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青光眼视神经病变中胶质细胞活化相关炎症的研究进展

2020-08-18 267 上传者：管理员

摘要：青光眼是一种以视网膜神经节细胞(RGCs)及其轴突凋亡为特征的视神经退行性病变。越来越多的研究表明炎症和免疫反应在青光眼视神经病变中具有重要作用。在高眼压动物实验中,抑制早期胶质细胞活化及减少炎症因子释放,对RGCs和视神经具有保护作用。本文重点就星形胶质细胞和小胶质细胞活化及其产生的炎症因子,特别是视网膜及视盘部胶质细胞释放的炎症因子在青光眼视神经病变过程中的作用及相关机制进行综述,希望能给青光眼的研究和治疗带来新的启发。

关键词：
星形胶质细胞
炎症
相关机制
神经节细胞
青光眼
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青光眼是一种以视网膜神经节细胞(retinal ganglion cells,RGCs)及其轴突凋亡为特征的视神经退行性病变,通常认为有多方面的成因,包括眼压产生的机械和/或血管压力、衰老、氧化应激以及基因和环境等危险因素,而越来越多的研究表明炎症和免疫反应在青光眼视神经病变中具有重要作用[1]。

目前认为,青光眼视神经损害的原发部位是视盘筛板区[2],且在高眼压动物实验中,抑制早期胶质细胞活化及减少炎症因子释放,对RGCs和视神经具有保护作用。例如,临床上发现部分青光眼患者的视盘出血[3]以及视盘周围脉络膜视网膜萎缩带[4]。出血可能是造成损伤的原始因素,也可能是某些神经炎症的继发性作用[5];免疫抑制剂西罗莫司(雷帕霉素)可以通过抑制缺血再灌注的视网膜及视盘星形胶质细胞活化,减少RGCs丢失[6];米诺环素(二甲胺四环素,四环素衍生物)也可通过抑制青光眼动物模型中胶质细胞活化,进而抑制视神经退行性病变[7];临床上,溴芬酸通过眼局部给药即可在视网膜脉络膜中产生并维持一定浓度,起到抗视网膜胶质化和调节炎症介质的释放等作用[8],并且溴芬酸对正常RGCs没有影响,也不加速视神经损伤的轴突病变,长时间(9 d以后)来看,溴芬酸对RGCs有一定的保护作用[8]。

青光眼视神经病变中视盘筛板处由胶质细胞等介导的炎症和免疫反应与中枢神经系统(central nervous system, CNS)退行性疾病的一些典型的机制相似,但具体机制尚未明确[2,5]。本文重点就星形胶质细胞和小胶质细胞活化及其产生的炎症因子,特别是视网膜及视盘部胶质细胞释放的炎症因子在青光眼视神经病变过程中的作用及相关机制进行综述。

1、星形胶质细胞和小胶质细胞活化

青光眼早期即有视盘部位星形胶质细胞和小胶质细胞活化[9]。星形胶质细胞和小胶质细胞是视网膜及视乳头筛板上重要的2种胶质细胞:星形胶质细胞分布于神经纤维层和神经节细胞层,且星形胶质细胞在视盘筛板处数量较多,是筛板部位的主要细胞类型,对维持RGCs的正常生理功能具有重要意义[10];小胶质细胞分布于整个神经组织中,在视盘筛板处及视网膜血管周围也有分布,主要参与视网膜免疫应答[11]。在人的青光眼视乳头标本和动物实验中发现胶质细胞的活化:星形胶质细胞活化后胞体增大、突起增多变粗[12],且在高眼压动物实验早期RGC轴突损伤之前,即可检测到大量星形胶质细胞相关的通路基因和蛋白表达改变,如感知元件模式识别受体(pattern recognition receptors, PRRs)、衔接蛋白和效应分子相关的表达上调[11,13],以及补体沉积和表皮生长因子受体(epidermal growth factor receptor, EGFR)上调及其产生的诱导型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase, iNOS)及环氧酶-2(cyclo-oxygen-ase-2, COX-2)等促炎因子的增加[14,15,16,17];小胶质细胞活化后不仅表达炎症因子及补体、主要组织相容性复合体(major histocompatibility complex, MHC)等[1],而且可招募循环系统中的免疫细胞协同促进炎症反应[18]。青光眼视盘星形胶质细胞及小胶质细胞的活化所引起的神经炎症,可影响应激的阈值,损伤神经元[1,10],最终形成胶质瘢痕,抑制RGC轴突生长[9]。早期胶质细胞活化或轻度活化可能对视神经有一定的保护作用,随着病程发展,胶质细胞持续的过度活化则会对视神经产生损伤[9,19]。

