晶狀體上皮細(xì)胞與老年性白內(nèi)障相關(guān)性的研究進(jìn)展

胡玉珠,張高波,陳曉亞,崔亭松,胡姍姍

(1.牡丹江醫(yī)學(xué)院;2.牡丹江醫(yī)學(xué)院附屬紅旗醫(yī)院眼科,黑龍江 牡丹江 157011)

白內(nèi)障是以晶狀體混濁為主要特征的一種眼部疾病。白內(nèi)障的主要臨床表現(xiàn)為視力受損,是一種以老年人為主要患者的疾病。老年性白內(nèi)障(age related cataract,ARC)是白內(nèi)障的最主要類型,隨著人口老齡化的快速增長(zhǎng),ARC的患病率逐年增加,嚴(yán)重影響了患者的健康和生活質(zhì)量。目前,治療白內(nèi)障的唯一方法是外科手術(shù)[1]。據(jù)預(yù)測(cè),由于老年人口不斷增加,每年白內(nèi)障手術(shù)的數(shù)量將增加2 000～2 500萬(wàn)。數(shù)據(jù)顯示,如果把ARC的發(fā)病延遲10年,將減少需要手術(shù)人數(shù)的50%[2]。因此,進(jìn)一步研究并闡明ARC的發(fā)生和發(fā)展過(guò)程中的具體分子機(jī)制,預(yù)防和延緩ARC,最大限度地保護(hù)患者的視功能、提高患者生活質(zhì)量,對(duì)減少患者和社會(huì)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)具有重要意義。

晶狀體由晶狀體囊和晶狀體纖維組成。它形如雙凸透鏡,位于瞳孔和虹膜后面、玻璃體前面,由晶狀體懸韌帶與睫狀體的冠部聯(lián)系固定。其前后兩面交界處稱晶狀體赤道部,兩面的頂點(diǎn)分別稱前極和后極。在晶狀體發(fā)育早期,晶狀體囊泡的前部細(xì)胞分化形成LECs[3]。位于赤道部的LECs繼續(xù)分化并向后延伸形成晶狀體纖維細(xì)胞[4]。晶狀體的細(xì)胞通過(guò)廣泛的縫隙連接網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交流,來(lái)維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)并使之保持透明,它的主要功能是傳輸光線并將其聚焦在視網(wǎng)膜上[5]。由于LECs保留完整的細(xì)胞核和細(xì)胞器,故它在晶狀體中起代謝平衡的主要維持作用[4]。在遇到有害外部刺激時(shí),LECs可以通過(guò)產(chǎn)生半胱氨酸和谷胱甘肽等分子維持晶狀體環(huán)境的穩(wěn)定從而起到保護(hù)晶狀體的作用[5]。所以,LECs的細(xì)胞損傷可能導(dǎo)致白內(nèi)障形成。因此,本文就LECs的結(jié)構(gòu)功能和病理改變的研究進(jìn)展作以綜述。

2 LECs的結(jié)構(gòu)功能

LECs呈單層立方形,牢固地黏附在晶狀體前囊膜上[6]。正常人晶狀體上皮大約包含350 000個(gè)細(xì)胞,并且隨著年齡的增長(zhǎng),數(shù)量會(huì)減少[7]。LECs除了富含細(xì)胞器和細(xì)胞核,還含有大量有助于穩(wěn)定和調(diào)節(jié)細(xì)胞結(jié)構(gòu)的細(xì)胞骨架蛋白如微管、血影蛋白、α-肌動(dòng)蛋白、肌動(dòng)蛋白、肌球蛋白和波形蛋白[8]。在代謝方面,與纖維細(xì)胞相比,LECs表現(xiàn)得更加活躍,是維持基本的新陳代謝的重要組織[7]。除此之外,LECs還是負(fù)責(zé)透明眼晶狀體生長(zhǎng)和發(fā)育的親代細(xì)胞。同時(shí),它還具有運(yùn)輸營(yíng)養(yǎng)和離子、解毒等功能。LECs是晶狀體中代謝活動(dòng)的主要場(chǎng)所,所以維持LECs完整性和存活的機(jī)制對(duì)于晶狀體透明性和新陳代謝的平衡至關(guān)重要。一旦受到傷害,它們就不能自我更新,只能保持受損狀態(tài)[9]。LECs的改變,甚至是周圍微環(huán)境的改變,如角膜潰瘍穿孔后晶狀體囊膜與潰瘍接觸、外傷后LECs破裂、青光眼急性發(fā)作等,都可使LECs發(fā)生增生、化生、甚至萎縮變性,形成白內(nèi)障[11]。

