随着糖尿病(DM)患者的不断增加,DM干眼作为一种常见的并发症也日益受到关注｡据权威数据显示,全球DM患病人数将从2021年的5.37亿增加到2045年的7.86亿[1],其中约54.3%的DM患者合并干眼[2]｡DM可引发多种眼部疾病,包括DM性视网膜病变､DM性黄斑水肿､DM性白内障､新生血管性青光眼和DM干眼等,涉及眼部各个组织的损伤[3]｡其中,干眼是DM主要的眼表并发症｡近年来研究表明,DM干眼的发生发展与免疫炎症反应密切相关｡环磷酸鸟苷腺苷酸合成酶(cGAS)干扰素基因刺激因子(STING)信号通路在感染､炎症及肿瘤发展中起重要作用,其激活会引发炎症反应和细胞凋亡｡然而,cGASSTING信号通路在氉DM干眼中的功能和分子机制尚未阐明｡本综述旨在探讨cGASSTING通路在DM干眼中的作用潜在机制,为未来DM性干眼的治疗提供新的方向｡

1、DM干眼概述

干眼是眼表最常见的慢性炎症性疾病,血糖控制情况越差以及DM时间越长,干眼的发生率越高｡慢性高血糖可显著影响各种眼表成分,包括角膜上皮､角膜神经､泪膜和结膜等｡DM干眼的主要表现为泪液分泌减少､泪膜稳定性差､角膜敏感性下降､角膜上皮缺损,主要病理改变为泪腺腺泡数量减少､结膜杯状细胞密度降低､睑板腺腺体萎缩及角膜神经退行性改变等,主要病理机制是周围神经异常､泪膜的不稳定性和高渗性以及眼表无菌性炎症的激活[45]｡

1.1 周围神经异常

既往研究表明角膜知觉减退与周围神经功能异常有关,长期高血糖可通过山梨醇或血糖的竞争性抑制､线粒体的功能障碍以及血管损伤等方面影响角膜神经[6]｡DM患者常伴有角膜上皮基底细胞､基底膜及基底下神经丛的变化[7]｡Yu等[4]发现DM导致角膜上皮增殖受到抑制､感觉神经病变和树突状细胞密度降低,使角膜损伤愈合时间明显延迟,损伤后感觉神经再生受损｡此外,角膜神经病变后,会出现角膜敏感度下降､瞬目反射迟缓､眼表稳态下降等情况[89]｡角膜神经会产生各种神经肽,对于维持眼表稳态至关重要[10]｡神经纤维的损伤影响神经肽的分泌和分布,进而破坏角膜组织､损害视力,形成一个恶性循环[11]｡例如P物质是一种主要由神经末梢分泌的神经肽,可介导疼痛,通过促进角质细胞的迁移在促进DM角膜伤口愈合,参与神经的损伤修复以及调控神经源性炎性反应等[1213]｡研究者发现在角膜感觉减退和DM性角膜病患者中,泪液中的P物质水平显著降低,从而破坏眼表稳态[14]｡

1.2 泪膜的不稳定性和高渗性

泪膜的稳定性主要依靠泪液功能单位来维持,长期高血糖以各种形式导致泪膜结构和功能异常,使泪液分泌减少､蒸发加快,促进干眼发生｡Guo等[15]通过向大鼠腹膜内注射链脲佐菌素4个月,发现睑板腺出现结构紊乱,腺泡基底膜萎缩､破坏,炎性因子和黏附分子表达增加,表明DM可诱导睑板腺腺泡凋亡､脂质代谢紊乱､炎症和氧化应激｡CruzCazarim等[16]研究发现,在DM干眼动物模型中,DM大鼠的角膜上皮损伤后,泪液分泌明显减少,泪膜稳定性下降｡DM干眼患者的结膜中促炎性细胞因子表达增加,炎症反应产生的IFNγ可促进结膜杯状细胞的功能障碍和凋亡,导致泪膜黏蛋白层分泌减少,泪膜稳定性降低[17]｡此外,泪腺在高血糖环境下会发生体积萎缩和重量减轻,电镜下可见泪腺腺泡细胞内线粒体数量和大小均发生改变,导致泪液分泌量减少[18]｡

