糖尿病视网膜微血管病变相关信号通路及生理机制研究进展*

董志斌,胡永恒,吕旭东,李 岱**

(1．湖北科技学院医学部药学院,湖北 咸宁 437100;2．湖北科技学院第一附属医院/同济咸宁中心医院眼科)

糖尿病(diabetes mellitus,DM)是影响人类健康的重要危险因素之一,根据国际糖尿病联合会数据显示,到本世纪中叶全球糖尿病患者将达到6亿多人[1]。糖尿病为一种代谢疾病,其机制是由于胰岛B细胞分泌胰岛素不足,或体外组织细胞对胰岛素的敏感性降低,而导致血糖升高,临床表现表现为多饮、多食、多尿及体重减轻[2]。在糖尿病的发展和转归过程中,体内的一些信号通路及细胞因子在调控组织细胞增殖分化、抑制凋亡方面起到了关键作用,这些信号在调节细胞因子的蛋白质磷酸化、去磷酸化与信号转导相互作用之间的关系是复杂的。而糖尿病视网膜病变(DR)的发生及发展开始主要与微血管损伤导致毛细血管通透性增加有关,进而导致视网膜组织缺氧。此外,组织在长期缺氧条件下会促进血管内皮细胞生长因子(VEGF)表达,因此,长期慢性高血糖与组织细胞缺氧是导致视网膜微血管病变主要诱因[3]。本文主要在糖尿病视网膜微血管病变相关的信号通道、细胞因子、基因调控等方面做出综述。

1 糖尿病视网膜微血管相关的生理机制

1.1 调节视网膜相关细胞因子

糖尿病视网膜微血管病变在发病机制中与各种细胞因子有关,其中免疫细胞介导的Th1Th2细胞在免疫应答和炎症演变起到重要作用,包括内皮细胞生长因子、肿瘤坏死因子、干扰素及白细胞介素等,这些细胞因子是信号通道发挥作用的前提,可以控制不同的信号通道。

1.1.1 视网膜组织细胞免疫相关细胞因子

糖尿病视网膜微血管病变发展过程中,抗原刺激并激活早期Th0细胞,并分化为具有不同功能的亚群有效细胞。其中T细胞是构成免疫系统的主要细胞,T细胞主要介导细胞免疫应答和机体特异性自身免疫性疾病,且Th1细胞免疫发生的机制主要与IL-2、IL-8、TNF-α及干扰素-γ(IFN-γ)等细胞因子的产生有关。而Th2细胞主要调节机体体液免疫应答,产生IL-4、IL-6、IL-10等因子[4]。这些信号因子在炎性刺激下过分表达,进而引起视网膜炎症反应,从而促进视网膜炎性增生。

1.1.2 血管内皮细胞生长因子(VEGF)

在视网膜血管损伤修复中,内皮细胞生长因子起到至关重要的作用,其主要调节视网膜的微血管生长,以及促进视网膜微血管修复。但到后期,内皮生长因子过度表达,促进微血管过度生长,导致视网膜微血管增厚分支过多,从而影响视网膜微血管供血功能,是糖尿病视网膜微血管病变发生的重要机制之一。同时,内皮生长因子后期促进微血管广泛生长,也是引起视网膜脱离及玻璃体出血的重要诱因之一。

1.1.3 调节血管生长相关转化生长因子

眼组织周细胞分泌转化生长因子-β(TGF-β)常发生在DR早期,通过抑制内皮细胞失常式增殖,起到保护视网膜的作用。随着疾病的不断发展,到达DR增殖期时,TGF-β通过控制视网膜色素上皮细胞的分布,刺激新血管的形成,增强免疫功能,增加胶质细胞与细胞外粘附的程度,改善DR增殖期症状[5]。TGF-β参与细胞损伤修复存在3个重要过程:①促进炎性细胞的迁徙;②促进新生血管的形成;③对成纤维细胞(ECM)进行重构。在体外血管视网膜屏障模型中,TGF-β通过诱导ECM的重构,引起创面纤维化及收缩愈合,且在活化的TGF-β1介导的屏障损伤中也观察到了类似的血管紧张素转化酶辅助作用。

1.2 调节细胞因子及炎症相关的基因类型

1.2.1 调控血管细胞内皮生长因子相关基因

在前述中提到内皮细胞生长因子主要调控视网膜微血管生长,而人类血管内皮生长因子(VEGF)基因发现于人类染色体6p21.3,该基因是由7个内含子和8个外显子组成。研究表明[6],VEGF是属于单核苷酸多态性(SNP)的基因,因受单核苷酸多态性的影响,在5′非翻译区和启动子区域能够明显调控内皮生长因子基因翻译相关蛋白。长期慢性高血糖和细胞缺氧可能刺激VEGF蛋白表达增加,因此,目前VEGF被认为是DR的主要因素。当血管内皮生长因子被过度激活表达,视网膜色素上皮层新生血管侵入玻璃体,引起玻璃体积血,当玻璃体内部积血超过机体自行吸收能力时,玻璃体内积血机化,新生血管进一步牵拉视网膜,导致糖尿病视网膜微血管病变的发生。

