肥胖引起血腦屏障功能障礙的表型和機制研究進展

馮梓瑩， 方 程綜述， 暢君雷審校

隨著經濟社會發展和生活水平提高，肥胖的流行率在全球范圍內迅速增長，1975—2016 年間增長了近3 倍［1］。根據世界衛生組織發布的數據，截至2016 年，全球18 歲及以上成年人中約有19 億人超重，11.2億人肥胖。肥胖可以顯著增加心臟病、糖尿病、高血壓、部分癌癥等多種疾病的發病風險，嚴重影響壽命和生活質量，造成巨大的健康和經濟負擔。近年來，研究發現，肥胖是多種神經系統疾病如阿爾茨海默病[2]和腦卒中[3]的一個風險因素，這意味著肥胖對神經系統疾病的發生發展起到了關鍵作用。全面了解肥胖對中樞神經系統（central nervous system，CNS）的有害影響，特別是對腦血管系統的影響對預防和治療肥胖相關的神經系統疾病至關重要。腦血管系統的一個關鍵組成部分是血腦屏障（bloodbrain barrier，BBB），其主要位于小動脈、毛細血管和小靜脈等部分。BBB 嚴格控制血液中的分子和細胞進入腦組織，并及時地排出或降解腦組織的代謝產物或偶然進入腦組織的有害物質，對維持腦組織微環境穩態和神經細胞正常功能具有關鍵作用[4，5]。然而，在肥胖狀態下，特別是在高脂飲食（high fat diet，HFD）攝入的背景下，這一關鍵屏障可受到損傷，發生功能障礙，潛在導致各種神經系統疾病的發生發展。本文旨在探討肥胖狀態下BBB功能障礙的表型和潛在機制研究進展，著重闡述了BBB 功能障礙在肥胖中的重要性及其對神經健康的影響，以指導未來的研究和臨床實踐。

1 血腦屏障的細胞和分子組成

BBB 是中樞神經系統血管相對外周組織血管所具有的特殊結構，其獨特功能歸功于其復雜的細胞和分子組成成分，包括腦內皮細胞、周細胞、細胞外基質、星形膠質細胞，以及小膠質細胞和神經元，后者共同構成神經血管單元（neurovascular unit，NVU）[6]。這些細胞和分子成分相互聯系、相互作用，對BBB起重要的支撐作用，共同調節BBB的功能。

在結構上，腦內皮細胞緊密排列構成血管內壁，是BBB 的主要組成部分。作為BBB 的第一防線，腦內皮細胞具有獨特的轉錄特征和特化的差異基因表達譜[7]，具有能與外周內皮細胞區分開的獨特屬性[8-10]，主要包括：（1）通過高水平的緊密連接蛋白（tight junction proteins，TJs）相連，限制細胞旁運輸；（2）缺乏膜開窗（fenestration）并表現出低水平的胞吞轉運（transcytosis）活性，限制跨細胞轉運；（3）表達多種特定的轉運蛋白，為大腦提供營養物質（如葡萄糖轉運蛋白1，Glut1）和健康環境（如毒性分子外排蛋白P-糖蛋白，P-gp）；（4）表達低水平的白細胞黏附分子，以限制病原體和免疫細胞入腦；（5）具有數量更多、體積更大的線粒體，為運輸營養物質至大腦提供充足能量。

NVU 中其他細胞對BBB 的維持同樣起著重要作用。具體來說，周細胞通過延長其胞體突起覆蓋腦內皮細胞，從而起到調節腦血流、血管發育、緊密連接表達等作用[11]；星形膠質細胞通過其端足包裹腦內皮細胞和周細胞，可分泌Shh（sonic hedgehog，Shh）來刺激緊密連接蛋白的表達，并降低炎癥因子的表達來促進BBB 的免疫靜止[12]；小膠質細胞是大腦中的常駐免疫細胞，既可參與BBB 保護和神經修復過程，也可通過釋放各種炎癥因子損傷BBB，發揮雙重作用[13]；神經元與NVU 中的其他細胞如內皮細胞、周細胞和星形膠質細胞相接觸、交流，以調節BBB 的特性，并構成神經血管耦合效應的基礎功能單元[14]。此外，非細胞成分細胞外基質通過為NVU中的細胞提供結構支撐、介導細胞內或間的信號通路等，也在BBB的維持中發揮重要作用[15]。

2 肥胖引起的血腦屏障通透性改變：表型和機制

鑒于肥胖與各種神經系統疾病之間的關系，肥胖對BBB完整性的影響是一個日益受到關注的研究領域。BBB 完整性的破壞或通常所提及的“BBB 滲漏”，是在肥胖狀態下特別是HFD 攝入背景下所觀察到的常見表型，是由多種因素相互作用形成的復雜病理狀態。

