青光眼視神經(jīng)壓力損傷相關(guān)分子機制研究進展

顏繁誠 王寧利

(1. 中南大學愛爾眼科學院，長沙 410015；2. 首都醫(yī)科大學附屬北京同仁醫(yī)院 北京同仁眼科中心 北京市眼科研究所 眼科學與視覺科學北京市重點實驗室，北京 100730)

· 眼病診療新技術(shù) ·

青光眼視神經(jīng)壓力損傷相關(guān)分子機制研究進展

顏繁誠1王寧利2*

(1. 中南大學愛爾眼科學院，長沙 410015；2. 首都醫(yī)科大學附屬北京同仁醫(yī)院 北京同仁眼科中心 北京市眼科研究所 眼科學與視覺科學北京市重點實驗室，北京 100730)

青光眼是一組具有特征性視神經(jīng)損害及視野缺損，且以視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞死亡為病理改變的疾病，是全球最常見的不可逆性致盲眼病。目前有關(guān)視神經(jīng)損害的機制并不完全清楚，臨床上亦缺乏有效的視神經(jīng)保護治療方法，尤其缺乏從分子水平提高視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞對抗壓力損害的干預(yù)方式。因此探討視神經(jīng)壓力損傷的分子機制，比如經(jīng)機械應(yīng)力信號通路和炎性反應(yīng)因素引起的視網(wǎng)膜繼發(fā)性損傷機制等成為本領(lǐng)域研究熱點。本文就上述研究進展進行綜述。

視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞；腫瘤壞死因子-α；整合素

青光眼是全球第一位不可逆致盲性眼病[1]。據(jù)推算，2020年全球青光眼病人將增至7 960萬[2]。美國每年直接用于青光眼治療的費用高達28.6億美元[3]。我國目前尚無青光眼相關(guān)治療費用的統(tǒng)計，依據(jù)我國青光眼病人數(shù)量約為美國的5～6倍推算[4-5]，如果對我國所有青光眼病人都進行治療，直接的治療費用可達150～180億美元。深入了解青光眼的發(fā)病機制，研發(fā)有效的青光眼診斷和治療方案，具有非常重要的社會和經(jīng)濟意義。

青光眼是一組以視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞(retinal ganglion cells, RGCs)及其軸突進行性丟失為特征的視神經(jīng)變性疾病，主要表現(xiàn)為進行性的視神經(jīng)損傷、萎縮和視野缺損[6]。青光眼主要分為原發(fā)性閉角型青光眼(primary angle-closure glaucoma，PACG)和原發(fā)性開角型青光眼(primary open-angle glaucoma，POAG)兩類。PACG主要因房角關(guān)閉導致房水外流受阻、眼壓升高損害視神經(jīng)，其發(fā)病機制較為明確。而POAG占我國青光眼病人總數(shù)的74%，其發(fā)病原因至今未明[2]。

目前臨床上某些POAG病人眼壓盡管控制在正常范圍，但視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞仍持續(xù)的損害丟失。正常眼壓類型的青光眼病人，進一步降低眼壓缺乏有效治療藥物。因此，探索青光眼視神經(jīng)損害分子機制，從分子水平為視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞對抗壓力損害探尋干預(yù)靶點成為多青光眼學者的迫切需求。

1 炎性反應(yīng)免疫因素

青光眼視神經(jīng)損傷主要分為原發(fā)性損傷和繼發(fā)性損傷兩類，其中炎性反應(yīng)免疫因素是繼發(fā)性損傷機制中的主要因素，主要包括細胞表面非選擇性跨膜通道蛋白泛連接蛋白介導炎性反應(yīng)發(fā)生、腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α, TNF-α)在青光眼損害中的相關(guān)通路機制以及核轉(zhuǎn)錄因子-κB(nuclear factor-κB, NF-κB)在青光眼調(diào)節(jié)炎性反應(yīng)及免疫反應(yīng)的作用等方面。

