糖尿病引发血脑屏障结构与功能失调机制的研究进展

李晶莹 赵伟东

(中国医科大学 1第一临床学院，辽宁 沈阳 110122；2生命科学学院发育细胞生物学教研室 教育部医学细胞生物学重点实验室暨卫健委细胞生物学重点实验室)

糖尿病是一组由胰岛素分泌不足和利用障碍导致的，以高血糖为特点的代谢性疾病，主要分为1型和2型：1型是由自身免疫系统攻击胰岛β细胞所引起的胰岛素分泌不足所致；2型是由肥胖等多种因素导致的胰岛素抵抗和胰岛素相对分泌不足，无法控制血糖水平导致的结果〔1〕。糖尿病是严重威胁人类健康的世界性公共卫生问题，可引发一系列并发症，其中，典型的急性并发症包括酮症酸中毒和高渗性昏迷等，慢性并发症有糖尿病肾病、糖尿病视网膜病变等微血管病变、心血管疾病及神经系统并发症〔2〕。越来越多的研究发现糖尿病破坏血脑屏障结构的完整性，使其通透性增加，引发脑血流动力学受损、认知障碍等症状〔3〕。本文主要针对糖尿病引发的血脑屏障损伤机制及糖尿病与阿尔茨海默病(AD)、帕金森病(PD)的相关性和治疗前景进行综述。

1 糖尿病引起血脑屏障结构和功能损伤及相关机制

1.1血脑屏障的组成及功能 血脑屏障是中枢神经系统的重要保护结构，由脑微血管内皮细胞、基底膜、周细胞和星形胶质细胞的终足组成〔4〕，其中，脑微血管内皮细胞之间形成的紧密连接结构是血脑屏障的关键结构。组成紧密连接的主要蛋白包括：密封蛋白、闭合蛋白、连接黏附分子(JAMs)和闭锁小带蛋白(ZO)等，其中前3者为跨细胞膜蛋白。密封蛋白对维持屏障的功能尤为重要，其缺失会导致血脑屏障通透性严重增加；闭合蛋白在血脑屏障中含量丰富，但只与血脑屏障钙离子流出相关，对血脑屏障功能影响不大；JAMs则主要调节白细胞穿过血脑屏障及血脑屏障细胞旁途径的通透性；ZO分为ZO-1、ZO-2和ZO-3，主要负责紧密连接跨细胞膜蛋白的定位及其与细胞骨架蛋白的连接〔5〕。基底膜位于脑微血管内皮细胞的基底侧，由胶原、层黏连蛋白、巢蛋白、肝素和其他糖蛋白组成〔6〕。周细胞嵌入基底膜中与内皮细胞直接接触，二者共同调节新血管生成和血管稳定性，维护血脑屏障功能〔7〕。星形胶质细胞的数量最多，通过其覆盖在血管表面的终足，调节特定区域神经活动介导的血管舒缩和血流量变化〔8～10〕。

具有高度选择通透性的血脑屏障主要通过细胞旁途径和跨细胞途径完成物质转运。细胞旁途径受胞间连接蛋白的动态调节，而跨细胞途径主要由脑微血管内皮细胞上的转运子蛋白所控制〔11〕。脑微血管内皮细胞的管腔面和基底面所分布转运子的种类和数量均不相同，使血脑屏障能够有效地将血管内和血管周环境分隔开来〔12〕。一些转运子参与顺浓度梯度的被动转运〔13〕；而另一些转运子利用三磷酸腺苷(ATP)供能逆浓度梯度转运物质。此外，血脑屏障还有一些特殊的转运机制，如P-糖蛋白(gp)能够移除脑组织中具有毒性作用的β淀粉样蛋白(Aβ)〔14〕。在正常生理条件下血脑屏障严格控制进出脑组织的物质，维持中枢神经系统微环境稳态，保护脑细胞免受毒素和免疫细胞的损害〔15〕。

