電刺激在視網(wǎng)膜退行性疾病治療中的研究進(jìn)展

于莎莎，湯 欣，趙 云，李永康，趙 健

0引言

2014年世界衛(wèi)生組織報(bào)告全球范圍內(nèi)有2.45億人處于低視力水平，其中0.39億為盲人。青光眼、年齡相關(guān)性黃斑病變(age related macular degeneration，ARMD)、視網(wǎng)膜色素變性(retinitis pigmentosa，RP)等被列為主要的不可逆性致盲性眼病，臨床上現(xiàn)有的治療方式多為對(duì)癥治療，但其對(duì)于視網(wǎng)膜神經(jīng)元的有效保護(hù)作用及患者視覺功能的改善或者重建效果則非常有限，因此探索有效的神經(jīng)保護(hù)方式非常必要。近年研究表明，一定電流強(qiáng)度的眼表電刺激能夠改善RP、外傷性視神經(jīng)病變(traumatic optic neuropathy，TON)、前部缺血性視神經(jīng)病變、視網(wǎng)膜動(dòng)脈阻塞和Stargardt病等多種視網(wǎng)膜和視神經(jīng)疾病患者的視覺功能[1]。這種電刺激對(duì)視網(wǎng)膜和視神經(jīng)的作用基礎(chǔ)可能與1929年Otfrid證明的眼部電刺激能夠激發(fā)患者視皮層的神經(jīng)反應(yīng)即電誘發(fā)視覺反應(yīng)相關(guān)[2]。2004年，Chow等[3]在RP患者視網(wǎng)膜下植入芯片，證明閾上強(qiáng)度的電流刺激能夠激活視網(wǎng)膜更高級(jí)神經(jīng)元，進(jìn)而改善視覺功能。此外，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究也發(fā)現(xiàn)電刺激對(duì)視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞(retinal ganglion cells，RGCs)和感光細(xì)胞具有神經(jīng)保護(hù)作用[4-5]。本文旨在總結(jié)電刺激治療在視網(wǎng)膜和視神經(jīng)退行性疾病治療中的應(yīng)用進(jìn)展，闡明其可能的作用機(jī)制。

1電刺激的方式

眼科研究中常用的電刺激方式有3種：(1)經(jīng)角膜電刺激(trans-cornea electrical stimulation，TcES)，多見于基礎(chǔ)和臨床研究中，主要是使用DTL和ERG-jet兩種不同的角膜電極進(jìn)行，基礎(chǔ)研究中也有使用金或銀質(zhì)的角膜環(huán)狀電極；(2)經(jīng)眼眶重復(fù)性交流電刺激(repetitive trans-orbital alternating current stimulation，rtACS)，可用于角膜功能不良或有眼表外傷等情況的患者；(3)經(jīng)視神經(jīng)斷端電刺激，主要用于視神經(jīng)損傷和再生的動(dòng)物研究中。

2電刺激在眼科研究中的應(yīng)用

2.1基礎(chǔ)研究動(dòng)物和細(xì)胞研究表明，電刺激的神經(jīng)保護(hù)作用效果與電流強(qiáng)度、刺激頻率、時(shí)間、波長(zhǎng)、波形、治療次數(shù)等相關(guān)[6]。所采用的電流強(qiáng)度范圍因刺激方式不同而變化較大，經(jīng)視神經(jīng)斷端的有效電刺激強(qiáng)度為100μA，而TcES為50～300μA。

