炎癥在糖尿病視網膜病變中的作用

李 秀，劉 暢

0引言

糖尿病視網膜病變(diabetic retinopathy，DR)是糖尿病(diabetes mellitus，DM)的一種常見的微血管并發癥，也是全世界20～75歲人群視力損害致盲的主要原因[1]。其基本病理改變是血-視網膜屏障(blood retinal barrier，BRB)的破壞和視網膜新生血管的形成。DR按疾病的進程分為非增殖性DR(non proliferative diabetic retinopathy，NPDR)和增殖性DR(proliferative diabetic retinopathy，PDR)，NPDR視網膜出現微血管瘤、出血、滲出等表現，而PDR以形成新生血管為主要特點[2]。雖然DR被認為是一種微血管疾病，但越來越多的證據支持視網膜慢性低度炎癥和神經變性才是DR更為早期的表現，神經退行性病變、炎癥和血管交替的再生與損傷共同促進DR的發生發展[3]。本文就炎癥在DR發病機制中的作用及干預機制進行綜述。

1 DR中的炎癥反應

炎癥是機體對損傷或壓力的非特異性反應，越來越多的證據表明，炎癥是DR發展的關鍵因素[4]。在DR發展過程中，視網膜血流量增加、白細胞異常淤滯、中性粒細胞和巨噬細胞浸潤、補體和小膠質細胞活化、細胞因子上調、血管通透性增加和組織水腫、這些視網膜慢性炎癥的病理表現在動物模型和DR患者中已被證實[5-6]。此外，DR動物模型的研究證實，抑制或敲除促炎分子可抑制糖尿病誘導的視網膜血管和神經退行性病變[7]。

糖尿病患者血清和眼組織(玻璃體和房水)中多種炎性細胞因子和趨化因子升高，在NPDR患者眼組織中發現多種炎性細胞因子IL-1β、IL-6、IL-8、TNF-α和單核細胞趨化因子(monocyte chemotactic protein，MCP-1)等增加，最近研究報道，在患有NPDR的糖尿病患者眼中，IL-8和TNF-α的水平甚至比患有活動性PDR的患者更高[8-9]。在缺血小鼠模型中，一些細胞因子如巨噬細胞炎性蛋白-1(MIP-1)、IL-1和IL-3等這些炎性介質的增加先于新生血管的形成，被認為是早期糖尿病視網膜神經細胞死亡的原因，活化的小膠質細胞、內皮細胞、大膠質細胞甚至后來的神經元產生的這些細胞因子的增加，說明了這些炎性細胞因子導致的炎癥反應在DR早期及整個DR發生發展中一直存在[10]。目前還沒有有效的生物標記物來監測DR的嚴重程度或有效地對患者進行分類，以便對治療效果進行最佳評估，但最近有研究指出，隨著DR從NPDR向PDR的發展，IL-6水平與視網膜黃斑厚度呈正相關，同時玻璃體內血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)、 肝細胞生長因子(hepatocyte growth factor，HGF)、IL-6和MCP-1的濃度也會增加[11]。以上提及的DR中各種炎癥介質被激活后導致的炎癥反應的信號路徑目前尚不清楚。

2炎癥在DR神經變性中的作用

視網膜是中樞神經系統的一部分，視網膜神經主要由神經元及其周圍的神經膠質細胞構成，參與光傳導、調制和信號傳遞[12]。其中，神經元由光感受器、雙極細胞、無長突細胞和神經節細胞構成，DR中神經元受損是最早發現的變化之一。在糖尿病視網膜神經節的動物模型中，神經元丟失最早在高血糖誘導后5wk開始，db/db糖尿病小鼠從8周齡視網膜開始出現神經變性[13-14]。

