《眼科新进展》  2023年1期 66-70   出版日期:2023-01-05   ISSN:1003-5141   CN:41-1105/R
糖尿病性黄斑水肿的病理生理机制:神经血管单元研究现状


糖尿病视网膜病变(DR)是糖尿病中最常见的微血管并发症之一,也是成人失明的主要原因[1-2]。DR的发病症状表现为周细胞丢失、内皮细胞受损、基底膜增厚、血管通透性增加、血管闭塞、微动脉瘤以及视网膜水肿等[3],其中糖尿病性黄斑水肿(DME)是DR患者视力损害的主要原因,目前尚未得到有效治疗。DME的机制包括以玻璃体牵引综合征为代表的物理机械原因,神经递质的兴奋毒性,血管内皮生长因子(VEGF)以及炎症因子等因素。血-视网膜屏障(BRB)由内屏障(iBRB)和外屏障(oBRB)组成,其中iBRB是由毛细血管管壁的内皮细胞和壁内周细胞组成,其结构基于神经血管单元(NVU)能够控制血液成分不能自由进入视网膜,一旦屏障破坏将导致视网膜水肿。越来越多的研究表明,DR是一种神经血管性疾病[4-5],导致血管功能障碍的潜在机制包括BRB的改变,血管通透性增加以及毛细血管退行性改变[6],在DME中,由于BRB分解等外部因素,如缺血、高血糖、炎症、氧化应激、神经元死亡以及由此产生的炎症细胞因子导致血浆成分在视网膜内积累而导致黄斑水肿。本文从NVU的角度就黄斑水肿的发病机制与BRB的关系进行综述。
1 NVU
NVU的概念最初起源于血-脑屏障,指的是神经元、胶质细胞和中枢神经系统高度分化的血管系统之间的功能耦合和相互依赖关系[7-8]。在视网膜中,NVU主要是由血管系统(内皮细胞和周细胞)、大胶质细胞(星形胶质细胞和Müller细胞)、神经元(神经节细胞、无长突细胞和水平细胞)以及免疫细胞(小胶质细胞和巨噬细胞)组成[9]。星形胶质细胞和小胶质细胞等在浅层毛细血管丛形成表层NVUs,而无长突细胞和神经胶质细胞的神经突如小胶质细胞形成中间神经丛NVUs,小胶质细胞包裹水平细胞形成深层神经丛NVUs[10],并且每条神经均能在某种程度上调控相邻毛细血管的血管通透性。
视网膜细胞完成自身功能依赖于持续性供能,血液作为氧气的载体能够与红细胞内的血红蛋白以及其他可溶性分子(如葡萄糖)结合产生ATP,并在输送过程中受到其他局部因素的调节[11]。流经视网膜的血液和神经元活动紧密耦合,而神经元又依赖于光刺激,已有研究证明,增加光刺激可以增加视网膜血流量[12-13],这一现象是由神经血管耦合引起的。视网膜NVU的所有细胞均紧密相连,根据代谢需求调节血流量,并维持内部BRB完整性。
2 BRB血管通透性与视网膜水肿
视网膜作为高代谢组织依靠BRB供应营养[14],BRB能够调节离子平衡、维持水和血浆渗透压并保证氨基酸和葡萄糖的输送[15]。BRB由两个不同的屏障组成,oBRB由相邻的色素上皮细胞形成的紧密连接组成,控制毛细血管和视网膜内部运输,能够调节血液中的溶质和营养物质[16],iBRB由位于基底膜上的内皮细胞以及周细胞组成,并被Müller细胞的突起包裹,Müller细胞能够通过传递调控信号来影响视网膜内皮细胞和iBRB的活性[17]。iBRB毛细血管为神经元提供氧气、葡萄糖和必需的营养物质,并且能够限制血液里的其他分子和细胞进入视网膜组织[18],iBRB破坏的中心机制是视网膜内皮细胞通透性改变,这是许多眼部疾病的一个重要标志,包括DR、年龄相关性黄斑变性和黄斑水肿。视网膜毛细血管没有外膜或者中膜,只有一层内皮细胞,周细胞嵌在血管周边的间隙内,血管内皮细胞和周细胞周围及之间的基底膜形成血管腔。BRB的血管通透性受内皮细胞间连接以及内皮细胞与细胞外基质的结合进行调节。