Perturbed Biochemical Pathways and Associated Oxidative Stress Lead to Vascular Dysfunctionsin Diabetic Retinopathy.
生化途径紊乱和相关的氧化应激，导致糖尿病视网膜病变的血管功能障碍
影响因子：4.868
摘要：
糖尿病性视网膜病（DR）是伴随高血糖状态的血管损伤。视网膜脉管系统在维持视网膜完整性方面起着关键作用，任何对视网膜脉管系统的改变都会影响视网膜功能。视力的先决条件是血视网膜屏障，在DR进展过程中最容易受到损害。这是生物化学途径受损的结果，例如多元醇，晚期糖基化产物（AGE），己糖胺，蛋白激酶C（PKC）和组织肾素-血管紧张素系统（RAS）途径受损。此外，组蛋白修饰和改变的miRNA表达的作用也正在成为主要的贡献者。表观遗传的变化在蛋白质功能的改变与视网膜细胞氧化还原状态之间建立了联系，从而建立了代谢记忆的状态。尽管DR的病因是多种生化途径，但视网膜的主要损害是由于氧化应激，氧化应激是改变生化途径的统一因素。这项审查主要侧重于DR中导致血管功能障碍的重要生化途径，并讨论了抗氧化剂作为合理的治疗策略。
1.简介
视网膜是眼睛的透明组织，具有复杂的神经元排列，需要高度专门的循环来满足其代谢要求以及神经传递，光转导以及代谢物，生长因子和血管活性剂的复杂相互作用的功能。视网膜循环是具有复杂三维结构的规则几何排列的血管网。它主要由两个脉管系统提供：脉络膜和视网膜血管，血管内衬的内皮细胞整合了视网膜的正常生理功能[ 1]。视网膜中央动脉通过视神经进入，以确保血液流动以及气体和营养物的交换，而视网膜中央静脉则参与清除从视网膜移走的废物。视网膜脉管系统的一项重要的正常生理功能是维持血液内视网膜屏障（iBRB），该屏障可阻止大分子非特异性渗透进入视网膜神经堆，但有助于呼吸气体，氨基酸，盐，糖和某些肽类的交换[ 2 ] 。
视网膜最敏感的部分是外部区域，占视网膜的三分之一，并且没有血管。血管的缺乏是对视觉功能的一种特殊适应，但是在维持持续的能量需求方面提出了巨大的挑战[ 1]。视网膜色素细胞紧密连接之间形成的外血视网膜屏障可维持视网膜无血管区域和神经传递间隙的离子浓度。或者，脉络膜血管维持感光细胞的代谢需要。因此，这些高效血液视网膜屏障作为主要解剖学适应，要求苛刻的视网膜代谢需求的程度，而不损害其导电外微环境的[ 1，2]。这种复杂的视网膜脉管系统对各种系统性疾病敏感，其中糖尿病是最常见的，可能是经过充分研究的代谢损伤，会对视网膜血管产生深远影响。视网膜血管功能障碍糖尿病发病后不久开始，并通过血液视网膜屏障可以是在血管损伤的糖尿病性视网膜病变[发生和发展的一个重要因素，其特征在于受损的微脉管和运输3，4 ]。关于糖尿病的各种研究得出结论，增加的血流量和受损的自动调节是糖尿病性视网膜病的关键特征[ 5 ]。
2.糖尿病性视网膜病
糖尿病性视网膜病是全球范围内视力障碍和发病的主要原因之一[ 6 ]。1型和2型糖尿病会损害视网膜血管，可能导致微脉管系统并发症。但是，1型患者的DR发生率高于2型糖尿病[ 7 ]。在全世界估计的4.68亿糖尿病患者中[ 8 ]，大约9000万人患有某种形式的糖尿病性视网膜病[ 7 ]。
根据存在的眼科变化和视网膜新生血管形成的表现，DR可分为非增殖性DR（NPDR）和增殖性DR（PDR）阶段[ 9 ]。在NPDR阶段，建议1型糖尿病的性别，发病和持续时间以及HbA1c水平是NPDR发展的关键指标[ 10 ]。糖尿病性黄斑病变伴随NPDR分期，被认为是视力丧失的主要原因。NPDR阶段主要是由于血糖过高导致毛细血管壁变弱导致微动脉瘤。随后血管破裂，导致脂肪沉积和脂质副产物积聚[ 11]。随之而来的是，在神经纤维层中观察到阻塞，从而导致了白色蓬松的斑点，称为棉绒斑点。NPDR阶段的范围为中，中，重度，其中微动脉瘤继之以静脉串珠，棉絮斑以及严重的微血管并发症[ 12 ]。
NPDR随后是视网膜组织的增殖状态。PDR阶段是由于NPDR阶段阻塞引起的缺血性疾病的结果。视网膜组织较高的代谢需求引起了新血管形成的需要，这是由于血管生成信号的释放所致。视网膜脱离和这种新血管形成以及纤维血管组织增生是PDR分期的特征[ 13]。这些新形成的血管渗漏，易碎且方向错误，随着年龄的增长，玻璃体液的萎缩会使其破裂并导致突然的视力丧失。如果产生更大的力，则可能导致牵引性视网膜脱离。尽管在PDR阶段存在严重的并发症，但黄斑水肿是视力丧失的主要原因。无论DR的这些不同阶段如何，导致糖尿病患者视网膜病变的主要进行性改变在导致氧化/硝化应激的微血管和生化并发症方面仍是推测性的。