3 LECs細(xì)胞膜在ARC中的病理改變

3.1 LECs細(xì)胞膜蛋白表達(dá)改變正常LECs膜表面表達(dá)多種分子通道和轉(zhuǎn)運(yùn)體,其中縫隙連接蛋白43(connexin 43,Cx43)和Cx50是占比最多的兩種。Cx50與LECs發(fā)育有關(guān),Cx50的突變體會(huì)抑制晶狀體LECs的增殖,從而減少晶狀體的生長(zhǎng)。Cx50的異常、突變可導(dǎo)致晶狀體縮小和白內(nèi)障。

水通道蛋白(AQPs)是完整的膜蛋白,其主要功能是響應(yīng)滲透梯度將水轉(zhuǎn)運(yùn)穿過(guò)細(xì)胞膜。LECs細(xì)胞膜上主要表達(dá)的是水通道蛋白1(AQP1)。研究發(fā)現(xiàn),白內(nèi)障患者LECs細(xì)胞膜上的AQP1較正常人相比表達(dá)更多,這代表白內(nèi)障患者晶體中的含水量比正常人多[12]。由于更多的透鏡含水量會(huì)使降低晶狀體的折射率[13],所以AQP1表達(dá)增多會(huì)促進(jìn)白內(nèi)障生成。綜上所述,白內(nèi)障LECs的細(xì)胞間連接蛋白Cx50和細(xì)胞膜上AQP1的表達(dá)與正常人相比有所改變,其細(xì)胞間連接穩(wěn)定性有所下降,而水通透性增加。

3.2 LECs細(xì)胞膜脂質(zhì)改變像其他細(xì)胞膜一樣,LECs細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)為磷脂雙分子層。但LECs的細(xì)胞膜的流動(dòng)性非常低,膜脂的組成和代謝可能造成各種類型白內(nèi)障的產(chǎn)生。脂質(zhì)代謝途徑包括磷脂酰肌醇途徑、磷脂酰乙醇胺甲基化和花生四烯酸代謝[14]。3-磷酸肌醇作為多種信號(hào)分子的對(duì)接位點(diǎn),控制細(xì)胞生長(zhǎng)、細(xì)胞周期進(jìn)程、囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)、細(xì)胞骨架變化、葡萄糖攝取和凋亡等過(guò)程。在白內(nèi)障發(fā)病期間,磷脂酰肌醇-3激酶活性顯著降低[15]。所以,白內(nèi)障患者晶狀體的LECs細(xì)胞膜脂質(zhì)少于正常人脂質(zhì)。LECs細(xì)胞膜脂質(zhì)的改變可能也是引發(fā)白內(nèi)障的產(chǎn)生的原因之一。

4 LECs核酸改變

LECs的DNA氧化損傷是ARC的病因之一。Kathryn等人在早期的白內(nèi)障患者觀察中發(fā)現(xiàn)和證實(shí)了LECs的DNA損傷。此外,在白內(nèi)障患者的白細(xì)胞和血清中,8-羥基脫氧鳥(niǎo)苷(8-OHdG)作為DNA氧化損傷的生物標(biāo)志物,被發(fā)現(xiàn)顯著增加[16]。若LECs內(nèi)的DNA損傷不能得到及時(shí)修復(fù),則會(huì)破壞LECs中DNA的完整性和遺傳穩(wěn)定性,繼而造成晶狀體內(nèi)蛋白的錯(cuò)誤折疊導(dǎo)致的蛋白異常聚集,從而發(fā)生ARC。有研究證明UVB輻射也可以直接導(dǎo)致LECs中的DNA雙鏈斷裂。這可能會(huì)觸發(fā)LECs的衰老形成白內(nèi)障,尤其ARC[17]。

