陳飛 綜述 張學東 審校

重慶醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院眼科 重慶市眼科研究所 眼科學重慶市市級重點實驗室 400016

陳飛現(xiàn)在重慶市壁山區(qū)人民醫(yī)院眼科 402760

糖尿病視網(wǎng)膜病變(diabetic retinopathy，DR)是糖尿病常見且重要的眼部并發(fā)癥，其發(fā)病機制尚不完全清楚，可能與以下因素有關(guān)：(1)多元醇-肌醇代謝異常；(2)晚期糖基化終末產(chǎn)物的異常生成和堆積；(3)氧化應(yīng)激作用；(4)二酰甘油-蛋白激酶C系統(tǒng)的活化；(5)腎素-血管緊張素系統(tǒng)的活化；(6)細胞因子、細胞自噬與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的作用；(7)慢性低度炎癥的作用[1]?，F(xiàn)階段對DR的治療仍以對癥治療為主，尚不能完全阻止其發(fā)生和發(fā)展。DR作為一種“無法治愈”的常見慢性致盲眼病給廣大患者及其家庭，乃至整個社會帶來了巨大的負擔。硫化氫是近期發(fā)現(xiàn)的第3個氣體信號分子，其在神經(jīng)系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)及內(nèi)分泌系統(tǒng)中均發(fā)揮著重要的生理病理作用。近期有研究表明，硫化氫及其內(nèi)生酶系參與了糖尿病及糖尿病并發(fā)癥的病理過程[2]。目前已有一些研究通過細胞實驗或動物模型實驗驗證了硫化氫在DR發(fā)生和發(fā)展過程中起保護作用，提示硫化氫對DR具有潛在的治療作用。本文就硫化氫在DR發(fā)病機制中的作用進行綜述。

1 硫化氫的抗凋亡作用

研究表明，視網(wǎng)膜周細胞在高血糖狀態(tài)下凋亡率升高，可見周細胞的丟失與高血糖狀態(tài)有直接關(guān)系[3]。在DR初期，周細胞的不斷丟失及基底膜增厚會導致內(nèi)皮細胞調(diào)控的異常，繼而出現(xiàn)新生血管，是導致DR發(fā)生和發(fā)展的重要因素[4]。此外，DR的主要病理改變與視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞(retinal ganglion cell，RGC)的功能障礙及凋亡相關(guān)。在糖尿病狀態(tài)下，持續(xù)高血糖導致活性氧簇(reactive oxygen species，ROS)生成增加，線粒體損傷，最終導致RGC凋亡[5]。此外，高血糖誘導的視網(wǎng)膜色素上皮(retinal pigment epithelium，RPE)細胞凋亡也被認為參與了DR的發(fā)展過程[6]。綜上所述，這些細胞的凋亡在DR的發(fā)生和發(fā)展中起重要作用。硫化氫在不同組織中具有抗凋亡作用。Sodha等[7]研究表明，在心肌細胞缺血-再灌注損傷中硫化氫可以通過抑制caspase-9發(fā)揮抗凋亡作用。Sivarajah等[8]進一步研究發(fā)現(xiàn)，一種KATP通道阻滯劑5-羥基癸酸能夠阻斷硫化氫對心肌細胞凋亡、caspase-9活性及bcl-2蛋白質(zhì)表達的抑制作用[8]。這說明硫化氫抗凋亡的機制可能與線粒體ATP敏感性鉀通道的開放有關(guān)。此外，硫化氫還可以抑制高糖誘導的心肌細胞和內(nèi)皮細胞凋亡，通過抑制ROS及caspase-3激活，減少缺氧導致的神經(jīng)元凋亡[9]。Biermann等[10]研究發(fā)現(xiàn)，在大鼠發(fā)生視網(wǎng)膜缺血前，讓其吸入硫化氫抑制了大鼠視網(wǎng)膜組織中caspase-3的激活和細胞凋亡。以上研究均證實了硫化氫的抗凋亡作用，但硫化氫能否在DR模型中發(fā)揮抗凋亡作用仍需進一步研究證實。

