糖尿病引發血腦屏障結構與功能失調機制的研究進展

李晶瑩 趙偉東

(中國醫科大學 1第一臨床學院，遼寧 沈陽 110122；2生命科學學院發育細胞生物學教研室 教育部醫學細胞生物學重點實驗室暨衛健委細胞生物學重點實驗室)

糖尿病是一組由胰島素分泌不足和利用障礙導致的，以高血糖為特點的代謝性疾病，主要分為1型和2型：1型是由自身免疫系統攻擊胰島β細胞所引起的胰島素分泌不足所致；2型是由肥胖等多種因素導致的胰島素抵抗和胰島素相對分泌不足，無法控制血糖水平導致的結果〔1〕。糖尿病是嚴重威脅人類健康的世界性公共衛生問題，可引發一系列并發癥，其中，典型的急性并發癥包括酮癥酸中毒和高滲性昏迷等，慢性并發癥有糖尿病腎病、糖尿病視網膜病變等微血管病變、心血管疾病及神經系統并發癥〔2〕。越來越多的研究發現糖尿病破壞血腦屏障結構的完整性，使其通透性增加，引發腦血流動力學受損、認知障礙等癥狀〔3〕。本文主要針對糖尿病引發的血腦屏障損傷機制及糖尿病與阿爾茨海默病(AD)、帕金森病(PD)的相關性和治療前景進行綜述。

1 糖尿病引起血腦屏障結構和功能損傷及相關機制

1.1血腦屏障的組成及功能 血腦屏障是中樞神經系統的重要保護結構，由腦微血管內皮細胞、基底膜、周細胞和星形膠質細胞的終足組成〔4〕，其中，腦微血管內皮細胞之間形成的緊密連接結構是血腦屏障的關鍵結構。組成緊密連接的主要蛋白包括：密封蛋白、閉合蛋白、連接黏附分子(JAMs)和閉鎖小帶蛋白(ZO)等，其中前3者為跨細胞膜蛋白。密封蛋白對維持屏障的功能尤為重要，其缺失會導致血腦屏障通透性嚴重增加；閉合蛋白在血腦屏障中含量豐富，但只與血腦屏障鈣離子流出相關，對血腦屏障功能影響不大；JAMs則主要調節白細胞穿過血腦屏障及血腦屏障細胞旁途徑的通透性；ZO分為ZO-1、ZO-2和ZO-3，主要負責緊密連接跨細胞膜蛋白的定位及其與細胞骨架蛋白的連接〔5〕。基底膜位于腦微血管內皮細胞的基底側，由膠原、層黏連蛋白、巢蛋白、肝素和其他糖蛋白組成〔6〕。周細胞嵌入基底膜中與內皮細胞直接接觸，二者共同調節新血管生成和血管穩定性，維護血腦屏障功能〔7〕。星形膠質細胞的數量最多，通過其覆蓋在血管表面的終足，調節特定區域神經活動介導的血管舒縮和血流量變化〔8～10〕。

具有高度選擇通透性的血腦屏障主要通過細胞旁途徑和跨細胞途徑完成物質轉運。細胞旁途徑受胞間連接蛋白的動態調節，而跨細胞途徑主要由腦微血管內皮細胞上的轉運子蛋白所控制〔11〕。腦微血管內皮細胞的管腔面和基底面所分布轉運子的種類和數量均不相同，使血腦屏障能夠有效地將血管內和血管周環境分隔開來〔12〕。一些轉運子參與順濃度梯度的被動轉運〔13〕；而另一些轉運子利用三磷酸腺苷(ATP)供能逆濃度梯度轉運物質。此外，血腦屏障還有一些特殊的轉運機制，如P-糖蛋白(gp)能夠移除腦組織中具有毒性作用的β淀粉樣蛋白(Aβ)〔14〕。在正常生理條件下血腦屏障嚴格控制進出腦組織的物質，維持中樞神經系統微環境穩態，保護腦細胞免受毒素和免疫細胞的損害〔15〕。