3.微血管并发症
微循环涉及营养物质的转移和废物的清除，并调节眼睛波动的静水压力。通常，基本的代谢和肌源性自动调节机制可确保这些微循环功能取得令人满意的进展[ 14 ]。微血管内皮细胞被认为是高血糖损害的靶标，因为当葡萄糖浓度高时它们不能降低葡萄糖转运速率，从而刺激细胞内高血糖症。人们认为这是微血管内皮损伤，一氧化氮可及性降低，通透性增加，白细胞附着增加和促凝作用的关键事件[ 14 ]。
在对高蔗糖（HSu-）处理的大鼠的最新研究之一中，观察到内部视网膜层厚度的减少。然而，在用HSu治疗的动物的视网膜中未发现凋亡细胞或视网膜神经标记。同样，在血视网膜屏障以及紧密连接蛋白的通透性上没有发现进展。同样，这些参数在视网膜中保持不变，无论视网膜小神经胶质细胞数量的增加如何。因此，糖尿病前啮齿动物证明视网膜结构受内层减少的影响，而没有血管和炎性变化[ 15]。因此，不明显的辅助改变可能被认为是DR发展中的早期不安定影响，在此阶段可以通过预防策略将其逆转，然后再对视网膜造成不可逆转的损害。从糖尿病到糖尿病性视网膜病变的进展是血液动力学或血管几何结构变化的基础[ 16 ]。血流动力学因素（如灌注压力，血管阻力，血液粘度和血管几何形状）会影响流向视网膜的血液循环。不管这一事实，参与血液动力学修改组件没有完全阐明[ 14，16 ]。
在较早的研究中，进行了一项分析以评估所评估的血液动力学指标与DR进展之间的关系。在三年的时间里研究了眼底图像上的血管分叉以及诸如淋巴结压力，体积血流量，壁切应力，血流速度和雷诺数等因素[ 17 ]。分析显示血液动力学参数的重大变化与血管几何结构的可感知变化有关，尤其是在静脉网络中，这些变化被明确指出是在DR发病前三年[ 17]。]。因此，这些发现完全暗示了微脉管系统及其几何形状在DR的发展中的作用，但是该领域的进一步研究尚待充分阐明血管生物学在DR的发展中的作用。
然而，血管的改变被认为是DR发生和发展的主要原因，包括血流量改变，血脂异常，基底膜增厚，周细胞丧失，血小板聚集以及神经胶质细胞损害[ 18 ]。已经提出这些变化是细胞正常功能所需的生化机制改变/破坏的结果。视网膜细胞中的高血糖症的统一机制和诱导的氧化应激已经被视为已被证明与血管损伤[互连在各种生化途径引起改变（S）的关键选手之一19，20]。此外，最终导致与视网膜脉管系统相关的细胞凋亡的应激条件增加是这些途径的主要作用。提出参与该DR基数生物化学途径包括增加多元醇通路[通量21，22 ]，晚期糖基化终产物/糖化终产物（AGE / RAGE）途径[受体10，23 ]，己糖胺途径[ 24 ]，PKC激活[ 25 ]，组织（肾素-血管紧张素系统）RAS [ 26]]和组蛋白修饰，这些已成为DR发展中的关键事件。这些代谢异常的整体效果推测导致（活性氧）ROS和（反应硝化物种）RNS生产的增加和相关的氧化和硝化损伤[ 20，27 ]，其是诱导血管功能障碍和相关损伤的关键介质到视网膜循环（图1）。
图1 糖毒对DR发病机制中可能的生化途径的影响。
4.多元醇通路中的通量增加
虽然多元醇通路是未成年人糖代谢途径，它被认为是视网膜病变起到了举足轻重的作用[ 21，28]。该途径的第一步和限速步骤是使用NADPH作为辅因子，将过量的葡萄糖转化为山梨糖醇，辅酶是醛糖还原酶催化的反应。然后通过涉及山梨糖醇脱氢酶的缓慢反应将形成的山梨糖醇转化为果糖[ 22 ]。同样，醛糖还原酶基因（C106T）多态性的存在与1型糖尿病（DM）个体对视网膜病变的敏感性增加有关[ 29。]。已经进行了许多研究来确定增加的多元醇生产在DR中的作用。在一项研究中，大鼠和人的视网膜内皮细胞均显示出醛糖还原酶免疫反应性增加。此外，在器官培养中暴露于高葡萄糖的大鼠和人的视网膜增加了山梨糖醇的产生，证实了过量的醛糖还原酶活性是DR发展的机制之一[ 30 ]。Dagher等。[ 30已有研究表明，多元醇途径介导神经元凋亡的增加和GFAP-（胶质纤维酸性蛋白）免疫染色的星形胶质细胞的衰减以及山梨糖醇和果糖水平的增加。事实上，这是由于山梨糖醇的nonpermeability其结果渗透压损害[ 21，31 ]。