晶状体通过将光线聚焦到视网膜上以实现其功能,该功能依赖于组织的透明度、生物力学特性以及折射率。本文综述了晶状体的三维结构,并探讨了维持组织稳态的复杂机制。
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晶状体通过将光线聚焦到视网膜上以实现其功能,该功能依赖于组织的透明度、生物力学特性以及折射率。本文综述了晶状体的三维结构,并探讨了维持组织稳态的复杂机制。
晶状体是位于眼球前房内的透明椭球状器官,可将光线聚焦到视网膜上。该三维组织由上皮细胞和纤维细胞构成,结构高度有序,以确保光路清晰,并通过多种机制建立和维持高折射率与透明性。在人类中,晶状体通过改变形状来聚焦不同距离的光线,这一过程称为调节;晶状体的弹性与生物力学特性依赖于组织、细胞和分子层面的机制。白内障是指原本透明的晶状体出现任何混浊,仍是全球致盲的首要原因。老花眼则与年龄相关的晶状体硬化有关,已被证实与调节能力下降及需要佩戴阅读眼镜相关。本文综述将探讨哺乳动物晶状体的发育与终身生长、晶状蛋白与细胞骨架蛋白、细胞间通讯与微循环、晶状体生物力学,以及研究这一独特组织所面临的挑战与新兴方法。
晶状体乍看之下是一种相对简单的组织,由两种细胞类型构成:上皮细胞和纤维细胞。晶状体的大部分质量由纤维细胞组成,其前半球表面覆盖着一层单层的上皮细胞1(图1A)。整个组织被一层称为晶状体囊膜的薄基底膜包裹,该膜主要由IV型胶原蛋白和层粘连蛋白构成,如先前综述所述2。晶状体无血管和神经供应,通过连接晶状体囊膜与睫状体的弹性悬韧带纤维(又称悬韧带)悬挂在眼球前房内1。位于晶状体前部或中央的上皮细胞呈立方形,排列成鹅卵石样结构3,4,5(图1A,浅蓝色细胞,顶部)。这些细胞处于静止状态,不发生增殖6。在晶状体赤道区前方,上皮细胞在生发区分裂(图1A,橙色细胞,右上),这些赤道区细胞将向赤道迁移,并排列成高度有序的子午线状行列,细胞呈六边形7,8,9,10(图1A,绿色细胞,右上)。子午线行列细胞将其顶端锚定于晶状体的支点(即中轴部),随后开始伸长并分化为新的次级纤维细胞(图1A,左下)。次级纤维细胞的顶端通过与上皮细胞顶端面相互作用,向晶状体前极迁移,形成一种特殊的顶端-顶端连接结构3(图1A,红线)。新形成的纤维细胞的后端基底端沿晶状体囊膜向后极延伸(图1A,左下)。当伸长中的纤维细胞末端到达前极或后极时,细胞从前部上皮细胞或后部囊膜脱离,并与来自组织对侧延伸而来的细胞末端相遇,形成缝合线结构11,12,13(图1A,左上)。晶状体纤维细胞横截面呈拉长的六边形,具有两个长/宽边、四个短边以及六个三细胞连接结构(图1A,右下)14。相邻纤维细胞之间极小的细胞间隙有助于减少光散射14。皮质区纤维细胞在周边持续添加,并叠加于先前生成的纤维层之上,从而支持晶状体终生生长14,15。晶状体中心区域称为晶状体核,该区域的硬度高于周边部或皮质区,如先前综述所述16。

图1:晶状体的解剖结构与组织构成。 (A) 晶状体由覆盖前半球的一层上皮细胞(浅蓝色、橙色和浅绿色)以及大量晶状体纤维(白色和粉色)构成。一层薄的胶原膜,称为晶状体囊膜(棕褐色),包裹着整个组织。晶状体通过悬韧带纤维(悬韧带)插入晶状体赤道部周围的囊膜,从而悬浮于眼球前房中。位于前部/中央区域的上皮细胞(顶部浅蓝色)呈立方形,横切面呈鹅卵石状。生发区的赤道部上皮细胞(橙色)从随机排列的细胞(橙色)转变为有序的六边形细胞的经向排列(绿色)。这些经向排列的细胞伸长,成为晶状体周边部的新皮质次级纤维细胞层(白色)。新生次级纤维的顶端锚定在支点/中央柱(左下部海螺色方框)。伸长中的次级纤维顶端沿晶状体上皮细胞的顶端侧面向前极迁移,并形成一种特殊的顶端-顶端连接(红线)。伸长中纤维的基底端则沿后囊膜向后极迁移。当次级纤维完全伸长后,其末端从前部上皮或后囊膜脱离,形成晶状体缝合线(深蓝色线条及左上图像)。晶状体纤维细胞横切面呈拉长的六边形(右下),具有2个长/宽边、4个短边以及6个三细胞连接。在纤维细胞成熟过程中,所有细胞器均被清除,形成无细胞器区(深绿色双向箭头),以最大限度减少光散射。最古老的晶状体纤维细胞被压缩至组织中心,形成晶状体核(粉色)。示意图未按实际比例绘制。(B) 扫描电子显微镜图像显示了晶状体不同深度处纤维细胞的形态变化,反映了细胞分化与成熟过程中的形态演变。为突出显示,单个细胞以绿色标出。皮质外周纤维的长边具有球窝状嵌合结构,短边则带有小突起。在纤维细胞成熟过程中,成熟细胞的短边出现由小突起装饰的大桨状结构以及大型突起。核周纤维在整个膜上具有舌槽状嵌合结构,短边带有大型突起。核区纤维的短边具有大型突起,并呈现球状膜形态。比例尺:5 µm。改编自16,328。请点击此处查看该图的放大版本。
