血腦脊液屏障功能障礙與中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的相關(guān)性

李 超 陳曉姝 張艷淑

1 華北理工大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院 河北 唐山 063210；2 山東第一醫(yī)科大學(xué)附屬職業(yè)病醫(yī)院 山東 濟(jì)南 250062

血腦屏障(blood brain barrier，BBB)和血腦脊液屏障(blood cerebrospinal fluid barrier，BCSFB)可保護(hù)中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system，CNS)不被外周中潛在的有害物質(zhì)損傷。盡管BCSFB與BBB相比更容易與外周中有害物質(zhì)接觸，但BBB對中樞神經(jīng)系統(tǒng)的保護(hù)作用受到了更多的關(guān)注。然而，越來越多的證據(jù)表明，BCSFB在炎癥反應(yīng)從外周向中樞神經(jīng)系統(tǒng)的擴(kuò)散中起著至關(guān)重要的保護(hù)作用，其功能紊亂可導(dǎo)致多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)生與發(fā)展[1]。血液中致病因子透過BCSFB進(jìn)入CNS，一方面，可誘導(dǎo)神經(jīng)毒性和神經(jīng)元功能障礙[2]；另一方面，CNS中廢物外排減少可導(dǎo)致神經(jīng)毒性殘留物的積累，其可能會干擾神經(jīng)信號傳導(dǎo)，并導(dǎo)致多種疾病[3]。但是，BCSFB功能紊亂在多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)病機(jī)制中起到的作用尚不清楚。本文將回顧多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病中BCSFB的變化，進(jìn)而探索BCSFB功能紊亂在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病中起到的作用，有助于尋找這些疾病可能的治療靶點。

1 BCSFB的基本結(jié)構(gòu)與功能

1.1 BCSFB的基本結(jié)構(gòu) BCSFB主要由腦室脈絡(luò)叢(choroid plexus，CP)上皮細(xì)胞構(gòu)成。CP是一種漂浮在腦室中的組織，由單層上皮細(xì)胞組成，位于高度血管化的結(jié)締組織基質(zhì)中。CP上皮細(xì)胞由緊密連接相互連接，使其具有阻止外周中物質(zhì)通過細(xì)胞旁擴(kuò)散的屏障功能[4]。因此，上皮細(xì)胞單層膜結(jié)構(gòu)主要構(gòu)成了BCSFB。此外，CP處的血流速度大約是其他腦區(qū)的5倍[5]。與腦體積相比，CP是一個較小的結(jié)構(gòu)，但其作為含有微絨毛上皮細(xì)胞的結(jié)構(gòu)，其總表面積估計約為覆蓋大腦的毛細(xì)血管總表面積的25%～50%。這些結(jié)構(gòu)特征均與CP的分泌和運(yùn)輸功能有關(guān)。同樣，CP上皮細(xì)胞中富含線粒體，線粒體在提供主動運(yùn)輸和分泌所需的能量中有重要意義[6]。

1.2 BCSFB的功能 CP作為BCSFB主要組織學(xué)基礎(chǔ)，其主要功能是產(chǎn)生腦脊液。CNS的蛛網(wǎng)膜下腔內(nèi)含腦脊液。成年人大約有150 mL的腦脊液，這突出了CP在神經(jīng)系統(tǒng)中的重要性[7]。腦脊液的分泌受到自主神經(jīng)系統(tǒng)活動的調(diào)控，具體來說，CP毛細(xì)血管和上皮細(xì)胞受到頸上神經(jīng)節(jié)的腎上腺素能神經(jīng)纖維的支配。此外，其也可能受到迷走神經(jīng)有關(guān)的副交感神經(jīng)纖維的支配[8-9]。跨膜蛋白作為BCSFB的重要組成部分，其在各種特殊轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制中起到不同的作用，使分子能夠選擇性地通過。它們對血液和腦脊液之間代謝物和外源物質(zhì)的交換至關(guān)重要，這些轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白主要屬于ATP結(jié)合盒轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(ATP-binding cassette protein，ABC)和溶質(zhì)載體(solute carrier，SLC)超家族[10]。

