血腦屏障結構的細胞學與分子學機制的研究現狀

周虎傳　張玉波　劉　磊

中國人民解放軍第324醫院神經內科　重慶　400020

血腦屏障結構的細胞學與分子學機制的研究現狀

周虎傳張玉波劉磊

中國人民解放軍第324醫院神經內科重慶400020

【關鍵詞】血腦屏障；緊密鏈接；內皮細胞；星形膠質細胞

血腦屏障在維持中樞神經系統微環境穩定，保障中樞神經系統發揮正常功能起重要作用，但血腦屏障經常受到血液中各種有害理化因素的刺激、破壞，血腦屏障怎樣對抗這些有害刺激，保持血腦屏障正常的形態學結構和轉運功能，其分子機制尚處于初步研究階段。本文就血腦屏障的結構與功能維持的細胞學和分子學機制的研究現狀作一概述。

1血腦屏障的腦微血管內皮細胞及緊密鏈接

腦微血管內皮細胞組成血腦屏障的第一道屏障，主要由扁平的腦微血管內皮細胞、內皮細胞間緊密連接構成。內皮細胞血管腔面有少量的細胞膜穴和大量的內皮線粒體。腦微血管內皮細胞與星形膠質細胞或周細胞間只有一層基底膜，而腦微血管前小動脈和腦微血管后小靜脈內皮細胞有自己的基底膜，與星形膠質細胞的基底膜之間形成血管間隙。

緊密鏈接是指細胞間的鏈接區或同一細胞不同部分的鏈接區，緊密鏈接使細胞與細胞間的縫隙閉塞，緊密鏈接在保護腦微環境穩定，防止血液有害物質進入中樞神經系統起著重要作用。有研究發現內皮細胞間緊密鏈接主要由緊密鏈接相關蛋白ZO-1、ZO-2、ZO-3、cingulin、claudins等維持，還有免疫球蛋白超家族成員鏈接黏附分子和內皮選擇性黏附分子也是緊密鏈接的成分之一，參與了屏障功能的調節與維持[1-2]。

2血腦屏障的星形膠質細胞

星形膠質細胞是存在于中樞神經系統數量最多的一類細胞。星形膠質細胞伸出足突包裹在腦微血管表面，構成血腦屏障的第二道屏障。星形膠質細胞在維持中樞神經系統細胞外離子穩定、酸堿平衡、神經遞質的攝取與處理、向神經元提供營養物質、血管與神經元之間的信號傳導過程中起重要作用[3]。因此，最近文獻報道強調星形膠質細胞足突是腦代謝的關鍵性檢查點[4]。研究報道，星形膠質細胞在維持腦微血管內皮細胞的屏障特性和控制腦血流方面起決定性的作用[5]。哺乳動物星形膠質細胞最重要的形態學特征是其細胞膜結構域呈極性分布。星形膠質細胞膜內含有大量的方形整列，這些方形整列由細胞膜內的水通道蛋白AQP4組成，主要分布在星形膠質細胞膜的基底膜端，而靠近神經元或神經纖維側的星形膠質細胞膜內的方形整列數量明顯減少。星形膠質細胞這種極性特點似乎與血腦屏障的發育成熟有關。已有研究報道水通道蛋白AQP4對維持血腦屏障的完整性具有重要作用；但這個結論是不明確的，目前有研究結果與之矛盾[6]。水通道蛋白介導水在細胞內、細胞間、血管與腦室間的轉運，且這種轉運過程受到滲透性和靜水壓力梯度的嚴格控制[7]。有趣的是，內向整流鉀通道和肌營養不良蛋白聚糖復合物在細胞膜上的分布與AQP4一致。肌營養不良蛋白是連接細胞膜和細胞骨架的骨架蛋白。在肌營養不良蛋白缺失的大鼠實驗模型中，Nico等[8]觀察到腦血管通透性增加、一些緊密連接成分丟失、水通道蛋白表達量下降。

3血腦屏障的周細胞

周細胞是腦微血管的組成成分，且在不同的血管床中周細胞的密度不同。在電子顯微鏡下，周細胞很容易被識別出來，周細胞被一層基底膜完全包繞。通過免疫組織化學技術，周細胞能被抗平滑肌肌動蛋白抗體、抗肌間線蛋白抗體、抗高分子量黑色素瘤抗原抗體、抗血小板源性生長因子β受體抗體、抗氨基肽酶N抗體或G蛋白信號5調節子抗體標記。在中樞神經系統，特別是視網膜內，存在大量的周細胞。有大量研究報道周細胞在胚胎期血管生成過程中，在內皮細胞、星形膠質細胞調節腦或視網膜血流過程中，在血腦屏障、血視網膜屏障發育成熟過程中均起重要作用[9]。

4維持血腦屏障結構和功能完整的分子機制

聚集蛋白(agrin)在維持血腦屏障結構完整性起重要的作用。聚集蛋白是一種細胞外硫酸乙酰肝素蛋白多糖。最初發現聚集蛋白是募集乙酰膽堿受體到運動終板所必須的分子；后來發現其在中樞神經系統內也發揮重要的作用，特別是在維持血腦屏障結構和功能的完整性起重要作用[10]。目前已發現幾種聚集蛋白的剪接變異體。其中聚集蛋白A0B0被發現主要出現在中樞神經系統毛細血管內皮細胞側的基底膜內。當將聚集蛋白A0B0放入原代培養的星形膠質細胞的培養基內，其不會影響AQP4的表達水平，也不會影響低滲實驗中星形膠質細胞的水通透能力。但A0B0能誘導增加已表達的AQP4插入星形膠質細胞的細胞膜內[11]。聚集蛋白維持血腦屏障的完整性的分子機制到目前為止不是很清楚。研究報道可能聚集蛋白通過間接調節AQP4在星形膠質細胞膜上的分布保護血腦屏障。聚集蛋白與α-肌營養不良蛋白聚糖結合，而不是直接與AQP4蛋白結合。由于AQP4與α-肌營養不良蛋白聚糖的緊密聯系，聚集蛋白缺失后，出現AQP4的重新分布、方形整列的缺失、星形膠質細胞失去極性。新出生的聚集蛋白敲除的大鼠星形膠質細胞足突膜上存在AQP4蛋白，但不成極性分布，足突膜上沒有方形整列。因此，哺乳動物的血腦屏障的形成與星形膠質細胞足突膜的極性方形整列密切相關，其對維持血腦

