2017脑屏障和脑脊液研究进展

上传时间:2018-04-02 浏览次数:



2017脑屏障和脑脊液研究进展

陈忠云 邢岩编译


 [摘要在过去的2017年中,Fluids and Barriers of the CNS杂志发表了很多关于中枢神经系统脑脊液和脑屏障的文章,杂志主编特撰写本文强调一些重要内容。

  社评本文旨在强调在2017年中,中枢神经系统脑脊液和脑屏障研究前沿相关文章的重要内容及争议。像往常一样,本文不可能覆盖所有的重要进展,而且,像我们之前所提到的,这些选择具有特异性。然而,我们希望本文对于提高读者的见识和相关领域的学习有所帮助,同时,该领域仍需进一步研究。
 
血脑屏障(BBB/神经血管单元(NVU)
 
  关于BBB/NVU的研究,不断有新的研究进展。Cho等发现内皮细胞G蛋白偶联受体(GPCR)Gpr124和糖基化肌醇-固定膜蛋白Reck,可能通过调节Wnt信号通路发挥作用,是大鼠前脑部的血管生成及脑屏障的构成的必需成分。Chang等进一步验证了,如果敲除成年小鼠Gpr124基因,正常情况下不会出现BBB的破坏,但是在脑梗死及胶质母细胞瘤小鼠模型中,BBB的破坏会增加。而Gpr124蛋白通过激活Wnt-β连环素信号通路可以逆转敲除Gpr124基因所带来的后果。

  周皮细胞仍然是目前NVU/BBB研究的一个主要焦点。Nakazato等报道,生物钟转录激活剂,脑和肌肉中芳香烴受体原子转运蛋白-例如:蛋白1(Bmal1),是周细胞功能重要的调节因子。敲除Bmal1会造成周细胞的功能障碍,年龄依赖性周皮细胞缺失,和内皮细胞通透性增加。周皮细胞在脑屏障中的生理功能值得进一步研究。最近的研究发现上述小鼠模型对大脑中NVU/BBB通透性的影响具有区域相关(例如在皮层、纹状体和海马的影响更大)。NVU/BBB在脑的不同区域损伤程度不同表明存在不同的机制。尽管大部分的研究认为周皮细胞在BBB中起积极的作用,但也可能存在潜在的危害性。Underly等发现脑梗死后,周细胞通过金属蛋白酶9相关机制造成BBB的早期破坏。

  脂质调节在NVU/BBB中的重要性正在成为一个新的研究热点。More等发现PPARα不仅仅是脂质感受器,而且还调控脑中内皮细胞转运蛋白的表达和活性。另外,Andreone等发现Mfsd2a的脂质转运抑制了脑中内皮细胞中抑制胞吞作用的小窝囊泡形成。这些结果表明Mfsd2a的基因产物在脂质代谢/转运和胞吞中可能有双重作用。相似地,最近一些证据表明在内毒素血症后BBB的功能紊乱中,鞘氨醇-1-磷酸盐信号改变的重要性。
跟其它组织一样,在NVU的脑和细胞中,microRNAs和外泌体受到越来越多的关注。例如,Xi等发现micro- RNA-126-3p在脑出血中促进了脑屏障的完整性。micro- RNA-126-3p对神经科疾病的治疗作用有潜在的研究价值,但是如何将之运输入内皮细胞及脑组织中仍然是一个主要问题。外泌体作为运输载体是具有前景的方法。比起脑组织而言,内皮细胞作为外泌体和/或microRNA的治疗靶点更容易实现。
 
修改BBB以便药物透过
 
  目前,通过不同的方法尝试改变内皮细胞的紧密连接从而加强药物透过BBB。Hashimoto等发现在体外内皮细胞模型中,靶向claudin-5的单克隆抗体可增加BBB的通透性。相似的,Dithmer等发现在体内和体外试验中,与claudin-5有毫摩尔级亲和力的摸拟肽可以增加BBB的通透性,而且在12-24小时内是可逆的。因此,研究claudin-5潜在的副作用是非常重要的。

  临床上,常用高渗压开放BBB从而使抗肿瘤药物进入脑内肿瘤中。同时必须考虑这些药物对正常组织的影响。Dosa等曾报道在临床治疗早期,N-乙酰半胱氨酸可以减少顺铂对正常组织的毒性作用。