1.2糖尿病时血脑屏障结构和功能的变化 糖尿病时出现的高血糖、氧化应激和慢性炎症反应会对血脑屏障结构的完整性和转运功能造成破坏〔16〕，血脑屏障形态结构上的改变包括：①脑微血管内皮细胞固缩；②脑微血管管腔狭窄；③基底膜增厚；④周细胞缺失；⑤星形胶质细胞终足肿胀〔17〕。糖尿病时血脑屏障受损的具体机制可分为：①脑微血管内皮细胞间紧密连接蛋白密封蛋白-5、ZO-1和闭合蛋白表达量下调〔18,19〕；②基底膜中纤连蛋白、Ⅳ型胶原和层黏连蛋白增加，破坏内皮细胞、周细胞和星形胶质细胞与基底膜间的黏附关系；硫酸肝素蛋白聚糖表达下调，清除了阴离子蛋白的结合位点，使基底膜不稳定〔20〕；③周细胞功能紊乱、凋亡增加，使毛细血管外的周细胞覆盖减少〔21～23〕；④长期高血糖使星形胶质细胞内氧化应激增加，终足肿胀并与基底膜分离，干扰细胞间缝隙连接和脑血流量调节〔24〕。

糖尿病还会影响血脑屏障对营养物质如葡萄糖、氨基酸的转运。葡萄糖主要由脑微血管内皮细胞的葡萄糖转运蛋白(GLUT)-1转运入脑，GLUT-1的表达不直接受胰岛素调节但与血糖浓度相关〔25〕。研究发现高血糖会减少血脑屏障GLUT-1的表达，使中枢神经系统维持正常的葡萄糖摄入量〔26,27〕。在血脑屏障的氨基酸转运方面，在链脲霉素诱导的糖尿病大鼠中，血脑屏障对支链氨基酸的转运增加而基础氨基酸和部分必需氨基酸(如色氨酸、苯丙氨酸、甲硫氨酸等)的转运减少，但这种现象主要与糖尿病导致的氨基酸血液浓度变化相关，而不是由转运机制变化引起的〔28〕。

血脑屏障的通透性既与被转运物质的大小、生化性能有关，也受血脑屏障组分的生理状态变化的动态调节〔29〕。脑微血管内皮细胞间广泛的紧密连接网络、有限数量的转胞吞囊泡及缺少细胞窗孔等特点保障了血脑屏障的限制性〔30〕。然而糖尿病使紧密连接蛋白表达减少，提高了脑微血管内皮细胞旁途径的物质转运，同时使转胞吞囊泡增多，加强了跨细胞途径的物质转运〔31〕，这两方面均可影响血脑屏障的限制通透性。糖尿病大鼠免疫组化染色发现脑组织有免疫球蛋白(Ig)G沉积和14C蔗糖的堆积〔32〕；2型糖尿病患者脑磁共振显示钆示踪剂在脑组织中积聚〔33〕；动态增强磁共振成像可见老年2型糖尿病恒河猴血脑屏障通透性增加〔34〕，这些证据均表明糖尿病会增加血脑屏障的通透性。Huber等〔35〕发现脑组织不同区域对损伤的敏感程度不同，大鼠患糖尿病28 d后，中脑首先显示出渗透性增强，随后是海马、大脑皮层和基底节表现出血脑屏障通透性变化，而其余区域在患糖尿病后3个月都没有出现损伤的迹象。

1.3糖尿病时血脑屏障损伤的分子机制 糖尿病时的血脑屏障损伤主要由高血糖、氧化应激和炎症反应造成，活性氧(ROS)、血管内皮生长因子(VEGF)、一氧化氮合酶(NOS)、一氧化氮(NO)、糖基化终产物(AGEs)和基质金属蛋白酶(MMPs)等是主要参与因子，下文将以这些因子为切入点对糖尿病时血脑屏障损伤的分子机制进行阐述。