血管内皮细胞间的紧密连接是通过存在于细胞间隙的紧密连接蛋白包括闭合蛋白(occludin)、血管内皮钙连蛋白(VE-cadherin)和Claudin来建立的。DME形成的最主要原因是血管通透性增加,其特征是血管渗漏、组织水肿和中央视网膜硬性渗出物的沉积,长期的高血糖会导致视网膜血管自我调节能力丧失,小动脉和小静脉扩张[19-20],增加毛细血管静水压,导致组织水肿,并导致毛细血管壁扩张形成微动脉瘤或者破裂出血[21]。由于较小的溶质更容易在血管壁上双向扩散,特别是通过细胞旁途径,所以间质中大蛋白浓度的增加是导致组织渗透压增加以及随后视网膜水肿形成的主要原因,BRB破裂引起的血浆溶质渗漏以及毛细血管静水压升高会导致间质渗透压升高,从而导致视网膜水肿。
3 NVU与BRB血管通透性
BRB的改变是DME疾病的主要标志,其特征在于周细胞丢失,内皮细胞连接破坏以及基底膜增厚。有研究表明,胶质细胞以及神经元也会影响BRB的功能[22-23],神经节、无长突和小胶质细胞在结构和功能上均为构成NVU的主要细胞[24],为内皮细胞的正常功能提供支持和保护[25],因此,神经元损伤会间接影响视网膜血管和胶质细胞,研究表明,组成NVU的所有细胞均以不同方式参与了BRB的分解[10]。视网膜血管主要由浅血管丛、中血管丛、深血管丛三层组成,这三层血管网相互连通供养视网膜内组织。视网膜中血管丛和深血管丛中的毛细血管是构成iBRB的主要毛细血管。神经节细胞作为视网膜的信号调节因子,是第一个被检测到的由糖尿病诱导而发生凋亡的神经元[7,26],并且,先前的研究表明,DR患者视网膜功能第一个可测量的变化是视网膜电图测试中振荡电位的降低[1]。一旦视网膜节细胞功能障碍,信号传递异常,神经胶质细胞等支持细胞出现功能失代偿会导致NVU细胞之间异常信号增多[27]。由于视网膜内血管缺乏自主神经,神经功能障碍会导致微血管损伤,此后随着时间推移,胶质细胞受损,吞噬和清除细胞碎片的能力下降,从而导致代谢产物和有毒化学物质的累积[28],这些堆积的产物不仅对内皮细胞以及色素上皮细胞有害,还会造成缺血缺氧的环境,从而破坏VEGF以及抗VEGF之间的平衡,改变视网膜内稳态,促进BRB的破坏。
3.1 周细胞 周细胞作为视网膜血管壁的主要壁细胞,其突起包裹毛细血管,促进局部血管运动控制,通过收缩毛细血管来防止血栓清除后的缺血-再灌注,舒张血管增加血流量[29-30]。体内外研究表明,周细胞可增强屏障特性[31-32],在超微结构上,视网膜上的周细胞与内皮细胞比例为1∶1,比大脑(1∶3)以及其他微血管床(1∶10)相对较高,提示周细胞在维持BRB的生理稳态上具有重要作用[33]
周细胞丢失作为DR早期的典型组织学病变,能够提高内皮细胞对VEGF信号转导的反应性,并导致局灶性内皮细胞增殖从而形成微动脉瘤。研究表明,毛细血管周细胞的密度和相对表面覆盖率与内皮屏障特性呈正相关[34],周细胞和内皮细胞之间的相互作用对于血管生成以及血管系统的成熟和维持非常重要,这一作用主要是通过生长因子的自分泌和旁分泌调节并对基底膜的调节来实现[35]。在血管生成和发育过程的早期,内皮细胞与周细胞之间的黏附主要受内皮细胞释放趋化因子的调节来诱导周细胞募集和分化;另一方面,周细胞分泌生长因子来调节内皮细胞的功能或者吸引胶质细胞[36]。Platania等[37]研究发现,高血糖能够诱导P2X7R受体激活从而导致周细胞死亡和BRB损伤,使用P2X7R的拮抗剂后能够有效阻断高糖诱导的BRB分解,从而缓解DME损伤。长效双特异性抗体faricimab可以通过减少周细胞丢失以及内皮细胞损伤用于特定的DME治疗,并在较长治疗间隔时间内显示出明显改善[38]