泛連接蛋白主要參與組成非選擇性跨膜通道。在受到壓力因素刺激時，泛連接蛋白除了介導鈣離子內(nèi)移及對ATP增強滲透性以外，還具有介導炎性反應(yīng)的作用[7-9]。在泛連接蛋白敲除的動物模型中，由泛連接蛋白調(diào)節(jié)的caspase-1及炎性反應(yīng)相關(guān)因子——白介素-1β(interleukin-1β, IL-1β)和白介素-18(interleukin-18, IL-18)激活調(diào)控停止，從而影響白介素分泌至細胞外參與炎性反應(yīng)的發(fā)生[10-12]。有研究[13]證實，大量表達泛連接蛋白1的視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞對一些病理性或促炎性反應(yīng)刺激而產(chǎn)生的神經(jīng)毒性反應(yīng)尤為敏感。其調(diào)節(jié)神經(jīng)毒性的作用，可以通過內(nèi)源性神經(jīng)元炎性反應(yīng)小體介導加強[10,13]。而在泛連接蛋白1敲除的老鼠模型中，當對其進行神經(jīng)損傷干預(yù)后，此類動物表現(xiàn)出較強的神經(jīng)保護作用，進一步證實其可介導神經(jīng)元損害的作用[14-15]。

TNF-α是視網(wǎng)膜介導炎性反應(yīng)的一類重要因子。已有研究[16-19]表明，青光眼病人視網(wǎng)膜和視神經(jīng)中由膠質(zhì)細胞分泌的TNF-α增多，通過TNF受體信號通路而導致RGCs死亡。TNF受體主要包括2種亞型：腫瘤壞死因子受體1(tumor necrosis factor receptor 1,TNFR1)和腫瘤壞死因子受體2(tumor necrosis factor receptor 2, TNFR2)。其中，TNFR1在青光眼神經(jīng)退行性病變及炎性反應(yīng)中起到作用，原因與其受體本身包含位于細胞內(nèi)段的死亡結(jié)構(gòu)域有關(guān)，該死亡結(jié)構(gòu)域可以介導細胞的凋亡[16]。近期視網(wǎng)膜蛋白質(zhì)組學的研究[18]顯示，在青光眼病人視網(wǎng)膜中TNFR介導的凋亡通路及其他炎性反應(yīng)信號通路被大量激活，TNF-α、TNFR1顯著增高，通路下游的相互作用蛋白，如TNFR1相關(guān)死亡結(jié)構(gòu)域(tnf receptor associated death domain, TRADD)、TNFR相關(guān)因子家族以及在TNF-α/TNFR1信號通路中相關(guān)的蛋白激酶均升高，進一步確認了TNF-α在青光眼RGCs損害中的重要作用。

NF-κB是TNF受體激活后的細胞內(nèi)下游通路蛋白[20]。研究[18-19]顯示，青光眼病人視網(wǎng)膜特異性蛋白激酶的表達主要是NF-kB激活通路相關(guān)蛋白，主要包括受體相互作用蛋白激酶(receptor interacting protein kinase,RIPK)，NF-κB誘導的激酶抗體(nuclear factor-kappa B-inducing kinase, NIK)等。Yang等[18-19]發(fā)現(xiàn)青光眼病人視網(wǎng)膜中TNF-α/TNFR1通路中相關(guān)上下游的蛋白除了表達量增多，其中NF-κB作為一個調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)器也被激活，由此可見，NF-κB通路在青光眼性神經(jīng)元退行性變中是TNFR介導促炎性反應(yīng)通路中重要環(huán)節(jié)，可將其作為治療青光眼繼發(fā)性損傷的首選靶點進行后續(xù)研究[21-22]。

2 機械應(yīng)力信號通路與青光眼

細胞表面存在對機械應(yīng)力敏感的受體，這些受體能將所感應(yīng)的機械力信號通過細胞表面特殊的分子通道傳遞至胞內(nèi)不同結(jié)構(gòu)部件上，實現(xiàn)力化學轉(zhuǎn)化，從而調(diào)節(jié)細胞的生理機能，對細胞產(chǎn)生生物學影響，其主要包括整合素(integrin)系統(tǒng)和離子通道系統(tǒng)[23]。

已有實驗證據(jù)[24-25]表明，視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞的膜表面具有機械應(yīng)力感受受體，主要包括離子通道和整合素，這些受體可以感受壓力的變化，促進細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導，引發(fā)細胞相關(guān)生物學反應(yīng)，有可能是青光眼壓力相關(guān)的視神經(jīng)損害分子機制之一。

