【摘要】 糖尿病性视网膜病变(diabetic retinopathy, DR)是一种发生视力进行性损害的糖尿病并发症，其确切的发病机制尚不清楚。国内外研究表明多元醇通路是组织细胞葡萄糖代谢的重要途径，其在DR的发生、发展过程中具有重要作用。本文就多元醇通路的生物化学特点、代谢机制、致视网膜损伤机制及其药物干预等方面的研究作一综述。
【关键词】 多元醇通路；糖尿病性视网膜病变；醛糖还原酶；醛糖还原酶抑制剂
Advances of polyol pathway and diabetic
retinopathy
Yan Wu, HongBin Lü, Ling Jiang, HongXia Liao
Department of Ophthalmology, the Affilliated Hospital of Luzhou Medical College, Luzhou 646000, Sichuan Province, China
AbstractDiabetic retinopathy is a progressive visionthreatening complication of diabetes mellitus. The exact pathogenic mechanism is still unclear. Some researches showed that the polyol pathway was an important pathway of histiocytes glycometabolism, and it played an important role in the pathogenesis of diabetic retinopathy. The biochemistric features, metabolic mechanisms, causing retina damage mechanisms and drug interventions were summarized in this review.
KEYWORDS: polyol pathway; diabetic retinopathy; aldose reductase; aldose reductase inhibitors
0引言
糖尿病(diabetes mellitus, DM)是一组以血糖水平升高为特征的代谢性疾病群。糖尿病性视网膜病变(diabetic retinopathy, DR)是DM最为常见和严重的微血管并发症，发病率随DM病程的延长而增加。DR由非增生性糖尿病性视网膜病变发展到增生性糖尿病性视网膜病变时是引起患者失明的主要原因。DR的基本病理改变包括：周细胞的选择性丢失、基底膜增厚、微血管瘤的形成、内皮细胞增生和新生血管形成[1]。但DR的确切发病机制目前尚不清楚。通过对DR进行的大量实验性和应用性研究表明多元醇通路是组织细胞葡萄糖代谢的重要途径，该通路的代谢异常与DM微血管并发症密切相关。我们就多元醇通路的生物化学特点、代谢机制、致视网膜损伤机制及药物干预性治疗等方面的研究作一综述。
1多元醇通路的生物化学特点
多元醇通路，又称山梨醇通路。由醛糖还原酶(aldose reductase, AR)及山梨醇脱氢酶(sorbitol dehydrogenase, SDH)共同构成。AR主要存在于晶状体、视网膜、神经、红细胞以及肾脏等组织中，属于还原性辅酶Ⅱ(NADPH)依赖型醛酮还原酶家族，是山梨醇途径和葡萄糖依赖于NADPH途径转化为山梨醇的第一限速酶。AR以NADPH为辅酶，催化己糖的还原反应，将葡萄糖转化为相应的还原产物山梨醇，然后山梨醇再在山梨醇脱氢酶与辅酶I（NAD+）的作用下氧化成果糖。同时，氧化型辅酶I (NAD+)还原为还原型辅酶I （NADH）。NADPH／NAD+的比值及组织周围葡萄糖的浓度通过调控AR活力而影响多元醇和果糖的产率。一般情况下，当血糖正常时，因己糖激酶对葡萄糖的亲和力远高于AR，葡萄糖主要经糖酵解通路代谢，AR活性抑制，山梨醇生成很少。但在血糖浓度升高时，己糖激酶被葡萄糖饱和，AR表达增强，并被激活，山梨醇水平增高，过多的细胞内葡萄糖通过AR转化为山梨醇[2]，而SDH的活性并未相应增加，造成山梨醇在细胞内堆积。山梨醇是一种极性很强的化合物，不能自由进出细胞，引起细胞内山梨醇堆积。一方面造成细胞水肿及细胞渗透压的损伤，引起一系列病理改变，从而诱发DM并发症，如：白内障、视网膜病变、神经病变及肾脏病变等。另一方面可致细胞摄取磷酸肌醇能力障碍，胞内Na+K+ATP酶活性下降。葡萄糖在细胞内转化为山梨醇的过程中消耗大量的还原性NADPH，机体抗氧化能力降低。此外，AR的激活引起内皮源性一氧化氮(NO)合成减少，使内皮依赖性血管舒张功能受损。
