细的描述,大致可以分为4个阶段,分别为轻度、中度、重度非增殖期DR和增殖期DR。在疾病的早期阶段,由于视网膜血流的改变、血管通透性增加、基膜增厚、周细胞缺失等,导致微血管瘤、静脉串珠、视网膜微血管异常等病理改变,此阶段又可分为轻度、中度和重度非增殖性DR阶段。随着缺血的增加,视网膜分泌生长因子导致视网膜内表面血管的增殖,甚至侵入玻璃体,新生血管比较脆弱,更加容易泄漏以及破坏,导致玻璃体内出血,甚至导致视网膜脱落[4-5]。

神经血管单元(neurovascular unit, NVU)是由视网膜血管内皮细胞、周细胞、胶质细胞(星型胶质细胞和Müller细胞)等多种细胞构成的复合体。NVU 结构及功能的完整性是维持内环境稳态的基础,除此之外,NVU 有调整局部血流,满足视网膜功能及代谢需求的作用。NVU损害是DR的早期阶段,也是DR进展的关键环节[6]。

1 血管内皮细胞结构和功能受损

在DR进展过程中,血管内皮细胞的损伤、凋亡、异常增殖,以及细胞连接的破坏是导致血-视网膜屏障功能异常的重要原因。

1.1 视网膜微血管内皮细胞的损伤和凋亡

在DR中,血管内皮细胞的损伤及凋亡是导致血-视网膜屏障功能异常的一个重要原因[7]。氧化应激、炎症反应、内皮细胞增殖障碍及衰老是视网膜内皮细胞损伤和凋亡的发生机制。首先,氧化应激在DR的发病机制中起着重要的作用,持续高糖刺激导致糖基化终产物(advanced glycation end products, AGEs)积聚,进一步导致活性氧(reactive oxygen species, ROS)的产生,ROS的持续产生导致视网膜内皮细胞的凋亡[8]。其次,在DR中,视网膜血管内皮细胞表面的糖萼、白细胞黏附分子、血小板内皮黏附分子等的含量发生改变,从而导致血管通透性增加、白细胞黏附增加,导致内皮细胞更易黏附白细胞,炎症反应增加,进而导致损伤和凋亡,而内皮细胞的死亡导致无细胞毛细血管的形成,即所谓的血管退化,从而导致DR中的进展性缺血[7]。另有临床研究[9]表明,在一次富含AGE的饮食后,无论糖尿病患者还是非糖尿病患者,均观察到内皮细胞功能发生改变。一项研究[10]中测定了55例接受玻璃体切除治疗的增殖期DR患者的玻璃体中可溶性细胞内皮黏附分子-1(soluble intercellular adhesion molecules-1, sICAM-1), 可溶性血管内皮细胞黏附因子-1(soluble vascular endothelial cell adhesion factor-1, sVCAM-1)和可溶性E-选择素的表达水平,结果表明增殖期DR患者玻璃体中这3种分子的表达量均高于对照组。在糖尿病小鼠模型中也可观察到内皮细胞的凋亡和无细胞毛细血管的形成[11]。

1.2 血管内皮细胞间细胞连接的破坏

血管内皮细胞连接是由紧密连接、黏附物连接和间隙连接组成的复合物。细胞连接除了发挥细胞与细胞间黏附作用外,还发挥调节内皮细胞生长、细胞存活、维持细胞极性及通透性的作用。病理状态下,紧密连接蛋白的破坏会导致内皮细胞通透性增加。同时,紧密连接mRNA和蛋白表达下调是血视网膜屏障破坏的主要机制之一。在高糖、高脂饮食的2型糖尿病小鼠模型中,增加胰高血糖素样肽-1(glucagon-likepeptide-1, GLP-1)受体表达可增加紧密连接蛋白紧密连接蛋白-1(zonula occludens-1,ZO-1)的表达,进而改善血管渗漏和视网膜屏障功能[12]。另有研究[13]表明,一种基于寡核苷酸的药物CD5-2也通过增加内皮细胞中血管内皮钙黏蛋白(vascular endothelial cadherin,VE-cadherin)的表达维持血-视网膜屏障的完整。

