屏障与阿尔兹海默症

黄淑芸，许萍，钟树志

（皖南医学院基础医学院组织学与胚胎学教研室，芜湖241002）

阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease, AD）是痴呆症最常见的一种形式，其疾病过程有两个典型的病理特征：β-淀粉样蛋白斑块的沉积和高磷酸化tau蛋白的神经元纤维缠结[1]。该病的患病率目前正持续上升，但仍然缺乏有效延缓或阻止该疾病进展的治疗方法。在人体中，有很多屏障结构，构成了严密的防御体系，比如有粘膜屏障，血脑屏障，气血屏障与胎盘屏障等等，这些屏障可以阻止血液中的细菌，病毒等有害物质进入组织，达到维持机体内环境稳态的目的。之前研究表明血脑屏障对阿尔兹海默症的发生起着重要的作用。新近的研究表明，微生物通过“微生物-肠-脑”轴（“Microbiota–Gut–Brain”, MGB）与大脑之间发生双向相互作用[2]，因此与阿尔兹海默症密切相关的屏障结构主要是血脑屏障与粘膜屏障中的肠道屏障。血脑屏障的解剖结构主要为内皮细胞与周细胞等，而肠道粘膜屏障是由机械屏障、生物屏障等共同构成。本综述从这两种屏障的微观结构的角度来探索阿尔兹海默症的发病机制。

1 血脑屏障

1.1 血脑屏障的结构学变化

血脑屏障（blood brain barrier, BBB）是一种存在于血液与神经组织之间的高选择性半透膜，起着将大脑与循环血液分开的功能，是维持中枢神经系统正常脑功能的最佳微环境。血脑屏障是由内皮细胞与周细胞、星形胶质细胞终足等结构组成，并一起共同构成一个功能性的单位，即神经血管单位（neurovascular unit, NVU）[3]。BBB不仅可以保护大脑避免受到血液中病毒的侵袭，还能够满足大脑的代谢需求，维护中枢神经系统的稳态环境，对实现神经元正常功能起着关键的作用。BBB的结构具有复杂性，BBB的分解会引发或导致AD进展的恶性循环，从而所造成神经元的丢失和功能障碍。当BBB损伤时，可以激活分泌酶导致Aβ过剩，同时可以诱发氧化应激损伤，最终导致神经元受损，出现记忆丧失与认知能力减退的现象[4]。

1.1.1 内皮细胞

内皮细胞是血脑屏障的主要结构，其分子的特性对BBB功能和完整性有着重要的作用。在健康状况下，BBB具有高度选择性，这是由脑内皮细胞（brain endothelial cell, BEC）所决定的[5]。BBB通透性的增加是AD患者典型的BBB功能障碍之一。在AD模型的相关实验中发现炎症细胞因子（IL-6、IL-8和TNF-α等）水平升高，细胞因子可促进BBB通透性的增加[6]。中枢神经系统中的内皮细胞较为特殊，因为中枢神经系统中的内皮细胞之间存在着紧密连接（tight junction, TJ），其间的粘着连接（adhesive junction, AJ）的动态开合能够调节BBB的渗透率[7]。这些限制性TJ结构减少了细胞旁物质扩散并限制了跨细胞活性，从而严格调节大生物分子通过BBB的非特异性进出[8]。

AD模型实验表明，BBB通透性的增加部分是由于紧密连接蛋白claudin-1、claudin-5和粘着连接蛋白VE-cadherin的表达减少引起的[9]。特别是claudin-5在脑内皮细胞中高度表达，在小鼠模型中，claudin-5的缺乏可导致BBB中的细胞连接松动，通透性增高导致有害物质进入大脑，能够诱发出炎症反应[10]。此外，将小鼠模型暴露于Aβ42，特别是寡聚物形式的Aβ42，可显著降低小鼠脑屏障中的occludin、claudin-5和ZO-1水平，并严重损害了屏障的完整性[11]。因此，Aβ可能破坏内皮细胞中TJ和粘附分子连接的组织，从而干扰其屏障功能。

1.1.2 周细胞

周细胞是覆盖在微血管表面的壁细胞。周细胞有着调节血管生成和促进BBB发育的作用，同时，周细胞还可以通过控制毛细血管直径来调节血流量[12]。周细胞在中枢神经系统中比在外周组织中丰富得多，周细胞的数量相当于脑中内皮细胞的数量[13]。