晶状体的复杂性在于其高度有序的三维(3D)细胞排列、特化的纤维细胞成熟过程(该过程会降解并清除所有细胞器),以及建立和维持组织透明性和高折射率的分子与细胞机制。大多数晶状体纤维细胞中细胞器的缺失,增加了在整个生物体生命周期中维持每个晶状体细胞健康与长寿的难度。晶状体是研究衰老及与年龄相关变化的理想组织,因为其中心最深处的细胞是在胚胎早期发育阶段形成的,而晶状体在整个生命过程中持续于组织周边区域生成新细胞,从而允许对时间上较老的细胞与在老年时期生成的细胞进行比较研究。晶状体的精细聚焦功能使来自不同距离物体的清晰图像能够投射到视网膜上,这一功能依赖于晶状体改变自身形状或进行调节的能力。晶状体是一种非结缔组织、非肌肉组织,其正常功能依赖于特定的生物力学特性。
导致视力障碍的首要原因是衰老17。与年龄相关的变化会引起两种主要的晶状体病变:白内障和老视18。白内障或任何晶状体混浊仍是全球致盲的首要原因19,其成因包括遗传和环境因素,如紫外线辐射、吸烟、糖尿病和氧化应激,这些因素会导致蛋白质聚集和/或细胞缺陷,如先前综述所述18,20,21,22,23,24,25。老视是一种与年龄相关的调节能力下降,由晶状体在聚焦近处物体时改变形状的能力减弱所致,进而导致需要佩戴阅读眼镜26,27,28。世界卫生组织估计,全球至少有10亿人存在未被矫正的视力障碍,其中包括6520万白内障患者和8.26亿老视患者17。随着人口老龄化加剧,迫切需要更深入地理解晶状体的生理学与生物学特性。
本文综述了对哺乳动物晶状体功能和稳态至关重要的组织结构、细胞排列方式及分子机制,并简要介绍了其他脊椎动物晶状体的相关信息。本文旨在提供晶状体生物学与生理学的总体概述,并附有更多详细综述的参考文献。内容涵盖胚胎期晶状体发育、出生后晶状体生长、细胞与组织的三维排列结构、组织的生物力学特性以及微循环系统。下文将讨论晶状体中的主要蛋白质,即晶状蛋白、细胞骨架网络以及细胞间通讯。最后,本文将总结当前研究这一独特组织所面临的主要挑战以及新兴的研究方法。
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胚胎晶状体发育与出生后晶状体生长
在脊椎动物中,晶状体由表面外胚层细胞发育而来,未来的晶状体始于视泡上方表面外胚层的增厚6,29,30(图2A)。随着视杯的形成,增厚的外胚层(即晶状体板)向内凹陷形成晶状体凹陷6,29,30(图2B)。肌动蛋白丝(F-actin)将晶状体凹陷的后部与发育中的视杯前表面连接,以协调这些发育中组织的运动和形态变化31,32,33,34,而晶状体上皮细胞的顶端收缩是晶状体凹陷内陷所必需的35,36,37,38,39,40(图2C)。晶状体凹陷的开口持续变窄,直至闭合,此过程中晶状体茎细胞发生凋亡41,42,43。晶状体泡与未来角膜外胚层分离,形成由单层上皮细胞构成的中空球形结构——晶状体泡6,29,30(图2D)。晶状体泡中的后部上皮细胞向前沿着前部上皮方向伸长,并分化为初级纤维细胞,填充腔隙,形成胚胎期晶状体(图2E)。覆盖前半球的单层上皮细胞得以维持,而在完全形成的胚胎晶状体中已无后部上皮细胞(图2F)。初级纤维细胞构成晶状体核最中心的部分,其外周则被终生从晶状体周边部或皮质不断添加的新一代次级晶状体纤维所包围6,29,30。尽管大多数脊椎动物的晶状体通过内陷方式形成,但在斑马鱼中,晶状体板增厚后通过去层化的方式形成晶状体44。

图 2:哺乳动物眼睛的胚胎晶状体发育过程。 表面外胚层细胞为白色,晶状体细胞为浅蓝色,视杯/视泡细胞为沙色。(A) 胚胎晶状体板(浅蓝色)由表面外胚层发育而来。位于表面外胚层和晶状体板后方的是视泡。(B) 晶状体板内陷形成晶状体凹,视泡内陷形成视杯。视杯的前部将发育为虹膜和睫状体,而后部将形成视网膜和视网膜色素上皮。(C) 晶状体板开口逐渐变窄,直至完全闭合。(D) 晶状体泡从表面外胚层分离,形成一个由晶状体上皮细胞衬里的中空球体。(E) 晶状体泡内后部的晶状体上皮细胞开始伸长并分化为初级晶状体纤维。(F) 初级晶状体纤维填充晶状体泡腔,形成胚胎晶状体。示意图未按比例绘制。仿照 411 修改。 请点击此处查看该图的放大版本。
