血脑脊液屏障功能障碍与中枢神经系统疾病的相关性

李 超 陈晓姝 张艳淑

1 华北理工大学公共卫生学院 河北 唐山 063210；2 山东第一医科大学附属职业病医院 山东 济南 250062

血脑屏障(blood brain barrier，BBB)和血脑脊液屏障(blood cerebrospinal fluid barrier，BCSFB)可保护中枢神经系统(central nervous system，CNS)不被外周中潜在的有害物质损伤。尽管BCSFB与BBB相比更容易与外周中有害物质接触，但BBB对中枢神经系统的保护作用受到了更多的关注。然而，越来越多的证据表明，BCSFB在炎症反应从外周向中枢神经系统的扩散中起着至关重要的保护作用，其功能紊乱可导致多种神经系统疾病的发生与发展[1]。血液中致病因子透过BCSFB进入CNS，一方面，可诱导神经毒性和神经元功能障碍[2]；另一方面，CNS中废物外排减少可导致神经毒性残留物的积累，其可能会干扰神经信号传导，并导致多种疾病[3]。但是，BCSFB功能紊乱在多种神经系统疾病的发病机制中起到的作用尚不清楚。本文将回顾多种神经系统疾病中BCSFB的变化，进而探索BCSFB功能紊乱在中枢神经系统疾病中起到的作用，有助于寻找这些疾病可能的治疗靶点。

1 BCSFB的基本结构与功能

1.1 BCSFB的基本结构 BCSFB主要由脑室脉络丛(choroid plexus，CP)上皮细胞构成。CP是一种漂浮在脑室中的组织，由单层上皮细胞组成，位于高度血管化的结缔组织基质中。CP上皮细胞由紧密连接相互连接，使其具有阻止外周中物质通过细胞旁扩散的屏障功能[4]。因此，上皮细胞单层膜结构主要构成了BCSFB。此外，CP处的血流速度大约是其他脑区的5倍[5]。与脑体积相比，CP是一个较小的结构，但其作为含有微绒毛上皮细胞的结构，其总表面积估计约为覆盖大脑的毛细血管总表面积的25%～50%。这些结构特征均与CP的分泌和运输功能有关。同样，CP上皮细胞中富含线粒体，线粒体在提供主动运输和分泌所需的能量中有重要意义[6]。

1.2 BCSFB的功能 CP作为BCSFB主要组织学基础，其主要功能是产生脑脊液。CNS的蛛网膜下腔内含脑脊液。成年人大约有150 mL的脑脊液，这突出了CP在神经系统中的重要性[7]。脑脊液的分泌受到自主神经系统活动的调控，具体来说，CP毛细血管和上皮细胞受到颈上神经节的肾上腺素能神经纤维的支配。此外，其也可能受到迷走神经有关的副交感神经纤维的支配[8-9]。跨膜蛋白作为BCSFB的重要组成部分，其在各种特殊转运机制中起到不同的作用，使分子能够选择性地通过。它们对血液和脑脊液之间代谢物和外源物质的交换至关重要，这些转运蛋白主要属于ATP结合盒转运蛋白(ATP-binding cassette protein，ABC)和溶质载体(solute carrier，SLC)超家族[10]。

此外，细胞间连接在BCSFB的功能维持中同样起到重要的作用。BCSFB是由CP的上皮细胞之间不同类型的细胞连接所形成的。调节BCSFB的通透性和完整性是CP上皮细胞顶端紧密连接(tight junction，TJ)的基本作用——它们负责调节水溶性分子通过屏障中细胞旁通道进入CNS[11]。此外，TJ维持CP上皮细胞层的电阻[12]。TJ由与细胞膜内外相关的蛋白质组成，而occludin和claudins是介导上皮接触的主要跨膜分子。occludin水平的降低会导致BCSFB通透性上升[13]。claudins蛋白分为几个亚型，CP上皮细胞表达claudin 1～6、9～12、19和22，它们是负责限制TJ吞吐的完整蛋白[14]。BCSFB的调节也受到缝隙连接(gap junction，GJ)的影响，GJs由细胞间蛋白通道组成。这些通道是由六种连接蛋白形成两个半通道构成的。GJ介导相邻CP上皮细胞之间代谢物、电解质和第二信使等的交换[15]。