2、胶质细胞活化激活相关炎症信号通路

Toll样受体(Toll-like receptors, TLR)是PRRs中一种重要的受体,可识别病原体相关分子模式(pathogen-associated molecular patterns, PAMP)和损伤相关分子模式(damage-associated molecular pattern, DAMP),如TLR3可对微生物双链RNA产生反应,而TLR4可对细胞应激时产生的内源性物质如热休克蛋白(heat shock proteins,HSPs)产生反应。至今,对人和小鼠分别报道了10种和13种TLRs [20],所有类型的TLRs在小胶质细胞上均有表达,但星形胶质细胞上只表达TLR2、TLR3、TLR4、TLR5和TLR9[21],各自识别PAMP和DAMP的不同组分,直接对病原或损伤做出反应[20]。在人青光眼视网膜和动物模型上发现TLRs表达上升,且通过体外实验证明,HSPs和氧化应激都可以通过上调TLRs,产生炎症因子和免疫刺激因子,激发固有免疫和适应性免疫[11,13]。人青光眼视盘上调的肌腱蛋白-C即是TLR4的一种内源性配体[12]。肌腱蛋白-C在关节炎中可激活TLR4[22]。因此我们推测,青光眼RGCs发生改变、释放DAMPs之前,肌腱蛋白-C可能通过TLR4激活炎症反应[16]。TLRs通路激活后,可通过髓样分化因子(myeloid differentiationfactor88, MyD88)激活核因子-κB(nuclear factor-κ-gene bindingκ, NF-κB)和激活蛋白-1(activator protein-1, AP-1),促进肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor,TNF-α)、白细胞介素-1(interleukin-1,IL-1)、白细胞介素-6(interleukin-6,IL-6)和趋化因子等的表达[13];TLRs也可通过TIR结构域衔接蛋白(TIR-domain-containing adaptor inducing interferon-β, TRIF)途径激活干扰素调节因子等的表达[20]。咖啡酸苯乙酯可抑制胶质细胞活化与迁移,减弱NF-κB介导的炎症反应,防止视网膜神经节细胞死亡[19]。

TNF-α是介导神经炎症的一个重要细胞因子。星形胶质细胞和小胶质细胞均可产生TNF-α和表达TNF受体l(TNF-R1),且在视盘上,TNF-α主要由星形胶质细胞产生[23]。TNF-α在青光眼视网膜和视盘中均有增加,TNF-R1在RGC及其神经轴突中表达也增加[24]。虽然有研究[25]表示,在视神经损伤模型中,早期TNF-α对RGCs具有一定的保护作用;但大量研究[15]表明,TNF-α可通过TNF受体介导半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶(cysteinyl aspartate specific proteinase, Caspase)激活、线粒体功能障碍和氧化应激等引起RGCs死亡,在青光眼神经病变中有重要作用。TNF-α可通过与RGC细胞膜上的TNF-R1结合,激活下游的TNF受体相关死亡结构域(TNF receptor associated death domain, TRADD)、TNF受体相关蛋白超家族(TNF receptor associated protein super family, TRAF)以及蛋白激酶等多条相互关联的通路,共同激活caspase介导的RGC外源性凋亡途径;另外,内源性可溶性TNF-α可以通过激活青光眼RGCs内的Ca2+通透性氨甲基膦酸受体(CP-AMPAR),同时使CP-AMPAR表达增加,促进RGCs死亡[26];亦有研究[27]表明TNF可通过FasL途径介导RGCs死亡,在正常眼的玻璃体腔注射TNF-α可引起RGC死亡;通过抑制FasL可减轻玻璃体注射TNF-α介导的RGC毒作用[27]。此外,通过药物或者基因敲除等抑制TNF-α可阻止小胶质细胞的活化、轴突变性和RGCs丢失[28];在角膜化学损伤模型中,通过抑制TNF-α可抑制单核细胞向视网膜迁移和小胶质细胞活化,减轻继发性青光眼的概率和RGC死亡[29]。TNF-α还可激活c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase, JNK)、NF-κB和细胞外调节蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases, ERK)通路[15],如NF-κB通路的活化可增加IL-1的表达,促进胶质细胞相关炎症反应。

补体激活是炎症反应中另一个重要早期事件[30]。在老鼠、猴等青光眼动物模型和人青光眼视网膜中都有补体升高,视盘和视网膜丛状层是补体激活的两个主要部位[13,17]。RGCs可感知细胞死亡或损伤并激活C1,级联活化下游C3和C5,且可以吸引炎症细胞到达补体处[17]。有研究[31]发现,补体在青光眼病变中具有双刃剑的作用。C1qa在视盘小胶质细胞及RGC树突上都有表达,可能是促进青光眼损伤的因素,且抑制C1可以减少青光眼RGCs树突和突触的丢失[32]。另外,在青光眼视盘和RGC上发现了大量膜攻击复合物(membrane attack complex, MAC),通过药物抑制MAC可以减少RGC的凋亡[30]。尽管Harder[31]等发现星形胶质细胞C3水平的升高是高眼压DBA/2J和DBA/2J.Wlds老鼠模型早期免疫反应之一,提出C3可能通过EGFR信号途径对青光眼起保护作用;但Kuehn等[33]等发现老鼠缺血再灌注可引起视网膜上补体表达与沉积增加;而C3缺失的老鼠视神经损伤较正常老鼠小,且RGC存活数量增加。Bosco等[34]给DBA/2J小鼠玻璃体腔注射AAV2.CR2-Crry,通过过表达Crry减少活化的C3d在视网膜的沉积,对慢性高眼压下的RGCs轴突和胞体具有一定的保护作用。

