Lumican,在眼科疾病中表達及作用的相關研究進展*

郭洋辰，桑愛民*

（南通大學附屬醫院眼科，南通 226001）

正常眼球的細胞外基質對眼球的結構、穩態和功能至關重要[1]。富含亮氨酸重復序列的小分子蛋白聚糖（small leucine rich repeat proteoglycans,SLRPs）家族是細胞外基質的重要組成成分。SLPRs 在細胞增殖、遷移以及調節生長因子的活性等方面發揮著重要作用[2]。屬于SLRPs 相關家族成員之一的lumican，是一種主要富含硫酸角質素的聚膜蛋白[3]。Lumican 基因定位在染色體12q21.3-q22 上。它是由4 個結構域組成，即：（1）1 個信號肽；
（2）1 個帶負電荷的N-末端結構域；
（3）串聯富含亮氨酸的重復序列；
（4）1 個羧基末端長度為50 個氨基酸殘基，其中1 個二硫鍵連接的半胱氨酸殘基相隔32 個殘基[4]。Lumican 最初是在角膜基質中被發現，并因其有助于角膜透明而被命名為光蛋白聚糖。接著，越來越多的研究[2]表明，在其他組織包括主動脈、關節軟骨、肌肉、腸道、腎和肺中，lumican 都發揮著重要的作用。研究[5]表明，在眼睛中，lumican 在角膜、鞏膜、小梁網、虹膜、晶狀體、人類神經感覺視網膜、視網膜血細胞、Bruch 膜、脈絡膜和鞏膜中都有不同程度的表達。在不同的地方，lumican 的作用大不相同。

Lumican 已被證明與調節Toll 樣受體4（Tolllike receptor 4,TLR4）信號有關[6]。Lumican 與脂多糖（lipopolysaccharides,LPS）和TLR4 結合，并與CD14共沉淀，從而進一步促進NF-κB 的表達，因而最終產生一系列的炎癥反應[3]。此外，lumican 通過促進Fas-Fas 配體介導的細胞凋亡來抑制細胞增殖，在從固有免疫系統（即中性粒細胞和巨噬細胞）募集細胞方面發揮作用，并且與趨化因子和LPS 結合[7]。因此，可以從lumican 這一基因層面遏制上下游的炎癥通路，從而有效地靶向控制早期眼內炎癥，遏制其后期的進展。

2.1 Lumican 與角膜炎 在角膜中，lumican 通過調節膠原纖維生成、促進角膜上皮傷口愈合、調節基因表達和維持角膜穩態來維持角膜透明度。研究[8]表明，NF-κB 通路參與IL-1β 誘導的角膜細胞表型變化，從而顯著下調角質細胞標志物（keratocan、lumican、Aldh3a1 和CD34）的基因和蛋白質表達水平，在體外誘導角質細胞表型變化。此外，X.Y.YUAN 等[9]在研究實驗性真菌性角膜炎中富含亮氨酸的小蛋白多糖的表達時發現，真菌性角膜炎發作時，lumican、纖維調節蛋白、骨調節蛋白、角質素、骨甘氨酸、雙糖鏈蛋白聚糖、阿斯孢菌素和軟骨黏連蛋白的基因顯著下調（P<0.01）。這表明在白色念珠菌角膜炎的初始階段，角蛋白聚糖和其他蛋白聚糖的轉錄水平降低，提示lumican 的改變可能導致角膜感染的急性炎癥反應。先前的研究[3]已經證實lumican 可以募集多核中性粒細胞（polymorphonuclear neutrophils,PMNs）。Y.HAYASHI 等[10]探討了lumican 在清創后角膜上皮愈合的早期炎癥階段中PMN 外滲過程中的作用，他們使用了Lum-／-小鼠和一種新型轉基因小鼠Lum-／-，Kera-Lum。這種新型轉基因小鼠僅在角膜基質中表達lumican，可以很好地評估lumican 在PMN 外滲到受傷角膜中的作用。該研究結果表明，PMN 不容易侵入Lum-／-小鼠受損的角膜，而lumican 在Lum-／-，Kera-Lum 小鼠角膜中的表達可以挽救這種缺陷。此外，在酪蛋白誘導的炎癥中，原位lumican 的存在有助于PMN 浸潤到腹膜腔中，這證明了lumican 有助于角膜損傷和炎癥后的中性粒細胞募集和侵襲。鑒于PMN 募集在角膜炎癥反應中至關重要，lumican可能在感染性和非感染性角膜炎的發病機制中發揮積極作用。E.C.CARLSON 等[11]在LPS 誘導的角膜炎小鼠模型中，與野生型小鼠相比，Lum-／-小鼠在LPS刺激下角膜厚度增加的幅度更小。與Kera-／-和野生型相比，Lum-／-小鼠的角膜霧狀混濁也增加。在注射LPS 6 h 和24 h 后，與其他組別小鼠相比，Lum-／-小鼠的中性粒細胞遷移缺陷最嚴重。他們在另一項研究[12]中發現，CXCL1 趨化因子在角膜炎癥過程中與lumican 和keratocan 結合，這可能在產生趨化因子梯度中發揮作用，對細胞從血管系統遷移到組織損傷部位至關重要。