临床数据显示轻度认知功能障碍（mild cognitive impairment, MCI）患者的海马中也观察到年龄依赖性的BBB降解，这与BBB相关周细胞损伤和CA1和DG区BBB通透性增加有关[14]。最近的实验数据表明，Aβ沉积与原代培养的人周细胞β型血小板源性生长因子受体(platelet-derived growth factor receptor β, PDGFRβ)的脱落有关，PDGFRβ是一种周细胞损伤的标志物，进一步表明Aβ参与AD患者周细胞的退化[15]。此外，周细胞参与脑内免疫反应，调节白细胞向中枢神经系统的迁移过程[16]。周细胞可以感知炎症和危险相关的分子模式（DAMP），进而上调粘附分子，从而介导与先天免疫系统细胞的粘附相互作用。因此，我们推测Aβ通过周细胞中的这些受体触发促炎信号，促进AD患者脑组织中的白细胞募集[17]。

1.1.3 星形胶质细胞

星形胶质细胞为神经元提供营养支持和调节脑血流量，此外该细胞还能够通过诱导屏障特性和转运蛋白的极化而参与维持BBB功能[18]。星形胶质细胞通过突起的终足与内皮细胞相互作用，建立内皮—神经元耦合联系[19]。星形胶质细胞可强化BBB的特性，促进紧密连接蛋白的形成、强化转运体的表达和特殊酶系统[20]。

对AD患者大脑皮层活检的研究显示，在脑实质和脑血管中，Aβ沉积物附近的星形胶质细胞发生了超微结构变化，比如收缩和肿胀，以及GLUT1和乳酸转运体的表达减少。这表明星形胶质细胞功能障碍可能是AD小鼠早期行为和认知功能障碍的原因之一[21]。此外，在淀粉样蛋白模型小鼠中检测到水通道蛋白4（aquaporin 4, AQP4）从星形胶质细胞足端膜到非足端膜域的重新分布，这可能是由于脑Aβ沉积诱导的星形胶质细胞去极化所致。其中血管周围AQP4定位缺失是与AD高度相关的病理学[22]，AQP4缺乏会损害Aβ40在注射到小鼠脑实质时的清除。因此，星形胶质细胞终足的功能障碍可能会通过干扰脑血管中Aβ的清除而加剧Aβ的积聚[23]。

1.1.4 基膜

在中枢神经系统中存在两种基膜：内皮基膜和星形胶质细胞基膜。星形胶质基膜与软脑膜基膜两者共同构成实质基膜[24]。BBB基膜的细胞外基质（ECM）中的结构蛋白为细胞建立必要的物理支架，因此基膜作为内皮细胞表面的物理屏障，对维持BBB的完整性有重要的作用[25]。同时还介导内皮细胞和周细胞的多种信号。过去的实验表明基膜成分已经被证明可以调节内皮细胞中闭塞素的细胞定位，从而影响屏障的稳定性[26]。

实验表明，在AD患者脑组织中存在显著的细胞外基质ECM变化，即血管基底膜变薄和不连续。临床上AD患者额叶和颞叶皮质基底膜相关ECM中的IV型胶原、perlecan和fibronectin的表达较对照组增高，并与Aβ沉积呈正相关，表明影响大脑微血管结构的变化可能会驱动疾病的发病机制[27]。此外，MMP-2和MMP-9能够损害内皮基底层和TJ支架蛋白，影响到BBB的完整性[28]。因此，AD患者体内循环或血管周围Aβ水平升高，以及白细胞粘附在血管壁上或在神经细胞膜上的积聚，可能导致基底膜降解和BBB功能障碍。

1.2 血脑屏障的生物学标志物变化

AD隐袭起病、缓慢进展。到目前为止，AD具体的病因和发病机制依然未明，其中Aβ理论占据着AD发病机制的关键地位[29]。BBB的完整性在生理条件下是由神经血管单位的细胞和基底膜两者严格控制的。然而，屏障功能可能会随着年龄增长和AD而受损。在本节中，我们总结并讨论了目前临床研究的证据，这些研究使用死后大脑、脑脊液（CSF）生物标记物和脑成像技术研究AD患者BBB完整性。