此外，多元醇途径产生的果糖会被磷酸化为3-磷酸果糖[ 32]，其又分解为3-脱氧葡萄糖苷；这两个分子都是强糖基化剂，可导致AGEs的形成。另外，多元醇途径通量的增加导致细胞NADPH的消耗，影响还原型谷胱甘肽和一氧化氮的产生，从而导致抗氧化剂失衡[ 33 ]。此外，进一步提出多元醇途径是葡萄糖毒性的唯一机制，可引起神经和血管异常[ 34]。]。醛糖还原酶已被广泛研究为DR的分子靶标，靶向醛糖还原酶的抑制剂有望对DR有益。抑制剂如山梨醇和β-葡萄糖基甘油（BGG）已被证明可以耗尽山梨醇的积累并减少氧化应激[ 33 ]。各种计算机研究已经确定了对ALR2（醛糖还原酶2）有效的2-苯并恶唑啉酮衍生物，可以降低AGE和氧化应激[ 35 ]。另外，对人类醛缩酶还原酶的研究表明石杉碱甲，迷迭香酸和木犀草素78具有醛糖还原酶抑制潜能[ 36 ]，因此可能成为靶向治疗的潜在分子。
5.年龄/愤怒途径
升高的葡萄糖和调节葡萄糖水平的途径中的耦合扰动导致高级糖基化终产物（AGEs）的形成，该终末糖化终产物是由非酶糖基氧化和各种生物分子和糖代谢产物的糖基化形成的[ 37 ]。AGEs与其受体RAGE（晚期糖基化终末产物的受体）结合并触发炎症信号的级联反应[ 38 ]。的AGE修饰血浆蛋白已还发现结合AGE受体上影响它们的功能[细胞如巨噬细胞，血管内皮细胞和血管平滑肌细胞37，38]。AGEs由于其低效率的肾脏清除而在循环中积累。此外，外源性AGEs或饮食性AGEs也已显示是其在糖尿病患者中蓄积的原因[ 39 ]，并被认为是通过改变线粒体的蛋白质，酶和遗传物质来诱导ROS形成的关键参与者。通过糖化[ 40 ]。它们的积累增加了血管的增厚和血小板的聚集，导致了局部缺血，这也是导致生长因子和新生血管形成的原因[ 41 ]。视网膜中AGEs的细胞内和细胞外形成均参与破坏作用，因为蛋白质化学的改变扭曲了它们的结构[ 39]]。另外，氧化应激也显示出加速了AGEs的形成。尽管人体可以通过泛素化和自噬来自给自足地降解AGEs，但过量的形成或摄入会导致其积累[ 37 ]。另外，由于线粒体遗传物质的糖基化导致“代谢性记忆”（在DR中观察到的一种严重状况），AGEs也可导致线粒体酶的永久性功能障碍[ 42 ]。这是一种无反应的状态，即使控制血糖也无法预防DR的并发症。除此之外，细胞外基质的成分还受到AGE前体的修饰。
已证实AGEs通过ROS产生来上调视网膜周细胞中RAGE的表达[ 43 ]，这是糖尿病性视网膜血管系统中最早的已知改变[ 44 ]。AGE-RAGE相互作用是通过活化有丝分裂原活化的蛋白激酶来导致NADPH介导的ROS产生的原因[ 38 ]。这些相互作用还负责NF-易位κ B，减少的Bcl-2 / Bax的，并增加了血管内皮生长因子（VEGF），炎性细胞因子，和粘附分子的表达[之比45]，这与DR的发展相关。在糖尿病期间，AGEs已显示在视网膜周细胞中积累，从而降低了它们的存活率，血液视网膜屏障的破坏以及向糖尿病性视网膜病的发展[ 9 ]。在2型糖尿病动物模型中，即使主要的AGE前体甲基乙二醛也能介导氧化应激并削弱一氧化氮（NO-）介导的血管舒张并上调炎性标志物[ 46 ]。此外，在类似的研究中，甲基乙二醛还通过ER应激依赖性ROS产生，线粒体膜电位损失和细胞内钙增加而降低了视网膜色素上皮细胞的活力[ 47]。在最近的一项研究中，视网膜色素上皮细胞用天然的类黄酮（Chrysin）进行了处理，以通过靶向AGE-RAGE途径发挥其针对糖尿病相关视力周期障碍的视网膜保护作用。已证明，Chrysin治疗通过葡萄糖刺激的视网膜色素上皮细胞和糖尿病性眼中的AGE-RAGE激活来阻断ER应激，从而恢复了类视色素的视觉循环[ 48 ]，突显了AGE-RAGE通路在与视觉刺激相关的视觉循环受损中的重要性糖尿病性视网膜病变。
6.己糖胺途径