在胚胎发育过程中,晶状体被一种篮状的血管网络所包围6,45,46。这些血管起源于视网膜的玻璃体动脉,最初在晶状体凹陷的后方开始形成网络,最终构建出有序的晶状体血管膜(tunica vasculosa lentis),以滋养胚胎期的晶状体,直至前房结构和房水生成完全发育成熟6,45。这些血管随后退化并消失,以确保在出生前或睁眼前(取决于物种)形成清晰的光路6,45,46,47。
Pax6 对早期眼睛发育是必需的48,49,50,51,52,并且对晶状体发育至关重要且足以驱动其发育53,54,55,56。Pax6 的磷酸化和 SUMO 化修饰可调控该转录因子在脑、中枢神经系统及眼睛发育过程中的功能57,58,59,60。其他对胚胎眼睛和晶状体发育至关重要的信号通路与 Pax6 信号通路相互交汇,包括增强子因子 [Meis、骨形态发生蛋白(Bmp)和成纤维细胞生长因子(FGF)] 以及下游蛋白 [Foxe3 和视黄酸(RA)],如先前综述所述61。Meis1 和 Meis2 可结合至 Pax6 基因的增强子区域,在脊椎动物晶状体诱导过程中发挥必需作用62。遗传学研究表明,Bmp7 通过调控 Pax6 的表达,对晶状体基板的发育至关重要63,64。Foxe3 位于 Pax6 信号通路的下游,对晶状体发育必不可少65,66,尤其是在晶状体泡形成时,介导晶状体柄与表面外胚层的清晰分离。Foxe3 缺失会导致一种称为彼得异常(Peters Anomaly)的先天性眼部缺陷67。成纤维细胞生长因子受体(FGFR)信号通路与 Bmp7 协同作用,调控 Pax6 的表达,进而影响发育中晶状体内的 Foxe3 水平68。表达一种抑制性 FGFR 形式会导致晶状体基板形成延迟、晶状体柄分离不完全以及晶状体泡体积变小68。视黄酸(RA)信号通路的破坏会导致眼部形成缺陷69,而当 Pax6 受到干扰时,RA 的表达水平降低,提示这两条信号通路之间存在一定的交互作用70。
胚胎晶状体完全形成后,晶状体的持续生长被认为主要通过赤道部上皮细胞增殖并分化为次级晶状体纤维来实现,这一过程主要由生长因子信号通路驱动,其中哺乳动物晶状体中以成纤维细胞生长因子(FGF)信号通路为主,如先前综述所述71。FGF在玻璃体中的含量高于房水,从而在晶状体赤道区附近形成生长和分化信号的浓度梯度72,73。晶状体表达4种FGF受体(FGFR)中的3种,即FGFR1、FGFR2和FGFR3,其表达水平在晶状体赤道区及赤道后区域逐渐升高74,75。FGF的过表达可诱导原本静息的前部上皮细胞异常伸长并分化为类纤维细胞76,77,78。除FGF信号通路外,抑制剂实验表明Bmp通路在纤维细胞伸长过程中也发挥作用79,80,而异常的转化生长因子β(TGFβ)受体则会破坏纤维细胞的正常成熟过程81。
晶状体透明度与折射率
晶状体纤维细胞在成熟过程中会经历一种特化的程序,以清除所有细胞器,从而消除光线传播路径中的散射物,并形成无细胞器区(OFZ)82 (图1A)。当纤维细胞达到其成熟程序的特定阶段后,所有细胞器的协调性丢失会迅速发生83,84,85,86,87,88。细胞器降解异常可导致白内障,已有多个基因敲除(KO)斑马鱼和小鼠模型鉴定了与染色质和DNA降解89,90,91,92,93、周期蛋白依赖性激酶94,95、热休克因子491,96,97,98以及PLATT磷脂酶99相关的基因,这些基因对OFZ的形成至关重要。细胞膜和细胞骨架蛋白100,101,102,103,104、晶状体蛋白(crystallins)105,106,107以及癌基因108,109的异常表达或突变也会影响细胞器的清除及晶状体透明度。然而,触发纤维细胞中细胞器降解的确切信号仍不明确。近期研究揭示了RNA结合蛋白在晶状体发育和白内障发生中的重要作用,如先前综述所述110。RNA结合蛋白的功能障碍,包括Tdrd7111、caprin2112、Rbm24113和Celf1114,115,116,可导致晶状体发育异常、细胞器降解受阻以及白内障的形成。
