任若昕 管懷進 季 敏

糖尿病已成為影響人類健康的主要疾病之一。據(jù)有效數(shù)據(jù)顯示,我國老年2型糖尿病人口占比高達30.0%,且呈上升趨勢[1]。糖尿病性白內(nèi)障(DC)是糖尿病患者的常見并發(fā)癥之一,其嚴重程度受病程和血糖控制情況等影響,且與年齡相關(guān)性白內(nèi)障(ARC)相比,DC發(fā)病年齡相對較小、病情發(fā)展較為迅速,給個體、家庭和社會造成了沉重的負擔[2]。晶狀體是眼球屈光系統(tǒng)的重要組成部分,其前囊膜下晶狀體上皮細胞(LECs)正常的生理功能是維持晶狀體透明的重要因素。研究表明,DC 的發(fā)生與LECs在高糖環(huán)境下發(fā)生葡萄糖代謝紊亂有關(guān)[3]。因此,本研究匯總近年來國內(nèi)外的研究進展,就LECs在高糖環(huán)境下的葡萄糖代謝改變以及高糖對LECs的影響進行綜述。

1 LECs中的葡萄糖代謝

葡萄糖代謝是指葡萄糖在體內(nèi)經(jīng)過一系列分解反應后釋放大量能量以供機體生命活動所用的過程,該過程根據(jù)是否需氧可分為有氧糖酵解和無氧糖酵解[4]。LECs中的葡萄糖代謝主要是無氧糖酵解過程,即房水中的葡萄糖通過擴散和易化轉(zhuǎn)運進入LECs,葡萄糖在多種酶的催化下產(chǎn)生乳酸和三磷酸腺苷(ATP)。

1.1 LECs中的葡萄糖無氧酵解過程及其關(guān)鍵酶LECs攝取的葡萄糖大部分來自于房水,主要通過擴散和易化轉(zhuǎn)運的方式轉(zhuǎn)運入細胞內(nèi)。進入LECs的葡萄糖在己糖基酶(HK)作用下生成葡萄糖-6-磷酸(G6P)后,經(jīng)過磷酸果糖激酶(PFK)和丙酮酸激酶等多種酶作用下轉(zhuǎn)換為丙酮酸,最終在乳酸脫氫酶(LDH)的作用下生成乳酸。僅有很少一部分丙酮酸進入三羧酸循環(huán)產(chǎn)生ATP。

1.1.1 HKHK是葡萄糖無氧酵解第一步的限速酶。HK以HK I和HK II兩種同工酶形式存在于人晶狀體中,且二者對葡萄糖親和力和熱穩(wěn)定性均存在差異。有研究發(fā)現(xiàn),HK活性會隨著晶狀體體積增加而減少,隨著年齡的增加,HK的分布也會發(fā)生變化[5]。此外,HK在紫外線等作用下活性將減弱甚至失活[6]。

1.1.2 PFKPFK是糖酵解過程中的另一限速酶,它以E1和E2兩種同工酶的形式存在于LECs內(nèi),pH值變化可影響其耐熱性。目前研究表明,這兩種同工酶形式可發(fā)生轉(zhuǎn)化,且PFK同HK一樣,年齡增加或中波紫外線照射可以使其活性下降[7-8]。

1.1.3 丙酮酸激酶丙酮酸激酶催化磷酸烯醇丙酮酸為丙酮酸是糖酵解最后一步,此步驟是糖酵解中第二次底物水平磷酸化反應,需要Mg2+和K+參與。LECs中丙酮酸激酶主要以M2亞型存在,具有一定的耐熱性。其活性可受到K+和NH4+濃度調(diào)節(jié),受到ATP抑制,但Mg2+的加入可恢復ATP抑制的丙酮酸激酶活性[9]。

