S1P信号通路在眼部疾病的研究进展

夏敏 综述 薛劲松 蒋沁 审校

南京医科大学附属眼科医院,南京 210029

鞘脂代谢广泛参与不同细胞的功能调控,其产生的一些新型脂质产物具有生物学活性,可以作为信号分子调节多种信号通路,诱导细胞分化、迁移和凋亡等过程[1-2]。鞘脂代谢在眼组织中也起重要作用,参与氧化应激和炎症反应,影响细胞器的功能,从而影响糖尿病性视网膜病变(diabetic retinopathy,DR)、年龄相关性黄斑变性(age-related macular degeneration,AMD)、白内障、青光眼和干眼等眼部疾病的发展[1,3-4]。鞘脂代谢产物主要包括鞘磷脂、神经酰胺(ceramide,Cer)、鞘氨醇(sphingosine,Sph)和1-磷酸鞘氨醇(sphingosine-1-phosphate,S1P)。其中S1P是鞘脂代谢的终末产物,其最初被发现是生物膜中的一种脂质成分[5]。目前已证实S1P可作为配体由血小板、红细胞和内皮细胞等分泌至血浆中,其主要与血浆蛋白结合,很少以游离形式存在[6-7]。S1P及其受体(S1P receptors,S1PRs)在体内分布广泛,参与多个系统疾病的发生和发展,包括心血管、免疫和神经系统等,并与细胞增生、迁移、分化、血管生成和纤维化等生物学过程相关[8]。近年来,越来越多的研究发现S1P信号通路在眼科疾病的发生和发展中起重要的作用。本文就S1P信号通路在眼内的生理病理作用进行系统综述。

1 S1P信号通路的基本概况

1.1 S1P的生成和降解

S1P的表达水平由其生成与降解系统共同维持。该调控系统由鞘氨醇激酶(sphingosine kinase,SphK)、S1P磷酸酶和S1P裂解酶构成,SphK包括SphK1和SphK2。SphK1在胞质内参与合成S1P;SphK2在胞核内抑制组蛋白去乙酰化酶,参与鞘脂代谢基因的表达调控[9]。研究表明当SphK受到信号刺激时,Cer在神经酰胺酶的脱酰基作用下生成Sph,随后,SphK能够使Sph的1-羟基发生磷酸化,从而生成S1P;生成的S1P通过S1P转运体(spinster homolog 2,SPNS2)或ABC家族转运蛋白从细胞膜分泌,并由载脂蛋白M(apolipoprotein M,ApoM)、白蛋白等伴侣蛋白运输到受体细胞上与S1PR结合发挥作用;当刺激信号消失时,S1P在S1P磷酸酶的脱磷酸作用下重新生成Sph,或在S1P裂解酶的作用下被降解,最终被分解为十六碳烯醛和乙醇胺磷酸盐[10-11]。

1.2 S1P信号通路及其生物学作用

S1P主要通过与S1PRs相互作用发挥生物学效应。S1PRs属于G蛋白偶联受体,包括S1PR1～S1PR5,这些具有高亲和力的S1PRs与由异三聚体G蛋白、Rho家族小鸟苷三磷酸酶和蛋白激酶Akt等控制的关键细胞内信号通路结合,产生不同的作用[12]。S1P以远距分泌、旁分泌或自分泌的方式作用于细胞,进而与特异性S1PRs结合,激活下游信号通路[13]。除了细胞外作用,有研究表明S1P还作为第二信使在细胞内发挥作用,如结合并调节肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)受体相关因子2和非典型蛋白激酶C,进而影响细胞内信号通路[14-15],但其作用机制尚不清楚。S1PR1是胚胎发育所需的溶血磷脂受体,影响血管和神经系统的发育,在淋巴细胞以及其他造血细胞的运输中起主要作用[16];S1PR2在血管发育中与S1PR1协同作用,其在氧诱导的视网膜病变(oxygen-induced retinopathy,OIR)中促进小鼠视网膜病理性血管生成并延缓正常血管生成,且与伤口愈合以及纤维化进程相关[16-17];S1PR3可以调节淋巴样内皮细胞的代谢,影响内皮祖细胞发育,调节心脏灌注,进一步影响血管舒张和心脏纤维化进程[17-18];S1PR4主要在淋巴组织中表达,通过抑制白细胞迁移和效应细胞因子的分泌介导S1P的免疫抑制作用[19];S1PR5主要分布于脑和脾组织,参与自然杀伤细胞的运输[12]。综上所述,S1P信号通路广泛参与各系统疾病的发生和发展。

