血脑屏障 借鉴资料

blood brain barrier； 血脑屏障是指脑毛细血管壁与神经胶质细胞形成的血浆与脑细胞之间的屏障和由脉络丛形成的血浆和脑脊液之间的屏障，这些屏障能够阻止某些物质（多半是有害的）由血液进入脑组织。血液中多种溶质从脑毛细血管进入脑组织，有难有易；有些很快通过，有些较慢，有些则完全不能通过，这种有选择性的通透现象使人们设想可能有限制溶质透过的某种结构存在，这种结构可使脑组织少受甚至不受循环血液中有害物质的损害，从而保持脑组织内环境的基本稳定，对维持中枢神经系统正常生理状态具有重要的生物学意义。介于血液和脑组织之间的对物质通过有选择性阻碍作用的动态界面，由脑的连续毛细血管内皮及其细胞间的紧密连接、完整的基膜、周细胞以及星形胶质细胞脚板围成的神经胶质膜构成，其中内皮是血脑屏障的主要结构。血脑屏障是血-脑、血-脑脊液和脑脊液-脑三种屏障的总称。与其他组织器官的毛细血管相比，脑毛细血管及其邻近地区在结构上确有一些明显的特点（正常情况下）：脑毛细血管缺少一般毛细血管所具有的孔，或者这些孔既少且小。内皮细胞彼此重叠覆盖，而且连接紧密，能有效地阻止大分子物质从内皮细胞连接处通过。内皮细胞还被一层连续不断的基膜包围着。基膜之外更有许多星形胶质细胞的血管周足（终足）把脑毛细血管约85%的表面包围起来。这就形成了脑毛细血管的多层膜性结构，构成了脑组织的防护性屏障。在病理情况下，如血管性脑水肿时，内皮细胞间的紧密粘合处开放，由于内皮细胞肿胀重叠部分消失，很多大分子物质可随血浆滤液渗出毛细血管，这会破坏脑组织内环境的稳定，造成严重后果。20世纪初发现，给动物静脉注射苯丙胺后，此药可以分布到全身的组织器官，唯独脑组织没有它的踪迹。注射台盼蓝（锥虫蓝）涂料以后，全身组织都着色，而脑和脊髓则不着色。以后陆续发现很多药物和染料注入动物体后，都有类似的分布情况。这些事实都启示人们想到有保护脑组织的“屏障”存在。向鸡胚注入谷氨酸后，发现谷氨酸能迅速进入鸡胚的脑组织，但在成年鸡脑中则很难进入。初生儿脑毛细血管的通透性远较成年人为高，得重症黄疸后，胆汁色素很快透入中枢神经系统，并破坏基底神经节形成核黄疸。而在成人黄疸患者的中枢神经系统则不受胆汁色素的污染。以上事实说明血脑屏障结构功能的完善，是随动物个体发育的完善而形成的。血脑屏障的显微结构已如上述，包括无孔或少孔的内皮细胞、连续的基底膜和有疏松连结的星形胶质细胞血管周足组成的断续膜，它们构成血脑屏障控制血浆各种溶质选择性的通透，有的学者把它叫关门或安全瓣，把有害物质拒之脑组织之外使它不能逸出脑毛细血管，比较形象地说明了血脑屏障的正常功能。但是三种成分在完成正常功能时哪个起主要作用则有不同观点。日本药理学家中井健五认为：“屏障中起主要作用的是星形胶质细胞，内皮细胞在一定程度上也起重要作用”。按显微结构来看，脑毛细血管周足包围血管面积不过85%左右，还有相当大裸露部分可供有害物质的渗出，显然这种说法是有缺陷的。行于蛛网膜下腔中的血管是中动脉和小动脉，而在大脑皮质内，只能见到微动脉、微静脉和毛细血管。当血管进入脑实质后，血管周围还有一个间隙，叫血管周围间隙，此间隙由软脑膜和血管外周的胶质膜构成。血脑脊液屏障屏障部位根据电子显微镜和酶标记法的研究结果证明，脑毛细血管内皮细胞可能是屏障起主要作用的关键部位。其根据如下：用分子量较小的辣根过氧化酶（一种蛋白质，分子量约40000，分子直径约500600纳米）或其片段作为通透毛细血管壁的标记物，小分子量的辣根过氧化酶片段可以很快通过肌肉的毛细血管进入肌肉组织，但在脑毛细血管的这种酶片段则被阻于血管内而不能进入脑组织。在这种屏障作用中，基底膜和血管周足断续膜只起辅助作用。