¹蚌埠医学院第一附属医院眼科，安徽 蚌埠

²蚌埠医学院生命科学院，安徽 蚌埠

收稿日期：2022年6月9日；录用日期：2022年6月19日；发布日期：2022年6月28日

摘要

后发性白内障又称后囊膜混浊(posterior capsular opacification, $PCO$ )，是白内障患者手术后最常见的并发症。白内障囊外摘除、人工晶体植入术后残留部分晶状体上皮细胞(lens epithelial cells, $LECs$ )发生增殖，并逐渐向后囊膜迁移，由上皮表型转化为间充质表型(epithelial mesenchymal transformation, $EMT$ )，同时产生大量的胶原和纤连蛋白等细胞外基质(extracellular matrix, $ECM$ )，最终导致后囊膜混浊和纤维化。 $PCO$ 的发生和发展与多种细胞因子的调节有关，其中研究最广泛的参与诱导 $PCO$ 的细胞因子是 $TGF\text{-}\beta$。本文就这些细胞因子及其参与的信号调控通路进行综述，以期为临床防治 $PCO$ 提供新型分子生物学研究靶点，探寻更有效的防治方法，展望更广阔的研究前景。

关键词

后发性白内障，晶状体上皮细胞，细胞因子及其相关信号通路

Advances in the Study of Cytokines and Their Signaling Pathways Associated with Posterior Cataract

Yaru Hu^1,2, Shanglun Xie^2*, Jianfeng Wang^1*

¹Department of Ophthalmology, The First Affiliated Hospital of Bengbu Medical College, Bengbu Anhui

²Department of Life Sciences, Bengbu Medical College, Bengbu Anhui

Received: Jun. 9^th, 2022; accepted: Jun. 19^th, 2022; published: Jun. 28^th, 2022

ABSTRACT

Posterior capsular opacification ( $PCO$ ) is the most common reason of postoperative visual loss in cataract patients. After surgery of extracapsular cataract extraction and intraocular lens implantation, the remained $LECs$ proliferate, migrate into posterior capsular, and the epithelial phenotype of lens epithelial cells gradually turns into mesenchymal phenotype (epithelial mesenchymal transformation, $EMT$ ). At the same time, a large amount of extracellular matrix ( $ECM$ ) such as collagen and fibronectin is produced, resulting in posterior capsular opacity and fibrosis. The occurrence and development of $PCO$ are related to the regulation of various cytokines, of which $TGF\text{-}\beta$ is the most widely studied factor involved in $PCO$ induction. In this review, we reviewed the cytokines and regulatory pathways related to $PCO$. In order to provide new molecular biological research targets for the clinical control of $PCO$, to explore more effective control methods, and to look forward to a broader research prospect.

Keywords:Posterior Cataract, Lens Epithelial Cells, Cytokines and Their Related Signaling Pathways

Copyright © 2022 by author(s) and Hans Publishers Inc.

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1. 引言

后发性白内障(posterior capsular opacification, $PCO$ )是白内障患者术后残余少量的LECs发生增殖、迁移和转分化造成的后囊膜混浊，瞳孔周边出现半透明的膜，也是导致白内障患者术后视力下降最常见的原因。PCO患者通常会出现视力下降、对比敏感度降低、屈光改变、色觉改变等症状，还可能伴有眼压升高、黄斑囊样水肿、视网膜脱离等并发症，对患者的身体健康和生活质量有很大的影响 [1]。白内障术后2~5年内，成人的发病率为12%~67%，儿童的发病率接近100% [2]。近年来的研究证明，多种细胞因子及其相关信号通路参与了PCO的形成，本文就这些细胞因子及其发挥功能的信号通路进行综述。

2. 后发性白内障的发生过程

白内障手术过程中各种机械刺激可能会损伤组织、破坏血–房水屏障，导致血浆中的多种炎性细胞因子渗漏入房水中，激活炎症介质释放，细胞因子、生长因子与细胞表面受体结合，激活细胞内的信号级联转导，活化细胞核内基因转录，诱发细胞生物学改变，引起术后炎症反应。残留在晶状体前囊内侧和赤道部的LECs发生增殖、迁移、转分化、胶原沉积及晶状体纤维化等过程，同时手术导致的创伤愈合反应及对植入的人工晶状体产生的异物反应造成晶状体囊膜的纤维化状态，因此晶状体一般被认为是一种器官纤维化的模型。因此，PCO的发生可能与炎症反应所引起的ECM成分和生长因子的变化有关系，但引起LECs增殖的确切机制目前尚不清楚。白内障摘除术后3~4天内LECs增殖速度最快，且与患者年龄有一定关系，年轻的患者LECs增殖速度较快，发生PCO的风险更高。LECs向后囊膜的迁移是由于细胞内粘附分子-1 (intracellular adhesion molecules, $ICAM\text{-}1$ )、多种整合配体和 $CD44$ 等的形成和破坏累及视轴区域所致。除上述两个过程以外，在PCO形成的整个进程中，LECs发生了转分化，赤道的LECs分化为类似于正常晶状体纤维的细胞 [3]，前囊的LECs可转分化为肌成纤维细胞 [4]，导致PCO。

