二甲雙胍在年齡相關性眼病中應用的研究進展

燕朱軒,呂 洋

0 引言

年齡相關性眼病是指隨著年齡增加,由眼組織老化后的退行性病變所引發的一系列眼科疾病,如年齡相關性黃斑變性(age-related macular degeneration,ARMD)、年齡相關性白內障(age-relate cataract,ARC)、糖尿病視網膜病變(diabetic retinopathy,DR)和青光眼等,隨著全球社會人口老齡化的加劇,這些疾病的發病率也逐年激增[1-3]。二甲雙胍是治療2型糖尿病的一線用藥,在臨床應用已有60多年的歷史[4]。近年來,越來越多的研究發現二甲雙胍不僅降糖作用確切,其在防治腫瘤、心血管系統疾病、呼吸系統疾病、神經系統疾病、消化系統疾病、生殖系統疾病以及年齡相關性疾病中也發揮著積極作用,顯示出巨大潛力及良好的應用前景[5-6]。目前,二甲雙胍在眼部疾病的研究仍處于初始階段,針對二甲雙胍在高發病率的四種年齡相關性眼病中潛在作用和保護機制將在本文綜述中進行總結。

1 二甲雙胍由來

17世紀,英國植物學家提出山羊豆有抗糖尿病的功效。1914年,法國科學家首先從山羊豆種子中提取得到山羊豆堿,并對這一生物堿進行了初步研究。1918年,通過動物實驗發現胍類物質具有降血糖功效。1922年,愛爾蘭化學家首次合成二甲雙胍。1957年,二甲雙胍首次通過臨床試驗證實了降血糖功效[7]。近年來,對二甲雙胍深入研究發現,其不僅可以降低血糖,還可預防和治療與衰老相關的疾病。

2 二甲雙胍在防治年齡相關性疾病中的作用機制

2.1 二甲雙胍抗氧化應激的作用機制氧化應激在關節炎、糖尿病、癡呆、癌癥、動脈粥樣硬化、血管疾病、肥胖癥和骨質疏松癥等年齡相關性疾病的發展中起著至關重要的作用[8]?；钚匝?ROS)的過度增加會破壞自身氧化-抗氧化平衡,發生氧化應激反應,是生物分子氧化和細胞損傷的根本原因[9]。研究發現,二甲雙胍通過改善抗氧化作用機制、維持氧化還原穩態和轉運蛋白的功能來抑制魚藤酮誘導的氧化應激損傷[10]。Hartwig等[11]發現二甲雙胍可激活叉頭框蛋白O3(FOXO3),從而降低免疫細胞中的ROS水平,提示二甲雙胍可降低心血管疾病和癌癥的發病風險。Yang等[12]發現二甲雙胍可以通過AMP依賴的蛋白激酶/激酶帕霉素靶蛋白(AMPK/mTOR)信號通路抑制擴張型心肌病中心肌細胞的氧化應激損傷。同時,線粒體是ROS產生的主要場所,也是ROS攻擊的主要目標。相關研究表明,二甲雙胍可通過抑制線粒體復合物Ⅰ,從而減少內源性ROS的產生和相關DNA的損傷[13-15]。另外,核因子紅細胞系2相關因子2(Nrf2)作為細胞對氧化應激反應的主要調節因子,在各種氧化應激損傷的細胞中均可觀察到Nrf2功能障礙。二甲雙胍可通過上調Nrf2介導的轉錄誘導抗氧化系統,從而抑制細胞中的氧化應激反應,并恢復細胞中魚藤酮誘導的線粒體功能障礙和能量缺失[16]?？寡趸瘶酥疚锇ü入赘孰?GSH)和超氧化物歧化酶(SOD),Sabzali等[17]發現二甲雙胍可顯著提高細胞中SOD和GSH活性,從而減輕神經細胞的氧化應激損傷?？傊?二甲雙胍可有效減少ROS的生成,調節細胞能量代謝并改善線粒體功能,以及調節與抗氧化有關轉錄因子和酶的活性,從而發揮抗氧化應激作用。