脑毛细血管内皮细胞的胞饮作用微弱。因此，血管内皮细胞与脑组织间的物质交换也少。动物经电离辐射后其胞饮泡增多，血脑屏障的通透性也有所提高。物质的脂溶性血中溶质必须通过脑毛细血管的内皮细胞才能到脑组织，而内皮细胞膜是以类脂为基架的双分子层的膜结构，具有亲脂性，脂溶性物质容易通过。因此血中溶质的脂溶性高低决定其通过屏障的难易和快慢。脂溶性越高的溶质通过屏障进入脑组织的速度也越快。根据这一规律可将某些中枢神经系统药物加以改造，使之更容易进入脑组织以便更快发挥药物的效果。例如，巴比妥是一种中枢麻醉药但其亲脂性弱，故进入脑组织很慢，但如改造成苯巴比妥，由于具有较强的亲脂性，故能更容易通过血脑屏障进入脑组织，很快发挥其催眠麻醉效应。又如吗啡改造成二乙酰吗啡就比较容易通过亲脂性内皮细胞膜到达脑组织更快发挥其镇痛作用。类胡萝卜素是一种脂溶性的色素，但是类胡萝卜素家族中只有虾青素是唯一能通过血脑屏障的物质。物质的亲水性不论带正电荷或负电荷的溶质，溶于水时即与水分子的氧原子形成氢键，溶质所带电荷越多形成氢键的能力越强，水溶性也越强，通过血脑屏障的能力也越差。但是水本身和葡萄糖等溶质因分子量很小，可通过内皮细胞和星形胶质细胞的连接部入脑。肾上腺素和去甲肾上腺素由于水溶性强而且羟基多，很难通过屏障入脑。氨基酸能通过血脑屏障，但胺则很难。与血浆蛋白的结合程度血浆中许多化合物是与血浆蛋白结合的。小分子化合物如激素，与血浆蛋白质结合后就不容易透过血脑屏障，因此无从发挥其生理效应；必须待其游离以后才能通过屏障发挥其效应。例如甲状腺素，在血浆中有99%以上与血浆蛋白结合，游离的不到1%；脑脊液中甲状腺素含量较低，但与血浆中游离的甲状腺素含量相近，故仍能满足生理的需要。游离的甲状腺素很容易进入脑组织间液。任何能阻止甲状腺素与血浆蛋白结合的药物，都可以增加血浆中游离的甲状腺素，增加通过屏障的剂量。载体运转系统脑毛细血管内皮细胞有多种载体蛋白，能将血中物质运出内皮细胞。载体蛋白有较高的选择性，一种载体蛋白常只能转运一种物质，脑血管内皮细胞的特异性载体蛋白，可使一些难于通过血脑屏障的物质顺利转运迅速入脑，例如葡萄糖是脑组织代谢的主要能源，本来通过血脑屏障较慢，但借葡萄糖载体可以很快通过血脑屏障及时满足脑代谢需要。已经肯定的载体有：己糖载体、中性氨基酸载体、碱性氨基酸载体和短链的单羧基酸载体，它们都有利于合适转运物质顺利通过血脑屏障。正常情况下中枢递质几乎都不能通过血脑屏障，这有利于维持脑内中枢递质水平的稳定，排除脑外刺激因素的干扰。所以能如此，可能与脑毛细血管内皮细胞中的酶系统有关，已经发现其中含有单胺氧化酶，而多种中枢递质是单胺类化合物，如儿茶酚胺、5羟色胺、组织胺等，都可被单胺氧化酶灭活，这种内皮细胞胞浆内的生物化学转化作用加强了血脑屏障的功能，从而可使脑组织内环境保持稳定，少受一般循环血液中有强烈生理作用的物质含量剧烈变动的干扰。中枢神经系统疾病常引起血脑屏障结构和功能的剧烈变化。如前已提及的新生儿核黄疸和血管性脑水肿，使脑毛细血管内皮细胞间紧密连接开放，屏障的通透性显著提高以致血浆白蛋白（分子量为69000）这样的大分子物质都可通过屏障。严重脑损伤导致血脑屏障的严重破坏，使血清蛋白也可通过屏障进入脑组织。随损伤的修复，大分子物入脑首先停止。完全恢复后小分子物交换加快现象也会消失，此时血脑屏障功能已经正常。电离辐射、激光和超声波都可使血脑屏障的通透性增加。维基百科历史19世纪末，保罗埃尔利希在一个实验中发现了这个屏障。保罗埃尔利希当时是位微生物学家，他当时正研究染色技术，目的在于使微形生物结构能被看见。这些染色剂中，尤其苯胺在当时，常被使用。