視網膜神經保護介質和促炎細胞因子的不平衡參與了DR中神經變性的發展。體外研究證明，高血糖誘導視網膜神經元及膠質細胞為促炎表型，視網膜中高血糖導致神經毒性因子，如谷氨酸、氧化應激、半胱氨酸蛋白酶(caspase-3)、基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMPs)和氧化亞氮的產生，同時神經營養介質如神經生長因子(nerve growth factor，NGF)、色素上皮衍生因子(pigment epithelial-derived factor，PEDF)、鐵反應元件結合蛋白(iron reactive element binding protein，IRBP)和生長抑素下調，神經元中炎癥轉錄因子NF-κB也被激活，導致神經元功能障礙，引起神經變性[15]。

最近的研究發現，糖尿病小鼠的光感受器細胞中炎癥蛋白血管內皮細胞黏附分子-1(ICAM-1)、COX-2和iNOS的mRNA和蛋白表達水平升高，在體外研究表明葡萄糖水平升高時，光感受器細胞釋放的可溶性介質通過轉化生長因子(TGF)激活酶和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶(NADP氧化酶)信號調節可誘導白細胞和內皮細胞的TNF-α的表達，因此，光感受器細胞是糖尿病視網膜炎癥蛋白的來源，釋放的可溶性介質可導致導致視網膜內皮細胞死亡[16-17]。

3炎癥在DR血-視網膜屏障破壞中的作用

BRB具有血-腦屏障的特征，視網膜微血管及膠質細胞形成了緊密的BRB，限制了毒素和病原體的進入，并通過限制白細胞向周圍組織的遷移使視網膜成為免疫特權組織。因此，任何可能導致BRB破裂的微血管損傷都是有害的。

PDR患者視網膜以病理性新生血管生成、VEGF升高，內皮細胞增殖，視網膜瘢痕和脫離為特征，新生血管比較脆弱，液體和蛋白質容易滲入，導致視網膜增厚，黃斑水腫(diabetic macular edema，DME)，導致嚴重的視力損害。在DR微血管損傷和視網膜病變的發生發展過程中，多種炎癥細胞因子和趨化因子誘導糖尿病視網膜微血管連接蛋白的紊亂和重新分布從而參與了BRB的分解，導致血漿通透性增加和外滲[3，18]。內皮細胞極易受到細胞因子的影響，上調的促炎細胞因子可能通過與內皮細胞的結合直接誘導血管形成，也可能通過誘導內皮細胞產生促血管生成介質間接誘導血管形成，體外研究表明[19]，糖尿病相關的內皮損傷主要是由高糖引起的內皮細胞釋放的細胞因子尤其是IL-1β、TNF-α和IFN-γ引起的，這些細胞因子可誘導內皮細胞衍生細胞因子IL-8、MCP-1、VEGF的表達。

視網膜缺血缺氧對內皮細胞有較強的刺激作用。最近有學者通過氧誘導性視網膜病變(oxygen-induced retinopathy，OIR)大鼠模型模仿人類PDR患者，該模型利用低氧生成新生血管和毛細血管非灌注，研究發現，與對照組相比OIR大鼠視網膜NF-κB基因表達和IL-6、TNF-α蛋白表達顯著增加。在DR的早期和后期，OIR模型的研究有力地支持了血管改變和炎癥之間的相互聯系[20]。細胞內葡萄糖過量不僅直接損傷神經元，還可提高ICAM-1的表達水平，激活關鍵的黏附途徑，使白細胞及免疫細胞在血管表面積聚從而使得對血管膜的黏附性增加，并導致炎癥細胞因子的上調并促進視網膜的炎癥級聯反應，使視網膜血管阻塞、缺血和BRB功能障礙[19]。高血糖引起的內皮功能障礙，還導致細胞多糖-蛋白質復合物Glycocalyx脫落，繼而介導白細胞黏附增加，降低NO的生物利用度，并增加活性氧(reactive oxygen species，ROS)的產生和氧化應激。研究者發現， ROS是連接高血糖和所有通路激活的靶點[21]，高血糖誘導晚期糖基化終產物(advanced glycation end products，AGEs)、ROS和NOS的形成，從而激活NF-κB，NF-κB反過來會促進炎癥細胞因子(如TNF-α、IL-1β、IL-6)和趨化因子(如CCL2、CCL5、CCL12)的表達，從而促使DR新生血管形成并增加血管通透性，導致BRB破裂。在TNF-α基因敲除的大鼠中，白細胞黏附和遷移顯著減少，TNF-α通過激活蛋白激酶(protein kinase C，PKC)促進緊密連接蛋白-1(zonula occludens，ZO-1)下調，導致緊密連接組織改變并增加血管的通透性和BRB分解[22]。IL-1β是一種多功能促炎細胞因子，促進白細胞的募集和組胺的釋放，導致BRB的破壞[23]。BRB的滲漏允許血清蛋白，如循環細胞因子和趨化因子，以及高血糖和AGEs進入視網膜實質，從而有助于激活小膠質細胞和免疫細胞浸潤到視網膜，因此，BRB破壞也可增加神經毒性有助于神經變性。

