胡玉珠,张高波,陈晓亚,崔亭松,胡姗姗

(1.牡丹江医学院;2.牡丹江医学院附属红旗医院眼科,黑龙江 牡丹江 157011)

白内障是以晶状体混浊为主要特征的一种眼部疾病。白内障的主要临床表现为视力受损,是一种以老年人为主要患者的疾病。老年性白内障(age related cataract,ARC)是白内障的最主要类型,随着人口老龄化的快速增长,ARC的患病率逐年增加,严重影响了患者的健康和生活质量。目前,治疗白内障的唯一方法是外科手术[1]。据预测,由于老年人口不断增加,每年白内障手术的数量将增加2 000～2 500万。数据显示,如果把ARC的发病延迟10年,将减少需要手术人数的50%[2]。因此,进一步研究并阐明ARC的发生和发展过程中的具体分子机制,预防和延缓ARC,最大限度地保护患者的视功能、提高患者生活质量,对减少患者和社会的经济负担具有重要意义。

晶状体由晶状体囊和晶状体纤维组成。它形如双凸透镜,位于瞳孔和虹膜后面、玻璃体前面,由晶状体悬韧带与睫状体的冠部联系固定。其前后两面交界处称晶状体赤道部,两面的顶点分别称前极和后极。在晶状体发育早期,晶状体囊泡的前部细胞分化形成LECs[3]。位于赤道部的LECs继续分化并向后延伸形成晶状体纤维细胞[4]。晶状体的细胞通过广泛的缝隙连接网络进行交流,来维持细胞稳态并使之保持透明,它的主要功能是传输光线并将其聚焦在视网膜上[5]。由于LECs保留完整的细胞核和细胞器,故它在晶状体中起代谢平衡的主要维持作用[4]。在遇到有害外部刺激时,LECs可以通过产生半胱氨酸和谷胱甘肽等分子维持晶状体环境的稳定从而起到保护晶状体的作用[5]。所以,LECs的细胞损伤可能导致白内障形成。因此,本文就LECs的结构功能和病理改变的研究进展作以综述。

2 LECs的结构功能

LECs呈单层立方形,牢固地黏附在晶状体前囊膜上[6]。正常人晶状体上皮大约包含350 000个细胞,并且随着年龄的增长,数量会减少[7]。LECs除了富含细胞器和细胞核,还含有大量有助于稳定和调节细胞结构的细胞骨架蛋白如微管、血影蛋白、α-肌动蛋白、肌动蛋白、肌球蛋白和波形蛋白[8]。在代谢方面,与纤维细胞相比,LECs表现得更加活跃,是维持基本的新陈代谢的重要组织[7]。除此之外,LECs还是负责透明眼晶状体生长和发育的亲代细胞。同时,它还具有运输营养和离子、解毒等功能。LECs是晶状体中代谢活动的主要场所,所以维持LECs完整性和存活的机制对于晶状体透明性和新陈代谢的平衡至关重要。一旦受到伤害,它们就不能自我更新,只能保持受损状态[9]。LECs的改变,甚至是周围微环境的改变,如角膜溃疡穿孔后晶状体囊膜与溃疡接触、外伤后LECs破裂、青光眼急性发作等,都可使LECs发生增生、化生、甚至萎缩变性,形成白内障[11]。

3 LECs细胞膜在ARC中的病理改变

3.1 LECs细胞膜蛋白表达改变正常LECs膜表面表达多种分子通道和转运体,其中缝隙连接蛋白43(connexin 43,Cx43)和Cx50是占比最多的两种。Cx50与LECs发育有关,Cx50的突变体会抑制晶状体LECs的增殖,从而减少晶状体的生长。Cx50的异常、突变可导致晶状体缩小和白内障。

水通道蛋白(AQPs)是完整的膜蛋白,其主要功能是响应渗透梯度将水转运穿过细胞膜。LECs细胞膜上主要表达的是水通道蛋白1(AQP1)。研究发现,白内障患者LECs细胞膜上的AQP1较正常人相比表达更多,这代表白内障患者晶体中的含水量比正常人多[12]。由于更多的透镜含水量会使降低晶状体的折射率[13],所以AQP1表达增多会促进白内障生成。综上所述,白内障LECs的细胞间连接蛋白Cx50和细胞膜上AQP1的表达与正常人相比有所改变,其细胞间连接稳定性有所下降,而水通透性增加。

3.2 LECs细胞膜脂质改变像其他细胞膜一样,LECs细胞膜的结构为磷脂双分子层。但LECs的细胞膜的流动性非常低,膜脂的组成和代谢可能造成各种类型白内障的产生。脂质代谢途径包括磷脂酰肌醇途径、磷脂酰乙醇胺甲基化和花生四烯酸代谢[14]。3-磷酸肌醇作为多种信号分子的对接位点,控制细胞生长、细胞周期进程、囊泡转运、细胞骨架变化、葡萄糖摄取和凋亡等过程。在白内障发病期间,磷脂酰肌醇-3激酶活性显著降低[15]。所以,白内障患者晶状体的LECs细胞膜脂质少于正常人脂质。LECs细胞膜脂质的改变可能也是引发白内障的产生的原因之一。