1.3.1ROS 内皮细胞的线粒体过氧化物产生过多是糖尿病血管并发症发生的主要机制之一。高血糖与胰岛素抵抗加速了葡萄糖代谢率，促进电子传递链产生大量ROS。ROS对细胞功能造成多种损害：①损伤糖酵解，进而导致糖酵解中间产物聚积，这些中间产物通过多元醇、氨基己糖生物合成、蛋白激酶(PK)C和AGEs等4条信号通路导致血脑屏障功能紊乱〔16〕；②ROS通过激活核转录因子(NF)-κB、激活蛋白(AP)-1和信号传导与转录激活子(STAT)信号通路，使炎症因子包括肿瘤坏死因子(TNF)-α、白细胞介素(IL)-6、IL-1等表达上调〔36,37〕；③抑制星形胶质细胞缝隙蛋白折叠，干扰细胞间通讯；④干扰周细胞功能，最终导致周细胞覆盖缺失〔16〕。研究发现，高糖条件下(25 mmol/L右旋葡萄糖)共培养人脑微血管内皮细胞和星形胶质细胞，5 d后观察到紧密连接完整性和跨内皮细胞电阻下降〔38〕，而在培养的同时加入抗氧化物质或自由基清除剂则能减轻这些变化。这一现象证实血脑屏障损伤与氧化应激有关。也有研究发现高糖条件下培养的小鼠脑周细胞呼吸率和ROS的产生均增加，而抑制线粒体碳酸酐酶活性会使二者降低〔23〕，证明糖尿病氧化应激与呼吸作用产生的ROS有关。

1.3.2VEGF VEGF与血管生成和通透性调节相关，被认为是介导糖尿病时血脑屏障损伤的另一重要因子。VEGF受低氧诱导因子(HIF)-1和哺乳动物雷帕霉素受体蛋白(mTOR)调节，并通过激活PKC等通路增加血脑屏障通透性，在糖尿病状态下对血脑屏障造成损伤。VEGF的增加与其上游因子HIF-1在高血糖、AGEs和ROS的作用下表达上调相关〔39〕。研究表明，抑制HIF-1可以减少高血糖引起的VEGF表达增加〔40〕，而抑制HIF-1上游因子mTOR，也能通过降低HIF-1和VEGF来减轻血脑屏障的损伤〔41,42〕。

VEGF可增加血脑屏障通透性，一方面，高糖条件下内皮细胞和星形胶质细胞VEGF产生增多，通过自分泌与旁分泌作用，使紧密连接中的闭合蛋白和ZO-1表达减少〔43〕；另一方面，VEGF也与炎症有关，在小鼠脑内慢性灌注VEGF能增加细胞间黏附分子(ICAM)-1和主要组织相容性复合体Ⅰ、Ⅱ的表达，增加发生免疫反应的概率〔44〕。VEGF受体位于内皮细胞基底面，由于糖尿病血管通透性增加，血中的VEGF更容易穿过血脑屏障发挥作用，使VEGF的促血管生成和提高血管通透性作用更为明显〔45〕。

VEGF主要通过激活PKC-β引发血脑屏障功能紊乱。PKC-β增加烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)氧化酶和MMP-2的作用并减少闭合蛋白的表达〔46〕；PKC-β还通过激活Rho激酶(ROCK)/肌球蛋白轻链激酶(MLCK)抑制内皮型NOS(eNOS)的作用，促进氧化应激，使血脑屏障通透性增加〔47〕。有研究发现药物阻滞ROCK能够降低氧化应激引起的内皮细胞通透性增加〔48〕。

