青海大学，青海 西宁

收稿日期：2022年10月3日；录用日期：2022年10月27日；发布日期：2022年11月8日

摘要

缺血、缺氧是糖尿病视网膜病变(diabetic retinopathy, DR)、视网膜静脉阻塞(retinal vein occlusion, RVO)、高海拔视网膜病变(high altitude retinopathy, HAR)和年龄相关性黄斑病变(Age-related Macular Degeneration, AMD)及早产儿视网膜病变(retinopathy of prematurity, ROP)等常见视网膜病变的重要病理生理因素。近年来，关于缺血缺氧性视网膜病变机制的研究热点集中于一氧化氮合酶(Nitric oxide synthases, NOS)。本文主要从NOS在不同种类缺血、缺氧性视网膜病变中的作用机制角度进行综述。

关键词

一氧化氮合酶，低氧，视网膜

Nitric Oxide Synthase and Ischemic Hypoxic Retinopathy

Yujie Guo, Na Li

Qinghai University, Xining Qinghai

Received: Oct. 3^rd, 2022; accepted: Oct. 27^th, 2022; published: Nov. 8^th, 2022

ABSTRACT

Ischemia and hypoxia are important pathophysiological factors of common retinopathy of diabetic retinopathy (DR), retinal vein occlusion (RVO) and high altitude retinopathy retinopathy (HAR), Age-related Macular Degeneration (AMD) and retinopathy of prematurity ROP), etc. In recent years, the research focus on the mechanism of ischemic hypoxic retinopathy is on Nitric oxide synthases (NOS). This article mainly reviews the mechanism of NOS in different kinds of ischemic and hypoxic retinopathy.

Keywords:Nitric Oxide Synthase, Hypoxia, Retina

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1. NOS在不同种类缺血、缺氧性视网膜病变中的作用机制

1.1. NOS与DR

DR的病理特征之一是视网膜微循环障碍导致的血管病变。先前的研究发现，除内皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase, eNOS)外，诱导型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase, iNOS)在DR血管病变的早期发病机制中起关键作用，DR动物模型实验中，NO含量的增高导致DR中视网膜功能受损，iNOS缺乏的小鼠视网膜毛细血管损伤较轻，而这种损伤是通过测量iNOS的表达增高来解释的 [1] [2]。因此，iNOS已被确定为DR早期阶段相关的血管变化中最重要的原因之一。有研究发现，与非糖尿病组大鼠的视网膜相比，糖尿病组大鼠视网膜中的iNOS的活性和L-精氨酸(L-arginine, L-arg)的转运易与亲和力较低的载体发生结合作用，这种作用与NO增加L-精氨酸的细胞内池活性有关。而在非胰岛素依赖型糖尿病大鼠中，血–视网膜屏障(blood-retinal barrier, BRB)通透性增加导致iNOS活性增高，由iNOS介导的蛋白质表达水平有所增加，继而产生的高浓度NO可能导致神经毒性作用和异常血管生成 [3]。有实验研究发现在早期糖尿病大鼠视网膜中，iNOS的表达上调，与血液循环障碍、局部视网膜缺氧密切相关，提示抑制iNOS的表达有助于预防DR的发生 [4]。