1.2 磷酸戊糖途徑和多元醇通路G6P在LECs中還可通過磷酸戊糖途徑(PPP)進行代謝。此途徑主要是為機體合成代謝提供多種原料。多元醇通路指葡萄糖在醛糖還原酶(AR)和山梨醇脫氫酶(SDH)作用下生成山梨醇和果糖。在正常情況下,葡萄糖通過無氧糖酵解進行代謝,多元醇通路微乎其微,但當機體發(fā)生糖尿病時,房水中葡萄糖含量增高,當HK達到飽和時,多元醇通路將被激活,且該通路激活與DC的發(fā)生發(fā)展有關(guān)[10]。

2 葡萄糖代謝異常對LECs的影響

LECs正常的葡萄糖代謝對晶狀體維持透明尤為重要。當機體發(fā)生糖尿病等全身代謝性疾病時,房水中葡萄糖含量增加,LECs葡萄糖代謝可發(fā)生紊亂,最終晶狀體將發(fā)生混濁[11]。

2.1 LECs中的葡萄糖代謝改變Obrosova等[12]在鏈脲佐菌素(STZ)誘導DC的模型中發(fā)現(xiàn),DC晶狀體中的糖酵解受到抑制,多元醇通路被激活。有學者認為糖酵解抑制現(xiàn)象可能與LECs中糖酵解代謝關(guān)鍵酶減少有關(guān)[13]。由于代謝關(guān)鍵酶受到了不同程度的抑制,使得LECs葡萄糖代謝功能失常,ATP 產(chǎn)生不足,促進細胞的凋亡,進而形成白內(nèi)障。

多元醇通路激活與DC的發(fā)生密切相關(guān)。山梨醇是多元醇通路的代謝產(chǎn)物之一,其生成后將聚集在細胞內(nèi),導致細胞膜通透性增加,造成谷胱甘肽、可溶性蛋白質(zhì)、氨基酸等細胞內(nèi)成分不斷外漏,晶狀體出現(xiàn)囊泡、水隙和板層分離、體積膨脹等現(xiàn)象,最終導致白內(nèi)障發(fā)生[14]。AR是多元醇通路的關(guān)鍵酶之一。有研究表明,DC患者的LECs中AR表達和活性均增強,且晶狀體混濁程度與AR和多元醇水平呈正相關(guān);而將AR敲除后,DC模型中晶狀體中多元醇含量明顯降低,晶狀體透明[15]。

2.2 葡萄糖代謝異常對LECs 細胞膜蛋白的影響LECs在高糖刺激下,葡萄糖代謝發(fā)生改變,這可影響LECs膜表面多種分子通道和轉(zhuǎn)運體表達水平。LECs膜表面有多種轉(zhuǎn)運葡萄糖的通道蛋白,當LECs處于高糖環(huán)境下時,通道蛋白表達水平改變。葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白1(GLUT1)是位于LECs中的主要葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白,是LECs中血-房水屏障的一部分;而GLUT5是人眼部的主要果糖轉(zhuǎn)運體。DC患者的LECs中GLUT1和GLUT5表達均增高[16]。此外,鈉-葡萄糖協(xié)同轉(zhuǎn)運蛋白 2 (SGLT2) 表達水平也增高[16]。LECs膜表面的葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白可能為代償性表達水平增高,可加重LECs葡萄糖代謝紊亂形成惡性循環(huán)。

水通道蛋白(AQPs)是一種具有高滲透性的水通道蛋白家族。APQ1在眼內(nèi)主要表達在LECs上,對維持晶狀體透明至關(guān)重要。有研究表明,高糖可刺激LECs中AQP1表達水平增加,該現(xiàn)象可能與高糖誘導LECs內(nèi)山梨醇聚集有關(guān)[17]。此外,在DC動物模型中敲除AQP5發(fā)現(xiàn),AQP5的缺失可導致LECs微環(huán)境改變,最終引起晶狀體混濁[18]。