2 BCSFB与中枢神经系统疾病

2.1 BCSFB与出血性中风 脑室内出血(intraventricular hemorrhage，IVH)和蛛网膜下腔出血(subarachnoid hemorrhage，SAH)这两种出血性中风都会导致脑积水，并诱发脑脊液中的炎症反应。SAH的发生使CP中的巨噬细胞的数量增加，并诱导CP的免疫反应，导致M1和M2型巨噬细胞数量增加，以及位于CP中的MHC-II+抗原呈递细胞增多[16]。此外，人工脑脊液的应用导致颅内压升高，既引起了免疫反应，又促进了CP中上皮细胞的增殖。这些发现表明，SAH后颅内压升高不仅导致脑脊液中细胞数量的变化，还可能由相关免疫细胞导致屏障结构的变化[17]。SAH或IVH可导致脑脊液中免疫细胞的聚集，并引发神经炎症，同时会导致CP中TJ的破坏及脑脊液分泌增多，这一病理级联反应可能导致出血性中风的主要并发症之一——出血性脑积水的发生。出血后脑积水的发生被认为是由于脑脊液循环障碍、蛛网膜绒毛或脑膜中脑脊液引流受阻所致。此外，脑脊液的高分泌也可以加剧SAH或IVH后出血后脑积水，其可能的机制是上调CP上皮细胞中Na+/K+/2Cl-共转运蛋白1的表达[18]。Long等[19]研究发现，水通道蛋白1(aquaporin-1，AQP1)的变化也可能导致脑脊液的高分泌和出血性脑积水的发生。在SAH发生后，AQP1在CP上皮细胞的顶端和基底外侧膜中的表达显著增高。

SAH或IVH发生后，CP上皮细胞、巨噬细胞与血液中各成分及其降解产物直接接触。血红素加氧酶(heme oxygenase，HO)和胆绿素还原酶(biliverdin reductase，BVR)是参与血红蛋白降解的主要酶。HO-1是HO的一个亚型，是SAH发生后负责清除蛛网膜下腔血液的主要酶。脑出血发生后，CP上皮细胞中HO-1表达上调。BVR被认为在脑组织中与HO亚型共表达[20]。然而，BVR在SAH或IVH发生后脑脊液中表达的动态变化尚未见报道。

SAH发生20 d后可诱发CP血管痉挛，随后出现缺血性损伤、CP上皮细胞凋亡和脑脊液分泌减少。CP上皮细胞退化的严重程度可能取决于蛛网膜下腔的出血量。然而，在没有脑脊液高分泌的情况下也可能发生脑积水，这可能是由于室管膜和CP上皮细胞损伤导致大脑导水管的容积减少[21]。

2.2 BCSFB与阿尔茨海默病 阿尔茨海默病(Alzheimer′s disease，AD)是最常见的神经退行性疾病，其特征为认知功能下降、行为障碍、生活能力逐渐下降等。β-淀粉样蛋白(amyloid β-protein，Aβ)的过度产生及沉积是AD发病的主要因素。此外，BCSFB功能障碍也可能是AD发病的主要因素[22]。

在衰老过程中，部分大脑结构会发生不同程度的萎缩，如前额叶皮质和海马体，这两个区域具有调节包括记忆在内的复杂功能的作用。CP也呈现与年龄相关的变化。具体来说，衰老的CP上皮细胞普遍呈现萎缩的形态，顶端微绒毛的高度、总体积减少。此外，脑脊液的整体动态平衡也会改变。由于CP合成能力下降，具体表现为诱导脑脊液产生的关键蛋白(碳酸酐酶II和水通道蛋白)表达降低，因此脑脊液产生减少，而且脑脊液在大脑中更新的间隔也逐步增长，这可能会导致有毒物质在脑部的积累[23]。此外，在老年人和AD患者中观察到具有清除有毒物质功能的受体和转运蛋白表达均有不同程度的下调[24]。