3.2 内皮细胞 迄今为止,血管内皮改变是DR唯一成功的治疗靶点,激光光凝为许多患者提供了控制增殖和水肿的有效手段[39-40],目前临床常用于治疗DME的药物有阿柏西普、贝伐单抗和雷珠单抗,其均是通过阻断VEGF发挥作用。视网膜内皮细胞作为DR病变的关键参与者,一方面向视网膜组织供应氧气和营养物质,检查视网膜是否存在潜在的病原体;另一方面通过去除循环分子毒素,微生物和促炎白细胞来保护BRB[41]
内皮细胞通过紧密连接复合物和黏附连接形成紧密单层,在DR动物视网膜微血管中观察到细胞-细胞间连接破坏,表现为occludin和VE-cadherin表达水平下降[42]。研究表明,Notch信号通路可以调控内皮细胞黏附连接的形成,阻断内皮细胞Notch信号通路可导致健康小鼠血管基底膜形成受阻,血流灌注减少,BRB破坏[43];Yan等[44]研究显示,通过依赖于AMPK信号通路的保护作用可以改善内皮细胞损伤,增强occludin和Claudin-5的表达,从而稳定iBRB的紧密连接;Qin等[45]研究显示,激活Tie2/Akt/mTOR信号通路可提高内皮细胞间的紧密连接蛋白,改善iBRB损害。此外,在DR患者中可观察到内皮细胞凋亡,最终在DR晚期形成无细胞毛细血管[46],内皮细胞凋亡或结构损伤,伴随着周细胞的凋亡,这可能是导致BRB功能障碍的直接原因。氧化应激,白细胞停滞,内皮祖细胞功能障碍和衰老是视网膜内皮细胞死亡的潜在机制。在高糖环境下,晚期糖基化终末产物累积进一步产生活性氧(ROS),持续性产生的ROS导致内皮细胞进一步凋亡,并且在高血糖以及持续性暴露于氧化应激的环境下,内皮细胞具有更高的增殖速率,并且处于不可逆的细胞周期阻滞,更可能产生凋亡[47-48],从而导致视网膜组织增厚、肿胀、变形,最终表现为黄斑区水肿。
3.3 胶质细胞 视网膜中的神经胶质细胞和内皮细胞仅由基底层分开,主要为Müller细胞、星形胶质细胞和小胶质细胞[49]。神经胶质细胞的主要功能是从神经末梢摄取神经递质,同时分泌神经活性物质,包括神经递质,类花生酸,类固醇,神经肽和生长因子如VEGF。DME的病理性水肿是血浆溶质通过功能失调的BRB渗漏到视网膜间质中而发生的,胶质细胞在形成和维持BRB以及生理条件下吸收营养物质和处置代谢产物方面发挥关键作用。研究表明,适当的神经胶质功能是形成深毛细血管层的必要条件,内皮细胞需要胶质细胞内足介导的接触来增加其屏障特性,从而促进紧密连接的形成[50]。神经胶质细胞向形成BRB所需的视网膜血管内皮细胞提供WNT信号转导,能够提供BRB形成所需的Norrin信号转导。
Müller细胞是视网膜主要的胶质细胞,主要存在于内核层,形成广泛的绒毛网络为神经元提供精细支持和保护,并且与血管紧密接触,为神经血管细胞间的交流提供额外途径[51]。Müller细胞能够释放多种诱导视网膜血管紧密连接形成的细胞因子,在DR进程中因代谢异常被激活并过表达胶质纤维酸性蛋白(GFAP),进一步影响血管屏障特性,内皮细胞通过与Müller细胞相互作用,视网膜发生水稳态调节的变化。研究表明,在条件性基因敲除小鼠(Müller细胞中特异性敲除VEGF)中检测到炎症生物标志物的降低以及血管异常的减少[52]。此外,在DR过程中,Müller细胞中水通道蛋白(AQPs)和Kir4.1水平升高,导致细胞肿胀,产生血管活性物质如VEGF,δ样蛋白4(DLL4)蛋白,血管生成素样蛋白4以及富亮氨酸α2糖蛋白1,从而增加血管通透性,促进血管生成[3],另外,研究表明,AQP4敲低的DR大鼠视网膜血管通透性增强,VEGF以及GFAP水平升高[53]。