2024年11月8日 (五) 09:42的最后版本

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血脑屏障的发育、维持和破坏

Development, maintenance and disruption of the blood-brain barrier

[编辑] 1 摘要

血液循环和神经组织之间的界面具有独特的特性，这些特性被术语“血脑屏障”（BBB） 所包含。该屏障的主要功能，即维持大脑稳态、调节内流和外排运输以及防止伤害，都由其特殊的多细胞结构决定。每种组成细胞类型对 BBB 的完整性都做出了不可或缺的贡献。但是，如果 BBB 的一个成员失败，导致屏障崩溃，可能会产生严重的后果，并可能发生神经炎症和神经退行性变。在这篇评论中，我们重点介绍了最近获得的关于 BBB 开发和维护的机械见解。然后，我们讨论了 BBB 破坏如何导致或促进神经系统疾病。最后，我们研究了如何利用这些知识来探索 BBB 修复的新可能性。

The interface between the blood circulation and the neural tissue features unique characteristics which are embraced by the term ‘blood-brain barrier’ (BBB). The main functions of this barrier, namely maintenance of brain homeostasis, regulation of influx and efflux transport, and protection from harm, are determined by its specialized multicellular structure. Every constituent cell type makes an indispensible contribution to the BBB’s integrity. But, if one member of the BBB fails and as a result, the barrier breaks down, there can be dramatic consequences, and neuroinflammation and neurodegeneration can occur. In this Review we highlight recently gained mechanistic insights into the development and maintenance of the BBB. We then discuss how BBB disruption can cause or contribute to neurological disease. Finally, we examine how this knowledge can be used to explore new possibilities for BBB repair.

[编辑] 2 介绍

血脑屏障 （BBB） 是一种多细胞血管结构，将中枢神经系统 （CNS） 与外周血液循环分开。除了屏障功能外，内流和外流在血脑界面受到积极调节。通过严格控制分子和离子的通过，根据当前的神经元需求瞬时输送营养物质和氧气，并通过保护大脑免受毒素和病原体的侵害，BBB 维持了一个允许神经元正常运作的环境。

BBB 的核心解剖元件是由内皮细胞 (EC, endothelial cells) 形成的脑血管 (cerebral blood vessel)。与不同组织中的 EC 相比，BBB 的 EC 是独一无二的，因为它们具有连续的细胞间紧密连接 (TJ, Tight Junction)，没有开窗并且经历极低的转胞吞作用，这极大地限制了分子通过 EC 层的细胞旁和跨细胞运动[1]。这意味着分子通过 BBB 的通道受到一系列特定转运蛋白的调节，这些转运蛋白允许将营养物质输送到大脑并挤出潜在毒素。此外，内皮细胞粘附分子的白细胞粘附分子表达较低，消除了免疫细胞浸润到健康 CNS 中，因此免疫监视程度有限[2]。

BBB 存在于中枢神经系统内所有层次的血管树，包括穿透动脉 (penetrating arteries) 和小动脉 (arterioles)、致密的毛细血管床 (capillary bed)、毛细血管后小静脉 (post-capillary venules) 以及引流小静脉 (draining venules) 和静脉 (veins) [3]。尽管每个血管段都需要保持紧密的屏障特性以将神经组织与血液隔离，但血管床内有一些对 BBB 功能至关重要的特化。例如，营养物质运输高度特化于靠近所有神经元的毛细血管，而白细胞运输和免疫调节的调节则位于毛细血管后小静脉，那里有一个血管周围空间 (perivascular space) [4,5]。

BBB 的发育和维持受与 EC 相互作用的细胞和非细胞元件控制。星形胶质细胞、周细胞和细胞外基质 （ECM） 成分为 BBB 提供结构和功能支持。术语“神经血管单位”（NVU） 还指神经元、小胶质细胞和可选的外周免疫细胞，它们也有助于这种细胞相互作用[1,6]（图 1）。脑毛细血管的腔表面被基底膜包裹，该基底膜将 EC 与周细胞分开，将周细胞与星形胶质细胞分开[7]。在毛细血管后小静脉的水平，两个基底膜是不同的（内皮和实质），并定义了血管周围间隙的内边界和外边界[7]，其中骨髓来源的血管周围细胞具有关键的免疫调节功能[8]。

