糖尿病視網膜神經變性機制的研究進展

龍小鳳，譚 薇，楊 曼

0引言

糖尿病視網膜病變(diabetic retinopathy,DR)是糖尿病的常見并發癥，是不可逆的致盲性眼病，給全世界的醫療保健系統帶來了巨大的社會經濟負擔[1]。越來越多的證據表明，糖尿病視網膜神經變性即糖尿病視神經變性是DR發病機制中的早期事件[2-4]，且可能與微血管異常的發展有關[3,5]。Sohn等[6]研究發現在光學相干斷層掃描(optical coherence tomography,OCT)上，沒有DR的糖尿病患者神經纖維層(nerve fiber layer,NFL)、神經節細胞層(ganglion cell layer，GCL)和內網狀層(inner plexiform layer,IPL)在4a內有顯著的進行性變薄。有研究發現，糖尿病患者在沒有出現視網膜微血管病變之前就已經表現出暗適應、對比敏感度和視網膜電圖(electroretinogram,ERG)反應下降[7-8]，綜上均提示糖尿病病程早期，可能已經出現了視神經變性，并且視神經變性可能先于糖尿病引起的臨床和形態學血管病變[6]。因此，更深入地了解糖尿病視神經變性的潛在機制可能會為DR提供新的和更有效的預防策略。

1糖尿病視神經變性的特征

視神經變性在本質上是慢性的神經元、光感受器和神經膠質細胞的累積丟失，以及與血管系統相關的病理改變[6]。神經細胞凋亡和反應性膠質細胞增生是糖尿病視神經變性的兩個特征[9]。視網膜神經節細胞(retinal ganglion cell,RGC)和無長突細胞是最先檢測到糖尿病誘導凋亡的神經元，光感受器也有增加的凋亡率，這種凋亡的結構性后果是視網膜NFL、GCL和IPL的厚度減少[10]，現在可以通過高分辨率的光譜域光學相干層析成像(spectral domain optical coherence tomography，SD-OCT)技術檢測到。行SD-OCT測量視網膜乳頭周圍NFL和GCL厚度發現糖尿病前期患者的內黃斑GCL厚度明顯變薄[11]。膠質細胞由大膠質細胞(Müller細胞和星形膠質細胞)和小膠質細胞組成，膠質細胞在神經元存活和正常代謝中起著關鍵作用。Müller細胞在谷氨酸代謝、細胞外離子平衡和神經元功能中起著重要作用[12]。糖尿病患者膠質細胞的特征性變化稱為反應性膠質增生。這包括Müller細胞過度表達膠質酸性纖維蛋白，星形膠質細胞功能受損，小膠質細胞釋放導致神經細胞死亡的細胞因子[12-13]。膠質細胞活化可能將視神經變性與微血管病變聯系起來[9]。

2糖尿病視神經變性的機制

2.1谷氨酸興奮毒性谷氨酸是視網膜中的一種主要神經遞質，負責將興奮信號從視網膜中的光感受器傳送到雙極細胞，并從雙極細胞傳送到RGC[14]。視網膜中谷氨酸濃度的增加會導致過度激活，并導致所謂的“興奮性毒性”，導致神經退化[15-16]。谷氨酸神經毒性是中樞神經系統退行性變的主要機制[17]。在實驗動物模型的視網膜和糖尿病患者的玻璃體液中發現谷氨酸水平升高[15，18]。但糖尿病導致谷氨酸興奮性毒性的具體機制，目前還未明確。

2.2氧化應激幾十年來，氧化應激一直被廣泛認為是DR病理生理學的主要因素。已有研究證實糖尿病時糖基化終末產物、多元醇、氨基己糖和蛋白激酶C等代謝途徑被激活，其副產物的積累可通過活性氧(reactive oxygen species,ROS)和活性氮(reactive nitrogen species,RNS)的形成誘導氧化應激[14,19]。產生的ROS或RNS可能通過上述幾條通路來潛在攻擊視網膜神經元[20]。在糖尿病小鼠的視網膜中，ROS的生成顯著增加，抑制ROS的產生可有效抑制視力損害和caspase-3介導的視網膜神經元凋亡[21]。在細胞氧化應激的情況下，ROS產生過量，ROS可直接作用于蛋白質和DNA，或間接作為第二信使調節各種信號級聯而作用于DR的發病機制，導致細胞損傷和死亡，最終導致組織和器官功能障礙[22]。在大多數細胞中，線粒體是內源性ROS的主要來源，由于其高反應性和局部產生特性，線粒體成分如線粒體DNA也是最先暴露和損傷的。這會導致線粒體能量產生減少，導致視神經變性的發生和發展[12]。此外，許多脂質在受光照射時會發生光氧化，產生氧化脂質，對視網膜細胞產生毒性作用[2]。以上這些研究的發現至關重要，可以將視神經病變與微血管病變聯系起來，并增進我們對DR的理解。

