引用本文
孙隽然, 孙晓东. 光感受器与双极细胞间突触在视网膜脱离后的重塑[J]. 中华眼视光学与视觉科学杂志, 2017,19(1): 61-64.
SUN Junran, SUN Xiaodong. The remodeling of synapses between photoreceptors and bipolar cells after retinal detachment[J]. CHINESE JOURNAL OF OPTOMETRY OPHTHALMOLOGY AND VISUAL SCIENCE, 2017,19(1): 61-64.
Doi:10.3760/cma.j.issn.1674-845X.2017.01.012  
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光感受器与双极细胞间突触在视网膜脱离后的重塑
孙隽然, 孙晓东
200080 上海交通大学附属第一人民医院眼科 上海市眼底病重点实验室
通讯作者: 孙晓东,Email：xdsun@sjtu.edu.cn
收稿日期: 2016-11-14
基金资助: 国家杰出青年科学基金（81425006）
摘要

视网膜脱离（RD）是严重的致盲性眼病。近年来研究发现,RD后光感受器与双极细胞间突触结构会遭到破坏,这一组织学上的变化对RD患者术后视功能的恢复有着重要影响。现就光感受器与双极细胞间突触在RD后的重塑进行综述,探讨RD术后视功能恢复不良的可能机制。

关键词: 视网膜脱离; 光感受器; 视网膜双极细胞; 突触重塑
doi: 10.3760/cma.j.issn.1674-845X.2017.01.012
The remodeling of synapses between photoreceptors and bipolar cells after retinal detachment
SUN Junran, SUN Xiaodong
Department of Ophthalmology, Affiliated First People′s Hospital, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai Key Laboratory of Ocular Fundus Disease, Shanghai 200080, China
Corresponding author: SUN Xiaodong, Email: xdsun@sjtu.edu.cn
Fund:National Science Foundation for Distinguished Young Scholars (81425006)
Abstract

Retinal detachment (RD) is one of the major causes of visual impairment. Recent studies have revealed that disruption of the synaptic connectivity between photoreceptors and bipolar cells may play an important role in the recovery of visual function after retinal reattachment surgery. This article reviewed the structural and functional remodeling of synapses that may explain the mechanisms of visual function impairment after RD.

Keyword: Retinal detachment; Photoreceptors; Retinal bipolar cells; Synaptic remodeling

视网膜脱离（retinal detachment, RD）是严重的致盲性眼病, 目前为止, RD的主要治疗手段是采用手术方式使视网膜神经上皮层与色素上皮层达到解剖复位, 然而研究显示, 即使手术复位成功, 仍有30%~40%的患者术后视力< 20/40, 视功能不能得到良好恢复[1]; 其原因主要由于RD后光感受器发生变性及凋亡, 针对细胞凋亡的神经保护策略也取得了良好成效[2, 3]; 然而, RD发生后光感受器与双极细胞间的突触结构被破坏会引起视信息传导通路障碍, 即使保护光感受器, 视功能损伤仍不可避免, 而此方面研究较少, 本文拟就光感受器与双极细胞间突触在RD后的重塑进行综述, 探讨RD术后视功能恢复不良的可能机制。

1 光感受器与双极细胞间突触的结构特点

光感受器的终足与双极细胞树突末端所形成的突触位于外丛状层, 不同类型的细胞所形成的突触结构不同[4]。视锥细胞终足膨大, 可与多个双极细胞的树突形成突触, 而视杆细胞的终足呈小球状, 仅与单个双极细胞的树突形成突触。目前认为, 给光型视锥双极细胞（ON-cone bipolar cell, ON-CBC）及视杆双极细胞（rod bipolar cell, RBC）[5]的树突会与水平细胞的树突陷入突触前膜形成陷入型突触, 与光感受器终足的缎带突触相对, 其突触后膜表达代谢型谷氨酸受体6亚型（metabotropic glutamate receptors 6, mGluR6）, 有助于神经递质的传递; 而撤光型视锥双极细胞（ON-cone bipolar cell, OFF-CBC）的树突则直接与视锥细胞终足接触形成扁平型突触, 其突触前膜并无缎带突触, 其突触后膜表达离子型谷氨酸受体（ionotropic glutamate receptors, iGluRs）。突触结构的稳定是保证其功能的前提条件。