DR发病机理中的另一个关键途径是己糖胺途径，它本身是糖酵解的一个次要分支，其中6磷酸果糖转化为6磷酸葡萄糖胺，这是第一种限速酶谷氨酰胺催化的反应。 ：6-果糖磷酸酰胺基转移酶（GFAT）[ 49 ]。慢性高血糖症导致的增强的流入通过己糖胺途径，其导致视网膜细胞[扰动50，51]。在此途径中，葡萄糖代谢为UDP-N-乙酰氨基葡萄糖（UDPGlcNAc）[ 19]。然后，通过添加来自UDP-GlcNAc的氨基糖N-乙酰基葡糖胺（O-GlcNAc），类似于对ser / thr残基的磷酸化修饰，特定的O-GlcNAc转移酶（OGT）可以修饰各种细胞质和核蛋白。胰腺β细胞表达大量的O-连接的β -N-乙酰氨基葡萄糖转移酶（OGT）和O-GlcNAcase（OGA），这表明O-GlcNAc在正常葡萄糖条件下对胰腺β细胞功能和存活的重要性[ 52] ]。此外，高血糖介导的增强的O-GlcNAc修饰有助于增加β细胞死亡[ 53]。这种不平衡的O型GlcNAc修饰已在有关DR微血管并发症的病因学，因为它调节视网膜血管细胞[命运54，55 ]。此外，已经观察到在视网膜神经元细胞中，这种修饰改变了胰岛素/ Akt途径的神经保护作用[ 56 ]。
二磷酸核苷激酶（NDPK）是其对细胞提供的三磷酸核苷，从而在介导基本细胞过程[关键作用酶57- 59 ]。NDPK是组氨酸蛋白激酶，其将磷酸基团从磷酸组氨酸活性位点转移至靶蛋白的组氨酸残基。这些组氨酸激酶通过调节细胞中NTP的水平来维持细胞的代谢状态[ 57 ]。该酶的B亚型NDPK-B已显示出可磷酸化G蛋白，钾通道（K Ca 3.1）和钙通道（TRPV5）的β亚基，从而调节其功能[ 60]。此外，NDPK-B已被证明可调节血管完整性[ 61 ]。NDPK缺乏症已被证明与DR相似，可模仿血管退化。转录因子FoxO1的O-GlcNAcylation上调了Ang 2（血管生成素2），Ang 2（血管生成素）是血管退化的始端，这表明六胺途径是导致各种蛋白质O-GlcNAcylation的分子，是分子信号变化的主要元凶与微脉管系统有关[ 62 ]。证实类似事实的另一项研究表明，NDPK-B缺乏症通过上调小鼠视网膜中的血管内皮生成素2引起糖尿病样血管病理的作用[ 49]]。高血糖会增加DR中视网膜蛋白的O-GlcNAcy酰化。NF-的p65亚基的O型GlcNAc糖基κ在链脲霉素诱导的小鼠DR B已经被证明是负责NF-的高血糖诱导的活化κ B和视网膜神经节细胞死亡[ 51 ]，进一步连接不平衡的O的参与-GlcNAc修饰可改善DR微血管并发症的病因。
7. PKC途径
二酰基甘油和PKC也之间通过高血糖DR [改变了关键角色63，64 ]。主要在生物系统中报道了PKC的三种同工型。即，常规的PKC同工型（PKC- α，β1，β2和γ）被磷脂酰丝氨酸，钙和DAG或佛波醇酯活化。新型PKC（PKC- δ，-θ，-η和-ε）由磷脂酰丝氨酸，DAG或PMA（佛波醇12-肉豆蔻酸酯13-乙酸酯）和非典型PKC（PKC- ζ和-ι / λ）激活。）不会被钙，DAG或PMA激活[65 ]。在视网膜，高血糖症持续升高甘油二酯（DAG），并激活下游蛋白激酶C，显然与相关的微血管改变[互连PKC 21，66，67 ]。PKC的β和δ亚型主要被激活，但在视网膜中也发现其他亚型的增加[ 68 ]。高血糖症通过AGE-RAGE途径[ 69 ]和多元醇途径[ 70 ] 间接激活PKC亚型。]通过增加ROS。所述DAG-PKC信号转导途径通过渗透性的调节，收缩性，细胞外基质（ECM），细胞生长，血管生成，细胞因子的动作，和白细胞粘连，见于糖尿病被改变过程[在血管细胞中的角色71，72 ]。大量研究表明，PKC激活在减少视网膜血流中发挥了作用。专注于PKC激动剂和拮抗剂的研究分别揭示了视网膜血流减少或增加。将佛波酯（一种PKC的激动剂）引入视网膜会降低视网膜血流量，而这种血流量的减少已被PKC抑制剂解决[ 67 ]。
在许多靶标中，PKC引起血管收缩和视网膜血流减少的合理机制是有效血管收缩剂内皮素A（ET-A）的表达增加[ 73 ]。它的表达已显示在糖尿病大鼠的视网膜中增加，而玻璃体内注射内皮素-A（ET-A）受体拮抗剂可防止视网膜血流减少[ 73 ]。这个下降视网膜血流导致缺氧条件下，这又是VEGF的稳健诱导，导致渗透率增加和微动脉瘤[ 74，75 ]。δ PKC和p38的同工型α丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）活化增加Src同源的表达2磷酸酶-1（SHP-1）结构域的，蛋白质酪氨酸磷酸酶，其去磷酸化的PDGF β受体和诱导周细胞凋亡[ 38，76 ]。以前的研究表明，抗肌萎缩性侧索硬化（ALS）药物利鲁唑可减轻氧引起的视网膜病变（DR的替代模型）的病理变化[ 77 ]。最近，在体外培养的视网膜周细胞以及糖尿病大鼠靶向PKC的类似研究β显示抗ALS药物利鲁唑衰减单核细胞趋蛋白（MCP1），DR期间在玻璃体液和血清升高的细胞因子[ 78]很可能是通过防止PKC的异常激活来实现的。
