利用人视网膜类器官揭示糖尿病视网膜病变的细胞与分子机制

《Cell Death & Disease》：Unveiling the cellular and molecular mechanisms of diabetic retinopathy with human retinal organoids

本研究针对糖尿病视网膜病变（DR）的神经退行性早期机制，利用人视网膜类器官模型模拟渐进性高血糖应激，发现晚期类器官中光感受器特异性基因（如OPN1SW、RHODOPSIN）显著下调，并伴随氧化应激加剧、星形胶质细胞激活及细胞凋亡增加。该模型为解析DR相关神经退行性病变提供了人源特异性平台，对揭示妊娠期糖尿病等临床场景的视网膜损伤机制具有重要意义。

　　

糖尿病视网膜病变（Diabetic Retinopathy, DR）作为糖尿病最常见的并发症之一，已成为全球成年人视力丧失的主要原因。传统观点认为DR主要是一种微血管病变，但近年研究发现，视网膜神经退行性变化可能早于血管病变发生。然而，动物模型在模拟人类视网膜生理和病理方面存在局限，尤其是难以重现DR的神经退行性特征。此外，妊娠期糖尿病对胎儿视网膜发育的长期影响也缺乏合适的研究模型。

为解决上述问题，研究团队利用人诱导多能干细胞（hiPSC）来源的视网膜类器官，模拟渐进性高血糖应激（从基础培养的17.5 mM D-葡萄糖增至25 mM），系统分析了不同分化阶段类器官对高血糖的响应。研究发现，早期类器官（D30+28、D90+28）对高血糖表现出较强耐受性，形态、基因表达及细胞存活均无显著变化；而晚期类器官（D150+28）则出现光感受器外段（OS）特异性基因（如OPN1SW、OPN1MW、ARR3等）下调、OS结构缩短、氧化应激水平升高及细胞凋亡增加。转录组分析显示，高血糖显著影响G蛋白偶联受体信号通路、光刺激响应及视觉感知等通路。进一步细胞类型特异性分析表明，光感受器对高血糖最为敏感，而双极细胞、神经节细胞及Müller胶质细胞则表现出较强耐受性。此外，星形胶质细胞标志物（GFAP、S100β）表达上调，提示胶质细胞激活可能参与高血糖应激的适应性响应。

关键技术方法

研究通过hiPSC分化为视网膜类器官，采用渐进性高葡萄糖处理（17.5 mM升至25 mM）模拟高血糖应激；通过RT-qPCR、免疫荧光染色、细胞凋亡蛋白阵列、RNA测序（NGS）及氧化应激检测（CellROX? Green）等多技术手段，系统评估了类器官的形态、基因表达、蛋白水平及细胞功能变化。样本来源于健康捐赠者皮肤成纤维细胞衍生的hiPSC系（N5、M8）。

高葡萄糖水平在分化早期不影响视网膜类器官

早期类器官（D30+28、D90+28）在高葡萄糖条件下未出现明显形态异常或凋亡基因（BAX、BIM、PUMA）表达变化，视网膜发育标志物（RAX、VSX2、PAX6等）表达稳定，表明早期视网膜分化对高血糖具有耐受性。

高葡萄糖水平影响晚期视网膜类器官的光感受器基因表达

晚期类器官（D150+28）在高葡萄糖处理下，光感受器标志基因（OPN1SW、OPN1MW、RHODOPSIN等）显著下调，免疫荧光显示OS结构缩短，CellROX?检测提示氧化应激水平升高，且凋亡细胞主要分布于外核层。

转录组分析揭示光感受器特异性基因表达的显著改变

RNA测序显示高葡萄糖处理导致251个差异表达基因，富集通路包括G蛋白偶联受体信号、视觉感知等。与公共数据库（GSE160306）对比验证了光感受器功能障碍、胶质生成及氧化应激响应的关键重叠。

高血糖增强氧化应激响应

DUOX1/2等氧化应激相关基因上调，SOD2蛋白水平升高，但坏死性凋亡（necroptosis）和细胞焦亡（pyroptosis）标志物未激活。星形胶质细胞标志物（CD44、GFAP等）表达增加，提示胶质细胞激活。

结论与意义

本研究通过人视网膜类器官模型，揭示了渐进性高血糖应激下光感受器的特异性脆弱性及其分子机制，为DR的神经退行性病变研究提供了人源特异性平台。尽管该模型未涵盖血管病变等DR晚期特征，但其对光感受器损伤、氧化应激及胶质激活的模拟，为妊娠期糖尿病或血糖控制不佳导致的视网膜病变机制研究提供了新视角，并为靶向神经保护策略的开发奠定了实验基础。论文发表于《Cell Death and Disease》（2025），对理解DR早期病理机制及开发干预策略具有重要参考价值。