OCT和OCTA生物学标志物在糖尿病性黄斑水肿预后和监测中的应用

黄海燕,李德爽,谷 浩,秦 波,

0 引言

糖尿病性黄斑水肿(diabetic macular edema,DME)是糖尿病视网膜病变(diabetic retinopathy,DR)最常见的并发症之一[1],同时也是DR患者视力丧失的主要原因[2]。根据1990-2020年间关于中国居民DR流行病学调查的研究结果估算出中国总人群中DR的患病率为1.7%;糖尿病人群中DR的患病率为22.4%[3]。在全球范围内,糖尿病患者中的DR患病率约为34.6%,而DME的患病率约为6.81%[4]。目前研究认为血糖升高导致视网膜微血管损伤,从而导致视网膜缺血缺氧,最终通过释放血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)、白细胞介素-6(IL-6)等多种细胞因子激活炎症通路[5]。也有学者认为血糖变异性可能与DME发生有关,其相关性研究结果有待进一步补充,血糖波动可能成为DME发生发展的原因[6]。在DME中,毛细血管周细胞的丢失和功能障碍导致内部血视网膜屏障(blood-retinal barrier,BRB)的破坏,导致视网膜内液体,蛋白质和脂质泄漏[7]。这些变化导致视网膜逐渐增厚和视力的无痛性下降。虽然在早期阶段是可逆的,但长期黄斑水肿可导致视网膜光感受器和视网膜上皮缺血和萎缩。如果病变累及黄斑中央凹,可能导致永久性视力丧失[8]。

光学相干断层扫描(optical coherence tomography,OCT) 和光学相干断层扫描血管造影(optical coherence tomography angiography,OCTA)作为无创、非侵入性评估视网膜各层微结构和微血管病理改变的主要检查手段,是检测和评估DME的常用方法。通过对同一横断面进行相干光层析成像并获取血流信号,再以冠状面的形式逐层呈现三维重建后的眼底血管影像,可以逐层可视化视网膜丛,量化微血管参数,并将其与功能和形态学数据相关联[9]。有助于定位视网膜的异常增厚区域,详细显示出视网膜血管的空间分布特征,甚至发现临床前期的视网膜血管异常,并进一步详细了解特定的DME形态学改变[9]。

生物标志物作为生理病理过程或治疗干预药理学反应的指示因子,具有可客观检测和评估的特性。在临床医学领域,生物标志物在疾病的早期预警、诊断、分级或分期、治疗效果和预后判断等方面都具有不可替代的价值[10-11]。生物标志物在早期诊断眼科疾病及其监测、预后和治疗等方面具有非常广泛的用途,如青光眼、干眼、眼科血管性疾病[12-14]。作为疾病生物标志物工具应该具备的特点是可以帮助在变化变得明显之前定位[15]。Yan等[16]定量检测血管生成素样 (ANGPTL)3、ANGPTL4 和 ANGPTL6 的水平,并研究DME患者的OCTA结果的相关性,他们的结果强烈表明,ANGPTL4和ANGPTL6与DME中的血管渗漏有关,并且说明OCTA指标可能有助于评估黄斑DME中的缺血。Verma等[17]研究发现,OCTA用于检测疾病的早期阶段,并用于糖尿病患者的早期管理和有效的血糖控制。这意味着OCTA生物标志物可能在该病早期病变中发生变化,将有助于糖尿病患者的早期管理和有效的血糖控制。由此可见,OCT和OCTA生物标志物在DME的诊断和长期随访中发挥着关键的作用。在本综述中全面总结了各种成像技术和新型生物标志物,有助于评估DME的严重程度、调整治疗方案并判断疾病预后提供参考。

