血脑屏障(blood-brainbarrier，BBB)这一生理结构可使脑组织少受甚至不受外周血液中有害物质的侵害，保持脑组织内环境的基本稳定，对维持中枢神经系统的正常生理功能具有重要的生物学意义。早在年德国诺贝尔奖获得者PaulEhrlich教授通过小鼠尾静脉注射一种亲蛋白的染色剂—台盼蓝后发现：小鼠全身组织都变成了蓝色，只有脑和脊髓没有变色。年，他的学生EdwinGoldmann教授利用脑定位器，将台盼蓝注射入小鼠侧脑室，发现脑和脊髓都变成蓝色，而全身其他组织没有变色。由此证明在血液和大脑之间存在一种能选择性阻止物质进入大脑的生理性屏障。年，俄罗斯LinaStern教授正式将此结构命名为“bloodbrainbarrier”，即我们所熟知的BBB。直到20世纪60年代，研究者们才开始利用显微镜确定了BBB的物理结构，并证明它能选择性地通过某些物质，包括气体、水、葡萄糖、氨基酸和核苷，避免血液中的*素、大分子、炎性因子、免疫细胞和有害物质进入中枢神经系统[1]。目前，大量研究显示多种中枢神经系统疾病，例如急性脑血管病、阿尔茨海默病(AD)、帕金森病(PD)、多发性硬化(MS)等疾病的发生、发展和转归，与BBB的结构和功能破坏程度密切相关。如何通过恢复BBB的结构完整性、改善其生理机能，进而提高相关疾病的转归和预后，这必将为今后预防和治疗相关疾病带来新的视角和机遇。本文现围绕BBB与中枢神经系统疾病的相关性研究进展综述如下。
一、BBB的结构与功能
BBB由血管内皮细胞、内皮细胞间的紧密连接(tightjunctions，TJs)、基底膜、周细胞、神经元及星形胶质细胞突触末端终板组成，其中血管内皮细胞及TJs是BBB的重要形态学基础。与周围血管内皮细胞相比，BBB内皮细胞最明显的特征是无窗孔结构，胞饮的运输囊泡少，且存在大量TJs，因此内皮细胞是BBB的基本骨架，TJs是BBB发挥功能的核心组成部分，构成了BBB的第一道屏障[2]。
TJs蛋白存在于内皮细胞间，包括跨膜蛋白Claudin、Occludin、锚定蛋白(Zo)、骨架蛋白Actin和连接粘附分子(Jam)等。Claudin家族成员中每一种Claudin分子均由4个跨膜结构域组成，氨基(NH2)和羧基(COOH)端均位于细胞内部，细胞膜外具有2个长度不等的环，可以和邻近其他细胞的同种类型的环相接触，由此构成细胞间TJs，维持其特有的栅栏功能和屏障功能，保持内环境的稳定[3]。Occludin蛋白也由4个疏水跨膜结构域组成，并把蛋白分成5部分：2个细胞外环、位于细胞质区的N末端和C末端以及1个细胞内环。第1个细胞外环对细胞间的黏合具有重要作用；第2个细胞外环使Occludin稳定地组装进TJs；N末端和C末端对维持TJs的屏障功能有重要作用，且C末端可与ZO-1结合维持TJs的完整性[3]。ZO-1是一个相对分子质量为的膜周蛋白，是膜相关鸟苷酸激酶蛋白家族成员，也是TJs的主要组成成分。ZO-1的结构中包含多个蛋白结合区：3个PDZ结构域和1个SH3结构域，其通过这些结合区与Occludin的C末端及Claudins相互作用，将跨膜蛋白和细胞骨架连接在一起，并能识别TJs位置及传递各类信号[4]。Actin蛋白是内皮细胞的一种重要骨架蛋白，它的结构重排可能与脑缺血后BBB通透性改变相关[5]。JAM-1即跨膜蛋白中介导细胞与细胞或细胞与基质之间相互结合的一类分子，JAM-1的表达可直接影响TJs功能。
BBB的第二道屏障为基底膜，由Ⅳ型胶原蛋白和层粘连蛋白等基质蛋白构成，主要起支持作用。
