糖尿病前期和糖尿病視網膜病變臨床前期的視網膜改變

劉明珠 綜述，管懷進 審校

(1.南通大學附屬醫院，南通 226006；2.如東縣人民醫院，南通 226499)

糖尿病(diabetes mellitus,DM)是一種全球流行病，目前仍處于增長趨勢，預估到2045年，DM患病率將從2019年的9.3%增長至10.9%，人數從4.63億增長到7億[1]。糖尿病視網膜病變(diabetic retinopathy,DR)是DM常見并發癥之一，近1/3 DM患者會發生DR，且近1/10 DR患者存在視力損害風險[2]。DR是世界范圍內勞動年齡人口視力損害的主要原因。

在出現DR前，DM前期和DR臨床前期(pre-clinic stage of diabetic retinopathy,PCDR)是值得關注的兩個階段。DM前期，血糖水平高于正常值但未達到DM閾值，其空腹血糖在5.6～6.9 mmol/L，和(或)餐后2 h血糖在7.8～11.0 mmol/L，和(或)糖化血紅蛋白A1c(GHbA1c)在5.7%～6.4%[3]。PCDR是指DM患者雖未檢測到臨床可見的DR，但視網膜神經以及血管結構和功能發生了退行性改變，視網膜功能受損，PCDR患者的5年DR發病率可高達46.89%[4]。這兩階段的患者均為罹患DR的高危人群，此期間部分患者已經悄然發生了視網膜神經損傷和臨床不可見的微血管改變。及時發現臨床未能檢測的DR可以及時識別DR進展風險較大的患者以便盡早采取預防措施。因此，本文將重點描述DM前期和PCDR階段視網膜的改變。

1 DR的發病機制

高血糖在DR誘發過程中起核心作用，高血糖微環境導致多種代謝途徑異常，如多元醇通路激活、氨基己糖通路激活、末端糖基化產物生成增加、蛋白激酶C(protein kinase C,PKC)的活化等[5-7]。此外，越來越多的證據表明炎癥機制在DR發生、發展過程中也起著重要作用[8]。以上異常誘發氧化應激，產生大量氧自由基，導致視網膜神經異常和視網膜內部毛細血管床損傷，致使DR發生。經典病理學認為，DR為DM的微血管并發癥。血-視網膜屏障(blood-retinal barrier,BRB)破壞、血管退化和微血管血流動力學改變(神經血管耦合受損)是早期微血管異常的主要特征。最近的研究還發現，神經退行性病變是視網膜病變的一個重要早期改變，神經元凋亡和神經膠質功能障礙是神經變性的特征，兩者參與了BRB破壞、血管退化和神經血管耦合受損，其中谷氨酸的積累和神經保護因子的缺失觸發血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)的激活，在BRB的破壞中起關鍵作用[9]。DM中血管內皮祖細胞減少和功能障礙導致重塑能力受損，從而引起微血管病變和神經變性[9]。

2 視網膜神經元的改變

高血糖會引起各種代謝異常，末端糖基化產物和氧化產物的產生會造成神經損傷。動物實驗中，神經視網膜細胞在高血糖誘導1個月后就出現凋亡，視網膜內層變薄[10-11]。早在1986年，就有研究者通過電生理實驗，提出DR是一種神經感覺障礙，視功能也出現了相關損害[12]。這表明早期的功能缺陷與視網膜神經元的改變有關。

2.1 視網膜神經元形態改變

2.1.1 視網膜厚度(retinal thickness,RT)