2.2 Lumican 與葡萄膜炎 研究[4]表明lumican 存在于虹膜中，提示lumican 可能在前葡萄膜中招募炎癥細胞和促進TLR 介導的免疫反應中有類似的作用。在幼年特發性關節炎相關葡萄膜炎血管生成相關參數[13]的評估中，lumican 與血管生成相關，并且在蛋白質印跡分析中表達增加。因此，在臨床上與常用的皮質類固醇相比，開發阻斷lumican 與TLR 受體結合的藥物可能是減少葡萄膜炎的更有針對性的方法。

Lumican 參與炎癥細胞的外滲和血管生成，這些對基質傷口的愈合至關重要[14]。T.F.GESTEIRA等[15]發現一種由lumican 的13 個C 末端氨基酸（LumC13）設計的肽與ALK5／TGFBR1 結合以促進傷口愈合，他們進一步評估了這種合成C 末端的兩親肽（LumC13）與ALK5 結合的機制。將LumC13 衍生物在體外和體內進行了測試，分別評估它們促進角膜上皮細胞遷移和角膜傷口愈合的能力，結果驗證了LumC13 對角膜上皮清創愈合的促進作用。E.C.CARLSON 等[16]發現lumican缺失小鼠表現出膠原纖維組織的改變和角膜透明度的喪失。N.VIJ 等[7]發現，Lum-／--小鼠損傷的角膜中caspase-3／7 活性（細胞凋亡）顯著降低，并且表現出傷口的愈合延遲，巨噬細胞和中性粒細胞募集減少，髓過氧化物酶水平降低，且沒有誘導促炎細胞因子TNF-α 和IL-1β 的表達。與Lum+／+小鼠損傷的角膜相比，Lum-／-小鼠損傷前后的Fas 蛋白水平顯著降低，表明lumican 在介導Fas-Fas 配體相互作用，且在細胞凋亡中發揮重要作用。在新生血管的生成中，lumican 也同樣起到至關重要的作用。M.BARBARIGA 等[1]在研究細胞外基質在小鼠和人角膜新生血管（corneal neovascularization,CNV）中的作用時，他們鑒定和定量了2 315 個小鼠蛋白和691 個人蛋白，驗證了5 個在小鼠和人血管化標本中差異表達的蛋白，最終發現Tenascin-C 和Fibronectin-1 在CNV 樣本中表達上調，而decorin、lumican 和collagen-Ⅵ在CNV 樣本中表達下調，這表明lumican 的增高促進了CNV 的產生，但在CNV 中的具體作用和機制還需進一步深入研究。

目前臨床治療角膜嚴重損傷，除了角膜移植外均缺少有效且徹底的方法。然而，角膜移植又由于供體的缺乏大大限制了其應用。已有研究[17]表明，將人類角膜基質干細胞與精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸表面耦合圖案絲膜相結合，可以培養出富含lumican 這種角膜特異性細胞外基質成分，成功開發了高度有序的基于膠原原纖維的角膜再生和角膜基質組織修復結構。還有研究[18]發現，牙周韌帶可以分化成含有豐富lumican 的角膜基質角膜細胞樣細胞。以上研究都證明了lumican 在為開發用于角膜再生和角膜基質組織修復的高度有序的基于膠原原纖維的構建體提供了強大的依據，所以lumican 可能為角膜基質的再生和修復提供一個廣闊的前景。

