Сахарный диабет (СД) — одно из самых распространенных хронических заболеваний в мире. Так, по данным Международной федерации диабета (IDF), в 2017 г. число людей, болеющих СД, возросло до 425 млн, тогда как в 1980 г. этот показатель составлял около 108 млн [1]. По прогнозам IDF, к 2045 г. ожидается увеличение числа пациентов с СД до 630 млн.
На 31.12.16, по данным Государственного регистра С.Д. Российской Федерации (РФ) (85 субъектов РФ), число пациентов с СД составило 4,348 млн, из них 255 385 человек с СД 1-го типа (СД1), а 4 млн — с СД 2-го типа (СД2) [2]. Для сравнения, в 2010 г. было зарегистрировано 3,163 млн пациентов с СД, что указывает на неуклонное и стремительное прогрессирование частоты возникновения данного заболевания.
При СД происходит в той или иной мере поражение всех органов и систем. У пациентов с СД параллельно с поражением мелких сосудов (микроангиопатия) происходит поражение магистральных сосудов (макроангиопатия) [3, 4]. Классическими проявлениями макроангиопатии являются инсульт, ишемическая болезнь сердца и окклюзионные заболевания артерий нижних конечностей [5]. Клинически микроангиопатия проявляется поражением почек (диабетическая нефропатия), периферических нервов (диабетическая полинейропатия), сосудов сетчатки (диабетическая ретинопатия — ДР) [3].
Среди осложнений СД, которые наиболее часто приводят к снижению качества жизни, можно выделить диабетическую нейропатию (ДН) и ДР [6]. Частота выявления ДН среди пациентов с СД варьирует от 25 до 100% [7, 8]. Одной из форм ДН является диабетическая автономная нейропатия (ДАН), которая развивается вследствие поражения центрального или периферического отдела нервной системы [7]. Среди разнообразных клинических проявлений ДАН можно выделить нарушение зрачковых реакций [9—11]. Величина зрачка определяется балансом взаимодействия между двумя гладкими мышцами радужки — сфинктером и дилататором, которые имеют парасимпатическую и симпатическую иннервацию соответственно. На сегодняшний день известно, что у пациентов с СД реакция зрачка на медикаментозное расширение медленнее и меньше по амплитуде, чем у здоровых лиц [12—14]. Изменение диаметра зрачка является высокочувствительным методом, при помощи которого выявляется вегетативная дисфункция при СД [14].
Как правило, у пациентов с ДН выявляется и ДР [15]. По данным зарубежных авторов, распространенность ДР составляет от 30 до 60% [16]. Так, в США, Японии, Великобритании эта цифра достигает 35% [17—19]. В РФ в среднем каждый 5-й пациент (а это около 17% больных с СД) имеет проявления ДР. У взрослых пациентов (старше 18 лет) с СД1 частота встречаемости ДР составляет 35%, а с СД2 — 16,67% [20]. Пролиферативная Д.Р. и диабетический макулярный отек являются наиболее распространенными причинами, которые приводят к потере зрения [21].
В течение длительного изучения СД разными авторами было предложено множество классификаций Д.Р. На сегодняшний день наиболее распространенными являются Итоговая шкала тяжести диабетической ретинопатии ETDRS (1991) и классификация E. Kohner и M. Porta Оценка тяжести ДР по ETDRS объемна и в основном применяется в крупных исследованиях. В клинической практике наиболее часто используется классификация, разработанная E. Kohner и M. Porta в 1991 г. и одобренная ВОЗ. В соответствии с этой классификацией выделяют 3 стадии ДР.
I. Непролиферативная ретинопатия (ДР I), или фоновая Д.Р. Характеризуется изменениями сетчатки в виде микроаневризм, небольших геморрагий в центральной зоне или по ходу крупных вен, экссудативных очагов с четкими или расплывчатыми границами, локализующихся в макулярной зоне.
II. Препролиферативная ретинопатия (ДР II) — стадия клинических предвестников перехода заболевания в пролиферативную форму. Характеризуется наличием венозных аномалий (четкообразность, извитость вен, наличие петель, удвоение и/или выраженные колебания калибра сосудов), твердых и «ватообразных» экссудатов, интраретинальных микрососудистых аномалий (ИРМА), крупных ретинальных кровоизлияний.
III. Пролиферативная ретинопатия (ДР III). Характеризуется распространением патологических изменений сетчатки. При данной стадии имеются неоваскуляризация диска зрительного нерва и/или сетчатки, кровоизлияния в стекловидное тело.
До недавнего времени ДР считалась микрососудистым заболеванием. Однако за последние десятилетия было выполнено немало важных исследований, которые показали наличие и другого компонента в патогенезе ДР [22]. Результаты многих работ указывают на нейрональные механизмы в патофизиологии данного заболевания.