1.2糖尿病時血腦屏障結構和功能的變化 糖尿病時出現的高血糖、氧化應激和慢性炎癥反應會對血腦屏障結構的完整性和轉運功能造成破壞〔16〕，血腦屏障形態結構上的改變包括：①腦微血管內皮細胞固縮；②腦微血管管腔狹窄；③基底膜增厚；④周細胞缺失；⑤星形膠質細胞終足腫脹〔17〕。糖尿病時血腦屏障受損的具體機制可分為：①腦微血管內皮細胞間緊密連接蛋白密封蛋白-5、ZO-1和閉合蛋白表達量下調〔18,19〕；②基底膜中纖連蛋白、Ⅳ型膠原和層黏連蛋白增加，破壞內皮細胞、周細胞和星形膠質細胞與基底膜間的黏附關系；硫酸肝素蛋白聚糖表達下調，清除了陰離子蛋白的結合位點，使基底膜不穩定〔20〕；③周細胞功能紊亂、凋亡增加，使毛細血管外的周細胞覆蓋減少〔21～23〕；④長期高血糖使星形膠質細胞內氧化應激增加，終足腫脹并與基底膜分離，干擾細胞間縫隙連接和腦血流量調節〔24〕。

糖尿病還會影響血腦屏障對營養物質如葡萄糖、氨基酸的轉運。葡萄糖主要由腦微血管內皮細胞的葡萄糖轉運蛋白(GLUT)-1轉運入腦，GLUT-1的表達不直接受胰島素調節但與血糖濃度相關〔25〕。研究發現高血糖會減少血腦屏障GLUT-1的表達，使中樞神經系統維持正常的葡萄糖攝入量〔26,27〕。在血腦屏障的氨基酸轉運方面，在鏈脲霉素誘導的糖尿病大鼠中，血腦屏障對支鏈氨基酸的轉運增加而基礎氨基酸和部分必需氨基酸(如色氨酸、苯丙氨酸、甲硫氨酸等)的轉運減少，但這種現象主要與糖尿病導致的氨基酸血液濃度變化相關，而不是由轉運機制變化引起的〔28〕。

血腦屏障的通透性既與被轉運物質的大小、生化性能有關，也受血腦屏障組分的生理狀態變化的動態調節〔29〕。腦微血管內皮細胞間廣泛的緊密連接網絡、有限數量的轉胞吞囊泡及缺少細胞窗孔等特點保障了血腦屏障的限制性〔30〕。然而糖尿病使緊密連接蛋白表達減少，提高了腦微血管內皮細胞旁途徑的物質轉運，同時使轉胞吞囊泡增多，加強了跨細胞途徑的物質轉運〔31〕，這兩方面均可影響血腦屏障的限制通透性。糖尿病大鼠免疫組化染色發現腦組織有免疫球蛋白(Ig)G沉積和14C蔗糖的堆積〔32〕；2型糖尿病患者腦磁共振顯示釓示蹤劑在腦組織中積聚〔33〕；動態增強磁共振成像可見老年2型糖尿病恒河猴血腦屏障通透性增加〔34〕，這些證據均表明糖尿病會增加血腦屏障的通透性。Huber等〔35〕發現腦組織不同區域對損傷的敏感程度不同，大鼠患糖尿病28 d后，中腦首先顯示出滲透性增強，隨后是海馬、大腦皮層和基底節表現出血腦屏障通透性變化，而其余區域在患糖尿病后3個月都沒有出現損傷的跡象。

1.3糖尿病時血腦屏障損傷的分子機制 糖尿病時的血腦屏障損傷主要由高血糖、氧化應激和炎癥反應造成，活性氧(ROS)、血管內皮生長因子(VEGF)、一氧化氮合酶(NOS)、一氧化氮(NO)、糖基化終產物(AGEs)和基質金屬蛋白酶(MMPs)等是主要參與因子，下文將以這些因子為切入點對糖尿病時血腦屏障損傷的分子機制進行闡述。