  各种不同的增加药物通过BBB方法陆续报道:具有定向性的肽类包括抗体可以与LDL受体结合通过受体介导的转运机制转运其配体。Shimizu等观察到内皮细胞膜蛋白(glucose-regulated protein 78)的抗体可导致紧密连接的破坏,并加强大分子蛋白的通透性。这样以来,将一些生物制剂,比如蛋白或者基因转入脑组织中将可能实现。同时,腺病毒作为定向载体的特殊基因治疗已经在小鼠中试验用来控制癫痫发作。另一个增强BBB通透性的方法是利用超声波和微气泡,目前,对AD的临床治疗研究中发现:在AD患者中BBB是开放的。

 
疾病时血脑屏障变化

  许多神经科疾病(例如:脑梗死和脑出血,多发性硬化和神经变性病)影响了NVU/BBB 和血-脑脊液屏障。最近,Menard等在小鼠模型(抑郁模型)研究发现社会压力也会影响上述屏障。他们发现由慢性社会失败感导致抑郁的小鼠,脑中膈核微血管claudin-5的表达减少,而且减少的claudin-5和一短链RNA引起了抑郁症状,并增加了白介素-6进入脑内。有趣的是,claudin-5的影响可以通过抗抑郁药治疗而逆转。其它研究已经表明年龄及小血管病变也可以造成NVU/BBB的轻度改变。这些改变所造成的影响(例如:低水平的炎症反应)是一项重要的研究领域。

  在过去的几十年中,对疾病导致的血-脑间的运输机制:是细胞旁还是细胞间通路的改变,哪种改变相对重要存在长期的争议。最近,对于是紧密连接的改变还是胞吞作用的改变相对重要存在争议。值得注意的是,紧密连接和囊泡系统(例如:来自于血浆膜紧密连接的内化)的相互作用使其更复杂化,并且不同的标记物评价其屏障功能可能会得出不一样的结论。在脑梗死中,胞吞作用和紧密连接改变的重要性近年来被重视。中枢神经系统疾病中,对于NVU/BBB的改变,存在的问题是:这种现象是疾病的结果,还是此种改变导致了疾病的发生。因此,Shi等在小鼠中发现通过减轻血脑屏障损害可以减轻脑梗死/再灌注损伤导致的脑损伤(梗塞面积和神经科缺损),而可通过表达内皮细胞特异性的热休克蛋白-27来减轻BBB的损害。这些结果表明BBB是治疗中风的靶点。
研究脑屏障及脑脊液屏障的最终目的是提高患者的预后。就这一点而言,格列本脲在减轻各种神经科疾病所致的脑水肿中的作用是值得注意的。格列本脲是Sur1-TRPM4通道的抑制剂,在一系列临床前期模型研究中已经证实其可以减轻脑水肿。在临床试验中已经发现,格列本脲可以减轻脑梗死及转移瘤放射治疗后所致的脑水肿。

脉络丛,CSF分泌及CSF流出

  脉络丛在脑脊液分泌中的作用存在一些争议。Praetorius和Dimiker详细阐述了定向离子转运,其是脉络丛上皮细胞分泌脑脊液的基础。这种离子转运不仅对脑脊液的分泌起重要作用,而且参与了脑脊液的离子稳态和次激活转运。文章着重强调了脉络丛上皮细胞的Na, K和Cl转运体。有趣的是,目前的研究表明刺激脉络丛Na-K-Cl 协同转运蛋白-1可以抑制脑出血后的脑积水。越来越多的证据表明了脉络丛在神经炎性反应中的作用。因此,这些结果表明脉络丛是T细胞进入动物和人类大脑中的关键结构。Koshida等制作了一个可以研究脉络丛结构和功能的模型。他们发现将小鼠的转录因子MafB基因敲除后可以延迟后头部脉络丛的分化和发育,而且导致细胞凋亡的增加,减少上皮细胞的增殖。

  有充足的证据表明:脑脊液的吸收不是通过蛛网膜颗粒/绒毛进入血液,而是经过不同的途径进入淋巴系统。后者包括CSF通过筛板到鼻腔淋巴管和颈部淋巴结引流,并通过脊神经根引流到腰部淋巴结,也可以经过硬脑膜上的淋巴管进入淋巴系统。目前,Ma等人使用无创成像技术来量化从CSF到小鼠淋巴结或血液的不同大小示踪剂的转运。对于小鼠,他们发现不论示踪剂分子大小,淋巴结中其占主导,而且这种CSF排泄能力随年龄增加而衰减。

