炎癥因子在圓錐角膜發病機制中的研究進展

蘇渲迪，汪阿美，張文芳

0引言

圓錐角膜(keratoconus,KC)的特征是角膜結構逐漸變薄和衰退，因此KC通常被定義為退行性非炎癥性角膜病。由于KC患者的眼睛通常不會顯示炎癥跡象，如眼紅、角膜水腫或明顯的血管形成，所以以往認為KC與其他經典炎癥疾病無關。然而，最新的研究已經將一些炎癥分子與KC聯系起來并對其深入研究，在病理生理學中提出各種炎癥因子在眼睛摩擦、隱形眼鏡磨損和紫外線照射中都可引起角膜微環境免疫性的特定變化[1]，它們引起炎癥的作用是圓錐角膜炎癥性質的一個方面[2]，另一方面，KC的發病機制還與患者的淚液中促炎性細胞因子的過度表達有關[3]，并且增加遺傳和環境因素風險[4-5]。遺傳易感性和環境觸發因素(如眼睛摩擦和配戴隱形眼鏡)在圓錐角膜發展過程中的相互作用可能是了解炎癥在圓錐角膜病理生理學中作用的關鍵。現就KC發病機制中炎癥因子的作用進行綜述。

1炎癥性疾病與KC發病機制的關聯性

由于KC與各種慢性炎癥性疾病如類風濕性關節炎、潰瘍性結腸炎和特應性疾病(包括哮喘)之間存在異乎尋常的強關聯，KC中免疫通路的失調可以進一步得到認識。據Nemet等[6]報道KC與過敏性免疫疾病以及自身免疫性疾病之間存在很強的關聯性，為KC和炎癥之間的相互關系增加證據，免疫通路的失調進一步得到共識。

2眼摩擦中炎癥因子對KC損傷機制

眼摩擦是KC發生和發展的一個成熟危險因素，它涉及多個途徑，包括炎癥的刺激[7]，通過摩擦，KC造成的上皮微損傷會使由上皮細胞和基質細胞分泌的基質金屬蛋白酶MMP-1和MMP-13以及炎癥介質包括IL-6和腫瘤壞死因子(TNF-α)水平升高[8]，這些因子的釋放導致KC發病進展。這一過程包括由于IL-1水平升高而導致的上皮細胞凋亡以及隨后基質細胞的喪失(詳見下文)。Balasubramanian等[7]提出KC炎性分子可能與眼睛摩擦和圓錐角膜之間有因果關系，選取一組無此病史的志愿者，也沒有配戴隱形眼鏡，要求他們在60s內以可控的方式摩擦眼睛。在眼睛摩擦前后收集到基底淚液，結果發現，摩擦后MMP-13、IL-6和TNF-α的水平明顯升高。作者得出結論，長時間的習慣性眼部摩擦會加重這些炎癥標志物的表達，并有助于KC的進展。在KC患者中常見持續眼部摩擦，導致角膜內的剪切應力和靜水壓力增加，這也會引發炎癥，可能通過持續升高的蛋白酶、炎癥介質和蛋白酶活性水平而導致疾病的發展。

3紫外線照射中炎癥因子對KC的影響作用

多年來，紫外線被認為是導致圓錐角膜發病的成熟的危險因素。紫外線也能導致DNA 的損傷從而啟動角膜上皮細胞的凋亡程序[9],因為KC無法處理活性氧(ROS)，導致角膜降解、變薄和視力喪失。角膜上皮細胞在正常眼睛中對紫外線照射產生多種促炎細胞因子[10]。與正常角膜相比，圓錐角膜處理活性氧的能力下降，導致圓錐角膜能增加活性氧種類和氧化損傷[11]。導致這種增加的原因可能是，活性氧在紫外線照射(以及眼摩擦和過敏狀態)下的積累[11]，紫外線輻射通過角膜厚度傳播時逐漸被吸收。圓錐角膜視錐區的內皮細胞可能暴露于更高的紫外線水平。與正常角膜相比[11]， 圓錐角膜的氧化損傷有所增加，可能與角膜變薄以及紫外線輻射損傷導致角膜敏感性增加有關。此外，上皮細胞對紫外線的反應產生的促炎細胞因子的輻射可能導致KC的其他炎癥過程。