此外，細(xì)胞間連接在BCSFB的功能維持中同樣起到重要的作用。BCSFB是由CP的上皮細(xì)胞之間不同類型的細(xì)胞連接所形成的。調(diào)節(jié)BCSFB的通透性和完整性是CP上皮細(xì)胞頂端緊密連接(tight junction，TJ)的基本作用——它們負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)水溶性分子通過屏障中細(xì)胞旁通道進(jìn)入CNS[11]。此外，TJ維持CP上皮細(xì)胞層的電阻[12]。TJ由與細(xì)胞膜內(nèi)外相關(guān)的蛋白質(zhì)組成，而occludin和claudins是介導(dǎo)上皮接觸的主要跨膜分子。occludin水平的降低會導(dǎo)致BCSFB通透性上升[13]。claudins蛋白分為幾個亞型，CP上皮細(xì)胞表達(dá)claudin 1～6、9～12、19和22，它們是負(fù)責(zé)限制TJ吞吐的完整蛋白[14]。BCSFB的調(diào)節(jié)也受到縫隙連接(gap junction，GJ)的影響，GJs由細(xì)胞間蛋白通道組成。這些通道是由六種連接蛋白形成兩個半通道構(gòu)成的。GJ介導(dǎo)相鄰CP上皮細(xì)胞之間代謝物、電解質(zhì)和第二信使等的交換[15]。

2 BCSFB與中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病

2.1 BCSFB與出血性中風(fēng) 腦室內(nèi)出血(intraventricular hemorrhage，IVH)和蛛網(wǎng)膜下腔出血(subarachnoid hemorrhage，SAH)這兩種出血性中風(fēng)都會導(dǎo)致腦積水，并誘發(fā)腦脊液中的炎癥反應(yīng)。SAH的發(fā)生使CP中的巨噬細(xì)胞的數(shù)量增加，并誘導(dǎo)CP的免疫反應(yīng)，導(dǎo)致M1和M2型巨噬細(xì)胞數(shù)量增加，以及位于CP中的MHC-II+抗原呈遞細(xì)胞增多[16]。此外，人工腦脊液的應(yīng)用導(dǎo)致顱內(nèi)壓升高，既引起了免疫反應(yīng)，又促進(jìn)了CP中上皮細(xì)胞的增殖。這些發(fā)現(xiàn)表明，SAH后顱內(nèi)壓升高不僅導(dǎo)致腦脊液中細(xì)胞數(shù)量的變化，還可能由相關(guān)免疫細(xì)胞導(dǎo)致屏障結(jié)構(gòu)的變化[17]。SAH或IVH可導(dǎo)致腦脊液中免疫細(xì)胞的聚集，并引發(fā)神經(jīng)炎癥，同時會導(dǎo)致CP中TJ的破壞及腦脊液分泌增多，這一病理級聯(lián)反應(yīng)可能導(dǎo)致出血性中風(fēng)的主要并發(fā)癥之一——出血性腦積水的發(fā)生。出血后腦積水的發(fā)生被認(rèn)為是由于腦脊液循環(huán)障礙、蛛網(wǎng)膜絨毛或腦膜中腦脊液引流受阻所致。此外，腦脊液的高分泌也可以加劇SAH或IVH后出血后腦積水，其可能的機(jī)制是上調(diào)CP上皮細(xì)胞中Na+/K+/2Cl-共轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1的表達(dá)[18]。Long等[19]研究發(fā)現(xiàn)，水通道蛋白1(aquaporin-1，AQP1)的變化也可能導(dǎo)致腦脊液的高分泌和出血性腦積水的發(fā)生。在SAH發(fā)生后，AQP1在CP上皮細(xì)胞的頂端和基底外側(cè)膜中的表達(dá)顯著增高。

SAH或IVH發(fā)生后，CP上皮細(xì)胞、巨噬細(xì)胞與血液中各成分及其降解產(chǎn)物直接接觸。血紅素加氧酶(heme oxygenase，HO)和膽綠素還原酶(biliverdin reductase，BVR)是參與血紅蛋白降解的主要酶。HO-1是HO的一個亞型，是SAH發(fā)生后負(fù)責(zé)清除蛛網(wǎng)膜下腔血液的主要酶。腦出血發(fā)生后，CP上皮細(xì)胞中HO-1表達(dá)上調(diào)。BVR被認(rèn)為在腦組織中與HO亞型共表達(dá)[20]。然而，BVR在SAH或IVH發(fā)生后腦脊液中表達(dá)的動態(tài)變化尚未見報道。