BBB的第三道屏障由覆盖于基底膜外周的周细胞组成，属于血管平滑肌细胞系，与内皮细胞存在特化连接。研究显示周细胞包裹脑微小/毛细血管的表面积约为30%~70%[6]，主要作用包括：(1)调节TJs及粘附连接；(2)调节内皮细胞转运；(3)调节血管稳定性；(4)调节胞外蛋白质分泌水平；(5)调节毛细血管直径、血流；(6)吞噬作用等。研究已证实，血管内皮细胞通过分泌血小板源性生长因子(plateletderivedgrowthfactor，PDGF)-BB作用于周细胞的血小板源性生长因子受体-β(PDGFR-β)信号通路，调节周细胞的生存、募集、游走、增殖和分化[7]。早期研究亦证明PDGF-BB和PDGFR-β无效突变可导致胚胎小鼠的脑小血管内皮细胞增生，微动脉瘤形成，血管渗透性增加、破裂及死亡[8-9]。最新研究显示在小鼠胚胎发育期，特异性敲除PDGF-BB基序或PDGFR-β+/-均可导致周细胞覆盖率减少，TJs蛋白Occludin、ZO1表达下降，内皮细胞跨细胞转运增加，TJs超微结构改变，BBB通透性增加；更为重要的是随着小鼠月龄的增加上述改变更为明显，且出现了继发性神经元凋亡以及行为学认知功能障碍，这表明PDGF-B/PDGFR-β信号通路对于周细胞覆盖、维持BBB和认知功能有十分重要的作用[10-12]。近年来，多种中枢神经系统疾病中均发现有周细胞的结构和功能异常，周细胞的收缩可引起微血流灌注障碍及血管通透性增加，表明周细胞的收缩功能与多种微血管疾病的病变过程相关。
BBB的最外层即第四道屏障由星型胶质细胞终足组成，其主要作用包括：(1)调节水分子进出脑组织；(2)调节电解质代谢；(3)调控毛细血管直径、血流、通透性；(4)通过分泌活性分子调控TJs蛋白的表达等。胶质细胞终足表面膜表达一种水通道蛋白4(AQP4)，主要分布于脑实质内的星形胶质细胞、室管膜细胞，可使水分子通过BBB进入细胞，与细胞*性脑水肿相关。
二、BBB与中枢神经系统疾病的相关性
(一)血管性疾病(主要为急性缺血性脑卒中)
缺血缺氧损伤可迅速诱导脑水肿，包括细胞内(细胞*性脑水肿)和细胞外(血管源性脑水肿)的液体过度积聚。一般认为在缺血发作后几分钟就会出现细胞*性脑水肿，随后发生血管源性脑水肿，后者则与BBB通透性增加有关。BBB的离子转运体功能障碍是导致脑水肿的重要机制。缺血后不久，BBB内皮细胞上的质子泵、Na/K泵或钙激活钾通道KCa3.1的活性增强，增加了血液中Na+和Cl跨BBB进入大脑的跨细胞转运。随后出现的离子稳态失调，特别是细胞Na+摄取的增加，则是缺血诱导脑水肿形成的主要原因之一[13]。在脑缺血缺氧发生时，内皮细胞中的吞饮小泡增加，TJs破坏，基底膜降解，周细胞解离，神经元和星形胶质细胞突触末端水肿等都是导致BBB通透性增加的主要原因，也是脑水肿和出血转化的重要发病机制。
脑卒中后，外周免疫细胞和分子在脑实质的浸润和积聚被公认为是BBB功能障碍和损伤进展的原因之一。在缺血后的最初几个小时内，脑驻留的小胶质细胞被激活并释放大量炎性因子。这些炎性因子包括白介素(IL)-1和IL-6等，可促进细胞间粘附分子1(ICAM-1)、P-选择素和E-选择素的表达；后者进一步促进白细胞在内皮细胞上的粘附、积聚和迁移，并介导炎症级联反应，从而促进脑梗死的发生。另一方面，某些白细胞类型，如调控T细胞和B细胞，可以限制脑缺血后炎症的进展，有神经保护作用[14]。因此，如何平衡脑缺血后炎症反应的发生发展，以达到扬长避短、促进BBB功能恢复和神经保护，这将是今后脑缺血治疗研究的重点。