2.1.1感光細(xì)胞退行性病變?cè)谶z傳性感光細(xì)胞退行性變大鼠的治療中，Morimoto等[7]采用20Hz、100μA的TcES，每周1次、持續(xù)2～6wk，結(jié)果發(fā)現(xiàn)TcES能夠延緩感光細(xì)胞死亡，改善視網(wǎng)膜功能，外核層厚度增厚，視網(wǎng)膜電圖(electroretinogram，ERG)b波和暗視閾值反映(scotopic threshold response，STR)負(fù)向反應(yīng)幅值均明顯提高。TcES(20Hz，700μA)也能夠提高視紫紅質(zhì)P347L轉(zhuǎn)基因兔的ERG暗視反應(yīng)b波、明視反應(yīng)a波和b波反應(yīng)幅值，而且能增加視條紋上外核層的厚度[8]。此外，預(yù)防性的TcES(20Hz，200μA，1h，損傷前2h)能夠減少實(shí)驗(yàn)性光損傷導(dǎo)致的大鼠視網(wǎng)膜感光細(xì)胞退行性病變中感光細(xì)胞凋亡數(shù)量，保持外段長(zhǎng)度及外核層厚度無明顯變化[9]。為進(jìn)一步研究電刺激的作用機(jī)制，研究者將電刺激應(yīng)用于細(xì)胞培養(yǎng)中。在強(qiáng)光誘導(dǎo)的體外培養(yǎng)感光細(xì)胞凋亡模型中，電刺激能夠顯著減少活化小膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)量，抑制小膠質(zhì)細(xì)胞白介素-1β(interleukin-1 beta，IL-1β)和腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)的分泌，同時(shí)能夠增加Müller細(xì)胞的數(shù)量及其所分泌的腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子(brain-derived growth factor，BDNF)和睫狀營(yíng)養(yǎng)因子，為感光細(xì)胞創(chuàng)造營(yíng)養(yǎng)環(huán)境進(jìn)而減少光損傷造成的細(xì)胞死亡[10]。感光細(xì)胞的損傷或死亡使視覺信號(hào)無法轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)進(jìn)一步傳遞，而電刺激的作用不僅可以較少損傷，改善視功能，同時(shí)可以通過調(diào)節(jié)膠質(zhì)細(xì)胞的活性對(duì)其起到保護(hù)作用，因此電刺激的作用機(jī)制是多因素共同作用的。

2.1.2視神經(jīng)損傷在成年Wistar大鼠視神經(jīng)離斷/鉗夾(optic nerve cut/crush，ONC)模型中，Takeshi等經(jīng)視神經(jīng)斷端直接給予電刺激，結(jié)果在視神經(jīng)離斷1wk時(shí)RGCs的存活率明顯提高(83%vs54%)[5]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，電刺激治療效果與電流強(qiáng)度相關(guān)[11]，當(dāng)電流強(qiáng)度增加到100μA時(shí)，視神經(jīng)離斷1wk時(shí)，RGCs不僅存活率可到達(dá)85%，其形態(tài)與正常視網(wǎng)膜中的相似[12-13]。視神經(jīng)損傷或中斷，RGCs來自軸漿運(yùn)輸?shù)臓I(yíng)養(yǎng)因子和上級(jí)中樞的信號(hào)傳導(dǎo)均中斷，在缺少營(yíng)養(yǎng)因子和失去中樞調(diào)控的情況下，氧化應(yīng)激損傷增加、膠質(zhì)細(xì)胞活化、炎性因子釋放等均促進(jìn)RGCs凋亡。Tagami等[14]發(fā)現(xiàn)連續(xù)性重復(fù)TcES(20Hz，100μA，持續(xù)12d)能夠增加在距離損傷250μm處的視神經(jīng)再生軸突數(shù)量，同時(shí)發(fā)現(xiàn)視神經(jīng)損傷大鼠視網(wǎng)膜胰島素樣生長(zhǎng)因子(insulin like growth factor-1，IGF-1)的表達(dá)增加。Schatz等的研究亦認(rèn)為電刺激對(duì)視網(wǎng)膜的神經(jīng)保護(hù)作用可能與上調(diào)BDNF、IGF-1等多種神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子相關(guān)[15]。此外，研究表明電刺激能夠上調(diào)體外培養(yǎng)的Müller細(xì)胞的245種基因表達(dá)，其中包括通過L型電壓依賴性鈣離子通道上調(diào)BDNF[16]和IGF-1[17]的表達(dá)。電刺激運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元胞體能上調(diào)BDNF及受體TrkB mRNA的表達(dá)[18]。因此電刺激對(duì)RGCs的神經(jīng)保護(hù)作用可能與神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子以及受體的表達(dá)相關(guān)。

2.1.3視網(wǎng)膜血管病變關(guān)于急性視網(wǎng)膜缺血?jiǎng)游锬Ｐ偷难芯堪l(fā)現(xiàn)，TcES(20Hz，300μA，60min，每2d一次，持續(xù)14d)能夠提高損傷后1wk(75%vs62%)和損傷后2wk(60%vs45%)RGCs的存活率；同時(shí)TcES能上調(diào)視網(wǎng)膜谷氨酰氨合成酶的表達(dá)水平[19]。視網(wǎng)膜谷氨酰氨合成酶主要由Müller細(xì)胞分泌，參與視網(wǎng)膜興奮性谷氨酸解毒作用。電刺激對(duì)視網(wǎng)膜缺血損傷的作用可能與調(diào)節(jié)Müller細(xì)胞谷氨酰氨合成酶的表達(dá)水平有關(guān)。