2肌醇代谢异常与DR
人视网膜中AR仅存在于视网膜毛细血管周细胞（P）中。当血糖浓度升高时，一方面，山梨醇在周细胞内蓄积，形成渗透梯度，D葡萄糖竞争性与肌醇载体结合，使细胞内肌醇池耗竭，从而使周细胞膜Na+K+ATP酶活性降低，导致周细胞死亡；另一方面，山梨醇通路的激活可抑制磷酸已糖旁路，改变膜的功能，致细胞摄取磷酸肌醇能力障碍，引起肌醇代谢异常，细胞内Na+K+ATP酶活性降低，DNA活性下降，导致周细胞死亡。周细胞的选择性丢失，视网膜毛细血管内皮细胞受损，出现无结构毛细血管，最后视网膜毛细血管闭塞。
3糖基化终末产物与DR
糖基化终末产物(advanced glycation end products，AGEs)是蛋白质非酶糖化和氧化的终末产物，正常情况下不会聚积在视网膜组织中。当高血糖持续存在时，由多元醇通路产生的果糖能磷酸化成3磷酸果糖，然后分解为3去氧葡萄糖。这两种复合物均是强有力的致蛋白质糖基化的因子。产生的AGEs，一方面可通过直接捕获蛋白质并引起蛋白质之间发生交联而影响其结构和功能，另一方面AGEs还可与其特异性受体相互作用，通过趋化和活化单核巨噬细胞、激活转录因子κB、促进生长因子及细胞因子的合成和释放、灭活NO以及诱导氧化应激等途径造成组织细胞损伤。Treins等[3]研究发现，AGEs通过细胞外信号调节激酶通路，引起低氧诱导因子lα蛋白堆积增加，刺激血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）表达增加，这可能在DR的发展过程中起到了非常重要的作用[4]。Moore等[5]还发现，长期高血糖导致细胞及细胞外基质发生非酶糖化和AGEs的形成和堆积，导致白细胞粘滞性增加及血视网膜屏障的破坏，并影响视网膜毛细血管周细胞、内皮细胞和RPE细胞的生理功能，对触发DR起着重要作用。Reber等[6]的离体实验也证实，AGEs对视网膜三级神经元有致凋亡作用。一项严格的人类多剂量、有安慰剂对照的醛糖还原酶抑制剂 (aldose reductase inhibitor, ARI) 的临床试验证明[7]：ARI可有效抑制糖尿病神经病变细胞内AGEs增加。AGEs在糖尿病视网膜血管中含量增加，最初认为其主要来源于细胞外蛋白和葡萄糖间的非酶反应，但事实是葡萄糖的AGEs形成速率低于细胞内来自二羰基前体的AGEs形成速率。细胞内高血糖是细胞内外AGEs形成的原始启动因子[8，9]。
4多元醇通路与DR
Lorenzi等[10]研究发现，用链脲佐菌素(STZ)诱导糖尿病大鼠，在第10wk可观察到糖尿病鼠视网膜上中央神经元的凋亡和神经胶质酸性蛋白（GFAP）的表达增强，糖基化血红蛋白（GHB）浓度高达16%，说明视网膜上山梨醇和果糖的蓄积；星形胶质细胞上GFAP免疫染色减弱，Müller细胞上GFAP的表达比非糖尿病鼠增加4倍，说明这种细胞凋亡是由AR的免疫反应所致。凋亡细胞的大小和位置，常与神经节细胞的分布一致。视网膜神经胶质细胞的异常与GFAP的表达水平和模式有关。增强胰岛素治疗虽然仅可把GHB减少到12%，但却可阻止大多数视网膜病变的发生。视网膜神经胶质细胞的异常在DM微血管病变的特征性损害之前就存在了，主要发生在中央视网膜的毛细血管旁。在糖尿病视网膜上神经节细胞的凋亡和GFAP表达的改变是由多元醇通路的活性增高所致的，AR免疫性细胞是神经节细胞和Müller细胞。
5醛糖还原酶抑制剂对DR的影响
醛糖还原酶抑制剂（ARIs）为一群结构互异的化合物，能抑制AR，避免细胞堆积山梨醇，减少肌醇的流失，改善周细胞的功能并促进周细胞摄取多元醇，从而对处于高糖条件下的DR周细胞起保护作用；ARIs尚可通过阻止视网膜血管壁补体的早期活化，降低补体抑制剂的水平并降低血管内皮细胞的凋亡，阻止无结构毛细血管的发展来预防DR的发生。ARIs按结构分为羧酸类、海因类和哒嗪酮类。属羧酸类的有阿司他丁、依帕司他和非达司他等，海因类的有索比尼尔等，哒嗪酮类的有ARI809等。在3种类型的ARIs的研究中发现羧酸类的组织渗透性比较差，因而不能有效作用于活体内。相反，海因类的组织渗透性要高一些，但由于皮肤反应和肝脏毒性使其在人体的使用剂量受限，在动物模型中的使用剂量也低于治疗剂量[11]。和乙醛还原酶比较，索比尼尔对AR的选择性更低。
