脂联素在眼底新生血管性疾病中的作用

张小丹 综述 颜华 审校

天津医科大学总医院眼科 教育部眼部疾病研究国际合作联合实验室 天津市眼外伤研究与转化重点实验室 天津市眼健康与眼疾病研究所 天津市“一带一路”中外联合研究中心,天津 300052

脉络膜和视网膜病理性血管生长可引起一系列临床病理改变,如视网膜下出血、牵引性视网膜脱离、玻璃体出血等,这些病理改变严重威胁患者视力,是致盲的主要危险因素[1],常见于年龄相关性黄斑变性(age-related macular degeneration,AMD)、糖尿病视网膜病变(diabetic retinopathy,DR)、早产儿视网膜病变(retinopathy of prematurity,ROP)等眼底新生血管性疾病[2]。此类疾病的发生是由于眼部缺血、缺氧、炎症等刺激使血管生成促进因子和抑制因子之间失衡导致眼底新生血管形成[3]。由于血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)在促血管生成方面具有重要作用,抗VEGF药物治疗成为目前治疗眼底新生血管疾病的主流[4],但部分患者对抗VEGF药物治疗耐受。这提示在眼底新生血管形成中还有其他过程参与。

近年来,多项研究表明,脂联素、瘦素、抵抗素、游离脂肪酸等多种脂肪细胞因子可参与炎症、代谢及血管功能的调节[5]。其中脂联素在糖尿病、心血管疾病中已被广泛证明具有血管保护作用[6],脂联素及其受体还被证明可在眼底新生血管性疾病中发挥保护作用[7-9]。本文对脂联素及其受体在眼底新生血管性疾病中的研究进展进行综述。

1 脂联素及其受体的结构与功能

1.1 脂联素的结构与分布

脂联素的单体亚基(分子量30 000)由C-末端球状结构和N-末端胶原结构组成。脂联素的单体亚基存在于脂肪细胞中,需要在内质网进行加工修饰形成多聚体或者球状脂联素后才能分泌到细胞外发挥生物效应[10]。多聚体称为全长脂联素,包括三聚体(相对分子量约67 000)、六聚体(相对分子量约120 000)和高分子量聚合物(相对分子量大于300 000,由18～36个单体亚基组成)。单体亚基去掉N-末端胶原结构再经加工修饰形成球状脂联素[11]。脂联素是健康人血浆中表达丰富(3～30 μg/ml),占血浆蛋白总量的0.01%。脂联素在白色脂肪组织中表达量最高,同时在棕色脂肪组织、心肌细胞、骨骼肌、平滑肌、脑、肝脏、眼、成骨细胞、胎盘和垂体中也有表达[12]。

1.2 脂联素受体的结构

脂联素共有3种受体:脂联素受体1(adiponectin receptor 1,AdipoR1)、AdipoR2和T-钙粘蛋白(T-cadherin/H-cadherin,CDH13)[5]。AdipoR1和AdipoR2是具有七次跨膜结构的膜蛋白,其羧基末端在膜内,氨基末端在膜外,而CDH13缺乏跨膜结构,整体结构大部分在膜外[13]。人体中只存在AdipoR1和AdipoR2,其中AdipoR1主要在骨骼肌、心脏、肾脏和肝脏中表达,AdipoR2主要在肝脏中表达[14]。CDH13是一种新发现的脂联素受体,主要在小鼠的血管平滑肌细胞和内皮细胞中表达[13]。最近研究发现,AdipoR1和AdipoR2在人的视网膜中也有表达[12],AdipoR1、AdipoR2和CDH13在小鼠整个视网膜神经元层表达,特别是视锥细胞中大量表达[5]。

1.3 脂联素及其受体的功能

脂联素具有改善胰岛素抵抗、调节脂质代谢、重塑受损血管、抑制动脉粥样硬化保护心血管系统、抗氧化应激及抗炎等多种生理功能,其还有抑制新生血管生成的作用[7-8]。

不同脂联素受体分别以不同的亲和力结合全长脂联素和球状脂联素而发挥生物学作用。AdipoR1是球状脂联素的高亲和力受体,是全长脂联素的低亲和力受体,而AdipoR2均以中等亲和力结合全长脂联素和球状脂联素。脂联素与AdipoR1结合可促进蛋白激酶的磷酸化,从而抑制脂肪生成和糖异生。脂联素与AdipoR2结合激活过氧化物酶体增生物激活受体α的配体活性,从而增加脂肪酸的氧化和能量消耗[15]。脂联素可减少胆固醇酰基转移酶-1蛋白的表达,降低其活性,从而参与动脉粥样硬化病变。此外,AdipoR1和AdipoR2具有神经酰胺酶活性,能降低血清神经酰胺水平,升高鞘氨醇-1-磷酸水平,从而保护心肌细胞和胰腺β细胞免于凋亡[16]。CDH13对于增强脂联素对心脏的保护作用至关重要[17]。

