李寶花，郭超紅，郭承偉

0引言

糖尿病視網(wǎng)膜病變(diabetic retinopathy，DR)是最常見的糖尿病并發(fā)癥之一，2017年全球有4.25億人(年齡20～79歲)患有糖尿病，到2045年，這一數(shù)字預計將上升到6.29億，與之相應的是DR發(fā)生率的逐年升高[1]。明確DR的發(fā)病機制，對于DR的防治顯得尤為重要。常規(guī)臨床評估顯示出血、滲出、棉絮斑和新生血管等典型的微血管損傷作為DR的主要病理特征，一直是研究者最為關(guān)注的熱點，然而隨著研究的不斷進展，對DR的認識已從單純的微血管損傷轉(zhuǎn)向神經(jīng)-膠質(zhì)-血管單元(neuro-glia-vascular unit，NVU)概念及其耦聯(lián)機制(coupling)[2]，即在高血糖病理條件下，神經(jīng)性損傷可能是起源，其次是血管病變、血流變化和基質(zhì)分子分泌的改變[3-5]。本文總結(jié)近10a來有關(guān)神經(jīng)血管單元損傷與DR發(fā)病相關(guān)的研究，探討神經(jīng)血管單元損傷及其耦聯(lián)失衡在DR發(fā)病中的關(guān)鍵病理作用，為DR的早期治療及預防提供參考價值。

1視網(wǎng)膜NVU的結(jié)構(gòu)組成及功能

NVU最初應用于研究血-腦屏障(blood-brain barrier，BBB)破壞的一些疾病，如中風、腦梗塞及阿爾茲海默癥等[6]，在維持腦內(nèi)、外微環(huán)境的平衡中起著關(guān)鍵作用[7]，后來被引入視網(wǎng)膜疾病的一些研究。它是指神經(jīng)元、膠質(zhì)細胞和高度分化的中樞神經(jīng)系統(tǒng)、血管系統(tǒng)之間的功能耦合和相互依賴[8]。NVU的幾種細胞類型之間不是孤立的，而是一系列事件相互影響的結(jié)果，神經(jīng)元就像這一系列事件發(fā)生的“起搏器”，當神經(jīng)元接受到外界環(huán)境的細微變化(如血糖升高、炎癥等)時，與相鄰的星形膠質(zhì)細胞建立突觸聯(lián)系，星形膠質(zhì)細胞的端足與血管的平滑肌細胞或周細胞有廣泛的接觸面，如此通過神經(jīng)遞質(zhì)發(fā)送相關(guān)的氧化需求和命令，與血管通信，控制血管張力，導致血管收縮或血管舒張，從而影響周圍區(qū)域的血液供應[9-10]。另外內(nèi)皮細胞又為神經(jīng)元、膠質(zhì)細胞的正常工作提供足夠的氧氣和葡萄糖，同時限制其他的分子流量，以保護NVU耦聯(lián)機制[11]。

2神經(jīng)血管單元維持血-視網(wǎng)膜屏障的完整性

在20世紀，首次提出BBB來解釋某些藥物不能治療腦部疾病的原因[12-13]。BBB作為一個更高的選擇性屏障，保護和分離中樞神經(jīng)系統(tǒng)免受毒性、破壞性的血源性化合物等的侵害，保護神經(jīng)突觸的信號傳遞，允許必需的分子進入，清除大分子和腦代謝產(chǎn)物，維持腦微環(huán)境的平衡[14]。以前認為BBB的概念是大腦的純內(nèi)皮質(zhì)屏障，是由緊密連接和黏附連接組成的物理屏障[15]，但是現(xiàn)在BBB更多的被認為是“神經(jīng)膠質(zhì)血管單位”[16]。從解剖及生理的角度看，眼睛被認為是大腦的延伸，血-視網(wǎng)膜屏障(blood-retinal barrier，BRB)作為一個動態(tài)復雜的界面，控制體循環(huán)與視網(wǎng)膜環(huán)境之間的物質(zhì)交換，調(diào)節(jié)著眼血管床和視網(wǎng)膜組織之間的液體和分子運動，防止大分子和其他潛在有害物質(zhì)泄漏到視網(wǎng)膜，保持眼球的微環(huán)境。