肥胖引起的BBB滲漏的一個關鍵因素是緊密連接蛋白的失調。如前所述，緊密連接蛋白對于維持BBB 的完整性至關重要，然而在肥胖狀態下，這些蛋白的表達和功能被改變。例如，經8周的HFD 喂養，小鼠腦微血管緊密連接蛋白ZO-1、Claudin-5 和Occludin 的蛋白水平顯著下降，并在氨苯砜治療下得到有效改善[16]。為時3 個月的高脂高糖飲食則降低了大鼠脈絡叢和BBB 緊密連接蛋白的mRNA 水平，尤其是Claudin-5。因此，在這些大鼠的海馬體中觀察到熒光素鈉的滲透性增加，但在紋狀體或前額葉皮質中則沒有差異[17]。值得注意的是，肥胖不僅對自身的BBB 有影響，還會對后代產生影響。研究證明母鼠妊娠期肥胖會損害胎兒BBB 的形成，使得子代大腦弓狀核區域的緊密連接成分改變，BBB 滲透性顯著增加[18]。緊密連接蛋白的失調損壞了BBB的完整性，導致BBB滲漏，使潛在有害物質得以從血液中進入CNS。最近的研究也將長時間攝入HFD與神經行為變化聯系起來，這些神經行為惡化也伴隨著緊密連接的表達異常。24 周的HFD 會導致焦慮樣行為和抑郁樣行為的增加[19]，這可能與腸道微生物群穩態受損和炎癥有關，長期的HFD可能通過腸-腦軸誘發與神經疾病相關的行為表型。與此相符的是，用抗炎分子棕櫚酰乙醇胺治療可以有效改善肥胖小鼠的焦慮樣行為，同時抑制外周和中樞炎癥[20]。肥胖不僅會破壞緊密連接蛋白的表達和BBB的完整性，而且還可能引發神經行為的改變，從而繼發影響BBB 功能，因此需要更深入的研究來闡明肥胖、BBB功能和神經行為之間復雜的相互作用。

在正常情況下，腦內皮細胞缺乏膜開窗，限制分子跨細胞運輸，有助于BBB 完整性地維持。膜開窗數量的異常增加會增強BBB 的通透性。因此，研究肥胖期間腦內皮細胞膜開窗的數量變化將能進一步了解BBB 滲漏的表型和機制。與此相一致的是，一項研究表明肥胖會導致腦內皮細胞的膜開窗增加。在該研究中，母鼠在妊娠期持續攝入HFD，導致其后代下丘腦弓狀核的內皮細胞膜開窗率和血管通透性均顯著高于對照組[18]。此外，質膜囊泡相關蛋白（PV-1)已被發現是內皮細胞開窗隔膜中的主要成分[21]，其調節可能會影響開窗數。雖然肥胖與PV-1之間的直接聯系還尚不明確，但上述研究提供了肥胖誘導開窗數增加的初步證據。以PV-1為靶點探索開窗改變的信號通路和調控機制將為肥胖如何引起BBB滲漏提供進一步的見解。

基質金屬蛋白酶（matrix metalloproteinases，MMPs）是一種蛋白水解酶，其過量表達和激活會誘發細胞外基質的病理性降解以及組織結構和功能的損傷，如MMP-2 和MMP-9 對BBB 的破壞[22-24]。而肥胖與某些MMPs 的表達和活性增加有關，這可能是肥胖引起BBB 滲漏的機制之一。例如，肥胖受試者的MMP-9 水平升高[25，26]。此外，脂質運載蛋白-2（Lipocalin-2）在肥胖者的脂肪組織中也增加，并與MMP-2 和MMP-9 的活性相關[27]。這些結果表明，肥胖會上調部分MMPs，這可能是由Lipocalin-2 等介質的增加所驅動的。通過降解細胞外基質，這些MMPs可以破壞BBB 的結構完整性。靶向這些MMPs 及其調控途徑可能為保護肥胖引起BBB滲漏提供治療策略（見圖1）。

圖1 肥胖對血腦屏障通透性的作用及機制示意圖

3 肥胖引起的血腦屏障轉運功能障礙：表型和機制

除了造成BBB 滲漏外，肥胖還與BBB 轉運功能的改變有關，包括瘦素（leptin）和胰島素（insulin）等分子的運輸異常、Glut1和P-gp等轉運體的功能失調等。這些轉運功能的改變不僅會影響大腦的營養供應，還會影響信號傳導和毒素清除等過程，使得大腦處于危險情況中。