8.肾素-血管紧张素系统
DR的标志性特征和早期事件之一是血视网膜屏障（BRB）的破坏，而这种破坏的可能原因之一是肾素-血管紧张素系统（RAS-）介导的血管通透性改变[ 79 ]。组织RAS是旁分泌系统，是眼，脑，血管，肾上腺，睾丸和肾脏等众多器官的特性，局部产生血管紧张素（Ang）[ 80 ]。该系统涉及结合其受体的肾上腺素，称为肾上腺素受体（P）RR，已与DR的发病机制有关[ 81 ]，并通过ERK1 / 2诱导VEGF的产生，这种信号级联称为受体相关肾素原系统（RAPS）[ 82，83]被认为是造成视网膜血流屏障功能障碍的原因。上PDR患者的研究显示（P）RR的水平要高他们的玻璃体液样品中比在非糖尿病对照眼，加强（P）RR的在DR的意义[ 84，85 ]。此外，也已经在人类PDR纤维血管组织，正常眼组织和各种人视网膜细胞系，包括视网膜色素上皮细胞[检测（P）RR和其它RAS系统组件84，86 ]，而玻璃体肾素原和血管紧张素2个水平已经报道了在PDR眼睛[增加84，87 ]。
在PDR患者的玻璃体液中，血管活性和血管生成剂Ang 2以及促血管生成的血管内皮生长因子VEGF升高[ 88 ]。此外，VEGF和VEGFR-2基因表达的增加以及眼部活动性肾素的升高表明组织RAS和VEGF相互作用，其中观察到内皮细胞增殖是激活的组织RAS系统的结果[ 89]]，因此在DR进展中将组织RAS系统和VEGF相关联。此外，显示ATP6AP2或肾上腺素受体（P）RR与PDH（丙酮酸脱氢酶）复合物的PDHB亚基相互作用并共定位。观察到PDH活性由于ATP6AP2敲低而被下调，并且其导致视网膜色素上皮细胞中葡萄糖诱导的ROS生成的抑制。因此，由于ATP6AP2在RAPS激活和线粒体ROS产生中的作用，因此被认为具有致病性[ 86 ]。因此，（P）RR和RAS系统其他参与者的阻滞可能会抑制一系列对于DR代表的血管异常至关重要的事件。
9.代谢记忆和表观遗传修饰
大量研究表明，表观遗传修饰是DR发展的重要因素[ 90 – 92 ]。高血糖的持续时间决定了改善的血糖控制在DR中是否有效[ 85 ]，暗示高血糖暴露会导致代谢记忆现象，并可能归因于表观遗传学[ 91 ]。先前，解剖学观察到DR毛细血管逐渐减少，提示“视网膜病变既不会在高血糖症发作后立即出现，也不会在纠正高血糖症后立即停止” [ 90 ]。
如各种研究所示，最原始的表观遗传修饰是DNA甲基化，其与DR进展相关。DNA甲基化是一种现象，其中甲基从S-腺苷甲硫氨酸（SAM）转移到DNA分子，这是一种通过DNA甲基转移酶催化的反应。与没有DR的患者相比，DR患者显示出明显更高的DNA甲基化水平[ 92 ]，这表明较高的DNA甲基化是DR发展的关键因素。此外，研究还显示，这些DR患者的DNA甲基化水平保持恒定，表明这种表观遗传修饰仅发生在疾病的早期。另一项针对DR患者的研究发现甲基化的CpG位点发生了改变，进一步突显了表观遗传学在DR中的作用[93 ]。使用动物模型的研究也加强了这种数据，在高血糖条件下可以看到修饰的甲基化模式[ 94 ]。另一项研究揭示了基质金属蛋白酶9（MMP-9）基因的甲基化和激活，该基因与DR [ 95 ] 有关，DR 在促进视网膜血管内皮细胞凋亡中起着重要作用。此外，MMP-9的转录受核因子κB（NF- κB）其激活是通过其p65亚基的乙酰化来调节的。组蛋白脱乙酰基酶在p65的乙酰化-脱乙酰基中起重要作用。在糖尿病小鼠中，发现组蛋白脱乙酰基酶活性降低，p65乙酰化升高，导致MMP-9表达增加[ 96 ]。
另一个表观遗传学改变，即组蛋白修饰，也是DR病理生理学的关键因素[ 97 ]。在链脲佐菌素（STZ-）诱导的糖尿病模型中，视网膜血管内细胞中HDAC1 / 2/8（组蛋白脱乙酰基酶）的转录活性升高，而HAT（组蛋白乙酰基转移酶）的活性和乙酰化组蛋白H3的表达均降低。此外，在大鼠的血糖恢复到正常水平后，发现这些变化是不可逆的，表明DR的发展与组蛋白的修饰有关，并且可能参与了“代谢记忆”现象的形成。
