糖尿病性角膜病变发病机制的研究进展

吴 蓉，陆晓和

0 引言

糖尿病是一组由多种因素导致胰岛素分泌不足和(或)其生物作用缺陷、以静脉血浆葡萄糖含量升高为临床特征的代谢性疾病。根据2010年的调查显示，在20岁以上的人群中，糖尿病的患病率高达9.7%，其中大部分患者出现了眼部的并发症，据报道有47%～64%的糖尿病患者会出现糖尿病性角膜病变(diabetic keratopathy，DK)[1]。DK是由 Schultz最先提出并命名，分为原发性DK和继发性DK，原发性是指糖尿病本身引起的角膜病变，继发性是指糖尿病患者行眼部手术后引起的角膜并发症[2]。本文主要讨论原发性DK，虽然原发性DK的发病机制尚未完全阐明，但多年来国内外学者已对其进行了大量的实验性和应用性研究，并取得了一定的进展，以下就原发性DK的主要临床表现相对应的发病机制进行综述。

1 糖尿病性角膜病变的临床表现

1.1干眼症干眼症发病机制包括泪膜不稳定、泪液渗透压升高、眼表炎症和损害、神经感觉异常等[3]。有资料显示糖尿病患者中干眼症的发病率约52.8%[2]，干眼症在糖尿病患者中的发病率与糖尿病患者年龄、病程和血糖控制情况以及是否存在糖尿病视网膜病变有一定的相关性[3-4]。

1.2角膜上皮损伤包括上皮再生迟缓、浅层点状角膜炎、反复的上皮糜烂、无菌性溃疡、上皮通透性增加等[5]。

1.3角膜知觉减退角膜神经主要是由三叉神经眼支的感觉神经纤维组成，同时也存在少量肾上腺素能和乙酰胆碱能植物神经纤维[6]，糖尿病引起的角膜神经病变可导致角膜知觉减退。文献报道糖尿病患者平均中央角膜知觉显著低于正常对照组[7]。

1.4角膜中央厚度增加国内外许多研究者对正常人和糖尿病患者的角膜中央厚度进行测量，结果显示糖尿病患者角膜中央厚度增加[8-9]。

2 发病机制

2.1干眼症发病机制

2.1.1泪液分泌减少Alves等[10]发现糖尿病小鼠泪液重量的减少与泪腺结构的改变有关。目前国内外关于DK引起的泪液减少的发病机制为：(1)醛糖还原酶途径：在高血糖的状态下，葡萄糖在增强的醛糖还原酶作用下转换为山梨醇和果糖[11]。山梨醇在细胞内的累积导致副泪腺细胞发生渗透性水肿，从而泪液基础分泌量减少[12]；(2)糖尿病周围神经病变可通过影响支配泪腺分泌的神经造成泪液分泌减少，角膜知觉能力减退引起泪液反射性分泌减少[7]；(3)高血糖可导致睑板腺上皮细胞凋亡引起泪膜脂质层减少，从而促进干眼的发生[13]。

2.1.2泪膜成分的改变有研究显示糖尿病患者泪液中的炎症因子IL-1β及TNF-α的表达增高[10,14]，提示炎症在DK患者干眼症的发生起到了重要作用。除炎症因子的改变外，泪液中的P物质和胰岛素也发生了变化，它们具有提供营养支持、促进泪腺新陈代谢的作用，它们的减少促进了DK干眼症的发生[13]。

2.1.3眼表地形改变糖尿病可导致角膜发生相应的形态学变化[15-16]，眼表地形改变可导致泪膜分布不均从而导致干眼症的发生，但目前相关临床与基础实验研究较少，且存在一定争议[17]，我们需要进一步研究其中的关系。

2.2角膜知觉减退的发病机制

2.2.1醛糖还原酶途径山梨醇在Schwann细胞中的积聚产生机械压迫和毒性作用损害神经轴突，从而导致了神经传导速度的下降,同时山梨醇在细胞内聚集造成肌醇大量的减少，蛋白激酶C活性下降，Na+-K+-ATP酶的活性下降，一方面导致细胞内Na+含量增高，细胞水肿，神经细胞脱髓鞘改变；另一方面经膜Na+浓度降低，神经传导速度减慢[1-2]。醛糖还原酶途径活性增加也导致NADPH消耗增加，使还原型谷胱甘肽生成减少，组织的抗氧化能力降低，自由基的清除减少，引起细胞损伤；且NADH/NAD比值增加又阻止了糖酵解途径中 3-磷酸甘油醛向1，3-二磷酸甘油酸的转化，影响组织能量代谢，造成细胞相对缺氧[1]。