1 OCT生物学标志物

1.1黄斑厚度和体积中央凹厚度(central subfield thickness,CST)、黄斑部平均厚度 (cube average thickness,CAT)和黄斑部容积(cube volume,CV)是由Saxena等[18]在2019年提出。CST 定义为圆形[19]早期治疗糖尿病视网膜病变研究组(early treatment of diabetic retinopathy study,ETDRS)网格图中直径为 1 mm 的中心圆的厚度。CAT 表示整个 6 mm× 6 mm 方形扫描区域内的内界膜和视网膜色素上皮 (inner limiting membrane-retinal pigment epithelium,ILM-RPE) 之间组织层的总体平均厚度,即九个部分的厚度平均值。CV定义为ILM-RPE之间在整个6 mm× 6 mm方形扫描区域内组织层的总平均体积。Saxena等[18]研究结果表明,在无糖尿病视网膜病变(diabetic retinopathy,DR)、非增殖性糖尿病视网膜病变(nonproliferative diabetic retinopathy,NPDR)和增殖性糖尿病视网膜病变(proliferative diabetic retinopathy,PDR)研究组的CST、CAT和CV有显著差异,DME病例和无DME病例之间的CST、CAT、CV也有显著的统计学差异,且三种OCT生物标志物随视网膜病变程度的加重而增加。因此CST、CAT和CV被发现是视网膜病变严重程度的独立标志和视力的预测因子。在临床应用中利用OCT对DR患者的CST、CAT及CV进行定量分析,方便临床医师更好理解不同分期DR患者黄斑部位结构改变,为临床诊疗提供可靠依据。

1.2视网膜内层结构紊乱视网膜内层结构紊乱(disorganization of retinal inner layers,DRIL)是在多种视网膜疾病发展过程中由于视网膜应激反应而产生的生物标志物,它不是DR特有的[20]。DRIL表示无法区分视网膜内层边界,是指黄斑中心凹1 mm范围内的内层视网膜[神经节细胞层-内丛状(ganglion cell layer-inner plexiform layer,GCL-IPL)复合体,以及内核层(inner nuclear layer,INL)和外丛状层(outer plexiform layer,OPL)的任何边界]层次结构紊乱,导致OCT上任意两者之问的界线无法辨别[21]。

Nadri等[22]首次使用OCT评估了DRIL、黄斑厚度参数、椭圆体带(ellipsoid zone,EZ)破坏和视网膜神经纤维层(retinal nerve fiber layer,RNFL)厚度之间的相关性。并得出DRIL 与 DR 的严重程度显著相关,同时DRIL与CST、CAT和EZ破坏等级呈显著正相关,DRIL与RNFL厚度呈显著负相关的结论。

Sun等[23]研究显示中央凹DRIL的存在与DME患者的基线视力较差有关,将DRIL确定为后续最佳矫正视力(best corrected visual acuity,BCVA)的可靠预测生物标志物,并确定存在DRIL恶化的阈值,超过该阈值,患眼可能会失去视力,同时也存在DRIL改善的阈值,超过某个阈值的DRIL可能可靠地预示着未来的视力改善。

Das等[20]提出了通过OCT评估的视网膜形态是否可以成为DME患眼的潜在生物标志物的问题。他们研究发现,DRIL与视网膜外层结构破坏有关,随着DR的严重程度增加,DRIL在患眼中更频繁地被发现,并且DRIL每增加100 μm,视力约丧失6个字符。因此DRIL的存在预示了DME患者的预后不良。

1.3高反射灶高反射灶(hyperreflective foci,HRF)定义为OCT中分散在视网膜各层的孤立的、境界清晰、无伪影、最大直径在20-50μm 之间的圆形或椭圆形高反射信号点[24]。Bolz等[25]首先在DME患者的视网膜中发现了界限清晰的HRF。这些沉积物位于视网膜内微动脉瘤壁内,并散布在所有视网膜层中,在外丛状层形成汇合斑块,提示了血-视网膜屏障破坏(blood-retina barrier,BRB)。Lee等[24]认为各种原因导致的BRB破坏后,大量血液中的脂蛋白在视网膜内异常沉积,从而产生HRF。

而Vujosevic等[26]则认为HRF的形成与视网膜内小胶质细胞的活化和积聚或来自血液中的单核-巨噬细胞所引起的视网膜炎性反应密切相关。同时根据其外观和位置描述了三种类型的HF,每型HRF都具有各种含义:第一种类型是HRF直径≤30 μm,反射率类似于神经纤维层,没有后方投影,位于视网膜内外,可能与活化的小胶质细胞有关;第二种类型是HRF>直径 30 μm、反射率与RPE-Bruch 膜复合物相似、存在后方投影和位于视网膜外层,可能提示硬渗出物;第三种类型是HRF直径>30 μm、反射率与RPE-Bruch膜复合物相似、存在后方投影,位于视网膜内侧,可能提示微动脉瘤。而第一种HRF直径≤30 μm被提议作为DME眼部视网膜炎症的OCT成像生物标志物,HRF的存在提示了视网膜活动性炎症。