視網膜是一種由突觸連接的幾層神經元和視網膜色素上皮(retinal pigment epithelium,RPE)構成的組織。光學相關斷層掃描(optical coherence tomography,OCT)可高精度測量人類RT，RT的改變可以反映神經組織細胞的丟失。一項隊列研究發現，DM前期受試者即使沒有明顯血管或炎癥變化，其黃斑部RT也已明顯變薄，且在中心周邊區域變化最大[12]。黃斑部RT變薄反映了DM早期神經退行性改變。同樣，在無DR的1型和2型DM患者中，1型DM患者的黃斑部RT降低，這預示著視網膜受到影響，神經組織已經開始丟失；2型DM患者組RT變化不明顯，這并不意味著RT沒有變化，可能是被內核層和外核層的增厚所掩蓋[13]。RT與DM病程相關，在DM最初幾年里，由于神經組織損失，黃斑厚度減少，但隨DM進展，視網膜血管通透性增加導致了視網膜內液滲漏，厚度反而會增加。

2.1.2 視網膜神經纖維層(retinal nerve fiber layer,RNFL)厚度

視網膜神經元凋亡，尤其是神經節細胞(retinal ganglion cells,RGC)的凋亡，是最早能檢測到的與DR有關的重要生理改變[14]。由于RNFL主要是由RGC的軸突組成的，所以其厚度可反映RGC的存活狀況。相較健康者而言，DM前期患者黃斑所有象限和鼻外象限的神經節細胞復合體厚度均明顯降低[15]。另一項包括21例DM前期患者的研究也證實RNFL變薄[16]。同樣在視網膜血管無變化或變化很小的DM患者中，RNFL和RGC層的厚度比健康者也明顯減少[17-18]，尤其是視盤上1/4象限和下1/4象限最為明顯[19]。這些結果表明，視網膜神經性改變發生在DM早期階段甚至DM前期，在血管損傷顯現之前。對于DM前期以及PCDR患者，應密切關注RNFL厚度，上述結果提示早期使用神經保護劑可能對預防視網膜病變具有積極意義。

2.2 視網膜神經元功能改變

視網膜中對光敏感的神經元是感光細胞，其中視錐細胞提供白天視覺及顏色感知，而視桿細胞主要在昏暗環境下提供黑白視覺。視網膜其他神經元(神經節、雙極、無長突細胞)處理來自視錐和視桿細胞的神經信號，輸出以RGC的動作電位形式出現，其軸突形成視神經。當視網膜的供氧耗氧平衡被打破，就會使視網膜處于缺血性損傷的風險(這也是DR發生的重要原因)。尤其是RGC對急性、短暫性和輕度全身性低氧應激高度敏感，對DM發生的神經退行性過程也高度敏感。臨床可以通過以下的輔助檢查，發現視網膜神經元功能的改變。

2.2.1 色覺

色覺測試對DM引起的變化很敏感[20]。早期研究顯示，有和沒有DR的DM受試者均有色覺缺陷，色覺敏感度下降。低飽和度D-15測試證明DM前期就發生色覺改變，尤其是藍色覺缺失，PCDR患者改變更為明顯[21]。引起DM眼色覺喪失的原因有很多，其中包括神經視網膜代謝紊亂、缺氧和氧化應激，導致視錐細胞色覺功能受到影響。一項在供體視網膜中進行的研究也顯示，視網膜內視錐細胞百分比明顯降低[22]。色覺測試可將健康者與血糖異常的患者區分開來，有助于早期診斷DM眼病。

2.2.2 對比敏感度

臨床未檢測到DR前，對比敏感度也會受到影響。DM早期階段高胰島素血癥和毒性炎癥因子可能影響視網膜神經元的RGC層，導致對比敏感度功能降低，因此在DM前期及PCDR患者中均能發現對比敏感度的降低[20]。且對比敏感度損害并不一定與標準視力相關，因為它們可發生在視力正常的人群中。對比敏感度變化與DR的存在和嚴重程度呈正相關。

2.2.3 視野

視野缺損、敏感度降低是視覺功能受損的明顯標志，可以在出現明顯DR臨床跡象之前就被檢測到。使用微視野測量法測定DM患者視網膜敏感性發現，健康者、PCDR患者和非增殖性糖尿病視網膜病變(non-proliferative diabetic retinopathy,NPDR)患者視網膜敏感度依次降低，且與GHbA1c成反比。視野變化可用于檢測DR的進展。其他研究也發現在未出現DR時即可有相應的視野缺損，且一般缺損部位先出現在20～30 °范圍[23]。Bradvica等[24]通過標準自動視野檢查和倍頻技術視野檢查均發現DM患者出現明顯的視野喪失。因此，視野測試可成為評估DR存在以及監測DR進展的有用工具。

