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視網(wǎng)膜內(nèi)環(huán)境平衡失調(diào)對糖尿病視網(wǎng)膜病變影響的研究進展

2017-04-05 07:15秦學維謝學軍
山東醫(yī)藥 2017年17期
關鍵詞:內(nèi)皮細胞自由基氧化應激

秦學維,謝學軍

(成都中醫(yī)藥大學,成都610000)

視網(wǎng)膜內(nèi)環(huán)境平衡失調(diào)對糖尿病視網(wǎng)膜病變影響的研究進展

秦學維,謝學軍

(成都中醫(yī)藥大學,成都610000)

糖尿病視網(wǎng)膜病變(DR)是多元醇代謝異常、晚期糖基化終產(chǎn)物堆積、蛋白激酶C活化、氧化應激、慢性炎癥反應等多因素共同導致的,血-視網(wǎng)膜屏障(BRB)破壞以及視網(wǎng)膜新生血管形成是DR最重要的病理改變。影響B(tài)RB的作用點是視網(wǎng)膜內(nèi)環(huán)境平衡失調(diào),視網(wǎng)膜內(nèi)環(huán)境平衡系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的破壞可導致內(nèi)皮素與一氧化氮/一氧化氮合酶系統(tǒng)、血管內(nèi)皮生長因子與色素上皮衍生因子水平、抗氧化系統(tǒng)與氧化應激產(chǎn)物失衡,從而為DR的發(fā)生發(fā)展提供條件。

糖尿病視網(wǎng)膜病變;血-視網(wǎng)膜屏障;視網(wǎng)膜內(nèi)環(huán)境平衡失調(diào)

糖尿病視網(wǎng)膜病變(DR)是世界最主要的致盲性眼病。DR早期的病理改變主要包括視網(wǎng)膜毛細血管周細胞選擇性的丟失、基底膜增厚、毛細血管瘤樣增生、血-視網(wǎng)膜屏障(BRB)破壞等,后期則以視網(wǎng)膜新生血管和纖維化為特征。DR發(fā)病機制尚不完全清楚,但BRB損傷是DR最主要的病理學基礎,也是最早期的形態(tài)學改變。目前認為糖尿病引起B(yǎng)RB破壞是多因素共同導致的,包括多元醇代謝異常、晚期糖基化終產(chǎn)物(AGEs)堆積、蛋白激酶C(PKC)活化、氧化應激、慢性炎癥反應等,但這些機制最終影響B(tài)RB的作用點為破壞了視網(wǎng)膜內(nèi)各種平衡系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)。

1 內(nèi)皮素(ET)和一氧化氮/一氧化氮合酶(NO/NOS)系統(tǒng)

與脈絡膜循環(huán)系統(tǒng)相比,視網(wǎng)膜循環(huán)系統(tǒng)是一個低通量的流速恒定系統(tǒng),能為一個高代謝的活躍組織提供營養(yǎng)。自主神經(jīng)系統(tǒng)參與調(diào)節(jié)球后及脈絡膜循環(huán),但其神經(jīng)末梢終止于篩板,因此視網(wǎng)膜及前部視神經(jīng)乳頭無自主神經(jīng)分布。視網(wǎng)膜血流的調(diào)節(jié)發(fā)生在其血管的微環(huán)境內(nèi)即自身調(diào)節(jié)。

ET和NO是兩種作用相反的血管活性物質(zhì),是介導視網(wǎng)膜血流調(diào)節(jié)的關鍵因子。生理狀態(tài)下ET-NO/NOS調(diào)節(jié)局部血管舒縮狀態(tài)和維持血管外周阻力,高糖狀態(tài)下ET-NO/NOS則可通過多種途徑參與DR的發(fā)生發(fā)展。ET是由其氨基酸前體經(jīng)內(nèi)皮素轉換酶作用生成,有ET-1、ET-2、ET-3三種異構肽,是目前已知的最強有力的血管收縮劑。依賴內(nèi)皮素的血管收縮是由3種內(nèi)皮素受體亞型(ETR-A、B和C)介導的[1]。ET-1分布于人眼視網(wǎng)膜血管、脈絡膜、虹膜等眼內(nèi)組織,且血管內(nèi)皮幾乎只產(chǎn)生ET-1,ET-1作用的血管收縮由受體ETR-A介導,ETR-A受體存在于各種血管平滑肌和周細胞[1]。ET-1的合成受多種理化因素影響,白細胞介素-1、腫瘤壞死因子、血小板衍生生長因子、轉化生長因子-β、自由基等均可促進ET-1的合成。