5 LECs的氧化應(yīng)激和凋亡

氧化應(yīng)激是指一種活性氧(reactive oxygen species,ROS)水平升高的狀態(tài)。氧化應(yīng)激在晶狀體蛋白質(zhì)(包括酶、晶體蛋白和其他伴侶蛋白)的降解、氧化、交聯(lián)和聚集中起重要作用,并且還觸發(fā)LECs凋亡,所以被認(rèn)為是白內(nèi)障發(fā)生和發(fā)展的共同機(jī)制。ROS通過(guò)氧化應(yīng)激激活一系列通路導(dǎo)致白內(nèi)障,如:PI3K/AKT信號(hào)通路、MAPK信號(hào)通路、Nrf2-Keap1信號(hào)通路和ROCK1/p53信號(hào)通路等[18]。經(jīng)典的MAPK途徑由細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(ERK)、c-jun N-末端激酶(JNK)或應(yīng)激活化蛋白激酶(SAPK)組成。一旦激活,除了對(duì)p53產(chǎn)生影響,MAPK還在將在廣泛的細(xì)胞反應(yīng)中發(fā)揮重要作用,包括增殖、分化、衰老等[19]。這對(duì)LECs的存活和凋亡起著至關(guān)重要的作用。

細(xì)胞凋亡被公認(rèn)為是一種獨(dú)特而重要的“程序化”細(xì)胞死亡模式,是在多細(xì)胞生物中進(jìn)行的正常生理過(guò)程。在細(xì)胞凋亡的早期過(guò)程中,用hoeschet染色法可見(jiàn)細(xì)胞收縮和凋亡固縮。隨著細(xì)胞收縮,細(xì)胞體積變小,細(xì)胞質(zhì)致密,細(xì)胞器排列更緊密。隨后被巨噬細(xì)胞、實(shí)質(zhì)細(xì)胞或腫瘤細(xì)胞吞噬,并在吞噬溶酶體中降解。凋亡被認(rèn)為是各種過(guò)程的重要組成部分,包括正常細(xì)胞更新、免疫系統(tǒng)的正常發(fā)育和功能、激素依賴性萎縮、胚胎發(fā)育和化學(xué)誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡。不適當(dāng)?shù)募?xì)胞凋亡(過(guò)少或過(guò)多)是許多人類疾病的一個(gè)因素,包括神經(jīng)退行性疾病、許多類型的癌癥和白內(nèi)障[20]。研究發(fā)現(xiàn),白內(nèi)障患者晶狀體上皮細(xì)胞凋亡率高于正常人,提示晶狀體上皮細(xì)胞凋亡率可能與白內(nèi)障疾病的發(fā)展相關(guān)[21]。

綜上所述,氧化應(yīng)激通過(guò)激活一系列信號(hào)通路,導(dǎo)致LECs的凋亡,引發(fā)白內(nèi)障。因此,我們或許能通過(guò)進(jìn)一步研究MAPK信號(hào)通路來(lái)降低LECs的氧化應(yīng)激。這也許能成為白內(nèi)障的一個(gè)潛在治療目標(biāo)。