2.3視網膜合成的神經保護因子的不平衡視網膜合成神經保護因子，如色素上皮衍生因子(pigment epithelium-derived factor,PEDF)，生長抑素(somatostatin,SST)，間質視黃醇結合蛋白(interphotoreceptor retinoid-binding protein,IRBP)和其他神經營養素[1]。PEDF具有抗血管生成和神經保護的特性，還可降低氧化應激和谷氨酸興奮性毒性，這種肽在視網膜動態平衡中起著關鍵的作用[1]。SST是一種強大的抗血管生成因子，也是視網膜中一種重要的神經調節劑，它通過調節細胞內Ca2+信號、一氧化氮功能和減少光感受器的谷氨酸分泌來發揮作用[16]。上述這些神經保護因子在糖尿病視網膜病變中明顯下調，這可能與視神經變性密切相關[23]。然而，并不是所有的神經保護因子在糖尿病視網膜病變中都下調。例如，血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)和促紅細胞生成素(erythropoietin,EPO)是兩個公認的神經保護因子，在糖尿病視網膜病變中表達增加[1,24]。VEGF在視神經變性的非常早期階段上調，谷氨酸的積累及PEDF和SST的丟失是VEGF過度表達的機制[10]。EPO是一種強大的神經保護因子，在糖尿病患者的玻璃體液中發現這種激素的水平非常高[25]。在DR早期，PEDF、SST和IRBP等關鍵因子的下調可被VEGF和EPO的上調所抵消，但神經保護因子的下調可能占主導地位，從而導致視網膜神經變性[10]。神經保護因子的失衡是糖尿病視網膜神經變性的早期且至關重要的現象,這些發現很有趣，具有臨床意義，但是需要進一步的研究才能更好地理解。

2.4抗氧化防御機制受損為了保持細胞氧化還原動態平衡，并控制自由基，細胞有一個有效的酶和非酶抗氧化防御系統。常見的抗氧化防御酶包括超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、谷胱甘肽過氧化物酶和谷胱甘肽還原酶[26]。紅系衍生核因子2相關因子2(nuclear factor-erythroid 2 related factor 2,Nrf2)是全身性抗氧化防御系統的關鍵核轉錄因子[27]。糖尿病患者視網膜的抗氧化防御系統受損，抗氧化防御酶如超氧化物歧化酶、谷胱甘肽還原酶和過氧化氫酶活性顯著降低，Nrf2的轉錄活性也低于正常水平[26,28]。糖尿病患者各種抗氧化酶的減少與視網膜神經細胞凋亡有關[29]。在實驗模型中，當不同的抗氧化劑化合物用于DR治療時，它們可以通過恢復某些抗氧化酶來阻止視網膜神經細胞凋亡[30-31]。抗氧化劑可能用于治療DR，但是需要進一步的研究以確認抗氧化劑治療的有效性。

2.5線粒體功能障礙線粒體通過糖酵解提供ATP形式的細胞能量，以及正常突觸傳遞所需的鈣儲存和緩沖物質，對正常的神經組織功能至關重要[32]。而線粒體損傷和線粒體能量代謝改變在糖尿病視網膜神經病變中尤為突出[13]。在糖尿病受試者的供體眼中，細胞色素C和凋亡誘導因子等促凋亡線粒體蛋白在視網膜中的表達顯著增加[33]。Tien等[34]體外研究表明，高糖暴露與線粒體碎裂和細胞凋亡增加有關。線粒體呼吸是ROS產生的主要非酶來源，被證明與糖尿病視網膜病變有關[35]。氧化應激介導的線粒體功能障礙是神經退行性疾病中神經元損傷的主要機制[36-37]，在DR中也得到了相似的研究結果[26,38]。線粒體功能障礙還會導致鈣的不正確分布，而鈣離子對神經元的損害尤為嚴重[39]。

2.6腎素-血管緊張素系統的激活以往的研究表明，腎素-血管緊張素系統(renin-angiotensin system,RAS)的激活可能在糖尿病視神經變性中起關鍵作用[40]。同時也有研究者認為局部RAS因子，特別是血管緊張素Ⅱ(angiotensin Ⅱ,Ang Ⅱ)的形成是糖尿病視網膜神經和血管成分受損的主要作用來源[41]。Ang Ⅱ是血管緊張素轉換酶的活性成分，大量研究表明糖尿病視網膜中Ang Ⅱ水平升高，可能在導致DR的神經血管損傷中起主要作用[42]。有報道稱糖尿病視網膜中血管緊張素Ⅱ 1型受體(angiotensin Ⅱ type 1 receptor,AT1R)水平升高導致神經功能受損，AT1R阻滯劑替米沙坦可抑制受損的視網膜功能[41]。來自臨床和實驗模型的研究表明，RAS在糖尿病視網膜病變中被激活，其阻斷可能保護視網膜損傷[41,43]。

2.7微管相關蛋白tau磷酸化動物研究表明，視神經變性不限于細胞死亡，還包括突觸蛋白表達的減少、神經傳遞的改變及神經遞質的釋放、再攝取和代謝的變化[7]。微管相關蛋白tau是阿爾茨海默病和其他神經退行性疾病中神經毒性的關鍵介質，具有微管的組裝和穩定、軸突運輸和以磷酸化依賴的方式突起生長的功能[44]。最近Mazzaro等[45]在RGC層檢測到tau的過度磷酸化，并在攜帶P301S突變的人tau的轉基因小鼠中發現與神經視網膜功能障礙相關，提示tau過度磷酸化與RGC變性之間存在相關性。Zhu等[46]首次證明，微管相關蛋白tau的異常過度磷酸化通過危及依賴微管的突觸，并通過線粒體損傷減少突觸能量產生，從而導致突觸丟失和RGC功能障礙，進而觸發糖尿病視神經變性。因此，過度磷酸化的tau可能是糖尿病視神經變性的關鍵因素[47]。可通過靶向tau來抵抗RGC神經變性，為DR的神經保護干預策略開辟新途徑。

3展望

糖尿病視網膜病變所致的視力損失會影響患者的生活質量，并對其心理產生負面影響。而目前DR的治療主要針對晚期DR，特別是血管病變，并伴有不良副作用。闡明導致糖尿病視網膜神經變性的機制有可能發現新的治療靶點，旨在減輕DR的進展。治療DR的新療法可能包括神經保護劑，以及糾正神經遞質釋放、攝取和神經遞質受體信號異常的藥物。更早地發現眼部糖尿病損害，并盡早對其進行治療，從而可以防止糖尿病患者的視力喪失。