高糖狀態(tài)下,在大量生成AGEs的同時還產(chǎn)生大量的自由基,加之DR慢性炎癥反應產(chǎn)生的炎癥介質(zhì),均可促進ET-1的表達,導致血管收縮,加重組織缺血缺氧。此外,體外實驗證實高糖狀態(tài)下細胞內(nèi)PKC-β和PKC-δ激活,增加視網(wǎng)膜毛細血管內(nèi)皮細胞內(nèi)ET-1 mRNA以及周細胞ETR-A mRNA表達,進一步加重視網(wǎng)膜缺血缺氧,促進DR發(fā)生發(fā)展[2,3]。

內(nèi)皮細胞以及血管周圍的硝基能神經(jīng)元是視網(wǎng)膜內(nèi)NO的主要來源。NO的半衰期很短,不能儲存, NOS是產(chǎn)生NO的唯一限速酶,因此常將其作為研究NO發(fā)揮作用的機制。NOS包括神經(jīng)元型NOS (nNOS)、內(nèi)皮型NOS (eNOS)和誘導型NOS(iNOS)。nNOS和eNOS存在于眼部的多個組織中,但以脈絡膜和視網(wǎng)膜內(nèi)的活性最強。 eNOS定位于血管內(nèi)皮細胞和Müller細胞,由eNOS催化產(chǎn)生的NO彌散到周細胞或平滑肌細胞表面,并和鳥苷酸環(huán)化酶結合,導致血管擴張;由eNOS催化產(chǎn)生的NO還能通過抑制血小板聚集、血小板顆粒分泌、白細胞黏附等來保護血管。nNOS催化產(chǎn)生的NO作為一種遞質(zhì)可調(diào)節(jié)神經(jīng)元的活動。iNOS在正常視網(wǎng)膜組織中幾乎不表達,但在吞噬了細菌脂多糖及細胞毒素類物質(zhì)的巨噬細胞以及組織缺血缺氧的刺激下能在視網(wǎng)膜毛細血管的內(nèi)皮細胞、周細胞、視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞、視網(wǎng)膜色素上皮細胞等呈高表達,并催化合成大量的NO。由iNOS催化產(chǎn)生的NO可介導各種病理過程,包括組織損傷、細胞凋亡、炎癥和局部缺血。

高血糖狀態(tài)下,一方面由eNOS催化產(chǎn)生的具有生理活性的NO減少;另一方面,由于缺血缺氧刺激,導致視網(wǎng)膜iNOS表達增強,源于iNOS催化產(chǎn)生的NO增加[4]。此外,高糖狀態(tài)下異常的糖代謝途徑產(chǎn)生大量的AGEs以及超氧陰離子,AGEs通過與NO反應以及與NO的載體分子結合,加速NO的滅活;超氧陰離子可以滅活NO從而抑制其擴張血管的功能,且NO與超氧陰離子反應的產(chǎn)物過氧化亞硝酸鹽可通過核因子-κB(NF-κ超氧陰離子B)途徑進一步增強iNOS轉錄[5]。有研究證實,高血糖狀態(tài)下P38MAPK和ERK細胞內(nèi)信號轉導途徑被活化,顯著上調(diào)視網(wǎng)膜細胞iNOS表達,導致iNOS催化產(chǎn)生的NO增加[6]。Leal等[7]研究表明,病理狀態(tài)下大量的由iNOS催化產(chǎn)生的NO介導了多種病理損傷,如上調(diào)內(nèi)皮細胞細胞間黏附分子-1(ICAM-1)的表達、促進白細胞的黏附損傷以及下調(diào)緊密連接蛋白的表達,導致BRB的損傷。nNOS主要存在神經(jīng)細胞中,由nNOS催化產(chǎn)生的NO具有保護視網(wǎng)膜神經(jīng)細胞的作用,其機制在于抑制了N-甲基-D-天冬氨酸的神經(jīng)毒性作用,但糖尿病狀態(tài)下視網(wǎng)膜nNOS表達下降,致糖尿病視網(wǎng)膜神經(jīng)細胞功能受損[8]。

2 血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)與色素上皮衍生因子(PEDF)水平失衡

VEGF首先是作為一種增加血管通透性的分子被發(fā)現(xiàn)的,廣泛分布于人和動物體內(nèi)多種組織器官如大腦、眼、肝臟、腎臟。VEGF只有一個基因,但剪切成4種不同的形式,分別為 VEGF-A、VEGF-B、VEGF-C和VEGF-D ,其中VEGF-A又稱血管通透性因子,是DR發(fā)生發(fā)展中的關鍵因子,被認為在DR的BRB破壞中有重要作用[9]。VEGF受體(VEGFR)家族包括VEGFR-1、VEGFR-2、VEGFR-3,VEGFR-2是介導VEGF產(chǎn)生功能的主要受體,主要存于血管內(nèi)皮細胞[10]。在眼部,視網(wǎng)膜的Müller細胞、周細胞、色素上皮細胞和內(nèi)皮細胞均能分泌VEGF,但水平及表達程度均較低,這種低分泌以及低表達狀態(tài)有利于眼部血管正常功能的維持,病理狀態(tài)下VEGF過度表達將引起血管滲漏以及新生血管形成。