与体内大多数细胞类型相比,哺乳动物晶状体纤维细胞的蛋白质浓度极高(200–450 mg/ml)117,118,119,120。蛋白质占晶状体总重量的30%–35%,因此晶状体含水量相对较低,约为65%–70%121,122。按质量计,晶状体蛋白质中有90%为晶状蛋白123,哺乳动物晶状体中存在三类晶状蛋白家族:α、β和γ,如先前综述所述124,125。通常情况下,高蛋白浓度会增加大于光波长一半的聚集体形成风险,从而导致光散射126,但晶状蛋白在纤维细胞胞质中以短程有序的方式排列,有助于提高折射率并维持透明性117,127。α-晶状蛋白具有类似分子伴侣的功能,可抑制蛋白质聚集,下文将对此进行讨论。晶状体内部的梯度折射率(GRIN)有助于光线聚焦,如先前综述所述128,129,晶状体中心的最大折射率与核部纤维细胞的致密化相关130,131,132。在鱼类晶状体中,数据表明核部高折射率是蛋白质向组织中心转运的结果133。人们推测,晶状蛋白在细胞内及纤维层之间的均匀分布可能通过沿纤维细胞膜形成的膜融合介导的大分子转运途径实现134,135。然而,在小鼠晶状体中尚未明确观察到膜融合结构136,137,138,且对多种物种晶状体进行的阻抗研究也未检测到膜融合的存在139,140,141,142。来自间隙连接通讯受损的小鼠模型的数据表明,细胞间通讯和纤维细胞的伸长也有助于大分子转运途径的实现143。
晶状体蛋白的分子量约为 20–30 kDa,在晶状体中发挥结构和折射作用。α-晶状体蛋白由 αA 和 αB 两个亚基组成,二者具有 55%–60% 的同源性144,145,146。尽管 αB 在大多数细胞中广泛表达,αA-晶状体蛋白则主要在晶状体中表达,并在脾脏和胸腺等其他组织中以低水平被检测到147,148。最近的研究还表明,视网膜色素上皮细胞和视网膜神经节细胞在应激或疾病状态下可表达 αA-晶状体蛋白,可能起到神经保护作用149,150,151。α-晶状体蛋白通常形成由 30–35 个混合的 αA 和 αB 亚基组成的大型异源多聚体123。在小鼠、牛和人晶状体上皮中,前部细胞仅检测到 αB,赤道部细胞中 αA 与 αB 的比例为 1:3;在次级纤维细胞分化和伸长过程中,该比例转变为 3:1123,152,153。α-晶状体蛋白属于小热休克蛋白家族,具有类似分子伴侣的功能154,能够结合并隔离异常或未折叠的蛋白质,防止进一步的蛋白质聚集。已有研究探索使用小片段 α-晶状体蛋白肽来预防由蛋白质聚集引起的疾病(包括白内障),如先前综述所述155。然而,在小鼠模型中,α-晶状体蛋白的类伴侣活性增强或减弱均会导致白内障严重程度增加,表明适当的类伴侣活性对维持晶状体透明至关重要156。β-和 γ-晶状体蛋白属于独立的 β/γ-晶状体蛋白家族,具有纤维细胞特异性;在哺乳动物中,β-晶状体蛋白有 7 种亚型,以二聚体、四聚体或更高阶的寡聚体形式存在,而 γ-晶状体蛋白也有 7 种亚型,均为单体,如先前综述所述125。除了结构功能外,β-和 γ-晶状体蛋白还能结合钙离子,调节晶状体纤维中的钙离子可用性和储备157,158,159,160,161。
晶状体细胞骨架与膜蛋白
晶状体上皮细胞和纤维细胞中含有F-肌动蛋白、角蛋白或波形蛋白中间丝、特化的串珠状中间丝以及微管网络,这些结构已在先前的综述中有所描述162,163,164,165,166。除了在眼和晶状体发育过程中发挥功能31,32,33,34外,晶状体上皮细胞和纤维细胞中多种多样的F-肌动蛋白网络对维持晶状体透明性也至关重要167,168,169,170,171,172。近期研究表明,F-肌动蛋白网络的改变会影响晶状体的生物力学特性173,174,175,176。由波形蛋白或角蛋白组成的中间丝分别仅存在于晶状体纤维细胞分化的早期阶段或胚胎发育期间177,178,179,180,181;相比之下,所有晶状体纤维均含有由filensin(又称CP95/CP115,由Bsfp1编码)和CP49(又称phakinin,由Bsfp2编码)形成的异源二聚体构成的串珠状中间丝182,183,184。这些异源二聚体呈现串珠状结构,是由于CP49和filensin形成的寡聚体装饰在纤维核心上185,186,以及α-晶状体蛋白结合于这些特化的中间丝上所致187,188,189,190,191。任一filensin或CP49的缺失均会导致该网络完全丧失192,193,194,195。波形蛋白中间丝或串珠状中间丝的破坏可在人类及动物模型中引发白内障192,193,196,197,198,199,200,201,202,203,204,表明这些细胞骨架网络对晶状体透明性具有重要意义。最近的研究提示,微管在晶状体纤维细胞的伸长205,206以及无细胞器区的形成中发挥重要作用177。