2.2.2糖基化作用晚期糖基化终末产物(advanced glycation end-products，AGEs)是蛋白质、氨基酸、脂类或核酸等物质的游离氨基与还原糖的羰基经过缩合、重排、裂解及氧化修饰等一系列反应后形成的一类稳定的终末产物的总称，糖尿病患者的病理性高血糖可加速糖基化反应。有研究显示AGEs可促进体外培养的Schwann细胞和神经细胞的凋亡，扰乱神经细胞轴浆运输，导致轴突变性萎缩[18]；经糖基化修饰的Schwann细胞髓磷脂蛋白易被巨噬细胞识别吞噬，引起神经纤维节段性脱髓鞘等，但目前尚无AGEs与糖尿病角膜神经病变相关性的直接性研究。

2.2.3免疫机制免疫机制促进了糖尿病角膜神经病变的发生和进展。研究发现糖尿病性角膜病变患者存在相关免疫功能紊乱、神经细胞损伤及神经轴索萎缩和消失，致使神经细胞内抗原蛋白漏出，进一步激活免疫系统，产生神经自身抗体，最终导致神经细胞凋亡[19]。除以上作用机制外，高糖环境下角膜神经营养因子的减少也可导致糖尿病性角膜神经病的病变的发生。

2.3糖尿病角膜上皮损伤的机制研究糖尿病患者会出现角膜上皮细胞层数减少、基底膜增厚、基底膜脆弱性增加、成分改变等[20-21]。

2.3.1糖基化AGEs主要有两种致病机制(非受体介导和受体介导两种途径)，糖基化终末产物羧甲基赖氨酸(Nε-carboxymethyl lysine，CML)沉积于糖尿病患者角膜上皮基底膜，造成角膜上皮细胞基底膜的增厚及锚原纤维减少等，糖基化的层黏连蛋白和纤维连接蛋白对角膜上皮细胞黏附作用较差[22-23]，同时也减少了角膜上皮细胞的移行能力；另一方面，AGEs与AGEs受体(RAGE)的结合促进了细胞内活性氧(ROS)的生成，活化了细胞内c-Jun氨基末端激酶和p38丝裂原活化蛋白激酶信号通路，从而加速了角膜上皮细胞的凋亡[18,24-25]。

2.3.2醛糖还原酶途径增强的醛糖还原酶可破坏细胞内正常的K+/Na+比例从而造成细胞的结构和完整性受损，且同时损伤机体氧化还原系统和神经组织，影响能量的代谢障碍，造成角膜上皮细胞相对缺氧[11,26]，还可通过影响基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinases,MMPs)的表达促进角膜上皮的损伤[27]。目前关于使用ARI药物治疗DK的临床试验较少，可以进一步探究ARI在DK中的治疗作用。

2.3.3蛋白水解酶蛋白水解酶包括MMPs、纤溶酶原激活物(serpine)等，在胚胎发育、凝血、创口愈合和组织重塑中起着重要的作用[28]。

MMPs能降解细胞外基质的几乎所有成分[29],角膜上皮细胞、基质中的成纤维细胞和内皮细胞均可合成和分泌MMPs，且有研究显示糖尿病可促进MMPs的表达[30-31]。MMPs可降解角膜上皮基底膜的成分从而促进角膜上皮的损伤[30-33]。有研究发现半乳糖喂养的小鼠角膜上皮内MMP-10明显增加，且伴有整合素α3β1的减少，在MMP-10降至正常时，整合素α3β1也恢复至正常[30-31]，说明了基底膜成分的改变可能是由于MMPs(特别是MMP-10)介导的蛋白降解导致的。关于糖尿病性角膜中MMPs表达增加的机制，目前有相关研究证实是某些生长因子、细胞因子的异常活动和AGEs表达升高的作用，但具体作用机制尚未明确[32]。