2.2.4 閃光視網膜電圖(flash electroretinogram,FERG)

FERG主要反映了RGC以前的視網膜細胞的狀態，a波主要反映視網膜光感受器的變化，b波主要反映雙極細胞和Müller細胞的電活動[25]。使用頻率為30 Hz的設備記錄的FERG表明，輕度或無DR的個體與健康者相比，FERG振幅和潛伏期有輕微的降低和延遲，FERG振幅平均降低約12%，潛伏期延遲約5%[26]。研究還發現，高頻的FERG可提升識別早期DR的靈敏度。在38.5 Hz和50 Hz的頻率下，無DR或僅有輕微NPDR的DM患者可看到明顯的振幅下降[26]。高頻振幅衰減表明視錐細胞受損，視錐細胞在DR的發生、發展中發揮重要作用。FERG可作為評估DM前期和DM患者視網膜功能的辦法。

2.2.5 視網膜振蕩電位(oscillatory potentials,OPs)

OPs是閃光視網膜電圖的一部分，在b波的上升邊緣上可以看到一系列被稱為OPs的小波。OPs代表視網膜內部細胞主要是無分泌細胞的反饋相互作用，與缺血性視網膜疾病的關系更密切，其對視網膜循環障礙極其敏感。視網膜振蕩電位的子波1、2主要反映視錐細胞系統功能，而視網膜振蕩電位子波3、4主要反映視桿細胞系統功能[27]。以往研究中，DR患者OPs振幅明顯降低，振幅的降低可能與視錐細胞受損有關[26]。在PCDR、BRB完整存在時，也可見OPs的振幅有較明顯下降，特別是子波2，提示視錐細胞功能受損的可能性較大[28]。因此，DM可能影響了視錐細胞和其受體后功能，這也表明視網膜在出現血管病變之前就存在早期功能改變。

2.2.6 多焦視網膜電圖(multifocal electroretinogram,mf-ERG)

mf-ERG是一種敏感、可靠的視網膜神經功能評價方法，其可觀察到后極部視網膜不同區域的局部反應。在DM前期患者中即使 FAZ和RGC層沒有發生改變，mf-ERG振幅就可發生降低[29]。歐洲糖尿病視網膜病變早期治療聯盟發現，近60%的PCDR患者mf-ERG振幅降低和(或)潛伏期延遲[30]。其他電生理研究也證實了這一觀點，眼底沒有或有很少微血管變化的DM患者mf-ERG也發生了類似改變[31-33]。潛伏期延遲和振幅的降低提示光感受器和一些視網膜內層的損傷，包括“開”的雙極細胞和Müller細胞，這都表示視網膜功能障礙。mf-ERG潛伏時間延遲還與發生視網膜病變的風險增加有關，甚至可以預測相應視網膜位置未來發生視網膜病變的風險[34-35]。mf-ERG的改變表明神經功能障礙與DR血管異常之間存在直接聯系，提示電生理的改變可以預測早期微血管異常的發展。

3 視網膜血管的改變

人的視網膜由雙重血液供應，光感受器和外叢狀層大部分間接從脈絡膜獲取氧氣和營養物質，而視網膜內層則從視網膜中央動脈分支形成的淺部毛細血管叢(superficial capillary plexus,SCP)和深部毛細血管叢(deep capillary plexus,DCP)獲取營養物質。雙循環的存在使視網膜氧合具有獨特性，視網膜供氧和耗氧間的微妙平衡使視網膜存在特別的缺血性損傷風險，而缺血是DR等許多視網膜疾病的主要原因。相比較而言，外層視網膜有由睫狀后短動脈形成的豐富的脈絡膜毛細血管供氧，而供應內層視網膜的SCP和DCP為視網膜中央動脈終末動脈，對低氧極其敏感，更易發生相應的早期改變[36]。