屏障的完整性起重要的作用，而星形膠質細胞足突膜的極性方形整列在某種程度上依賴于聚集蛋白[6]。聚集蛋白還可以通過維持血腦屏障內皮細胞緊密鏈接分子成分的穩定維持血腦屏障的完整性。在人類腦膠質瘤內，有4種微血管，4種微血管內有不同數量的聚集蛋白、細胞黏合素(tenascin)、閉合蛋白(occludin)、緊密連接蛋白(claudins)。如果聚集蛋白完全缺失，細胞黏合素呈高表達，而緊密連接分子不表達。然而，到目前為止我們仍然不知道是否是聚集蛋白直接影響了緊密連接的成分，還是聚集蛋白通過影響星形膠質細胞的極性方形整列間接干擾了緊密連接分子的表達。

血管內皮細胞生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)、血管生成素(angiopoietins，Ang-1、Ang-2)、血小板衍化生長因子(platelet derived growth factor B，PDGF-BB)、轉移生長因子(transforming growth factor b，TGF b)、Dll4/Notch1信號通路、Wnt蛋白信號通路(Wnt/b-catenin pathway)在血腦屏障的發育、形態及功能維持過程中起重要作用，但其具體機制目前仍然不清楚[12-14]。

自從100年前Paul Ehrlich 和Edwin Goldmann提出血腦屏障的概念，血腦屏障逐漸成為血管系統相當重要的功能結構，逐漸受到不同科學學科的重視。特別是對藥物通過血腦屏障治療神經系統疾病的研究變得極其重要。隨著人口的老齡化，年齡相關的神經系統疾病，如阿爾茨海默病、腦卒中、腦腫瘤的發病率不斷增加，因此，迫切要求我們探索出治療這些疾病的新方法。而這些疾病與血腦屏障的結構和功能破壞有關，血腦屏障的結構和功能被破壞，無法維持中樞神經系統微環境的穩定，不能抵御血液化學性有害物質對神經元的影響，導致疾病的發生。因此，深刻認識血腦屏障的細胞學結構，理解血腦屏障發揮功能的分子機制，有利于我們尋求新的策略來治療神經系統疾病。

5參考文獻

[1]Dejana E，Tournier-Lasserve E，Weinstein BM.The control of vascular integrity by endothelial cell junctions：molecular basis and pathological implications[J]．Dev Cell，2009，16(2)：209-221.

[2]Wolburg H，Lippoldt A.Tight junctions of the blood-brain barrier：development，composition and regulation[J]．Vascul Pharmacol，2002，38(6)：323-337.

[3]Sofroniew MV，Vinters HV.Astrocytes：biology and pathology[J]．Acta Neuropathol，2010，119(1)：7-35.

[4]Wolburg H，Noell S，Wolburg-Buchholz K，et al.Agrin，aquaporin-4，and astrocyte polarity as an important feature of the blood-brain barrier[J]．Neuroscientist，2009，15(2)：180-193.

[5]Abbott NJ，Patabendige AA，Dolman DE，et al.Structure and function of the blood-brain barrier[J]．Neurobiol Dis，2010，37(1)：13-25.

[6]Wolburg H，Wolburg-Buchholz K，Fallier-Becker P，et al.Structure and functions of aquaporin-4-based orthogonal arrays of particles[J]． Int Rev Cell Mol Biol，2011，287：1-41.

[7]Amiry-Moghaddam M，Ottersen OP.The molecular basis of water transport in the brain[J]．Nat Rev Neurosci，2003，4(12)：991-1 001.

[8]Nico B，Frigeri A，Nicchia GP，et al.Severe alterations of endothelial and glial cells in the blood-brain barrier of dystrophic mdx mice[J]．Glia，42(3)：235-251.

[9]Krueger M，Bechmann I.CNS pericytes：concepts，misconceptions，and a way out[J]．Glia，2010，58(1)：1-10.

[10]Berzin TM，Zipser BD，Rafii MS，et al.Agrin and microvascular damage in Alzheimer’s disease[J]．Neurobiol Aging，2000，21(2)：349-355.

[11]Noell S，Fallier-Becker P，Deutsch U，et al.Agrin defines polarized distribution of orthogonal arrays of particles in astrocytes[J]．Cell Tissue Res，2009，337(2)：185-195.

[12]Augustin HG，Koh GY，Thurston G，et al.Control of vascular morphogenesis and homeostasis through the angiopoietin-Tie system[J]．Nat Rev Mol Cell Biol，2009，10(3)：165-177.

[13]Daneman R，Zhou L，Kebede AA，et al.Pericytes are required for blood-brain barrier integrity during embryogenesis[J]．Nature，2010，468(7 323)：562-566.

[14]Liebner S，Plate KH.Differentiation of the brain vasculature：the answer came blowing by the Wnt[J]．J Angiogenes Res，2010，2：1.

(收稿 2015-06-12)

【中圖分類號】R329.2

【文獻標識碼】A

【文章編號】1673-5110(2016)11-0098-02