Serpine是一种丝氨酸蛋白酶抑制剂，主要抑制尿激酶纤溶酶原激活剂(uPA)，而uPA与细胞迁移和黏附所需的细胞外蛋白水解过程有关[34]。在角膜创伤愈合过程中serpine-1表达会升高，促进角膜上皮细胞黏附和移行[35-36],有研究显示糖尿病角膜上皮创伤修复过程中serpine-1的表达较正常角膜上皮修复组少，且对糖尿病组使用serpine-1后角膜修复速度加快，说明serpine-1的缺乏可能导致了糖尿病角膜上皮修复迟缓，为DK提供了治疗方法[37-38]。

2.3.4生长因子生长因子是指存在于生物体内，对生物的生长、发育具有广泛调节作用的活性蛋白质或多肽。(1)表皮生长因子(EGF)：EGF在角膜损伤后与角膜缘干细胞膜上EGFR结合，促进角膜上皮、基质细胞的快速分化和增殖[29]，EGFR信号在糖尿病角膜中表达明显下降可能延缓糖尿病角膜上皮的修复。(2)肝细胞生长因子(HGF)：HGF主要是由角膜上皮细胞产生，其受体由角膜基质细胞产生，Chandrasekher等[39]研究者发现HGF通过对细胞周期的调控可修复难治愈的角膜上皮损伤，Ljubimov等研究者检测到了糖尿病患者中HGF的上调，但其受体表达降低，通过上调其受体的表达，糖尿病角膜上皮的修复得到了明显的改善。(3)阿片类生长因子(OGF)：内源性阿片物质是类生长抑制因子，OGF与OGFR通过抑制或减缓细胞DNA的合成延缓了角膜上皮的增殖和创伤愈合[5]，在糖尿病患者和肥胖的老鼠中都出现了OGF的升高[40]。(4)胸腺素β4(Tβ4)：Tβ4是一种淋巴生长因子，主要存在于角膜上皮中，Tβ4通过促进MMP-2和MMP-9的表达促进角膜上皮的修复，通过抑制NF-κβ的表达抑制炎症反应[41-42]，Saghizadeh等[43]发现在糖尿病角膜中Tβ4含量明显减少。除了以上因子，有研究显示纤维母细胞生长因子(FGF)、胰岛素生长因子(IGF)、角质细胞生长因子(KGF)等与DK的发生也具有一定相关性[29]。

糖尿病角膜上皮病变的发生除了以上机制，还可能与microRNA[44-46]、甘油二酯-蛋白激酶P通路、某些信号分子有关，但这些机制都不是单独作用的，它们共同作用导致糖尿病角膜上皮病变的发生。

2.4角膜中央厚度增加的发病机制

2.4.1胶原交联有研究显示，糖尿病是圆锥角膜和开角型青光眼的保护因子，这可能与DK导致的角膜基质层胶原交联增加了角膜的硬度和厚度有关[47]。角膜基质层是非酶糖基化的靶点[48]，且Brummer等[49]研究发现，糖基化抑制剂的使用抑制了角膜基质层的胶原交联，说明糖基化促进了角膜基质层的胶原交联[50]。

2.4.2基质含水量增加角膜基质厚度的增加多是由于分布在胶原纤维之间的黏多糖吸水膨胀成凝胶状态，这与内皮细胞的密度和形态有很大关系，多元醇途径造成了内皮细胞渗透压升高，降低了Na+-K+-ATP酶泵功能，同时也造成了内皮细胞肌醇的丧失，这些共同作用导致了角膜内皮细胞功能障碍，进而造成角膜水肿。F-肌动蛋白参与维持内皮细胞的形态和屏障功能，Kim等[51]发现DK患者的内皮细胞的F-肌动蛋白纤维异常。另外DK患者角膜细胞长期处于缺氧状态，从而导致无氧糖酵解增加，产生的乳酸增加，亦可引起角膜水肿[2]。

3 讨论和展望

糖尿病已经成为全球范围内的公共性疾病，其并发症对糖尿病患者的生活质量产生了巨大影响，导致患者就医频率和医疗费用逐年增长，加重患者及其家庭的医疗负担，尽管DK发病率较高，但仍未受到临床医生相应的重视，希望在以后的临床工作中，临床医生能对DK有更进一步的认识。本文主要就原发性DK的主要临床表现和发病机制进了综述，但内容较为局限且认识不够深刻，且未对其治疗方法进行综述，希望能在以后的研究中弥补不足。