1、血腦屏障破壞與阿爾茨海默病的機制研究（全文）摘要阿爾茨海默?。ˋD ）是以B -淀粉樣蛋白的異常沉積、神經原纖維纏結和 神經元不可逆死亡為病理特征的多因素和異質性神經退行性疾病。AD 的病因及發病機制至今仍不清楚。近年來的研究發現血腦屏障損害與AD 發病密切相關， 血腦屏障完整性的破壞被認為是 AD 的早期生物標志物。 AD 病理與血腦屏障損傷相互作用，形成惡性循環，促進 AD 進展，而 AD 的 主要風險基因載脂蛋白 E 也參與血腦屏障完整性的調控。通過腦脊液和動 態對比增強磁共振成像的在體評估可發現血腦屏障完整性的改變。文中簡 述了近年來 AD 中血腦屏障破壞的機制研究和檢測方法的進展，并

2、探討未 來的研究方向。阿爾茨海默病（Alzheimer 'sdisease , AD ）是最常見的癡呆，除了認知 功能和日常生活能力的逐漸喪失外， 還伴發精神行為異常和人格的改變 1, 2。雖然歷經了上百年的研究，但其確切致病機制仍不明確。目前較為公認的“B淀粉樣蛋白（amyloid- （3,A B）級聯假說”認為A B為導致AD復 雜病理事件的始動因素，可比臨床癥狀提前 1020 年出現，是 AD 發生 發展的核心3, 4。然而，20多年來以A B為靶點的藥物研發卻多以失 敗告終，更為重要的是，目前發現神經元損傷可先于AB沉積出現，種種跡象表明“AB級聯假說”并不能真正反映AD的發生

3、發展規律4, 5, 6 近年來的研究發現 AD 中血腦屏障完整性的破壞可比認知損害癥狀提前數年出現，且早期的血腦屏障損傷獨立于A B和tau蛋白病理，其中海馬中的腦毛細血管損傷和血腦屏障破壞被認為是認知功能障礙的早期生物標 志物 7, 8, 9 。因此，關注 AD 中血腦屏障的破壞對于超早期發現潛在 的 AD 人群及對 AD 致病機制的深入研究均有重大意義。一、血腦屏障研究的歷史進程1885 年 Ehrlich 發現注射到動物體內的某些水溶性染料會使周圍組織染 色，但不會使大腦染色，當時 Ehrlich 認為這是由于染料對中樞神經系統 (central nervous system ， CNS

4、 )組織的親和力低所致。 1909 年 Goldmann 發現從外周注射染料不會與 CNS 結合，但采取蛛網膜下腔注 射時 CNS 出現明顯的染色。 1921 年 Stern 和 Gautier 首次使用了“血腦 屏障” (barri ereh emato-enc ephalique )詞表明其在維持腦穩態中的 生理功能，此后展開了近百年的關于血腦屏障本質的爭議 10, 11 。隨 著研究技術的改進， 1967 年 Reese 和 Karnovsky 使用電子顯微鏡發現腦 內皮結構的 2 個特殊特征：存在緊密連接( tight junctions )和缺少內皮 囊泡 12。在 20 世紀 70

5、、80 年代，對各物種進行的多項研究表明， 腦脊液和血漿之間存在明顯的離子梯度 11 。近年來對血腦屏障的研究 已經涵蓋了基因組學、蛋白質組學、多模態影像學等多個領域，并已發現 血腦屏障改變與眾多神經退行性疾病的內在關聯，如AD13, 14、肌萎縮側索硬化 15 、癲癇 16、亨廷頓病和帕金森病等 17 。、血腦屏障的構成及生理特性 血腦屏障主要由腦微血管內皮細胞、周細胞和星形膠質細胞等細胞成分組成，受神經血管單元的調節和維持，限制血液和腦組織之間物質的自由交 換。血腦屏障獨特的濾過功能主要與腦內皮細胞的 2 個關鍵特性有關，即 存在于內皮細胞間的緊密連接復合物和高度限制的跨細胞轉運18, 1