Liu等[27]评估了OCT在预测DME抗VEGF治疗反应中的作用,在给予患者康柏西普治疗后,发现OCT扫描上的HRF数量减少,认为OCT扫描上的HRF是DME患者个体对康柏西普治疗反应的可靠生物标志物。他们发现视网膜内层和视网膜外层HRF的数量与患者视力预后密切相关,但HRF的位置与视力无关,同时预测基线OCT扫描显示HRF数量较多的DME患者在康柏西普治疗后的最终BCVA较差。Rübsam等[28]证明与抗VEGF药物相比,使用地塞米松植入物治疗的患者HRF的数量减少幅度更大,并且存在于视网膜外层,且在OCT上的直径较大(> 30 μm)的HRF的产生与硬性渗出有关,而散布在所有视网膜层中的直接较小(≤30 μm)的HRF的产生与小胶质细胞或巨噬细胞有关。虽然HRF的来源目前仍存在争议,但HRF作为DME在OCT上的特征性改变,其数量和分布区域的变化对DME的早期诊断、评估疾病进展和预后等方面具有重要的指导意义。

1.4中央凹下神经视网膜脱落在DME患眼中,中央凹下神经视网膜脱落(subfoveal neuroretinal detachment,SND)的患病率为15%-30%,在OCT上表现为黄斑中心区视网膜神经上皮从视网膜色素上皮层(retinal pigment epithelial,RPE)脱离,RPE上方低反射区域[26]。关于SND的发病机制已有不少假说,目前SND的主要机制被认为是从视网膜或脉络膜循环渗漏到视网膜下间隙,超过了视网膜的重吸收能力,继而引起SND[29]。Vujosevic等[26]研究证明,外界膜(outer limiting membrane,ELM)的破坏与DME患者眼睛中SND的存在高度相关。在患有DME的眼睛中,内部BRB的分解会导致脂质和蛋白质的外渗,但只要ELM完好无损,它们就会积聚在ELM的前方,导致外视网膜肿胀。只有当ELM受损时,蛋白质和液体可能会通过它进入视网膜下空间,导致SND的发生发展。

另一方面,多项研究证明了SND与DME患者的预后视力之间具有一定的关系。存在SND的弥漫性DME患者在玻璃体切除术6 mo后,BCVA显著优于没有SND的患者[30]。而对VIVID-DME和VISTA-DME研究的事后分析表明,无论基线SND状态如何,玻璃体内注射阿柏西普的视觉结局都优于激光治疗,但是玻璃体内注射阿柏西普在基线SND患者中的治疗效果比未使用的患者更大[31]。Moon等[32]研究显示患有SND的眼睛显示白细胞介素(IL)-6水平升高,表明这些患眼存在活动性炎症,并且DME患眼伴SND对地塞米松植入物有显著反应,并提倡在患有SND的DME患者中使用地塞米松植入物。因此SND的存在也提示了此类患眼对地塞米松植入物有更好的治疗反应。SND作为重要的OCT生物学标志物,主要从解剖学层面和功能层面进行分析、判断疾病预后,需要大量临床数据支撑,有待进一步研究。

1.5视网膜内囊样间隙视网膜内囊样间隙(intraretinal cystoid spaces,IRC)的形成是VEGF水平升高导致DR患者血管通透性增加、BRB破坏、渗透压梯度降低继而引起细胞外液积聚和囊肿形成。而黄斑内的囊性间隙是由Müller细胞功能障碍引起的细胞外液聚结引起的边界清楚的圆形或类圆形低反射囊样腔隙[33]。IRC可以根据其大小进行分类。囊肿分为小(<100 μm),大(101-200 μm)或巨大(>200 μm)。大囊肿与视力预后不良有关。囊肿的大小与黄斑缺血的程度相关,是视力不良的预后因素。大和巨大的IRC累及ONL,损害IS/OS连接,导致视觉功能不可逆地丧失[34]。囊肿的水平和垂直直径均随着黄斑缺血的严重程度而增加[35]。Reznicek等[36]发现抗VEGF治疗通过降低内部BRB的通透性来减少外核层(outer nuclear layer, ONL)IRC的数量和大小,从而使患者的BCVA得到改善。Karst等[37]发现无论是玻璃体腔注射曲安奈德或抗VEGF药物治疗,内核层的IRC对治疗的反应敏感度均优于外核层的IRC。因此IRC的预后意义取决于其大小和位置。