3. PCO的发病机制和相关细胞因子及其信号通路

3.1. 上皮向间充质转化(Epithelial-Mesenchymal Transition, $EMT$ )机制

EMT可分为3型，PCO中发生的EMT是白内障术后残留的LECs对创面的愈合反应所致，属于2型EMT，LECs由上皮表型转化为间充质表型。白内障术后炎症反应是PCO发生发展的重要诱因 [5] [6]，LECs的EMT则是PCO发生发展的细胞学基础。PCO中LECs发生EMT的主要特征：晶状体由立方形的上皮细胞向梭形的肌成纤维细胞转变，LECs极性丧失，细胞角蛋白、E-钙黏着蛋白、Pax6、ZO-1、Cx-43、γ-晶状体蛋白等上皮标志物丢失；而α-SMA、纤连蛋白、胶原蛋白I等间质标记物增加；转录因子Snail、Slug和Twist表达增加；发生EMT的LECs与周围细胞和基质的接触减少，细胞的迁移和运动能力增强，伴随着细胞外基质的大量积聚，最终导致晶状体后囊膜混浊以及纤维化形成。

在EMT的一般过程被揭示之后，许多生长因子和信号分子陆续被发现参与了PCO的发生发展过程中LECs的EMT反应，为LECs发生EMT的机制提供了重要解释。许多动物研究表明 [7]，在年龄相关性白内障及糖尿病性白内障的EMT过程中Sirt1发挥着重要的作用。由此推测Sirt1有可能对PCO的EMT过程中也发挥着作用。毕雪等 [8] 指出Sirt1的生物学作用主要通过miR-34a、miR-211、miR-204等路径调节LECs的凋亡过程，参与白内障的形成。然而，目前关于Sirt1对PCO发生发展的体内、外相关研究较少，Sirt1有可能成为防治PCO新的靶点。

3.2. 细胞外基质(ECM)形成机制

ECM是一种高度动态的结构网络，调控细胞的多种功能，如增殖、迁移和转分化、炎症和血管生成等，对维持正常的内环境稳态至关重要。ECM的组成和结构的失调与多种病理条件的发展有关。ECM形成是PCO、前囊下白内障、翼状胬肉、青光眼等多种眼部疾病进展的主要原因 [9] [10] [11]，也是眼部手术后伤口愈合的主要过程。有研究表明：ECM的参与可以影响1年甚至更为远期LECs的行为 [12]，导致临床上难以防治的迟发性PCO。

眼内的ECM主要有两个来源：1) 白内障手术过程中短暂的血–眼屏障的破坏，导致血浆内成分直接进入有LECs残余的囊袋内；2) 由LECs自身所产生 [13]。PCO患者LECs发生EMT的同时产生大量的ECM。参与PCO形成的细胞外基质主要包括层粘连蛋白、纤维连接蛋白、胶原蛋白I、骨桥蛋白、透明质酸等，引起组织损伤愈合、细胞增殖、迁移、转分化等，最终导致后囊膜混浊和纤维化。其中层粘连蛋白以及纤维连接蛋白具有特殊意义，在体外实验中能够与TGF-β协同促进细胞EMT的进程 [14]。

骨桥蛋白(osteopontin, $OPN$ )是一种分泌型多功能的磷酸化糖蛋白 [15]，可与特异性整合素受体或CD44结合，使多种激酶磷酸化激活，参与调控细胞黏附、迁移、免疫反应和ECM结构的改变，具有促进肿瘤细胞的趋化﹑黏附和迁移的作用。前囊下白内障患者LECs中OPN有阳性表达，而正常晶状体中无表达，OPN在眼部疾病中的作用越来越受到重视。MENG等的研究提示OPN可通过影响TGF-β相关信号通路导致LECs的病理性纤维化 [16]，参与PCO的发生。另外，OPN还可通过 $Snail$ 、 $Twist$ 、ZEB等相关信号途径调控PCO的EMT过程 [17]，眼内高水平的OPN促进了PCO的病变进程 [18]，检测OPN水平有助于预测PCO的发生和发展。