3.1 視網膜微血管改變

3.1.1 SCP、DCP和黃斑中央凹無血管區(foveal avascular zone,FAZ)

光學相關斷層掃描血管成像(optical coherence tomography angiography,OCTA)作為一種新型的無創血管造影技術，它可以輕松顯示血管密度(vascular density,VD)、視網膜血流中的血管異常以及FAZ的形狀，可用于比較未檢測到臨床視網膜病變患者的微血管變化[37]。近年研究表明，DR早期SCP和DCP微血管發生變化[38-40]，脈絡膜毛細血管也出現損傷[41]。在Arias JD等[40]的研究中，DM前期組較健康對照組SCP和DCP的平均灌注密度(perfusion density,PD)和VD明顯降低。這些參數惡化可能是由于小分支血管中周細胞減少導致視網膜血管系統分支復雜性降低的結果。Park等[42]研究證明，PCDR組較健康對照組中央凹SCP和DCP層VD明顯降低，旁中心凹區域僅DCP層的上部和下部的VD明顯降低，SCP的VD沒有明顯變化。DCP是通過垂直吻合支排入淺靜脈，而SCP是由橫向毛細血管組織而成，橫向毛細血管直接連接到具有較高灌注壓力的視網膜小動脈，由于解剖學差異，DCP可能比SCP更容易發生缺血。DCP較早的改變可能反映視網膜小靜脈增寬、毛細血管末端損傷和微動脈瘤。它還可能破壞BRB和影響DR的進展。

以往研究表明D M 患者SCP層的FA Z面積擴大[43]，且DR的嚴重程度與FAZ面積的擴大高度相關[44]。Park等[42]的研究也發現PCDR組SCP和DCP的FAZ面積比健康對照組明顯擴大。然而在DM前期組中，FAZ面積和非圓度指數(acircularity index,AI)沒有太大差異。DM前期患者保留FAZ形態與PD和VD降低表明視網膜脈管系統響應高血糖的初始變化可能發生在中心凹外區域[40]。FAZ的擴張是毛細血管無灌注的結果，是DM微血管變化的指標。因此，SCP和DCP的PD、VD以及FAZ的改變是識別早期DR的重要標志，是糖尿病視網膜血管系統損傷的早期跡象。

3.2 視網膜小血管改變

3.2.1 視網膜血管管徑

澳大利亞糖尿病、肥胖和生活方式(AusDiab)研究的5年隨訪結果顯示，在DM前期和PCDR組中，視網膜小動脈管徑較寬的個體更容易發生視網膜病變[45]。這說明視網膜小動脈擴張在DM患者發生視網膜病變的發病機制中起重要作用。實驗研究表明，血流量增加和相關小動脈擴張在DM患者視網膜中很常見，這反映了小動脈潛在的自動調節功能障礙，可能是由于高血糖介導的內皮素-1抵抗和平滑肌細胞中鈣流入通道的抑制。這些過程損害視網膜小動脈收縮，也可通過視網膜毛細血管非灌注引起氧分壓降低來增強視網膜小動脈擴張反應[46]。相反，視網膜小靜脈擴張可能代表DR的后期跡象。有研究證明，DM患者DR的嚴重程度增加與視網膜小靜脈管徑的擴大有關[47-48]。視網膜小動脈擴張可能是早期DR的臨床前標志物，管徑隨時間變化的趨勢似乎是血管損傷更敏感的指標。