6 LECs自噬和衰老

自噬是一個(gè)進(jìn)化保守的分解代謝過(guò)程,通過(guò)溶酶體機(jī)制降解細(xì)胞溶質(zhì)大分子和膜結(jié)合細(xì)胞器。它是信號(hào)通路的結(jié)果,其中作為降解目標(biāo)的蛋白質(zhì)底物被包裝到包涵體中,這個(gè)過(guò)程被稱為自噬體的雙膜細(xì)胞器吞噬。自噬體與溶酶體和受損蛋白質(zhì)融合,然后被溶酶體蛋白酶降解[22]。自噬是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,被認(rèn)為是細(xì)胞生理學(xué)的一把雙刃劍。一方面,它在細(xì)胞成分降解的保守機(jī)制中起著關(guān)鍵作用,以維持營(yíng)養(yǎng)脅迫下的細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài);另一方面,過(guò)度自噬可能導(dǎo)致細(xì)胞死亡。如果能合理操縱自噬,將預(yù)防和減輕纖維變性的白內(nèi)障。

在晶狀體中,42個(gè)自噬基因(如Atg5 和 Pik3c3/Vps34)被發(fā)現(xiàn)參與人晶狀體纖維細(xì)胞從LECs分化的過(guò)程,有力地表明了它在維持晶狀體的穩(wěn)態(tài)并使之透明。研究表明,這些基因在LECs和分化纖維細(xì)胞中均表達(dá)。它們對(duì)晶狀體發(fā)育、功能都很重要。這其中任何一個(gè)基因的缺失都會(huì)導(dǎo)致晶狀體生長(zhǎng)遲緩和白內(nèi)障形成。除了能維持細(xì)胞成分的合成、降解和循環(huán)之間的平衡,自噬還通常被認(rèn)為是細(xì)胞衰老的重要防御反應(yīng)。異常的自噬可能會(huì)導(dǎo)致晶狀體功能障礙,影響晶狀體的透明性,引發(fā)白內(nèi)障,如ARC、遺傳性白內(nèi)障和糖尿病白內(nèi)障等[23]。

LECs的衰老也是導(dǎo)致ARC的主要因素之一。它可能導(dǎo)致修飾、變性和晶狀體蛋白(包括酶和晶狀體蛋白)的聚集,受損的大分子由于自噬活性隨著年齡的增長(zhǎng)而下降,在老年人體內(nèi)積累,從而最終導(dǎo)致白內(nèi)障。在LECs衰老過(guò)程中,細(xì)胞氧化還原平衡系統(tǒng)被打破,雖然自噬活動(dòng)試圖恢復(fù)晶狀體內(nèi)環(huán)境平衡,但只有健康的晶狀體才能保證晶狀體的結(jié)構(gòu)蛋白被其防御系統(tǒng)還原。因?yàn)樗ダ系腖ECs會(huì)使抑制自噬。所以,在晶狀體老化的過(guò)程中,保護(hù)和修復(fù)機(jī)制慢慢惡化。LECs含有衰老細(xì)胞的比例和ARC的嚴(yán)重程度呈正相關(guān)。在目前的研究中,衰老的LECs累積逐漸多于晶狀體干細(xì)胞新生成的LECs,從而產(chǎn)生ARC。這一發(fā)現(xiàn)表明,抑制LECs的衰老可以作為治療ARC的新的方向。

所以,LECs的衰老和不合理的自噬都會(huì)誘發(fā)ARC?；謴?fù)自噬活性可能是一種有效的治療方法,是預(yù)防ARC的潛在策略。進(jìn)一步研究LECs的衰老和自噬,或許能為ARC的有效防控及治療提供新的理論依據(jù)和藥物靶點(diǎn)。

7 結(jié)語(yǔ)

綜上所述,ARC仍然是影響老年生活質(zhì)量的一個(gè)重要因素,而LECs的氧化損傷、凋亡、自噬和衰老與ARC密切相關(guān),但導(dǎo)致ARC的具體發(fā)病機(jī)制仍然存在未知,為探索多渠道的治療方法奠定理論基礎(chǔ),更深層次的發(fā)病機(jī)制仍需進(jìn)一步研究。因此以LECs為突破口,探索ARC的防治具有重要臨床意義和廣闊的前景。