2.2臨床研究目前，電刺激的臨床研究主要局限于改善患者視覺功能的病例報(bào)告，缺少大樣本、系統(tǒng)性的隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)。隨著研究的深入，電刺激的神經(jīng)保護(hù)效果逐漸被證實(shí)，其中電刺激多采用閾上強(qiáng)度的電流，刺激頻率為20Hz，強(qiáng)度范圍150μA～1.5mA。

2.2.1視網(wǎng)膜色素變性Schatz等[20]在對(duì)24例RP患者的前瞻性隨機(jī)分組的臨床研究中發(fā)現(xiàn)，每周30min，持續(xù)6wk的閾上強(qiáng)度TcES是安全的，且能夠提高或者維持患者大部分的視覺功能，其中視野和ERG暗視反應(yīng)b波幅值的改善具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，分析這種保護(hù)作用的機(jī)制是多因素共同作用的結(jié)果。

2.2.2視神經(jīng)病變Gall等[21]對(duì)1例27歲單側(cè)視神經(jīng)損傷11a的患者采用rtACS(強(qiáng)度<600μA，30～40min/d，持續(xù)10d)治療，結(jié)果發(fā)現(xiàn)視覺誘發(fā)電位(visual evoked potential，VEP)可以檢測(cè)到N75-P100波且P100潛時(shí)延長(zhǎng)，相比電刺激之前VEP檢測(cè)不到任何反應(yīng)波；靜態(tài)視野的平均閾值增加2.21dB；動(dòng)態(tài)視野邊界增加4°；電腦視野計(jì)檢測(cè)出患者閾上刺激辨別能力平均值增加14.31%，且在治療結(jié)束后仍有增加，治療后1.5a時(shí)這種提高仍保持在15.78%；患者的視功能評(píng)價(jià)問卷分值也明顯升高，且保持穩(wěn)定1.5a。rtACS電刺激對(duì)患者視功能的改善可能與增強(qiáng)視覺傳導(dǎo)通路神經(jīng)元間的突觸傳遞有關(guān)。Fujikado等[22]對(duì)非動(dòng)脈缺血性視神經(jīng)病變(non-arteritic ischaemic optic neuropathy，NAION)和TON患者的研究(20Hz，600～800μA，30min)趨勢(shì)與Gall等[21]的結(jié)果一致，但樣本量較小，指導(dǎo)意義有限。Fedorov等[23]對(duì)446例視神經(jīng)損傷患者進(jìn)行持續(xù)10d的rtACS(強(qiáng)度<1 000μA)治療并觀察隨訪，同樣發(fā)現(xiàn)電刺激能夠改善患者的視覺功能。2016年一項(xiàng)多中心的隨機(jī)對(duì)照臨床研究發(fā)現(xiàn)，視神經(jīng)損傷患者在接受每天50min，持續(xù)10wk的rtACS治療后視野范圍擴(kuò)大24%，靜態(tài)視野平均閾值增加9.3%[24]。上述研究表明，電刺激對(duì)視神經(jīng)病變患者的視覺功能具有改善作用。