2 S1P信号通路与眼部发育

2.1 S1P信号通路与眼部神经发育

2.1.1S1P信号通路在视网膜感光细胞发育中的作用 S1P信号通路可以影响视网膜感光细胞的发育。Miranda等[20]首次发现S1P可以促进感光细胞祖细胞(retinal progenitor cell,RPC)的增生和分化,并迅速增强感光细胞上视蛋白的表达和定位。另有研究表明,SPNS2通过下调视觉系统促发育分子N-cadherin/b-catenin的表达抑制RPC的过度增生,从而促进RPC分化,进一步抑制S1PR3导致的感光细胞极性丧失,提示S1P信号通路与感光细胞的发育密切相关[21]。

2.1.2S1P信号通路在轴突引导中的作用 在视神经交叉中线,一些轴突引导分子诱导视网膜神经节细胞(retinal ganglion cell,RGC)生长锥朝固定方向塌陷,使轴突沿相反路径向指定目标生长,从而形成正确的轴突通路,这对哺乳动物双眼视觉通路的建立有关键作用[22]。有研究表明S1P在体外通过Gα12/13-Rho-ROCK信号通路促进鸡的视网膜RGC生长锥形态崩塌,实现轴突的可塑性[23]。此外,Strochlic等[24]发现S1P通过S1PR5-Gα12/13-RhoA-LIM激酶途径诱导非洲爪蟾的视网膜RGC生长锥塌陷;阻断S1P生成后有50%的神经轴突绕过视顶盖,没有到达靶区;外源性S1P可以部分挽救这种轴突引导错误,使大多数轴突到达视顶盖区。另外,研究证明成纤维细胞生长因子也参与轴突目标识别过程,其与S1P之间存在串扰调控,可能与轴突引导过程密切相关[25-26];但其具体机制仍需进一步研究。

2.2 S1P信号通路与视网膜血管发育

视网膜血管大致分为3层,包括浅表血管丛、中间血管丛和深血管丛。研究证实S1P通过S1PR1-Gαi-PI3K-Akt/Rac通路促进视网膜血管发育和稳定,其缺失导致血管内皮细胞异常增生,诱导血管渗漏和破坏[27-28];其也可通过S1PR2-Gα12/13-Rho-ROCK-PTEN通路抑制内皮细胞正常增生和血管生成,促进VE-cadherin磷酸化,破坏血管内皮屏障[29]。因此,S1PR1与S1PR2的生物学效应平衡可能是视网膜发芽血管稳定的关键。Fang等[21]研究发现,与正常组相比,SPNS2敲除小鼠视网膜浅层毛细血管分支、中间血管丛和深血管丛稀疏且发育迟缓,提示敲除SPNS2可能下调S1P表达水平,进而影响视网膜血管发育。综上所述,S1P可以独立于传统血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)信号通路调控视网膜血管发育,为视网膜血管疾病的机制研究提供新思路。

3 S1P信号通路与眼部疾病

3.1 S1P信号通路与AMD

AMD可分为干性AMD和湿性AMD。湿性AMD在VEGF和表皮生长因子等多种细胞因子的诱导下形成脉络膜新生血管(choroidal neovascularization,CNV),造成出血和液体渗漏[30]。其中视网膜色素上皮(retinal pigment epithelial,RPE)与CNV发展密切相关。有研究证实S1P可以诱导RPE细胞增生和抗凋亡,促进CNV的发生发展[31]。Terao等[32]研究发现白蛋白结合的S1P促进RPE中VEGF与HIF-1α的表达并破坏RPE细胞屏障的完整性;而ApoM结合的S1P能够增强细胞屏障功能,从而减少血管渗漏;阻断S1PR2可显著激光诱导小鼠CNV模型中疾病的进展,推测S1P/S1PR2是CNV一种潜在的治疗靶点。相反,VEGF可以促进SphK1易位和磷酸化,上调S1PR1表达,促进S1P介导的内皮型一氧化氮合酶磷酸化和激酶Akt激活,进而促进血管生成[33]。

干性AMD的病理改变主要包括RPE进行性萎缩,脉络膜毛细血管和黄斑内光感受器丧失[30]。视网膜外界膜(outer limiting membrane,OLM)由Müller细胞顶端突起和光感受器细胞内部节段构成,有维持外层光感受器稳态的作用。研究表明SphK1对维持OLM结构完整性起重要作用。敲除SphK1导致OLM正常结构丧失,抑制Müller细胞迁移[34]和骨架重排,引起RPE细胞形态异常和功能障碍,进而促进脂质沉积,最终导致视网膜功能降低[35]。在AMD晚期阶段,S1P通过增加纤溶酶原激活物抑制物-1和热休克蛋白47的表达,促进RPE上皮-间充质转化,刺激肌成纤维细胞转化标记物α-平滑肌肌动蛋白(α-smooth muscle actin,α-SMA)表达,介导纤维化进程,影响患者视力[36]。对S1P信号通路在AMD不同病理条件下的调控作用,还需要大量研究进行探索,以期找到更精准的治疗靶点制定个体化治疗方案,实现精准医疗的目标。