В 1961 г. J. Wolter выявил у пациентов с СД нейродегенеративные изменения в сетчатке. В своем исследовании он наблюдал атрофию ганглиозных клеток сетчатки и дегенерацию внутреннего ядерного слоя, что позволило предположить, что при СД происходит апоптоз нейронов и это может быть первичной патологией, которая впоследствии вызывает микрососудистые нарушения в сетчатке [23]. В 1962 г. J. Bloodworth опубликовал работу, в которой описал гистологическую картину 295 случаев изменений сетчатки при СД, которые наблюдал во внутреннем плексиформном слое и ганглиозных клетках. В данных срезах сетчатки он описывал пикноз и фрагментацию ядра ганглиозных клеток [24]. На сегодняшний день эти изменения являются признаками апоптоза. Основываясь на этих данных, автор выдвинул гипотезу: «ДР представляет собой комплекс дегенеративных изменений всех структур сетчатки, вероятнее всего, из-за метаболических или ферментативных нарушений в клетках, по всей видимости, не связанных с кровоснабжением».
Нейродегенеративные изменения сетчатки у пациентов с СД вызывали большой интерес у ученых. Группа исследователей из Канады во главе с Т. Scott в 1986 г. изучала крыс с индуцированным стрептозоцином С.Д. Они наблюдали изменения кровеносных сосудов, аксонов и глиальных клеток зрительного нерва на 12-й и 16-й неделе [25]. В результате было обнаружено уменьшение числа нервных волокон, увеличение количества и гипертрофия глиальных клеток. Самым интересным, с точки зрения автора, было то, что морфологических изменений в кровеносных сосудах не наблюдалось. В 1998 г. А. Barber и соавторы опубликовали экспериментальную работу, которая показала увеличение дегенерации нервных клеток в сетчатке у пациентов с С.Д. Было продемонстрировано, что толщина внутреннего плексиформного и внутреннего ядерного слоев уменьшается через 7,5 мес у крыс со стрептозоциновой моделью СД, вероятнее всего, за счет апоптоза ганглиозных клеток и других нейронов [26].
Взаимодействие нервной и сосудистой систем
Микроциркуляторная часть сосудистого русла, нейроны сетчатки, глия и микроглия взаимодействуют между собой, формируя нервно-сосудистый аппарат, который поставляет нужное количество кислорода и энергетических субстратов для нейронов сетчатки, а также участвует в рециркуляции нейротрансмиттеров и удалении отходов [27, 28]. Данные процессы имеют важное значение для нормального функционирования сетчатки и позволяют нейронам адаптироваться к различным физиологическим процессам.
В сетчатке имеются три слоя нервных клеток и два слоя синапсов [27]. Внешний ядерный слой содержит ядра фоторецепторов (палочки и колбочки), которые отвечают за фототрансдукцию. Слой ганглиозных клеток содержит ядра ганглиозных клеток, которые являются нейронами второго порядка. Между наружным и внутренним слоем присутствуют биполярные клетки, благодаря которым происходит контакт фоторецепторов и ганглиозных нейронов, а также имеются горизонтальные и амакриновые клетки, осуществляющие горизонтальную связь между всеми клеточными элементами сетчатки [27, 29, 30]. Между ганглиозными клетками и фоторецепторами находятся два слоя нервных сплетений с множеством синаптических контактов. Это наружный плексиформный (сетчатый) и внутренний плексиформный (сетчатый) слои. В наружном плексиформном слое происходит связь между палочками/колбочками и биполярными клетками, а во внутреннем плексиформном — сигнал переключается с биполярных клеток на ганглиозные нейроны, а также на амакриновые и горизонтальные клетки [27, 29].
Кровоснабжение сетчатки осуществляется из двух источников. Первый — бассейн центральной артерии сетчатки, питающий внутренние слои; второй — хориокапилляры, снабжающие кровью наружные слои (слой фоторецепторов, наружный ядерный и наружный сетчатый слои) [27, 30, 31]. Выделяют два сосудистых сплетения сетчатки: поверхностное и глубокое. Поверхностное находится в слое нервных волокон на уровне ретинальных артериол и венул, а глубокое — между внутренним ядерным и наружным плексиформным слоем и также состоит преимущественно из капилляров [31]. Можно выделить несколько региональных анатомо-физиологических особенностей системы кровообращения сетчатки, которые связаны с ее высокой метаболической активностью. Во-первых, перфузионное давление в ретинальных сосудах значительно выше, чем в других капиллярах большого круга кровообращения. Во-вторых, отсутствуют анастомозы между хориоидальной и ретинальной системой циркуляции крови. В-третьих, между поверхностным и глубоким сплетением ретинальной системы гемоциркуляции нет сообщений. В-четвертых, в сетчатке отсутствует лимфатическая система.