動物實驗及細胞培養(yǎng)均表明高血糖、缺氧、氧化應激以及炎癥反應均會上調(diào)視網(wǎng)膜VEGF表達,VEGF又能上調(diào)視網(wǎng)膜局部ICAM-1、PKC等基因表達,造成視網(wǎng)膜白細胞的聚集、BRB破壞[11,12];高水平的VEGF是導致DR BRB破壞以及新生血管形成的關鍵因素。Qaum等[13]發(fā)現(xiàn),早期糖尿病實驗動物模型1周后VEGF mRNA表達水平比正常對照組高3.2倍,血管滲透性定量檢測在8 d后比對照組高1.8倍,并認為早期DR的BRB破壞是VEGF依賴性的,且多局限于小靜脈和視網(wǎng)膜表層毛細血管。視網(wǎng)膜局部高水平的VEGF是血管內(nèi)皮細胞特異性的血管生成與滲漏因子,一方面引起DR視網(wǎng)膜微血管滲透性增高,造成BRB破壞引起視網(wǎng)膜滲出、出血及水腫;另一方面VEGF作為DR中ICAM-1的重要內(nèi)源性誘導劑,可上調(diào)視網(wǎng)膜局部ICAM-1的基因表達,引起視網(wǎng)膜血管內(nèi)皮細胞中白細胞的黏附聚集,導致內(nèi)皮細胞及其間的緊密連接破壞,損傷BRB[14]。

PEDF是一種多肽類因子,屬于絲氨酸蛋白酶抑制劑家族[15]。視網(wǎng)膜色素上皮細胞是眼內(nèi)PEDF的主要來源,PEDF主要從頂面細胞膜分泌,神經(jīng)視網(wǎng)膜的外層與RPE頂面接觸,通常無血管,這與PEDF抑制新生血管形成的發(fā)現(xiàn)一致。目前PEDF被認為是一個重要的保護因子,具有強大的抑制血管再生的作用,也是一種細胞外神經(jīng)營養(yǎng)因子。PEDF通過Fas-FasL受體區(qū)別新生血管的內(nèi)皮細胞和正常血管內(nèi)皮細胞,促使新生血管的內(nèi)皮細胞發(fā)生凋亡,而正常的視網(wǎng)膜血管內(nèi)皮細胞免受損害[16]。PEDF對新生血管的作用與劑量密切相關,PEDF 的抗血管增生作用是在相對低濃度時實現(xiàn)的。Apte等[17]研究結果顯示,PEDF在較低劑量(0.5~5 μg/mL)下抑制內(nèi)皮細胞遷移和血管形成,高劑量的PEDF(25~50 μg/mL)刺激內(nèi)皮細胞遷移,增強血管形成,并刺激內(nèi)皮細胞的VEGF生成。PEDF作為一種細胞外神經(jīng)營養(yǎng)因子還能通過上調(diào)Bcl-2的表達使神經(jīng)元細胞免受DR狀態(tài)下氧化應激的損害[18]。目前大量研究表明DR患者眼局部PEDF水平明顯低于正常對照組,在PDR患者中表現(xiàn)更為突出,其在機體內(nèi)的具體發(fā)生機制不明。體外細胞培養(yǎng)高葡萄糖可直接下調(diào)RPE細胞的PEDF表達。細胞培養(yǎng)及動物實驗均證實外源性PEDF通過抗氧化特性可以保護AGEs損傷培養(yǎng)的周細胞,但糖尿病狀態(tài)下體內(nèi)的AGEs以及活性氧族(ROS)可抑制視網(wǎng)膜內(nèi)PEDF mRNA的表達,導致PEDF水平下降,加重高糖環(huán)境下的氧化應激損傷,促進血管內(nèi)皮細胞及周細胞損傷、BRB破壞以及新生血管形成。

VEGF與PEDF之間存在一種相互抑制的調(diào)節(jié)機制,一方面視網(wǎng)膜血管內(nèi)皮細胞和 Müller 細胞的VEGF表達在PEDF作用下可被明顯下調(diào),且PEDF可以競爭VEGFR-2受體,抑制VEGF促血管滲漏與新生血管形成的作用;另一方面DR患者的高糖及缺血缺氧狀態(tài)可通過多種途徑誘導VEGF表達升高,高水平的VEGF又明顯下調(diào)PEDF的表達。因此,VEGF與PEDF在視網(wǎng)膜組織內(nèi)的平衡破壞是引發(fā)BRB破壞、新生血管形成的關鍵因素,是導致DR發(fā)生發(fā)展的重要原因。目前抗VEGF已成為治療DR新生血管以及黃斑水腫的一個新熱點,其目的即為抑制DR患者眼部過多的VEGF,以期恢復“血管生成開關”的穩(wěn)定。