几项研究暗示由于表观遗传修饰而引起的线粒体改变是诱导DR代谢记忆的关键过程的主要作用。在DR期间，线粒体的稳态和动力学发生改变，从而形成恶性循环，其中线粒体酶的改变诱导了超氧化物的形成，进而改变了细胞器的生理状态。由于线粒体DNA（mtDNA）与电子传输链（ETC）紧密接近且缺乏组蛋白，线粒体的敏感性得到了赞扬。糖尿病视网膜中8-OHdG的增加证实了线粒体的敏感性[ 94 ]。此外，修复途径的功能障碍使线粒体损伤更加复杂[ 98]。mtDNA复制在糖尿病视网膜中对mtDNA的损伤中也起着重要作用，并且这些都在超氧化物的控制下，众所周知，超氧化物在高血糖条件下会发生改变。因此，调节mtDNA复制/修复机制具有预防线粒体功能障碍和糖尿病性视网膜病发展的潜力[ 99 ]。
已经广泛研究了调节细胞氧化还原状态的分子的组蛋白修饰，其中线粒体超氧化物歧化酶SOD2耗竭和抑制Nrf2（影响抗氧化剂的转录因子Nrf2（核因子-（类胡萝卜素衍生的2-），如2））具有被观察到。在氧化应激状态下，Nrf2易位至细胞核，并与抗氧化反应元件（ARE）结合。Keap1是Nrf2的抑制剂，可将其束缚在细胞质中，并通过cullin-3依赖性降解导致蛋白酶体降解[ 100 ]。Mishra等。[ 101]已经观察到高血糖症增加了Keap1启动子上的转录因子Sp1的结合，并丰富了H3K4me1和激活的SetD7（甲基转移酶）。这导致Nrf2结合在抗氧化剂反应元件（ARE）上，导致细胞中的氧化应激。在较早的研究中，已证明体内 MnSOD（锰超氧化物歧化酶）和Sod2活性的缺失会增加线粒体的氧化损伤并改变线粒体功能[ 102 ]。在另一项研究中，链脲佐菌素（STZ-）诱导的糖尿病大鼠在视网膜Sod2的启动子和增强子处显示H4K20me3，乙酰基H3K9和NF- κBp65升高。即使逆转高血糖也未能阻止H4K20me3，乙酰基H3K9和NF-Sod2的κB p65。因此，在Sod2处增加H4K20me3有助于其下调，并导致DR和代谢记忆现象的发展[ 103 ]。
线粒体生物发生失调也有助于代谢记忆现象。核线粒体转录因子和转录因子A（TFAM）向线粒体的易位对于线粒体的转录和复制至关重要，因此可以严格控制细胞器的生物发生[ 104 ]。较早的一项研究糖尿病对视网膜核线粒体通讯的影响的研究发现，视网膜线粒体的生物发生受超氧自由基的控制，并且在糖尿病中会衰弱，这可能是由于TFAM向线粒体的转运减少所致。因此，通过药物或分子手段调节生物发生可能提供潜在的手段来阻止糖尿病性视网膜病的发展/进展[105 ]。此外，与硫辛酸补充沿着良好的血糖控制已经显示出延缓的线粒体功能的主要作用DR表示的进展疾病[进展105，106 ]。
10. miRNA的作用
MicroRNA（miRNA）是一类19到25个核苷酸的碱基，是非编码RNA，它们通过在靶标mRNA中与它们的部分互补序列退火从而调节mRNA的翻译抑制或降解，从而在转录后水平上调节基因表达，从而耗尽蛋白质表达[ 107 ]。miRNA已参与DR发展相关基因的调控，从而在DR的表观遗传学改变中发挥作用[ 108 ]。总共11个miRNA（miR-182，miR-96，miR-183，miR-211，miR-204，miR-124，miR-135b，miR-592，miR-190b，miR-363和miR-29c ）在DM大鼠的视网膜中表达增加，而6种miRNA（miR-10b，miR-10a，miR-219-2-3p，miR-144，miR-338和miR-199a-3p）的表达被发现减少[109 ]。此外，在培养的人内皮细胞中观察到，miR-23b-3p通过依赖SIRT1的信号通路调节高糖诱导的细胞代谢记忆[ 110 ]，而在糖尿病大鼠模型中，发现miR-126发挥作用在DR [的发病机理中具有潜在作用111，112 ]。另外，miRNA也参与调节视网膜新血管形成[ 112 ]。
11.亚硝化应激/氧化应激与炎症的相互作用
DR中可能通过高血糖状况改变的生化机制最终最终导致影响视网膜稳态的细胞应激。这些生化途径的通量增加，以及参与维持代谢能量稳态的蛋白质的改变，都可以诱发这种应激状态[ 96 ]。另外，线粒体复合物是主要的受害者，原因是反应性氧化种[ 96 ]和硝化种[ 113 ]增加。
11.1。亚硝化应激
