小窩蛋白—1在血—腦脊液屏障中作用的研究

錢華+李亞軍

[摘要]血-腦脊液屏障是維持中樞神經系統穩定的關鍵因素。內皮細胞小窩蛋白（caveolins）的重要標志物小窩蛋白-1（caveolin-1）在血-腦脊液屏障中扮演重要角色。caveolin-1參與了血-腦脊液屏障受外界侵略和信號轉導的過程。目前對caveolin-1的研究仍然較少，本次的回顧性研究認為caveolin-1對血-腦脊液屏障以及中樞神經系統疾病都具有非常重要的意義。

[關鍵詞]血-腦脊液屏障；細胞窖；小窩蛋白-1；緊密連接

[中圖分類號] R74 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-4721（2017）01（c）-0017-04

[Abstract]Blood cerebrospinal fluid barrier is the key factor to maintain the stability of central nervous system.Important marker （caveolin-1） of endothelial cell caveolins plays an important role in the blood brain cerebrospinal fluid barrier.caveolin-1 is involved in the process of blood cerebrospinal fluid barrier by external aggression and signal transduction.At present，the research on caveolin-1 is still few.This retrospective study suggests that caveolin-1 has a very important significance in the blood cerebrospinal fluid barrier and central nervous system diseases.

[Key words]Blood cerebrospinal fluid barrier；Cell cellar；Caveolin-1；Tight connection

腦微血管內皮細胞是血-腦脊液屏障的重要組成部分，內皮細胞質膜表面有豐富的內陷囊狀結構，即為細胞窖（caveolae），也稱為小窩。caveolae功能紊亂被認為與廣泛疾病如脂代謝障礙、心臟疾病、感染、骨質疏松及癌癥相關[1]。小窩蛋白（caveolins）是caveolae 的標志性蛋白，由小窩蛋白基因編碼而成。目前已確定的 caveolins 家族成員有：caveolin-1、caveolin-2和caveolin-3，其中caveolin-1是目前研究的熱點。caveolin-1是caveolae的主要結構組分和唯一功能載體，在大多數細胞中呈高水平表達，比如脂肪細胞、內皮細胞、纖維細胞、平滑肌細胞以及上皮細胞。免疫組化結果顯示在正常腦組織中，caveolin-1主要在內皮細胞中表達，尤其在腦微血管內皮細胞中有較高的表達水平[2]。caveolae的分子組成表明caveolins具有儲存、加工信使的功能，并可以直接與caveolae相關信號分子相互作用。有研究提示， caveolin-1在神經發育、突觸可塑性及神經退行性疾病中都起著非常重要的作用。近年來 ，caveolin-1與血-腦脊液屏障關系的研究也得到了越來越多的重視。本文綜述caveolin-1在血-腦脊液屏障中的作用，為中樞神經系統疾病的病因研究和診治提供新的思路。

1 caveolin-1在血-腦脊液屏障中的作用

caveolae從細胞膜中形成和分離都由caveolin-1的磷酸化來控制。caveolae和內吞囊泡一樣，通過細胞間隙運輸后與基底內皮表面融合，釋放自身內容物到細胞間隙[3]。對大腦皮質微血管的研究表明，cave？鄄olin-1在由內皮細胞、周細胞、血管星形膠質細胞組成的血管墻中表達[4]。caveolin-1的表達與內皮細胞屏障通透性相關[5]。caveolin-1在大腦微血管中的研究提示，caveolin-1可能與血-腦脊液屏障的功能相關。

過去幾十年的研究證實，大腦內皮細胞緊密連接的膜蛋白包括claudin蛋白、occludin蛋白以及連接黏附分子負責將內皮細胞密封連接起來。跨膜蛋白通過緊密連接蛋白，如ZO-1、ZO-2與肌動蛋白細胞骨架相連[6]。這些緊密連接蛋白表達的變化可以破壞血-腦脊液屏障，從而引起腦水腫以及相關的腦組織損傷[7]。caveolin-1可以形成一個早期及關鍵的調控點去破壞緊密連接蛋白。在小鼠大腦皮質冷凍損傷模型中，caveolin-1表達的增加領先于occludin和claudin-5蛋白表達的減弱；有研究顯示，在血-腦脊液屏障開放的過程中，caveolin-1的表達改變早于緊密連接蛋白表達的改變[8]，這些均說明caveolin-1主要在早期血-腦脊液屏障破壞的過程中發揮作用[9]。

