圓錐角膜的病因?qū)W研究進(jìn)展*

何柳余,曹 倩 綜述,李 蘭 審校

(昆明醫(yī)科大學(xué)附屬甘美醫(yī)院眼科，昆明 650000)

圓錐角膜(keratoconus,KC)是一種常見的退行性角膜疾病。KC一般起病于青春期，發(fā)病率約為1.38/1 000[1]。多為雙眼先后發(fā)病。該病受遺傳、環(huán)境、生化及種族等多因素影響。KC的特征主要是中央或旁中央基質(zhì)層變薄，可能是細(xì)胞外基質(zhì)細(xì)胞丟失或基質(zhì)層降解所致[2]。目前研究發(fā)現(xiàn)，遺傳、炎癥、氧化應(yīng)激及性激素等因素會影響細(xì)胞外基質(zhì)代謝，本文簡要闡述這些因素在KC發(fā)病機(jī)制中的具體作用，從而對KC預(yù)防及臨床治療提供新思路。

1 遺傳學(xué)因素

目前大部分KC病例是散發(fā)性的，但家族性KC病例的報道也很常見，并且發(fā)現(xiàn)有家族中KC病例的聚集。NADERAN等[3]在1項1 496例KC患者的家庭研究中發(fā)現(xiàn)19.5%患者有家族性KC病史，在KC家族史患者中，54.5%的家庭成員患有KC，明顯高于一般人群中的患病率。TUFT等[4]通過13對單卵雙胞胎和5對雙卵雙胞胎的家族性KC的病例對照研究，觀察到單卵雙胞胎中高度的表型相似性，這意味著遺傳因素可能在KC發(fā)病機(jī)制中起著重要作用。

研究發(fā)現(xiàn)，KC未表現(xiàn)出經(jīng)典的孟德爾遺傳模式，而被認(rèn)為是多基因的遺傳[5]。目前采用全基因組連鎖研究及全基因組關(guān)聯(lián)研究等遺傳學(xué)工具，篩選出一些與KC發(fā)病有關(guān)的基因組位點。主要根據(jù)家庭研究及病例對照等研究中確定的一些基因位點，包括：(1)胞質(zhì)分裂供體9(dedicator of cytokinesis 9,DOCK9)基因，是編碼DOCK蛋白家族的一員，該家族具有鳥苷三磷酸/鳥苷二磷酸交換因子活性，并參與特異性激活細(xì)胞內(nèi)信號網(wǎng)絡(luò)的G蛋白CDC42，其在圓錐角膜和非圓錐角膜及淋巴母細(xì)胞系中均有表達(dá)[6]。但目前還需要詳細(xì)的表達(dá)分析來確定其在KC發(fā)病機(jī)制中的作用。(2)視覺系統(tǒng)同源盒1(visual system homeobox 1,VSX1)基因，是一種在人顱面和眼部發(fā)育中起作用的基因。與后部多形性角膜內(nèi)皮營養(yǎng)不良(posterior polymorphic corneal dystrophy,PPCD)有關(guān)的基因，是目前KC中研究最多的基因。PPCD患者的角膜局部變陡類似于KC，然而，BISCEGLIA等[7]對1 500多例KC患者進(jìn)行了VSX1篩查，僅在不到2%的KC患者中發(fā)現(xiàn)了該基因的致病突變，并且尚不清楚VSX1突變?nèi)绾螌?dǎo)致KC的發(fā)病。表明該基因在KC的發(fā)病機(jī)制中并沒有起主要作用[8]。(3)轉(zhuǎn)化生長因子β1(transforming growth factor beta-induced gene,TGF-β1)基因，是許多顯性角膜營養(yǎng)不良的致病基因。在組織損傷和修復(fù)過程中，其是細(xì)胞外基質(zhì)形成的有效調(diào)節(jié)因子，與角膜纖維化和瘢痕形成有關(guān)。然而，僅在一些重度的KC病例中發(fā)現(xiàn)TGF-β1表達(dá)增加[9]。(4)微小核糖核酸184(micrcoRNA-184,miR-184),是一個長度為19～25個核苷酸的小調(diào)節(jié)核糖核酸鏈，在角膜和晶狀體上皮細(xì)胞中大量表達(dá)。BYKHOVSKAYA等[10]在一個患有KC和先天性前極性白內(nèi)障的家族中發(fā)現(xiàn)miR-184連鎖區(qū)的突變。但有研究也發(fā)現(xiàn)miR-184不能特異性地與miR-205競爭肌醇聚磷酸磷酸酶樣蛋白1和整合素β4兩個靶基因位點，而這兩個靶基因是作為角膜基底上皮半橋粒的主要成分，參與角膜損傷后的修復(fù)。因此，miR-184的突變是否在KC中起作用還需進(jìn)一步研究。(5)超氧化物歧化酶1基因(superoxide dismutase 1 gene,SOD1)，是一種細(xì)胞質(zhì)抗氧化酶，參與體內(nèi)氧自由基的代謝[11]。該基因被認(rèn)為可能是一個候選基因，因為氧化應(yīng)激被認(rèn)為可能在KC的發(fā)病中起作用[12]。然而，LUCAS等[13]在散發(fā)性KC患者的SOD1編碼區(qū)未發(fā)現(xiàn)任何潛在變異,關(guān)于SOD1是否在KC的發(fā)病機(jī)制中起作用尚不能確定。此外，近年來全基因組關(guān)聯(lián)研究表明，鋅指蛋白469基因、人類生長因子 RAB3GAP1、肝細(xì)胞生長因子、血凝素氧化低密度脂蛋白受體、白細(xì)胞介素1β、鈣蛋白酶抑制蛋白等多個基因都發(fā)現(xiàn)潛在致病突變,這些基因均可能與KC發(fā)病有關(guān)[14]。