1.2.2 炎症因子白介素相关基因

临床治疗糖尿病过程中,发生糖尿病视网膜病变时,大多时候会有前期血管改变,主要表现为动静脉变细并有不同程度的代谢异常,特别是视网膜细胞发生缺血缺氧情况,进而引起眼底炎症发生[7]。在糖尿病视网膜增值病变的发生发展过程中,视网膜微血管改变是一个重要的演变过程,组织细胞因子水平和不同细胞因子介导的炎症反应会发生一系列变化。在DR的进展中,白细胞介素-1(IL-1)、IL-10、白细胞介素-37(IL-37)等有着重要的意义[8]。并且,也有相关研究表明[9],在糖尿病模型中,全身多处组织基因转录检测中,非特异性免疫系统产生的抗炎细胞因子IL-10可在多个细胞中表达。这些白介素相关基因在糖尿病条件下转录和翻译增加,进而增加白介素相关蛋白表达上调,从而使DR进一步发展。

1.2.3 调控物质合成相关基因microRNA

microRNA(miRNA)被鉴定为功能性生物标志物,可用于早期发现和治疗多种疾病,特别是DR。miRNA主要是通过调控目标基因的转录和翻译表达,这样,miRNA可以调节几乎每个细胞和发育过程,包括调节本能的免疫应答和炎症。研究表明[10],microRNAs(miRNAs)对DR的病因具有重要意义,miRNA表达水平的变化可能与DR的发作和进展有关。此外,由于miRNA在检测DR严重性方面的可用性和稳定性,miRNA已成为有效的疾病标记物。

1.3 氧化应激反应

氧化应激反应是造成糖尿病视网膜损伤主要原因之一。在视网膜高糖环境下,细胞代谢异常,使得细胞主要产生能量的糖代谢途径混乱,因糖代谢异常使得线粒体产生ATP能力降低,进而使得细胞活性氧ROS产生增加,活性氧ROS反过来抑制正常细胞生长,最终在氧化应激反应下,视网膜细胞不同程度发生死亡[11]。高血糖的发病机制与多因素有关,包括线粒体产能异常、糖基化产物堆积、多种蛋白激酶C活化、多元醇代谢等。高血糖对细胞和组织有明显的影响,在高糖环境下,糖化血红蛋白在机体血管内占总血红蛋白增加,使得血红蛋白携带氧气能力下降,导致氧气不能传递进入机体组织细胞,红细胞无氧氧化产生2,3-二磷酸减少,削弱红细胞的氧输送能力,且毛细血管底膜增厚,血管管腔狭窄进一步导致组织慢性缺血缺氧,最终造成组织损伤。在视网膜炎性反应中,炎性细胞因子被激活,组织糖代谢异常及线粒体功能损伤,机体产生能量不足,进而产生过量活性氧ROS,导致视网膜组织氧化损伤,最终引起视网膜微血管改变及视网膜脱离[12]。

2 糖尿病视网膜微血管病变相关的信号通道

2.1 调节视网膜微血管代谢相关的信号通道

丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)是一种重要的信号调节酶,广泛分布于细胞中,与细胞膜表面受体结合并决定基因表达。而蛋白激酶C(PKC)能够收集不同细胞外刺激所发出的信息传递,且PKC通过Ras的机制激活MAPK,从而形成PKC-MAPK级联反应,最终调控细胞生长、分化。JAKs信号通道和STAT是也可以形成一条细胞内的信号转导途径,当JAK接收上游细胞信号并发生激活时,JAK-STAT形成联合信号,使得STAT发生络氨酸磷酸化形成二聚体,同时该信号通路也是HIF-1和VEGF表达所必需的信号通道[13]。DR中低氧活化还原型辅酶Ⅱ释放活性氧簇触发JAK2-STAT3途径,增强VEGF表达,导致玻璃体新生血管的形成[14]。HIF-1是一种低氧诱导因子,只在特定的低氧条件下才进行应答,而在高氧环境下表达水平极低,因此,在高糖环境下能够明显提高HIF-1诱导基因的表达水平。PI3K/Akt是一类广泛存在于细胞质中可受细胞因子等激活,参与细胞分化和抑制凋亡的信号转导途径,缺氧条件时,可通过PI3K/Akt信号通道,激活核因子NF-κB,其p50和p65亚基可能与HIF-1α启动子结合,进而使HIF-1αmRNA表达增加[15]。而PKC、PI3K/Akt及MAPK信号通道则为调控HIF-1α转录所必需,同时,PKC和PI3K/Akt可在上游调控MAPK(包括p44/p42MAPK和SAPK/JNK)信号通路[16]。以上所述的信号通道在基因表达、细胞增殖、促进凋亡和调节其他细胞中发挥重要作用,与眼病、神经疾病、肿瘤疾病及代谢系统疾病等密切相关。