在中樞神經系統感染中，由趨化因子調節的緊密連接蛋白及caveolin-1的表達與分布也會影響血-腦脊液屏障的完整性。在培養的人星形膠質細胞中，早前稱為單核細胞趨化蛋白-1（CCL2）可導致caveolin-1表達下調及緊密連接蛋白occludin、ZO-1表達減少[10]。在趨化因子穿過腦微血管內皮細胞的過程中，CCL2的內部化作用可能依賴于caveolae的完整性及CCL2-caveolin-1的共定位[11]。CCL2對內皮細胞的影響通過caveolin-1從它的受體CCR2傳遞給細胞骨架，緊接著是緊密連接。

血管內皮生長因子（VEGF）也可以引起血管內皮細胞中caveolin-1下降以及ZO-1、occludin蛋白分布和表達的變化。白細胞介素-15（ IL-15）及其受體均由腫瘤壞死因子-α（TNF-α）刺激生成。TNF和IL-15都可以導致claudin-2減少，而caveolin-1通過caveolins基因的誘導由TNF和IL-15調節表達[12]，因此一個包含有CCL2，caveolin-1，緊密連接或其他因素如VEGF、IL-15、TNF的信號通路也許在炎癥感染和血管生成過程中都有一定的意義，每個過程都伴隨血-腦脊液屏障通透性增加，所以在調節由CCL2誘導的腦微血管內皮細胞連接蛋白的表達和維持血-腦脊液屏障完整的過程中，caveolin-1都起著非常重要的作用。

2 caveolin-1在中樞神經系統疾病患者血-腦脊液屏障中的作用

在不同的中樞神經系統疾病中，caveolin-1通過與其他蛋白及信號分子的相互作用參與了血-腦脊液屏障的不同改變。

2.1腦缺血

研究證實，caveolins在缺血性損傷過程中發揮重要作用。自由基在腦缺血/再灌注損傷中扮演非常重要的角色，有毒自由基的累積不僅可提高腦組織對缺血性損傷的敏感性，還可誘導大量分子級聯的發生，最終導致血-腦脊液屏障通透性增加，腦組織水腫，出血轉化以及炎癥反應。在基礎條件下，caveolin-1通過在腦組織內皮細胞上結合內皮型-氧化氮合酶（eNOS）抑制其活動[13]。野生型腦組織比caveolin-1基因敲除腦組織增生內皮細胞的數量及eNOS蛋白水平都高[14]。NO在腦組織中調節caveolin-1的表達，在缺血腦組織中，caveolin-1的消耗與NO的產生息息相關。在eNOS的參與下，caveolin-1與NO之間存在一個正反饋循環通路，這個通路在腦缺血/再灌注損傷時對血/腦脊液屏障的破壞會造成很大的影響[15]。

基質金屬蛋白酶（MMPs）在血-腦脊液屏障破壞中也扮演非常重要的角色。NO通過對一個可以調節酶活化過程的重要半胱氨酸進行亞硝基化從而激活MMPs。在缺血腦組織中，激活的MMPs可以破壞對維持血-腦脊液屏障開放狀態非常重要的蛋白，如基質蛋白、緊密連接蛋白等。由激活的MMPs切開的蛋白切口提高了血-腦脊液屏障的通透性[16]。caveolin-1水平的下降與MMP-2、MMP-9活性的提高，緊密連接蛋白ZO-1表達的減少和血-腦脊液屏障通透性的增加相關。在腦梗死早期急性溶栓時，腦缺血會促進MMP-2介導的occludin水平降低以及caveolin-1介導的claudin-5再分布，最終導致血-腦脊液屏障的破壞[17-18]。

總之，在腦缺血后caveolin-1表達減少可以提高eNOS的活性，最終導致NO水平增高。在eNOS的參與下，caveolin-1與NO之間存在一個正反饋循環通路，對血-腦脊液屏障紊亂造成很大的影響。最后，由NO激活的MMPs切割緊密連接蛋白、occludin蛋白、claudin蛋白并降解基底膜蛋白組件，導致血-腦脊液屏障完整性破壞[19]，因此，活性氧可以通過消耗caveolin-1這個對血-腦脊液屏障通透性非常重要的決定因素來提高rt-PA對MMPs激活的作用[20]。

2.2中樞神經系統感染

新型隱球菌通過跨血-腦脊液屏障途徑導致中樞神經系統感染。在新型隱球菌感染的人腦組織微血管細胞中，主受體CD44與磷酸化的caveolin-1在胞膜上共定位。隱球菌侵犯人腦微血管內皮細胞（HBMECs）是一個依賴于脂筏/caveolae的內吞過程。caveolin-1和磷酸化的caveolin-1是隱球菌跨血-腦脊液屏障的媒介[21]。