Na+-H+交換體1(NHE-1)廣泛分布于哺乳動物組織中,對調(diào)節(jié)細胞內(nèi)pH值起到關(guān)鍵作用。有研究發(fā)現(xiàn),在DC動物模型中,NHE-1表達水平增加且活性增加。NHE-1表達上調(diào)可使葡萄糖轉(zhuǎn)運增加,并激活HK和PFK,由此推測NHE-1 可能參與DC的形成[19]。因此,當機體處于高糖環(huán)境下時,LECs膜表面的多種轉(zhuǎn)運蛋白表達水平改變,這可能是機體對高糖環(huán)境的代償現(xiàn)象,但這些轉(zhuǎn)運蛋白的表達水平長期處于異常狀態(tài)會對LECs產(chǎn)生不良影響,最終導致白內(nèi)障的發(fā)生。

2.3 葡萄糖代謝異常對LECs 細胞脂質(zhì)的影響有研究發(fā)現(xiàn),DC患者晶狀體的脂質(zhì)過氧化(LPO)和丙二醛(MDA) 水平明顯高于非DC患者,并認為此現(xiàn)象可能與葡萄糖氧化和蛋白質(zhì)的非酶糖基化有關(guān)[20]。齊艷秀等[21]通過外源性給予丙酮酸改善了此現(xiàn)象,出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因可能有2點:其一,丙酮酸直接或間接減少了高糖誘導的自由基,具有輕度抗自由基損傷的作用;其二,丙酮酸可促進ATP的生成,具有改善能量代謝的作用。

2.4 葡萄糖代謝異常對 LECs 內(nèi)蛋白的影響

2.4.1 結(jié)構(gòu)蛋白晶狀體蛋白是晶狀體中特有的蛋白質(zhì),占晶狀體可溶性蛋白的90%,其空間排列順序?qū)τ诰S持晶狀體的透明至關(guān)重要。而當LECs處于高糖環(huán)境下時,晶狀體蛋白表達也會有所改變,1型DC(T1DC)晶狀體內(nèi)主要以γB-晶狀體蛋白增多為主,2型DC(T2DC)主要以αB-晶狀體蛋白增多為主[22]。

高糖還可使晶狀體蛋白發(fā)生糖基化修飾增加,最終會形成大量相對不溶的高分子量聚集體,影響晶狀體的透明度和屈光作用。早期研究發(fā)現(xiàn),不同晶狀體蛋白對非酶糖基化反應敏感度不同,且晶狀體混濁程度與晶狀體蛋白發(fā)生非酶糖基化水平有關(guān)[23]。最近研究發(fā)現(xiàn),晶狀體蛋白發(fā)生非酶糖基化與賴氨酸密切相關(guān),且在體內(nèi)和體外發(fā)生非酶糖基化的結(jié)合位點不同[24]。

α-晶狀體蛋白是小熱休克蛋白(sHsp)家族的代表性成員,具有分子伴侶作用,對維持晶狀體透明性有一定保護作用。高糖可導致α-晶狀體蛋白分子伴侶的活性降低,功能會發(fā)生改變,最終導致白內(nèi)障的發(fā)生[25]。最新研究發(fā)現(xiàn),ATP具有防止晶狀體蛋白聚集作用,該作用與ATP濃度呈正相關(guān),與α-晶狀體蛋白、γS-晶狀體蛋白有關(guān)[26]。

總之,在高糖環(huán)境下,過量的葡萄糖進入LECs,晶狀體蛋白表達水平將發(fā)生改變,且晶狀體蛋白發(fā)生非酶糖基化反應增強,導致其功能發(fā)生改變,其中α-晶狀體蛋白伴侶活性在此過程中尤為重要。此外,高糖誘導LECs發(fā)生葡萄糖代謝紊亂,導致丙酮酸和ATP生成減少,將使二者對晶狀體的保護作用減弱。