亚硝酸盐（NO）引起超氧化物的反应，引起硝化应激，这会产生过亚硝酸盐，并在糖尿病患者中陷入困境。硝化应激的增加可能是由蛋白质硝化作用引起的，并破坏了膜蛋白和脂肪酸，从而促进了细胞信号转导的改变和炎症反应的上调，并启动了凋亡途径。高血糖发作与硝化应激反应增加有关，这可以触发糖尿病并发症的进展[ 113 ]。
线粒体还可以用于创建RNS和ROS。NOS存在三种亚型（内皮型（eNOS），神经元型（nNOS）和诱导型（iNOS）），它们催化L-精氨酸转变为瓜氨酸和NO。此反应还需要黄素腺嘌呤二核苷酸，黄素单核苷酸，四氢生物蝶呤（BH4），血红素和钙调蛋白。考虑到NOS可能会变得不偶联并生成超氧化物而不是NO，这些辅助因子至关重要（例如，当BH4水平受到限制时）。另一个可能的理由是，在高氧化应激状态下，NO和超氧化物共同产生ONOO-，这是一种特殊的受体物质，可用于硝化酪氨酸残基，从而增强氧化损伤[ 113]]。RNS的积累改变了细胞的稳态，导致亚硝化应激，这是糖尿病视网膜应激状态的主要现象，目前正在成为DR研究的新见识[ 113 ]。NO是一种可以通过亚硝化作用改变蛋白质的多功能分子，主要在DR进展过程中以反应形式存在。此外，在糖尿病视网膜的免疫反应实验中，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸黄递质酶（NADPH-d）（一种产生NO的神经元的特异性标记）被证明是阳性的，提示NO在DR的发展中发挥了作用[ 114 ]。
亚硝化胁迫的增强已被证明是使PDR发病机理恶化的关键因素[ 115 ]。此外，还显示LPO（过氧化脂质），NO和GSH（谷胱甘肽）水平与糖尿病性视网膜病变的严重程度显着相关[ 116 ]。与正常血糖的成年和成年啮齿类动物视网膜相比，糖尿病啮齿动物的视网膜脉管系统中氧化/硝化压力标记物（例如4-羟基壬烯醛和硝基酪氨酸）的增加更为明显[ 117 ]。
在类似的研究中，一项研究表明，糖尿病的发作导致视网膜中硝酸盐蛋白的增加[ 114 ]。此外，糖尿病大鼠视网膜中感光层，神经节细胞层，内核层和某些穆勒细胞过程中的硝基酪氨酸免疫标记指出了亚硝化应激在DR中的作用[ 114 ]。同时，最近的临床前和临床研究表明，有大量因素影响NO在DR的发病机理中的作用，并指出了针对治疗方法的进一步研究[ 118 ]。另一个发现表明，氨基胍治疗会阻碍毛细血管细胞的死亡和糖尿病性视网膜病的发展[ 119，120 ]。此外，还发现减少由高血糖引起的NO的增加及其后遗症增加了一种可能性，即（RNS）在视网膜病变的发病机理中起主要作用。在任何情况下，目前都无法推断出氨基胍仅通过阻碍NO生成来抑制视网膜病变。因此，明确抑制NO干预程序的方法对于绝对评估NO在DR发生中的作用非常重要[ 121 ]。
尽管有关于临床可行性的争论，但仍建议将苯磺酸硅酸钙（2,5-二羟基苯磺酸钙（CaD））作为一种血管保护剂，被推荐作为糖尿病性视网膜病变和其他血管疾病的选择性治疗方法。一些临床初步研究并未报告CaD治疗的任何有益影响，尤其是在糖尿病性视网膜病后期的患者中。尽管如此，一些不同的临床试验表明口服治疗后视力增强。糖尿病从根本上增加了神经节细胞层中视网膜的酪氨酸硝化作用，而用CaD进行治疗则减弱了糖尿病引发的酪氨酸硝化作用的这种增加[ 122 ]。
11.2。氧化应激
除了硝化应激，由于氧化应激导致的正常生理变化也是DR病理生理学的主要怀疑因素[ 123 ]。氧化剂和抗氧化剂的平衡是基本细胞过程的介体，包括维持血管系统[ 124 ]，如果该过程受到破坏，可能会导致威胁情况，具体取决于施加的压力的严重程度及其清除系统的可用性[ 125 ]。不幸的是，ROS形成和清除系统的失衡在包括DR在内的疾病的发病机理中发挥了作用，因为在糖尿病动物模型的视网膜中已经发现氧化应激增加[ 126]。以及DR患者。此外，眼中ROS的积累被认为是DR进展中视网膜细胞，神经细胞和血管病变退化的触发因素。在眼睛ROS的积累逐渐激活NF- κ B和MAPK级联反应，结果在视网膜组织的炎症。因此，ROS和炎性细胞因子的相互作用一直是靶标的主要领域，也是预防该病预后的平台[ 9]。除炎症外，神经退行性变是氧化应激的另一个潜在靶标。视网膜神经节细胞（RGC）的退化与氧化应激和炎症密切相关，其中小胶质细胞的激活导致RGC的神经毒性和细胞凋亡。已经观察到，高葡萄糖游离脂肪酸共同治疗导致CD11b和离子化钙结合衔接子1（Iba-1）的上调，这是小胶质细胞的标志物，证实了氧化性物质是神经变性的关键参与者，是通过炎症反应介导的[ 127 ]。