BBB

原文：https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4080800/

血脑屏障的发育、维持和破坏

Development, maintenance and disruption of the blood-brain barrier

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.

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） 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），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，包括穿透动脉和小动脉、致密的毛细血管床、毛细血管后小静脉以及引流小静脉和静脉[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[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） 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。

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。

图2

4 BBB 内皮细胞的主要支持者

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）。