2 内皮细胞-周细胞改变及机制

周细胞是中胚层起源的特殊的可收缩间充质细胞,周细胞紧贴内皮细胞并与内皮细胞共用一层基底膜,可调节血管张力和灌注压[14]。周细胞一方面对血管壁起到机械性的支撑作用,另一方面通过分泌信号与细胞-细胞间直接接触的方式,完成与视网膜微血管内皮细胞的交流,以此来维持血管壁的完整性[15]。在视网膜中,周细胞与内皮细胞比例为1∶1,这个比例要大于血-脑脊液屏障中1∶3的比例,说明周细胞对血-视网膜屏障的结构及功能的完整性至关重要[16]。

2.1 周细胞功能异常及丢失

周细胞功能异常及丢失是DR早期的病理改变之一,周细胞的功能改变早于周细胞的丢失,主要表现在周细胞对毛细血管直径和舒缩反应的控制受到了影响[17]。周细胞的迁移可导致周细胞丢失增加[18]。高糖环境中,周细胞从原始血管上的迁移导致周细胞的凋亡及丢失,随后周细胞的丢失会破坏血-视网膜屏障的完整性,改变血管的通透性。一项动物研究[19]表明,在非糖尿病小鼠视网膜中,周细胞的刺激能产生明显的血管舒缩反应,而在糖尿病小鼠视网膜中血管的舒缩反应减弱,周细胞在局部精细调节毛细血管直径方面发挥重要作用。在 XLacZ 小鼠模型中,高血糖状态提高了周细胞的迁移数量,周细胞对毛细血管的黏附减少,数量减少[20]。

2.2 周细胞-内皮细胞相互交流的破坏

周细胞-内皮细胞的相互交流对血管神经单元的完整性及功能至关重要。研究[21]表明一些旁分泌和自分泌信号通路对周细胞-内皮细胞交流的调节发挥重要作用,例如血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)、血小板源性生长因子亚单位B(platelet-derived growth factor subunit B, PDGFB)、血管生成素样蛋白(angiopoietin)、转化生长因子-β(transforming growth factor-beta, TGF-β)等,其中PDGFR-PDGFRβ信号通路为发育中的血管募集周细胞。在DR中,血管生成素样蛋白2(angiopoietin 2)的表达上调,可影响PDGFB刺激通路,从而影响周细胞的招募,导致病理性血管的生成[22]。同时,周细胞通过VEGF信号通路调节内皮细胞在视网膜血管生成中的增殖和发芽,另有动物实验[23]也表明,VEGF受体缺失的小鼠存在内皮细胞出芽缺陷,以上均提示内皮细胞和周细胞的相互作用对于维持视网膜的正常结构和功能具有重要的意义。

3 神经细胞结构和功能的改变

视网膜NVU的胶质细胞包括小胶质细胞(microglia)和两种大胶质细胞(星型胶质细胞和Müller细胞)[24]。小胶质细胞是驻留在视网膜中的特殊的单核巨噬细胞,在DR中,激活的小胶质细胞释放促炎症介质,包括细胞因子、半胱天冬酶和谷氨酸等,在初始的有害刺激下,小胶质细胞可以维持促炎因子和抗炎因子的平衡,当有害刺激持续存在时,这种平衡就会打破而达到一种促炎因子占主导的状态,除此之外,激活的小胶质细胞还会促进血管内皮细胞增殖、迁移及通透性改变[25-26],而炎症因子可进一步导致小胶质细胞增殖,形成恶性循环[27]。

4 结语

NVU 的损害是 DR发生和发展的关键环节[6],包括内皮细胞损伤、凋亡及内皮细胞间紧密连接的破坏、周细胞的丢失、内皮细胞-周细胞相互作用的破坏等,目前对于DR 的病理生理学机制还存在很多未知的领域,DR的治疗手段也仍然非常有限,目前主要针对重度非增殖期和增殖期病变进行治疗,缺乏早期的防治手段,因此明确DR的病理生理过程有助于寻找早期防治的靶点和手段。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突。

作者贡献声明冯晓彤、朱琳:资料查阅和收集,撰写论文;柯静:制定论文方案,撰写和修订论文;赵冬:提出文章思路,总体把关,审定论文。