6、9 緊密連接復合物為血腦屏障特有的分子結構，由閉鎖蛋白( claudins )、 咬合蛋白( occludins )、胞質附著蛋白 -1 (ZO-1 )、 ZO-2 、ZO-3 和黏 附分子( junctional adhesion molecules )等共同構成 20 。內皮細 胞的緊密連接會減少細胞旁擴散并限制跨細胞活性，嚴格控制血腦屏障的 非特異性流入或流出。其次，細胞間黏附連接以動態打開和關閉的方式調 節血腦屏障的通透性 21 。此外，血管內皮 - 鈣黏連蛋白可以控制血腦 屏障的內皮通透性和白細胞外滲， 對血腦屏障功能的維持至關重要 22 。 血腦屏障的另一個特征是內皮細胞具有多種嚴

7、格的跨細胞運輸途徑，包括 溶質載體、肽和蛋白質受體和離子轉運蛋白介導的跨細胞轉運，但顯著缺 乏能直接穿透的窗孔結構和吞飲小泡23。 CNS 內皮細胞的囊泡密度遠低于外周，基線條件下，大鼠肺和腸毛細血管內皮細胞囊泡數量約為 3040個/呵2 ,肌肉中的細胞質囊泡數量約為7090個/呵2 ,而腦毛細血管(直徑6 呵)的囊泡密度低至110個/呵2，從而限制了 CNS 囊泡介導的跨細胞運動 24, 25 。血腦屏障可通過受體介導的胞吞作用 控制蛋白質等大分子的出入，包括胰島素受體、轉鐵蛋白受體和低密度脂 蛋白受體等 26 。多種嚴格限制的特異性跨細胞運輸對于有效清除大腦 內毒素及保證能量和營養物質的輸

8、入具有非常重要的作用。此外，血腦屏障內皮細胞因缺乏白細胞黏附分子如E-選擇蛋白和內皮細胞間黏附分子 1 等的表達，導致外周免疫細胞入腦受限，從而可以限制抗原 引起的適應性免疫反應的發展，避免大腦免疫損傷 24。三、血腦屏障與 AD 病理之間的關聯AD 患者的尸檢研究發現血腦屏障的破壞與 AD 病理標志物和認知功能損 害密切相關 27, 28, 29, 30 。已有研究者利用過表達淀粉樣前體蛋白的 轉基因鼠證實，血腦屏障完整性破壞早于神經元變性和 AD 病理標志物出 現31, 32 。生理情況下，完整的血腦屏障功能可以促進A B的清除，并阻止外周A B向腦內的轉移，避免A B的毒性聚集。但當血腦

9、屏障的滲透性 升高時則會造成 A B的清除減少、AB積累和神經原纖維纏結的增加。更為 重要的是，增加的 A B神經毒性又進一步破壞血腦屏障的結構基礎、分子 調控以及免疫應答等，形成惡性循環，加劇血腦屏障損害 33。1.血腦屏障分子結構的破壞：血腦屏障分子結構的損傷與AD 之間的關聯是最早涉及的研究，A B可通過抑制緊密連接蛋白表達（claudinS1/5/12、occludins 、 ZO-1 、 ZO-2 、 ZO-3 ）和誘導破壞性基質金屬蛋白酶 （matrix metalloproteinaSeS ， MMPS ；如 MMP2 和 MMP9 ）的激活，損傷血腦 屏障結構的完整性 34。此

10、外， tau 蛋白積聚可獨立導致血腦屏障受損， 而無需A B參與35 。隨著研究的深入，周細胞在調控血腦屏障的完整性并參與 AD 發生機制中的作用受到越來越多的重視。尸檢顯示，與對照 組相比輕度認知功能障礙和 AD 患者海馬中的周細胞大量減少，緊密連接 遭到破壞，血腦屏障通透性增加 30。敲除周細胞標志物可溶性血 小板源性生長因子受體-B(soluble platelet-derived growth factorreceptor- p，sPDGFR- B)的動物模型顯示，周細胞呈年齡依賴性的丟失， 血腦屏障完整性顯著破壞，神經血管偶聯和毛細血管的密度減少，局部腦 血流量降低，并顯著促進 AD

