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编号:10779289
细胞凋亡与青光眼
http://www.100md.com 张德秀. 史传衣.
自身免疫性神经疾病.抗原肽.细胞因子.口服耐受.
    参见附件(175kb)。

     作者:张德秀 史传衣

    单位:(西安医科大学第一附属医院眼科 西安 710061)

    关键词:

    西安医科大学学报000241 中图分类号 R775 文献标识码 A 文章编号 0258-0659(2000)02-0191-03

    青光眼是我国主要的致盲眼病之一,以视神经损害为其主要特征。其发病机制通常可以归纳为两大类:机械学说及血流学说,但均不完整。近年来,随着生物学及分子生物学技术的不断发展,人们发现,青光眼中一部分视网膜神经节细胞可以通过细胞凋亡这一机制而死亡。青光眼与细胞凋亡的这一关系,为阐明青光眼神经损害的机制增加了崭新的内容,对探索抗青光眼药物有一定意义。青光眼视网膜神经节细胞发生凋亡后,是否能够再生?除了神经细胞发生凋亡外,对房水循环起重要作用的小梁细胞的凋亡会不会引起青光眼?如果答案是肯定的,那么,在青光眼的病程中,它又起着怎样的作用?诸如此类的问题,现已受到眼科工作者的广泛注意,并成为当今眼科研究的一个热门课题。本文就细胞凋亡与青光眼的研究现状作如下综述。

    1 凋亡的概念及生物学特征

    细胞凋亡(Apoptosis)又名程序性细胞死亡(Programmed cell death, PCD)是Kerr于1972年根据形态学特点首先提出的[1]。它是指有核细胞在一定条件下,通过启动其自身内部机制(主要是通过内源性DNA内切酶的激活)而发生的一种细胞自然死亡的过程。

    细胞凋亡虽然是细胞的一种死亡形态,但它与细胞坏死(necrosis)截然不同。这两类细胞死亡不仅发生机制有本质的区别,它们的形态特征和生化特征也完全不同[2]

    附表 细胞凋亡与坏死的主要区别 特 征

    凋 亡

    坏 死

    刺 激

    生理性

    病 理 性

    发 生

    单个细胞

    一群细胞

    DNA断裂

    核体间

    随 机

    病理

    细胞凋亡体

    肿胀或溶解

    吞噬过程

    有

    无

    溶酶体释放

    无

    有

    渗出性炎症

    无

    有

    瘢痕形成

    无

    有

    2 细胞凋亡的生化改变[3]

    细胞凋亡时,钙镁依赖性核酸内切酶被激活,使DNA链在核小体连接处非随机切断。经过这种酶切割后DNA片段的最小单位为185bp,其余DNA片段的长度均为185bp苏州市第四人民医院眼科的整倍数。用苯酚除去组蛋白成分后,将它经1.8%琼脂糖凝胶电泳分离,可见到特征性梯形电泳图谱。DNA的降解是细胞凋亡的一个非常显著的特征。目前已作为确诊细胞凋亡的重要实验依据。原位缺口翻译技术(ISNT)、脱氧核糖核苷酸末端转移酶介导的缺口末端标记技术(TUNEL)及琼脂糖凝胶电泳产生的梯形现象都是特征性DNA片段的具体应用。

    3 青光眼视神经细胞的死亡

    Quigley等用TUNEL检测技术研究实验性青光眼的病理标本,结果发现,在猴实验性青光眼中有TUNEL标记的视网膜神经节细胞至少是对照眼的10倍,这有力支持了青光眼视神经细胞的死亡是凋亡[4]。Ciavalenzuela等发现当大鼠的眼压增高到正常的2倍,持续28d左右,有TUNEL标记的视网膜神经节细胞明显增多,若眼压增高到4倍持续7d,就有明显增多的用TUNEL标记的视网膜神经节细胞[5]

    视网膜神经节细胞因凋亡而死亡,除了大量的实验动物模型的证据外,现已获得临床人眼组织病理学的支持。Kerrigan等在17例原发性开角型青光眼的18只眼中,用TUNEL方法发现有10只眼的神经节细胞层中TUNEL反应阳性,而年龄、种族、性别与其匹配的全身健康的11只正常对照组,只有1只眼为TUNEL反应阳性。Okisaka等用TUNEL方法对8例继发性青光眼作检查,发现其中2只最近丧失视力的青光眼中有视神经节细胞的凋亡。

    4 青光眼视网膜神经节细胞凋亡的发生

    4.1 与视网膜神经节细胞凋亡的有关基因 细胞凋亡主要是由基因调控的自主性死亡过程。近年来,随着分子生物学技术的不断发展,基因表达与细胞凋亡的关系得到了阐明。目前,一般认为与视网膜神经节细胞凋亡有关的基因是:bcl-2基因、bcl-x基因、bax基因以及p53基因。