2.2 二甲雙胍抗炎的作用機制炎癥是機體老化和細胞衰老的伴隨反應,并導致許多年齡相關性疾病發生,包括2型糖尿病、癡呆癥和癌癥[18]。巨噬細胞是炎癥反應過程中的關鍵細胞,激活后的巨噬細胞可極化為兩種主要表型,即促炎的M1型和抗炎的M2型[19]。研究表明,二甲雙胍可降低血液中促炎細胞因子白細胞介素-6(IL-6)、腫瘤壞死因子-α(TNF-α)的水平和脂肪組織中M1巨噬細胞標志物整合素αX抗體(CD11c)和單核細胞趨化蛋白-1(MCP-1)的表達,并增加了M2巨噬細胞的比例[20]。Putilin等[21]發現二甲雙胍可通過激活AMPK抑制mTOR信號傳導,進而降低炎癥細胞因子白細胞介素-1β(IL-1β)和白細胞介素-17-A(IL-17-A)的水平。在最近的一項為期5a的隨訪研究中,二甲雙胍也被證實可降低老年糖尿病患者的血液中促炎細胞因子的水平[22]。同時,轉錄因子-kappa B(NF-κB)為炎癥過程中的關鍵因子[23],二甲雙胍可通過調節NF-κB信號傳導和影響單核細胞分化為巨噬細胞,從而抑制來自巨噬細胞的促炎細胞因子,以起到減輕炎癥損害的作用[24-25]。一項研究報告稱,1213例既往患有糖尿病的患者在感染2019冠狀病毒病(COVID-19)住院期間,二甲雙胍的應用可減少患者循環炎癥標志物,如C反應蛋白(CRP)、IL-6、白細胞介素-2(IL-2)和TNF-α,并降低了血液中的中性粒細胞與淋巴細胞比率[26]。以上研究結果表明,二甲雙胍可有效降低來自M1型巨噬細胞中的促炎因子水平,并通過調節與抗炎相關信號因子,從而發揮抗炎作用。

2.3 二甲雙胍誘導自噬的作用機制自噬是一種進化上保守的分解代謝過程,負責依賴溶酶體的降解和循環利用,在維持真核生物的細胞內穩態和活力方面發揮著重要作用,與年齡相關性疾病發生有關[27]。自噬作為長壽保證的核心過程而出現,是年齡相關的疾病的潛在治療靶點。Wang等[28]發現二甲雙胍可以激活AMPKα1和α2介導的通路,從而恢復心肌缺血再灌注過程中的自噬通量。在高糖誘導的糖尿病小鼠模型中,二甲雙胍通過激活小鼠前動力蛋白2/核糖核酸依賴性蛋白激酶(PK2/PKR)途徑介導的自噬,使絲氨酸-蘇氨酸蛋白激酶(AKT)和糖原合酶激酶3β(GSK3β)水平恢復,提示二甲雙胍可通過激活PK2/PKR/AKT/GSK3β增強糖尿病小鼠睪丸細胞自噬和抑制細胞凋亡[29]。另一項研究表明,二甲雙胍可通過AMPK/沉默信息調節因子1-叉頭框蛋白O1(SIRT1-FOXO1)信號通路促進自噬,從而減輕高糖培養大鼠系膜細胞的氧化應激反應,緩解糖尿病大鼠的糖脂代謝紊亂、腎功能不全和蛋白尿[30]。另外,二甲雙胍可通過降低果蠅抗源序列蛋白3(SMAD3)介導的Tribbles同源蛋白3(TRIB3)表達,誘導自噬并恢復自噬通量,進而抑制黑色素瘤進展[31]。值得一提的是,二甲雙胍對自噬的激活并不是單向的。在腫瘤細胞中,二甲雙胍可以通過自噬抑制途徑發揮抗腫瘤作用。葡萄糖調節蛋白78(GRP78)是抗骨髓瘤藥物硼替佐米誘導自噬的關鍵驅動因素,二甲雙胍可通過抑制GRP78,破壞細胞防御狀態,進而增強硼替佐米的抗骨髓瘤作用[32]?？傊?二甲雙胍可通過多種信號通路包括AMPK依賴型通路或非依賴型通路誘導自噬,并對細胞自噬的影響具有雙向性。

3 二甲雙胍在年齡相關性眼病中的研究進展

3.1 二甲雙胍在ARMD中的研究進展ARMD是60歲以上老年人不可逆失明的主要原因,其發病率隨著年齡的增加而增高。流行病學調查顯示,2020年全球范圍內約有1.96億ARMD患者[33]。在最近的幾項臨床回顧性研究中發現,服用二甲雙胍的糖尿病患者發生ARMD的幾率顯著降低,表明二甲雙胍對ARMD的發生發展具有延緩和預防作用[34-35]。

視網膜是人體耗氧量最高的組織之一,由于高氧代謝的特性,視網膜組織會產生大量的ROS,導致視網膜受到氧化損傷[36],因此,視網膜色素上皮層(retinal pigment epithelium,RPE)細胞的氧化應激損傷在ARMD的發生和發展起關鍵作用。Qu等[37]通過體內外試驗研究發現二甲雙胍可通過激活AMPK/Sirt1信號通路上調硫氧還蛋白相互作用蛋白(TXNIP)的表達,降低RPE細胞氧化應激中ROS的產生,從而保護RPE細胞免受氧化損傷。同樣,二甲雙胍可通過激活AMPK信號通路增強自噬,從而保護RPE細胞免受H2O2誘導的氧化損傷[38]。另外,RPE細胞的高代謝需大量線粒體的參與,二甲雙胍可通過激活AMPK信號通路增強線粒體生物的合成,并可清除受損線粒體,從而發揮保護視網膜結構與功能的作用[39]。