RD发生后突触结构会遭到破坏, Linberg等[6]研究发现, RD后3 d, 光感受器变性凋亡, 其轴突末端开始回缩至外核层, 突触前膜较前扁平, 从而使内陷型突触的深度及完整性遭到破坏, 失去突触后膜的视杆细胞轴突末端两两相对, 电镜下还可以观察到异常的缎带突触, 突触囊泡的数量减少, 双极细胞树突向外生长, 其直径小于正常树突, 研究发现树突外向生长发生在轴突回缩之后, 因此推测这是一种功能代偿的表现, 但具体机制仍不明确。同时, 免疫荧光显示在RD发生后外丛状层与外核层之间存在异位突触, 这些异位突触是单纯移位, 还是树突外向生长后与回缩的轴突所形成的突触?这些突触又是否在复位后回到外丛状层?是否存在功能?这些问题需要进一步研究。

在RD手术复位后, 光感受器的内节及外节可以得到不同程度的恢复[7], 但是突触结构是否恢复, 这个问题仍然有待解决。

2 RD引起光感受器与双极细胞间突触结构破坏的可能机制

RD后光感受器轴突回缩及双极细胞树突外向生长的机制目前还不明确, 然而有文献发现, 除了RD, 在视网膜色素变性、老年性黄斑变性等疾病中, 突触会发生同样的病理改变[8, 9], 研究认为这种改变可能与年龄增长, 光感受器发生退行性改变, 功能蛋白及骨架蛋白表达异常有关[9]。而在RD发生后, 由于神经上皮层与色素上皮层的分离, 光感受器失去色素上皮细胞营养代谢的支持作用以及脉络膜的血供, 通过激活线粒体通路、死亡受体通路、内质网介导的凋亡通路、细胞因子MCP-1相关凋亡通路发生凋亡, 另外也可以通过程序性坏死引起光感受器的死亡[10]。提示这种突触结构的改变可能与光感受器的变性凋亡关系密切。

光感受器的死亡为何会引起其轴突末端的回缩, 可能的机制如下：①光感受器死亡后, 其轴突末端缺乏必要的能量供给而发生变性回缩。Carletti等[11]发现, 在氧化应激的状态下, 微管蛋白的半胱氨酸残基被氧化, 从而抑制微管的聚合, 同时α 微管蛋白翻译后修饰的亚型Tyr-Tub也会受到细胞内异常增多的谷胱甘肽的影响, 打破微管聚合/解聚的动态平衡, 最终导致轴突末端的回缩。②在光感受器凋亡途径中激活的含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶（caspase）可以引起细胞骨架相关蛋白的活性下降, 如凝溶胶蛋白被caspase-3降解后影响肌动蛋白解聚[12], 除此之外, 大脑发育调节蛋白（drebrin）、树突棘素（spinophilin）、微管蛋白α （tubulin α ）等细胞骨架蛋白均被证实可以被caspase-6所降解[13], 细胞骨架被破坏从而引起轴突末端的回缩。③细胞内的RhoA-ROCK信号通路被激活也会影响细胞骨架。研究发现, 在RD的组织中可以检测到RhoA浓度升高, RhoA作为GTP酶家族的一员, 其下游效应分子丝氨酸/苏氨酸激酶Rho相关卷曲螺旋形成蛋白激酶（Rho associated coiledcoil forming protein kinase, ROCK）可以通过磷酸化肌球蛋白轻链磷酸酶（myosin light chain phosphatase, MLCP）来对肌球蛋白轻链磷酸化, 增强肌动蛋白及肌球蛋白的结合, 另外ROCK也可以激活LIM激酶（LIM kinase, LIMK）来使肌动蛋白解聚, 最后引起轴突末端的回缩[14]。可喜的是, 目前已有研究证明抑制RhoA-ROCK通路可以明显改善RD后轴突的回缩[15]。

双极细胞树突的外向生长发生在光感受器轴突末端回缩之后, 尤其以给光型双极细胞为主[16], 提示这种病理改变可能是一种代偿机制, 具体机制不明。Kuo等[17]认为树突的外向生长与谷氨酸及其位于树突末端的N-甲基-D-天冬氨酸受体（N-methyl-D-aspartate receptor, NMDAR）有关, 而在RD中也证实有谷氨酸浓度的升高[18]。当谷氨酸与NMDAR结合时, 会引起钙离子内流增加, 钙瞬变的频率决定了轴突的生长方向, 同时细胞内钙离子浓度的升高会增加钙调蛋白的浓度, 激活钙调蛋白依赖性激酶Ⅱ , 从而使细胞骨架相关蛋白如MAP-2、Tau蛋白、微管蛋白（tubulin）去磷酸化而使神经末端外延; 另一方面钙离子浓度的升高可以激活钙激活蛋白酶, 从而降解细胞骨架相关蛋白, 起到对细胞骨架运动的双向调节作用[19]。但此机制不能说明树突的外向生长与光感受器末端的回缩是否存在因果关系, 也不能解释异位突触的形成, 因此相关问题仍有待解决。