3.1 瘦素（leptin） 瘦素是一種脂肪因子，需穿過BBB 作用于下丘腦，才能發揮出調節食物攝入和能量消耗的重要作用。研究發現，肥胖小鼠對通過腦室內注射的瘦素有反應，卻對通過皮下或腹腔注射的瘦素沒有反應[28，29]，表明肥胖可導致瘦素的BBB 運輸功能受損[30]，外周血液中的瘦素無法被正常運轉至大腦。與此相一致的是，肥胖人群瘦素向大腦的運輸水平也被下調，表現為腦脊液/血清的瘦素比值遠低于健康瘦者[31，32]。總之，肥胖可抑制瘦素向大腦的運輸，使大腦無法接收到瘦素發出的“飽腹信號”，于是造成過度進食，進一步加重肥胖并可能引發一系列代謝疾病。此外，有研究指出循環甘油三酯以濃度依賴式方式抑制瘦素的BBB 轉運[33]，而肥胖常伴隨著較高水平的甘油三酯，對甘油三酯的循環水平進行干預，或許能有效治療肥胖相關的BBB瘦素運輸功能失調。

3.2 胰島素（insulin） 胰島素是CNS 重要的負反饋調節信號，對大腦的代謝健康有重要影響。循環胰島素以飽和運輸的方式通過BBB 進入大腦[34]。研究指出，在動物模型中，肥胖降低了胰島素向大腦的運輸速率[35，36]；高脂飲食會損害腦內皮細胞對胰島素的攝取能力[37]。在人類臨床試驗中，與健康瘦者相比，肥胖受試者腦脊液的胰島素水平降低[38]。總的來說，這些研究表明，肥胖會減少胰島素向大腦的輸送，使得胰島素在大腦中的生理作用受損，引發大腦胰島素抵抗。值得注意的是，大腦胰島素抵抗是常見神經系統疾病阿爾茨海默病的早期特征[39]。此外，與瘦素相似，有研究發現甘油三酯可穿過BBB，誘導大腦胰島素受體抵抗[40]，這提示靶向外周血液中的甘油三酯水平同樣可能是治療肥胖相關的BBB胰島素運輸失調的一種治療策略。

3.3 葡萄糖轉運蛋白1（Glut1） Glut1 在腦內皮細胞中高度表達，是負責將葡萄糖從血液運輸至大腦以供應能量的主要轉運體。在HFD 攝入背景下，Glut1 的表達和功能被改變。具體來說，短期急性HFD 攝入會抑制大腦中Glut1 的表達和葡萄糖攝取[41，42]，但隨著HFD 攝入的時間延長，Glut1 的表達被恢復，與血管內皮生長因子（VEGF）的代償機制啟動相關[42]。相似地，小鼠胰島素抵抗模型顯示，當2 周的HFD 顯著下調腦血管Glut1 的表達時，10 周HFD卻能使Glut1的表達正常化，提示胰島素抵抗的持續時間會影響對Glut1 的調控[43]。綜上所述，雖然短期HFD 導致的Glut1 功能失調可能會被長期HFD引發的代償機制所改善，但大腦是一個時刻需要高能量維持運轉的器官，葡萄糖供能的暫時中斷可能足以影響神經元的健康，對大腦構成潛在危害。

3.4 P-糖蛋白（P-gp） P-gp 是一種ATP 依賴性的蛋白轉運體，表達于腦內皮細胞。P-gp 負責將物質從大腦運返至血液中，以保護大腦免受暴露于堆積的代謝廢物和神經毒性物質之中所造成的傷害。P-gp由ABCB1基因編碼，研究發現，身體質量指數（BMI）值與大腦中ABCB1表達水平呈負相關，表明肥胖患者的P-gp 水平降低[44]。雖然將肥胖與P-gp調節聯系起來的機制仍有待闡明，但全身性炎癥似乎起到了一定的作用。在肥胖妊娠小鼠中，胎盤Pgp 的表達隨著炎癥因子如腫瘤壞死因子-α（TNFα）、白細胞介素-1β（IL-1β）、白細胞介素-6（IL-6）的增加而降低[45]。雖然關于肥胖與P-gp 的研究較少，但目前的證據表明肥胖可抑制P-gp的表達，進行深入研究探索肥胖中介導P-gp 表達下調的信號通路，將有助于制定恢復肥胖中BBB 運輸功能的治療策略（見圖2）。