SAH發(fā)生20 d后可誘發(fā)CP血管痙攣，隨后出現(xiàn)缺血性損傷、CP上皮細(xì)胞凋亡和腦脊液分泌減少。CP上皮細(xì)胞退化的嚴(yán)重程度可能取決于蛛網(wǎng)膜下腔的出血量。然而，在沒有腦脊液高分泌的情況下也可能發(fā)生腦積水，這可能是由于室管膜和CP上皮細(xì)胞損傷導(dǎo)致大腦導(dǎo)水管的容積減少[21]。

2.2 BCSFB與阿爾茨海默病 阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease，AD)是最常見的神經(jīng)退行性疾病，其特征為認(rèn)知功能下降、行為障礙、生活能力逐漸下降等。β-淀粉樣蛋白(amyloid β-protein，Aβ)的過度產(chǎn)生及沉積是AD發(fā)病的主要因素。此外，BCSFB功能障礙也可能是AD發(fā)病的主要因素[22]。

在衰老過程中，部分大腦結(jié)構(gòu)會發(fā)生不同程度的萎縮，如前額葉皮質(zhì)和海馬體，這兩個區(qū)域具有調(diào)節(jié)包括記憶在內(nèi)的復(fù)雜功能的作用。CP也呈現(xiàn)與年齡相關(guān)的變化。具體來說，衰老的CP上皮細(xì)胞普遍呈現(xiàn)萎縮的形態(tài)，頂端微絨毛的高度、總體積減少。此外，腦脊液的整體動態(tài)平衡也會改變。由于CP合成能力下降，具體表現(xiàn)為誘導(dǎo)腦脊液產(chǎn)生的關(guān)鍵蛋白(碳酸酐酶II和水通道蛋白)表達(dá)降低，因此腦脊液產(chǎn)生減少，而且腦脊液在大腦中更新的間隔也逐步增長，這可能會導(dǎo)致有毒物質(zhì)在腦部的積累[23]。此外，在老年人和AD患者中觀察到具有清除有毒物質(zhì)功能的受體和轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白表達(dá)均有不同程度的下調(diào)[24]。

AD的病理特征之一是淀粉樣斑塊的形成，其主要由Aβ組成，其沉積的主要原因是由于Aβ在大腦中的產(chǎn)生增加或清除減少所致。在幾種AD動物模型中都發(fā)現(xiàn)CNS中Aβ清除途徑受損，并且積累在CP中的Aβ對CP的形態(tài)和功能有影響[25]。此外，Vargas等[26]認(rèn)為CP中Aβ的積累進(jìn)一步增強(qiáng)了BCSFB的破壞，這可能會導(dǎo)致神經(jīng)退行性病變。

CP中Aβ等有害物質(zhì)的外排速度與濃度梯度成反比，由ABC實現(xiàn)。ABC家族由48個已知的人類ABC蛋白組成，是目前已知的最大的蛋白質(zhì)超家族之一。這些基因分為7個亞科，稱為A到G。B和C家族成員(ABCB1、ABCC1到ABCC6)被證實在人類的CP中表達(dá)。ABC活性的降低與AD所誘導(dǎo)的神經(jīng)退行性疾病的發(fā)展之間存在關(guān)聯(lián)，尤其是ABCB1和ABCC1，其可將CP上皮細(xì)胞和腦脊液中的代謝物轉(zhuǎn)運(yùn)到外周血液中，在多項研究中均發(fā)現(xiàn)其對Aβ的轉(zhuǎn)運(yùn)具有重要的意義，因此，ABC逐漸成為AD疾病相關(guān)研究的重點[27]。