血-腦脊液屏障對于阻止HIV病毒進入腦組織也非常重要。HIV蛋白被HIV-1感染的細胞釋放，可以通過使緊密連接功能紊亂和誘導氧化還原反應激活定位于caveolae的信號分子從而影響腦組織內皮細胞和血-腦脊液屏障的完整性[22]。在HBMECs，Ras和Rhoas信號通路通過Tat蛋白（HIV的特異性蛋白）被明顯激活，同時會出現caveolin-1表達增加以及連接蛋白減少。通過對Ras信號通路的藥物性抑制和壓制caveolin-1基因，連接蛋白被有效地保護起來。Tat蛋白激活了caveolae相關的Ras和Rho信號通路，這些都對緊密連接的破壞非常重要。caveolin-1可以形成一個重要的調節分子去控制導致緊密連接蛋白破壞的Ras信號通路。

MMP-9也參與了HIV-1導致的血-腦脊液屏障破壞。接觸HIV-1感染的單核細胞誘導了ERK1/2和Akt的磷酸化，這些過程可以通過遏制caveolin-1基因而減弱。把HBMECs和HIV-1感染的單核細胞共同培養后發現， MMP-9激動劑和酶的活性明顯提高。遏制caveolin-1基因的表達可以有效抑制所有HIV-1誘導的MMP-9激動劑的活性。

綜上所述，caveolin-1有可能成為艾滋病等病毒疫苗的一個新的治療方向。

2.3其他神經系統疾病

在新生兒黃疸中，神經系統紊亂由高水平的非結合性膽紅素（UCB）進入腦組織改變腦組織微血管系統導致。UCB對HBMECs的早期影響包括影響caveolae數量、caveolin-1表達增加，VEGF水平上調等，但細胞旁路的通透性并沒有改變。然而持續高膽紅素狀態可以減少ZO-1、緊密連接鏈和細胞間的聯系，這都是血-腦脊液屏障破壞的表現[23]。最終高濃度的UCB通過氧化應激刺激、細胞因子的釋放以及caveolin-1表達增加對HBMECs造成影響。 Wernicke腦病是由硫胺素（維生素B1）缺乏導致的腦組織代謝紊亂。在硫酸素缺乏小鼠的丘腦中發現caveolin-1基因和蛋白表達的大幅度增加，伴隨大量IgG外溢。在腦外傷、退行性腦疾病、腦腫瘤等其他神經系統疾病中，caveolin-1都扮演著相當重要的角色。

3 總結和展望

腦微血管內皮細胞控制著血液和腦細胞的相關交流，血-腦脊液屏障是其重要組成成分。caveolin-1是caveolae的組成成分，在血-腦脊液屏障的生理、病理改變中扮演重要角色。作為吞飲小泡的主要成分，caveolin-1對caveolae相關的跨細胞轉運非常重要。caveolin-1形成了很多可以控制信號通路和破壞細胞旁路緊密連接蛋白的重要調節分子。細胞旁路的開通提高了血-腦脊液屏障的通透性，導致藥物轉運加快和血-腦脊液屏障破壞。許多信號分子與caveolin-1組成復合體，在各項活動中作為媒介發揮作用。減少caveolin-1基因的表達和破壞caveolae可以減弱或消除血-腦脊液屏障的病理性損傷。在將來，對腦微血管內皮細胞的caveolin-1基因敲除也許可以成為一個新的治療措施。物理刺激和藥物可以通過激活caveolin-1提高血-腦脊液屏障的通透性，這也為腦組織靶向運輸大分子或藥物提供了新的治療策略。caveolin-1有可能成為治療中樞神經系統疾病的一個新的靶點。

[參考文獻]

[1]Hayashi YK，Matsuda C，Ogawa M，et al.Human PTRF mutations cause secondary deficiency of caveolins resulting in muscular dystrophy with generalized lipodystrophy[J].J Clin Invest，2009，119（9）：2623-2633.

[2]張強，王嶸.Caveolae及Caveolin-1對惡性腦腫瘤微血管通透性的影響[J].國際神經病學神經外科學雜志，2012， 39（5）：438-440.

[3]Kim MP，Park SI，Kopetz S，et al.Src family kinases as mediators of endothelial permeability：effects on inflammation and metastasis[J].Cell Tissue Res，2009，335（1）：249-259.

[4]Jin X，Sun Y，Xu J，et al.Caveolin-1 mediates tissue plasminogen activator-induced MMP-9 up-regulation in cultured brain microvascular endothelial cells[J].J Neurochem，2015，132（6）：724-730.