2 硫化氫的抗氧化作用

目前國內(nèi)外研究者普遍認為氧化應(yīng)激是DR發(fā)生和發(fā)展中的重要環(huán)節(jié)，其主要機制是通過激活下游信號通路促進炎癥反應(yīng)及細胞凋亡的發(fā)生[11]。慢性高血糖可引起糖尿病患者脂質(zhì)過氧化，從而引起線粒體功能異常及ROS水平升高，形成氧化應(yīng)激反應(yīng)。氧化應(yīng)激進一步加劇ROS產(chǎn)生，引起新生血管生成及炎性因子的大量激活，最終導致DR的發(fā)生和發(fā)展[12]。硫化氫作為一種抗氧化劑，在各種氧化應(yīng)激損傷中發(fā)揮著保護作用。一方面，硫化氫能夠增強半胱氨酸及其轉(zhuǎn)運蛋白的活性，增加谷胱甘酮的產(chǎn)生，發(fā)揮抗氧化作用；另一方面，硫化氫能夠直接抑制過氧化氫陰離子、過氧化氫和過氧化氫亞硝酸鹽的生成[13]。此外，硫化氫可以調(diào)節(jié)線粒體功能，其作為一種有效的細胞色素C氧化酶可逆抑制劑，通過減弱細胞呼吸能力，降低線粒體活性，減少線粒體損傷，從而起到細胞保護作用[14]。Jha等[15]研究發(fā)現(xiàn)，硫化氫能夠通過增加細胞中的抗氧化作用，保護肝細胞免受缺血-再灌注損傷；相反，在缺氧性肺動脈高壓大鼠模型中，由于內(nèi)源性硫化氫生成的減少氧化應(yīng)激水平升高。甚至有研究認為，外源性硫化氫能夠減輕DR模型大鼠視網(wǎng)膜中線粒體的功能障礙，減少大鼠視網(wǎng)膜中ROS的形成[16]。根據(jù)上述研究結(jié)果，說明硫化氫可能通過抗氧化在DR中發(fā)揮視網(wǎng)膜保護作用。

3 硫化氫的抗炎作用

大量證據(jù)表明，炎癥在DR的發(fā)生和發(fā)展中起重要作用，但其機制仍不清楚，可能的機制包括多元醇途徑增加、糖基化終末產(chǎn)物形成增加、蛋白激酶C亞型激活、己糖胺途徑增加等[17]。這些通路的失調(diào)導致線粒體中自由基大量產(chǎn)生，氧化應(yīng)激增加，流變學異常和腎素-血管緊張素系統(tǒng)活化，產(chǎn)生大量生長因子和炎性細胞因子，最終影響血管壁的完整性，導致血管通透性增加、管腔閉塞及局部缺血，加速DR發(fā)生[18]。

3.1 硫化氫在新生血管形成中的作用及機制

眾所周知，視網(wǎng)膜新生血管形成是增生性糖尿病視網(wǎng)膜病變(proliferative diabetic retinopathy，PDR)的病理基礎(chǔ)。血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)在血管生成中起關(guān)鍵作用[19]。在大腦和視網(wǎng)膜中VEGF能增強白細胞對血管壁的黏附，增加細胞間黏附分子-1(intercellular adhesion molecule-1，ICAM-1)和血管細胞黏附分子-1的表達。在內(nèi)皮細胞中，VEGF也能夠增加ICAM-1的表達，導致白細胞活化和細胞因子產(chǎn)生。細胞因子反過來介導炎癥反應(yīng)并刺激VEGF的進一步釋放[20-21]。在缺氧條件下，VEGF產(chǎn)生增多，導致血-視網(wǎng)膜屏障(blood-retinal barrier，BRB)的通透性增強[21]。因此，VEGF被認為是導致DR發(fā)展的主要血管生長因子[21]。研究發(fā)現(xiàn)在鏈脲佐菌素(streptozotocin，STZ)誘導的大鼠DR模型中，給予外源性硫化氫可降低大鼠玻璃體中VEGF的含量及低氧誘導因子-1α和VEGFR2的mRNA表達，減少視網(wǎng)膜血管的滲漏和無細胞毛細血管的形成[22]。該研究還顯示，在DR的細胞和動物模型中，硫化氫能夠通過抑制核因子-κB(nuclear factor-κB，NF-κB)信號通路，降低細胞因子及趨化因子，如白細胞介素1β(interleukin-1β，IL-1β)、ICAM-1、誘導型一氧化氮合酶和環(huán)氧合酶等的表達，進而減輕炎癥反應(yīng)，抑制血管壁的破壞及視網(wǎng)膜局部缺血，發(fā)揮抗新生血管的作用[22]。上述研究表明，硫化氫可能在DR發(fā)展中發(fā)揮著抗新生血管的作用。但也有研究指出，硫化氫具有促新生血管生成的作用，其能夠通過PI3K/Akt信號通路促進內(nèi)皮細胞增生、遷移及管狀結(jié)構(gòu)形成[23]，這可能限制了硫化氫在PDR治療中的應(yīng)用。因此，硫化氫可能在DR的不同階段發(fā)揮著不同的作用，還需要更多的研究來揭示硫化氫在DR新生血管形成中的作用及機制。

3.2 硫化氫抑制腫瘤壞死因子-α的表達及其誘導的炎癥反應(yīng)

腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)能夠通過下調(diào)緊密連接蛋白的表達增加視網(wǎng)膜內(nèi)皮細胞的通透性，進而導致BRB的破壞[24]。由于RGC的死亡和視神經(jīng)的退化，TNF-α也能刺激白細胞黏附并誘導氧化和ROS的產(chǎn)生[25]。VEGF存在下TNF-α水平升高可刺激視網(wǎng)膜新生血管的生成[26]。研究表明，糖尿病患者血清及玻璃體中TNF-α水平明顯高于非糖尿病患者[27]。因此，TNF-α與DR的發(fā)生和發(fā)展密切相關(guān)。在腎損傷模型中，硫化氫通過抑制NF-κB信號通路，降低了兔外周血白細胞中TNF-α的表達水平[28]。Perna等[29]研究結(jié)果顯示，硫化氫能夠通過抑制TNF-α的活化，減輕內(nèi)皮細胞的炎癥反應(yīng)。Pan等[30]研究也發(fā)現(xiàn)在TNF-α刺激下的內(nèi)皮細胞中，外源性硫化氫能減少黏附分子的表達和單核細胞與內(nèi)皮細胞的黏附作用，并降低細胞內(nèi)TNF-α誘導的ROS產(chǎn)生。進一步研究表明，這種抗炎作用主要是通過抑制NF-κB和p38信號通路以及血紅素氧合酶1表達的上調(diào)來實現(xiàn)的。上述研究表明，硫化氫不但能夠抑制TNF-α的表達，還能抑制TNF-α誘導的炎癥反應(yīng)，但硫化氫能否通過這些通路在DR模型中抑制TNF-α及其誘導的炎癥反應(yīng)還需要更多的研究來證實。

3.3 硫化氫抑制IL-6和IL-8的表達

IL是免疫細胞間相互作用的重要細胞因子，并在炎癥反應(yīng)中起重要作用。有研究發(fā)現(xiàn)重組IL-1β與TNF-α的共同刺激可增加人RPE細胞分泌IL-6和IL-8。同時，IL-1β與TNF-α共同促進了血管生成的活性[31]。已有研究證實IL-1β具有促進血管生成的作用，并介導視網(wǎng)膜新生血管形成[32]。最近的研究通過抑制糖尿病小鼠中IL-1β產(chǎn)生所需的酶或阻斷IL-1β的受體來抑制IL-1β活性，結(jié)果顯示IL-1β通路受到抑制的小鼠視網(wǎng)膜毛細血管變性減少[33]。因此，IL-1β在糖尿病引起的視網(wǎng)膜疾病的發(fā)展中起重要作用。最新研究發(fā)現(xiàn)，硫化氫通過抑制高糖誘導的H9C2心肌細胞中Toll樣受體4和NF-κB的活化，抑制了NLRP3炎癥小體及IL-1β、IL-18等炎性因子的表達[34]。在DR的細胞及動物模型實驗中也證實了硫化氫可通過抑制NF-κB通路抑制IL-1β等炎性因子的表達[22]。

IL-6是一種多功能細胞因子，參與調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)，增加血管通透性和刺激血管生成。體外研究發(fā)現(xiàn)，IL-6能夠增加內(nèi)皮細胞的通透性，從而誘導肌動蛋白絲重排，改變內(nèi)皮細胞的形狀[35]。此外，IL-6還可以促進VEGF的表達，導致新生血管形成和血管通透性增加[36]。在DR患者的玻璃體中，IL-6的表達水平均明顯升高，且其水平高低與DR嚴重程度相關(guān)[37]。IL-8是一種具有趨化能力的細胞因子，在DR的發(fā)展過程中，IL-8加強了中性粒細胞的脫顆粒和吞噬作用，釋放了蛋白酶，導致內(nèi)皮細胞損傷，最終引起血流淤滯、組織壞死，促進新生血管形成[38]。它還能增加ICAM的表達，加強血管內(nèi)皮細胞、RPE細胞上ICAM的黏附和聚集，產(chǎn)生的細胞因子再激活小膠質(zhì)細胞，從而刺激炎癥循環(huán)[39]。另外，在高糖狀態(tài)下，RPE細胞中IL-8和TNF-α表達增加，IL-8破壞了視網(wǎng)膜血管內(nèi)皮細胞和RPE細胞的緊密連接，導致BRB破壞，血管通透性增加，加速了DR的進展[40]。可見IL-6和IL-8可能是視網(wǎng)膜炎癥和新生血管形成的重要介質(zhì)。目前有研究表明，外源性硫化氫能夠抑制急性肺損傷大鼠模型肺組織中IL-6和IL-8的表達[41]。另外，Kloesch等[42]研究也發(fā)現(xiàn)外源性硫化氫通過抑制MAPK通路可以抑制人軟骨細胞中IL-1β誘導的IL-6和IL-8的表達，說明硫化氫可能通過MAPK通路抑制IL-6和IL-8的表達。然而在DR模型中，硫化氫是否通過這一通路抑制IL-6和IL-8的表達仍需進一步研究。