除了這些基因，還有2個明顯遺傳人類特征的中央角膜厚度(central corneal thickness,CCT)和角膜曲率(corneal curvature,CC)的相關(guān)基因，其遺傳力可能高達(dá)95%，這些基因被認(rèn)為對KC有遺傳易感性。PALAMAR等[15]在一個包括歐洲和亞洲受試者的大型隊列研究中，發(fā)現(xiàn)了16個與CCT相關(guān)的基因組位點。COL5A1(collagen type V alpha one chain,COL5A1)是一種CCT相關(guān)基因，能編碼調(diào)節(jié)膠原纖維形成的V型膠原的α1鏈，V型膠原是構(gòu)成角膜的主要膠原纖維。BYKHOVSKAYA等[16]在53例KC患者發(fā)現(xiàn)COL5A1的c.1372 C>T新的變異體。另外2項關(guān)于CC的研究，證實了編碼血小板衍生生長因子受體亞型-α(encoding platelet-derived growth factor receptor isoform-α,PDGFRA)與CC有關(guān)。PDGFRA的激酶活性通過其對角膜上皮細(xì)胞和膠原纖維的影響，促進(jìn)KC發(fā)生。因此，發(fā)生KC的遺傳易感性可能部分源于CCT和CC的潛在基因。

2 炎癥因素

以往認(rèn)為KC是一種非炎性疾病，但近年來一些研究在KC患者的淚膜中檢測到炎癥因子表達(dá)增加，表明KC不能被簡單定義為非炎性疾病，KC的發(fā)病可能涉及慢性炎癥損傷。由于角膜表面存在慢性損傷，導(dǎo)致淚液中炎性因子、黏附分子及角膜基質(zhì)金屬蛋白過度表達(dá)，引起細(xì)胞凋亡及細(xì)胞內(nèi)酶代謝異常，導(dǎo)致角膜基質(zhì)層變薄、擴(kuò)張[17]。 目前研究公認(rèn)的慢性損傷因素包括習(xí)慣性揉眼、長時間佩戴硬性透氣性角膜塑形鏡(rigid gas permeablecontact lens,RGP)、紫外線照射及過敏性眼病等[18]。(1)BALASUBRAMANIAN等[19]在揉眼60 s前后，用特異性酶聯(lián)免疫吸附試驗測定淚液中腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factorα,TNF-α)、白細(xì)胞介素-6(interleukin 6,IL-6)及基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metallo-proteinases,MMPs)的總量，發(fā)現(xiàn)長時間的揉眼會增加眼部摩擦，加重角膜上皮損傷，導(dǎo)致角膜上皮細(xì)胞及基質(zhì)細(xì)胞分泌的TNF-α、MMPs和IL-6的表達(dá)增加。TNF-α是一種由巨噬細(xì)胞、淋巴細(xì)胞和成纖維細(xì)胞分泌，能誘導(dǎo)MMP-9或IL-6表達(dá)。TNF-α被認(rèn)為是全身和局部炎癥的重要介質(zhì)。MMPs是一種由細(xì)胞因子(IL-1、IL-6和IL-7)、TNF-α、生長因子和激素調(diào)節(jié)的酶，對細(xì)胞外基質(zhì)重塑起重要作用。MMPs被基質(zhì)金屬蛋白酶組織抑制劑(issue inhibitor of metalloproteinases,TIMPs)抑制，MMP和TIMPs保持動態(tài)平衡，維持角膜細(xì)胞外基質(zhì)的平衡。MMP和TIMPs的失衡將導(dǎo)致角膜基質(zhì)降解或瘢痕形成[20]。