泪膜渗透压主要是指泪膜中晶体的渗透压,与DM的病程和糖化血红蛋白水平呈正相关[19]｡DM性干眼患者的泪液蛋白水平和种类､金属元素的水平与健康对照组比较有所改变,这也会对泪膜渗透压产生一定的影响｡例如,DM干眼患者中胰岛素样生长因子结合蛋白3､细胞凋亡调节因子1､热休克蛋白和膜联蛋白等多种蛋白表达上调[13,20],而β2微球蛋白胱抑素S､过氧化物酶和富含脯氨酸的蛋白水平降低,这些变化会进一步影响氧化应激､葡萄糖代谢等细胞过程,加重炎症反应｡

1.3 眼表炎症反应

由于DM患者泪膜的高渗性和不稳定性的不断刺激,眼表上皮和免疫细胞中的氧化应激通路被激活,诱发了蛋白质的非酶糖基化,最终由于糖基化终产物的堆积,触发了炎症小体及IL1β､肿瘤坏死因子α(TNFα)､干扰素γ(IFNγ)等细胞因子的激活[2122]｡进而诱导适应性T淋巴细胞介导的反应及细胞凋亡异常,导致涉及先天性和获得性免疫系统的炎症反应发生｡研究表明,在DM患者的睑板腺及泪液中,氧化应激､炎症反应和凋亡相关标志物表达明显升高,且其水平与DM性视网膜病变程度呈正相关[23]｡机体的炎症防御机制受损,进而影响了泪腺线粒体的功能｡此外,结膜杯状细胞的能量代谢也受到了障碍,从而导致泪液分泌的减少[24]｡一项研究报告发现,在DM干眼患者中,IL10､IL6､IL8和c肽水平更高[25]｡这些研究结果均说明DM干眼的发生与炎症反应密切相关｡综上,DM患者的各种眼表刺激激活了炎性因子的释放,导致眼表出现无菌炎症,从而促进了干眼的发生和发展｡

2、cGASSTING信号通路概述

Sun等[26]于2013年通过生物纯化和定量质谱技术的应用,发现了一种新的DNA传感器,即cGAS｡这种酶能够与DNA结合,并激活STING,进而促使Ⅰ型IFN和其他炎性因子的产生[27]｡cGAS包含一个高度保守的核苷酸转移酶结构域,可识别在胞质中释放的双链DNA(dsDNA)｡氧化应激､病毒或细菌感染以及线粒体功能障碍均可导致细胞质中存在dsDNA[2830]｡胞质DNA的来源非常复杂,可能是内源性DNA,包括受损的线粒体DNA(mtDNA)､基因组的不稳定性和宿主细胞内的反转录转座｡此外,它也可能来自外源DNA,如死亡细胞､细菌､DNA病毒和反转录病毒的DNA｡一旦检测到各种来源的dsDNA,胞质中的cGAS便被激活,并通过一系列的催化反应和构象变化,促进环磷酸鸟苷磷酸腺苷(cGAMP)的合成[31]｡cGAMP是一种环二核苷酸,它能够结合细胞内质网膜上的STING分子,使STING发生构象变化[32],从内质网转运到高尔基体[33],募集并激活了TANK结合激酶1(TBK1)和IκB激酶(IKK)｡然后,TBK1和IKK磷酸化并分别激活干扰素调节因子3(IRF3)和核因子κB(NFκB)[3435],从而促进IFN､IL6､IL8和TNFα等炎性细胞因子的基因表达[3637]｡最后,cGASSTING途径激活IFN和NFκB,从而调控免疫与炎症反应[38]｡

越来越多的证据表明,cGASSTING信号通路在介导眼部炎症相关疾病如角膜炎､DM性视网膜病变､年龄相关性黄斑变性和葡萄膜炎等眼部炎症反应中发挥关键作用[39]｡据报道,小鼠角膜感染烟曲霉后,cGASSTING信号转导被激活,进而触发促炎细胞因子的表达,导致真菌性角膜炎[40]｡DM性视网膜病变中,高葡萄糖环境增加了活性氧(ROS)的产生,破坏视网膜神经节细胞中的mtDNA,继而激活cGASSTING信号通路,介导视网膜炎症和神经退行性变[41]｡此外,研究证明视网膜色素上皮中DICER1基因的缺失或AluRNA的积累会触发mtDNA的胞质逃逸,从而激活cGASSTING信号通路,促进非典型炎症小体激活和地理性萎缩[42]｡研究还发现,在实验性自身免疫性葡萄膜炎的T淋巴细胞转移模型中,STING信号转导的Ⅰ型IFN(IFNα/β)通过降低人效应T淋巴细胞的CXCR3表达和迁移,从而阻碍自身免疫性葡萄膜炎的进展[43]｡