有学者在胍丁胺对糖尿病大鼠模型的视网膜保护作用的研究中发现，NO是一种强氧化剂，由于iNOS的过量传递，引起视网膜细胞发生炎症反应、硝基氧化应激反应，导致线粒体功能障碍和细胞凋亡，p38MAPK和JNK通路被激活，会触发NOS过度激活，继而产生过量NO介导炎症反应，而这种炎症反应与NO的相互作用就会加速细胞调亡，上述发现表明胍丁胺是所有NOS同工酶的竞争性抑制剂 [5]。有研究表明，高血糖水平和细胞增殖之间的联系可能包括通过激活p38丝裂原活化蛋白激酶、氧化应激以及直接抑制eNOS和超氧阴离子过量产生来降低NO生物利用度和加速细胞衰老 [6]。此外，有研究表明褪黑激素(melatonin, MT)作为一种有效的抗氧化剂，可以降低视网膜中的活性氧自由基和NOS的活性，对糖尿病大鼠中视网膜过氧化氢酶活性有维持作用，同时它还可以刺激其他抗氧化剂的产生(如谷胱甘肽)而延缓DR的发展 [7]。有研究发现在糖尿病的早期发病通过提高视网膜小动脉中精氨酸酶的活性，选择性地损害视网膜eNOS介导的血管扩张 [8]。DR早期血管损伤是通过抑制视网膜小动脉中NOS而不是环氧化酶-2 (COX-2)信号通路来促进内皮(endothelial cell, EC)功能障碍，而带有精氨酸酶活性的药物能够在此时期阻断完全恢复的小动脉血管的扩张功能，这是糖尿病早期视网膜微血管治疗、改善视网膜缺血的一个有益的临床靶点 [9]。

有研究发现，DR中eNOS表达的降低与eNOS基因多态性有关，在对不同种族的人群研究中发现，1型糖尿病和2型糖尿病的研究结果显示：2型糖尿病患者eNOS基因启动子区T-786C、内含子区27-bp、重复序列4b/4a及外显子区Glu298Asp基因多态性使eNOS表达受损从而促使视网膜黄斑水肿发展及BRB破坏，而1型糖尿病的研究却相反，这提示基因多态性与病程持续时间短的1型糖尿病所致的DR无相关性 [10]。

iNOS在DR发病机制中的损伤作用和eNOS的保护作用学界观点基本一致，他们均认为NOS在DR发病机制中起到了至关重要的作用 [11]。基因多态性的发现也将是研究DR与NOS新的切入点。进一步研究NOS及其参与的信号通路与DR血管损伤的关系、研究NOS参与氧化应激与细胞凋亡、增殖的机制，有助于从分子水平上阐明DR的发病机制，进而为其临床诊治奠定基础。

1.2. NOS与RVO

RVO是一种相对常见的可导致视网膜出血和黄斑水肿的视网膜血管疾病，水肿反过来会导致视力障碍，水肿是由于血视网膜屏障破坏引起的视网膜血管通透性增加和白细胞停滞引起的 [12]。目前抗血管内皮生长因子(anti-VEGF)化合物是唯一获准用于RVO眼睛的治疗方法。视网膜非灌注区的大小是治疗RVO的一个重要标志，因为它与视觉损伤程度密切相关，未灌注的视网膜可导致不同程度的视网膜缺血、缺氧，其大小取决于视网膜静脉血栓形成的程度 [13]。早期研究结果表明，激肽原酶可以保护血管内皮细胞，可显着降低缺血–再灌注引起的高渗透性，此外，激肽原酶还可以减轻由缺血–再灌注引起的视网膜功能障碍 [14]，激肽原酶通过磷酸化eNOS使链脲佐菌素诱导的糖尿病大鼠的视网膜血管通透性变得正常。有研究表明，VEGF 165裂解激活的Akt-eNOS通路具有神经保护作用，激肽原酶通过Akt-eNOS通路依赖性磷酸化抑制水肿和非灌注区。因此，激肽原酶不仅具有改善脉络膜和视网膜循环障碍的作用，还具有神经保护作用 [15]。有研究结果表明，激肽原酶可能代表一种潜在的治疗靶点，通过eNOS的激活治疗RVO患者的视网膜水肿和非灌注区 [16]。早期的研究中发现，含有exendin-4的眼药水能够有效预防视网膜神经退行性改变，是由于eNOS的激活对血管具有保护作用 [17]。因此exendin-4可以改善视网膜缺血-再灌注损伤引起的视网膜毛细血管收缩或阻塞，这为开发一种安全有效的眼药水提供了可能，用于视网膜缺血-再灌注损伤后的眼部疾病，如RVO [18]。