2.2 糖尿病视网膜微血管病变离子型相关信号通道

2.2.1 钾离子信号通道

钾离子信号通道存在于大多数的细胞类型中,是细胞完成信号传递、产生电信号的基础,是稳定细胞内外环境稳定的重要离子通道。钾信号的通道是分布广泛的离子通道,它允许细胞选择性地使钾(K+)沿着电化学梯度穿过细胞膜。钾通道能够参与调节激素分泌、维持血管张力和调节心肌细胞活动,其中Kir 4．1是Müller细胞上承担排水功能的主要通道蛋白,通过调节K+的跨膜转运来起到排水的作用:正常状态下,神经组织兴奋产生的K+、组织代谢产生的水,均释放到组织间隙内;K+内流进入到Müller细胞内,细胞内的K+会刺激Kir 4．1通道,主动的将K+排至毛细血管内,同时,随着K+的外流,水再次自细胞内流到血管内,从而完成一整套神经视网膜内的排水过程。当钾离子通道功能异常时,细胞内外浓度失平衡导致细胞内外渗透压改变,最终导致视网膜黄斑水肿的发生。

2.2.2 钠离子信号通道

钠离子信号通道允许钠离子(Na+)沿着电化学梯度进入人体细胞,其本质是一种内部膜蛋白。为了传播动作电位需要打开钠通道使细胞去极化。当细胞受到刺激时,钠离子信号通道打开,形成动作电位,膜电位迅速增长,极化消除。膜电位的去极化还导致钾通道和钙通道的开放,进而使动作电位复极化。因此,Na+通道在维持视网膜细胞的兴奋性和正常生理功能方面起着重要作用。

2.2.3 钙离子信号通道

Ca2+信号通道主要参与神经信号传递的调节,且钙离子信号通道主要可分为L型、R型、T型等。其中L型和T型存在于心血管和中枢神经系统中,主要参与神经信号的传递,其他类型主要分布于神经元。在DR发病初期,视网膜动脉血管内离子通道的异常改变是导致其异常收缩、血流动力学紊乱的主要原因之一[17],其中视网膜血管平滑肌细胞大电导钙离子激活钾离子(large conductance Ca2+-acti-vated K+channel,BK)通道的改变尤为重要。糖尿病发展过程中视网膜动脉平滑肌细胞内钙离子浓度的变化,反映BK通道功能的改变。钙离子信号通路发生异常时,直接导致视网膜微血管异常收缩及血流动力学发生改变,也是导致视网膜血管阻塞主要的诱因。

2.2.4 糖尿病视网膜微血管病变相关的特殊类型信号通道

糖尿病视网膜微血管病变存在一些特殊信号通道,这些通道受基因、细胞因子、酶代谢、氧化应激及各种离子受体等调控。NF-κB信号通道是一种广泛存在于真核细胞中的多向转录因子,它参与人体内的多种生物过程,并调节多种细胞因子、生化因子、酶和其他基因的表达。研究表明[18],NF-κB信号通路是糖尿病视网膜病变的主要分解代谢通路之一,调节各种细胞因子、生物酶代谢。当NF-κB等通路被过度激活时,可诱导IL-1β、TNF-α炎性因子的高表达,进而导致炎性反应发生。另外,NF-κB通道也是人体一种重要的信号通道,在糖尿病视网膜病微血管变中,主要是调节视网膜细胞的代谢信号通道,促进视网膜各种细胞的修复,但在过度刺激下,该通道也会使微血管过度增生从而影响视网膜功能[19]。此外,PTEN/PI3K/AKT通路是主要调节神经元凋亡的因素,PTEN可以对PI3K/AKT信号通路产生负性调控,促进神经元细胞凋亡[20]。而Ras/mapk通路在介导糖尿病增值性视网膜病变中,能够导致微血管的广泛扩散和血管通透性的增加,从而导致视网膜微血管增生及渗出性病变。这些信号通路在激活的状态下能够加速视网膜微血管内皮细胞代谢,血管内皮生长因子相互作用,共同介导微血管内皮细胞的迁移、存活,诱导新生血管形成,是一种促存活信号通路。

3 小 结

DR是一种复杂且与机体内分泌异常相关的疾病,严重影响我国广大糖尿病患者的视力,这是引起患者中度至重度视力障碍的主要原因。此外,糖尿病视网膜微血管病变是属于糖尿病视网膜病变常见并发症,也是临床上最为常见的病理变化。当糖尿病患者发生视力功能障碍时,一般多为眼底视网膜变化,且多发生在黄斑水肿及视网膜脱离的患者[21]。糖尿病视网膜微血管病变与各种信号通道密切相关,其中包括NF-κB、PTEN/PI3K/AKT、JAK-STAT死亡信号通路,Na+、Ca2+及K+等离子通道,VGEF、TGF-β等细胞因子,MiRNA基因调控等。通过此篇综述可以了解到,这些信号通道、细胞因子、基因调控及氧化应激等能够作为医学人员研究的重点方向,在研究药物对糖尿病视网膜微血管病变的发病机制具有促进还是抑制作用,及研究相关的信号通路及生理机制。后续DR研究人员只有不断的深入了解糖尿病视网膜微血管病变机制,提高对糖尿病视网膜病变的认识和了解,才能更好地揭示DR的致病性,为预测DR发展提供了新思路,也为DR提供了新的有效诊断指标和治疗方法。