在视盘中,活化的星形胶质细胞中EGFR表达明显上升,并伴有酪氨酸磷酸化,促进iNOS、COX-2和前列腺素(prostaglandins, PGs)的产生和释放,影响RGCs和视盘结构与功能[14]。Vidal等[35]发现,高眼压模型老鼠视网膜丛状层和视盘活化的星形胶质细胞中神经型一氧化氮合酶(neuronal nitric oxide synthase, nNOS)和iNOS表达上升;Shareef等[36]研究发现,压力导致的视神经轴突损伤与iNOS产生过多的NO有关:在正常实验大鼠视盘部位,星形胶质细胞、血管等可表达nNOS,血管内皮可表达内皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase, eNOS),而没有发现iNOS表达;高眼压实验大鼠的眼视网膜中,在第4 d发现有iNOS的表达升高,且在3个月时仍有iNOS的表达。Neufeld等[37]发现,iNOS抑制剂氨基胍可显著减少RGC的损失,有望通过口服或局部使用达到青光眼视神经保护作用。另外,Zhang等[38,39]发现虽然正常视盘未检测到细胞环加氧酶-2(COX-2),但在离体培养的视盘组织块中24 h内即可检测到COX-2,培养2～3 d后恢复低水平;用表皮生长因子(epidermal growth factor, EGF)刺激体外培养的大鼠视盘星形胶质细胞后可诱导产生COX-2,合成并分泌前列腺素E2(PGE2),且呈时间依赖性;用EGFR的抑制物AG1478后,表达均下降。在视神经损伤动物模型中,也发现了通过ERK和p38、依赖EGFR介导的COX-2和PGE2合成分泌增加。COX-2可氧化花生四烯酸生成PGs;PGD2、PGE2和PGI2可分别通过与G蛋白偶联的DP1、EP2/EP4和IP受体对神经起保护作用,而PGE2和PGF2α可以通过EP1、FP受体损伤神经[40]。尽管很多神经炎症相关的通路和分子在人和青光眼动物模型中已证实,但仍需大量的研究明确各类炎症因子类型及其在青光眼不同病程中的作用和机制。

3、胶质细胞活化引起白细胞迁移及RGC死亡

在人青光眼视盘处,星形胶质细胞增加基质金属蛋白酶的表达可能会导致基底膜降解和胶质膜破坏[41],且白细胞跨血管迁移是在青光眼DBA/2J老鼠上最早发现的改变之一[1,5]。正常人视神经中只有少量CD163+巨噬细胞在轴突束隔膜上,而在早期和晚期青光眼中,数量增多的CD163+巨噬细胞可进入视神经束[42]。巨噬细胞和小胶质细胞在视神经中的聚集和活化在一些青光眼动物模型中也有报道,这可能对青光眼早期发病机制有重要影响[5]。Howell和Johnson等发现早期青光眼中选择素、黏附分子和趋化因子等的表达上调,且白细胞可在检测到视神经的损害之前跨血管内皮迁移进入视盘;若用射线处理动物后,单核细胞减少,视神经损害也随之减轻,甚至在很长一段时间内检测不到视神经损害,而给射线作用后的眼中注射内皮素2,又可出现典型的视神经损害[5],糖基化依赖细胞黏附分子1(GlyCAM1)在单核细胞迁移至视盘的过程中可能具有重要作用[43]。在CNS中,TNF-α也可刺激血管内皮细胞,促进其由整合素介导的外周免疫细胞迁移[18]。星形胶质细胞中有多种整合素亚型,高眼压可使位于血管附近的星形胶质细胞中的整合素表达上升,形成细胞外基质-粘连复合体-细胞骨架网络系统,转导细胞内外的机械-生物信号转换,细胞可发生迁移、分化、黏附及产生炎症等[44]。

4、结语

综上所述,在青光眼的发生、发展中,视盘处的微环境可活化胶质细胞并使其释放炎症因子、引发免疫反应,而一些炎症因子又可进一步影响胶质细胞和RGCs的功能。胶质细胞活化引起的炎症和免疫反应导致视网膜RGCs死亡和筛板重塑、视盘损伤,或与青光眼患者神经纤维层变薄、大视杯、眼底出血、视野缺损等体征和症状相关。阐明青光眼早、中、晚期,特别是在早期星形胶质细胞和小胶质细胞活化与炎症和免疫反应的关系,以及炎症因子对视盘的影响,这将对青光眼的预防及靶向治疗有重要的指导意义。

李丽萍,张旭,雷苑.胶质细胞活化相关炎症在青光眼视神经病变中的研究进展[J].中国眼耳鼻喉科杂志,2020,20(04):339-342.

基金:国家自然科学基金(81100662,81371015)