4 硫化氫的抗自噬作用

自噬與DR具有密切的關(guān)系。有實驗表明，高糖可激活自噬過程促進人RPE細胞增生，而抑制自噬則可以抑制RPE細胞的增生[43]。在DR模型中，氧化應(yīng)激能激活自噬途徑，并導致細胞自噬性死亡，而經(jīng)過胰高血糖素樣肽-1處理后自噬得到顯著緩解[44]。國內(nèi)報道也發(fā)現(xiàn)，高糖或TNF-α能夠誘導猴脈絡(luò)膜視網(wǎng)膜血管內(nèi)皮細胞(RF/6A)自噬蛋白的表達增加，使細胞增生、遷移及管腔形成能力增強，進一步研究發(fā)現(xiàn)抑制自噬可以抑制這些改變[45-46]，說明自噬參與了高糖或TNF-α誘導的新生血管形成，可能在DR新生血管的形成中發(fā)揮促進作用。此外，研究發(fā)現(xiàn)RPE細胞中高表達的自噬蛋白可能參與視網(wǎng)膜細胞內(nèi)低水平的炎癥過程，參與DR的發(fā)展[47-48]。目前研究表明，在各種糖尿病模型中，硫化氫對自噬起著調(diào)節(jié)作用。Xiao等[49]研究發(fā)現(xiàn)，在糖尿病大鼠模型中，糖尿病能夠引起心肌顯著纖維化，增強心肌細胞自噬，并抑制PI3K/Akt1信號通路，而經(jīng)過NaHS處理后心肌纖維化得到改善，心肌細胞自噬減少，PI3K/Akt1通路抑制被逆轉(zhuǎn)，這說明硫化氫對糖尿病心肌纖維化的保護作用可能與激活PI3K/Akt1信號通路，抑制自噬有關(guān)。Liu等[50]研究認為，外源性硫化氫可以通過抑制由Nrf2-ROS-AMPK信號通路引起的氧化應(yīng)激，減輕過度自噬，從而保護動脈內(nèi)皮細胞。在STZ誘發(fā)的糖尿病小鼠模型中，硫化氫可以通過抑制Akt、TGF-1和NF-κB信號通路，減少氧化應(yīng)激，減輕腎組織纖維化和自噬作用[51]。然而，硫化氫能否通過抑制自噬來緩解DR的發(fā)展仍需進一步研究證實。

5 硫化氫的神經(jīng)保護作用

目前認為除了血管的改變外，神經(jīng)節(jié)細胞、神經(jīng)膠質(zhì)細胞、小神經(jīng)膠質(zhì)細胞等非血管細胞的結(jié)構(gòu)和功能損傷在DR發(fā)生和發(fā)展中也起著重要作用[52]。有證據(jù)表明，視網(wǎng)膜神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細胞的神經(jīng)變性甚至發(fā)生在微血管瘤之前[53]。硫化氫能夠抑制神經(jīng)元的凋亡和退化，它主要通過抗炎、抗氧化應(yīng)激及抗凋亡的機制發(fā)揮神經(jīng)保護作用[54]。硫化氫能抑制ROS的生成，減少髓過氧化物酶催化后產(chǎn)生的次氯酸，從而減少其對神經(jīng)元的毒性作用，它還能夠通過抑制細胞色素氧化酶C或cAMP水平升高引起的N-甲基-D-天冬氨酸受體過度激活，減少神經(jīng)元死亡[55-57]。在阿爾茨海默病、亨廷頓病、帕金森病等神經(jīng)退行性疾病中，硫化氫表達水平表達下降會導致過氧亞硝基離子增多及神經(jīng)元退化[58-59]。視網(wǎng)膜電圖(electroretinogram，ERG)的b波及震蕩電位(oscillatory potentials，OPs)振幅可以用來評價神經(jīng)元的功能，在STZ誘導的DR大鼠模型中，外源性硫化氫改善了其ERG中b波及OPs振幅的降低，同時增加了腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子及突觸小泡的表達[22]，說明硫化氫對視網(wǎng)膜神經(jīng)元具有保護作用。進一步研究硫化氫在DR中的神經(jīng)保護作用及其機制對DR的治療是一種新的思路。

6 小結(jié)及展望

綜上所述，硫化氫在各種組織器官或細胞中發(fā)揮著抗細胞凋亡、抗氧化應(yīng)激、抗炎、抗自噬及神經(jīng)保護等作用，硫化氫可能通過這些作用在DR的發(fā)生和發(fā)展中發(fā)揮保護性作用，但目前關(guān)于硫化氫在DR方面的研究報道仍較少，進一步探索硫化氫在DR發(fā)病機制中的作用可以為DR的治療提供新的思路。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突