整合素是一種細胞膜表面受體，其通過細胞內(nèi)骨架蛋白與細胞外環(huán)境產(chǎn)生聯(lián)系，并且參與很多細胞內(nèi)的信號轉(zhuǎn)導通路[26]。相關(guān)的配體主要為細胞外基質(zhì)(extracellular matrix, ECM)蛋白, 如膠原蛋白、纖粘連蛋白、層粘連蛋白等。所有的整合素均是非共價鍵鏈接，異質(zhì)二聚體包含2個亞組，分別是α和β，每組α、β的組合都有特殊的作用模式。大部分的整合素分別只識別幾種細胞外基質(zhì)蛋白，與此相反，各種細胞外基質(zhì)蛋白都能分別結(jié)合多種整合素。整合素的細胞外結(jié)合能力是細胞由內(nèi)到外的信號傳導進行調(diào)節(jié)的，而細胞外基質(zhì)結(jié)合能力的引導信號由細胞外向內(nèi)傳導[27]。

研究[28-30]顯示，當神經(jīng)元細胞受到外力時，細胞外基質(zhì)等跨膜粘連蛋白與細胞表面整合素受體結(jié)合，形成細胞外基質(zhì)-局部粘連復(fù)合體-細胞骨架網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，細胞內(nèi)外的機械-生物信號轉(zhuǎn)換由此傳導：細胞內(nèi)聚集黏附激酶(focal adhesion kinase, FAK)磷酸化，激活RAS蛋白、絲裂原活化蛋白激酶(mitogen activated protein kinase, MAPK)途徑，進而通過細胞骨架調(diào)節(jié)蛋白或胞內(nèi)信號通路分子，調(diào)節(jié)細胞骨架蛋白(F-肌動蛋白、肌球蛋白、波形蛋白等)，導致細胞骨架重塑，功能細胞器位置異常，最終引發(fā)細胞生命活動變化。同時FAK磷酸化可激活磷脂酰三磷酸肌醇(phosphoinositide 3-kinase, PI3K)和絲氨酸蘇氨酸蛋白激酶信號通路，調(diào)控線粒體BclXL的蛋白表達，從而調(diào)節(jié)線粒體啟動細胞凋亡途徑。

Vecino等[31]研究顯示，在不同類別細胞外基質(zhì)中培養(yǎng)的RGCs，胞體及軸突生長的速率并不一致，而且不同種類的RGCs對相同的細胞外基質(zhì)的反應(yīng)亦不相同，說明RGCs表面的整合素對不同種類的細胞外基質(zhì)的反應(yīng)并不相同。提示未來研究與整合素通路傳導相關(guān)的神經(jīng)節(jié)細胞損害機制要注意區(qū)別不同種類的RGCs。除了RGCs和整合素的相關(guān)研究，Morrison等[32]還觀察了整合素在視盤周圍的分布及定位，發(fā)現(xiàn)整合素的一些亞型在視盤周圍的星形膠質(zhì)細胞、小膠質(zhì)細胞及血管內(nèi)皮細胞上均有表達，提示整合素的不同亞型其作用也是不盡相同的。

離子通道(ion channel)廣泛存在于生命體中，在多種生命活動中發(fā)揮重要作用，這其中包括了一部分應(yīng)力敏感離子通道，例如瞬時感受器電位香草酸受體4(transient receptor potential vanilloid 4, TRPV4)、P2X7受體(P2X7 receptor, P2X7R)等。已有研究[24]顯示離子通道受體在視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞表面作為相應(yīng)的機械應(yīng)力感受器及效應(yīng)器，在各種化學及物理的刺激下發(fā)揮調(diào)節(jié)滲透及多種調(diào)節(jié)分子的整合功能。其中在壓力增高作用下，壓力敏感離子相關(guān)通道蛋白開放，促使細胞內(nèi)相應(yīng)離子濃度迅速增高(如Ca2+)，可促使大量ATP向細胞外釋放，最終導致線粒體耗竭。同時，細胞內(nèi)較高濃度的Ca2+激活細胞凋亡相關(guān)基因發(fā)生轉(zhuǎn)錄，如P53等。