(2)EDWARDS等[21]研究發(fā)現(xiàn)，紫外線照射能導(dǎo)致上皮細(xì)胞分泌的IL-1增加，KC患者角膜中IL-1受體密度是健康者的4倍。IL-1是一種強(qiáng)烈促炎因子，能誘導(dǎo)角膜基質(zhì)中成纖維細(xì)胞死亡和負(fù)趨化性，同時增加MMPs的表達(dá)，啟動細(xì)胞凋亡途徑，導(dǎo)致基質(zhì)層細(xì)胞數(shù)量減少。此外，紫外線照射還可能與增加角膜氧化應(yīng)激損傷有關(guān)[22]。(3)由于角膜供體的缺乏，對高度不規(guī)則散光、框架眼鏡矯正不理想的KC患者可佩戴RGP，但長時間佩戴RGP增加對角膜的機(jī)械性磨損及透氧性降低等并發(fā)癥，F(xiàn)ODOR等[23]通過對12例佩戴RGP的KC患者及17例對照病例的研究分析發(fā)現(xiàn)，佩戴RGP的患者淚液中IL-6表達(dá)明顯增加，IL-6能參與多種免疫與炎癥過程，但目前尚不清楚IL-6在KC中的具體作用機(jī)制。此外，在KC患者的淚膜中發(fā)現(xiàn)IL-17、TGF-β、神經(jīng)生長因子等炎癥因子的表達(dá)也增高，這些炎癥因子都與細(xì)胞外基質(zhì)的產(chǎn)生和角膜細(xì)胞的增殖有關(guān)，它們的增加會導(dǎo)致角膜表面微環(huán)境改變，促進(jìn)KC的發(fā)生[24]。但目前還需要進(jìn)一步研究確定炎癥因子對細(xì)胞外重塑的確切機(jī)制，以確定抗炎治療能否延緩KC的進(jìn)展。

3 氧化應(yīng)激因素

BUDDI等[25]研究發(fā)現(xiàn)，KC患者角膜中的自由基和其他活性物質(zhì)水平高于正常角膜。此外，在KC角膜中也發(fā)現(xiàn)較高水平的一氧化氮合酶和硝基酪氨酸。這些證據(jù)都表明氧化應(yīng)激在KC發(fā)病中有一定的作用。研究表明當(dāng)角膜持續(xù)暴露于陽光紫外線輻射下會產(chǎn)生大量的活性氧族(reactive oxygen species,ROS)及活性氮族(reactive nitrogen species,RNS)，誘導(dǎo)氧化應(yīng)激反應(yīng)，生成活性醛損傷眼組織[26]。為了清除ROS和RNS，健康者的角膜啟動抗氧化機(jī)制，包括一些抗氧化酶，如SOD及醛脫氫酶(aldehyde dehydrogenase,ALDH)。ALDH是一種催化醛類的氧化酶，能清除紫外線誘導(dǎo)所產(chǎn)生的細(xì)胞毒性醛類，對角膜有保護(hù)作用[27]。然而，一些研究結(jié)果表明KC角膜中這些抗氧化酶的抗氧化活性降低，不能完全清除這些ROS和RNS，導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性和脂質(zhì)過氧化，進(jìn)一步增加ROS和RNS產(chǎn)生[28]。ROS和RNS能誘導(dǎo)線粒體DNA的氧化損傷，影響氧化磷酸化途徑，導(dǎo)致細(xì)胞外基質(zhì)的膠原合成受阻，引發(fā)基質(zhì)層變薄[29]。同時產(chǎn)生的活性醛能損傷溶酶體膜，導(dǎo)致溶酶體內(nèi)的蛋白水解酶釋放，引發(fā)基質(zhì)降解，促進(jìn)KC的發(fā)生。雖然在KC角膜中發(fā)現(xiàn)過量的ROS和RNS、抗氧化劑機(jī)制的紊亂及線粒體功能障礙，但尚不清楚這是KC的病因還是結(jié)果。因此，關(guān)于氧化應(yīng)激在KC發(fā)病機(jī)制中的作用還需要進(jìn)一步探索。