3.2 S1P信号通路与早产儿视网膜病变

新生血管形成是早产儿视网膜病变视力损害和丧失的主要病理过程[37]。目前研究表明除了VEGFα,还有其他重要因子参与新生血管调控,包括促红细胞生成素、血管生成素(angiopoietins,Ang)1和Ang2等。Ang1/Tie2通路促进血管稳定成熟,维持血管完整性;Ang2作为酪氨酸激酶受体Tie2拮抗剂与Ang1竞争,导致血管不稳定,促进血管新生[38]。Eresch等[39]发现S1P通路与Ang1和Ang2密切联系,在OIR中过表达Sphk2基因促进小鼠视网膜新生血管形成,而Sphk2基因敲除小鼠视网膜新生血管形成较慢;研究进一步发现,Sphk2基因敲除小鼠视网膜中Ang1和Ang2表达均显著下调,说明Ang1和Ang2是S1P参与新生血管生成的方式之一。因此,干预S1P表达可能为早产儿视网膜病变开创新的治疗理念。

3.3 S1P信号通路与DR

DR是成人常见的致盲眼病之一,周细胞丢失引起的微血管损伤是其早期病理特征[40]。目前,有研究提出周细胞功能障碍即可启动病理性血管生成,其通过Rho GTPase通路加强细胞骨架结构以增强自身收缩,经过细胞接触促进血管内皮细胞增生,诱导毛细血管生成[41]。Durham等[42]发现在糖尿病患者的周细胞中,肌肉和非肌肉肌动蛋白网络发生变性以及应力纤维中α-SMA等收缩表型表达下降,而S1P可以通过Rho GTPase通路促进周细胞α-SMA和肌动蛋白的表达。在DR病理状态下,周细胞中SphK1磷酸化反馈性增加,自分泌S1P以提高自身张力,但同时无法避免S1P对周围血管内皮细胞产生作用。S1P部分通过S1PR2促进血管内皮细胞异常增生,通过S1PR1和S1PR3介导血管腔形成[42-43]。因此,基于周细胞-内皮细胞串扰调控的治疗干预将为预防和抑制糖尿病视网膜血管损伤提供一种新方法,除此之外,未来研究也需要进一步确定S1P-Rho GTPase信号通路是否以及在多大程度上调控DR患者微血管细胞间的相互作用。在DR中,视网膜神经元损伤被认为先于血管内皮和周细胞损伤[44]。研究证实2型糖尿病大鼠中S1PR2高表达于RGC层及内核层(inner nuclear layer,INL),降低S1PR2表达后RGC凋亡减少[45]。以上结果说明糖尿病大鼠RGC活性可能与S1PR2有关,抑制SIPR2表达对视网膜有一定保护作用。

3.4 S1P信号通路与自身免疫性葡萄膜炎

自身免疫性葡萄膜炎(autoimmune uveitis,AU)是一种严重损害视功能的眼内免疫性疾病,也是许多全身免疫疾病的眼部表现[46]。正常情况下,由于眼部具有多层组织和免疫屏障,形成免疫耐受,从而避开自身反应性T细胞的攻击。一旦免疫耐受的平衡被打破,T细胞在眼部抗原的诱导下扩增并破坏血-视网膜屏障,导致Th1、Th2细胞和单核细胞等浸润眼内[47]。这些炎症细胞同时分泌细胞因子和趋化因子,促进更多白细胞募集,最终激活并驱动由初始浸润细胞诱发的炎症过程[48]。研究发现S1P/S1PR1信号通路促进T细胞从次级淋巴组织流出并迁移到炎症部位。Commodaro等[49]在实验性AU模型中利用FTY720下调S1PR1表达后,发现T细胞向眼内炎症部位的迁移减弱且眼组织中CD4+T细胞数量减少,调节性T细胞功能改善,进而延缓炎症复发。另外,RPE细胞既是血-视网膜屏障的主要成分,又作为免疫屏障表达细胞表面分子和分泌影响免疫系统的可溶性因子,参与葡萄膜炎的病理过程[50]。Fan等[31]证实缺氧条件下S1P促进人RPE细胞增生并抑制其凋亡。此外,ApoM结合的S1P可以上调RPE中紧密连接相关蛋白表达,改善RPE细胞屏障功能,进而有助于维持血-视网膜屏障的完整性[51]。以上结果表明S1P可能促进RPE介导的免疫抑制作用。目前,治疗AU的传统药物大多靶向性差,导致局部或全身副作用多,应用前景较为局限[46]。S1P特异性抑制剂靶向性强、安全性高,可以为AU的治疗提供新思路。