此外，由于观察到的ROS和NO水平以及IL- 1β和TNF - α降低，番红花是藏红花的生物活性成分，被证明是一种良好的治疗剂。并通过激活PI-3 / Akt途径具有神经保护作用[ 127 ]。血管损伤原因的另一种见识是诱导氧化应激和炎症变化的神经感光细胞。这些光感受器是糖尿病视网膜中超氧自由基的主要来源（也可以在其他地方纠正），这是由于线粒体和NADPH氧化酶的共同作用。通过去除感光细胞未观察到糖尿病诱导的促炎分子iNOS和ICAM-1的诱导，这进一步补充了这一事实[ 128 ]。
ROS诱导的线粒体酶的表观遗传变化形成了代谢记忆，因此即使控制血糖水平也不会缓解DR的症状[ 98 ]。在视网膜内皮细胞中，高血糖症导致ROS的产生，减少的第III类组蛋白脱乙酰的水平和从NF-增加炎性反应κ B [ 129 ]。而且，这种高葡萄糖介导的ROS产生和SIRT1被认为在介导视网膜内皮细胞的记忆现象中很重要[ 129 ]。
参与氧化应激的各种物种包括自由基分子（如超氧化物自由基，羟基自由基），非自由基（如过氧化氢和臭氧）以及反应性脂质（如酮胺和酮醛基）。这些反应性物种可以由内源性因素产生，包括线粒体的电子传输链或多形核细胞[ 130 ]。紫外线和红外辐射等外在因素也有助于自由基的形成。这些超氧化物类还可能导致形成过氧硝酸盐和其他反应性氮类，从而导致硝化胁迫。允许光穿透每一层的眼睛使其容易受到外源因素的氧化或硝化应力的损害[ 131]]。表1中提到了一些DR的罪魁祸首氧化剂。此外，氧化应激还会导致某些抗氧化剂的含量下降，从而使DR更易于表现和发展。这些包括硫氧还蛋白，超氧化物歧化酶，NADPH氧化酶，Nrf2，维生素C和维生素E，并列在表2中。
Table 1 Oxidants elevated in diabetic retinopathy.
表格1 糖尿病视网膜病变中的活性氧升高
Table 2 Antioxidants depleted in diabetic retinopathy.
表2 糖尿病视网膜病变中的抗氧化剂被消耗
尽管在糖尿病患者中预防视网膜病变的进展是更好的饮食方案和维持正常血糖状况的唯一策略，但随着更好的药理学靶标的出现，用于治疗视网膜病变严重程度的新的治疗途径正在增加。由于标准疗法在临床上带来了缺点，例如对抗VEGF玻璃体内注射的抵抗和诸如黄斑水肿的炎症性疾病，因此需要一个小时的时间来寻找具有较低副作用的更好的治疗策略。此外，DR中的抗氧化剂和抗氧化剂之间的平衡受到破坏；因此，涉及使用抗氧化剂疗法的临床研究为缓解这种疾病的严重性提供了新的方向。在研究中提到了一些作为抗DR治疗策略研究的抗氧化剂分子表3。这些分子已显示出它们对导致细胞损伤的途径的作用，从而参与降低疾病的严重程度。但是，没有一种方法能有效地完全恢复症状。需要进一步的研究来评估更多具有潜在生物活性的潜在抗氧化剂，以抗击与DR相关的视网膜病理生理。
Table 3 Antioxidants as treatment strategies in diabetic retinopathy.
表3 抗氧化剂作为糖尿病性视网膜病的治疗策略。
12.结论
糖尿病性视网膜病是一种后天失明，是全球主要疾病之一。DR进展的主要侮辱是视网膜血液屏障中的血管功能障碍。这是生物化学途径受损的结果，例如多元醇，AGE / RAGE，己糖胺，PKC，组织RAS，组蛋白修饰和改变的miRNA（被认为是DR的主要贡献者）。这些干扰总结在图2中。代谢记忆的状态还与氧化应激诱导的mtDNA损伤有关。线粒体复合物中的这种改变是自由基物种的主要诱因，最终导致抗氧化剂的耗竭，导致DR期间视网膜和内皮细胞的炎症和凋亡。前面提到的几种作为新兴区域的治疗策略主要针对细胞的抗氧化剂/抗氧化剂状态，以防止DR受损。然而，有更多的研究有必要了解DR的发展和进展，以使那些患有糖尿病的视网膜损害患者受益。
Figure 2 Perturbations in diabetic retinopathy.
利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
参考文献
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