当将苯胺注入生物体内的时候，这个生物的所有器官都会被染，唯独脑细胞没有被染。当时，埃尔利希将此现象归咎为脑细胞没有吸收足够的染色剂。若干年后，埃尔利希的学生，Edwin Goldmann将苯胺直接注入脊髓中，这时脑细胞被染了，但是身体其他地方却没有被染。这个现象，明显展现出脑和身体其他组织有一层屏障，当时由于找不到“屏障”，因此血管被认为是那层屏障。直到1960年代，扫描式电子显微镜被用于医学研究的时候，这层神秘的屏障才被发现。组织学脑血管障壁的结构主要有三层，由管内开始算起：第一层：脑毛细血管的内皮细胞间衔接得十分紧密，不像其他组织的血管内皮细胞那样有较大的缝隙；第二层：脑毛细血管的内皮细胞外有个基底膜，这个膜是连续的；第三层：脑毛细血管壁外表面积的85%都被神经胶质细胞的终足或称脚板所包围。生理学脑血管障壁几乎不让所有的物质通过，除了氧气、二氧化碳和血糖，大部分的药和蛋白质由于分子结构过大，一般无法通过。与其他组织，譬如肌肉组织的毛细血管内皮细胞相比较，脑毛细血管内皮细胞的胞饮作用很微弱。因此，对脑毛细血管内皮细胞来说，借胞饮作用转运物质（大分子和电解质）的能力是很有限的，这就更加强了脑毛细血管壁的屏障功能。脑血管障壁的功能是避免脑受到化学传导物质的影响。由于身体很多功能都由脑经由荷尔蒙的分泌来控制，如果让化学传导物质在脑里自由流动，可能会造成反馈现象。因此，欲要一个正常的操作，脑血管障壁的存在是必要的。另一方面，脑血管障壁的存在也使脑不受到病菌的感染。脑血管障壁的相关疾病多发性硬化症多发性硬化症（Multiple Sclerosis；MS）是一种中枢神经系统的疾病，也就是说它的病变位于脑部或脊髓。一般认为这是一种自体免疫疾病，意思是个体的免疫系统攻击自己的组织。在多发性硬化症，免疫系统攻击髓鞘质。但是，当一个人突然病发时，用磁共振影像扫描却发现部份的脑或脊椎的脑血管障壁受到破坏，使T细胞能够进入，并破坏髓鞘。哺乳动物中枢神经系统为了有效地执行其功能，需要一个超稳定的内环境，这一内环境稳定性的维持，依赖于血脑屏障（Blood Brain barrier，BBB）。BBB是由无窗孔的毛细血管内皮细胞及细胞间紧密连接、基膜、周细胞、星形胶质细胞足突和极狭小的细胞外隙共同组成的一个细胞复合体，是存在于脑和脊髓内的毛细血管与神经组织之间的一个动态的调节界面。研究认为这个界面不单纯是被动保护性屏障，还能选择性地将脑内有害或过剩物质泵出脑外，保持脑的内环境稳定。BBB中的脑毛细血管内皮细胞（Brain Microvascular Endothilial Cells，BMECs）具有与机体其它部位的毛细血管内皮细胞不同的特殊结构与功能。目前已证实:BBB的屏障作用的主要由覆盖在脑毛细血管腔面的BMECs及其细胞间紧密连接完成。星形胶质细胞仅参与诱导和维持BBB的特性。1 血脑屏障的屏障功能 血脑屏障功能由机械性作用、载体、受体介导的运送系统及酶等共同参与构成。 1.1 机械的屏障功能 BMECs之间几乎没有间隙，近管腔面为紧密连接（环绕成带），胞内吞饮小泡数目极少、细胞内收缩蛋白少，细胞不易皱缩及高阻抗（限制离子通过）的存在，形成BBB的机械屏障;内皮细胞之间有紧密连接使内皮层形成一个完整的屏障界面，胶质细胞产生的可溶性分子促进紧密连接的形成，从而限制BBB的通透性;内皮细胞外存在带负电的基底膜，主要对内皮细胞起支撑作用，防止由于静脉压改变导致的毛细血管变形。特殊的结构使脑微血管内皮细胞更具上皮细胞的特点，使血液中的溶质只能由内皮细胞的特异性转运系统进入脑，而不能像机体其它部位那样，可以经由内皮细胞裂隙，细胞内孔道或吞饮作用通过血管，但脑的毛细血管并非全部为“紧密结合”的内皮细胞层，少数区域结合疏松，呈网络状。