以上研究提示：白細胞淤滯是BRB破壞、內皮細胞死亡的主要原因，因此，尋找導致白細胞黏附增加的內皮細胞表面變化因素可能是治療DR的重要靶點，同時白細胞淤滯與炎癥的時間關系及確切機制有待進一步研究。

microRNA 在DR及其并發癥的發生發展中發揮重要調控，可作為視網膜病變的生物標志物，靶基因microRNAs調控可促進玻璃體內大出血、蛋白滲漏、瘢痕形成及異常血管新生，最終導致纖維化和失明。目前，對視網膜microRNA和炎癥反應的相關性研究較少，有研究報道[24-25]，microRNAs可調控代謝性疾病炎癥，參與視網膜病變巨噬細胞的激活和募集，并能夠靶向調控VEGF的表達。IL-6誘導轉錄激活因子3(STAT3)信號傳導，從而增加視網膜內皮通透性和血管通透性使VEGF表達失衡引起緊密連接蛋白-5(ZO-5)和閉鎖蛋白-1表達顯著降低，進而造成血管通透性增加。miR-146a在高糖條件下降低了IL-6/STAT3/VEGF的信號轉導，并且該microRNA的過度表達減少了細胞凋亡，以上提示，microRNA有望成為糖尿病及其并發癥的新的治療靶點，miR-146a是DR中減少炎癥和退行性變的潛在靶點。

4炎癥相關神經膠質細胞在DR中的作用

神經膠質細胞聯系著視網膜神經元與血管系統，是神經元功能的關鍵調節器，主要包括小膠質細胞、Müller細胞和星形膠質細胞，它們不僅提供結構支持，還通過吞噬碎片、調節新陳代謝、神經遞質及營養因子的循環，參與維持視網膜的復雜穩態。DR中炎癥的最初跡象之一是膠質細胞和小膠質細胞的激活。傳統觀點認為，小膠質細胞是第一反應者，引發炎癥反應，參與觸發Müller細胞增生。

4.1小膠質細胞在DR中的作用小膠質細胞是中樞神經系統的免疫細胞，與神經元相互作用維持視網膜正常生長、免疫監視、突觸修剪等。在高血糖、缺血缺氧等誘導下，小膠質細胞處于激活狀態，正常情況下，小膠質細胞的活化具有保護作用，但激活失調可能導致其免疫反應性和遷移特性增強，并使促炎和抗炎性介質(如白細胞介素、細胞因子、趨化因子、一氧化氮和活性氧等)增加，參與視網膜的神經和血管損傷[26]。體外研究表明[13,24]，激活的小膠質細胞有促炎(M1)和抗炎(M2)兩種極化狀態。因此，M2極化狀態認為可能是防治DR的治療策略。