2.4.2 功能蛋白高糖可誘導LECs產(chǎn)生氧化應激損傷。有研究證明,高糖可導致LECs中氧化應激物質(zhì)表達增加,抗氧化應激物質(zhì)減少,最終導致晶狀體透明度改變[27]。高糖還可誘導LECs內(nèi)Ca2+濃度升高,激活鈣調(diào)蛋白激酶系統(tǒng)。有研究發(fā)現(xiàn),瞬時受體電位香草醛2(TRPV2)在DC患者的LECs中呈高表達水平,且可誘導LECs凋亡[28]。此外,Du等[29]研究發(fā)現(xiàn),高糖誘導的LECs中高Ca2+環(huán)境可誘導其發(fā)生上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化(EMT)發(fā)生。

在高糖環(huán)境下,LECs內(nèi)的細胞凋亡相關(guān)基因和蛋白表達水平發(fā)生改變,Bcl2等抑制凋亡基因和蛋白表達水平降低、Bax等促凋亡基因和蛋白表達水平升高[30]。高糖還可誘導LECs自噬水平異常。Liu等[27]研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)高糖培養(yǎng)的LECs的自噬體形態(tài)增大,可包裹多個線粒體,且自噬相關(guān)蛋白表達與高糖刺激的時間長短有關(guān),即早期細胞自噬增強,但在長期高糖環(huán)境下,細胞自噬會被阻斷。此外,有研究發(fā)現(xiàn),外源性給予丙酮酸鹽可以逆轉(zhuǎn)高糖誘導的自噬抑制[31]。

細胞焦亡是一種由半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶 1(caspase-1)介導的,gasdermin D蛋白(GSDMD)來執(zhí)行的程序性細胞死亡。既往研究發(fā)現(xiàn),caspase-1和白細胞介素1β(IL-1β)通路參與了ARC的發(fā)生[32]。滕賀等[33]研究發(fā)現(xiàn),DC患者的前囊膜LECs中Nod樣受體蛋白 3(NLRP3)、caspase-1、GSDMD mRNA和蛋白表達水平均高于非DC患者,而且DC患者房水中IL-1β和IL-18表達水平也高于非DC患者。由此可見,caspase-1介導的LECs焦亡以及焦亡導致的炎性介質(zhì)釋放可能參與了DC的發(fā)生和發(fā)展。Xie等[34]研究發(fā)現(xiàn),DC患者LECs的細胞焦亡水平與糖尿病病程、血糖控制情況和是否發(fā)生DR及 DR 程度有一定的相關(guān)性。目前關(guān)于細胞焦亡在DC的發(fā)生發(fā)展中的具體作用還需進一步研究。

鐵死亡是用于描述一種基于脂質(zhì)的活性氧物質(zhì)的積累引起的鐵依賴性調(diào)節(jié)形式的細胞死亡,它與鐵過載和LPO有密切關(guān)系,其特征性形態(tài)學改變?yōu)榫€粒體體積縮小、線粒體嵴減少或消失、線粒體膜密度濃縮等細胞器形態(tài)學改變[35]。在老年人和白內(nèi)障患者的晶狀體中存在LPO水平升高和氧化還原活性鐵累積現(xiàn)象[20]。這有力地支持了晶狀體老化和白內(nèi)障發(fā)生過程中可能存在的鐵死亡。Wei等[36]在2021年首次發(fā)現(xiàn)了衰老的LECs對鐵死亡更為敏感,即LECs對鐵死亡的敏感程度與年齡有關(guān),并認為這種現(xiàn)象與脂質(zhì)過氧化隨年齡增加而升高有關(guān)。由于此現(xiàn)象僅存在于動物實驗和細胞實驗中,人晶狀體中是否存在此現(xiàn)象還有待進一步探究。

2.5 葡萄糖代謝異常對LECs核酸的影響在白內(nèi)障患者中,DNA損傷的研究大多以ARC為主,DC研究較少。早期研究顯示,高糖可加重并加速LECs的DNA損傷,這并非直接因素,但長期高糖可導致DNA損傷且更加嚴重。Palsamy等[37]研究發(fā)現(xiàn),DC患者的晶狀體中抗氧化應激Keap1基因的去甲基化水平明顯增高,導致機體抗氧化能力減弱,這可能與DC發(fā)生發(fā)展有關(guān)。