1.3.1ROS 內皮細胞的線粒體過氧化物產生過多是糖尿病血管并發癥發生的主要機制之一。高血糖與胰島素抵抗加速了葡萄糖代謝率，促進電子傳遞鏈產生大量ROS。ROS對細胞功能造成多種損害：①損傷糖酵解，進而導致糖酵解中間產物聚積，這些中間產物通過多元醇、氨基己糖生物合成、蛋白激酶(PK)C和AGEs等4條信號通路導致血腦屏障功能紊亂〔16〕；②ROS通過激活核轉錄因子(NF)-κB、激活蛋白(AP)-1和信號傳導與轉錄激活子(STAT)信號通路，使炎癥因子包括腫瘤壞死因子(TNF)-α、白細胞介素(IL)-6、IL-1等表達上調〔36,37〕；③抑制星形膠質細胞縫隙蛋白折疊，干擾細胞間通訊；④干擾周細胞功能，最終導致周細胞覆蓋缺失〔16〕。研究發現，高糖條件下(25 mmol/L右旋葡萄糖)共培養人腦微血管內皮細胞和星形膠質細胞，5 d后觀察到緊密連接完整性和跨內皮細胞電阻下降〔38〕，而在培養的同時加入抗氧化物質或自由基清除劑則能減輕這些變化。這一現象證實血腦屏障損傷與氧化應激有關。也有研究發現高糖條件下培養的小鼠腦周細胞呼吸率和ROS的產生均增加，而抑制線粒體碳酸酐酶活性會使二者降低〔23〕，證明糖尿病氧化應激與呼吸作用產生的ROS有關。

1.3.2VEGF VEGF與血管生成和通透性調節相關，被認為是介導糖尿病時血腦屏障損傷的另一重要因子。VEGF受低氧誘導因子(HIF)-1和哺乳動物雷帕霉素受體蛋白(mTOR)調節，并通過激活PKC等通路增加血腦屏障通透性，在糖尿病狀態下對血腦屏障造成損傷。VEGF的增加與其上游因子HIF-1在高血糖、AGEs和ROS的作用下表達上調相關〔39〕。研究表明，抑制HIF-1可以減少高血糖引起的VEGF表達增加〔40〕，而抑制HIF-1上游因子mTOR，也能通過降低HIF-1和VEGF來減輕血腦屏障的損傷〔41,42〕。

VEGF可增加血腦屏障通透性，一方面，高糖條件下內皮細胞和星形膠質細胞VEGF產生增多，通過自分泌與旁分泌作用，使緊密連接中的閉合蛋白和ZO-1表達減少〔43〕；另一方面，VEGF也與炎癥有關，在小鼠腦內慢性灌注VEGF能增加細胞間黏附分子(ICAM)-1和主要組織相容性復合體Ⅰ、Ⅱ的表達，增加發生免疫反應的概率〔44〕。VEGF受體位于內皮細胞基底面，由于糖尿病血管通透性增加，血中的VEGF更容易穿過血腦屏障發揮作用，使VEGF的促血管生成和提高血管通透性作用更為明顯〔45〕。

VEGF主要通過激活PKC-β引發血腦屏障功能紊亂。PKC-β增加煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)氧化酶和MMP-2的作用并減少閉合蛋白的表達〔46〕；PKC-β還通過激活Rho激酶(ROCK)/肌球蛋白輕鏈激酶(MLCK)抑制內皮型NOS(eNOS)的作用，促進氧化應激，使血腦屏障通透性增加〔47〕。有研究發現藥物阻滯ROCK能夠降低氧化應激引起的內皮細胞通透性增加〔48〕。

1.3.3NOS和NO NO對血管內皮細胞既有保護作用又有損傷作用，這主要取決于它的來源〔49〕。中樞神經系統主要有3種NOS：eNOS、神經型NOS(nNOS)和誘導型NOS(iNOS)〔50〕。eNOS來源的NO對血管內皮細胞起保護作用：①擴張腦血管，增加腦血流量〔8,51〕；②抑制血小板積聚〔8〕；③清除ROS以減輕血管內皮氧化應激損傷〔52,53〕。氧化應激使eNOS的活性下降并使其底物由正常的精氨酸轉換為氧分子，進而生成有害的過氧化物(O2-)；而同時nNOS和iNOS表達上調，它們產生的NO與O2-結合生成過氧亞硝基陰離子(ONOO-)〔54〕，它具有高度氧化活性，會損傷內皮細胞，激活MMPs，破壞血腦屏障的完整性〔52,53,55〕。