4 LECs核酸改变

LECs的DNA氧化损伤是ARC的病因之一。Kathryn等人在早期的白内障患者观察中发现和证实了LECs的DNA损伤。此外,在白内障患者的白细胞和血清中,8-羟基脱氧鸟苷(8-OHdG)作为DNA氧化损伤的生物标志物,被发现显著增加[16]。若LECs内的DNA损伤不能得到及时修复,则会破坏LECs中DNA的完整性和遗传稳定性,继而造成晶状体内蛋白的错误折叠导致的蛋白异常聚集,从而发生ARC。有研究证明UVB辐射也可以直接导致LECs中的DNA双链断裂。这可能会触发LECs的衰老形成白内障,尤其ARC[17]。

5 LECs的氧化应激和凋亡

氧化应激是指一种活性氧(reactive oxygen species,ROS)水平升高的状态。氧化应激在晶状体蛋白质(包括酶、晶体蛋白和其他伴侣蛋白)的降解、氧化、交联和聚集中起重要作用,并且还触发LECs凋亡,所以被认为是白内障发生和发展的共同机制。ROS通过氧化应激激活一系列通路导致白内障,如:PI3K/AKT信号通路、MAPK信号通路、Nrf2-Keap1信号通路和ROCK1/p53信号通路等[18]。经典的MAPK途径由细胞外信号调节激酶(ERK)、c-jun N-末端激酶(JNK)或应激活化蛋白激酶(SAPK)组成。一旦激活,除了对p53产生影响,MAPK还在将在广泛的细胞反应中发挥重要作用,包括增殖、分化、衰老等[19]。这对LECs的存活和凋亡起着至关重要的作用。

细胞凋亡被公认为是一种独特而重要的“程序化”细胞死亡模式,是在多细胞生物中进行的正常生理过程。在细胞凋亡的早期过程中,用hoeschet染色法可见细胞收缩和凋亡固缩。随着细胞收缩,细胞体积变小,细胞质致密,细胞器排列更紧密。随后被巨噬细胞、实质细胞或肿瘤细胞吞噬,并在吞噬溶酶体中降解。凋亡被认为是各种过程的重要组成部分,包括正常细胞更新、免疫系统的正常发育和功能、激素依赖性萎缩、胚胎发育和化学诱导的细胞死亡。不适当的细胞凋亡(过少或过多)是许多人类疾病的一个因素,包括神经退行性疾病、许多类型的癌症和白内障[20]。研究发现,白内障患者晶状体上皮细胞凋亡率高于正常人,提示晶状体上皮细胞凋亡率可能与白内障疾病的发展相关[21]。

综上所述,氧化应激通过激活一系列信号通路,导致LECs的凋亡,引发白内障。因此,我们或许能通过进一步研究MAPK信号通路来降低LECs的氧化应激。这也许能成为白内障的一个潜在治疗目标。

6 LECs自噬和衰老

自噬是一个进化保守的分解代谢过程,通过溶酶体机制降解细胞溶质大分子和膜结合细胞器。它是信号通路的结果,其中作为降解目标的蛋白质底物被包装到包涵体中,这个过程被称为自噬体的双膜细胞器吞噬。自噬体与溶酶体和受损蛋白质融合,然后被溶酶体蛋白酶降解[22]。自噬是一个复杂的过程,被认为是细胞生理学的一把双刃剑。一方面,它在细胞成分降解的保守机制中起着关键作用,以维持营养胁迫下的细胞内稳态;另一方面,过度自噬可能导致细胞死亡。如果能合理操纵自噬,将预防和减轻纤维变性的白内障。

在晶状体中,42个自噬基因(如Atg5 和 Pik3c3/Vps34)被发现参与人晶状体纤维细胞从LECs分化的过程,有力地表明了它在维持晶状体的稳态并使之透明。研究表明,这些基因在LECs和分化纤维细胞中均表达。它们对晶状体发育、功能都很重要。这其中任何一个基因的缺失都会导致晶状体生长迟缓和白内障形成。除了能维持细胞成分的合成、降解和循环之间的平衡,自噬还通常被认为是细胞衰老的重要防御反应。异常的自噬可能会导致晶状体功能障碍,影响晶状体的透明性,引发白内障,如ARC、遗传性白内障和糖尿病白内障等[23]。

LECs的衰老也是导致ARC的主要因素之一。它可能导致修饰、变性和晶状体蛋白(包括酶和晶状体蛋白)的聚集,受损的大分子由于自噬活性随着年龄的增长而下降,在老年人体内积累,从而最终导致白内障。在LECs衰老过程中,细胞氧化还原平衡系统被打破,虽然自噬活动试图恢复晶状体内环境平衡,但只有健康的晶状体才能保证晶状体的结构蛋白被其防御系统还原。因为衰老的LECs会使抑制自噬。所以,在晶状体老化的过程中,保护和修复机制慢慢恶化。LECs含有衰老细胞的比例和ARC的严重程度呈正相关。在目前的研究中,衰老的LECs累积逐渐多于晶状体干细胞新生成的LECs,从而产生ARC。这一发现表明,抑制LECs的衰老可以作为治疗ARC的新的方向。

所以,LECs的衰老和不合理的自噬都会诱发ARC。恢复自噬活性可能是一种有效的治疗方法,是预防ARC的潜在策略。进一步研究LECs的衰老和自噬,或许能为ARC的有效防控及治疗提供新的理论依据和药物靶点。

7 结语

综上所述,ARC仍然是影响老年生活质量的一个重要因素,而LECs的氧化损伤、凋亡、自噬和衰老与ARC密切相关,但导致ARC的具体发病机制仍然存在未知,为探索多渠道的治疗方法奠定理论基础,更深层次的发病机制仍需进一步研究。因此以LECs为突破口,探索ARC的防治具有重要临床意义和广阔的前景。