目前，DR中小膠質細胞激活的確切機制尚不完全清楚。但在DR過程中，基因變異和遺傳易感性調控小膠質細胞的反應[27]。使用組織學技術對NPDR患者視網膜橫截面觀察，在視網膜的叢狀層發現大量的小膠質細胞，在PDR患者的組織中，在缺血區域和新生血管周圍發現成簇的小膠質細胞，并且總數有更顯著的上升[28]。在嚙齒動物視網膜中，糖尿病誘導后1mo小膠質細胞開始活化，4mo后小膠質細胞侵入內叢狀層。14～16mo后，發現小膠質細胞遷移到外核和感光層[29]。因此，早期監測小膠質細胞的時間進程和動態是慢性神經變性的敏感預測因素。

DR視網膜中的高血糖引起細胞內線粒體衍生物ROS、超氧化物的異常產生，導致細胞氧自由基的生成增多，進而激活下游細胞內信號通路活化小膠質細胞，釋放大量促炎因子，如TNF-α、IL-1β、IL-6、淋巴毒素、MIP-1、MMPs等，促進局部炎癥及神經元損傷[26]。高血糖還能夠誘導細胞PKC激活和AGEs的生成和堆積，另外細胞內增多的ROS作為第二信使激活細胞外信號調節激酶(ERK) /p38絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)和核因子NF-κB信號通路，促進小膠質細胞激活從而表達更多炎癥因子，導致炎癥級聯反應[30]。因此，通過抑制炎癥和調控細胞內ROS能調節小膠質細胞促炎癥促損傷作用，可能成為治療DR的新靶點。

4.2Müller細胞在DR病變中的作用Müller細胞位于視網膜內界膜與外界膜之間，是視網膜的主要膠質細胞類型，在視網膜代謝和BRB功能方面具有重要調控作用。因此，對視網膜環境的任何干擾都會影響Müller細胞，進而影響整個視網膜。

在糖尿病患者的玻璃體檢測和體外研究證明，Müller細胞是許多生長因子、細胞因子和趨化因子的重要來源[31]。在DR中，高糖環境可以誘導Müller細胞分泌膠質細胞源性神經生長因子(glial cell derived neurotrophic factor，GDNF)，抗氧化劑等對神經元具有保護作用。在長期慢性高糖環境下，異常活化的Müller細胞中膠質原纖維酸性蛋白(glial fibrillary acidic protein，GFAP)、VEGF和IL-1β等炎性介質的表達增加導致視網膜的谷氨酸鹽代謝紊亂和離子平衡紊亂，導致視網膜神經元凋亡、血管通透性改變，新生血管生成，BRB的破壞，而且IL-1β也可刺激Müller細胞分泌VEGF，進一步破壞BRB[32-33]。在STZ誘導的糖尿病6mo后Müller細胞的基因表達譜發現，在78個改變的基因中，三分之一與炎癥有關，包括補體因子、VEGF、ICAM-1和IL-1β。這些細胞因子能夠刺激Müller膠質細胞產生其他細胞因子，從而產生炎癥放大效應[34]。Müller細胞通過趨化和黏附細胞接觸增加了跨整個視網膜層的炎癥反應，因此，了解視網膜內Müller細胞的功能并在DR中恢復這種功能可能成為開發治療DR的有效療法。

4.3星形膠質細胞在DR中的作用星形膠質細胞主要位于神經纖維層和神經節細胞層，為神經元提供能量底物，并調節營養因子和抗氧化劑的產生。視網膜的血管區域富含星形膠質細胞，而中央凹等無血管區不含星形膠質細胞。在DR中，星形膠質細胞激活后，改變其形態，增殖，遷移并可以上調各種基因編碼細胞因子、趨化因子與補體的表達，參與小膠質細胞、單核巨噬細胞、T細胞和樹突狀細胞的募集，增強炎癥反應，參與破壞BRB的完整性，促進視網膜變性[7]。