Sergeeva等[25]研究認(rèn)為，TcES的治療電流是經(jīng)視網(wǎng)膜和視神經(jīng)特異性處理后傳導(dǎo)至大腦皮層的，這種傳導(dǎo)方式使電流能夠增強(qiáng)突觸傳遞，強(qiáng)化殘存視覺系統(tǒng)和高級(jí)皮層神經(jīng)元之間的同步性反應(yīng)，誘導(dǎo)神經(jīng)元可塑性發(fā)生變化。Sabel等[26]研究結(jié)果亦支持神經(jīng)元同步性反應(yīng)增強(qiáng)的觀點(diǎn)，其發(fā)現(xiàn)電刺激在改善患者視覺功能的同時(shí)改變了患者腦電圖波譜，電刺激組α波增加，而對(duì)照組下降，伴隨δ波升高，分析其可能與電刺激激活并增強(qiáng)了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中神經(jīng)元的同步性反應(yīng)有關(guān)。Miyake等[27]在大鼠視神經(jīng)損傷后立即給予TcES(20Hz，500μA，持續(xù)6h)，發(fā)現(xiàn)電刺激能夠使視神經(jīng)損傷后早期降低的視覺誘發(fā)電位迅速回升。另有研究發(fā)現(xiàn)，電刺激能夠促進(jìn)神經(jīng)傳導(dǎo)功能的恢復(fù)及神經(jīng)再生作用[28]，進(jìn)一步表明電刺激對(duì)視神經(jīng)損傷后患者的視覺功能具有改善作用，這與激活神經(jīng)元，增加神經(jīng)元間的同步性反應(yīng)相關(guān)。但由于電刺激的方式不同，患者的病程、病情均不同以及視功能評(píng)估方法的差異，限制了電刺激的廣泛應(yīng)用。此外，電刺激能夠調(diào)節(jié)大腦血流量，當(dāng)TcES作用于三叉神經(jīng)末端時(shí)能調(diào)節(jié)血管神經(jīng)反射，增加大腦血流量[29]。

2.2.3視網(wǎng)膜血管病變Koichi等對(duì)2例視網(wǎng)膜中央動(dòng)脈阻塞(central retinal artery occlusion，CRAO)(病程分別為15、33mo)和1例視網(wǎng)膜分支動(dòng)脈阻塞(branch retinal artery occlusion，BRAO)(病程為26mo)患者給予TcES(20Hz，1 100μA，每月1次，持續(xù)3mo)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)3例患者視野均改善，其中2例患者視力升高0.2LogMAR，2例患者ERG反應(yīng)增強(qiáng)[30]。這與Robles-Camarillo等[31]對(duì)視力為光感的CRAO患者和Oono等[32]對(duì)BRAO患者進(jìn)行的TcES治療結(jié)果趨勢(shì)相同。分析其可能的機(jī)制與電刺激改善缺血視網(wǎng)膜的血供相關(guān)。Kurimoto等[33]對(duì)10例正常受試者進(jìn)行TcES治療后，分別于3、24h檢測(cè)到黃斑區(qū)和黃斑視盤間血流信號(hào)增強(qiáng)。但Naycheva等[15]對(duì)12例CRAO患者和1例BRAO患者經(jīng)DTL(Dawson-Trick-Litzkow，DTL)電極TcES治療(電流強(qiáng)度為能產(chǎn)生光幻視閾值電流強(qiáng)度的150%，20Hz，30min，1次/wk，持續(xù)6wk)，結(jié)果未發(fā)現(xiàn)患者視野、電生理潛時(shí)和幅值的明顯變化。分析造成不同結(jié)果的原因可能與視網(wǎng)膜缺血損傷的程度和病程有關(guān)，但電刺激治療的參數(shù)和時(shí)程等不同，缺少統(tǒng)一的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)以及評(píng)估參數(shù)，可能是引起研究結(jié)果不同的主要原因。

2.2.4黃斑病變Shinoda等[34]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)眼瞼電刺激治療后ARMD患者的ETDRS視力表視力分值增加，且電刺激對(duì)干性ARMD患者的療效優(yōu)于濕性ARMD患者[35]，電刺激可以提高大部分干性ARMD患者的視覺對(duì)比敏感度和視力[36]。此外，電刺激對(duì)遺傳性黃斑相關(guān)病變也有一定作用[37]。Ozeki等[38]對(duì)1例貝斯特氏卵黃狀黃斑營(yíng)養(yǎng)不良且視功能明顯降低的患者采用TcES(20Hz，30min，閾上電流)治療，1mo后光學(xué)相干斷層掃描(OCT)檢查顯示黃斑區(qū)結(jié)構(gòu)無明顯變化，但是患者視力從治療前的20/200恢復(fù)至20/30。2a后隨訪，患者視力降至20/70。再次TcES治療1mo后，視力又回升到20/30且保持穩(wěn)定。