最近，人们做出了广泛的努力，以更好地了解 BBB 在结构和功能方面的独特性。大规模基因组学和蛋白质组学方法产生的数据可以帮助解释该屏障的独特特性，并阐明在 BBB 发育和维持以及疾病中参与的机制[9,10]。全面的基因和蛋白质表达分析也为评估当前的体外模型及其生理相关性提供了机会。例如，脑微血管 EC 无论其来源如何，都会在体外失去一些 BBB 特性[11,12]。因此，正如我们所讨论的，改进现有的 BBB 模型是一项重要的挑战。

在这篇综述中，我们重点介绍了最近对 BBB 的见解如何使人们对 BBB 如何发展和维持、疾病中出了什么问题以及 BBB 修复的潜力有了新的理解。

神经血管单位（毛细血管水平）的细胞相互作用

血脑屏障 （BBB） 是神经血管单位 (NVU, neurovascular unit) 的一部分，它代表了中枢细胞和外周细胞的复杂相互作用。由紧密连接密封的血管内皮 (Vascular endothelial) 细胞构成 BBB。内皮的腔表面被基底膜 (basement membrane) 覆盖，其中嵌入了周细胞 (pericytes) 及其突起。内皮细胞和周细胞之间的直接细胞间串扰是通过 peg-socket 连接实现的。星形胶质细胞 (Astrocytes ) 延伸了包围血管腔侧的足突，其范围几乎达到 100%。虽然在毛细血管水平上，基底膜被认为是复合基底膜，但它在毛细血管后小静脉水平被分成内皮基底膜和实质基底膜，划定了血管周围空间（未显示）。神经元和小胶质细胞被认为是 NVU 的成员，因为它们与 BBB 的核心元件相互作用并影响屏障功能。外周血细胞包括白细胞 (Leukocyte) 也参与这种细胞相互作用，因为它们在炎症等病理条件下调节 BBB 功能。

[编辑] 3 BBB 的发育

BBB 的发育是一个多步骤的过程（图 2），当预先存在的血管发芽进入胚胎神经外胚层并产生新血管时，它从血管生成开始。这些早期芽表现出许多 BBB 特性，包括 TJ 和营养转运蛋白的表达。它们还含有大量的转胞细胞囊泡，并显示出白细胞粘附分子的高表达。随着新生血管与周细胞和星形胶质细胞密切接触，BBB 的屏障特性成熟。该过程包括 TJ 的阐述、减少转胞吞作用、下调白细胞粘附分子和增加外排转运蛋白表达。内皮间 TJ 的密封在成熟过程中完成，需要在整个生命周期中保持。

BBB 发展中的主要信号通路

a） 当内皮祖细胞侵入胚胎神经外胚层时，BBB 的发育始于血管生成。神经祖细胞分泌引导发芽内皮细胞的因子。血管内皮生长因子 （Vegf） 是表达受体 Flk-1 的内皮细胞的线索。神经祖细胞分泌的 Wnt 配体结合内皮细胞上的卷曲 （Fzd） 受体，这是内皮细胞迁移到胚胎神经组织所必需的。Wnt 信号转导还导致 BBB 相关基因的转录，包括编码 Glut-1 和紧密连接 （TJ） 分子的基因。血管生成发芽需要内皮孤儿受体 Gpr124，它调节内皮细胞的迁移和 Glut-1 的表达。

b） BBB 发育的第二个主要阶段的特征是周细胞和星形胶质细胞对内皮细胞的投资，它们促进了脑内皮细胞的屏障特性。新生血管的内皮细胞释放血小板衍生生长因子-b （Pdgf-b），从而将表达受体 Pdgfr-β 的周细胞募集到内皮表面。内皮细胞和周细胞之间的相互作用由双向转化生长因子-β （Tgf-β）-TGF-β 受体 （Tgf-βR） 信号传导介导，导致两个主要影响。首先，内皮钙粘蛋白-2 的上调导致内皮细胞和周细胞之间的牢固粘附，其次，刺激周细胞沉积细胞外基质 （ECM） 成分，有助于基底膜的形成。当周细胞就位时，它们通过产生向内皮 Tie-2 发出信号的 Ang-1 来限制 BBB 通透性。星形胶质细胞通过释放 Sonic Hedgehog （Shh） 参与限制 BBB 通透性，Sonic Hedgehog （Shh） 通过受体 Patched-1 （Ptc1） 激活内皮细胞中的 Hh 信号传导。此外，星形胶质细胞中激活的 Src 抑制的 C 激酶底物 （SSeCKS） 刺激 Ang-1 的产生，Ang-1 向内皮 Tie-2 受体发出信号。这些相互作用随后导致更高级 TJ 的发展、白细胞粘附分子的丢失和转胞吞作用的抑制。