星形胶质细胞主要位于视网膜神经纤维层,同时包裹于血管周围,形成神经胶质限制因子,调节多种内皮细胞功能,并与神经突触接触维持BRB的稳态[54]。研究显示,星形胶质细胞中p75基因的过表达通过激活核因子κB(NF-κB)和缺氧诱导因子1α(HIF-1α)信号上调基质金属蛋白酶(MMP)-9和VEGF的表达[55],MMP-9已被证实能够降解紧密连接蛋白occludin和Claudin-5,并构成基底膜的Ⅳ型胶原,从而破坏BRB[56]。小胶质细胞是视网膜的常驻巨噬细胞,通常以吞噬作用清除突触重塑和细胞凋亡后的代谢产物和组织碎片。最近的动物实验和临床研究表明,DME是一种炎症性疾病,研究发现,在DR大鼠视网膜中,激活的小胶质细胞与受损的周细胞和内皮细胞相互作用部位存在明显的白蛋白渗漏,小胶质细胞通过对PI3K/Akt/Stat3/NF-κB信号通路的激活释放过量的促炎介质[57],包括细胞因子,趋化因子,半胱天冬酶以及谷氨酸[58],这些介质诱导视网膜神经元和内皮细胞的额外凋亡,同时活化的炎症细胞表达细胞黏附因子并分泌具有降解细胞外基质蛋白供能的MMP,破坏基底膜和血管内皮细胞,损害BRB血管通透性。同时,Xie等[59]发现,活化的小胶质细胞穿透iBRB的基底膜并吞噬内皮细胞导致iBRB的破坏,而促红细胞生成素能够通过激活小胶质细胞中的Src/Akt/cofilin信号通路,保持iBRB完整性。
3.4 神经元细胞 视网膜是唯一直接暴露于光的神经组织,研究表明,DR在早期血管病变之前就已发生神经退行性变,DR的神经元功能障碍由多重因素引起,包括谷氨酸代谢受损[60],突触和树突缺失以及神经节细胞凋亡[61]等,患者进一步出现视觉功能改变,比如色觉丧失,对比敏感度下降,视网膜电图异常。视网膜神经节和无长突细胞是第一个检测到DR诱导的细胞凋亡的神经元,同时光感受器的凋亡率也随之增加。光学相干断层扫描(OCT)发现,DR患者神经节细胞层以及神经纤维层明显变薄,并且对未出现DR的糖尿病患者检测发现,更薄的神经纤维层与其视盘周围血管形态和密度的早期变化相关[62]。此外,在DR早期,神经营养因子如色素上皮衍生因子(PEDF)、生长抑素(SST)下调,并伴随VEGF和促红细胞生成素表达上调,且神经保护因子表达下调占主导地位[63-64]。研究表明,无长突细胞受损,视网膜内层毛细血管也同时受损,表现为无长突细胞所在的内核层变薄以及内丛状层变薄,毛细血管血流量减少[65]。在高糖环境的视网膜中,神经元细胞分泌促进BRB功能障碍的分子semaphorin-3A,通过与其同源受体Nrp1结合,引起内皮细胞连接松动,导致血管源性水肿[66];Ji等[67]研究发现,神经元衍生的Scg3作为DR的选择性神经血管调节因子,能够调控视网膜血管生成以及血管渗漏,导致BRB分解,进一步促进DME的发生发展。由此提出两种假设,首先,BRB改变导致视网膜水肿,细胞外液组成改变以致随后的神经元细胞损失;其次,高血糖可直接导致神经元细胞凋亡,进而导致BRB分解,但具体是哪种机制仍尚未完全明确。
4 小结
本文着重强调了NVU如何影响BRB功能从而调控DME的进展。目前,大多数中心性DME患者采取抗VEGF治疗,但黄斑水肿的治疗效果仍不理想,且仍存在40%~50%的DME患者对抗VEGF治疗没有完全反应,其原因可能是抗VEGF仅是针对视网膜毛细血管的治疗,但DME是由于内部BRB破裂导致的微循环衰竭,即视网膜毛细血管和神经胶质组成的NVU破坏。神经元以及胶质细胞功能障碍能够引起并促进黄斑水肿,因此,从NVU综合概念的角度,通过恢复受损神经胶质细胞以及邻近血管网络对DME治疗的新方法值得进一步研究探索。