ABCB1通過轉(zhuǎn)運(yùn)多類代謝物，如陽離子兩親性和親脂性化合物，在維持大腦內(nèi)穩(wěn)態(tài)方面起著重要作用。已知ABCB1具有轉(zhuǎn)運(yùn)Aβ的功能，并且發(fā)現(xiàn)其表達(dá)與Aβ沉積呈負(fù)相關(guān)。Kagawa等[28]研究發(fā)現(xiàn)ABCB1基因敲除的AD小鼠模型可導(dǎo)致Aβ斑塊的形成增加，這一現(xiàn)象可通過恢復(fù)ABCB1活性而逆轉(zhuǎn)。ABCB1功能障礙被證明在其他神經(jīng)退行性疾病如帕金森氏病中也起著重要作用。ABCC1在CP的上皮細(xì)胞基底膜上呈高表達(dá)。與ABCB1相反，ABCC1通過運(yùn)輸陰離子兩親性化合物，特別是在疏水性藥物和谷胱甘肽、葡萄糖醛酸或硫酸鹽的結(jié)合物運(yùn)輸中發(fā)揮作用。ABCC1作為CP的主要標(biāo)志物，其被認(rèn)為在Aβ的排出中起著重要作用。與對照組小鼠相比，ABCC1基因敲除的阿爾茨海默病模型小鼠大腦中Aβ含量增加了12～14倍。此外，使用噻嗪對ABCC1的激活可顯著減少Aβ斑塊數(shù)量以及斑塊大小，其被認(rèn)為是可能用于AD患者治療的一種藥物[29]。

2.3 BCSFB與多發(fā)性硬化癥 多發(fā)性硬化癥(multiple sclerosis，MS)的特點是白質(zhì)多發(fā)性炎性病變，并伴有T、B淋巴細(xì)胞和巨噬細(xì)胞增多。炎癥細(xì)胞通過腦屏障向中樞神經(jīng)系統(tǒng)遷移。CP是淋巴細(xì)胞進(jìn)入腦脊液的重要部位[30-31]。MS患者CP中的淋巴管和間質(zhì)中均可見淋巴細(xì)胞，其中包括T細(xì)胞，特別是CD4+T細(xì)胞的存在證明了CP通過產(chǎn)生干擾素-γ來調(diào)節(jié)免疫細(xì)胞通過BCSFB。局部干擾素-γ信號可上調(diào)粘附分子，如血管細(xì)胞粘附分子-1和細(xì)胞間粘附分子-1[32]。Reboldi等[33]提示Th17細(xì)胞通過CP的遷移可能受趨化因子受體-6的調(diào)節(jié)。CP上調(diào)趨化因子和細(xì)胞粘附分子，參與T細(xì)胞在外周免疫刺激下向CNS的遷移。MS中miRNA-155和-326的上調(diào)參與了TJ蛋白的降解，導(dǎo)致BCSFB的破壞。隨后，免疫細(xì)胞滲入CNS，誘導(dǎo)少突膠質(zhì)細(xì)胞激活炎性[34]。Murugesan等[35]研究了MS動物模型早期不同腦室的反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)毛細(xì)血管和CP上皮細(xì)胞中粘附分子、白細(xì)胞介素和T細(xì)胞活化標(biāo)志物的基因表達(dá)模式不同，其可導(dǎo)致腦脊髓炎。

3 結(jié)語

CP可分泌腦脊液，其作為BCSFB的主要功能結(jié)構(gòu)，在維持大腦穩(wěn)態(tài)中起著極其重要的作用。CP上皮細(xì)胞分泌的多種生長因子被釋放到腦脊液中，通過腦脊液到達(dá)腦實質(zhì)。CP也是CNS損傷和感染過程中炎性細(xì)胞運(yùn)輸?shù)拈T戶。腦脊液的產(chǎn)生會在神經(jīng)退行性疾病和衰老中減少，從而導(dǎo)致神經(jīng)元的功能異常。隨著腦脊液產(chǎn)生的減少，BCSFB的完整性也受到了損傷。目前，還沒有相關(guān)治療手段來修復(fù)衰老和其他神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的BCSFB功能障礙。隨著研究的深入，維持BCSFB結(jié)構(gòu)及功能的完整在CNS疾病的治療中越來越得到重視。