隨著眼組織的老化,RPE細胞中促炎和抗炎細胞因子之間平衡的失調,誘發低度慢性炎癥并持續較長時間,進而促進ARMD發病[40]。ARMD患者體內炎癥相關分子的基因突變以及炎癥急性期反應蛋白水平的上升在ARMD進展中發揮著重要作用[41]。另外,玻璃膜疣和脈絡膜新生血管的形成作為ARMD的特征性表現也與炎癥及炎癥微環境密切相關[42]。研究發現,二甲雙胍可以通過激活AMPK通路,抑制視網膜炎癥反應,改善內皮功能、阻止視網膜新生血管的生成[43]。同樣,二甲雙胍可通過激活AMPK信號通路抑制激活素受體樣激酶1(ALK1)介導的脈絡膜新生血管(choroidal neovascularization,CNV)產生[44]。

細胞自噬功能減退及自噬通量下降是促進ARMD疾病發展的關鍵因素之一[45]。Shu等[46]發現在視網膜損傷的動物模型和細胞模型中,二甲雙胍可以誘導自噬并恢復自噬通量,提升微管相關蛋白輕鏈3 Ⅱ(LC3-Ⅱ)在視網膜組織中的水平,從而發揮保護RPE細胞的作用。

以上研究結果表明,二甲雙胍可通過AMPK依賴型通路或非依賴型通路降低視網膜氧化應激水平、減輕炎癥反應、增強自噬、抑制視網膜細胞凋亡和抑制CNV生長,在預防和延緩ARMD的發生發展方面有重要意義。

3.2 二甲雙胍在ARC中的研究進展

ARC又稱老年性白內障,是以晶狀體進行性混濁為主要特征的致盲性眼病,是最為常見的白內障類型,其發病率也隨著年齡的增長而明顯升高[47]。韓國一項關于2型糖尿病患者使用二甲雙胍的臨床回顧性研究表明,使用二甲雙胍的患者,白內障發病率明顯降低[48],在荷蘭鹿特丹市的一項大型隊列研究中也有同樣的發現[49]。

目前普遍認為,晶狀體上皮細胞(lens epithelial cells,LECs)的氧化損傷是ARC發生和發展中的關鍵因素[50]。Chen等[51]發現二甲雙胍可通過激活AMPK信號通路改善溶酶體功能和下調mTOR表達并恢復自噬通量,進而抑制氧化應激誘導的人LECs的氧化損傷。此外,在該研究中還發現,AMPK信號通路介導的自噬在模擬ARC的人LECs中受損并失活。Zhang等[52]發現二甲雙胍干預H2O2誘導氧化應激損傷的人LECs后,細胞凋亡標志物p53、p21、p16和促炎細胞因子IL-6、IL-8明顯下調,提示二甲雙胍可抑制人LECs的氧化應激損傷及凋亡?；趧游飳嶒灠l現,二甲雙胍可通過激活AMPK信號通路來增強自噬抑制雄性C57BL/6小鼠LECs的氧化應激損傷,進而發揮保護LECs的作用[53]。

以上研究結果表明,二甲雙胍可通過AMPK依賴型信號通路在減輕LECs氧化應激損傷和抑制LECs凋亡方面有一定作用,提示二甲雙胍可能對ARC的發生發展具有預防和治療作用。

3.3 二甲雙胍在DR中的研究進展DR是最常見的視網膜血管病,是40歲以上人群主要致盲性眼病之一。流行病學調查顯示,全世界DR患者的數量將從2010年的1.266億增加到2030年的1.910億[54]。在關于DR的部分臨床回顧性研究中,二甲雙胍的應用被證實可顯著降低DR的發病風險或延緩疾病的進展[55-56]。

DR是糖尿病的微血管并發癥,是糖尿病患者后天性失明的主要原因。已證實氧化應激是糖尿病視網膜病變發病機制的關鍵因素之一[57]。通過高糖誘導的DR大鼠中研究發現,二甲雙胍可通過抑制RPE中NF-kB/Toll樣受體4(TLR4)介導的氧化應激損傷,并顯著抑制了糖尿病誘導的丙二醛(MDA)、谷氨酸、TNF-α和血管內皮生長因子(vascular endothlial growth factor,VEGF)的增加,進而抑制DR的發展[58]。同樣,二甲雙胍可恢復高糖誘導大鼠血清中緊密連接蛋白-1(claudin-1)和GSH/MDA的比例,下調TNF-α和VEGF的表達,從而減輕了糖尿病大鼠的視網膜病變[59]。