1.2.1 血液衍生分子在死后和脑干中的渗漏

检测BBB完整性的一种方法是测量脑实质中血浆或血清衍生分子。在AD大脑中与老年斑和CAA（cerebral amyloid angiopathy）相关的微血管段中已经检测到血浆蛋白、白蛋白和IgG的血管周免疫反应性[30]。实验表明，通过反相高效液相色谱法（HPLC）发现AD患者小脑中血红蛋白衍生肽水平增加，而对照组无明显变化[31]。免疫组化分析和酶联免疫吸附试验（ELISA）结果显示AD脑组织中的凝血酶原含量明显升高[32]。各项临床研究结果表明AD大脑中存在血液衍生分子的渗漏。

1.2.2 脑脊液/血白蛋白比率

脑脊液白蛋白/血白蛋白比值（c/sAR）是目前用作评估BBB破坏的指标之一。然而，一些研究报告说，脑脊液标志物的变化只在有血管危险因素或血管病变的AD患者中明显，而在没有这些因素的AD患者中则不明显，比如早期的症状不明显的AD患者[33]。临床研究显示，BBB通透性参数与衰老和血管性痴呆有关，但与AD和白质病变的关系较小。因此，BBB受损可能是伴随着脑血管病变进展的一种病理变化，并非是AD所特有的[34]。由于AD患者已证明脑脊液蛋白质的转换受到干扰，脑脊液/血浆白蛋白比值可能不能准确地反映AD患者的BBB通透性。

1.2.3 脑成像评估AD患者的BBB功能

早期使用脑成像研究未能显示AD患者的通透性增加。一项使用动态对比增强磁共振成像（MRI）的研究表明，与健康对照组相比，AD患者的脑脊液中Gd-DTPA（钆喷酸葡胺）含量更高，而漏入脑实质的范围没有整体差异[35]。最近一项使用先进动态对比增强技术的研究表明，整个海马体、CA1区和齿状回的BBB通透性随年龄增长而增加。此外，与老年认知健康患者相比，MCI患者在这些区域的BBB通透性明显增加[36]。

2 肠道屏障

2.1 肠道屏障的变化

肠道屏障（intestinal barrier）即肠黏膜屏障，是人体很重要的一道保护防线。黏膜屏障的完整性是疾病发生、进展和严重程度的关键决定因素。越来越多的证据表明，该屏障的破坏可能导致疾病或疾病的进展。屏障完整性的丧失能够增加细菌抗原的易位，刺激肠粘膜炎症，这是炎症性肠病（IBDs）的中心病理特征[37]。

老年人肠黏膜通透性的下降，血脑屏障可渗透性的增加以及肠道微生物群的失调，都可导致大量的淀粉样蛋白和脂多糖进入循环系统和中枢神经系统，激活受体TLR、RAGE等，诱发炎症反应[38]。慢性外周感染和肠道菌群失调可能导致不同组织的多种病理改变。随着年龄的增长，再生能力和限制感染的能力下降，身体抵抗这种变化的能力减弱，导致神经退化和痴呆症的出现。在AD动物模型中，肠道微生物的改变和肠屏障损伤与AD的一些危险因素有关，如肠道炎症、糖尿病和高血压[39]。因此，AD患者的肠屏障功能会出现不同程度的失调。正常情况下，肠道粘膜屏障是由机械屏障、生物屏障、化学屏障与免疫屏障共同构成[40]。

2.1.1 机械屏障

肠粘膜屏障中最为重要的是机械屏障，由肠粘膜上皮细胞以及细胞间的TJ构成[41]。上皮细胞通过形成蛋白质网络来维持其选择性屏障的功能，这些网络起到了连接与封闭细胞的作用[42]。TJ能够调节离子，溶质的流量和维持细胞极性[43]。claudin家族蛋白是TJ的重要组成部分。TJ的渗透性来源于claudins 的相对数量或成孔量，以及链的结构，特别是TJ链的复杂性和数量[44]。不同的claudin补体在沿肠道长度的上皮细胞以及肠隐窝内以不同水平表达[45]。越来越多的证据表明：TJ链自身是动态的，并且经常断裂、重组和释放claudins蛋白，以响应生理反应，环境与致病性刺激。多种病原体通过破坏claudins或肌动蛋白结构（为细胞和TJ提供结构完整性）来穿过细胞旁连接[46]。总之，TJ链的组成和数量，组成它们的claudins的类型，它们在肠道内的定位，以及细胞内的信号装置都有助于肠道的正常通透性的维持[47]。可见上皮屏障的破坏是大多数胃肠道疾病发生与发展的关键决定性因素。因此，当肠上皮受到损伤时，细胞间的紧密连接会出现松动现象，屏障的渗透性会增高，使得肠内的微生物进入血液，将通过血液循环，进入大脑中，诱发神经系统的疾病，比如阿尔兹海默症，因此阿尔兹海默症的防治可以从提高肠粘膜的机械屏障着手。