3 抗氧化系統(tǒng)與氧化應激產(chǎn)物失衡

人體的抗氧化防御系統(tǒng)由酶類與非酶類抗氧化劑共同構成。前者主要包括超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽過氧化物歧化酶(GSH-PX)、過氧化氫酶(CAT);后者主要包括維生素、微量元素等??寡趸锞哂星宄杂苫?、保護生物膜、阻斷和防止自由基引發(fā)的氧化和過氧化反應的作用。機體在正常情況下正常代謝的化學反應都會產(chǎn)生一些自由基,它們歸屬于ROS與NOS兩大系統(tǒng)。生理量的ROS不僅可以殺傷體內(nèi)的細菌,促進前列腺素、膠原蛋白以及凝血酶原的合成,而且參與肝臟解毒以及細胞分裂的調(diào)節(jié)。然而當機體處于理化損傷與應激狀態(tài)時體內(nèi)會產(chǎn)生大量自由基,自由基與蛋白質(zhì)、核酸和脂質(zhì)等發(fā)生反應,形成各種有害產(chǎn)物。自由基與脂類發(fā)生反應的產(chǎn)物主要有丙二醛(MDA)、共軛二烯、丙烯醛等,其中MDA是最終分解產(chǎn)物,可以作為衡量機體內(nèi)脂質(zhì)過氧化的程度;自由基損傷蛋白質(zhì)的終末產(chǎn)物為晚期蛋白質(zhì)氧化產(chǎn)物(AOPP),是反映蛋白氧化程度的敏感指標[19]。通過測定SOD、GSH-PX、CAT在組織中或血漿中的活性以及MDA、共軛二烯、AOPP等氧化應激產(chǎn)物的含量可反映DR患者機體抗氧化系統(tǒng)的能力以及氧化應激的程度。

高血糖狀態(tài)下可以通過多條通路誘導體內(nèi)氧化應激產(chǎn)物增加,多元醇途徑(PP)、PKC途徑、氨基己糖途徑(HBP)和AGEs及其受體途徑的激活均能影響線粒體呼吸鏈及還原型輔酶Ⅱ(NADPH)的氧化過程,使細胞自由基大量生成的同時也抑制了體內(nèi)抗氧化系統(tǒng)的功能,導致抗氧化酶糖基化、活性降低。由于線粒體超氧化產(chǎn)生的大量自由基將激活聚腺苷二磷酸核糖聚合酶(PARP),PARP影響磷酸甘油醛脫氫酶活性,導致正常的糖酵解途徑受到抑制,從而促發(fā)PP、PKC途徑、HBP和AGEs等異常代謝途徑,形成惡性循環(huán)鏈。氧化應激狀態(tài)是糖尿病慢性并發(fā)癥發(fā)生發(fā)展的一個共同因素,長期高血糖引起眼部組織的氧化應激狀態(tài)致使視網(wǎng)膜血管內(nèi)皮細胞損傷、血管周細胞丟失、基底膜變厚以及視網(wǎng)膜神經(jīng)細胞損傷。高血糖狀態(tài)下葡萄糖的自發(fā)氧化、AGEs的大量生成、抗氧化酶活性降低以及PKC途徑激活NADPH氧化酶等均為線粒體呼吸鏈上超氧化物過度表達的結果。研究表明DM及DR患者血清中抗氧化物的水平顯著降低,而氧化應激產(chǎn)物明顯升高[19]。1、2型糖尿病患者的晚期蛋白質(zhì)氧化產(chǎn)物與正常對照組比較升高顯著,在合并有微血管并發(fā)癥的DM患者血清中升高更為明顯[20]。DR患者存在嚴重的脂質(zhì)過氧化損傷,其體內(nèi)的MDA含量也明顯高于無視網(wǎng)膜病變的DM患者??梢?,氧化應激損傷以及抗氧化能力下降在DR的發(fā)生發(fā)展過程中起著重要的作用。

綜上,視網(wǎng)膜內(nèi)環(huán)境諸多平衡系統(tǒng)的破壞在DR發(fā)生過程中具有十分重要的作用,恢復視網(wǎng)膜內(nèi)環(huán)境動態(tài)平衡有望成為防治DR的有效方法。

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國家自然科學基金項目(81473735)。

謝學軍(E-mail:xxj8848@163.com)

10.3969/j.issn.1002-266X.2017.17.035

R771.3

A

1002-266X(2017)17-0099-04

2016-11-23)

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