c） 通过 TJ 蛋白的上调和重新分布对内皮间 TJ 的封闭在成熟过程中完成，需要维持。来自未知祖细胞和星形胶质细胞的 Wnt 配体通过内皮细胞表达的 Fzd 受体调节 TJ 的形成。由 TGF-β-TGF-βR 和 Ang-1-Tie-2 信号介导的内皮细胞和周细胞之间的串扰支持 BBB 的形成和维持。持续的 BBB 完整性主要由星形胶质细胞实现。星形胶质细胞产生的载脂蛋白 E （Apoe） 通过脑微血管上的脂蛋白受体相关蛋白 1 （Lrp-1） 发出信号。也有人假设星形胶质细胞 Apoe 作用于周细胞，周细胞反过来调节内皮 TJ（未显示）。内皮细胞在被星形胶质细胞产生的 Shh 激活后上调 TJ 蛋白表达。星形胶质细胞衍生的血管紧张素 （Ang） 与内皮细胞上的 AT1 受体结合，促进内皮间 TJ 的形成和维持。

配体和受体根据起源的细胞类型着色：神经祖细胞，紫色;内皮细胞，红色;周细胞，米色;星形胶质细胞，绿色;未知，白色;微血管，灰色;

[编辑] 4 BBB 内皮细胞的主要支持者

[编辑] 4.1 周细胞在 BBB 调节中的作用

The role of pericytes in BBB regulation

周细胞包裹着脑血管壁的腔表面，包括毛细血管、毛细血管前小动脉和毛细血管后小静脉的腔表面29。在不同器官的毛细血管床中，神经组织显示出最高的周细胞覆盖率30，表明周细胞在 BBB 中起重要作用。它们执行各种神经血管任务，包括促进血管稳定、调节毛细血管直径和血流以及控制 BBB 完整性和功能31。

阐明周细胞在 NVU 中的作用一直具有挑战性，因为目前没有明显的周细胞特异性标志物32,33。周细胞是一种相当异质性和动态的细胞群，其表面标志物的表达根据细胞分化和它们所在的组织而变化33。最近的研究表明，血小板衍生生长因子受体-β （PDGFR-β） 可能是一个有用的标志物，特别是对于脑周细胞 34-36。缺乏 Pdgfr-β 或其配体 Pdgf-b 的小鼠完全缺乏脑周细胞，导致胚胎致死和 CNS 微出血37。在缺乏 Pdgfr-β 或 Pdgf-b 的小鼠胚胎中，ECs 的连接蛋白分布异常，并显示出血管通透性增加38。周细胞早在大鼠的 E12 就参与血管分化。当血管生成 EC 形成新生血管时，它们可能通过释放 Pdgf-b 来吸引发育中的周细胞，Pdgf-b 向表达 Pdgfr β的周细胞发出信号，导致周细胞增殖并与发芽血管共迁移37,39。周细胞-EC 串扰增强了 EC TJ 的形成，减少了转胞吞作用，并降低了发育中的 BBB36 中的白细胞粘附分子表达。

当周细胞增殖并被引导至发芽血管时，内皮细胞与周细胞之间的粘附是通过转化生长因子-β （TGF-β） 介导的。两种细胞类型都分泌 TGF-β 并表达其受体 TGF-βR231。周细胞中的 TGF-β 信号转导启动 ECM 分子的产生，而 EC 中的 TGF-β 信号转导通过上调钙粘蛋白-2（也称为 N-钙粘蛋白）来促进周细胞粘附31。缺乏 Smad4（TGF-β 信号转导中的关键蛋白）的小鼠表现出与微血管直径增加、BBB 通透性增加和出血相关的周细胞脱离40。另外两个信号通路调节钙粘蛋白-2：周细胞上的 Notch 配体向 EC 表面的 Notch1 发出信号，导致钙粘蛋白-2 的 EC 表达增强;鞘氨醇-1-磷酸 （S1P） 激活内皮受体 S1P1 以激活下游 RhoA 和 Rac1，介导钙粘蛋白-2 易位到 EC 表面31。