2.1.2 生物屏障

生物屏障是肠内正常寄生菌群，即肠道菌群，可以构成一个对抗病原体的保护屏障。当其稳定性遭到破坏后，肠道的免疫力严重下降，导致肠道中潜在的病原体入侵。新的研究表明，肠道和大脑之间通过“微生物-肠-脑”（MGB轴）进行着密切交流，MGB 轴是一个联合肠道和大脑之间的神经、激素和免疫信号的通讯系统。肠道微生物群与大脑之间存在着5种联络途径，依次有肠道神经网络、神经内分泌轴、肠道免疫系统，包括肠粘膜屏障和血脑屏障在内的屏障以及肠道菌群合成的一些神经递质[48]。Cattaneo等人研究发现促炎性肠道菌群（如大肠杆菌/志贺氏菌）的丰度增加和抗炎类菌群的丰度减少，与AD患者的外周炎症状态有着联系[49]，因此可见肠道菌群的状态与中枢神经系统密切相关。

2.1.3 化学屏障

化学屏障由肠粘膜上皮分泌的粘液，消化液和寄生菌产生的抑菌物质构成。其成分主要为粘多糖，溶菌酶和水解酶等等[50]，这些物质的减少均可引起肠道化学屏障的破坏，导致化学杀菌作用的减弱。AD发病机制的核心是Aβ的累积，Aβ有多种亚型，其中Aβ1-42是最常见的形式，极易聚集[51]。肠粘液中的溶菌酶具有抗氧化和抗炎的特性。最新实验证明溶菌酶可通过与Aβ1-40的单体IC形式结合来抑制Aβ1-40的聚集，并且还可以通过与单聚Aβ物种结合来阻止Aβ1-42的聚集。在Aβ1-42毒性的嗜多糖模型中，溶菌酶的共表达可降低Aβ1-42水平，延长神经细胞的存活时间[52]。通过聚集分析，我们发现溶菌酶可以与抑制其聚集的Aβ1-42结合，并且在神经元培养中起到保护作用。因此溶菌酶在阿尔茨海默症中被激活，具有作为生物标志物的潜力，可为该病寻找一种新的治疗途径。

2.1.4 免疫屏障

免疫屏障由肠相关淋巴组织，肠道内浆细胞分泌型抗体(SIgA)构成[53]。肠道菌群与全身的免疫细胞相通连，可影响BBB和中枢神经系统的功能。肠腔不断暴露于来自外部环境的细菌，肠上皮屏障若破坏可导致肠道菌群不受调节的移动进入固有层，同时细菌可以渗透肠道相关的淋巴组织（gut associated lymphoid tissue, GALT）和血腔，激活免疫系统包括T细胞。某些细菌可以刺激效应型T细胞分化，促使T细胞脑浸润。循环细菌可以上调炎性细胞因子水平，影响BBB完整性并促进神经炎症[54]。最新实验测定5×FAD小鼠AD模型中GALT的细胞组成，从Peyer’s斑（Peyer’s patch, PP）和肠系膜淋巴结（mesenteric lymph node, MLN）分离的免疫细胞，用表面和细胞内标记物对辅助T（Th）亚群、B淋巴细胞和巨噬细胞进行染色，可以检测到炎症反应[55]。由此可见，GALT的变化可反映疾病的进展，反映肠道免疫监视的不足导致AD病理学增强。

3 总结与展望

血脑屏障与肠粘膜屏障的解剖微观结构对阿尔兹海默症的发生与进展有着密切关联。血脑屏障的破坏激活脑内的小胶质细胞后，不仅能够导致Aβ过剩，还可以诱发氧化应激损伤，最终导致神经元受损，出现记忆丧失和认知能力减退的现象。肠粘膜屏障的破坏使得微生物、微生物产品和外来抗原进入体内激活免疫系统，宿主—微生物相互作用可导致广泛的肠外自身免疫性疾病和炎症性疾病。此外，肠道菌群参与了肠道和大脑之间的双向交流。人类肠道菌群对AD等神经退行性疾病起重要作用。因此从屏障着手，关注屏障的健康度，可以给阿尔兹海默症的治疗与药物开发提高新的突破口。