3電刺激的作用機(jī)制

電刺激的神經(jīng)保護(hù)作用可能是通過多重機(jī)制協(xié)同作用的結(jié)果。(1)電刺激對(duì)視網(wǎng)膜神經(jīng)元的激活去極化作用。Jeffre等研究發(fā)現(xiàn)，體外胚胎視網(wǎng)膜移植或多電極陣列模擬產(chǎn)生的生理水平的神經(jīng)電活動(dòng)可以促進(jìn)突觸生長(zhǎng)，證明神經(jīng)元激活和生理性電活動(dòng)對(duì)其存活非常重要[39]。另有研究發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元去極化能夠激活L型鈣離子通道，增加鈣離子內(nèi)流，進(jìn)一步激活細(xì)胞內(nèi)鈣離子相關(guān)蛋白酶，升高細(xì)胞內(nèi)環(huán)磷腺苷(cyclic adenosine monophosphate，cAMP)水平；同時(shí)鈣離子內(nèi)流還可以激活細(xì)胞內(nèi)的抗凋亡信號(hào)通路，這些作用均能夠促進(jìn)神經(jīng)元的存活。然而，在視神經(jīng)損傷中斷后，神經(jīng)元不能維持正常的生理活性，光或電信號(hào)不能向下一級(jí)神經(jīng)元傳遞。外源性閾上強(qiáng)度的電流刺激能夠激活殘存神經(jīng)元產(chǎn)生神經(jīng)電活動(dòng)，增強(qiáng)殘存神經(jīng)元的同步性反應(yīng)，并誘導(dǎo)神經(jīng)元可塑性變化。這種電刺激被動(dòng)性地增強(qiáng)殘存神經(jīng)元以及中樞的電活動(dòng)，改善局部微環(huán)境，對(duì)促進(jìn)神經(jīng)元存活以及視功能的改善具有重要意義。(2)電刺激對(duì)視網(wǎng)膜膠質(zhì)細(xì)胞的作用。神經(jīng)損傷后小膠質(zhì)細(xì)胞活化，IL-1β和TNF-α等炎性介質(zhì)釋放會(huì)加速病變發(fā)展。電刺激可以抑制小膠質(zhì)細(xì)胞，同時(shí)增加Müller細(xì)胞活性、上調(diào)神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子及受體表達(dá)。(3)電刺激能夠調(diào)節(jié)大腦和視網(wǎng)膜的血流量。研究證明，電刺激能增加正常受試者黃斑區(qū)和黃斑視盤間的血流量。當(dāng)TcES作用于三叉神經(jīng)末端時(shí)能調(diào)節(jié)血管神經(jīng)反射，增加大腦血流量。(4)電刺激對(duì)視網(wǎng)膜基因及蛋白表達(dá)的影響。在TcES治療1h后，對(duì)正常大鼠全基因組分析顯示，電刺激能夠影響490種基因的表達(dá)，包括多種與神經(jīng)保護(hù)作用相關(guān)的基因[40]。蛋白組學(xué)分析顯示，TcES能夠上調(diào)25種細(xì)胞功能蛋白的表達(dá)，包括細(xì)胞信號(hào)蛋白、神經(jīng)傳導(dǎo)相關(guān)蛋白、代謝蛋白、免疫蛋白和結(jié)構(gòu)蛋白[41]。因此電刺激對(duì)于視網(wǎng)膜的神經(jīng)保護(hù)作用是通過激活損傷的視網(wǎng)膜神經(jīng)元內(nèi)在存活機(jī)制，上調(diào)視網(wǎng)膜神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子及其受體的表達(dá)，調(diào)節(jié)視網(wǎng)膜膠質(zhì)細(xì)胞活性，增加視網(wǎng)膜血流，激活并增強(qiáng)由視網(wǎng)膜到視覺中樞神經(jīng)回路中神經(jīng)元的同步性反應(yīng)等多方面作用而實(shí)現(xiàn)的。

4總結(jié)和展望

電刺激的神經(jīng)保護(hù)作用與電刺激治療參數(shù)、疾病種類和病程等密切相關(guān)。隨著對(duì)電刺激神經(jīng)保護(hù)作用機(jī)制的深入探討以及治療參數(shù)的不斷優(yōu)化，電刺激將應(yīng)用于不同類型視網(wǎng)膜疾病的大樣本隨機(jī)對(duì)照臨床研究中，這對(duì)于進(jìn)一步研究電刺激治療的臨床應(yīng)用價(jià)值意義重大。眼部電刺激由于費(fèi)用低、侵入性低，其可作為一種新型的神經(jīng)保護(hù)和重建視覺功能的治療方式，有望為臨床治療視網(wǎng)膜退行性病變提供新的選擇。