与肌动蛋白细胞骨架相互作用的黏附连接对于晶状体形成207和纤维细胞分化至关重要。E-钙黏蛋白和N-钙黏蛋白均在晶状体上皮细胞中表达208,209,210,211,且在纤维细胞分化开始时E-钙黏蛋白表达被关闭212。N-钙黏蛋白在晶状体纤维细胞中高表达,并富集于伸长中纤维细胞基底六角形足部的中点处8,209。在初级纤维细胞形成后若缺失N-钙黏蛋白,会导致次级纤维细胞伸长受阻,原因是分化中纤维细胞的顶端尖端沿前部上皮细胞顶面异常迁移213。晶状体中Eph-ephrin双向信号传导的中断会引起黏附连接的缺陷4,7,214,215,216。
其他主要的晶状体膜蛋白包括水通道蛋白(aquaporins);连接蛋白(connexins);MP20(如先前综述所述217);半乳糖凝集素3(galectin 3);半乳糖凝集素相关纤维间蛋白(galectin-related interfiber protein, GRIFIN);整合素(integrins)(如先前综述所述218);以及富含半胱氨酸的酸性分泌蛋白(secreted protein acidic and rich in cysteine, SPARC)。水通道蛋白和连接蛋白将在下一节中讨论。MP20(又称MP17或Lim2)是一种晶状体特异性的膜蛋白,具有细胞间黏附功能85,219,在晶状体纤维细胞中含量丰富220,221;MP20的突变可导致白内障222,223,224,225,226,227,228,229,230。最近的研究表明,MP20与另一种重要的细胞间黏附分子——半乳糖凝集素3之间存在相互作用231,232,233。GRIFIN是半乳糖凝集素的一种晶状体特异性异构体,定位于纤维细胞膜,并与Pax6、晶状体蛋白(crystallins)和钙黏蛋白(cadherins)相互作用234,235,236,237。整合素是连接细胞外基质(extracellular matrix, ECM)与细胞骨架的重要连接分子,对晶状体的正常发育至关重要。在晶状体中表达的整合素异构体可作为囊膜成分(如层粘连蛋白、胶原蛋白或纤连蛋白)的受体8,238,239,240,241,242,243,244,245。每种基质成分均可与多种整合素相互作用,通过整合素在晶状体发育和生长过程中的时空表达,引发多样化的信号传导218。目前特别关注白内障手术后残余晶状体上皮细胞发生上皮-间质转化过程中TGFβ、整合素及ECM组分的变化,这些变化可导致后囊混浊,相关机制已在先前的综述中描述218。SPARC是一种参与细胞间黏附和增殖的分子,定位于晶状体上皮细胞,而在分化中的纤维细胞中缺失246。SPARC的缺失可导致白内障246,247,248,最近的研究还表明,SPARC可能具有类似分子伴侣的功能249,可影响整合素和ECM蛋白250,251,252,并调控微循环通路253。
无血管组织的微循环通路
由于缺乏血液供应,完全形成的晶状体可自主生成微循环通路以输送营养物质并清除代谢废物,如先前综述所述254,255,256,257。离子电流从晶状体的前极和后极进入,并在赤道区流出258。内向电流依赖于钠离子沿浓度梯度从两极的晶状体细胞间细胞外间隙流入,该浓度梯度由主动运输建立;而外向电流则通过集中在晶状体赤道区附近的纤维细胞膜上的缝隙连接通道介导,使钠离子可在赤道区流出259。赤道部上皮细胞和周边纤维细胞高表达Na+/K+ ATP酶泵,主动将3个钠离子泵出细胞,同时将2个钾离子从晶状体外环境泵入细胞内260,261,262。晶状体维持高钾浓度(135 mM)和低钠浓度(16 mM),从而建立钠离子在两极沿浓度梯度重新进入晶状体的条件259,263。除了Na+/K+ ATP酶外,离子共转运体Na-K-2Cl共转运体1(NKCC1)也通过机械敏感通道的激活参与调节晶状体内的离子浓度,如先前综述所述264。