近年來,非編碼RNA如微小RNA(miRNA)、長鏈非編碼RNA(lncRNA)等在DC領(lǐng)域被廣泛報道,它們具有不同的表達水平和作用。與自噬相關(guān)的miR-30,其在DC患者的LECs中表達水平降低[38]。在DC患者的LECs中有多種與細胞凋亡相關(guān)的miRNA和lncRNA表達水平也發(fā)生了改變,miR-29a、miR-29c、 lncRNA NEAT1表達水平降低,而miR-211、lncRNA MALAT 1、lncRNA PVT1表達水平升高[39-42]。此外,高糖可誘導LECs中有關(guān)EMT的miRNA和 lncRNA發(fā)生改變,在高糖誘導下,LECs中的miR-199a、miR-30a表達顯著下調(diào),lncRNA MALAT 1表達顯著上調(diào)[40,43-44]。

環(huán)狀RNA(circRNA)是通過具有共價閉環(huán)結(jié)構(gòu)的反向剪接機制產(chǎn)生的,其可充當miRNA海綿發(fā)揮作用,還可調(diào)節(jié)基因表達和表觀遺傳修飾。有研究發(fā)現(xiàn),circKMT2E表達在DC中上調(diào),并與miR-204-5p海綿功能相關(guān)[45]。CircPAG1表達在DC中顯著下調(diào),充當miR-211-5p 的海綿發(fā)揮作用,影響LECs細胞增殖和凋亡[46]。此外,Yang等[47]研究發(fā)現(xiàn),circPAG1還可以充當miR-630海綿作用,抑制高糖誘導的LECs損傷。

2.6 葡萄糖代謝異常對 LECs細胞外基質(zhì)的影響細胞外基質(zhì)(ECM)是一類存在于細胞間,由膠原蛋白、蛋白聚糖及糖蛋白等大分子物質(zhì)組成的動態(tài)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[48]。正常LECs的ECM主要為Ⅳ型膠原蛋白,而高糖可誘導LECs的ECM成分發(fā)生變化。

DC患者的E-鈣黏蛋白表達下調(diào),N-鈣黏蛋白表達上調(diào),而α-平滑肌肌動蛋白和波形蛋白表達上調(diào)[45,49]。ECM蛋白分子結(jié)構(gòu)和功能各不相同,其改變可通過不同的作用機制使LECs發(fā)生黏附、移行等生物學行為變化,導致LECs發(fā)生EMT,最終引起晶狀體發(fā)生混濁。

3 結(jié)束語

DC是糖尿病最重要的慢性眼部并發(fā)癥之一。目前國際上公認的發(fā)病機制理論包括滲透壓學說、蛋白質(zhì)糖基化學說和氧化應激學說,這些學說均認為LECs長期處于高糖環(huán)境下出現(xiàn)的葡萄糖代謝紊亂在DC的形成中至關(guān)重要。本文探討了當LECs出現(xiàn)葡萄糖代謝紊亂后由外至內(nèi)發(fā)生的一系列的病理改變,如細胞膜通道蛋白改變、細胞膜脂質(zhì)過氧化、結(jié)構(gòu)蛋白和功能蛋白改變等現(xiàn)象,最終可導致DC發(fā)生。目前針對LECs葡萄糖代謝的研究大多圍繞多元醇通路展開,如應用AR抑制劑延緩或阻止DC發(fā)生,但是由于AR抑制劑的種類繁多,且化學結(jié)構(gòu)尚未明確,存在一定的臨床局限性。丙酮酸鹽可以通過局部用藥發(fā)揮作用來改善LECs葡萄糖代謝,并有望成為新的DC治療靶點,但由于這部分研究數(shù)量較少,還需進一步深入研究?？偠灾?通過改善LECs葡萄糖代謝,進而尋求防治 DC的靶點,有望為提升患者生存質(zhì)量提供新思路。