跨筛板压力差通过应力信号通路介导视神经损伤的机制研究

Our previous works found that the optic nerve damage in glaucoma was mainly caused by the abnormal high trans-lamina cribrosa pressure difference. The mechanism of optic nerve degeneration may depend on different grades and types of translamina pressure difference, and the mechanism of these damages induced by changes of force environment is unclear. Cardiovascular and osteological studies revealed that the surface of vascular endothelial cells and osteoblast have some stress sensors, function as mediating the mechanical strain into cells and regulate the cellular physiology. The retinal ganglion cells and the surrounding gliocytes also existed stress sensors，however, it is still unclear that whether the mechanical strain caused by elevated trans-lamina cribrosa pressure difference can trigger the stress signaling pathway to induce optic nerve damage. Accordingly, we hypothesize that the mechanical strain signaling may be transduced by the stress sensor on retinal ganglion cells and gliocytes, through the regulation on integrin family, integrin-cytoskeleton and ion channels, to influent cytoskeletal remodeling, cellular ion homeostasis as well as mitochondrial function, eventually cause the apoptosis of retinal ganglion cells. this project will to investigate the effect of integrin family and ion channels signaling pathway on cytoskeletal remodeling, mitochondrial dysfunction and cell injury under different mechanical stress, through cellular, animal and clinical study. Our research may provide a new molecular mechanism for glaucoma optic nerve damage and find the new intervention targets to against ganglion cells damage caused by mechanical stress.

我们前期研究发现，跨筛板压力差增大是青光眼视神经损伤的重要原因，且不同成因的差值增加导致视神经损伤的现象各不相同，但这种力学环境改变导致视神经损伤的分子机制尚不清楚。研究表明，内皮细胞、成骨细胞表面存在应力感受器，介导机械应力的细胞内转导，影响其生物学功能。而视网膜神经节细胞及其周围的胶质细胞表面也存在此类感受器，跨筛板压力差增大是否也通过应力信号通路介导视神经损伤，尚有待证实。据此，我们提出力环境的改变可能由节细胞、胶质细胞的应力感受器感知，通过整合素-FAK、整合素-细胞骨架、离子通道等途径，影响细胞骨架重塑、胞内离子稳态、线粒体功能，最终造成节细胞损伤。本课题将从细胞、动物和临床三个层面，研究青光眼视神经损伤中整合素与离子通道信号通路在力环境改变下对细胞骨架、线粒体的影响及其对细胞损伤的机制。为青光眼视神经损伤机制提供新的理论基础，从分子水平为视神经对抗应力损伤探寻干预靶点和干预分子

青光眼是全球首位不可逆性致盲性眼病。传统认为高眼压是引起青光眼视神经损害的主要危险因素。然而，在我国约83%的原发性开角型青光眼患者眼压处于正常范围内，却依然发生了视神经损害。这提示青光眼可能存在目前尚不明确的其它致病机制。通过回顾性和前瞻性研究，我们团队在国际上首次发现这些患者存在颅内压偏低的现象，这导致了患者眼到颅的压力差（跨筛板压力差）增大。进一步通过动物实验证明了，跨筛板压力差增大是青光眼视神经损伤的重要原因，且不同成因导致视神经损伤的现象各不相同，然而这种力学环境改变导致视神经损伤的分子机制尚不清楚。这是本项目所要解决的关键科学问题。已知在视网膜神经节细胞及其周围的胶质细胞表面存在应力感受器，介导机械力的细胞内转导，最终影响其生物学功能。那跨筛板压力差增大所带来的力学环境改变，是否也会通过应力信号通路介导视神经损伤，是本研究的主要研究内容。.本项目首先通过多组学技术，探索了不同力学因素导致视神经损害的分子差异，筛选出Piezo家族、TRPV家族、Galectin3等力学感受器及通路相关蛋白，为力学介导视神经损害的机制研究提供了候选分子。进一步，我们将研究重点集中于Piezo1这一已知的哺乳动物中单纯机械敏感型感受器上。通过荧光原位杂交和Piezo1荧光示踪小鼠中，明确了Piezo1在视盘筛板区上的富集表达。接着我们研究了Piezo1在视盘筛板区细胞上的作用。结果发现Piezo1可通过调节YAP基因的核转运，调控星形胶质细胞的周期进程及骨架重塑，但未发现其与胶质活化有显著关联。进一步，我们通过细胞互作研究发现，趋化至视盘筛板区的小胶质细胞可通过Piezo1感受力环境改变而活化，释放IL-1α、TNF-α、C1q等关键因子，进而活化神经毒性（A1型）星形胶质细胞，最终启动青光眼视神经损害。通过本项目的实施，我们明确了不同跨筛板压力差青光眼模型动物视神经损害的分子特征。并揭示了Piezo1在对视盘筛板区星形胶质细胞、小胶质细胞及其互作的力生物学作用及可能的分子机制。此外，我们还发现了血清视黄醇浓度与异常眼颅压力梯度的潜在关联性，为正常眼压青光眼提供了潜在的生物标志物。.通过本项目的实施，为青光眼视神经损伤机制提供新的理论基础，从分子水平为视神经对抗应力损伤探寻干预靶点和干预分子。