具有 Pdgfr-β 或 Pdgf-b 亚型等位基因的小鼠已被用于证明周细胞是维持 BBB 完整性所必需的。在这些小鼠中，通过删除 Pdgfr-β 上的酪氨酸磷酸化位点或通过删除 Pdgf-b 的 ECM 保留基序来减少 Pdgfr-β 信号传导，导致小鼠有活力，但周细胞比野生型同窝小鼠少41,42。表达保留基序缺陷型 Pdgf-b 形式的年轻成年小鼠在周细胞的血管覆盖程度与血管通透性之间显示出很强的负相关34。有趣的是，血管渗漏不是由 TJ 蛋白表达受损引起的，而是提出了内皮转胞吞作用的调节缺陷来解释观察到的 BBB 完整性丧失。此外，这项研究还提供了证据表明，周细胞可以将星形胶质细胞足突引导到内皮管，从而启动适当的末端足极化。因此，周细胞似乎在 NVU 中发挥着非常核心的作用（图 3）。

[编辑] 4.2 星形胶质细胞在 BBB 调节中的作用

The role of astrocytes in BBB regulation

星形胶质细胞为神经元提供营养，调节细胞外钾平衡，进行神经递质清除和循环，控制免疫反应，并调节 BBB43。环绕脑血管腔侧的血管周围星形胶质细胞末端足是高度专业化和极化的结构，具有正交的膜内颗粒阵列 （OAP），由最丰富的水通道水通道蛋白 4 （AQP4） 和 ATP 敏感的内向整流钾通道 Kir4.144 组成。大约 30 年前，发现发育中的神经组织（而不是非神经组织）的血管化会诱导 ECs45 的屏障特征。这一观察促使人们探索星形胶质细胞谱系的细胞如何影响脑内皮的 BBB 表型。由于未成熟的神经环境包含星形胶质细胞前体，因此这些细胞被提议释放决定脑血管内皮细胞命运的可溶性因子，这一假设现在已得到体外共培养实验的支持。与单独培养的 ECs 相比，与星形胶质细胞或星形胶质细胞条件培养基共培养的 ECs 表现出更好的屏障功能。这是通过共培养的 ECs46 提高转运蛋白表达、增强代谢酶活性和增加 TJ 形成来实现的。诱导 BBB 表型这些方面的星形胶质细胞衍生可溶性因子的拟议候选者包括白细胞介素 6 （IL-6）47、神经胶质细胞系衍生的神经营养因子 （GDNF）48 和成纤维细胞生长因子 2 （FGF-2）49。然而，目前尚不清楚这些因素是否只是改善了培养的 EC 的屏障功能，众所周知，这些 EC 在自然环境之外会失去一些特性 11,12。一项使用体外和体内方法的更精细研究表明，A 激酶锚定蛋白 12（AKAP-12;也称为 Src 抑制的 C 激酶底物，SSeCKS）可以在星形胶质细胞中被激活，导致 Ang-150 的上调和分泌。脑 EC 上的 Tie-2 受体结合 Ang-1，增加 TJ 蛋白表达并增强屏障密封性50。

最近的研究表明，星形胶质细胞可能参与维持而不是诱导脑血管完整性，因为星形胶质细胞最初出现在出生后 NVU 36。星形胶质细胞分泌调节 BBB TJs26 的 SHH。另一种机制是由肾素-血管紧张素激素系统实现的。星形胶质细胞表达血管紧张素原 51，它被肾素转化为生物无活性的血管紧张素 I （ANG I）。血管紧张素转换酶 （ACE） 对 ANG I 的进一步加工产生效应分子 ANG II，其 1 型 ANG 受体 （AT1） 存在于 CNS 内皮上52。星形胶质细胞和 ECs 之间的这种相互作用控制 occludin 的翻译后修饰及其在脂筏中的亚细胞积累52。因此，成年血管紧张素原缺陷小鼠表现出 BBB52 渗漏。

星形胶质细胞还产生胆固醇和磷脂转运蛋白分子载脂蛋白 E （APOE），它介导与大脑稳态相关的调节过程43。成年 Apoe 敲除小鼠表现出选择性地增加脑血管通透性和血清蛋白渗漏到 CNS 组织中53。APOE3 是最丰富的人 APOE 亚型，而 APOE2 介导生理性 BBB 紧绷，而 APOE4 促进 BBB 破坏，如在小鼠 Apoe 被人 APOE 亚型取代的突变小鼠中观察到的那样54,55。这些差异可能是由于 APOE3 通过 APOE4 通过脑微血管中存在的脂蛋白受体相关蛋白 1 （LRP-1） 激活蛋白激酶 C eta （PKCη） 的效率更高56。在体外，激活的 PKCη 诱导了 occludin 的磷酸化，表明与 APOE454 相比，APOE3 BBB 模型中的屏障完整性有所改善。关于 APOE 亚型对 BBB 的不同影响的另一种非互斥的解释来自发现 APOE4 激活了周细胞中的炎症和 TJ 破坏途径。相比之下，APOE2 和 APOE3 抑制了该通路，从而将 BBB 从崩溃中拯救出来55。