AD的病理特征之一是淀粉样斑块的形成，其主要由Aβ组成，其沉积的主要原因是由于Aβ在大脑中的产生增加或清除减少所致。在几种AD动物模型中都发现CNS中Aβ清除途径受损，并且积累在CP中的Aβ对CP的形态和功能有影响[25]。此外，Vargas等[26]认为CP中Aβ的积累进一步增强了BCSFB的破坏，这可能会导致神经退行性病变。

CP中Aβ等有害物质的外排速度与浓度梯度成反比，由ABC实现。ABC家族由48个已知的人类ABC蛋白组成，是目前已知的最大的蛋白质超家族之一。这些基因分为7个亚科，称为A到G。B和C家族成员(ABCB1、ABCC1到ABCC6)被证实在人类的CP中表达。ABC活性的降低与AD所诱导的神经退行性疾病的发展之间存在关联，尤其是ABCB1和ABCC1，其可将CP上皮细胞和脑脊液中的代谢物转运到外周血液中，在多项研究中均发现其对Aβ的转运具有重要的意义，因此，ABC逐渐成为AD疾病相关研究的重点[27]。

ABCB1通过转运多类代谢物，如阳离子两亲性和亲脂性化合物，在维持大脑内稳态方面起着重要作用。已知ABCB1具有转运Aβ的功能，并且发现其表达与Aβ沉积呈负相关。Kagawa等[28]研究发现ABCB1基因敲除的AD小鼠模型可导致Aβ斑块的形成增加，这一现象可通过恢复ABCB1活性而逆转。ABCB1功能障碍被证明在其他神经退行性疾病如帕金森氏病中也起着重要作用。ABCC1在CP的上皮细胞基底膜上呈高表达。与ABCB1相反，ABCC1通过运输阴离子两亲性化合物，特别是在疏水性药物和谷胱甘肽、葡萄糖醛酸或硫酸盐的结合物运输中发挥作用。ABCC1作为CP的主要标志物，其被认为在Aβ的排出中起着重要作用。与对照组小鼠相比，ABCC1基因敲除的阿尔茨海默病模型小鼠大脑中Aβ含量增加了12～14倍。此外，使用噻嗪对ABCC1的激活可显著减少Aβ斑块数量以及斑块大小，其被认为是可能用于AD患者治疗的一种药物[29]。

2.3 BCSFB与多发性硬化症 多发性硬化症(multiple sclerosis，MS)的特点是白质多发性炎性病变，并伴有T、B淋巴细胞和巨噬细胞增多。炎症细胞通过脑屏障向中枢神经系统迁移。CP是淋巴细胞进入脑脊液的重要部位[30-31]。MS患者CP中的淋巴管和间质中均可见淋巴细胞，其中包括T细胞，特别是CD4+T细胞的存在证明了CP通过产生干扰素-γ来调节免疫细胞通过BCSFB。局部干扰素-γ信号可上调粘附分子，如血管细胞粘附分子-1和细胞间粘附分子-1[32]。Reboldi等[33]提示Th17细胞通过CP的迁移可能受趋化因子受体-6的调节。CP上调趋化因子和细胞粘附分子，参与T细胞在外周免疫刺激下向CNS的迁移。MS中miRNA-155和-326的上调参与了TJ蛋白的降解，导致BCSFB的破坏。随后，免疫细胞渗入CNS，诱导少突胶质细胞激活炎性[34]。Murugesan等[35]研究了MS动物模型早期不同脑室的反应，发现毛细血管和CP上皮细胞中粘附分子、白细胞介素和T细胞活化标志物的基因表达模式不同，其可导致脑脊髓炎。

3 结语

CP可分泌脑脊液，其作为BCSFB的主要功能结构，在维持大脑稳态中起着极其重要的作用。CP上皮细胞分泌的多种生长因子被释放到脑脊液中，通过脑脊液到达脑实质。CP也是CNS损伤和感染过程中炎性细胞运输的门户。脑脊液的产生会在神经退行性疾病和衰老中减少，从而导致神经元的功能异常。随着脑脊液产生的减少，BCSFB的完整性也受到了损伤。目前，还没有相关治疗手段来修复衰老和其他神经系统疾病中的BCSFB功能障碍。随着研究的深入，维持BCSFB结构及功能的完整在CNS疾病的治疗中越来越得到重视。