[5]Shao M，Yue Y，Sun GY，et al.Caveolin-1 regulates Rac1 activation and rat pulmonary microvascular endothelial hyperpermeability induced by TNF-α [J].PLoS One，2013，8（1）：e55213.

[6]Sreekanthreddy P，Gromnicova R，Davies H，et al.A three-dimensional model of the human blood-brain barrier to analyse the transport of nanoparticles and astrocyte/endothelial interactions[J].F1000Res，2015，4：1279.

[7]Zhong Y，Smart EJ，Weksler B，et al.Caveolin-1 regulates human immunodeficiency virus-1 Tat-induced alterations of tight junction protein expression via modulation of the Ras signaling[J].J Neurosci，2008，28（31）：7788-7796.

[8]Li Z，Liang G，Ma T，et al.Blood–brain barrier permeability change and regulation mechanism after subarachnoid hemorrhage[J].Metabolic Brain Disease，2014，30（2）：597-603.

[9]Nag S，Manias JL，Stewart DJ.Expression of endothelial phosphorylated caveolin-1 is increased in brain injury[J].Neuropathol Appl Neurobiol，2009，35（4）：417-426.

[10]Xu S，Xue X，You K，et al.Caveolin-1 regulates the expression of tight junction proteins during hyperoxia-induced pulmonary epithelial barrier breakdown[J].Respir Res，2016，17（1）：1-14.

[11]Ge S，Song L，Serwanski DR，et al.Transcellular transport of CCL2 across brain microvascular endothelial cells[J].J Neurochem，2008，104（5）：1219-1232.

[12]Stone KP，Kastin AJ，Pan W.NFκB is an unexpected major mediator of interleukin-15 signaling in cerebral endothelia[J].Cell Physiol Biochem，2011，28（1）：115-124.

[13]Gu X，Fliesler SJ，Zhao YY，et al.Loss of caveolin-1 causes blood-retinal barrier breakdown，venous enlargement，and mural cell alteration[J].Am J Pathol，2014，184（2）：541-555.

[14]Morais C，Ebrahem Q，Anand-Apte B，et al.Altered angiogenesis in caveolin-1 gene-deficient mice is restored by ablation of endothelial nitric oxide synthase[J].Am J Pathol，2012，180（4）：1702-1714.

[15]Shen J，Ma S，Chan P，et al.Nitric oxide down-regulates caveolin-1 expression in rat brains during focal cerebral ischemia and reperfusion injury[J].J Neurochem，2006，96（4）：1078-1089.

[16]Zhou J，Li J，Rosenbaum DM，et al.Thrombopoietin protects the brain and improves sensorimotor functions：reduction of stroke-induced MMP-9 upregulation and blood-brain barrier injury[J].J Cereb Blood Flow Metab，2011，31（3）：924-933.

[17]Gu Y，Zheng G，Xu M，et al.Caveolin-1 regulates nitric oxide-mediated matrix metalloproteinases activity and blood-brain barrier permeability in focal cerebral ischemia and reperfusion injury[J].J Neurochem，2012，120（1）：147-156.

[18]Liu J，Jin X，Liu KJ，et al.Matrix metalloproteinase-2-mediated occludin degradation and caveolin-1-mediated claudin-5 redistribution contribute to blood-brain barrier damage in early ischemic stroke stage[J].J Neurosci，2012， 32（9）：3044-3057.

[19]Gottschall PE，Barone FC.Important role for endothelial calveolin-1 in focal cerebral ischemia-induced blood-brain barrier injury[J].J Neurochem，2012，120（1）：4-6.

[20]Lakhan SE，Kirchgessner A，Tepper D，et al.Matrix metalloproteinases and blood-brain barrier disruption in acute ischemic stroke[J].Front Neurol，2013，4（32）：1-15.

[21]Long M，Huang SH，Wu CH，et al.Lipid raft/caveolae signaling is required for Cryptococcus neoformans invasion into human brain microvascular endothelial cells[J].J Biomed Sci，2012，19：9.

[22]Atluri VS，Hidalgo M，Samikkannu T，et al.Effect of human immunodeficiency virus on blood-brain barrier integrity and function：an update[J].Front Cell Neurosci，2015，9（212）：1-10.

[23]Palmela I，Sasaki H，Cardoso FL，et al.Time-dependent dual effects of high levels of unconjugated bilirubin on the human blood-brain barrier lining[J].Front Cell Neurosci，2012，6（22）：1-14.

（收稿日期：2016-11-18 本文編輯：許俊琴）