[编辑] 4.3 基底膜：神经血管单位的非细胞成分

神经血管单位内的细胞相互作用对于正常的 BBB 功能至关重要，一种细胞类型的缺乏或功能障碍会损害 BBB 发育或促进 BBB 分解。这种相互作用的概念也适用于 ECM，它由间质基质和基底膜组成。EC、星形胶质细胞和周细胞通过分泌 ECM 分子促进基底膜的形成。基底膜主要由 IV 型胶原蛋白、层粘连蛋白和纤连蛋白等结构蛋白组成，还包含细胞粘附分子和固定化信号蛋白57。在具有血管周围间隙的毛细血管后小静脉水平，有两个不同的基底膜：内皮膜和实质膜。内皮和实质基底膜具有不同的 ECM 分子组成，这决定了它们的不同功能7。没有血管周围间隙的微血管表现出复合基底膜7。基底膜将 NVU 的成员保持在原位并调节其细胞间串扰。

基底膜与其相关细胞之间的相互作用由两种类型的基质跨膜受体实现：肌营养不良蛋白聚糖和整合素;及其细胞外 ECM 配体：层粘连蛋白、纤连蛋白、IV 型胶原蛋白、nidogen、骨连接蛋白、糖胺聚糖 （GAG）、聚集蛋白和 perlecan58。配体结合导致各种生长因子和信号级联反应的激活，这些生长因子和信号级联反应在 BBB 发育和维持过程中控制细胞生长、分化、迁移和存活。在脑血管形成过程中，血管生成 EC 表达 α4β1 和 α5β1 整合素，ECM 配体纤连蛋白的结合通过 MAPK 信号传导诱导细胞增殖59,60。在成年小鼠中，通过层粘连蛋白与 α1β1 和 α6β1 整合素的结合促进 EC 分化和血管稳定60。β1 整合素与层粘连蛋白的相互作用直接影响脑血管完整性，因为由于 TJ 蛋白 claudin-561 的表达降低，在体外阻断该受体会增加血管通透性。αv 整合素或其结合伴侣 β8 的缺乏是由于胚胎发生过程中血管形成受损或出生后早期严重脑出血而致命的62,63。星形胶质细胞表达的 αvβ8 整合素结合潜伏的 TGF-β，促进活性 TGF-β 的蛋白水解裂解和释放，从而启动 EC 中的 TGF-β 信号转导64。TGF-β 的下游靶基因包括编码纤溶酶原激活物抑制剂-1 和血小板反应蛋白-1 的基因，这两种抗血管生成因子可稳定脑血管64。因此，ECM 配体缺陷也会影响脑血管形成，并且在 fibulin-1、nidogen 或 IV 型胶原小鼠突变的小鼠中观察到各种血管表型65-67。

ECM 在捕获和积累分泌分子方面也很重要，从而能够严格调节 NVU 内的信号通路。例如，Wnt 蛋白经过翻译后修饰，将其固定在细胞表面或 ECM上68,69。失活的 Wnt 蛋白受 Wnt 抑制剂的负调控，包括 Wnt 抑制因子 （WIF）、分泌的卷曲相关蛋白 （sFRP） 和 Dickkopf 相关蛋白 （Dkk）70。TGF-β 信号转导会减少这些抑制剂的数量，从而释放 Wnt 蛋白71，并允许它们启动细胞内 β-catenin 信号转导和靶基因的转录19。BBB ECM 捕获分子的另一个例子是 GAG 介导的趋化因子固定72。趋化因子在 GAG 上寡聚化，导致形成具有高局部浓度趋化因子的斑块，从而激活免疫细胞并将其募集到炎症部位，包括免疫细胞跨 BBB73 的运输。

[编辑] 5 BBB 与疾病之间的联系

[编辑] 6 修复 BBB 的策略

[编辑] 7 观点

[编辑] 8 Reference

• Pharmacology
• Physiology
• Addiction
• BBB 血脑屏障概述