3.5 S1P信号通路与原发性开角型青光眼

原发性开角型青光眼是成人不可逆盲的主要原因,小梁网(trabecular meshwork,TM)功能障碍是其主要病理特征[52]。在病理条件下,TM细胞有转变为肌成纤维细胞的趋势,而肌成纤维细胞具有强大收缩力,导致房水流出阻力增加[53]。S1P受体激活可调节细胞骨架动力学。一些研究人员在培养的TM细胞中发现,S1P激活Rho GTPase通路促进肌动蛋白和细胞外基质蛋白产生,促进肌球蛋白轻链磷酸化,刺激应激纤维形成,增加TM的收缩力,进而降低房水流速[54]。进一步阻断TM细胞的S1PR2后,肌球蛋白轻链磷酸化效应也被阻断,说明S1P通过S1PR2-Rho GTPase途径参与原发性开角型青光眼的病理过程[55]。

3.6 S1P信号通路与翼状胬肉

翼状胬肉是一种以角膜缘上皮细胞增生为特征的疾病,增生呈鳞状上皮化生和杯状细胞样,并向心侵犯角膜中央。伴随炎症细胞浸润和由弹性蛋白和胶原组成的细胞外基质异常堆积,成纤维细胞和血管间质呈过度生长[56]。目前有研究表明,在翼状胬肉中,S1P异常表达水平与其病理过程有一定关联。Igarashi等[57]发现翼状胬肉组织中S1PR表达高于正常结膜组织,表明S1P可能参与翼状胬肉的病理过程。进一步研究发现,紫外线照射上调SphK2表达水平,促进结膜组织中S1P产生,通过S1P-RhoA信号通路,产生促炎细胞因子和激酶,如基质金属蛋白酶。这些细胞因子和基质金属蛋白酶可诱导结膜组织纤维化,促进翼状胬肉发育。因此,干预S1P表达可能为翼状胬肉开创新的治疗方向。

3.7 S1P信号通路与圆锥角膜

圆锥角膜是一种双侧进行性角膜疾病,导致角膜突出、基质变薄和瘢痕形成,角膜纤维化是其病理特征之一[58]。Qi等[59]发现基质层中人圆锥角膜成纤维细胞(human keratoconus fibroblasts,HKCs)表达的纤维化标记物α-SMA和胶原纤维-Ⅲ显著上调。进一步研究发现,HKCs中Cer和S1P水平均高于人角膜成纤维细胞(human corneal fibroblast,HCF),外源性S1P和Cer处理HCFs中α-SMA和胶原纤维-Ⅲ表达都显著升高,而抑制Cer表达后,HKCs纤维化表型发生逆转。以上结果表明S1P信号通路可以延缓圆锥角膜纤维化,有望成为圆锥角膜的潜在诊断、预后生物学标志物及抗纤维化治疗靶点。

3.8 S1P信号通路与角膜移植术后免疫反应

角膜移植术是目前大多数角膜盲的主要治疗方法,成功率高。尽管角膜有免疫耐受的特点,但部分患者仍发生免疫排斥反应,进而导致手术失败[60]。药物治疗是控制免疫反应的一种有效手段,常见药物有糖皮质激素、环孢素A等,但其特异性较差,毒副作用较多,临床应用受到极大限制[61]。S1P/S1PR1信号通路与免疫反应有关,可参与免疫排斥反应。钟帆等[62]发现FTY720可以减少角膜T细胞浸润和增生,抑制S1P诱导的角膜新生血管生长。Zhu等[63]利用特异性S1PR1受体抑制剂可减少角膜中转化生长因子-β1、细胞毒性T淋巴细胞相关蛋白4、白细胞介素-12等细胞因子分泌,进而影响树突状细胞成熟,减轻角膜植片上皮水肿和炎症反应,从而显著延长同种异体小鼠角膜移植后的植片存活时间。总之,S1PR1受体调节剂可能作为新型免疫抑制剂减轻角膜移植术后反应,并可以与传统药物联合使用巩固治疗效果。

4 小结

S1P信号通路在眼部正常发育和眼部疾病中发挥重要作用,包括眼部神经血管发育、病理性新生血管形成和细胞骨架动力学改变,其中大多数过程由S1P-Rho GTPase通路介导。因此,有必要进一步探究S1P-Rho信号通路参与病理生理过程的具体分子机制。目前,针对S1P信号通路的药物已经在临床上使用,但尚未引入眼科疾病治疗中。未来值得探索的研究方向包括:阐明S1P信号通路与其他信号通路的串扰调控机制,找出更加精确的作用靶点;研制针对S1P信号通路的眼科疾病治疗药物。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突

志谢感谢柏文、姚牧笛、赵雅和马严对本综述的指导和帮助