4 性激素因素

健康者角膜上皮細(xì)胞、基質(zhì)細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞中存在雌激素受體、孕酮受體和雄激素受體[30]。GOLDICH等[31]通過對22例女性整個月經(jīng)周期的角膜生物力學(xué)特性和CCT的變化評估，發(fā)現(xiàn)激素水平變化會影響角膜的生物力學(xué)特性和CCT。SHARIF等[32]在對妊娠期KC患者的調(diào)查研究中發(fā)現(xiàn)，角膜擴(kuò)張的趨勢增加，表現(xiàn)為角膜地形圖的曲率增加和矯正視力的下降。這些研究表明角膜厚度及曲率能受性激素調(diào)節(jié)，促進(jìn)KC進(jìn)展，特別是雌激素。研究者假設(shè)這些性激素是通過調(diào)節(jié)角膜細(xì)胞的細(xì)胞外基質(zhì)相關(guān)基因的表達(dá)，導(dǎo)致對維持角膜完整性至關(guān)重要的細(xì)胞外基質(zhì)蛋白濃度的變化。雌激素可能是通過刺激MMP和前列腺素的釋放，激活膠原蛋白水解酶,導(dǎo)致細(xì)胞外基質(zhì)的降解，降低角膜硬度。為了闡明這種發(fā)病機(jī)制，SHARIF等[33]將淚液中的催乳素誘導(dǎo)蛋白(prolactin- induced protein,PIP)作為生物標(biāo)志物，在KC患者的唾液蛋白質(zhì)組分析顯示了獨(dú)特的PIP表達(dá)譜。PIP是一種具有天冬氨酰蛋白酶活性，能夠介導(dǎo)細(xì)胞外基質(zhì)降解的分泌蛋白的作用。催乳素、糖皮質(zhì)激素和雄激素促進(jìn)PIP的表達(dá)，而雌激素抑制PIP的表達(dá)[34]。這表明性激素與KC存在關(guān)聯(lián)，但目前關(guān)于KC與性激素相關(guān)的臨床研究較少，尚不清楚性激素是通過改變角膜內(nèi)微環(huán)境，還是通過雌激素誘導(dǎo)的腎素-醛固酮系統(tǒng)上調(diào)引起的全身性水潴留等副作用影響角膜厚度的變化[35]。此外，最新研究還發(fā)現(xiàn)，KC患者角膜細(xì)胞能表達(dá)黃體生成素受體(luteinizing hormone receptor,LHR)及卵泡刺激素受體(follicle stimulating hormone receptor,FSHR)，同時KC體內(nèi)中的LH/FSH水平發(fā)生了顯著變化[36]。這些結(jié)果表明KC的發(fā)生模式可能是通過調(diào)節(jié)垂體促性腺激素及其在人角膜微環(huán)境中的受體，導(dǎo)致對維持角膜穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要的細(xì)胞外基質(zhì)蛋白的變化。但哪種性激素才是KC主要的發(fā)病因素及其具體作用機(jī)制還需要更深入的研究。

5 小 結(jié)

KC的發(fā)生可能是多種因素共同作用的結(jié)果，基因、炎癥、氧化應(yīng)激及性激素等因素在KC的發(fā)病機(jī)制中都有一定作用，但目前關(guān)于KC具體發(fā)病機(jī)制仍不明確，哪種因素在KC的發(fā)病機(jī)制中占主導(dǎo)作用尚無定論?？傊琄C的發(fā)病因素較為復(fù)雜，通過對其病因?qū)W的研究，對KC早期預(yù)防與制訂個性化治療方案提供理論依據(jù)。