另一种较常见的细胞外基质非细胞成分是透明质酸(hyaluronic acid, $HA$ )，广泛存在于细胞间的一种天然保湿剂，一方面可以作为LECs和成纤维细胞的支架，另一方面还能促进LECs增殖、迁移和黏附，促进晶状体囊膜混浊和纤维化。 $CD44$ 是HA的受体，Saika等利用免疫组化技术确定了在白内障手术中获得的人前囊膜中LECs细胞表达表面抗原 $CD44$ 和HA [19]，可能在PCO的发展中起重要作用。研究表明， $CD44/HA$ 通路与TGF-β信号通路相关 [20]，也可与其他生长因子和基质金属蛋白酶相互作用。有研究利用不同浓度HA处理犬LECs [21]，结果显示出剂量依赖性的 $CD44$ 表达增加和LECs迁移增加，这表明 $CD44$ 和HA可能参与了LECs的迁移过程。白内障手术中使用的粘弹性材料几乎都含有HA，在手术过程中，LECs和粘弹剂会有接触，一些粘弹剂可能会留在晶状体囊内。因此，这也可能是未来预防PCO需要考虑的一个因素。

综上，在PCO形成过程中 $ECM$ 不仅发挥细胞间的机械支持和连接作用，也是细胞间信号传递的桥梁，是参与PCO发生发展的重要大分子物质，多种 $ECM$ 成分的协同作用导致PCO形成。

3.3. 细胞生长因子、转化因子的调节及相关信号通路

白内障手术创伤引起的一系列的愈合反应和炎性反应导致LECs的增殖、迁移及转分化，这些改变主要是通过细胞生长因子、转化因子的调节及相关信号通路的调节实现的。多种细胞因子的异常表达都可触发EMT，这些细胞因子之间、细胞因子与LECs之间以及LECs与ECM之间均存在相互作用，通过一系列复杂反应，刺激LECs向肌成纤维细胞转化，促进ECM的合成与分泌，最终导致PCO的形成。

3.3.1. 转化生长因子-β (Transforming Growth Factor, $TGF\text{-}\beta$ )

TGF-β超家族包含TGF-βs、活化素、抑制素、骨形态发生蛋白等30多种TGF-β相关成员，参与调节细胞增殖、迁移、转分化、黏附和ECM产生等。晶状体前囊通常被六角形的LECs所覆盖，囊袋内TGF-β信号转导可诱导ECM蛋白的表达，如层粘连蛋白、纤连蛋白、玻璃体结合蛋白、蛋白多糖、collagen I、collagen III和腱生蛋白等。有研究显示 [22]，在PCO形成过程中，TGF-β的激活受 $SPARC$ (一种酸性的分泌蛋白、富含半胱氨酸)影响，它可以调节基质与细胞的相互作用。

TGF-β有不同的亚型，除了TGF-β2外，晶状体组织还可以表达TGF-β1和TGF-β3，其中TGF-β2在晶状体组织和房水中表达最高。TGF-β在PCO中起着首要作用 [10]，是一种多功能的生长因子，是EMT过程的中心介质，被认为是最强的EMT诱导剂，主要通过调节Smad蛋白信号传导，最终诱导梭形肌成纤维细胞的形成。

TGF-β/Smad是TGF-β在EMT过程中研究最广泛的信号通路，其中Smad3是该信号通路的关键靶点，阻断Smad3可以干扰该信号通路，抑制LECs发生EMT过程中转录因子、细胞外基质的表达，从而减轻晶状体上皮间质转化，进而抑制PCO形成。Smad3可能作为治疗PCO的一个药物靶点。除了Smad依赖的信号通路，最近的证据表明 [23] [24] [25]，多种独立于Smad通路之外的其他信号通路也参与了TGF-β信号在LECs中的传递，参与PCO的发生、发展过程，如：Rho/Rock、PI3K/AKT、MAPK、Wnt、Notch及整合素信号转导通路等。TGF-β在LECs信号转导中的广泛影响以及所涉及的信号通路的多样性，使其成为防治PCO极具潜力的靶点。