Возникающие при СД нейродегенеративные изменения усугубляют функциональные нарушения, развивающиеся вследствие изменений микроциркуляторного русла. К компонентам нейрососудистого аппарата, помимо нейронов, мюллеровских клеток, астроцитов и микроглии, также относятся клетки стенки микрососудов — эндотелиоциты и перициты [27].
Эндотелиальные клетки. Эндотелиальные клетки сосудов сетчатки выстилают их внутреннюю поверхность, образуя полупроницаемый барьер между просветом сосудов и сетчаткой [32]. В ответ на системные или местные химические колебания эндотелиальные клетки выделяют вазоактивные вещества, вызывающие вазодилатацию или вазоконстрикцию сосудов. В стрессовых условиях, таких как гипергликемия, нарушаются плотные контакты между эндотелиальными клетками, в результате чего повышается сосудистая проницаемость [27, 33].
Перициты. Считается, что перициты имеют решающее значение в формировании гематоретинального барьера сетчатки и играют одну из главных ролей в поддержании нервно-сосудистого аппарата глаза [27, 33]. От эндотелиальных клеток перициты, как правило, отделяет базальная мембрана, однако между ними осуществляется взаимосвязь за счет отверстий в базальной пластинке [33]. Перициты экспрессируют рецептор фактора роста тромбоцитов β (PDGFRβ) и CD146. В последних исследованиях было отмечено, что перициты также экспрессируют нейронный/глиальный антиген 2 (NG2) [34]. Перициты участвуют в стабилизации эндотелиальных клеток, регуляции кровотока, индуцируют изменение диаметра капилляров в ответ на колебания нейротрансмиттеров. Утрата перицитов — один из первых характерных признаков ДР.
Нейроны. Нейроны второго и третьего порядков непосредственно связаны с капиллярами и участвуют в регуляции кровотока через глиальные клетки и перициты. С помощью световой стимуляции происходит активация ганглиозных и амакриновых клеток, в результате в прилегающих глиальных клетках происходит увеличение внутриклеточного кальция (Са2+), который участвует в регуляции нейрососудистых связей [27].
Мюллеровские клетки. Мюллеровские клетки встречаются только в сетчатке и пронизывают все ее слои, они имеют тесную взаимосвязь с нейронами и сосудами сетчатки и участвуют в поддержании гематоретинального барьера [27, 35]. Повреждение мюллеровских клеток является ранним проявлением ДР, что, по мнению ряда авторов, впоследствии приводит к сосудистой дисфункции [28, 36, 37]. В 1995 г. была опубликована новаторская работа Н. Hammes и соавторами, которая показала, что мюллеровские клетки, так же как нейроны и микрососудистые клетки, проявляют признаки апоптоза и повышают экспрессию промежуточного глиофибриллярного кислого белка при развитии ДР у пациентов с СД. А в более поздних исследованиях было показано, что высокий уровень глюкозы в крови индуцирует апоптоз в изолированных мюллеровских клетках человека и крыс.
Астроциты. Астроциты участвуют в поддержании гематоретинального барьера и имеют взаимосвязь с нейронами сетчатки и капиллярами [38]. Так же как и мюллеровские клетки, они выполняют структурную и метаболическую поддержку нейронов сетчатки. В ответ на нейрональную активность астроциты способны выделять вазоактивные вещества (оксид азота, простагландины), которые приводят к вазоконстрикции или к вазодилатации.
Микроглия. Микроглия обнаруживается во всех слоях сетчатки. Однако функции микроглии сетчатки до сих пор не исследованы. К микроглии в настоящее время относят макрофаги центральной нервной системы [33]. Доказано, что, по крайней мере, часть из них является производными стволовых клеток костного мозга. Также существует версия их происхождения из мезенхимы зрительного нерва. В норме микроглиальные клетки находятся в неактивном состоянии, но при таких процессах, как инфекция или СД, происходит их активация. Предполагают, что микроглия участвует в патогенезе Д.Р. Так, в 2000 г. Х. Zeng и соавторы продемонстрировали, что всего через 1 мес после развития индуцированного стрептозоцином СД у крыс происходит активация и гипертрофия микроглиальных клеток [39]. Также наблюдается изменение формы клеток микроглии и увеличение их количества в сетчатке у пациентов с СД [40, 41]. Существуют данные, которые свидетельствуют о том, что активированная микроглия усиливает продукцию реактивных форм кислорода (ROS), тем самым способствуя апоптозу перицитов [42].
Патогенез нейродегенерации
На сегодняшний день выделяют несколько важных механизмов, которые приводят к нейродегенеративному процессу в сетчатке при СД: накопление внеклеточного глутамата, окислительный стресс, снижение нейропротекторных факторов, которые синтезируются сетчаткой [43].