    4.1.1 bcl-2 是B淋巴细胞瘤/白血病-2基因的缩写,是Tsujimoto等(1985)从滤泡性淋巴瘤中分离出来的促癌基因。Bonfanti等发现在视神经切断的实验中,bcl-2的过度表达抑制了神经节细胞的死亡;Burne等的研究显示切断轴索后,bcl-2的表达保护了视网膜神经节细胞免于凋亡。bcl-2家族中,bcl-2及bcl-x抑制细胞凋亡;相反,bax及bad可促进细胞凋亡[7,8]。目前,bcl-2家族的作用机制尚未完全了解。Oltvai等认为bcl-2与bax竞争决定细胞是否凋亡。Isenmann等的研究发现在视神经挤压伤实验中,bcl-2和bcl-x蛋白表达在 神经节细胞中呈低水平,而bax蛋白的表达在损伤后30min内急剧增加,3d后达到最高水 平 ,持续高水平至少1周,故他们认为视神经损伤后bax的增加导致了视网膜神经节细胞的凋 亡。

    4.1.2 p53 p53是一种受到广泛重视的抑癌基因,具 有促进细胞凋亡的作用。p53功能缺失可导致多种肿瘤的发生。p53的作用机制可能是直接影 响bcl-2和bax的平衡。研究显示p53能抑制bcl-2的转录并促进bax的转录,因而推测p53象 一个开关通过调节bcl-2和bax的平衡从而决定细胞是生存还是死亡[9]

    4.2 青光眼神经节细胞凋亡的激发因素

    4.2.1 神经营养性因子(促神经激素)的剥夺 1995年 Quigley利用猴及兔通过氩激光处理小梁网或前房内注入经戊二醛固定的血红细胞制成青光 眼实验模型,采用光镜、电镜、DNA片段组化检查和DNA琼脂糖电泳等方法对视网膜神经节细 胞进行了研究。结果发现,青光眼中部分视网膜神经节细胞通过凋亡机制死亡。

    神经对其所支配的组织能发挥两方面的作用。一方面是借助于兴奋冲动传导抵达末梢时突触 前膜释放特殊的递质,作用于突触后膜,从而改变所支配组织的功能活动,这一作用称为功 能性作用。另一方面神经还能通过末梢经常释放某些物质,持续地调整被支配组织的内在代 谢活动,从而影响其持久性的结构、生化和生理的变化。这一作用与神经冲动无关,称为营 养性作用。目前认为,营养性作用是由于末梢经常释放某些营养性因子,作用于所支配的组 织而完成的。营养性因子可能是借轴浆流动由神经元细胞体流向末梢,而后由末梢释放的。 神经元能生成营养性因子维持所支配组织的正常代谢和功能,反过来组织也持续产生营养和 生 长刺激因子作用于神经元。这些因子是小的肽类,分为促神经激素、神经营养因子、细胞分 裂或生长因子。神经生长因子(Nerve growth factor, 简称NGF)是最早发现的这类因子之一 。NGF是一种蛋白,由α、β、γ亚单位组成,其中β亚单位是具有生物活性的成分。组织 产生的NGF由神经末梢摄取,而后逆向运输到胞体发挥营养性作用。

    神经营养学说提出,靶组织分泌的因子对受支配的神经元存活很重要。在发育过程中,部分 神经节细胞由于失去与靶神经元联系而死亡。现已证实,视网膜神经节细胞能表达神经营养 受体,用原位杂交和免疫组化发现在鼠神经节细胞有神经营养因子(Nerve trophic factor, 简称NTF)和脑源性神经营养因子(bdNTF)的受体trkB。bdNTF是一种与视网膜神经节细胞密切 相关的促神经激素。在体内和体外,bdNTF具有促进神经节细胞存活的能力。此外,有报道 指出损伤后能促进神经节细胞存活的因子还有成纤维生长因子(Fibroblast growth factor, FGF)、睫状神经营养因子(Ciliary nerve trophic factor,CNTF)和神经生长因子(NGF) [10]。神经细胞通过轴突与脑部外侧膝状体进行突触联系,摄取bdNTF并由逆向轴 浆流将其转运回视网膜。对于发育完善的成年视网膜,任何扰乱从脑部到视网膜的bdNTF的 输送,都会危及视网膜神经节细胞的生存。

    在青光眼中,由于眼压增高,神经节细胞在轴突穿出眼球的视乳头处发生正向和逆向轴浆运 输受阻,妨碍了神经节细胞和脑内靶神经元的神经营养信号传递,从而引起了细胞凋亡。

    4.2.2 兴奋性毒素谷氨酸的蓄积 Dreger等报道患 有青光眼的眼,其玻璃体中谷氨酸的浓度是白内障患眼的二倍,并且发现患青光眼时间较 长的患者,其玻璃体中的浓度也更高[11]。那么,这些升高的谷氨酸是从何而来 的呢?Dreger认为是来源于视网膜本身。

    谷氨酸在中枢神经系统,尤其在视网膜,是一主要的兴奋性氨基酸神经传递介质,它在神经 元内以较高浓度存在,但通常仅在局部(突触内)短暂释放,正常情况下不会引起毒性,青光 眼时,由于下述三种可能的原因,可造成细胞外谷氨酸浓度的急剧上升[12]:① 升高的压力作用于细胞体造成受损视网膜细胞的通透性增加,从而使细胞外的谷氨酸增加; ②Muller细胞具有清除细胞并谷氨酸的功能,升高的眼压或缺血、缺氧损害了Muller细胞这 一功能,使细胞外的谷氨酸增加;③来自于青光眼进程中正处于死亡状态的细胞释放。