11、 源性的病理沉積和神經元丟失 31，36由此可見，血腦屏障分子結構和 AD 病理之間存在明顯的相互作用，并互 相促進，形成惡性循環。2.血腦屏障跨細胞轉運的破壞：血腦屏障的跨細胞轉運長期以來并未受到 重視，先前的研究認為這種跨細胞的途徑并不重要37。然而其后的研究證實在緊密連接等分子結構未受損情況下，血腦屏障滲透性依然可以出 現明顯升高。Ben-Zvi等38 發現敲除主要促進因子超級家族 2 (major facilitator super family domai n containing 2a) 的小鼠與野生小鼠相比，血腦屏障緊密連接結構無改變，而內皮細胞的胞吞小泡明顯增加，血 腦屏障滲透

12、性顯著增加。生理情況下，腦內的A p主要依靠血腦屏障上的三磷酸腺苷結合盒轉運體、磷酸 - 糖蛋白( P-glycoprotein ， P-gp )、葡 萄糖轉運蛋白 1 和低密度脂蛋白 受體相關蛋白 1(low density lipoprotein receptor-related protein 1，LRP1 )等透過血腦屏障從腦內 向血液轉運清除39。研究發現 A p寡聚物可直接誘導內皮細胞糖基化 終末產物與其受體的表達(促進外周 A B入腦)，從而抑制p-gp、LRP1 的活性和葡萄糖轉運蛋白1的表達(抑制腦 AB外流)，共同破壞血腦屏 障跨細胞轉運功能，加速腦內 A B的異常沉積39

13、, 40 。另一個不能忽視的事實是，目前已有多項研究證實，A B可引起星形膠質細 胞去極化，促進細胞因子和趨化因子如白細胞介素1 ( interleukin-1，IL-1 )、IL-6、IL-8、單核細胞趨化蛋白1、巨噬細胞炎性蛋白1 B等的釋 放，也可以直接激活內皮細胞，誘導內皮細胞間黏附分子 1、血管細胞黏 附分子 1 和內皮選擇素的表達，共同促進血腦屏障白細胞的黏附、轉運和 神經炎癥的發生，損傷神經元 41, 42, 43, 44 。四、血腦屏障與載脂蛋白 E(apolipoprotein E， ApoE )之間的關聯研究者很早就發現 ApoE 的缺乏可導致血腦屏障滲漏增加 45，而 A

14、poE 基因不同亞型對血腦屏障完整性的調節呈現明顯的差異46。動物模型顯示， ApoE4 轉基因小鼠模型顯示出血腦屏障易損性的增加 47，而 攜帶 ApoE2 和 ApoE3 基因的小鼠血腦屏障完整性則不受影響 46。與 ApoE3 基因攜帶者相比， AD 患者中 ApoE4 基因攜帶者周細胞變性和血 腦屏障破壞顯著增加，且攜帶ApoE4基因的人群具有更為明顯的 A 31-42 的下降 48, 49 。最近的一項人群研究發現，在認知正常的老年人中， ApoE4 基因攜帶者表現出明顯的血腦屏障滲漏，而 ApoE3 基因攜帶者直 至輕度認知功能障礙階段才出現血腦屏障的輕微滲漏 9。 ApoE4 基

15、因 通過激活周細胞和內皮細胞中 LRP1 相關的促炎性親環素 A-MMP9 通路， 導致血腦屏障緊密連接蛋白降解，血腦屏障滲透增加 9。此外，目前還假設ApoE4通過改變血腦屏障跨細胞轉運機制來影響A 3的外排：（1 ）ApoE4競爭性抑制A 3外排轉運體（如LRP1 ）與A 3的結合，使血腦屏障 受體介導的 A 3清除減少50； （ 2） ApoE4 與 A 3結合后形成的復合物 難以透過血腦屏障，可加速腦內A 3的沉積51 。但此假設存在較多爭議52, 53, 54，因為 LRP1 等不僅在血腦屏障內皮細胞中表達，在神 經元中也大量表達。最近的研究發現在攜帶 ApoE3/3 基因型的 AD