1.3.4AGEs AGEs也是與糖尿病相關的重要的血管調節因子。在高血糖情況下，AGEs合成增加，使酶活性降低、蛋白質半衰期縮短及受體與配體的結合減弱〔56〕。此外，一些AGEs與蛋白交聯后的交聯產物可以促進ROS生成，通過氧化應激造成細胞損傷〔57,58〕。糖基化終末產物受體(RAGE)是AGEs最常見的受體，促炎癥因子〔IL-8,轉化生長因子(TGF)-β1,TNF-α等〕、基底膜修飾蛋白〔膠原蛋白(COL)-Ⅰ，COL-Ⅲ〕和MMPs等均受其調節〔59，60〕。RAGE主要通過激活NF-κB發揮作用〔57〕。NF-κB一方面可增加血管細胞黏附分子(VCAM)-1和ICAM-1表達，促進白細胞穿過血管壁〔61〕，另一方面還能促進RAGE的表達，形成正反饋調控。這種代謝記憶使得氧化損傷和炎癥基因的異常表達即使在血糖水平得到控制后仍然持續存在，進一步增加了高血糖損傷的嚴重程度〔58〕。

1.3.5MMPs MMPs是由多個成員組成的蛋白酶家族，在正常情況下以無活性形式存在，而糖尿病誘發的炎癥反應可以激活MMPs〔62〕。MMP9、MMP2和MMP3能夠促進基底膜、緊密連接蛋白和細胞外基質的水解，進而導致血腦屏障通透性增加〔63,64〕，而抑制MMPs的活性則可以使血腦屏障的完整性得到恢復〔65〕。

2 糖尿病血腦屏障損傷與神經退行性疾病的相關性

AD和PD是最常見的神經退行性疾病。流行病學調查顯示，糖尿病患者AD和PD的發病率增加，因此認為糖尿病是這兩種疾病的危險因素。大量研究發現糖尿病的病理改變如胰島素抵抗、氧化應激、炎癥反應和血腦屏障破壞等會增加神經退行性疾病的發病率和嚴重程度；血腦屏障通透性增加是糖尿病與神經退行性疾病共同的病理表現〔66,67〕。

2.1糖尿病與AD的相關性 糖尿病時出現的代謝紊亂使血糖、血脂、AGEs水平增加，導致血腦屏障通透性增加，血中游離脂肪酸(FFA)和AGEs進入腦組織破壞腦穩態平衡〔68〕，激活小膠質細胞進而引發神經炎癥〔69〕，中樞神經系統炎癥因子和ROS釋放增加〔70〕，進一步加重了血腦屏障損傷并使神經細胞處于毒性環境中。這種慢性炎癥導致神經元產生胰島素抵抗、內質網應激、突觸功能紊亂等損害，引發認知障礙，導致AD等神經退行性疾病〔71,72〕；同時血腦屏障通透性增加也可使外周循環中的免疫細胞、Ig、炎癥因子等進入中樞神經系統，對神經元造成進一步損傷〔73〕。

腦微血管內皮細胞上的RAGE能夠將外周循環的Aβ轉運入腦〔74〕。RAGE與其配體Aβ和AGEs結合激活NF-κB通路，刺激內皮細胞表達更多RAGE形成正反饋作用〔74,75〕；同時釋放促炎癥因子加重血腦屏障損傷。P-gp在血腦屏障內皮細胞基底面表達，具有清除中樞神經系統內Aβ的作用，糖尿病時P-gp表達減少、功能受損〔76〕。因此，腦微血管內皮細胞在糖尿病時RAGE增多、P-gp減少，使得Aβ轉運入腦組織增多而清除減少，導致Aβ在腦組織內蓄積，進而引發淀粉樣斑塊形成、神經纖維纏結形成、神經元丟失等一系列AD的病理改變。

2.2糖尿病與PD的相關性 大量臨床研究和動物實驗發現糖尿病與PD相關。Moroo等〔77〕發現PD患者黑質致密部神經元丟失伴胰島素受體表達減少；Arvanitakis等〔78,79〕發現糖尿病會加重肌強直和姿勢步態障礙等癥狀；有研究發現高脂喂養誘導的2型糖尿病小鼠神經元的鉀離子(K+)觸發的多巴胺釋放功能受損，受損程度與胰島素抵抗程度呈正比〔80〕；高脂飲食喂養PD小鼠會加重病情〔81〕。炎癥反應在黑質多巴胺能神經元的損傷中起重要作用，除小膠質細胞活化引起的神經炎癥損傷外，外周免疫系統也參與了神經元損傷。有研究發現PD病人腦組織有大量的簇分化抗原(CD)8+和CD4+T細胞〔82〕。腦組織是免疫赦免器官，正常情況下由血腦屏障保護不受外周免疫反應的影響，因此推測糖尿病時可能通過損傷血腦屏障，使外周的免疫細胞、炎癥因子等成分進入腦組織，激活小膠質細胞，引起中樞神經系統胰島素抵抗并損傷多巴胺能神經元，引發或加重PD。