在很多研究中，特别是在癌细胞侵袭方面 [26]，证实骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein, $BMPs$ )信号通路可以对抗TGF所致的细胞EMT。最新研究发现 [27] [28]，过表达BMP-7可以通过Wnt3/β-catenin信号通路对抗TGF-β所致的EMT。因此推测阻断BMP信号通路可导致EMT，可以作为未来PCO防治的又一靶点。

3.3.2. 其他生长因子

除TGF-β外，其他信号分子也参与了PCO的发展。Iyengar等人对FGF-2、EGF、IGF-I和PDGF-A进行了比较研究 [29]，发现诱导LECs增殖是多个生长因子的组合作用，而FGF是一个关键的调节因子。

1) 成纤维细胞生长因子(fibroblast growth factor, FGF)：FGF家族成员在建立和维持正常的晶状体结构和功能方面发挥着重要作用，其中FGF-2在体外对正常LECs的增殖、迁移和纤维分化均有影响。既往研究表明，FGF-2通过促进LEC增殖和诱导EMT标志蛋白(α-SMA、I型胶原和纤连蛋白等)表达在PCO中发挥作用。此外，FGF-2已经被证明能够抵消TGF-β单独作用于LECs时对其增殖所产生的抑制作用 [30]，FGF-2可刺激LECs的增殖加快。这表明了信号系统的复杂性，并提出假设：单独靶向TGF-β是否能够完全防止PCO的形成。

2) 肝细胞生长因子(HGF)：Choi等确定了HGF在LECs增殖过程中的体外诱导作用 [31]，由cyclin D1蛋白引起，并受MAPK和PI3K/AKT通路调控。HGF的成熟形式可与肝素结合成糖胺聚糖肝素 [32]，从而抑制LECs的增殖，这可能是由于它与生长因子有一定的亲和力。

3) 表皮生长因子(epidermal growth factor, EGF)：多个研究表明，EGFR在PCO形成中起着重要的作用，阻碍EGFR信号通路能有效抑制LECs增殖。黄等人通过在体外使用靶向EGFR的小干扰RNA (siRNA)抑制了LECs的增殖 [33]，证实EGF对LECs的影响。通过对大鼠LECs的研究发现EGF单独或与TGF-β协同可加快Smad、ERK和EGFR磷酸化水平的速度 [34]，并改变下游靶基因的表达水平从而增强LECs的EMT。

另外，EGFR是热休克蛋白90 (heat shock protein 90, $HSP90$ )的直接靶向蛋白，其相关信号通路受HSP90的调控作用。在PCO发生过程中HSP90的表达升高，EGFR信号通路上调，并参与囊袋残留上皮细胞增生。研究发现 [35]，HSP90特异性抑制剂17AAG能有效抑制LECs的增殖，且有时间和浓度依赖性。17AAG通过抑制HSP90-EGFR信号通路抑制大鼠和兔晶状体囊袋残留LECs增殖过程。因此认为HSP90可能是预防PCO的一个新的靶向分子。

4) 血小板源性生长因子(platelet-derived growth factor, PDGF)：综合相关文献发现，PDGF对白细胞及成纤维细胞具有同一趋化性，可直接刺激成纤维细胞胶原化、促进细胞分裂。一项研究发现 [36]，PDGF可通过PI3K/Akt信号通路诱导LECs发生迁移；另外一项研究表明 [18] [37]，血小板衍生生长因子-A (PDGF-A)通过介导炎症反应诱导LECs发生增殖和转分化。WU等的研究显示 [38]，PDGF-A阳性表达率在先天性白内障患儿术后房水中显著降低，其水平与术后PCO的严重程度呈正相关，故可用于临床评价PCO患者的病情进程。

5) 结缔组织生长因子(connective tissue growth factor, CTGF)：研究表明 [28]，CTGF为TGF-β2的效应基因，最近被发现可通过Smad信号通路参与人LECs中EMT相关的ECM重塑。CTGF可诱导R-Smads激活，而沉默CTGF则抑制了TGF-β2诱导的R-Smads的磷酸化。