4配戴角膜塑形鏡中炎癥因子對KC的作用機制

因為角膜稀缺性，硬性接觸鏡的配戴成為圓錐角膜目前最常規的治療方法。與隱形眼鏡配戴相關的角膜血管化可能是炎癥介質濃度增加的結果，隨著配戴時間的延長，會面臨炎癥介質濃度增加的風險。這對KC患者來說不可忽視，因為他們對隱形眼鏡的依賴，可能比非KC患者的時間更長。有報道稱，用于治療輕度至中度KC的隱形眼鏡會導致KC患者眼淚中促炎細胞因子升高。并且，與KC密切相關的隱形眼鏡磨損會升高KC患者淚液中IL-6的水平[12]。

5炎癥因子在KC中的異常表達

5.1IL-1IL-1家族的細胞因子由超過10個成員組成，其中IL-1α和IL-1β具有強烈的促炎癥作用。 IL-1α和IL-1β具有多種免疫功能，參與促進各種促炎細胞因子，以及在病毒、細菌和真菌感染過程中調節炎性細胞的細胞生長、分化和運動。 在幾個KC群體中已經報道了與IL-1基因簇相關的遺傳易感性基因[13]。此外，漢族患者中IL-1α基因與KC有關[14]。事實上，KC增加了IL-1α和IL-1β表達， 來自KC患者的成纖維細胞顯示IL-1α受體的表達升高[15]。一般來說，角膜上皮損傷或組織損傷或凋亡后分泌IL-1。IL-1α和IL-1β都能誘導角膜內皮細胞凋亡，并與細胞因子如TNF-α通過產生活性氮類物質協同作用，損傷DNA。有趣的是，IL-1α只在KC中導致角膜氧化損傷，在KC基質細胞中，IL-1α特異性下調了細胞外超氧化物歧化酶(SOD3)的合成，而SOD3是一種主要的超氧化物清除劑[16]。另外，KC成纖維細胞在IL-1刺激下產生的前列腺素E2是正常角膜的10倍，而膠原蛋白的產生則較低[15]。另外，角膜的變薄和擴張表明角膜膠原蛋白的直接降解可能是與基質金屬蛋白酶(MMPs)等酶有關[17]。在人類角膜中，MMPs活性是部分通過IL-1β調節。 因此，IL-1α和IL-1β在KC中具有不同的致病作用，在基因易感個體中可以內源性高表達，在角膜受損最小時可大量分泌。誘導角膜細胞凋亡后，誘導產生MMPs，增強組織損傷，改變角膜結構。

5.2IL-6IL-6是一種多效細胞因子，能夠驅動多種生物學過程，并在刺激幾種免疫反應中發揮關鍵作用，如根除感染和傷口修復。 IL-6可以在角膜內，在炎癥的發生中起重要作用[18]。而許多研究小組的報告指出KC角膜中IL-6的水平是增加的[19]。上皮細胞合成大量IL-6，可能影響許多免疫和炎癥活動，這可能導致角膜損傷。目前尚不清楚IL-6是如何與KC中角膜微環境相互作用的。然而，在角膜中IL-6的表達受到KC并列的幾個因素的影響，最重要的是擦眼，還有特應性體質和隱形眼鏡配戴。IL-6通過結合細胞上的IL-6受體或在細胞中大量表達的可溶性IL-6受體(sIL-6R)發揮其作用[20]。Ebihara等[21]證明IL-1激活的成纖維細胞誘導產生誘導上皮細胞遷移的IL-6和sIL-6R。這表明IL-6與由主要與KC相關的外源因素和事件引起的角膜變薄直接相關。

5.3TNF-α除了IL-6和IL-1β之外，TNF-α被認為是全身性和角膜炎癥中的主要致病因子[22]。TNF-α也是能夠在人角膜上皮細胞中誘導IL-6表達的細胞因子之一[23]。此外，最近的研究已經表明，TNF-α起著各種角膜疾病的重要的作用[24]。并且，TNF-α誘導角膜中MMP-9的表達。而MMP-9水平的增加與角膜變薄相關，可能是因為基質膠原降解，因為MMP-9活性在KC患者的眼淚中也較高[22]。另外，TNF-α破壞角膜上皮細胞的屏障功能。此外，先前的研究表明，MMP-1、MMP-2、MMP-9可能參與了圓錐角膜的病理學研究，圓錐角膜的變薄和擴張主要歸因于細胞外基質(ECM)的降解增加[22]。有研究表明，在圓錐角膜的成纖維細胞中TNF-α和IL-6的過度表達可通過誘導MMP-1的表達[25]，從而導致角膜ECM降解。