BRB可分為外血-視網(wǎng)膜屏障(outer blood-retina barrier,oBRB)和內(nèi)血-視網(wǎng)膜屏障(inner blood-retina barrier,iBRB)兩部分，其中oBRB由視網(wǎng)膜色素上皮細胞及其連接構(gòu)成，iBRB由視網(wǎng)膜血管內(nèi)皮細胞及其連接、基底膜、周細胞和星形膠質(zhì)細胞的突起共同構(gòu)成[17]。內(nèi)皮細胞、星形膠質(zhì)細胞和視網(wǎng)膜神經(jīng)元之間的信號通路和細胞反應的整合，是確保眼球結(jié)構(gòu)和功能正常的必要條件。因此BRB可以被認為是NVU的解剖中心成分，而BRB的功能正常發(fā)揮又依賴于NVU的內(nèi)部協(xié)調(diào)。

3視網(wǎng)膜NVU在DR發(fā)病中的關(guān)鍵作用

在DR發(fā)病中，視網(wǎng)膜神經(jīng)退行性病變先于臨床可檢測到的微血管損傷[18]。雖然脈絡膜毛細血管受到交感神經(jīng)自主支配，但是視網(wǎng)膜內(nèi)部的血管系統(tǒng)會根據(jù)神經(jīng)元的代謝需求進行自動調(diào)節(jié)，確保視網(wǎng)膜血流量恒定，以輸送氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)，并且支配視網(wǎng)膜特定區(qū)域的活動，完成神經(jīng)血管耦合[19]。在體內(nèi)高血糖環(huán)境下，腦部神經(jīng)系統(tǒng)受到刺激，視網(wǎng)膜NVU系統(tǒng)基質(zhì)分子分泌改變，神經(jīng)-血管耦聯(lián)失衡，最終導致血管病變及血流改變，膠質(zhì)細胞信號募集激活，反向?qū)е律窠?jīng)元損傷和突觸功能障礙，至此眼部組織生理障礙、代謝障礙、免疫障礙和運輸障礙相繼而生。下面就視網(wǎng)膜NVU各組成部分在整個耦聯(lián)機制中的作用作一一論述，以闡明每一部分在DR發(fā)病中的關(guān)鍵性。

3.1視網(wǎng)膜神經(jīng)元視網(wǎng)膜神經(jīng)元包括光感受器、水平細胞、雙極細胞、無長突細胞和神經(jīng)節(jié)細胞。實驗證明，視網(wǎng)膜內(nèi)神經(jīng)元是將淺層血管引導到深層的關(guān)鍵，對視網(wǎng)膜深部血管叢的形成至關(guān)重要[20]。比如在視網(wǎng)膜中，神經(jīng)細胞和膠質(zhì)細胞產(chǎn)生血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)，并促進視網(wǎng)膜血管系統(tǒng)的發(fā)育[21]。研究顯示，在視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞(retinal ganglion cells，RGC)缺陷小鼠中，內(nèi)皮細胞未能從視盤遷移到視網(wǎng)膜[22]；無長突細胞和水平細胞中VEGF的缺失或這些細胞的功能受損，阻礙了中間血管網(wǎng)絡的發(fā)育[23]。視網(wǎng)膜神經(jīng)元是整個視網(wǎng)膜發(fā)育健全的重要發(fā)起者，高糖環(huán)境刺激神經(jīng)元的分子分泌及信號傳遞異常，最終會導致DR。