脑中液体和溶质的流动

  脑内类淋巴系统持续引起了大家研究兴趣,2017年PubMed发表的该类研究达80余篇。这之中提出:脑中液体的流动主要通过动脉系统周围的血管旁间隙进行,然后经过星形胶质细胞,水的运动通过水通道蛋白-4,最后通过静脉系统周围的血管间隙流出脑内。液体流动系统的改变发生并促进了不同的神经科疾病(例如:AD,特发性正常颅压脑积水,偏头痛,糖尿病,脑外伤和中风)。Burfeind等进一步研究了5种AQP-4单核苷酸多态性(SNPs)与AD的发病机制及诊断后认知下降的速度的关系,研究发现,没有一种与其病理程度相关,2种可加速认知下降,2种可减缓认知下降。

  当淋巴系统学说引起更多重视同时,有人也提出其它的脑内液体运动假说。最近,Smith等人质疑了淋巴系统学说的实验基础,同时证明了溶质的运动是通过扩散而不是单纯的流动。另外,Hannocks等和Pizzo等证实所有血管都有血管周围间隙,而且液体/溶质流动可能先经动脉周围间隙至毛细血管,最后到达静脉。

  尽管血管周围间隙通路的影像学已有很大发展,但仍需研究方法定量分析脑组织中不同的转运通路的重要性。目前,AQP-4成为实验之重。然而,关于此研究,不仅研究透过星形胶质细胞的液体运动,还有细胞外的液体弥散(例如:面积很大且空间曲折的细胞外空间)

脑脊液分析

  脑脊液的分析可以帮助疾病的鉴别、诊断及预后,同时可以发现治疗的靶点,这仍然是神经科疾病研究之重。其中轻度认知障碍及发展至痴呆的过渡与脑脊液中Aβ42和tau蛋白相关。最近的综述中总结了使用这些生物标记物的实际的及理论的难点。Aβ42, 总tau蛋白和磷酸化tau蛋白与正常颅压脑积水相关。脑脊液分析的一个重要问题是确定脑脊液中蛋白改变的根本病因:可能是血脑屏障功能的破坏或脑脊液排泄系统的改变,或两者都有。然而,最近一项研究发现CSF中蛋白的增多很可能是由于屏障功能破坏。基于此,根据糖基化状态,可能确定蛋白的来源。这一点很重要,因为诊断性研究中CSF成分的浓度需要归一化为总蛋白质含量。

  通过脑脊液诊断疾病的研究正在进行中:例如,在多发性硬化和多神经病中,细胞因子被检测到。对CSF中Aβ42, t-tau和p-tau的分析可能用于鉴别AD和正常颅压脑积水,CSF中MRZ-1抗体阳性对于多发性硬化是一个好的预测因子。婴儿脑出血后脑积水的CSF中检测到化学因子和细胞因子。疾病相关的microRNAs的改变也逐渐引起了研究兴趣,它可能被封装在CSF的外来体内,它不仅是疾病诊断的标记物,而且在细胞间交流中可能具有重要性。

脑积水

  由颅脑发育异常导致先天性脑积水的基因病因继续被报道:例如MPDZ基因的缺失或突变影响了室管膜细胞并且导致脑积水,Dusp16基因的缺失导致了小鼠脑积水及脑组织过渡生长,B3GALNT2基因突变导致了墨西哥马的脑积水。

  脑出血后脑积水是早产儿早期存活的主要问题。人类婴儿的尸检研究发现,在脑室区域有大量的室管膜细胞缺失和胶质细胞浸润,这与在异常细胞连接和异常神经发育的先天性脑积水模型中的一个常见发现一致,(Rodriguez与Guerra所写综述)。Karimy等对脑出血后脑水肿提出了一个新的见解。他们发现了大鼠脑室出血后炎性介导的CSF过度分泌。这种过度分泌是由于脉络丛中Toll样受体4激活,导致Ste20-type stress kinase的激活,使其磷酸化,刺激脉络丛Na–K– Cl协同蛋白1激活,引起CSF过度分泌。这些过渡分泌的脑脊液可以帮助清除脑脊液中由血液带来的神经毒性物质(例如,血红蛋白和铁离子),但如果CSF流出途径受阻,也可能参与脑积水的形成。

  先天性的正常颅压脑积水(NPH)之所以引起这么大的研究兴趣,是因为老年人中高的发病率及对分流手术不同的反应性。一篇meta分析的论文总结出NPH患者的脑脊液中Aβ42, t-tau和p-tau较正常水平升高,Aβ42, tau 和p-tau, 神经丝轻链和富亮氨酸alpha-2-糖蛋白对分流术后的改善有很高的预测价值。不断发展的磁共振技术显示,NPH患者的脑脊液搏动增加,脑使之变的更坚硬,选择性的脑室周围白质脑血流减少,这与认知下降相关。而且分流术后白质弥散系数增加,这与分流术后白质纤维束的各项异性分数的提高一致。