3.2.2 視網膜血管反應

血管自動調節功能在DR早期階段就可能受損。馬斯特里赫特的一項隊列研究[49]，通過閃爍光誘導視網膜小動脈擴張，評估了微血管功能。與健康對照組相比，DM前期和DM患者視網膜小動脈平均擴張百分比均較低，即使基線血管管徑比較差異無統計學意義，但閃爍光刺激的血管舒張作用是消退的。正常生理情況下，神經血管耦合使視網膜能夠根據神經活動或代謝需求調節血流，閃爍光刺激增強了神經活動，導致視網膜動脈和靜脈擴張。閃爍光誘導的視網膜小動脈擴張依賴于神經細胞和內皮細胞釋放的一氧化氮(NO)。NO抑制了神經膠質細胞合成血管舒張劑的合成，血管舒張作用減弱。閃光誘導的視網膜小動脈擴張損害反映了微血管內皮功能障礙，可能與神經元功能障礙有關[50-53]。此外，Sousa等[54]用OCTA檢測到視網膜血管舒張反應和血管收縮反應。OCTA 是一種可在臨床檢測到DR之前觀察到視網膜血管變化的方法。

4 視網膜炎癥

慢性炎癥對DR發展(特別是在早期階段)至關重要。慢性炎癥會誘導視網膜的結構和分子改變，導致組織損傷和細胞死亡[55]。高糖微環境導致炎癥分子表達增加，在DR的發病機制中起重要作用。其中，膠質細胞和小膠質細胞的激活是DR炎癥的最初跡象之一。Müller神經膠質細胞(müller glial cells,MGC)是視網膜的主要神經膠質細胞，對代謝改變高度敏感。DM相關的代謝改變，使MGC上調膠質纖維酸性蛋白(glial fibrillary acidic protein,GFAP)，在動物模型以及無DR至輕度NPDR的DM患者組織中都可觀察到[56]。有研究者報道，PCDR患者房水中GFAP水平升高[57]。由于MGC是包括炎癥調節劑在內許多因素的重要來源，表明視網膜神經膠質細胞活化可能在導致疾病后期視網膜損傷的炎癥過程的開始中發揮早期作用。同樣無DR的患者血清中細胞間黏附分子-1(intercellular adhesion molecule-1,ICAM-1)和房水中單核細胞趨化因子-2(monocyte chemotactic protein-2,MCP-2)水平也有所升高，這些分子也由 MGC 產生并參與白細胞停滯，這也驗證了上一說法。此外，視網膜中的小膠質細胞也被激活，分泌多種炎癥因子，加劇神經膠質細胞和血管功能障礙。在無DR的DM患者房水中白介素-1α(interleukin-1α,IL-1α)，干擾素-γ(interferon-γ,IFN-γ)升高，玻璃體中白介素-3(interleukin-3,IL-3)升高[56]。抑制或清除促炎分子可阻止DR的發展，如非甾體抗炎藥(NSAID)、抗VEGF藥物和抗TNF-α藥物可通過其抗炎特性減緩DR進展。因此，血清、房水、玻璃體中相關炎癥因子的改變可作為臨床檢測到DR之前的觀察指標。

5 展望

目前研究表明，即使沒有明顯的視網膜病變臨床癥狀，視網膜病變的早期體征也會進展。疾病的早期診斷是預防和延緩視力喪失和降低相關成本的最佳手段。在DM前期和PCDR階段，OCT觀察到RT和RNFL厚度不同程度變薄，視功能檢查中色覺、對比敏感度降低、視野出現缺損，視覺電生理發現FERG、OPs、mf-ERG振幅降低和(或)潛伏期延遲，OCTA觀察到SCP和DCP的PD、VD降低、FAZ面積擴大、視網膜小動脈擴張以及閃爍光刺激的血管舒張作用減退。此外，炎癥因子GFAP、ICAM-1、MCP-2、IL-1α、IFN-γ及IL-3水平的升高也可以預測和評估DR。盡管早期檢測DR的方法很多，但缺乏金標準，研究尚不成熟。因此，我們需要更多的基礎研究以了解神經血管損傷的發病機制，以及更多的縱向實驗驗證，為更早期的DR提供新的和更有效的檢測方法和預防策略。

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