6) 氧化应激和炎症因子：白内障手术产生的氧化应激和炎症反应对PCO也起着关键作用，糖醛还原酶的增加以及谷胱甘肽水平的持续下降使前房内活性氧远高于正常，促进LECs的增殖和EMT进程。缺氧诱导因子为缺氧、炎症、代谢适应和肿瘤进展之间的重要交汇点，同时也参与纤维化的进展过程，缺氧诱导的EMT需要功能性的Notch信号转导来驱动。从治疗的角度来看，细胞缺氧反应和Notch信号传导都涉及一系列病理过程和治疗靶点 [39]，特别是EMT相关疾病。EMT过程可由炎症反应引起，确切机制尚未完全清楚。朱晓华等研究发现转化生长因子-β [40]，核因子一KB和溴结构域蛋白4等多种细胞因子及信号通路参与了哮喘患者气道重塑EMT过程的分子调控，证实了炎症因子与EMT之间的关系。白内障手术可早期激活LECs中的EGR1 [41]，激活的EGR1参与调控LECs的炎症反应和EMT，敲除EGR1可以减轻上述炎症反应和EMT。一项在小鼠的体内实验中发现 [42]，白内障术后房水中炎症因子的上调早于活化的TGF-β含量的升高，并且与TGF-β的信号传递正相关，提示有可能炎症因子作为启动环节激活了TGF-β。Ma等提出白细胞介素-6可促进人LECs中FN、TGF-β、JAK2/STAT3信号通路的表达 [43]，进而促进PCO的发展，抑制JAK/STAT3信号转导能有效地防止大鼠晶状体囊中ECM的合成。Zhang等人证实了肿瘤坏死因子-α诱导IV型胶原的转录和翻译 [2]，IV型胶原存在于正常晶状体中，但也可能与EMT相关的ECM沉积有关，但其参与PCO的具体作用机制尚不清楚。综上，某些炎症因子及其相关信号通路参与了PCO发生过程中LECs的增殖、EMT及ECM沉积等。

3.3.3. 组蛋白脱乙酰酶(Histone Deacetylase, $HDAC$ )

HDAC介导的表观遗传机制在细胞周期调控中发挥核心作用，最近被发现参与了LECs的EMT过程 [44]，抑制HDACs可通过抑制P13K/Akt、MAPK和ERK1/2通路抑制Smad2磷酸化和LECs增殖，表明HDAC抑制剂在PCO预防中发挥一定的作用。目前对表观遗传机制背后的过程知之甚少，到目前为止，已经描述了18种HDAC亚型，可分为4类。在TGF-β2诱导的LECs EMT中，I类和II类HDACs的亚型被发现上调。

综上所述，多种细胞因子通过多种信号通路对PCO发病产生影响，一种细胞因子在PCO发生不同阶段中的所起到的作用也不相同。比如，TGF-β在PCO发生机制中起着首要作用，关键在于其诱导LECs发生EMT，同时EGF、CTGF、HDACs、炎症因子等均可协同参与EMT相关的ECM重塑，但BMPs却可以对抗TGF所致的EMT。TGF-β在LECs增殖方面起着抑制作用，这种抑制作用可以被FGF-2、HGF、EGF、HDACs、HSP90、PDGF-A等抵消，加速囊袋残留上皮细胞增生。另外，PDGF等还能诱导LECs发生迁移。PCO发生过程中LECs的增殖、迁移、EMT及ECM沉积等是多种细胞因子共同参与的结果，不同细胞因子在PCO进程中所起作用也不相同，其机制还有待研究和探索。

4. 总结及未来展望

综上所述，PCO是白内障术后常见的并发症，PCO的发展主要包括残留LECs的增殖、迁移、EMT及ECM沉积等过程。自EMT过程被认识以来，多种细胞因子、多种信号转导通路及信号分子被发现参与了PCO的形成，其中TGF-β扮演着最重要的角色。对细胞因子及信号通路的研究为PCO的预防提供了可能的靶点。由于信号系统及其相互作用的复杂性，仅针对某一因素很难找到解决PCO的方法，需要结合多种致病因素在PCO发生发展过程中所起的作用，为后发性白内障的防治提供新的思路。我们期望在未来的研究中，针对PCO发生的基础生物过程研发出的新型治疗技术可以在PCO的预防上有更大的应用前景。

致谢

感谢学校及导师的支持。

基金项目

安徽高校研究生科学研究项目(No.YJS20210543)；安徽高校自然科学研究项目(No.KJ2021A0718)；蚌埠医学院自然科学重点项目(No.BYKY2019021ZD)。

文章引用

胡亚茹,谢尚论,王剑锋. 后发性白内障相关细胞因子及其信号通路研究进展
Advances in the Study of Cytokines and Their Signaling Pathways Associated with Posterior Cataract[J]. 眼科学, 2022, 11(02): 193-200. https://doi.org/10.12677/HJO.2022.112027

参考文献