3.2膠質(zhì)細胞NVU的膠質(zhì)成分包括大膠質(zhì)細胞(星形膠質(zhì)細胞和Müller細胞)、小膠質(zhì)細胞和少突膠質(zhì)細胞，它們圍繞在神經(jīng)元周圍，形成了視網(wǎng)膜神經(jīng)元主要的防御和穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。膠質(zhì)細胞是神經(jīng)元和血管系統(tǒng)之間的界面，也是他們之間功能的關(guān)鍵調(diào)節(jié)器[24]。Müller細胞、星形膠質(zhì)細胞和小膠質(zhì)細胞不僅提供結(jié)構(gòu)支持，還參與新陳代謝、吞噬神經(jīng)元碎片、釋放某些遞質(zhì)和營養(yǎng)因子以及K+攝取[25]。下面重點論述一下大膠質(zhì)細胞在視網(wǎng)膜NVU中的關(guān)鍵作用。

3.2.1星形膠質(zhì)細胞星形膠質(zhì)細胞負責淺層視網(wǎng)膜血管系統(tǒng)發(fā)育，實驗表明，星形膠質(zhì)細胞中VEGF的缺失完全阻止了淺層血管網(wǎng)的形成[26]；并且星形膠質(zhì)細胞是NVU各成分之間的信號傳遞的關(guān)鍵，正常情況下，星形膠質(zhì)細胞端足與毛細血管內(nèi)皮細胞基底膜及周細胞緊密貼壁，使得局部神經(jīng)細胞與血管壁細胞構(gòu)建連接，然而，在糖尿病環(huán)境下，星形膠質(zhì)細胞足突在與神經(jīng)元和毛細血管接觸部位收縮、分離，使得視網(wǎng)膜NVU之間失去聯(lián)系，導致視網(wǎng)膜生理功能障礙。

3.2.2Müller細胞Müller細胞是唯一一種橫跨整個視網(wǎng)膜寬度的細胞，位于內(nèi)界膜和外界膜之間，并且?guī)缀跖c視網(wǎng)膜中的每一種細胞類型都有接觸，它利用自身獨特的位置優(yōu)勢執(zhí)行著視網(wǎng)膜穩(wěn)態(tài)所必需的各種功能，如儲存糖原轉(zhuǎn)化為乳酸、促使視黃醇合成視黃酸、調(diào)節(jié)細胞外離子濃度來調(diào)節(jié)質(zhì)膜極化/去極化、維持細胞外pH值、參與神經(jīng)元谷氨酸/谷氨酰胺循環(huán)來控制神經(jīng)傳遞、回收遞質(zhì)和運輸代謝物、保護神經(jīng)元免受谷氨酸興奮性毒性等等[27-30]。Müller細胞在幾乎所有致病因素的刺激下都能被激活。

綜上可見，大膠質(zhì)細胞支持光感受器和神經(jīng)元的功能和代謝，并在神經(jīng)元和微血管之間構(gòu)成解剖和功能聯(lián)系，大多數(shù)營養(yǎng)物質(zhì)、廢物、離子、水和其他分子通過大膠質(zhì)細胞在血管和神經(jīng)元之間傳遞，它們的功能失衡在啟動炎癥及凋亡等過程中發(fā)揮了重要作用。而小膠質(zhì)細胞是高度特化的吞噬細胞，不斷監(jiān)測局部突觸活動，清除死亡細胞和代謝碎片[31]。在DR等慢性視網(wǎng)膜疾病中，它們會分泌大量促炎細胞因子，影響NVU的正常功能[32-33]。

3.3視網(wǎng)膜微血管內(nèi)皮細胞、周細胞和少量的星形膠質(zhì)細胞(通過它們的端足)聚集在一起，形成視網(wǎng)膜的微血管。NVU的自動調(diào)節(jié)，決定了血管的充血及其腔內(nèi)直徑的變化，血管擴張和血管狹窄，血管主要成分的兩種細胞又有其不可替代的自身價值。

3.3.1內(nèi)皮細胞越來越多的證據(jù)支持內(nèi)皮細胞代謝在血管生成中起關(guān)鍵作用。內(nèi)皮細胞的增殖和遷移依賴于糖酵解的能量，糖酵解是內(nèi)皮細胞產(chǎn)生ATP的主要來源，在此基礎上，內(nèi)皮細胞調(diào)節(jié)著血管收縮和舒張、中樞神經(jīng)系統(tǒng)與外周的物質(zhì)交換、抗凝和血管生成等[34]。