近年來研究發現，參與膠質細胞發育的生長因子在密切調節視網膜微環境中也起著關鍵作用，因此膠質細胞代謝的變化和隨后視網膜神經元的損傷先于微血管損傷，這也是造成視網膜神經系統早期損害的原因[35]。在DR早期，神經元和膠質細胞之間的通訊破壞，功能失調的神經膠質細胞的串擾，引發炎癥級聯反應，持續的炎癥反應導致膠質細胞增生肥大，失去功能，最終形成抑制軸突再生和神經元存活的膠質瘢痕[33]。以上研究表明，神經膠質細胞對炎癥反應的調節可能是預防DR早期神經元損傷的重要靶點，以此為靶點的抗炎藥也可能是預防糖尿病血管改變和神經元變性的新療法。

5炎癥靶向治療DR

越來越多的證據表明炎癥是DR的一個關鍵因素，是DR更為早期的表現，因此，抑制炎癥成為DR治療的新方向。目前，DR的治療方案主要是視網膜光凝療法、手術和玻璃體腔注射抗VEGF、類固醇等藥物，這些治療干預措施都有顯著的副作用，并且只對那些視力已經受損、神經變性已經發生的DR晚期患者有用[36-37]。在臨床試驗的研究中發現，通過阻斷炎癥分子IL-1β抗體對減輕糖尿病性DME有很好的效果，治療后視網膜新生血管穩定但沒有消退[38]；在DME患者進行的另一項臨床試驗發現，利用靶向MCP-1、CCR2/CCR5受體的口服抑制劑可以提高視力和降低視網膜中央厚度[39]；非甾體類抗炎藥阿司匹林能夠抑制環氧化酶COX介導的ICAM-1表達和白細胞淤積，顯著減輕早期DR患者視網膜微動脈瘤的發展[40]；四環素類抗生素可以減少炎癥因子和細胞毒性物質釋放，抑制視網膜炎癥及神經元損傷，減輕DME、血管滲漏，神經性疼痛，改善糖尿病患者的視覺功能[41]。最近，利用內皮細胞上的特異性整合素拮抗劑Risuteganib來觸發白細胞黏附和浸潤，能夠使DME患者的視力持續提高[42]；血管緊張素-2是血管生成的重要調節因子，能夠促進單核細胞的黏附和組織炎癥，使用酪氨酸激酶Tie-2激活劑聯合抗VEGF治療能夠顯著提高DME患者的視力[43]；通過動物實驗研究發現，低水平激光治療能有效抑制STZ誘導的糖尿病大鼠超氧化物生成、白細胞減少和ICAM-1表達的增加，從而導致神經節細胞死亡的顯著減少[44]。最近研究報道，N-3多不飽和脂肪酸通過抑制視網膜血管炎癥損傷，增強內皮細胞的修復能力來預防DR，這與它們從M1到M2表型的小膠質細胞極化的能力有關[45]。因此，增加M2型小膠質細胞比例可能逆轉DR的病理過程，達到治愈DR的目的。因此，通過鑒定不同類型小膠質細胞的活化標志或分泌因子以及極化狀態具有潛在的早期診斷和治療價值，但小膠質細胞活化標志和表達分泌物質缺乏特異性，目前國內外對此尚無定論，這也是未來研究發展的方向和難點。

6總結與展望

隨著研究的不斷深入，人們逐步發現DR中視網膜的所有主要細胞類型都發生了改變，近年來的臨床和實驗室研究證實，炎癥在早期DR的發展中起著關鍵作用，并且貫穿DR的全過程，糖尿病環境下，視網膜的內皮細胞、小膠質細胞、星形膠質細胞、Müller細胞和神經元相互作用，引起炎癥細胞因子表達增加并促進視網膜的炎癥級聯反應。因此，通過精準靶向調控炎癥反應的以上相關因素是解決視網膜血管改變和神經元變性的新療法，為了更好地了解DR患者眼部炎癥的確切分子機制，仍需進行研究。