BBB功能障碍也是超早期脑梗死患者组织型纤溶酶原激活剂(tPA)溶栓治疗后出血转化和死亡率增加的关键，尤其是在tPA延迟治疗后。tPA相关的出血性转化主要是由于TJs蛋白严重破坏、BBB通透性增加导致[15]。对于接受溶栓治疗的脑卒中患者，使用MRI检测BBB功能的研究表明，BBB早期开放是出血性转化的独立预测因子。tPA治疗不仅能提高基质金属蛋白酶(MMP)-9表达水平，亦可促进内皮细胞膜间隙连接蛋白Cx43磷酸化，这些都有助于增加BBB通透性和出血转化[16]。在不同的缺血部位，BBB功能障碍的严重性亦不同。缺血中心区的血管壁损伤严重且不可逆，而缺血半暗带内的血管内皮细胞则轻度受损，有挽救的可能。及时地再灌注可使缺血半暗带内这种轻度的BBB损伤得以恢复，但也可能使中心区内严重的血管损伤进一步加重。tPA的神经血管*性以及其他致病因素如血管氧化应激因子、炎性因子等也可能加重BBB的损伤[17]。尽管目前研究认为缺血性脑卒中后，BBB功能障碍与预后差有相关性，然而，关于BBB功能障碍是脑实质损伤的原因还是后果的争论一直存在。早期BBB损伤可能导致实质细胞损伤。因此，早期恢复BBB的完整性，改善脑血管微循环可能是减少溶栓治疗不良反应、延长治疗时间窗、改善预后的潜在治疗靶点[18]。
(二)神经系统退行性疾病
1.AD：AD是以慢性进行性认知障碍为临床特点的中枢神经系统退行性疾病，其病理特征为β淀粉样蛋白(Aβ)沉积为主要成分的老年斑、磷酸化tau蛋白聚集导致的神经原纤维缠结及选择性的神经元和突触缺失等[19]。目前，AD的病因及发病机制尚未阐明。近年大量研究已证明AD的发生、发展与BBB损伤密切相关[20-21]。
Aβ可导致AD患者TJs蛋白异常、BBB功能紊乱。Wan等[22]对大鼠大脑皮质微血管内皮细胞进行体外培养发现，与未处理组细胞相比，Aβ1~42处理组细胞Occludin蛋白的表达水平明显降低，Claudin-5和ZO-1蛋白被重新分配到胞浆中，且血管通透性明显增加。更为重要的是，Carrano等[23]研究发现，在淀粉样脑血管病患者Aβ负荷的毛细血管中，Occludin、Claudin-5和ZO-1的表达量明显下降，提示TJs蛋白表达的调节可能增加AD脑血管通透性。另外研究发现与正常对照者相比，AD患者的内皮细胞吞饮小泡数量增加，基底膜降解，BBB跨膜转运系统受损严重[21]。
Miners等[24]利用定量免疫荧光研究证实，相比无神经病变的对照组大脑，AD患者大脑海马及皮层区域的周细胞数量和覆盖率均显著降低，同时血源性IgG和纤维蛋白漏到血管外并在脑内沉积。这些发现不仅是AD状态下BBB结构改变的直接证据，也提示作为神经血管单元(NVU)主要组成部分的BBB在AD发病机制中扮演着重要角色。还有研究发现，与正常淀粉样前体蛋白(APP)小鼠相比，APPsw/0PDGFR-β+/-小鼠的周细胞缺乏明显，且Aβ蛋白在脑实质和血管中大量沉积；值得注意的是，APPsw/0PDGFR-β+/-小鼠脑中不仅出现淀粉样病变，也有磷酸化tau蛋白的表达增加，导致AD早期tau蛋白聚集和神经元丢失，这表明周细胞缺陷可促进tau蛋白的致病性[25]。Montagne等[26]利用动态对比增强(DCE)技术首次证明，在轻度痴呆患者中，BBB通透性的增加与海马体积的减少无关，提示BBB通透性改变可能先于海马萎缩而出现，并发现BBB损害与脑脊液中周细胞损伤标志物—可溶性PDGFR-β(sPDGFR-β)水平升高相关，提示我们可以通过检测BBB通透性改变，预测AD的发生风险、延缓甚至预防AD的发生与发展[27]。
同时，对AD大脑皮质活检结果显示，Aβ沉积区附近的星形胶质细胞在脑实质和脑微血管中都有特定的超微结构改变。NVU中星形胶质细胞通过AQP4蛋白介导Aβ的摄取和降解，而AQP4组织特异性敲除小鼠脑不能有效清除可溶性Aβ。以上结果表明，血管内Aβ沉积干扰了AQP4的分子锚定作用，破坏了星形胶质细胞终足对于血管的保护作用[28]。
因此，积极恢复BBB的完整性，抑制Aβ沉积，改善神经元微环境已成为目前AD防治的研究热点之一。