其特点为血窦多，窦外无胶质突，仅有嗜银网状纤维包裹，毛细血管内皮有小孔，基膜不连续并与邻近胶质突分开，有较大的通透性。含有这种特点的毛细血管的脑区称之为“脑的特殊区”。它包括延脑极后区、下丘脑正中隆起、松果体、后联合下器官垂体后叶、脉络丛等。在这些特殊区域可允许某些大分子化合物，如激素和一些毒物少量进入，具有着特殊的生物学意义。例如，在血中毒物浓度增高时，可影响延脑极后区附近的呕吐中枢和催吐化学感受区，在必要时可以呕吐的方式排出毒物。 星形胶质细胞伸出它们的终足牢固地围绕着脑微血管内皮细胞，在脑实质细胞中，其与脑微血管内皮细胞的关系最为密切。正常情况下，这种足突不参与BBB的屏障功能的执行，不过对于诱导和维持BBB许多特性具有重要作用。星形细胞参与BBB完整性的诱导维持，主要是通过分泌活性物、基因的转录和蛋白质的合成、内皮细胞内cAMP浓度增高的协同作用而参与的，其次还必须有微血管周围的基质辅助参与，其中IV型胶原尤为重要。此外，星形细胞还介导脑内皮细胞表达一种特别定位于脑内皮细胞的-谷氨转肽酶，介导相邻内皮细胞间形成紧密连接复合体。因此，星形胶质细胞与脑毛细血管间存在复杂的联系。最近有离体实验研究认为，内皮细胞和星形胶 质细胞间的钙离子波介导细胞间的双向的钙信号转导。有学者用成年鼠和未成年鼠研究发现，脑毛细血管周围的星形胶质细胞上免疫反应性营养不良素的表达和BBB的发育是一致的，由此认为免疫反应性营养不良素有促成BBB形成的作用。 1.2 载体、受体的屏障功能 载体介导的转达运系统（CMT）包括有机阴离子转运体、P-gp、多药耐药蛋白17、核苷转运体和大分子氨基酸转运体。受体介导的转运系统（RMT）包括转铁蛋白1.2受体和清道夫受体SB-AI和SB-BI。 1.2.1 有机阴离子转运体（OAT） OAT（organic anion trans-porter）有三种异构体，OAT1、OAT2、OAT3。逆转录聚合酶链反应分析显示，脑毛细血管内皮细胞上仅有适度的OAT3表达，并由蛋白印迹法确认。OAT3是位于毛细血管近腔面的重要载体，其功能是将脑内神经递质代谢产物、硫酸吲哚酚及药物运出到血液循环，维持脑内环境的稳定，该作用可被尿毒症毒素抑制，由此在尿毒症发生时可出现中枢神经系统功能紊乱。 1.2.2 P蛋白（P-gp） P-gp是一个跨膜糖蛋白，首先发现于肿瘤细胞，它参与了肿瘤细胞的多药耐药，近年发现P-gp也在正常组织表达，尤其在BBB内皮细胞膜腔面高水平表达，是许多结构不相关的异生物的脂溶性化合物的一个能量依赖性的主动外排泵。P-gp作用的一个特点是对底物的特异性低，缺乏选择性，广谱的底物亲和力使P-gp能够有效保护脑，拮抗一系列疏水性化合物（毒性物质）对脑的损害，体内外大量研究已证明此作用。另一个特点是两个底物生产性与P-gp结合，抑制了P-gp对底物的外排作用，故P-gp底物同时也是它的抑制剂。有关P-gp在多重耐药性方面的作用已研究多年了，然而，对这个蛋白正常生理作用的研究才刚刚开始。用基因缺失鼠研究表明，P-gp是血脑屏障的重要组成部分，能防止很多药物进入中枢神经系统。如用钾盐镁矾诱导的癫痫发作鼠的脑内皮细胞呈现P-gp短暂的过度表达，致抗癫痫药对BBB的通透性低，不能有效作用。而缺失这个蛋白可提高脑内属于P-gp底物的药物浓度，或给予有效的逆转剂阻断或抑制P-gp可产生相似的结果，并已开始应用到临床，有效地治疗中枢神经系统的疾病（如癫痫、肿瘤等）。然而，目前的逆转剂不能有效地抑制BBB上的P-gp（与基因缺失鼠研究结果相比），且在增加脑内药物浓度的同时，增加了许多药物的神经毒性。