Lumican 與白內障的形成及其手術并發癥有關。在先天性單側白內障伴前玻璃體晶狀體界面發育不全患兒的后囊膜斑塊的蛋白質組學中發現，在間充質組織中含有大量的lumican 蛋白[19]。眾所周知，白內障摘除引起的晶狀體上皮細胞損傷，從而導致后囊膜渾濁（posterior capsule opacity,PCO）。臨床上，PCO 是白內障術后視力喪失的常見原因。上述研究表明了lumican 在PCO 和前囊下白內障中聚集。在損傷誘導的上皮-間充質轉化過程中，lumican 在細胞分化中起著重要作用，這可能是PCO 發生的機制之一。此外，TGF-β 在PCO 的發展中起很重要的作用。Smad3 是傳遞TGF-β 信號所需的磷酸化受體激活的Smad。F.L.MENG 等[20]的研究發現，與野生型小鼠相比，Smad3-KO 小鼠的晶狀體上皮中lumican表達水平較低。在白內障術后，lumican 可能是通過Smad3 信號通路，誘導晶狀體上皮的間充質轉化，從而導致PCO 的形成。因此，阻斷lumican 可以為降低白內障術后患者發生PCO 的風險提供基礎實驗依據。在臨床上值得考慮將lumican 作為減少現代白內障術后并發癥的一個重要藥物預防和治療靶點。

免疫組織化學分析[21]顯示，人小梁網（trabecular meshwork,TM）中lumican 呈弱陽性染色。S.DISKIN等[22]研究顯示，原發性開角型青光眼（primary open angle glaucoma,POAG）患者和正常人的TM 具有不同的基因表達譜，在陣列上的2 001 個基因中，19 個基因在POAG 中的差異表達超過1.4 倍。與正常眼相比，POAG 的TM 中，lumican 的表達是正常眼的2倍以上。與正?；颊叩难鍢颖緦Ρ?，POAG 患者血清樣本中lumican 的基因表達升高，且與血管的生成也有一定的關系[13]。因此，在臨床上可以通過血清樣本檢測lumican，從而對POAG 患者進行早期確診。盡管lumican 影響房水流出[4]的機制目前尚未明確，但有理由推測lumican 與房水流出阻力的維持和調節有關。

在新生小鼠視網膜中，隨著光刺激的增加，lumican 的表達量隨之增加。在光照射后的3 d 內，其水平增加了150 倍以上，主要位于小鼠視網膜的神經節細胞層、內從狀層、內核層和外從狀層[23]。并且，lumican 的積累與視網膜神經節細胞損失有一定的相關性。然而，目前尚不清楚lumican 是否作為調節因子導致視網膜神經節細胞的異?；騺G失。動物實驗研究[24]發現，中波紫外線（ultraviolet B-rays,UVB）照射大鼠視網膜后lumican 的表達明顯降低，這提示lumican 的表達減少與光間受體基質（interphotoreceptor matrix,IPM）的結構完整性和功能受損有關。因此，lumican 也被鑒定為與IPM 破壞相關的紫外線光毒性生物標志物。Lumican 基因敲除小鼠雙眼容易出現視網膜脫離，這可能是由于眼軸長度增加所致。Lumican 還是一種潛在的水性生物標志物，可用于預測特發性視網膜前膜的發展并監測其進展[25]。以上的臨床和動物實驗都表明了lumican 對視網膜結構和功能的維持具有重要作用。在臨床上，對于特定的視網膜疾?。ɡ缣匕l性視網膜前膜）有早期的診斷和監測進展的作用。