Внеклеточное накопление глутамата. Нейротрансмиттер глутамат имеет важное значение в передаче сигнала между нейронами. Однако чрезмерное повышение его содержания на пресинаптическом уровне вызывает нейродегенеративные изменения, данное состояние принято характеризовать как эк-сайтотоксичность [28, 43, 44]. В сетчатке пациентов с диабетом содержание глутамата возрастает в 1,6 раза [37]. Это связано с уменьшением активности и содержания глутаминсинтетазы (M. Mizutani и соавт., 1998), а также со значительным снижением окисления глутамата в сетчатке пациентов с СД [45]. Избыточное накопление глутамата в синаптической щели вызывает активацию глутаматных рецепторов, таких как альфа-амино-3-гидроксил-5-метил-4-изоксазол-пропионовая кислота (AMPA) и N-метил-D-аспартат (NMDA), что приводит к неконтролируемому повышению уровня внутриклеточного Ca2+. В свою очередь избыточное накопление кальция внутри клетки активирует ряд ферментов (протеазы, фосфолипазы, эндонуклеазы), которые запускают апоптоз [28, 43].
Окислительный стресс. Свободные радикалы постоянно образуются во всех клетках как часть нормальной клеточной функции. Около 95% кислорода используется в обменных процессах, но около 5% потребляемого кислорода превращается в реактивные формы кислорода [46]. Организм имеет очень эффективную антиоксидантную систему, которая состоит из эндогенных ферментных ловушек, с помощью которых производится детоксикация ROS. При патологических состояниях, таких как СД, происходит дисбаланс между производством и детоксикацией свободных радикалов. Это приводит к высокому уровню ROS в организме, тем самым вызывая окислительный стресс. Реактивные формы кислорода влияют на структуры других соединений, таких как дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), которая в свою очередь может привести к клеточной или тканевой дисфункции [28]. Существуют новые данные о том, что окислительный стресс влияет не только на клетки микрососудов сетчатки, но и на нервные клетки, в частности ганглиозные нейроны [47, 48].
Снижение нейропротекторных факторов. У пациентов с СД снижено образование в сетчатке нейропротекторных факторов, таких как пигментный фактор эпителиального происхождения (PEDF), соматостатин (SST), интерстициальный ретинолсвязывающий белок (IRBP), фактор роста нервов (NGF) [28, 46]. PEDF в основном синтезируется пигментным эпителием сетчатки и играет ключевую роль в гомеостазе сетчатки. Пигментный фактор ингибирует ангиогенез и нейродегенерацию при СД [49] путем повышения экспрессии глутаминсинтазы, тем самым предотвращая эксайтотоксичность [50], а также путем снижения оксилительного стресса [51]. Было выявлено, что содержание IRBP снижается у пациентов с СД уже на начальных стадиях, когда еще не обнаружены пролиферативные изменения; была установлена связь данного процесса с нейродегенеративными изменениями сетчатки [52]. SST, так же как PEDF, синтезируется в пигментном эпителии сетчатки, имеет антиангиогенные и нейропротекторные свойства. Снижение синтеза соматостатина в сетчатке происходит на очень ранних стадиях ДР и имеет связь с нейродегенерацией [53]. В 1995 г. Н. Hammes и соавторы выявили, что фактор роста нервов участвует в патогенезе ДР [54]. В своей работе они показали, что лечение крыс с индуцированным СД NGF предотвращает апоптоз ганглиозных клеток.
В 2014 г. была опубликована работа R. Simo и C. Hernandez, в которой была показана тесная взаимосвязь микрососудистых и нейродегенеративных нарушений [43]. Данная схема показывает основные механизмы возникновения ДР (см. рисунок).
Длительно существующая гипергликемия приводит к повышению уровня внеклеточного глутамата, который в свою очередь активирует NMDA- и AMPA-рецепторы, которые через каскад реакций запускают апоптоз нейронов. Одновременно с этим происходит снижение нейропротекторных факторов, таких как SST и PEDF. Все это приводит к увеличению содержания фактора роста эндотелия сосудов (VEGF), а также вызывает нейрональный апоптоз и дисфункцию глиальных клеток. Данный каскад реакций в конечном итоге приводит к нарушению гематоретинального барьера и повреждению нейрососудистого аппарата [27]. Считается, что основная реакция микрососудов сетчатки при хронической гипергликемии — потеря перицитов с образованием впоследствии неперфузируемых капиллярных зон [53].
Таким образом, ДР может считаться не только микрососудистым, но и нейродегенеративным заболеванием глаза. Во многих исследованиях показано, что СД нарушает функцию нейронной сети сетчатки еще до того, как она может пострадать от изменений проницаемости гематоретинального барьера. Концепция нейродегенерации как раннего компонента ДР является основанием для исследования альтернативных методов лечения в целях предотвращения потери зрения при СД.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Сведения об авторах
Кулыбышева Валерия Сергеевна — аспирант
e-mail: valeri91@mail.ru
https: //orcid.org/0000-0001-5110-8319