脑膜和其它屏障

  历史上,大多数对屏障组织的研究都集中在脑内皮细胞或者脉络丛,相对少数的研究关注脑膜,它是血脑屏障的另一个部位。然而,今年许多研究集中在脑膜及其新功能。因此,最新的研究表明围手术期小鼠的脑膜包含神经源性始祖细胞(像放射状胶质样细胞),它可以迁移入大脑皮层,形成功能性神经元。而且,Suter等发现脊膜产生了吸引性及排斥性因子,其可以帮助指引不同类型的轴索,控制轴索穿过中枢神经系统及周围神经系统的边界。

  与脑膜相似,少数的研究集中在神经胶质屏障功能。最近,Horng等显示炎性损伤周围的反应性星形胶质细胞表达claudin-1和-4以及交联粘附分子-A。重要的是,他们发现敲除小鼠特异性星形胶质细胞claudin-4导致大量白细胞浸润,并导致神经炎性模型的小鼠有更严重的结果。

研究技术的发展

  研究技术的发展带动了脑屏障及脑中液体的研究进展。例如,促进了体外NVU/BBB模型的发展。包括诱导多能性干细胞(iPSCs)创造神经血管系统(单独内皮细胞或者与周皮细胞、星形胶质细胞和神经元细胞的混合细胞)的使用。这些模型不仅表达许多传统的内皮细胞标记物,还能展示出高的跨内皮电阻。最近,体外模型来源于一个患者的iPSCs,这个模型可以监测患者基因组对屏障性能的影响。生产这种细胞需要很长时间,但是有报道称可以减少这些时间。如何将这些模型很好的复制运输入体内脑内皮细胞这一领域仍亟待解决,例如:主动流入运输载体。而使用微流体去生产“BBB芯片”已经在发展中。这种模型已经发展到疾病相关模型。

  更多新的关于健康人群和患病人群的屏障功能和脑中液体动力学的新的见解来源于影像技术的发展。体内光学技术的发展是神经科学中社会学的一个科目。动物模型的选择可以促进体内成像技术的发展。例如,斑马鱼中血管成像术和屏障-起源的研究。监测NVU的临床和临床前成像技术的发展是另一个讨论的主题。像之前提到的,磁共振成像技术的发展以及其高的分辨率对神经科疾病的机制研究有潜在的价值,例如,在MRI强化技术的帮助下,可以观察白质纤维束紊乱,跟踪脑室周和动脉周液体流动。

  已经有对健康组和疾病组的NVU、大脑内皮细胞和脉络丛进行了大规模的基因组学和蛋白组学研究。代谢组学的研究还没有广泛应运,而这可能会带来重要研究价值。在利用液相色谱与基于质谱(LC-MS)的蛋白质组学相结合的替代方法中,Lee等使用可公开获取的人类蛋白质图谱(主要是免疫组织化学)来检测人类脑血管分布的20,000多种蛋白质。附属数据库允许比较脑内和各器官内的细胞类型。它还提供了关于内皮异质性的信息(例如通过血管口径或邻近细胞),这是一个未知区域。

未来发展方向

  在脑屏障和脑流动的基础科学已经取得了很大进步,尽管还存在很多争议。然而,这些理解的终极目标是将这些信息转化为临床。虽然已经有一些临床试验,但历史告诉我们这些转化是有困难的。

(参考文献略,更详细的了解请阅读原文)


作者简介:

   
邢岩教授iNPH研究团队参加第九届ISHCSF年会进行学术交流合影(由左到右依次为陈忠云、邢岩、刘春艳)
 
 
  邢岩,北京协和医学院医学博士,现任中国医科大学航空总医院神经内科主任,主任医师、副教授、硕士生导师,兼任神经医学中心副主任、内科党总支书记。擅长认知与运动障碍相关神经系统变性病诊疗,尤专注于特发性正常压力脑积水研究,对脑血管病、顽固头痛头晕及抑郁焦虑睡眠障碍等神经系统常见病亦有丰富的诊疗经验。2015 年曾赴美国康奈尔大学记忆障碍中心和纽约头痛中心学习。现任中国微循环学会神经变性病专业委员会第一届委员会常委、常务副秘书长、青委会主任委员、脑积水学组主任委员;北京神经变性病学会副会长;中华医学会北京分会神经病学专业委员会委员;中航工业医院协会神经内科专业委员会主任委员;国家科技库专家;北京医学会鉴定专家等。主持省部级科研课题 3 项,参与 10 余项国家级科研课题,获航空工业科技成果进步奖二等奖 1项、三等奖 2 项。担任多家杂志审稿专家,发表专业论文 40 余篇。



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