2.PD：大量研究显示PD亦是一种BBB相关性疾病。对PD患者脑组织尸检结果显示，纹状体的血管周围有纤维蛋白原或纤维蛋白、IgG和含铁血*素沉积，内皮细胞变性伴微血管改变(内皮细胞厚度、长度和密度减少)，TJs蛋白丢失，基底膜降解和周细胞解离，表明PD患者存在BBB结构破坏和通透性增加[29-30]。Ham等[31]利用MRIT2WI和头颅核磁敏感成像(SWI)检查发现，PD患者基底节区(包括尾状核、丘脑、壳核和苍白球)、皮质和白质有微出血；PD痴呆患者的微出血发生率高于非PD痴呆患者和对照组，且与白质病变程度有关。Pelizzari等[32]利用动脉自旋标记(ASL)技术对PD患者和正常人群进行脑血流量分析，结果显示，在PD患者的中央前回、中央后回、辅助运动区、纹状体、苍白球、丘脑、红核、黑质等部位，脑血流量与PD运动症状的严重程度呈显著正相关；纹状体的脑血管活性与运动症状的严重程度呈显著负相关。Pienaar等[30]对脑深部电刺激置入组和未置入组PD患者脑组织的尸检分析显示，脑深部电刺激不仅可改善PD患者的锥体外系症状，亦可促进微血管结构恢复，例如可增加毛细血管的长度和密度，增加内皮细胞的厚度，增强TJs蛋白的表达水平，减少血管周围IgG渗漏。因此，更好地理解BBB的破坏机制，可能为今后PD的治疗和监测提供新的思路。
(三)炎症性疾病(如MS等)
MS是一种自身免疫相关的中枢神经系统脱髓鞘疾病，BBB破坏和炎性细胞浸润是MS的病理特征之一[33]。Kirk等[34]研究显示，与正常白质相比，活动性和非活动性MS患者白质显示内皮细胞变性、TJs蛋白ZO-1表达减少且不连续。LeVine[35]研究显示，MS患者脑脊液中Qalb蛋白含量升高，且与动态增强MRI显示的白质BBB通透性增加有相关性，尤其是在活动性MS病变中。在MS急性期，感染、疫苗、外伤、遗传等原因导致BBB开放，破坏的BBB不仅使致病性蛋白质进入大脑，也使外周免疫细胞，如T细胞、B细胞和巨噬细胞侵入脑实质，后者分泌多种细胞因子，攻击神经元，同时破坏脑和脊髓的神经纤维髓鞘[36]。其中，淋巴细胞可通过整合素-4表面受体进入BBB，基于此，Perumal等[37]利用该特异性抗体(那他珠单抗)治疗早期复发-缓解型MS患者，结果显示，那他珠单抗可明显改善MS患者2年内的认知能力和生活质量，且近75%患者没有疾病活动的证据。同时，他汀类药物可通过拮抗整合素-4表面受体，减少T细胞进入中枢神经系统，抑制炎症反应发生。温天盛等[38]最新临床研究结果显示，较单纯糖皮质激素组，糖皮质激素联合阿托伐他汀组患者治疗MS效果确切，可有效改善患者神经功能，对其预后改善具有积极影响，且安全性较高。
三、展望
综上所述，在中枢神经系统疾病中，BBB完整性的破坏通常是临床症状出现之前首先发生的病理改变。但就目前研究而言，我们对中枢神经系统疾病中BBB破坏的分子机制仍知之甚少，大多数仍局限于动物模型。近年来随着神经影像学技术的日趋发展，BBB损伤的可视化将为期不远，这必将对未来神经血管研究产生巨大影响。利用干细胞技术从散发性和遗传性神经退行性疾病患者诱导生成多能干细胞(iPSCs)，制作体外BBB模型，这一技术亦将促进新型BBB靶向药物的发现。展望未来，在疾病早期促进BBB的完整性，恢复其生理功能，必将有助于今后BBB相关性神经系疾病的预防、控制并最终逆转神经退行性变过程，改善临床预后。
参考文献：
略
文章出处：申杰,徐桂华.血脑屏障与中枢神经系统疾病的相关性研究进展[J].中华神经医学杂志,,19(09):-.
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