结合上述研究观点，笔者认为针对RVO的发病机制，NOS破坏BRB的作用是肯定的，这一作用使得在RVO在治疗方法上，抗VEGF治疗原理与NOS及其相关信号通路密切相关。然而，与血管舒张收缩调控相关的信号通路不仅包括Akt-eNOS和COX的信号通路，还包括ET-1和脑钠肽等其他介质，在既往实验研究中未对这些通路进行评估。此外，对早期RVO患者视网膜血管eNOS表达增高的原因，建造动物实验模型可能适合用于更全面的机制研究。

1.3. NOS与AMD

AMD是一种与年龄相关的血管性疾病，其特征是脉络膜灌注降低导致新生血管长入视网膜色素上皮层，感光细胞的死亡和随后的视力丧失是AMD的终点。AMD患者的视网膜细胞层和核层细胞数量及功能会在病情发展的过程中显着降低。一般而言，AMD患者的视网膜中产生的NO较正常眼少，这可能与eNOS和神经型一氧化氮合酶(Neuronal nitric oxide synthase, nNOS)表达的减少、视网膜神经元变性、血管收缩和血流动力学变化有关 [19]。AMD显著影响黄斑区的下部分，异常的脉络膜血液供应可能会影响视网膜正常功能，导致视力下降。既往实验研究中将nNOS的免疫反应定位于视网膜色素上皮层细胞和视网膜核层细胞、神经纤维层细胞和脉络膜血管内皮细胞，eNOS和iNOS的免疫反应几乎完全局限于视网膜和脉络膜血管 [20]。在AMD 患者的视网膜中，nNOS和eNOS的免疫反应导致视网膜和脉络膜血流明显降低，血管收缩等血流动力学变化 [21] [22]。这些发现说明少量的NO可能在减少黄斑区血容量中起关键作用。有学者研究发现，AMD患者视网膜中BRB通透性明显增加，在氧诱导视网膜病变小鼠中，药物抑制NOS的产生可以降低由于BRB通透性增加引起的血管渗漏。因此，NOS抑制剂与抗VEGF药物联合应用，低剂量仍然有效，并具有临床效益 [23]。越来越多的证据表明AMD造成的黄斑水肿过程中，伴随脉络膜新生血管的形成，下调Akt活性能够减弱视网膜内皮细胞血管生成，这说明该过程与Akt/eNOS信号通路有直接的相关性 [24]。

笔者认为，AMD对患者视功能方面的影响，主要取决于脉络膜正常的血液及氧气供应。以上的研究表明，NOS在AMD发病机制中贯穿整个疾病的发展过程，早期的免疫反应影响BRB的通透性从而导致血管渗漏，晚期通过激活Akt/eNOS信号通路影响血管新生。因此，NOS有可能成为治疗和预防AMD的新靶点，这需要更多确切的证据来肯定NOS在AMD中的作用。

1.4. NOS与HAR

高海拔视网膜病变(high altitude retinopathy, HAR)是由于外部环境因素(高压、低氧)，导致视网膜氧代谢发生异常而形成的视网膜病变。其生理病理变化包括视网膜血管的扩张及出血、视网膜静脉的阻塞、视盘水肿等。目前HAR的发病机制为：BRB通透性增加、视网膜神经细胞损伤、视网膜血管调节功能障碍和血流动力学变化。高海拔这种特殊的环境导致全身各器官血流动力学改变，血液中血红蛋白的含量增加，使血液粘稠度升高，导致视网膜微循环障碍，这可能与红细胞调节eNOS、ET-1表达有关 [25]。在有关实验研究中，采用缺氧条件下大鼠视网膜病变模型，发现eNOS表达降低，这与其上游VEGF以及缺氧诱导因子(hypoxi-inducible factor-1, HIF-1)的增高有关 [26]。VEGF作用于视网膜血管内皮细胞，增加了视网膜微血管通透性，这种破坏BRB的作用是与eNOS产生的NO一同产生的。