當前對青光眼的治療方式仍然局限于降低眼壓等物理影響因素，缺乏從分子水平提高視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞對抗壓力損害的治療方式。因此探討壓力相關(guān)的損害傳導機制以及因機械應(yīng)力感受器和炎性反應(yīng)因素引起的視網(wǎng)膜繼發(fā)性損傷機制成為本領(lǐng)域研究熱點。如上所述，整合素的不同構(gòu)型在RGCs中的作用以及與其他信號分子之間的相互作用等，仍需要進一步研究。細胞應(yīng)力引起細胞內(nèi)離子濃度波動的機制是復(fù)雜且多方面的，雖然在鈣離子濃度變化的機制研究中取得一些進展，但由離子通道信號轉(zhuǎn)導引起的視神經(jīng)繼發(fā)性損傷機制也需要進一步研究。同時，視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞和相關(guān)周圍細胞如血管內(nèi)皮細胞、星形膠質(zhì)細胞、Müller細胞和小膠質(zhì)細胞之間的相互影響也需要重點考慮。希望為青光眼視神經(jīng)損害機制提供新的理論基礎(chǔ)，從分子水平為視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞對抗壓力梯度損害探尋干預(yù)靶點。

[1] 葛堅. 我國近五年青光眼臨床與基礎(chǔ)研究進展[J]. 中華眼科雜志, 2005, 41(8):710-716

[2] Quigley H A, Broman A T. The number of people with glaucoma worldwide in 2010 and 2020[J]. Br J Ophthalmol, 2006, 90(3):262-267.

[3] Rein D B, Zhang P, Wirth K E,et al. The economic burden of major adult visual disorders in the United States[J]. Arch Ophthalmol, 2006, 124(12):1754-1760.

[4] Liang Y B, Friedman D S, Zhou Q,et al. Prevalence of primary open angle glaucoma in a rural adult Chinese population: the Handan eye study[J]. Invest Ophthalmol Vis Sci, 2011, 52(11):8250-8257.

[5] Liang Y, Friedman D S, Zhou Q,et al. Prevalence and characteristics of primary angle-closure diseases in a rural adult Chinese population: the Handan Eye Study[J]. Invest Ophthalmol Vis Sci, 2011, 52(12):8672-8679.

[6] Kwon Y H, Fingert J H, Kuehn M H,et al. Primary open-angle glaucoma[J]. N Engl J Med, 2009, 360(11):1113-1124.

[7] Choi H J, Sun D, Jakobs T C.Astrocytes in the optic nerve head express putative mechanosensitive channels[J].Mol Vis， 2015，21:749-866.

[8] Sluyter R, Vine K L.N-Alkyl-substituted isatins enhance P2X7 receptor-induced interleukin-1β release from murine macrophages[J].Mediators Inflamm， 2016，2016:2097219.

[9] Gajardo-Gómez R, Labra V C, Orellana J A. Connexins and pannexins: new insights into microglial functions and dysfunctions[J].Front Mol Neurosci， 2016，9:86.

[10]Brickler T, Gresham K, Meza A,et al. Nonessential role for the NLRP1 inflammasome complex in a murine model of traumatic brain injury[J]. Mediators Inflamm， 2016，2016:6373506

[11]Chi W, Chen H, Li F, et al. HMGB1 promotes the activation of NLRP3 and caspase-8 inflammasomes via NF-κB pathway in acute glaucoma[J]. J Neuroinflammation， 2015，12:137.

[12]Bronner D N, Abuaita B H, Chen X, et al. Endoplasmic reticulum stress activates the inflammasome via NLRP3-and Caspase-2-driven mitochondrial damage[J]. Immunity， 2015，43(3):451-462.

[13]Silverman W R, de Rivero Vaccari J P, Locovei S, et al. The pannexin 1 channel activates the inflammasome in neurons and astrocytes[J]. J Biol Chem, 2009, 284(27):18143-18151.

[14]Stewart A P, Smith G D, Sandford R N, et al. Atomic force microscopy reveals the alternating subuni arrangement of the TRPP2-TRPV4 heterotetramer[J]. Biophys J, 2010,99(3):790-797.

[15]Adalbert R, Coleman M P. Review: Axon pathology in age-related neurodegenerative disorders[J]. Neuropathol Appl Neurobiol, 2013,39(2):90-108.

[16]Tezel G. TNF-alpha signaling in glaucomatous neurodegeneration[J]. Prog Brain Res, 2008,173:409-421.

[17]Tezel G, Wax M B. Increased production of tumor necrosis factor-alpha by glial cells exposed to simulated ischemia or elevated hydrostatic pressure induces apoptosis in cocultured retinal ganglion cells[J]. J Neurosci, 2000, 20(23):8693-8700.