晶状体中的间隙连接由三种连接蛋白(connexin)组成,分别为连接蛋白43(Cx43或α1)、Cx46(或α3)和Cx50(或α8)265,266。Cx43主要在晶状体上皮细胞中表达267;尽管在Cx43基因敲除(KO)晶状体中纤维细胞的形成起始正常,但上皮细胞与纤维细胞之间的界面出现扩大的细胞外间隙和细胞内空泡,提示Cx43在渗透平衡中具有功能作用268。Cx46主要集中于晶状体纤维细胞,而Cx50则存在于上皮细胞和纤维细胞中269。Cx23也在小鼠晶状体的纤维细胞中表达,但在人晶状体中不表达270,271,272,273。Cx23的显性突变会导致小鼠纤维细胞缺陷270,但Cx23基因敲除晶状体未表现出明显缺陷274。六个连接蛋白亚单位组成一个连接子(connexon)或半通道(hemichannel),一个细胞上的连接子与相邻细胞上的连接子对接形成间隙连接,从而在相邻细胞之间形成约10埃的孔道,允许小分子、离子和水的交换275,276。连接蛋白半通道允许物质在细胞质与细胞外环境之间通过,如先前综述所述277,278,半通道在微循环279、机械敏感性营养物质和抗氧化剂的转运280,281,282,283以及氧化应激反应中具有重要作用284,285,286,287,288。间隙连接在纤维细胞膜上聚集形成大的斑块;在晶状体中,这些斑块直径可达微米级,并沿相邻纤维细胞的长边排列289。小鼠晶状体中Cx46的缺失会因阻断晶状体微循环的流出通路而导致致密的核性白内障290,291。纤维细胞膜上大型Cx46斑块的组装和/或稳定性依赖于F-actin和串珠状中间丝网络289。Cx50基因敲除会导致小眼球、轻度核性白内障以及因上皮细胞增殖异常而导致的小晶状体292,293。Cx50的缺失会影响晶状体纤维细胞中剩余Cx46间隙连接斑块的门控功能139。在内源性Cx50位点通过基因敲入表达Cx46(4个拷贝的Cx46)可替代Cx50,从而挽救因Cx50缺失引起的白内障,并增强纤维细胞间的间隙连接偶联,但这些透明的敲入晶状体仍保持较小体积142,294。因此,Cx46无法替代Cx50在晶状体生长中的功能。该基因敲入策略也被用于挽救由γB-晶状体蛋白突变蛋白引起的核性白内障,表明增强间隙连接偶联可能是改善晶状体稳态和预防白内障的一种策略295。
钠离子产生的离子流伴随水通过水通道蛋白通道流入晶状体细胞259。水通道蛋白在上皮细胞中由Aqp1组成,而在晶状体纤维细胞中则由Aqp0(又称MIP)和Aqp5构成水通道,其组成取决于细胞的成熟程度,如先前综述所述264,296,297。水通过缝隙连接通道的移动在晶状体内形成静水压梯度298,299,该梯度通过瞬时受体电位香草素1(TRPV1)和TRPV4机械敏感性通道维持晶状体的渗透压,分别增加和降低晶状体静水压299,300,301,302。晶状体上悬韧带张力降低会减少静水压,从而激活TRPV1,继而激活NKCC1,增加晶状体内离子浓度,驱动水流入晶状体以恢复正常的静水压300,301。相反,悬韧带张力和晶状体体积增加会激活TRPV4,继而激活Na+/K+ ATP酶,降低晶状体内离子浓度,从而降低静水压300,301,302。
必需营养物质和氨基酸通过微循环途径被运输到晶状体中303,这种运输对OFZ纤维尤为重要。晶状体上皮细胞和纤维细胞中存在易化型葡萄糖转运蛋白(GLUT);GLUT1在两种细胞类型中均有表达,而GLUT3仅在上皮细胞中表达304,305,306,307。GLUT1基因敲除小鼠会发展为白内障,表明葡萄糖摄取对维持晶状体透明性至关重要308。谷胱甘肽(GSH)是维持晶状体透明性的重要抗氧化剂309,310,其在晶状体内合成,并可从房水中转运进入晶状体311,312,313,314,315。半胱氨酸、谷氨酸和甘氨酸是合成GSH所需的必需氨基酸,这些氨基酸在晶状体的皮质区和核区均有积累314,315。随着年龄增长,GSH的合成减少或消耗增加,可导致晶状体中特别是核区GSH的可用性下降316,317,318,319,320,321。谷胱甘肽过氧化物酶(GPX)以GSH作为辅酶来中和氢过氧化物,近期研究表明,由于毒性脂质过氧化物引起的铁死亡可因GPX4功能受损而导致白内障322,323。
三维晶状体结构与生物力学