圖2 肥胖對血腦屏障轉運功能的影響及其機制示意圖

4 肥胖引起的神經炎癥：表型和機制

如前所述，肥胖會引起BBB通透性的增加，使得血液中的有害物質和免疫細胞得以入腦，導致常駐免疫細胞小膠質細胞的激活和外周免疫細胞的浸潤，從而引發廣泛的神經炎癥，加快各種神經系統疾病的發生發展。近年來，神經炎癥已被普遍認為是肥胖的一個重要病理特征。

小膠質細胞是大腦中的主要常駐免疫細胞，當受到病理性因素刺激時，小膠質細胞被激活并獲得相應的免疫功能。不少研究表明，肥胖或HFD 會增加小鼠海馬體或下丘腦區域小膠質細胞的激活，促進小膠質細胞釋放大量的促炎因子，如TNF-α、IL-1β和IL-6等，造成腦內的促炎環境[20，46，47]。值得注意的是，有研究表明雖然小膠質細胞在高脂飲食誘導的早期肥胖階段表現出促炎表型，但隨著HFD 攝入時間的推移，會逐漸向抗炎表型轉化。這種類型的反應似乎是小膠質細胞對慢性疾病或慢性損傷的典型反應，這也意味著高脂飲食誘導的肥胖給CNS 和小膠質細胞之間的穩態帶來了慢性挑戰[48]。

星形膠質細胞是CNS 中的另一種關鍵細胞類型，肥胖或HFD 會刺激反應性星形膠質細胞的增生[49，50]。與小膠質細胞類似，活化的星形膠質細胞也可以分泌TNF-α、IL-1β和IL-6等促炎因子[50]，造成神經炎癥。而抑制星形膠質細胞IKKβ/NF-κB 信號可減輕HFD 誘導的體重增加、葡萄糖耐受不良和下丘腦炎癥[50]，這表明IKKβ/NF-κB 信號通路對肥胖相關的星形膠質細胞活化過程至關重要。進一步鑒定反應性星形膠質細胞內改變的多種信號通路，如IKKβ/NF-κB 信號，可以促進新治療靶點的鑒定，以減輕肥胖中與星形膠質細胞活化相關的神經炎癥。

除了大腦的這兩種膠質細胞，外周免疫細胞也被報道在肥胖狀態下浸潤CNS。一項運用骨髓嵌合小鼠模型的研究表明，與對照組相比，HFD誘導的肥胖導致CNS中的外周免疫細胞數量增加30%。這些外周免疫細胞大多數為CD45+CD11b+細胞，即表現出小膠質細胞/巨噬細胞的特征[51]。在瘦素受體缺乏的小鼠模型中，BBB 的破壞促進了外周巨噬細胞浸潤肥胖小鼠的大腦[52]。還有一項研究表明，長期攝入HFD 會導致下丘腦弓狀核單核細胞來源的巨噬細胞池擴大，這是由于巨噬細胞的增殖增強所致[53]。這些研究表明，在肥胖狀態下，外周免疫細胞可以被募集到CNS，并與大腦常駐免疫細胞一起參與神經炎癥的發生發展（見圖3）。

圖3 肥胖引起神經炎癥的表型和機制示意圖

5 總結和展望

本文從BBB 通透性改變、轉運功能障礙和神經炎癥3 個方面，分析了肥胖背景下BBB 功能障礙的具體表現和調控機制，強調了肥胖對BBB 功能的有害影響。但目前尚不清楚BBB功能障礙是否為肥胖的普遍特征，或是與肥胖的程度、持續時間、年齡、性別和遺傳易感性等因素有關，仍有待進一步研究。此外，肥胖引起的BBB 功能障礙的潛在可逆性以及實現這種可逆性的有效策略也值得探索。更為重要的是，了解BBB 功能障礙在肥胖相關神經系統疾病中的作用對未來的預防或治療有重要的指導價值。通過更好地理解BBB功能障礙和神經系統疾病之間復雜的相互作用，我們可能會發現新的策略來減輕甚至防止肥胖對神經功能的有害影響。以BBB為靶點進行治療干預具有巨大的潛力，不僅有望緩解肥胖引起的BBB功能障礙，而且有望減輕其下游效應，包括神經炎癥和神經變性。

總之，肥胖引起的BBB 功能障礙代表了一個新興的研究領域，其潛在影響超出了肥胖領域，延伸到廣泛的神經系統疾病領域。隨著我們對相關機制認識和了解的不斷完善，有望更深入地了解肥胖對CNS 的影響，從而開發出針對BBB 功能障礙來治療肥胖相關神經系統疾病的創新治療策略。

利益沖突聲明：所有作者均聲明不存在利益沖突。

作者貢獻聲明：馮梓瑩負責整理文獻、起草論文、繪制圖表和修改論文；方程負責修改論文；暢君雷負責指導論文撰寫、修改論文并最后定稿。