5.4IL-17IL-17是一種炎性細胞因子，與許多慢性炎癥性疾病有關。IL-17與角膜炎癥中的致病機制有關，其通過刺激基質細胞分泌各種促炎細胞因子， 包括IL-6、IL-8和細胞間黏附分子1(ICAM-1)[26]。用IL-17刺激角膜成纖維細胞導致產生幾種MMP。 因此，IL-17可能通過激活成纖維細胞和金屬蛋白酶生成而促成KC中的角膜損傷。 IL-17水平升高可能會誘發KC組織損傷，并可能與疾病嚴重程度有關[27]。促炎細胞因子，蛋白水解酶和抑制劑之間存在惡性循環，這些因素是造成圓錐角膜微環境變化的原因。這種不平衡觸發了角膜中炎癥通路的信號傳導，導致疾病進展的結構異常[28]。

5.5TGF-β2TGF-β2控制上皮細胞和內皮細胞中的細胞增殖和分化[29]。TGF-β可與多種膠原蛋白相互作用，刺激MMPs分泌，影響角膜結構和膠原在角膜中的分布。 越來越多的證據支持KC中TGF-β信號的作用[30-31]。角膜成纖維細胞對TGF-β1特別敏感，并在其作用下分化為成肌細胞。在角膜損傷后，TGF-β受體激活通過分泌細胞外基質促使肌成纖維細胞恢復角膜的完整性。該通路的失調與病理性角膜纖維化有關[30]。因此，TGF-β1可能與嚴重圓錐角膜的瘢痕形成和組織修復有關。TGF-β1信號紊亂本身可能是其他致病因素的結果，因為培養的KC患者角膜基質間質纖維母細胞能夠顯著表達TGF-β1 mRNA[32]。

有證據表明，TGF-β1和TGF-β3的潛在失衡驅動了KC角膜角質細胞的病理分化[33], 可能是通過調控糖蛋白催乳素誘導蛋白(PIP)，而該蛋白在KC中上調并參與角膜纖維化[34]。角膜纖維化的典型特征是膠原蛋白III沉積增加[33]。除TGF-β1外，Engler等[35]發現KC角膜和房水中TGF-β2水平增加。TGF-β2尤其存在于房水中，具有維持眼睛免疫特性的功能，但矛盾的是，在炎癥條件下會誘導一些促炎癥細胞因子。雖然其在KC中的作用尚不清楚，但TGF-β2可能參與炎癥介質的表達，導致組織損傷。然而，TGF-β2信號還可以通過促進Th17與TGF-b1的分化，誘導角膜上皮細胞IL-6的表達[36]。

上述研究有助于我們認識到TGF-β家族成員對各種病理性角膜改變(如炎癥介質的表達增加、MMPs的產生、KC患者角膜纖維化的誘導)具有重要作用。這說明TGF-β信號的調制可能是治療KC的一個有趣的靶點。

5.6神經生長因子角膜有非常高密度的神經細胞，去神經化改變了它的上皮代謝[37]。神經生長因子(NGF)是一種重要的角膜神經支配細胞因子。NGF是淚膜的正常成分，在KC中增加[38]。角膜是一種天然的無血管和高度神經支配的器官。NGF被認為在角膜的傷面愈合中起作用，影響角膜上皮細胞增殖。NGF主要通過特異性神經營養蛋白酪氨酸激酶受體A(TrkA)作用于細胞，這種受體通常存在于所有角膜細胞中。而在KC受試者的角膜中未檢測到TrkA[39]。這些研究沒有證實NGF在KC的病理生理學中有一定的作用。需進一步的研究來確定NGF在KC中的潛在作用。

6展望

角膜本身無血管，其營養代謝主要來自房水、淚膜、角膜緣血管，因此角膜自身的變化與房水、淚膜及血液成分的改變必定密切相關。在目前的研究中，已經證明眼表面炎癥因子增加在KC的發病機制中起著合理的作用,這將有助于KC及其進展。關于炎性因子在影響細胞外重塑中的作用的是需要我們繼續探索的。在未來研究中，將大量健康眼作為對照組，以及將眼睛中炎癥因子水平與角膜中其他炎癥狀況的比較，將有助于闡明這些問題并最終有助于揭示圓錐角膜的病因學奧秘。這使我們能夠探索抗炎治療的潛力，以阻止KC的進展。