晶状体纤维排列成有序的六边形细胞行,其起源在于赤道部上皮细胞排列成子午线行(图1A)。驱动随机排列、鹅卵石状的赤道部上皮细胞组织为六边形子午线行细胞的机制,主要围绕肌动蛋白细胞骨架展开。受体酪氨酸激酶EphA2的信号传导可促进F-肌动蛋白在六边形子午线行细胞顶点处的聚集,从而推动细胞的有序排列7,324。肌球蛋白IIA是一种可与F-肌动蛋白结合的收缩蛋白,对维持六边形细胞形态同样具有重要作用8,325,326。长期以来,人们一直认为纤维细胞的高度有序排列是晶状体透明所必需的;然而,EphA2缺失导致的排列紊乱7,324、肌球蛋白IIA突变325,326,或老年时期形成的形态异常细胞130等现象表明,六边形细胞排列并非透明所必需。
晶状体纤维细胞从晶状体前极延伸至后极,其长度可达数毫米,具体取决于动物物种及晶状体的大小327。通常情况下,纤维细胞的横截面仅为 4–7 µm327,这些细长的细胞通过动态的细胞间交错结构相互连接,在相邻纤维细胞之间形成一种三维“拉链”结构,如先前综述中所述328。晶状体纤维细胞的交错结构具有复杂的形态模式,随着细胞从周边新形成的纤维向成熟分化而发生改变:1)周边新形成的纤维在短侧边具有较小的突起,长侧边则具有“球与窝”状突起;2)正在经历细胞器丢失的成熟纤维细胞在短侧边具有较大的桨状结构及小型互锁突起;3)核周纤维在短侧边具有大型互锁突起,整个膜上具有“舌与槽”状交错结构;4)核内纤维在短侧边具有大型突起,整个膜上呈现球状膜形态137,328,329,330,331,332,333,334,335,336,337,338,339(图1B)。近期研究提供了直接证据,表明依赖F-actin网络的晶状体纤维细胞间交错结构对组织刚度具有重要作用174,支持了一个长期存在的假说。ARVCF是黏附连接的一个组分,其缺失会导致纤维细胞交错结构异常、细胞外间隙扩大以及早发性皮质性白内障340。晶状体核的刚度与大小缺陷与“舌与槽”交错结构的变化以及向球状膜形态转变的延迟相关131。

图3:晶状体缝合线的形成模式。 每条彩色线条代表一个单一的晶状体纤维细胞。(A) 人类胚胎晶状体中的纤维细胞形成Y形缝合线。Y形缝合线在晶状体前极和后极呈镜像对称。(B) 随着人类晶状体继续发育和生长,缝合线将变得更加分支。此处为简化起见,展示了一个四分支的缝合模式。两个极之间的缝合线模式存在偏移。示意图未按比例绘制。改编自45。请点击此处查看此图的放大版本。
晶状体的整体形状因物种而异,纤维细胞的曲率和缝合类型被认为决定了晶状体的形状341,342。缝合结构由前端和后端极部伸长的纤维细胞尖端相遇形成,并且两个极部之间的缝合呈镜像对称11,12,13,343(图3)。在小鼠晶状体中,缝合呈Y形;而在灵长类和人类晶状体中,缝合最初为Y形,随着年龄增长逐渐变得更加分支化11,12,45。有趣的是,小鼠晶状体中的Y形缝合在机械负荷移除后限制了晶状体的弹性或回弹能力,而在Eph-ephrin信号通路受干扰的基因敲除(KO)晶状体中,分支状缝合与增强的回弹性相关344。晶状体缝合的正常形成需要缝隙连接通讯345,而小鼠晶状体中与年龄相关的前部白内障则是由于缝合形成不完全所致130。
晶状体的生物力学特性可受到多种分子、细胞和组织因素的影响,如先前综述所述16。随着年龄增长,晶状体硬度增加被认为是老视的主要成因之一346。在人类中,当注视远处物体时,睫状肌松弛,牵拉附着于晶状体囊膜上的悬韧带纤维,导致晶状体变扁平1;而当聚焦近处物体时,睫状肌收缩,使悬韧带放松,晶状体随之变凸,以聚焦来自近处物体的光线1。这一调节过程依赖于晶状体的生物力学特性、睫状肌收缩以及悬韧带张力。研究表明,随着年龄增长,睫状肌的收缩能力以及悬韧带的柔韧性和张力变化甚微或基本不变347,348,349,350。多项研究提示,晶状体总体积和晶状体核体积的增大及其硬度的增加,共同导致了晶状体整体随年龄增长而硬化26,351,352,353,354。然而,对小鼠晶状体硬度随年龄变化的研究表明,晶状体和晶状体核的大小与整体晶状体硬度之间相关性较弱130,132,提示其他因素在年龄相关性晶状体硬化中起重要作用。近期研究发现,细胞骨架网络的变化会影响晶状体硬度;例如,F-肌动蛋白稳定蛋白Tropomyosin 3.5的缺失会改变纤维细胞膜上F-肌动蛋白网络的组成与排列,并降低晶状体硬度173。类似地,若干近交系野生型小鼠品系中的自发突变可导致CP49的自发敲除192,355,并伴随晶状体变软356,357。晶状体纤维细胞膜具有异常高的胆固醇含量358,359,360,361,362,363,这可能调节膜的弹性364。随着年龄增长,膜内胆固醇含量的变化以及α-晶状体蛋白与纤维细胞膜的结合,被认为可能增加晶状体硬度365,366,367,368,369,370,371,372。