1.6玻璃体黄斑界面异常在糖尿病患者中,由于玻璃体沿后极形成一片引起玻璃体后脱离(posterior vitreous detachment,PVD)继而对视网膜黄斑的机械牵拉引起视网膜前膜、玻璃体黄斑黏连、玻璃体黄斑牵引、黄斑裂孔等一系列玻璃体黄斑界面(vitreomacular interface)异常。而这种玻璃体沿后极形成一片被称为后部玻璃体牵拉膜(taut posterior hyaloid membrane,TPHM),是顽固性黄斑水肿的原因[38]。TPHM 患者可通过玻璃体切除术解除后部玻璃体对视网膜黄斑的机械牵拉。因此通过OCT检查是否存在TPHM,可识别可能受益于玻璃体切除术的DME患者。

1.7外层视网膜改变视网膜外层的完整性是视网膜光感受器和RPE健康状况的直接指标。IS/OS层在OCT上表现为高反射带,Zur等[39]描述了三种等级的IS/OS连接方面:完全连续、部分中断和完全中断,IS/OS链接的中断代表了黄斑光感受器的损伤。同时得出IS/OS连接完整的眼睛在地塞米松植入治疗后有更好的视觉效果的结论。Maheshwary等[40]研究结果显示通过OCT评估的光感受器IS/OS层的破坏百分比是DME患者视力的重要预测指标。

外界膜(external limiting membrane,ELM)为视细胞与Müller细胞之间黏连小带,平行于视网膜表面,而与入射光垂直,因此OCT中表现为一条非常纤细的中反射信号带。Mori等[41]研究结果显示抗VEGF治疗可以使基线处部分缺失的ELM结构明显改善,且ELM的完整性与BCVA有着显著相关性。

光感受器外段(photoreceptor outer segment,PROS)在OCT上定义为IS/OS结和RPE之间的距离。有证据表明,PROS长度缩短与DR或DME的存在显著相关,且视力较差[42-43]。因此在DME患眼中,PROS长度与BCVA具有相关性。

1.8脉络膜生物学标志物脉络膜为RPE和感光细胞提供血液供应,在中央凹无血管区(foveal avascular zone,FAZ)的代谢交换中起主要作用,因此其结构和血管系统的破坏会影响到视网膜的功能[44]。目前被认为是脉络膜生物学标志物的主要有中心凹下脉络膜厚度(subfoveal choroidal thickness,SFCT)、脉络膜血管指数(choroidal vascularity index,CVI)和脉络膜高反射病灶(hyperreflective choroidal foci,HCF)。

研究表明,基线SFCT是抗 VEGF 治疗反应的预测指标[45]。较高的基线SFCT与对抗VEGF治疗的更好的解剖学和功能反应独立相关。SFCT较高的患者被认为具有完整的脉络膜毛细血管,因此缺血性外视网膜较少。这意味着这些眼睛的光感受器功能得到了很好的保留,从而解释了抗VEGF治疗后较好的视觉效果[46]。

CVI是Agrawal等[47]引入的术语,表示脉络膜管腔面积与总脉络膜面积的比值。CVI是测量脉络膜脉管系统状态的新型OCT参数指标,通过量化腔内和基质脉络膜成分来测量和分析脉络膜血管系统[48]。研究证明,虽然DR患者的脉络膜厚度没有改变,但CVI与DR的进展相关,且CVI在DR发作前发生改变,支持DR中脉络膜原发性损伤的理论[49]。与SFCT相比,CVI的变异性较小,不会因眼部或全身因素而改变。它可以被认为是评估脉络膜脉管系统变化的相对稳定的参数[48],因此CVI可用于检测DR和DME的进展。

HCF是由脂褐素在脉络膜层中的沉积产生的[50]。研究发现,HCF在PDR眼中的数量明显高于NPDR眼[50]。因此就视力而言,HCF 的存在是一个不良的预后标志物。