3、cGASSTING通路参与DM干眼可能的调控机制

角膜上皮细胞中的cGASSTING信号转导在介导角膜先天免疫反应方面发挥重要作用,以保护角膜免受各种病原体感染,其异常激活可能导致角膜自身免疫性炎症的发生和发展｡高糖环境可能通过氧化损伤､线粒体功能障碍和DNA损伤介导细胞核或mtDNA释放到细胞质中,这三种机制相互联系,共同导致细胞的能量代谢障碍｡研究表明,高葡萄糖环境增加角膜上皮细胞中的ROS产生,导致抗氧化防御机制的破坏,增加线粒体应激[44]｡mtDNA通过线粒体通透性转换孔从受损线粒体释放到胞质溶胶中,并激活cGASSTING的信号通路,诱导TBK1和IRF3的磷酸化,加剧下游炎症反应和眼表损伤｡

3.1 氧化损伤

氧化应激是细胞和组织的氧化与抗氧化系统之间的不平衡,是相关ROS过度产生的结果｡DM与线粒体氧化应激密切相关,可引起自由基积聚,最终导致眼表组织损伤｡mtDNA､蛋白质和膜相关脂质受氧化应激影响后,线粒体膜的完整性发生破坏,mtDNA泄漏到细胞质中,进而触发cGASSTING信号通路,放大氧化损伤并激活免疫系统[4546]｡研究表明,高血糖可促进ROS的产生,人角膜上皮细胞内ROS的积累进一步诱导了脂质过氧化反应,并增加了有毒产物的生成,如4羟基壬烯醛和丙二醛,从而导致细胞毒性损伤[47]｡此外,核糖体DNA和mtDNA中的乌头酸酶2和8羟基2脱氧鸟苷(8oxoG)水平增加,而抗氧化酶如超氧化物歧化酶1和谷胱甘肽过氧化物酶1的水平降低,导致NLRP3/NLRP6的平衡失调,半胱天冬酶1被激活并释放出IL1β和IL18｡Jiang等[44]通过比较正常及DM条件下角膜上皮细胞的愈合能力,发现DM通过增加ROS来抑制小鼠和人类角膜上皮细胞的迁移和紧密连接,使用抗氧化剂N乙酰半胱氨酸进行治疗可使DM角膜上皮细胞产生的ROS显著降低,使伤口愈合加快｡研究还发现,通过使用抗氧化剂左旋肉碱,可以减少mtDNA的损伤程度,从而抑制IL1β和IL18的释放,减少对细胞DNA的氧化损伤｡Wang等[48]使用过氧化物酶体增殖物激活受体γ激动剂罗格列酮来缓解DM相关干眼症小鼠眼表的氧化应激,从而减轻眼表损伤,增加角膜敏感性和泪液的产生｡

3.2 线粒体功能障碍

线粒体稳态可以维持角膜上皮功能,抵抗氧化损伤和炎症,促进角膜上皮的迁移和修复｡慢性高血糖应激会导致线粒体功能失调,线粒体膜电位损失增加以及mtDNA片段增加[49]｡Aldrich等[50]通过细胞外通量分析测量,发现晚期DM患者供体的角膜内皮细胞线粒体功能受损｡mtDNA是炎症的重要驱动因素之一,线粒体不稳定与DM干眼密切相关｡Qu等[51]测量了DM泪腺和角膜线粒体的耗氧率以及基底细胞外酸化率,发现其线粒体生物能量谱发生了显著变化,且mtDNA损伤､拷贝数减少以及谷胱甘肽水平降低｡交感神经系统过度激活会引起泪腺线粒体代谢异常[7]｡Zhang等[52]通过肾上腺素能受体拮抗剂挽救了线粒体生物能量缺陷,增加了线粒体DNA拷贝数,提高了DM小鼠泪腺的谷胱甘肽水平,抑制了泪腺的异常炎症反应,也减轻了睑板腺和结膜杯状细胞的功能障碍｡在氧化应激或高血糖引起细胞损伤后,功能失调的线粒体打开通透性过渡孔释放线粒体成分(心磷脂､mtDNA和线粒体甲酰化肽)到细胞质中,被STING识别,从而激活其下游因子IRF3,引起炎症反应和细胞凋亡[5354]｡一项研究报道,用25mmol·L-1葡萄糖处理的视网膜微血管内皮细胞的细胞质中显示出高mtDNA,并且这种胞质mtDNA被DNA传感器cGAS识别,通过STINGTBK1信号通路增加炎性因子的表达[55]｡高血糖会增加角膜内皮功能障碍的风险,引起体外线粒体形态和动力学的异常变化,导致备用呼吸能力丧失,降低了角膜上皮细胞对后续压力的反应能力[49]｡线粒体功能受损导致DM角膜并发症,因此增加线粒体活力和功能可能预防或治疗DM相关干眼｡已知过氧化物酶体增殖物激活受体α(PPARα)敲除的小鼠表现出线粒体功能紊乱和角膜伤口愈合延迟[56]｡PPARα激动剂能够改善暴露于DM应激源的原代人角膜上皮细胞的线粒体功能障碍,降低角膜中胞质mtDNA水平,减轻角膜炎症反应,促进角膜伤口的愈合[5758]｡研究表明,PPARα可能通过调节mtDNA释放来影响cGASSTING信号传导,因此成为DM性视网膜病变的潜在治疗靶点[55]｡在这种情况下,单独消融PPARα会增加细胞质中mtDNA的释放,从而导致cGASSTING通路的激活｡此外,Chen等[59]通过使用白藜芦醇治疗上调了线粒体功能必需调节因子SIRT1蛋白的表达,逆转了由高渗透压介导的线粒体功能障碍,促进泪液产生和杯状细胞数量,减少干眼症小鼠的眼表损伤｡