2 脂联素在眼底新生血管疾病中的作用

2.1 脂联素与AMD

2.1.1脂联素及其受体基因多态性与AMD相关 AMD是发达国家60岁以上人群致盲的常见原因,其所导致的盲占全世界所有致盲患者的8.7%[18]。Kaklamani等[9]首次报道了人类脂联素及AdipoR1基因多态性与结肠癌关联性的研究。后续有研究者相继发现脂联素及其受体基因多态性与动脉粥样硬化、冠心病等心血管疾病密切相关[19-20]。一项来自芬兰人群的研究证明[21],AdipoR1基因中的rs10753929与AMD显著相关[比值比(odds ratio,OR)=1.699;95%置信区间(confidence interval,CI)=1.192～2.423;P=0.047 1],表明AdipoR1基因变异是芬兰人群中AMD的危险因素,但该研究中所选取的样本数量较少且人种范围小,在不同人种以及更大的样本中进行研究将有利于深入了解脂联素及其受体与AMD的遗传关联。

2.1.2脂联素抑制AMD新生血管生成 Lyzogubov等[22]研究脂联素对激光诱导脉络膜新生血管(choroidal neovascularization,CNV)大鼠模型的影响,发现经外源性合成的脂联素治疗大鼠的CNV面积比模型对照组减少25%,表明外源性合成的脂联素与视网膜色素上皮细胞和脉络膜血管上皮细胞上的AdipoR1结合,减少VEGF的产生和分泌,从而减少新血管的形成。Fu等[5]用长链多不饱和脂肪酸Ω3饲喂小鼠1周后进行激光诱导CNV,发现脂联素基因敲除小鼠CNV面积大于野生型小鼠。本研究团队最近发现脂联素在运动保护AMD中发挥着重要作用[7]。在体、体外实验均显示,脂联素受体激动剂具有抑制人视网膜微血管内皮细胞(human retinal microvascular endothelial cell,HRMEC)增殖的作用。

目前实验基本采用激光诱导的CNV模型来模拟AMD,不能模拟AMD的长期衰老变性以及慢性炎症,未来尚需建立更加贴切AMD病理过程的动物模型来预测脂联素在AMD临床治疗中的价值。

2.2 脂联素与DR

2.2.1脂联素水平、脂联素及其受体的遗传变异与DR有关 DR是糖尿病常见的微血管并发症,其发病机制尚未完全阐明。为了更好地了解循环中脂联素水平与DR的关系以及脂联素及其受体的遗传变异对DR的影响,Liao等[23]对中国台湾人群中进行了一项病例对照研究,选取1 604例20岁以上的2型糖尿病患者,其中DR组632例,糖尿病对照组972例,结果发现DR与脂联素基因和CDH13基因中的10个单核苷酸多态性相关。根据这10个单核酸多态性计算基因风险评分,发现基因风险评分为DR的危险因素(OR=2.61,95%CI:1.48～4.59)。在155例非DR糖尿病受试者血浆脂联素水平明显低于363例DR受试者,差异有统计学意义(P=0.004);并且在这518例受试者的血浆中,脂联素水平自然对数是发生DR的独立危险因素(OR=1.63,95%CI:1.19～2.25),证明血浆脂联素水平、脂联素及其受体的遗传变异与2型糖尿病所引起的DR有关。Aioanei等[24]分析东欧人群中脂联素基因特定区域+276G>T的多态性与2型糖尿病和DR之间的关联,对198例患有2型糖尿病的DR患者和200名健康人进行基因分型研究,未发现脂联素基因突变与2型糖尿病显著相关,但与DR存在关联(95%CI=0.887～1.203,OR=1.101,P=0.009)。

目前,关于脂联素及其受体基因多态性与DR的研究结果较为统一,均显示脂联素及其受体基因突变是DR的危险因素,但是由于相关研究较少,脂联素及其受体的基因内其他区域突变是否是DR的危险因素尚需进一步探究。

2.2.2脂联素在细胞水平上抑制糖尿病视网膜新生血管的形成 为研究脂联素在糖尿病视网膜新生血管形成中的影响,Palanisamy等[6]构建脂联素基因表达载体并转染至原代培养HRMEC、人脐静脉血管内皮细胞(human umbicical vein endothelial cell,HUVEC)和人脉络膜血管内皮细胞(human choroidal endothelial cell,HCEC)中,发现各转染组细胞新生血管的形成和迁移能力明显受到抑制;用重组脂联素培养HUVEC和HRMEC可以显著减少VEGF诱导的新生血管形成和迁移。结果还表明,更高浓度的脂联素不会诱导人内皮细胞的细胞毒性,从而证明它可以作为治疗视网膜血管生成的靶点。Srinivasan等[25]发现,分别用5 pg/ml、50 pg/ml、500 pg/ml和5 ng/ml的重组脂联素处理1小时后,ARPE-19细胞中VEGF mRNA和蛋白质水平均随着脂联素浓度升高而降低,表明脂联素在血管生成相关疾病中起保护作用。