3 以血腦屏障為靶點對糖尿病相關神經退行性病變的治療性研究

糖尿病血腦屏障通透性增加是多種糖尿病神經并發癥的共同病理機制，因此抑制血腦屏障的損傷可能成為治療這些并發癥的有效方法。目前研究較多的藥物有S-亞硝基谷胱甘肽(GSNO)、褪黑素、脂蛋白相關磷脂酶A2抑制劑darapladib、血管緊張素轉換酶受體1抑制劑和大麻素等。

研究顯示，GSNO可以改善糖尿病引起的血腦屏障通透性增加和認知障礙。GSNO通過抑制氧化應激、炎癥因子(TNF-ɑ、IL-1β)和MMPs的作用來減弱糖尿病時血腦屏障的損傷。有研究發現給鏈脲霉素誘導的糖尿病小鼠口服GSNO可以降低糖尿病小鼠的血糖、恢復細胞間緊密連接蛋白閉合蛋白和ZO-1的表達量、抑制細胞黏附分子ICAM-1和VCAM-1的過度表達，進而改善血腦屏障通透性；透射電鏡下也發現，糖尿病引起的腦微血管基底膜增厚、周細胞缺失、星形膠質細胞終足腫脹等超微結構的病理變化經口服GSNO后得到改善；同時八臂迷宮和Morris水迷宮也檢測到口服GSNO的糖尿病小鼠空間學習記憶能力增強。這些實驗結果說明GSNO有望成為治療糖尿病的神經退行性病變并發癥的治療藥物〔17,83〕。

褪黑素是松果體分泌的一種激素，參與許多生理功能的調節。一些研究發現褪黑素能夠抑制高血糖引起的ROS生成和MMPs的活化，進而減輕血腦屏障損傷，促進軸突生長，改善認知減退〔35,84～86〕；還有研究發現褪黑素能夠穩定線粒體功能、減少ROS生成并且減輕Aβ積聚、緩解突觸功能紊亂及記憶損害〔87，88〕，減輕糖尿病導致的血腦屏障功能紊亂，恢復血腦屏障清除毒性物質(如Aβ)的功能，進而改善認知障礙和記憶損害〔89〕。

其他藥物如葛蘭素史克公司生產的darapladib，可以降低糖尿病高膽固醇血癥動物模型(豬)的血腦屏障通透性并使有Aβ沉積的神經元數量減少〔65〕；血管緊張素轉換酶受體1抑制劑，可以改善血管緊張素誘導的血腦屏障內皮細胞的跨細胞和細胞旁轉運的增加效應和緊密連接蛋白的下調〔90〕；大麻素和四氫大麻酚，具有血管抗炎作用〔91〕，二者都可能成為以血腦屏障為靶點的糖尿病神經并發癥的治療藥物。

綜上，在糖尿病狀態下，高血糖和胰島素抵抗等代謝失調會通過炎癥反應和氧化應激對血腦屏障造成損傷，ROS、VEGF、NO、AGEs和MMPs是這一過程中的關鍵因子，它們使緊密連接蛋白減少、基底膜損傷、周細胞缺失、星形膠質細胞終足腫脹、血腦屏障通透性增加；血腦屏障通透性增加使腦組織更易受到免疫細胞和炎癥因子等的攻擊，導致神經退行性疾病的發生及加重。因此，血腦屏障有望成為糖尿病神經系統并發癥的治療靶點。然而目前對糖尿病時血腦屏障損傷機制的研究仍不夠深入、以血腦屏障為靶點的治療藥物研究多停留在實驗階段，仍需要進一步深入的研究以闡明糖尿病時導致血腦屏障損傷的各種因子相互作用的復雜網絡，進而找出最有效的藥物治療靶點。