3.3.2周細胞周細胞具有高度可塑性和再生潛能，是一種多功能細胞，是視網(wǎng)膜NVU的關(guān)鍵細胞成分，有助于BRB的形成和維持。周細胞在視網(wǎng)膜類似于腦組織中，可重新編程成神經(jīng)元和膠質(zhì)細胞[35-37]。周細胞可以說是NVU的中心，周細胞的退化不可避免地導致神經(jīng)血管解耦。

微血管的形成、成熟和穩(wěn)定需要周細胞-內(nèi)皮細胞之間的相互作用，周細胞和內(nèi)皮細胞的緊密結(jié)合促進了它們的直接接觸[38]。視網(wǎng)膜微血管系統(tǒng)通過向視網(wǎng)膜組織提供營養(yǎng)和氧氣，并將廢物排出組織來支持神經(jīng)視網(wǎng)膜的視覺功能。這滿足了視網(wǎng)膜這一個代謝活躍的神經(jīng)血管組織高水平耗氧需求[39]。

由此可見，膠質(zhì)、神經(jīng)和微血管功能障礙是相互影響的，糖尿病破壞了NVU的所有組成部分，高糖環(huán)境可出現(xiàn)特征性神經(jīng)病變，產(chǎn)生多種代謝產(chǎn)物，誘導神經(jīng)元死亡及膠質(zhì)異常應答，致使神經(jīng)-血管耦合受損，最終誘發(fā)視網(wǎng)膜血管損傷，血管舒縮功能及血管通透性異常；視網(wǎng)膜血管的異常，又進一步影響了神經(jīng)細胞的生長、代謝及功能，如此則形成了惡性循環(huán)。因此，NVU能夠更加科學、全面闡明DR的內(nèi)在機制，視網(wǎng)膜的功能依賴于構(gòu)成這個器官的復雜細胞網(wǎng)絡之間的通信。

4視網(wǎng)膜NVU損傷導致DR發(fā)病的潛在分子機制

以上所述的神經(jīng)膠質(zhì)傳導引起的視網(wǎng)膜血管損傷，以及視網(wǎng)膜血管的異常反向誘導神經(jīng)細胞的生長、代謝及功能，這種惡性循環(huán)是建立在宏觀基礎上的認識，而該過程中各種潛在的生長因子和細胞因子通過多種信號途徑在誘導視網(wǎng)膜NVU損傷。導致NVU破壞的分子包括VEGF、缺氧誘導因子(hypoxia inducible factor，HIF)、胎盤生長因子(placental growth factor，PlGF)、血小板衍生生長因子(platelet-derived growth factor，PDGF)、胰島素樣生長因子(insulin-like growth factor，IGF)和黏附分子、成纖維細胞生長因子(fibroblast growth factor，F(xiàn)GF)以及炎癥因子等。VEGF主要通過腎素-血管緊張素系統(tǒng)、磷脂酰肌醇3激酶(phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K)/Akt進行介導[40]。PlGF是VEGF家族的成員，與VEGF和神經(jīng)纖毛蛋白受體亞型結(jié)合后，調(diào)節(jié)一系列不同于VEGF的神經(jīng)、膠質(zhì)和血管細胞反應，PlGF表達選擇性地與病理性血管生成和炎癥相關(guān)[41]。PDGF是創(chuàng)傷愈合中的一個關(guān)鍵因素，是第一個經(jīng)證明可用于局部應用以加速傷口愈合的重組生長因子，其影響不可低估[42]。IGF主要通過Ras-MAP激酶途徑的異常激活，導致細胞功能失調(diào)，細胞間接觸異常，細胞連接蛋白減少，以及毛細血管滲漏[43]。慢性高血糖導致視網(wǎng)膜組織發(fā)生一系列病理變化，進而視網(wǎng)膜組織缺血缺氧，HIF表達異常，并發(fā)展為DR[44]。在高血糖患者中，e-選擇素和細胞間黏附分子的濃度隨著HbA1c的升高而升高，并且與視網(wǎng)膜微血管損傷密切相關(guān)[45]。DR應激狀態(tài)下激活TLR、NF-κB等信號通路，引起視網(wǎng)膜的炎癥反應，誘導TNF-α、IL-6、IL-1β等炎癥因子的高表達，這些炎癥介質(zhì)的累積被認為是導致視網(wǎng)膜NVU早期損傷的原因之一[46]。