2.2.3脂联素在动物水平上抑制糖尿病视网膜新生血管的形成 最近Sakaue等[26]研究发现脂联素在小鼠视网膜血管内皮中积累,在糖尿病发病后逐渐减少。此外,在STZ诱导的糖尿病模型中,脂联素的缺失加速诱导DR的早期病理特征,血管通透性明显增加,表明APN对DR进展有潜在的促进作用。代艳等[27]研究发现脂联素可下调糖尿病大鼠视网膜中一氧化氮合酶的含量,从而减轻一氧化氮对视网膜血管内皮细胞结构和功能的损伤,延缓DR的发生。王文峰等[8]研究发现,早期2型糖尿病大鼠视网膜中脂联素含量较正常组大鼠明显降低,导致视网膜血管内皮的炎症反应,血管细胞间黏附能力降低,血管内皮细胞的增生迁移能力增强,促进DR的发生;玻璃体腔注射重组脂联素后,视网膜局部的炎症反应减轻,从而延缓DR发生。

以上研究诠释了脂联素在DR早期发生过程中扮演的重要角色。提高脂联素在视网膜局部的含量可减轻视网膜炎症反应,延缓DR发生。

2.3 脂联素与ROP

2.3.1脂联素与ROP的关联 ROP常见于早产儿、低出生体质量儿,是一种以视网膜缺血、新生血管形成为特点的眼病,严重者可引起视网膜脱离,甚至致盲。Fu等[28]将46例早产儿(29周出生)分为患ROP组19例和未患ROP组27例,记录早产儿从出生到36周出院每周血清脂联素水平,结果显示各组血清中脂联素水平在第30～32周开始表现出差异,患ROP组血清脂联素水平一直低于未患ROP组。另外一项研究结果显示,视网膜血管生长正常的早产儿血清脂联素水平高于视网膜血管生成延迟的早产儿(P<0.001)[29]。上述研究表明血清中低水平的脂联素与ROP密切相关。

2.3.2ROP进展与脂联素缺乏有关 在小鼠和人眼中,玻璃体血管最先在子宫内形成,并随着视网膜血管的发育而退化。正常情况下人玻璃体血管通常在足月出生后消失,在早产儿眼中玻璃体血管消失延迟影响视网膜血管正常生长[30]。研究表明,与野生型小鼠相比,脂联素基因敲除型小鼠中玻璃体血管不易消失,提示脂联素缺乏会导致玻璃体血管消失延迟[29]。Kaklamani等[9]采用低氧诱导的小鼠模型并向脂联素基因敲除小鼠体内注射长效纤维细胞生长因子21类似物(PF-05231023)后行眼底造影观察新生血管情况,结果显示脂联素的缺乏会使视网膜新血管增加,且缺乏脂联素会抵消PF-05231023在减少新生血管形成方面的有益作用。

脂联素抑制新生血管形成作用机制可能通过调节血清肿瘤坏死因子a、胰岛素样生长因子1和VEGF水平阻止ROP的发生及发展。同时脂联素的表达也受成纤维细胞生长因子21和长链多不饱和脂肪酸的影响[31]。目前,脂联素在ROP方面的研究还不足,进一步研究脂联素在1期和2期ROP的变化,尤其是在1期ROP的临床试验,对预防ROP尤为重要。未来可以研制类似脂联素药物,为防治ROP提供新方案。

3 展望

临床上,病理性新生血管的形成与多种眼部疾病有关,如AMD、DR和ROP等。眼内新生血管的形成会导致眼部不可逆的损害,是致盲的主要危险因素。新生血管性眼病的发生机制与促血管细胞因子有关,如VEGF。虽然抗VEGF治疗被广泛用于病理性新生血管的治疗,但超过一半的患者无应答,部分患者甚至出现治疗诱导的变化和代谢损伤,对抗VEGF药物产生耐药性。在PDR和AMD患者中,也观察到抗VEGF治疗后的纤维化现象,以及治疗期间视网膜前膜的增生加重[32]。因此,迫切需要替代的抗血管生成治疗靶点,在尽量减少不良反应的情况下有效地抑制血管生长。

现有的细胞和动物实验表明,脂联素对眼底病理性血管生长具有明显的抑制作用。部分临床研究也显示,脂联素及其受体基因突变和低水平血清脂联素与眼底病理性血管疾病的发生存在关联。这表明脂联素及其受体在眼底新生血管疾病的患病风险预测及治疗中具有潜在价值。我们近期的研究结果表明,循环脂联素水平与患者抗血管生成治疗的疗效显著相关[7],因此,将循环脂联素作为一种生物标志物来预测湿性AMD患者对VEGF治疗的反应可能是有价值的。更多的在体研究将有助于阐明脂联素在涉及新生血管的眼部疾病中的有效作用。随着对脂联素在眼底视网膜新生血管疾病作用认知的不断深入,其治疗方法、时机、技术等将不断完善。未来将继续寻找更安全、有效、简便的方法来阻止眼底新生血管性疾病的发生发展。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突