鼠实验还发现P-gp对底物具有保和性，饱和后，底物在脑内呈非线性增加，同时也增加神经毒性的危险。目前认为要排除药物的毒性，可能需要在联合应用P-gp抑制时，使用机体已能适应的药物剂量。另有研究认为P-gp参与了脑炎症时淋巴细胞诱导的脑内皮细胞死亡和屏障功能障碍，但机制不清。 1.2.3 转铁蛋白受体（TfR） TfR存在于一些细胞表面，参与转运机体不可缺少的金属离子铁到细胞内。很多研究表明在脑毛细血管内皮细胞管腔面存在TfR。转铁蛋白（Tf）存在于血浆和细胞外液，其与铁结合后与内皮细胞上的TfR专一性结合将脑外的铁转送入脑。脑对铁的摄取的可能机制是:血清Tf运送铁至BBB，然后与BBB内皮细胞上的TfR结合，通过TfR介导的内吞作用形成内吞小体，把铁送入内皮细胞，Tf-TfR复合物再回到细胞表面，Tf与TfR解离后又回到血液循环中。积存在内皮细胞中的铁离开内皮细胞进入脑组织，其机制尚不清楚。有人推测铁是以二价铁的形式穿过内皮细胞基膜进入脑组织的，但此点还需研究证实。TfR介导脑内皮细胞铁的吸收具有饱和性，维持脑内铁的平衡。TfR具有位点专一，靶导向的特点，由此可利用TfR的单克隆抗体作为向脑转送生物大分子的载体，通过受体介导的内吞使药物穿过BBB，此是迄今为止最有效的生理学方法。TfR单克隆抗体与内皮细胞上的TfR结合，通过受体介导的内吞，抗体被送入细胞，接在单抗上的药物（包括蛋白质等生物大分子）也被送入细胞内。用这一递送体系已将神经生长因子穿过BBB送入脑内。基于在TfR介导下，Tf可进入细胞内的原理，有人成功地用“转铁蛋白多聚阳离子”共轭物转移DNA到细胞内。同样，也可用此系统转移核苷酸到脑内以进行基因治疗，此为开辟脑病的基因治疗带来很大希望。 1.3 酶的屏障功能 定位于BBB部位的酶的起到维持脑内神经传递及内环境的稳定作用。这些酶包括单胺氧化酶A和B（MAOA、MAOB）、儿茶酚0甲基转移酶、芳香胺酸脱羧酶、r-谷胱苷肽转肽酶（r-GGTP）等，它们参与了中枢系统内神经递质的降解。如:内皮细胞胞浆中的芳香氨酸脱羧酶和单胺氧化酶系统使正常血循环中的单胺类神经递质及其前体不能通过BBB。由此，脑毛细血管内皮细胞独特的酶系统的存在是脑内神经递质稳定的必要条件。脑内皮细胞膜表面的Na + -K + -ATP酶活性是外周毛细血管内皮细胞膜上同类酶的500倍;同时脑血管内皮细胞内ATP酶活性明显高于其它部位的血管内皮细胞，且线粒体含量是其它部位血管内皮5或6倍，表明其代谢十分活跃，此是物质转运的基础。2 影响血脑屏障功能的因素 2.1 高渗溶液 用高渗溶液（如高露醇）灌注颈动脉，可使血脑屏障开放，这一过程是可逆的;高渗溶液也可使脑肿瘤血脑屏障开放，由此提高肿瘤区域药物浓度。通过大量的实验研究和临床证明，大多研究者都认为此方法对提高脑肿瘤的动脉介入化疗效果具有重要意义，且对应用中的副作用多持乐观态度。由于脑肿瘤时的血脑屏障较正常血脑屏障开放持续的时间短，所以提示应掌握好给药时间。 2.2 高温 高温会使BBB的通透性增加，导致脑水肿、脑细胞损伤。有人认为主要是通过NO上调有神经毒性的强啡呔的免疫活性而致，且用NOS（一氧代氮合酶）抑制剂可削弱强啡肽的免疫活性，从而减弱BBB的损害。由于高温对BBB的作用，有 人利用超声诱导轻度高温（USHT）可逆而无损伤性的增加了牛BBB上疏水性药物的通透性，包括P-gp底物的通透。为药物通过BBB提供了一种可行的方法。 2.3 外伤 研究认为脑外伤致BBB通透性增加与a-TNF产生增加有关。a-TNF激活鸟苷酸环化酶、蛋白酪氨酸激酶，由此使BBB通透性增加从而使中等大小（适度）分子通过增加;并且认为镁可能削弱