5.1羧酸类对DR的影响
在DM条件下，血糖增高导致视网膜血管系统代谢功能紊乱，控制视网膜血流状态的调节因子分泌失衡，造成视网膜血流动力学的改变引起局部组织缺血缺氧。组织缺血缺氧以及AGEs的堆积引起各种细胞因子的释放，从而导致DR的发生和发展，这是DR的一种重要的发病机制[12]。其中， VEGF在DM时高度表达，诱导视网膜新生血管形成并破坏血视网膜屏障[13]。非达司他可以通过阻止VEGF的表达和血管渗漏来阻止新生血管形成[14]。由于新生血管的脆性大，血管之间有缝隙，新生血管很容易破裂，从而导致更多的新生血管形成以及广泛的视网膜出血，非达司他可以在DM早期通过阻断AR的活性来防止这些并发症的发生。目前，在DM患者中使用羧酸类比海因类能更有效地抑制多元醇通路[15]， 改善多发性神经病变的症状和体征[16]。
5.2海英类对DR的影响
索比尼尔是一种海因类的ARI。在动物实验中，被证明可以使细胞粘附分子之一的整联蛋白的表达紊乱正常化。整联蛋白可以增加粒细胞对毛细血管的粘附性，导致血视网膜屏障的破坏。另一方面，减少血小板细胞粘附分子1的表达，降低血管渗透性[17]。此外，还可以减少视网膜上神经胶质细胞增生并降低GFAP的浓度[18]，阻止DR的发生和发展。Engerman等[19]报道索比尼尔可以防止富含半乳糖饮食的兔子视网膜毛细血管基底膜变厚。在给患DR的兔子9mo的索比尼尔后，Dagher等[20]还发现索比尼尔可阻止早期补体激活，稳定补体抑制因子水平，防止微血管细胞凋亡及无结构毛细血管的出现。Asnaghi等[18]也发现：当给予DM鼠索比尼尔65mg/（kg·d）时可以阻止视网膜神经元的损害。
5.3哒嗪酮类对DR的影响
ARI809是目前发现的一种新型的哒嗪酮类ARI，它对AR的选择性高于乙醛还原酶（1:930），也是目前报道的一种最有效并且选择性最高的ARI。观察发现先给予DM鼠ARI809 1mo后使用同样剂量再治疗DM鼠3mo，ARI809可以消除多元醇通路对DR的影响，这从反方向也说明高糖是AR对视网膜上神经节细胞和神经胶质细胞产生毒性的关键。Sun等[21]也发现哒嗪酮类ARI比其他类ARI能更好的预防DR的发生。此外，Sun等[22]还发现当给予DM大鼠ARI809后，DM大鼠生存率提高，大鼠视网膜细胞内山梨醇糖和果糖浓度保持正常。ARI809可防止视网膜神经元凋亡、GFAP反应以及补体沉积，改善DM的神经胶质和微血管病变。
6维生素B1和苯酰磷酸维生素B1对多元醇通路的影响
维生素B1可能通过清除细胞中过多的G3P并促进细胞利用糖酵解产生的乙酰辅酶A来阻止细胞损伤。在口服给药及常规细胞实验中，维生素B1和它的亲脂类似体苯酰磷酸维生素B1有很高的生物利用度。维生素B1也能抑制体外糖化白蛋白，增加酮糖转移酶的活性而减少人类红细胞在高糖状态下转化产生为磷酸丙糖和丙酮醛。同激活AR一样，维生素B1和苯酰磷酸维生素B1也能减少胞内增加的葡萄糖浓度，在高糖状态下减少山梨醇水平。维生素B1成为葡萄糖裂解过程中以下3个酶：酮糖转移酶、丙酮酸脱氢酶和酮戊二酸脱氢酶的辅酶。通过转移过量的G3P进入磷酸戊糖旁路和过量的乙酰辅酶A进入三羧酸循环，并能加速三羧酸循环，增加葡萄糖代谢。另外，维生素B1和苯酰磷酸维生素B1能阻止高糖诱导的毛细血管内皮细胞和周细胞凋亡[23]，苯酰磷酸维生素B1尚能阻止实验性鼠DR的发生发展[24]。
7展望
DR是一种多项机制参与的复杂性眼病，其发病机制尚不完全清楚。多元醇通路的激活可通过改变细胞内张力，产生AGEs的前体，使细胞产生氧化应激反应；还可能通过减少抗氧化剂的防御和氧化剂的产生，增加视网膜神经节细胞、神经胶质细胞、血管内皮细胞及周细胞等的损害机制导致DR的发生和发展。目前，随着对DR分子水平的研究进展，阐明多元醇通路中AR基因表达的调控机制及发生DR时AR的作用机制可为DR的防治提供理论依据，有助于在典型的、临床可鉴别的症状出现之前对DR作出准确诊断。针对抑制多元醇通路的一系列DR药物的研究开发，将为DR的早期防治和改善DM患者的生存预后带来新的希望。
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