5基于視網(wǎng)膜NVU的修復治療DR

DR患者視網(wǎng)膜的損傷在傳統(tǒng)認知里主要是關(guān)注于視網(wǎng)膜微血管損傷，因此大多數(shù)的治療策略僅側(cè)重于視網(wǎng)膜微血管的修復，新興的NVU概念強調(diào)視網(wǎng)膜中不同類型細胞之間的耦合，對以微血管為中心的概念進行了補充和修正[47]。雖然DR在各個階段的進展是通過病理學特征的積累來描述的，但進展也可以被認為是沿著神經(jīng)血管單位解體的連續(xù)統(tǒng)一體進行的演變，因而修復也是關(guān)注于統(tǒng)一體的協(xié)調(diào)。Galan 等[48]在小鼠結(jié)膜下注射p75NTR拮抗劑，阻斷proNGF/p75NTR信號軸發(fā)現(xiàn)可以降低視網(wǎng)膜炎癥、水腫、神經(jīng)元死亡，并對視網(wǎng)膜NVU有長期保護作用。Barcelona 等[49]在鏈脲佐菌素誘導DR的小鼠模型中，發(fā)現(xiàn)p75NTR在發(fā)病早期的膠質(zhì)細胞和周細胞中上調(diào)，介導細胞炎癥，神經(jīng)膠質(zhì)-血管單位及血視網(wǎng)膜屏障的破壞、水腫和神經(jīng)元死亡，并且使用p75NTR拮抗劑或配體proNGF拮抗劑可以抑制不同的病理階段，改善視網(wǎng)膜NVU，防止疾病進展。目前DR治療著眼于神經(jīng)血管單元的修復的實驗研究比較少，期待更多的研究來拓展視網(wǎng)膜NVU的修復這一方向。

6小結(jié)

DR目前的治療取得了突破性的進展，如激光光凝、抗VEGF[50]和玻璃體腔內(nèi)注射類固醇等[51]。然而，這些治療都是針對中、晚期并發(fā)癥或者解剖相關(guān)，此時視力已經(jīng)明顯受到了影響[52]。因此，需要再更加明確該病的病理基礎，以采取更新的、更有效的措施對疾病早期進行干預，以期減少DR的發(fā)病，甚至對其它視網(wǎng)膜眼病的治療帶來革命性的進展。目前的證據(jù)支持，神經(jīng)退行性變是DR的早期事件，NVU損傷及其耦聯(lián)機制失衡是DR發(fā)病的病理基礎。內(nèi)皮細胞、膠質(zhì)細胞和神經(jīng)元界面的信號傳導在時間和空間上具體是如何整合的，以促進眼球的正常發(fā)育，這方面的研究仍未得到很大程度的探索[53]。

我們對視網(wǎng)膜神經(jīng)退行性變和微血管疾病相關(guān)的細胞和分子機制的了解有限，雖然VEGF、HIF、PlGF、PDGF、IGF和E-選擇素、FGF以及炎癥因子等可能是導致NVU破壞的分子機制，改變的PI3K/Akt、TLR、proNGF/p75NTR等信號通路和病理條件如何導致血管異常和疾病表型尚不完全清楚，因此需要更深層次的研究來證明NVU與DR發(fā)病的分子、細胞代謝動力關(guān)系。探討糖尿病對視網(wǎng)膜NVU損傷的特異性機制以及通過NVU損傷引起的神經(jīng)退行性變，可以更全面地了解DR發(fā)病的機制，有助于找到有效的預防和治療方法，延緩甚至避免DR的發(fā)生。