2 OCTA物学标志物

2.1中心凹无血管区黄斑中心凹无血管区(foveal avascular zone,FAZ)是视网膜上与中心视力关系最密切的区域,其功能与视力预后直接相关。AttaAllah等[51]研究发现在DME患者中,FAZ区域其中包括浅层毛细血管丛(superficial capillary plexus,SCP)和深层毛细血管丛(deep capillary plexus,DCP)与视力之间存在显着的正相关,其中FAZ面积较大的眼睛视力较差。Lee等[52]研究发现,DCP的FAZ面积与抗VEGF药物的治疗反应和预后视力具有相关性,其中DME患眼DCP的FAZ面积的扩大幅度更明显,且对抗VEGF药物治疗反应良好的患眼,DCP的FAZ面积也小于反应不良的患眼。这些结果表明DCP的完整性与抗VEGF药物对DME的治疗效果密切相关,DCP丢失的程度可能是对抗VEGF治疗反应是否良好的有用的预测指标。

2.2糖尿病微动脉瘤Parravano等[53]结合OCT和OCTA参数,研究糖尿病微动脉瘤(diabetic microaneurisms,MAs)的进展,并量化其在NPDR患者随访1 a时对视网膜细胞外液积累的影响。通过OCT和OCTA评估以下MAs参数:可见性,内部反射率的变化(分为低反射,中或高反射)以及每个MAs周围的流体量。评估了SCP和DCP可视化的变化以及相应OCTA扫描结果的变化。1 a时的细胞外液积累与基线时 MAs 的内部反射率模式密切相关,与低反射性 MAs 相比,高反射 MAs 与液体积聚风险增加显着相关。1 a时细胞外液的发生与MAs的血流、可见度和深层位置显著相关。DCP更容易受视网膜缺血、缺氧的影响,因此DCP中的MAs数量明显高于SCP[53]。因此 DR早期动态监测MAs的数量及位置具有重要的临床价值也可以更好的改善DME的治疗时机。尽管荧光素眼底血管造影(fundus fluorescein angiography,FFA)在检测MAs方面比OCTA具有更高的灵敏度,但OCTA的安全、无创、快速、高分辨率以及不受造影剂积存或渗漏的影响的优势是临床上长期检测Mas数量和变化的重要检测方法。

2.3视网膜血管密度视网膜血管密度(vessel density,VD)定义为血管面积与总测量面积的比值[54]。Tang等[9]重点研究了无DR、轻度DR、中度DR或重度DR的患者与DCP相关的OCTA参数研究,他们发现较低的VD与更严重的DR,更短的眼轴和更差的视力有关。且DCP中VD降低与视力较差有关,提示DCP中的VD可能反映了视力恶化的DME患者的毛细血管损伤程度。AttaAllah等[51]发现与没有DME的患者相比,患有DME的患者在DCP(在中央凹旁,上半,下半,颞,上和鼻区)的血管密度值显着降低。在患有DME的糖尿病眼中,在SCP水平的整个图像血管密度与视力之间发现了显着的负相关。Sorour等[55]研究发现,经抗VEGF药物治疗后,SCP和DCP的VD较高的DME患眼术后视力预后较好,但治疗前后VD无显著差异。因此,VD的下降可能具有生物标志物的价值。

3 小结

OCT和OCTA成像技术的不断发展为对我们观察视网膜、脉络膜血管结构及血流信息,理解和探索疾病机制具有很大帮助,也为临床上发现DME中新的生物标志物提供了可靠的技术支持。OCT通过发射近红外光线,对视网膜进行断层扫描,对视网膜结构层次更具优势,其生物学标记物更偏向于视网膜结构的变化。OCTA可以无创和单独地研究视网膜血管层,精确地描绘血管化和非血管化区域,让视网膜血管层可视化,对视网膜血管变化更具优势,其生物学标记物更偏向于血管参数的变化。在临床应用中,OCTA在FAZ、MAs及VD变化更具优势。OCT和OCTA作为DR常用检查项目,不管是新发现的生物标志物,还是已知生物标志物,其分析都为DR和DME的发病机制、早期诊断和监测提供了新的见解,并开辟了新的研究途径。随着在临床实践中广泛使用OCT和OCTA,检查结果为评估DME的严重程度、调整治疗方案、监测治疗效果及判断疾病预后提供了重要的指导作用。随着技术发展与临床经验的积累,眼科影像生物学标志物其必将发挥更重要的作用。