目前，我國近視人數逐年提升，且近視人員逐漸低齡化，因此，探索預防和治療近視的新方法尤為重要。而人類基因多態性的遺傳學研究支持了lumican在近視中的重要作用。Lumican 是鞏膜的關鍵成分，Lum 基因缺失會影響鞏膜的結構完整性。Lumican基因調控區域的單核苷酸多態性（single nucleotide polymorphism,SNP）與人類病理性近視相關。G.F.WANG 等[26]調查了華南人群Lum 基因與高度近視的相關性，該研究鑒定出Lum 基因的3 個SNP：Lum c.32（rs577456426）、Lum c.507（rs17853500）和Lum c.849（rs181915277）。3 個SNP 中，rs17853500的基因型和等位基因頻率在患者和對照組之間差異有統 計學意義（P<0.05），但兩組間rs181915277 和rs577456426 差異無統計學意義（P＞0.05）。因此得出Lum c.507 多態性可能是華南人群高度近視發病的危險因素這一結論。Z.J.DENG 等[27]對中國人群lumican 啟動子多態性與高度近視的關聯性進行了Meta 分析，結果表明中國lumican rs3759223 C 等位基因攜帶者與T 等位基因攜帶者相比，高度近視的風險降低（優勢比：0.531，95%CI：0.304～0.925，P=0.025）；
對照者平均眼軸長度減弱rs3759223 對高度近視的影響（斜率：-0.914，95%CI：-1.490～0.337，P=0.002）。因此，在中國人中lumican rs3759223 C 等位基因攜帶者可能降低高度近視的風險。另一項Meta 分析[28]表明，lumican-1554T／C 多態性可能與高度近視易感性中度相關。在動物實驗中，M.Y.LIN 等[29]研究出一種新的近視眼造模方法。主要是針對斑馬魚lumican基因的藥物嗎啉代，注射到單細胞斑馬魚胚胎中，導致鞏膜過度擴張，最終形成近視。

Lumican 基因在近視的發病機制中也發揮重要的作用。呂曉彤等[30]研究發現，lumican 突變（c.596T＞C）增加了人鞏膜成纖維細胞中堿性成纖維細胞生長因子（basic fibroblast growth factor,bFGF）和TGF-β2的表達，說明lumican 突變（c.596T＞C）可能通過調節bFGF 和TGF-β2 參與近視過程中的鞏膜重構，并改變了鞏膜細胞外基質的代謝。Lumican 在維持鞏膜生物力學特性方面發揮著重要作用。J.S.WU 等[31]發現，lumican 通過調節組織金屬蛋白酶抑制劑2、基質金屬蛋白酶（matrix metalloproteinase,MMP）-2 和MMP-14 的過表達，從而促進鞏膜成纖維細胞凋亡，最終導致近視。還有研究[32]表明，lumican 也可能與纖維調蛋白密切相關。同時敲除lumican 和纖維調節蛋白的小鼠（Lum-／-Fmod-／-），其眼睛顯示出高度近視的某些特征：眼軸長度增加、鞏膜變薄和視網膜脫離。對于有高度近視風險的患者，應用柔性合成lumican 可以恢復角膜瘢痕，甚至可以限制近視的進展。因此，了解lumican 在病理性近視中所扮演的角色，在臨床上有助于探索預防和治療近視的新方法。

Lumican 在角膜、鞏膜、虹膜、晶狀體、小梁網、人類神經感覺視網膜、視網膜血細胞、Bruch 膜、脈絡膜中均有表達[3,33]。目前臨床上對與lumican 的研究主要體現在：lumican 可以維持角膜清晰度；
lumican 促進角膜基質的再生和修復，可以作為一種新型的植入材料，很好地彌補角膜移植供體不足的缺陷；
在炎癥性眼病中，對炎癥的進展發揮重要作用；
對于原發性開角型青光眼，可以血清檢測lumican進行疾病的早期診斷；
通過調節房水的流出，從而可以控制青光眼的進展；
白內障術后控制lumican 的表達，還可以降低術后并發癥；
lumican 對鞏膜的結構完整性至關重要，因此它與視網膜脫離和人類高度近視高度相關。此外在細胞層面，lumican 可以作為多種細胞過程的調節分子，包括細胞增殖和遷移。但目前對于lumican 的研究主要還是局限在眼前節，對眼后段疾病方面的作用機制還有待深入研究。在其他疾病方面lumican 也發揮重要的作用，例如，lumican 在人骨骼健康[34]、腫瘤[35-37]、婦產科[38]等領域有一定的研究?；つ覂茸⑸鋖umican 可以有效地控制骨性炎癥的進展[34]；
在腫瘤的發生發展方面，lumican 對不同的腫瘤組織中新生血管生成和抑制[36]有一定的治療作用；
lumican 還是膠質母細胞瘤的預后標志物[37]等。但其在眼科中的關于一些新生血管類疾?。ɡ缃悄?、視網膜、脈絡膜等新生血管相關性疾?。┻€有待進一步的探索和研究。鑒于lumican在各種不同的眼科疾病中不同作用和機制，因此對其進一步研究在臨床上可能為不同的眼科疾病提供新的診斷指標和藥物治療靶點。