炎癥在非增殖型糖尿病中起著至關重要的作用。研究表明,二甲雙胍可逆轉高脂誘導的視網膜中信號蛋白的變化,如AKT、細胞外信號調節激酶(ERK)和AMPK,從而減少了眼內炎癥反應[60]。

高血糖導致的缺氧可引起血管內皮細胞功能異常和VEGF表達增加,VEGF導致新生血管生成以及血管通透性增加是晚期DR微血管病變的重要代償反應[61]。Zhang等[62]發現二甲雙胍可通過誘導靶向VEGF-A的miR-497a-5p來抑制VEGF-A蛋白的翻譯,從而減少視網膜新生血管的形成。同樣,二甲雙胍可誘導VEGF-A mRNA剪接至VEGF120異構體,以減少其對VEGFR2的激活,從而抑制視網膜新生血管的形成[63]。

以上研究結果表明,二甲雙胍可降低DR中視網膜氧化應激水平,并抑制視網膜新生血管的形成,在預防和治療DR的發生發展方面有重要意義。

線粒體功能障礙是青光眼后期視神經退行性變的重要影響因素,減少視網膜神經節細胞(retinal ganglion cells,RGCs)死亡對防治青光眼有重要意義[67]。研究表明,二甲雙胍可顯著改善RGCs中線粒體結構與功能,并調節線粒體自噬相關基因和蛋白的表達,從而提高RGCs的存活率[68]。此外,在N甲基-D-天冬氨酸受體誘導RGCs的興奮性毒性中,二甲雙胍可通過AMPK和MEK/ERK信號通路抑制RGCs的炎癥反應損傷,進而抑制RGCs的死亡[69]。

青光眼濾過性手術(glaucoma filtering surgery,GFS)被認為是降低眼壓的最有效選擇。然而,術中組織損傷可能會刺激結膜成纖維細胞遷移、增殖,并從成纖維細胞分化為肌成纖維細胞,這雖然是傷口修復的重要過程,但通常會導致瘢痕的形成[70]。目前臨床上廣泛應用絲裂霉素(MMC)或5-氟尿嘧啶(5-FU)等抗結膜瘢痕藥物來改善GFS的預后,但由于一些嚴重的并發癥(如黃斑變性、濾過性囊泡滲漏和角膜上皮功能障礙)而受到限制[71]。研究發現,二甲雙胍可通過激活AMPK/Nrf2信號通路調節巨噬細胞極化,從而預防青光眼濾過手術后的纖維化及結膜瘢痕的形成[72]。此外,氧化應激引起小梁網結構損傷和功能障礙,造成房水引流障礙后導致的病理性高眼壓是青光眼發病過程中的重要環節[73]。然而,目前并沒有直接的證據證實二甲雙胍對氧化應激引起小梁網結構損傷和功能障礙具有抑制作用。

以上研究結果表明,二甲雙胍在改善RGCs的線粒體功能,調節線粒體自噬、減少RGCs死亡、保護視神經功能和預防GFS后纖維化方面具有有一定作用,但進一步應用于臨床仍舊需要更多的基礎研究和臨床驗證。

4 總結與展望

二甲雙胍作為治療2型糖尿病的一線藥物,不僅具有良好的降血糖作用,而且能通過激活AMPK依賴型通路或非依賴型通路對多種年齡相關性疾病發揮防治作用。臨床研究表明,長期服用二甲雙胍可降低多種與年齡相關的病理風險,包括心血管相關疾病、神經退行性疾病和癌癥等。其中,二甲雙胍的抗氧化應激、抗炎和誘導自噬等作用與年齡相關性眼病的病理變化密切相關,為防治年齡相關性眼病提供了新思路。然而,目前大多數關于二甲雙胍與年齡相關性眼病的回顧性研究中,研究對象均為糖尿病患者。二甲雙胍是否在非糖尿病患者的年齡相關性眼病中取得同樣顯著的效果值得臨床進一步研究證實。基于二甲雙胍的藥物代謝動力學特性,其最佳藥物劑量及濃度和藥物傳遞系統也需要更進一步研究[74]。此外,長期使用二甲雙胍需要注意潛在的維生素B12缺乏癥。

近年來,二甲雙胍在年齡相關性眼病的廣泛研究中展現了其良好的應用前景。然而,目前二甲雙胍在年齡相關性眼病的研究仍處于起步階段,其作用機制和潛在應用價值有待于進一步深入挖掘。