1.5. NOS与ROP

早产儿视网膜病变(retinopathy of prematurity, ROP)是发生在胚胎发育期间，视网膜血管生成过程中的缺血性视网膜病变，是早产儿主要的并发症之一，长时间吸入高浓度氧被认为是ROP的主要原因。前期有研究证明eNOS的缺失导致视网膜内皮细胞增殖减少(无论是离体还是体内)，继而影响生物体的发育 [27]。研究表明，在氧诱导视网膜病变(oxygen-induced retinopathy, OIR)模型的建立过程中，病理性新生血管形成通常会导致无法弥补的视力丧失 [28]。McGown等人在研究中表明，在eNOS敲除动物中，通过消耗eNOS从而降低过氧亚硝酸盐水平可减少视网膜血管内皮细胞的损伤，并增强高氧后的血管覆盖，这证明了eNOS衍生的过氧亚硝酸盐在促进血管消退中的作用 [29]。另一项研究中，高氧会耗尽新生儿视网膜中NOS辅助因子四氢生物蝶呤(BH₄)的水平，导致eNOS解耦联，从NO转变为O₂。BH4水平不足的情况下，增强内皮细胞特异表达eNOS的功能，这种转基因模型避免了高氧对BH₄缺乏的损害。利用eNOS促血管生成活性的优点，补充BH4也可以避免这种损害，保护内皮免受高氧损伤 [30]。

一项研究表明，eNOS对视网膜内皮尖端细胞活性的影响及其在血管前端的迁移速度至关重要 [31]，这说明eNOS衍生的 NO在视网膜血管生成中的作用，证明eNOS参与了EC中的极化程序，影响了它们的迁移和血管生成。有研究显示eNOS控制内皮细胞极化并影响内皮细胞极性基因的表达，eNOS衍生的NO对内皮粘附连接的直接作用，会加速视网膜血管疾病的发展。有实验结果证明通过直接影响ECs的极性程序，导致eNOS缺失，导致病理性新生血管生长入玻璃体，从而证明了eNOS在病理性血管生成中的多效性 [32]。由于视网膜表面的定向血运重建不是依靠无血管的玻璃体，因此eNOS的缺乏减少了病理性新血管形成。eNOS作为EC极性的调节剂，eNOS缺乏会导致视网膜表层的极化血管生长，在视网膜病变期间调节血管再生和病理性新生血管形成具有重要作用 [33]。eNOS在VEGF诱导的视网膜血管生成中起核心作用。在病理性新生血管形成过程中，研究发现缺乏eNOS诱导细胞极性通路启动，这会降低性尖端细胞的迁移，导致缺血性视网膜中存在的过量VEGF [34]。除VEGF外，其他内皮生长因子，如血管生成素，也参与调节正常和病理性视网膜血管生成，因此，新生血管生成受到VEGF和eNOS的正向机制调节。

2. 结语与展望

由于NO在缺血缺氧性视网膜病变中的作用是肯定的，NOS的三种亚型在视网膜疾病中均发挥着不同的重要作用，在已发表的关于NOS在缺血缺氧性视网膜病变中的作用的文章中，大多在其特异性抑制剂或者基因位点着手，试图干预缺血、缺氧性视网膜病变并发症的发生。比如先前已知eNOS参与视网膜血管生成，但eNOS如何调节这一过程仍不清楚。在各种常见缺血缺氧性视网膜病变中抗VEGF治疗已经收到良好的效果，并是目前针对RVO、AMD唯一的治疗手段，但现实的临床效果反映这种抗VEGF的治疗是因人而异的，并且多次注射增加了眼内炎发生的风险，以及带给病人经济上的负担，故研发可以延缓疾病进展的新的治疗方案十分必要。针对分子生物学机制的治疗方法已经在发挥其重要作用，相信NOS的研究前景会为缺血缺氧性视网膜病变的治疗及并发症的预防提供更有意义的价值。

文章引用

郭玉洁,李 娜. 一氧化氮合酶与缺血缺氧性视网膜病变
Nitric Oxide Synthase and Ischemic Hypoxic Retinopathy[J]. 临床医学进展, 2022, 12(11): 9946-9952. https://doi.org/10.12677/ACM.2022.12111434

参考文献