16、 小鼠 模型中，不溶性A 3水平與神經元LRP1表達之間呈負相關，但在ApoE3/4 和ApoE4/4基因背景下，不溶性 A 3水平與LRP1表達之間存在正相關， ApoE4通過與神經元 LRP1相互作用促進了 A 3沉積，但當神經元LRP1 缺失時， ApoE4 的這種改變被逆轉 55。這些研究結果表明， 攜帶 ApoE 基因亞型的不同， A 3轉運受體表達區域的不同，對 A 3的清除會造成不同 甚至完全相反的結局，但 ApoE4 基因無論在血腦屏障內皮細胞還是在神 經元上對A 3的清除均表現出負向的作用。五、血腦屏障破壞的檢測 1.生化檢測：生化檢測的證據來源多以尸檢和動物模型為主，但尸檢

17、難以 排除因死后缺乏循環和內環境失衡而導致血腦屏障損傷和生化指標變化 的可能， 并且尸檢難以獲得 AD 早期血腦屏障受損的證據。 同樣，因為 AD 為多因素異質性疾病，動物模型的結果難以體現人類病理生理的改變56目前較為常用的評價血腦屏障破壞的指標是白蛋白指數（ albumin ratioAR），即腦脊液與血清中白蛋白濃度的比值，并已有眾多的研究證實輕度認知功能障礙及 AD 患者腦脊液 AR 升高39， 57, 58 。最近一項納入 1 015 名被試的大型隊列研究發現，與對照組相比，癡呆患者 AR 顯著升 高且與淀粉樣蛋白病理無關 59。但是將 AR 作為 AD 血腦屏障滲漏指 標仍存在缺陷

18、。首先， AR 無法定位血腦屏障滲漏的具體部位 56。其 次，大型薈萃分析結果提示 AR 與年齡和血管性癡呆的血腦屏障滲透增加 明顯相關，但與 AD 的血腦屏障滲透性改變相關性較低，因此， AR 更多 反映的是血管病理的相關改變，而不是AD 病理改變 60。更為重要的是， AR 不一定反映的是血腦屏障損害，如白蛋白可通過蛛網膜下腔血管 或脊髓漏出導致 AR 增加，但血腦屏障并未受損 56。因此，尋獲更加 具有代表性的 AD 相關的血腦屏障損傷標志物，并納入大型隊列研究是當 前和未來研究的重點。值得一提的是，隨著周細胞對于維持血腦屏障功能完整性的重要作用逐漸 被證實30, 31，36 ，周細胞標

19、志物 sPDGFR- B水平有潛力成為檢測血腦屏障通透性的關鍵生化指標。腦脊液sPDGFR- B水平不僅與腦脊液AR 和血腦屏障通透性顯著相關 8，32，61 ，而且認知損害越重，sPDGFR- B水平越高，表明腦脊液中sPDGFR- B不僅可以反映血腦屏障的完整性，且與 AD嚴重程度相關8。這提示腦脊液中 sPDGFR- B可以作為血腦屏障破壞的潛在生物標志物，但仍需要更多的研究去證實2.神經影像學檢測：隨著神經影像技術飛速發展，基于順磁性釓基造影劑 的動態對比增強磁共振成像( dynamic contrast-enhanced magnetic resonance imaging ， DCE-MRI )技術已被廣泛應用于在體血腦屏障完整 性的檢測。最近利用改良的 DCE-MRI 技術已經初步證實正常老齡時的海 馬及 CA1 、齒狀回等亞區血腦屏障通透性隨著年齡增加而增加， 在輕度認 知障礙階段，血腦屏障的完整性被進一步破壞，其通透性增加與 AR 和腦 脊液sPDGFR- p水平顯著相關，并早于腦脊液中A p和tau蛋白的異常8， 62, 63 。改良后的 DCE-MRI 不僅具有較高的空間分辨率、較好的對比 噪聲比和選擇特定感興趣區分析等優點，還可以聯合多模態影像評估腦組 織的灌注狀態、神經血管的功能偶聯等64，為實現在體評估血腦屏障通透性并分析其在 AD 病理進程中的作用