[18]Yang X, Luo C, Cai J, et al. Neurodegenerative and inflammatory pathway components linked to TNF-alpha/TNFR1 signaling in the glaucomatous human retina[J]. Invest Ophthalmol Vis Sci, 2011,52(11):8442-8454.

[19]Tezel G, Yang X, Luo C, et al. An astrocytespecific proteomic approach to inflammatory responses in experimental rat glaucoma[J]. Invest Ophthalmol Vis Sci, 2012,53(7):4220-4233.

[20]Ogura Y, Sutterwala F S, Flavell R A. The inflammasome: first line of the immune response to cell stress[J]. Cell, 2006,126(4):659-662.

[21]Harari O A, Liao J K. NF-kappaB and innate immunity in ischemic stroke[J]. Ann N Y Acad Sci， 2010,1207:32-40.

[22]Hayden M S, Ghosh S. Shared principles in NF-kappaB signaling[J]. Cell, 2008，132(3):344-362.

[23]Qiu J, Zheng Y, Hu J, et al. Biomechanical regulation of vascular smooth muscle cell functions: from in vitro to in vivo understanding[J]. J R Soc Interface,2013,11(90):20130852.

[24]Kri?aj D, Ryskamp D A, Tian N, et al. From mechanosensitivity to inflammatory responses:new players in the pathology of glaucoma[J]. Curr Eye Res， 2014,39(2):105-119.

[25]Santos A R, Corredor R G, Obeso B A, et al. β1 integrin-focal adhesion kinase (FAK) signaling modulates retinal ganglion cell (RGCs) survival[J]. PLoS One， 2012，7(10):e48332.

[26]Long K, Moss L, Laursen L,et al. Integrin signalling regulates the expansion of neuroepithelial progenitors and neurogenesis via Wnt7a and Decorin [J]. Nat Commun， 2016，7:10354.

[27]Giancotti F G, Ruoslahti E. Integrin signaling [J]. Science, 1999,285(5430):1028-1032.

[28]Graham D M, Burridge K. Mechanotransduction and nuclear function[J].Curr Opin Cell Biol， 2016，40:98-105.

[29]Baker E L, Zaman M H. The biomechanical integrin[J]. J Biomech， 2010，43(1):38-44.

[30]Hynes R O . Integrins: bidirectional, allosteric signaling machines [J]. Cell, 2002, 110(6):673-687.

[31]Vecino E, Heller J P, Veiga-Crespo P, et al. Influence of extracellular matrix components on the expression of integrins and regeneration of adult retinal ganglion cells [J]. PLoS One, 2015, 10(5):e0125250.

[32]Morrison J C. Integrins in the optic nerve head: potential roles in glaucomatous optic neuropathy (an American Ophthalmological Society thesis) [J]. Trans Am Ophthalmol Soc, 2006,104:453-477.

編輯 孫超淵

Progress in the molecular mechanism of optic nerve damage caused by stress in glaucoma

Yan Fancheng1, Wang Ningli2*

(1.AierSchoolofOphthalmology,CentralSouthUniversity,Changsha410015,China; 2.BeijingInstituteofOphthalmology,BeijingTongrenEyeCenter,BeijingTongrenHospital,CapitalMedicalUniversity；BeijingOphthalmology&VisualSciencesKeyLaboratory,Beijing100730,China)

Glaucoma is a disease characterized by optic nerve damage, visual field defect, and retinal ganglion cells (RGCs) death，which is one of the most common irreversible blinding eye disease in the world. However, the mechanism of the optic nerve damage is not clear. By now, there are no effective clinical neuroprotective treatment methods, especially it was proposed that intervention mode through the RGCs confront against the stress-related damage through molecular methods should be developed. So to explore molecular mechanisms of stress-related damage, such as mechanosensitivity signaling pathways and inflammatory factors of retinal secondary damage mechanism, are becoming hot spots in this field of research. This article summarizes the research progress in the above mentioned fields.

retinal ganglion cells; tumor necrosis factor-α; integrin

國家自然科學基金(81470635)，中南大學中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金(2016zzts162)。This study was supported by National Natural Science Foundation of China (81470635)， Fundamental Research Funds for the Central Universities of Central South University(2016zzts162)。

時間：2017-01-17 23∶54

http://www.cnki.net/kcms/detail/11.3662.R.20170117.2354.048.html

10.3969/j.issn.1006-7795.2017.01.008]

R 77

2016-09-10)

*Corresponding author， E-mail： wningli@vip.163.com