晶状体研究的挑战与新型方法
晶状体的三维结构为理解细胞间的排列方式以及构建合适的模型带来了挑战 体外 能够重现组织结构的模型。尽管利用永生化细胞或原代培养细胞已获得有关信号传导和突变蛋白定位的重要见解,但分离的晶状体上皮细胞并不具备天然晶状体上皮细胞特有的立方柱状形态,也不具有相同的基因表达或细胞骨架结构。373. 体外 晶状体样体,如先前综述所述374 和透镜阵列模型375 分别形成类似纤维细胞的结构和形似微型晶状体的细胞团。这些模型可产生透明的、类似晶状体的结构,适用于快速药物筛选,但均无法重现正常晶状体纤维细胞的排列方式或晶状体的三维结构。目前已建立多种用于晶状体组织切片中蛋白质定位及免疫染色的实验方案,该方法仍是判断蛋白质是否在特定细胞区室中表达的最有效手段。然而,由于晶状体固定不完全,尤其是在成年晚期哺乳动物样本中,组织学切片及免疫染色操作可能较为困难。137;而在二维切片中研究三维结构会丢失对理解细胞形态、细胞间相互作用以及蛋白质定位至关重要的细节。尽管电子显微镜(EM)仍是研究纤维细胞形态的金标准,但在EM样品中进行蛋白质定位仍然具有挑战性376,377,378. 上皮细胞单层扁平铺片的近期研究工作4,7,324,373单纤维细胞染色85,173,174,379以及全晶状体成像4,7,324,344,380,381 揭示了有关晶状体纤维中细胞间黏附、晶状体生物力学以及细胞骨架网络动态变化的重要信息。
晶状体上皮细胞与纤维细胞具有不同的功能、转录组和蛋白质组,以往对不同细胞区室的比较研究较为困难,原因是覆盖在晶状体前半球的上皮细胞仅为单层,若不合并多个样本,难以收集到足够的RNA或蛋白质。RNA提取技术、实时PCR以及自动化毛细管电泳Western blot技术的进步,使得仅从一对小鼠眼睛采集的晶状体上皮细胞样本130,132,373,382,或显微解剖分离的晶状体上皮区、皮质纤维区和核纤维区383,即可进行基因和蛋白质分析。单细胞转录组学技术则实现了对斑马鱼胚胎与幼虫以及鸡胚晶状体细胞的深入分析384,385。这些新方法为揭示在正常衰老及病理状态下维持各晶状体细胞区室功能的分子机制提供了可能。
随着该领域的进展,需要牢记小鼠的遗传背景可能在晶状体病理学386,387和生物力学355,356,357中发挥重要作用,因此实验中使用同窝出生的对照小鼠对于数据分析至关重要。突变型和基因敲除(KO)小鼠模型为研究年龄相关性白内障以及晶状体硬度增加提供了系统支持130,356,357,388,389,390,391,392,393,394,395,396,397,由于小鼠寿命相对较短,衰老相关研究应在老年动物上进行,而不应从年轻动物的数据外推得出结论。
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转录组学、蛋白质组学、成像技术以及生物力学检测技术的进步,加深了我们对晶状体生物学、生理学和病理学的理解。我们对晶状体上皮细胞和纤维细胞不同群体之间差异的认识不断扩展,这对于理解衰老过程中的变化以及蛋白质和细胞长寿的机制具有重要意义。目前,人们越来越关注开发用于预防或延缓白内障和/或老视的药物干预手段,以及白内障手术后天然晶状体再生的可能性。为预防或延缓白内障或老视而向晶状体递送药物时,需要将滴眼液配制成具有特定化学性质,以提高药物通过晶状体囊膜的递送效率,同时必须仔细研究药物在晶状体不同深度的渗透量和蓄积量398,399,400,401,402。爬行动物中晶状体的再生已取得显著成功,有助于阐明晶状体重生所需的关键信号通路403,
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作者无任何利益冲突需要披露。
本工作由美国国立眼科研究所资助(项目编号 R01 EY032056,授予 CC)。作者感谢 Isaiah J. Innis 和 Gryffin M. Flowers 提出的有益意见。
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