    高浓度的谷氨酸过度刺激了其在细胞表面的受体,尤其是N-甲基-D-天门冬氨酸(N-meth yl-D-aspartate,简称NMDA)受体,引起钙离子大量内流。大量的钙离子在细胞内聚集,激 活了许多钙敏感酶,如核酸内切酶,蛋白酶、一氧化氮合成酶(NO synthase,以下简称NOS) , 后者催化L-精氨酸合成氧化亚氮(NO)。NO具有自由基特性,它和反应氧中间产物均具有损 害性,一方面,NO和反应氧中间产物结合导致DNA碎裂,另一方面,NO也激活p53,最终导致 神经节细胞凋亡。

    5 对青光眼视神经的抗凋亡治疗

    5.1 基因治疗[13] 前已述及bcl-2等“抗死亡” 基因能阻止细胞凋亡的发生。目前的研究显示bcl-2的表达能够阻止或减少视网膜视神经节 细胞的凋亡。基于上述研究,通过基因工程技术将“抗死亡”基因导入眼内,可望阻止视网 膜神经节细胞的凋亡。现在的问题是,运用基因转移治疗青光眼,结果只能短暂地表达外来 基因,而临床上所要求的不是暂时缓解而是永久地解决这一长期性疾病。

    5.2 神经营养因子[14] 大量研究显示神 经营养因子缺失可导致细胞凋亡,向眼内注射bdNTF,可明显减轻急性或时限性的神经节细胞 损坏,如急性青光眼、视神经炎、血管阻塞、缺血性视神经病变。Mey和rhanos将神经营养 因子注射到鼠眼玻璃体中,结果发现视神经被切断后的神经节细胞仍然存活。Klocker等研 究发现 ,单一剂量的bdNTF在视神经切断后能挽回27%的视网膜神经节细胞,如与自由基清除剂联合 使用,可挽回60%的细胞。只要神经元胞体尚存 ,就可以用促神经激素使神经再生。长期应 用bdNTF需要注意的问题是,它有激活一氧化氮合成酶的副作用,所以必须与自由基清除剂 一起使用。

    5.3 NMDA受体阻断剂[15] 如memantene, 它能有效阻断兴奋性毒素谷氨酸诱导视网膜神经节细胞发生凋亡。Lam等在升高眼压造成的 视 网膜缺血鼠实验模型中发现NK-801有改善神经细胞死亡状态的作用及抑制缺血所致的细胞 核质里DNA的裂解。Vorwerk等发现,在用低剂量的谷氨酸引起视网膜神经节细胞毒性的同时 给 予memantine,它能部分地起到抗谷氨酸毒性的作用。Biegon和Joseph发现Hu-211(Dexanabi nol)能在活体和离体实验中阻断NMDA所激发的Ca2+内流和清除自由基的作用。Hu- 211、MK-801、Memantine都属于非竞争性谷氨酸拮抗剂。

    尽管对兴奋性毒性作用的研究和临床应用是初步的,但它的前景是令人鼓舞的。目前最大的 困难是,许多NMDA受体拮抗剂能使人产生拟精神病样症状,这种副作用限制了这类药物的应 用。据报道,某些抗胆碱能药物和γ-氨基丁酸样药物能够保护神经元并对抗NMDA受体拮抗 剂的副作用。最近,谷氨酸受体的许多亚基被克隆出来,这无疑将有助于开发新的更有效的 药物。

    5.4 钙通道阻滞剂[16] 前已述及,细胞 内钙浓度升高是细胞凋亡的重要条件。钙通道阻滞剂通过减少细胞内游离钙浓度而阻止细胞 凋亡。由欧州推出的一种钙通道阻剂氟苯桂嗪(flumarizine)对神经细胞的T-通道具有特别 高的亲和力,对外周钙通道亲和力则相对较低。人们早已认识到偏头痛与正常眼压性青光眼 有关,患者服用氟苯桂嗪后症状明显减轻,视野得到改善。

    5.5 内源性核酸内切酶抑制剂[17] 如 金 精三羧酸(Aurintricarboxylic acid)能防止裂解DNA的核酸内切酶激活,阻止细胞凋亡的发 生。

    最后应该强调的是:细胞凋亡是许多疾病的最后共同结果,而不是原因。所以抗凋亡治疗必 须结合对病因的治疗。任何新的防治神经节细胞凋亡的治疗都不可能替代目前降低眼压的青 光眼治疗,只有将传统的降眼压治疗与阻止视网膜神经节细胞凋亡的治疗相结合,才能使更 多的神经节细胞从受创的困境中解脱出来并得到完全恢复。相信随着细胞凋亡研究的不断深 入,青光眼的治疗必将迈上一个新的台阶。

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    (1999-09-23收稿 1999-10-20修回)

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