外向生长的树突与光感受器回缩的轴突末端可能会形成异位突触, 事实上, 关于RD后异位突触的形成过程及功能至今不明, 在以视网膜色素变性小鼠为研究模型时, 研究员观察到异位突触的突触前膜的缎带突触形态异常, 但同时发现外向生长的树突末端表达mGluR受体[20]; 相似的是, Specht等[21]发现bassoon基因敲除后, mGluR同样表达于树突末端, 如果异位突触的突触后膜由这些树突末端构成的话, 那么这些突触可能是有功能的, 而RD后突触在形态学上的改变与视网膜色素变性类似, 因此我们推测RD发生后形成的异位突触可能有一定的功能, 为复位后突触功能重塑提供基础。

3 影响RD后光感受器与双极细胞间突触重塑的因素

在整个RD后突触破坏的过程中, 抑制光感受器的凋亡是阻止突触结构进一步受损的关键。Azarmina等[22]研究发现, 在RD手术复位成功后视网膜电图（ERG）结果较术前大大改善, 提示手术复位后光感受器的功能恢复, 但ERG结果显示a、b波的波幅仍低于正常眼。毛剑波等[23]则发现RD术后患者对比敏感度下降, 除了和光感受器的变性凋亡有关, 这些情况是否和突触的功能障碍有关呢?下面笔者对影响突触结构及功能重建的因素进行简要陈述。

3.1 环境因素

环境因素可以通过钙离子、环腺苷酸（cAMP）、环鸟苷酸（cGMP）及其他信号通路来影响神经元轴突末端的回缩或生长。一类是导向分子及其受体, 经典的有神经生长因子、slit蛋白、红细胞生成素生成的肝细胞受体（Ephrin）、信号素等蛋白, 配体与受体结合后通过下游分子发挥生物效应。另一类是骨架蛋白, 如起到锚定作用的黏附分子整合素、钙黏附素、免疫球蛋白超家族等, 细胞外基质如胶原蛋白、层黏蛋白等, 为神经生长提供一定的黏附性, 维持其稳定生长。其他还有胶质细胞, 可以通过分泌某些导向分子或形成胶质瘢痕对轴突生长起调节作用。在上述蛋白的协同作用下, 使生长维持稳定地向一定方向延伸[24]。

在疾病引起光感受器退变后, 能否通过调节上述蛋白来抑制轴突回缩并促进回缩的轴突再生仍需要进一步的探讨。

3.2 钙离子稳态

钙离子对光感受器与双极细胞间突触在结构及功能上均有重大影响。早年Nachman-Clewner等[25]发现运用钙离子阻滞剂抑制L型钙离子通道后, 视锥细胞轴突末端发生回缩, 层状伪足的形成被抑制; Bayley和Morgans[8]的研究也证实了这一结论, 说明钙离子稳定的内向电流是维持突触结构稳定的重要因素。

为什么钙离子会对光感受器轴突的回缩产生影响呢?因为钙离子可以作为视锥细胞内的第二信使发挥信号传递的功能[26]。此作用与另外两个第二信使cAMP与cGMP密切相关。cAMP已被证实可以在导向分子与相应的受体结合后促进轴突的生长并正确地与相应的树突形成突触结构, cGMP与cAMP呈拮抗关系, 两者的平衡决定神经元的生长极性。一旦极性确定后, cAMP可以通过激活下游的蛋白激酶PKA来调节钙瞬变的频率, 从而决定轴突生长的方向及速度[27], 此外, 有研究发现PKA可以磷酸化RhoA, 阻止RhoA活化ROCK从而阻止轴突末端的回缩[28]。目前已有研究运用cAMP来抑制光感受器轴突末端回缩, 并取得良好成效[29]。Wang等[30]进一步研究发现cAMP还可以促进视杆细胞轴突的生长。这为早期干预RD后光感受器突触结构的破坏及促进其再生提供新的诊疗思路。

在功能上, 钙离子除了作为第二信使, 还可以影响缎带突触的功能, 钙离子内流下降会抑制缎带突触的形成, 缎带突触相关功能蛋白表达缺失, 使其结构异常不能固定于突触前膜, 突触的功能遭到破坏[31]。