3.3 DNA损伤

由于眼睛的特殊位置和功能,易受内源性及外源性DNA损伤的影响,因此DNA损伤在眼部疾病的发生和进展中起重要作用｡DNA损伤会引发多种突变,包括碱基变化､单碱基插入和缺失､短序列插入和缺失以及更大的染色体重排｡DM通过多种方式诱导加速DNA损伤｡在高糖应激下,DNA复制减少,染色质细胞核收缩､异质性增加,染色体在细胞分裂过程中不能正常分离,细胞凋亡增加,其特征在于DNA片段化｡Olins等[60]发现,蔗糖对间期和有丝分裂细胞进行“急性”体内高渗处理,导致染色质结构的凝结｡高血糖可通过晚期糖化终产物诱发加速DNA损伤,也可引发培养的内皮细胞和几种体外细胞类型的氧化损伤和单链断裂[61]｡细胞核中的DNA损伤主要通过两种方式导致细胞质DNA的积累:一种是通过微核的形成,另一种是直接将DNA泄漏到细胞质中[62]｡微核是一种核样结构,是在有丝分裂过程中染色体错误分离和DNA损伤时产生的,由染色体片段周围的核膜组成｡如果双链DNA断裂没有得到修复或者修复错误,就会形成偏心染色体片段,在随后的细胞分裂过程中,这些片段会吸附在核膜上形成微核｡约60%的微核在间期会发生核膜破裂,正常情况下,核膜由内质体分选复合物来维持和修复｡由于微核缺乏这种修复功能,导致染色体DNA片段渗漏到细胞质中｡cGASSTING通路通过感知细胞质DNA以刺激眼表炎症反应[63]｡DNA氧化损伤可以通过碱基切除修复途径进行修复,8oxoG是该途径最常见的产物,也是DNA氧化损伤的生物标志物[64]｡在DM干眼患者中,8oxoG显著增高｡

4、结束语

DM干眼的发病机制多样且复杂,了解其机制才能更有效地诊治｡目前虽然DM干眼有多种治疗方法,但尚不能完全治愈｡炎症反应是DM干眼发病的重要机制,尽管越来越多的证据表明cGASSTING信号通路与炎症反应有关,但目前对眼表疾病中该信号通路的理解仍然有限,其在眼表组织中的生理功能还有待确定｡疾病条件下导致cGASSTING信号通路过度激活的机制需要明确,且该通路与眼表疾病中其他信号通路之间的相互作用也亟待进一步阐明,需进行深入的实验来逐步探究｡尽管cGASSTING通路在DM干眼中的作用机制仍需进一步验证,但随着对眼部疾病发病机制和cGASSTING通路的深入研究,这一通路可能为未来治疗DM干眼提供新的思路和视角｡因此,从抑制cGASSTING信号通路引发的炎症反应出发,深入研究针对该信号通路的靶向药物,以寻找有效防治DM干眼的药物靶点｡

参考文献:

[5]万磊,周庆军,谢立信.糖尿病相关干眼发病机制的研究进展[J].中华眼科杂志,2022,58(12):10991105.

文章来源:孙霞,李元彬.cGAS-STING通路在糖尿病干眼中的作用及研究进展[J].眼科新进展,2025,45(01):77-81.