3.3 突触功能蛋白的表达

3.3.1 突触前膜— — 缎带突触 缎带突触是光感受器轴突末梢活性区域内长200~1 000 nm的特殊结构, 其末端有一弓形致密带, 将其与突触前膜垂直相连, 周围系有多个含谷氨酸的突触囊泡, 缎带突触的结构特点使轴突末端可以快速持续地以钙离子依赖的方式释放神经递质, 传递电信号[32]。

迄今, 很多缎带突触相关蛋白被证实是维持其结构及功能的稳定所必须的。目前功能较明确的蛋白如下：①骨架蛋白：Bassoon是致密带的组成部分, 连接突触前膜与骨架蛋白RIBEYE。Regus-Leidig等[33]研究发现, BSN-/-基因敲除小鼠的缎带突触不能固定于突触前膜而堆积于细胞质中, 使光感受器终足与双极细胞树突之间不能形成内陷性结构。相同的情况也见于斑马鱼相关基因突变引起的聚磷酸肌醇磷酸酶Synaptojanin 1的缺失[34]。另外细胞外基质样的视网膜蛋白Pikachurin也与突触结构稳定相关, Pikachurin-/-小鼠双极细胞的树突与光感受器脱离而不能形成突触[35]。②通道蛋白：CACNA1F基因突变使其编码的L型钙离子通道亚基缺失, 导致缎带突触的低表达, 突触结构遭到破坏, 机制可能是L型钙离子通道的缺失会影响缎带突触的骨架蛋白, 另外钙离子内流下降会抑制缎带突触的形成[8, 36]。

研究证实RD发生后突触前膜的缎带突触结构异常甚至缺失[7], 从而对视功能产生影响, 而在复位后是否恢复是否伴有上述蛋白的缺失仍未见明确报道。

3.3.2 突触后膜— — 谷氨酸受体 突触后膜上的谷氨酸受体分两类：代谢型（mGluR）和离子型（iGluR）, 受体的类型决定双极细胞对于光的反应。iGluR与谷氨酸结合后在暗环境下使OFF-CBC突触后膜去极化; 而mGluR则与G蛋白耦联, 通过第二信使将电信号传递下去[37]。

目前对于这方面的研究在RD中较少, 我们以在突触方面有相似病理改变的视网膜色素变性为模型来进行讨论。Puthussery等[38]发现, 在rd10小鼠中, 随着光感受器退变, 其轴突末端回缩, RBC和ON-CBC树突末端的mGluR表达降低, 并与未退变的视锥细胞形成突触结构, 然而OFF-CBC树突末端的iGluR在出生后60 d仍持续表达。说明持续的信号输入是维持mGluR表达所必须的, 对iGluR影响则较小; Jones等[39]进一步以兔为模型进行研究, 发现视杆细胞退变后, RBC的树突末端开始表达iGluR转变为类OFF-RBC, 并与正常的视锥细胞形成异常突触, 而此类异常突触是否有功能却并未研究, 相似的通道蛋白表型改变也见于ON-CBC[40]。这可能是一种光感受器受损后的代偿机制。

RD后光感受器退变或死亡后谷氨酸受体表达的下降及表型改变无疑会影响突触功能, 但是, RBC及ON-CBC究竟表达哪类iGluR, 这样的改变能部分代偿RD造成的光感受器的损伤, 其机制是什么?而过量的iGluR是否会加重谷氨酸的神经毒性?这些问题仍有待进一步探讨。

4 展望

之前RD后视功能受损的相关研究都集中于光感受器的变性凋亡, 而关于光感受器与双极细胞间突触在RD后的受损重建的研究较少, 作为视信息传导通路上的重要环节, 突触结构功能的恢复对视功能的恢复有重要影响。然而关于突触受损的具体机制, 异位突触的形成, 在功能上能否起代偿作用, 手术复位后突触结构能否恢复, 这些都是待解决的问题。通过调控这些影响突触重塑因素是否可以抑制轴突末端的回缩以及使已回缩的轴突再生?相信今后随着研究的深入, 上述问题可以得到解决, 并为RD术后视力的提升提供新的治疗方法。

利益冲突申明 本研究无任何利益冲突

作者贡献声明 孙隽然：文献搜索, 参与选题、设计及资料的分析和解释; 撰写论文; 对编辑部的修改意见进行修改。孙晓东：参与选题、设计、资料的分析和解释, 对编辑部的修改意见进行核修

The authors have declared that no competing interests exist.

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