1.3.3NOS和NO NO对血管内皮细胞既有保护作用又有损伤作用，这主要取决于它的来源〔49〕。中枢神经系统主要有3种NOS：eNOS、神经型NOS(nNOS)和诱导型NOS(iNOS)〔50〕。eNOS来源的NO对血管内皮细胞起保护作用：①扩张脑血管，增加脑血流量〔8,51〕；②抑制血小板积聚〔8〕；③清除ROS以减轻血管内皮氧化应激损伤〔52,53〕。氧化应激使eNOS的活性下降并使其底物由正常的精氨酸转换为氧分子，进而生成有害的过氧化物(O2-)；而同时nNOS和iNOS表达上调，它们产生的NO与O2-结合生成过氧亚硝基阴离子(ONOO-)〔54〕，它具有高度氧化活性，会损伤内皮细胞，激活MMPs，破坏血脑屏障的完整性〔52,53,55〕。

1.3.4AGEs AGEs也是与糖尿病相关的重要的血管调节因子。在高血糖情况下，AGEs合成增加，使酶活性降低、蛋白质半衰期缩短及受体与配体的结合减弱〔56〕。此外，一些AGEs与蛋白交联后的交联产物可以促进ROS生成，通过氧化应激造成细胞损伤〔57,58〕。糖基化终末产物受体(RAGE)是AGEs最常见的受体，促炎症因子〔IL-8,转化生长因子(TGF)-β1,TNF-α等〕、基底膜修饰蛋白〔胶原蛋白(COL)-Ⅰ，COL-Ⅲ〕和MMPs等均受其调节〔59，60〕。RAGE主要通过激活NF-κB发挥作用〔57〕。NF-κB一方面可增加血管细胞黏附分子(VCAM)-1和ICAM-1表达，促进白细胞穿过血管壁〔61〕，另一方面还能促进RAGE的表达，形成正反馈调控。这种代谢记忆使得氧化损伤和炎症基因的异常表达即使在血糖水平得到控制后仍然持续存在，进一步增加了高血糖损伤的严重程度〔58〕。

1.3.5MMPs MMPs是由多个成员组成的蛋白酶家族，在正常情况下以无活性形式存在，而糖尿病诱发的炎症反应可以激活MMPs〔62〕。MMP9、MMP2和MMP3能够促进基底膜、紧密连接蛋白和细胞外基质的水解，进而导致血脑屏障通透性增加〔63,64〕，而抑制MMPs的活性则可以使血脑屏障的完整性得到恢复〔65〕。

2 糖尿病血脑屏障损伤与神经退行性疾病的相关性

AD和PD是最常见的神经退行性疾病。流行病学调查显示，糖尿病患者AD和PD的发病率增加，因此认为糖尿病是这两种疾病的危险因素。大量研究发现糖尿病的病理改变如胰岛素抵抗、氧化应激、炎症反应和血脑屏障破坏等会增加神经退行性疾病的发病率和严重程度；血脑屏障通透性增加是糖尿病与神经退行性疾病共同的病理表现〔66,67〕。

2.1糖尿病与AD的相关性 糖尿病时出现的代谢紊乱使血糖、血脂、AGEs水平增加，导致血脑屏障通透性增加，血中游离脂肪酸(FFA)和AGEs进入脑组织破坏脑稳态平衡〔68〕，激活小胶质细胞进而引发神经炎症〔69〕，中枢神经系统炎症因子和ROS释放增加〔70〕，进一步加重了血脑屏障损伤并使神经细胞处于毒性环境中。这种慢性炎症导致神经元产生胰岛素抵抗、内质网应激、突触功能紊乱等损害，引发认知障碍，导致AD等神经退行性疾病〔71,72〕；同时血脑屏障通透性增加也可使外周循环中的免疫细胞、Ig、炎症因子等进入中枢神经系统，对神经元造成进一步损伤〔73〕。

脑微血管内皮细胞上的RAGE能够将外周循环的Aβ转运入脑〔74〕。RAGE与其配体Aβ和AGEs结合激活NF-κB通路，刺激内皮细胞表达更多RAGE形成正反馈作用〔74,75〕；同时释放促炎症因子加重血脑屏障损伤。P-gp在血脑屏障内皮细胞基底面表达，具有清除中枢神经系统内Aβ的作用，糖尿病时P-gp表达减少、功能受损〔76〕。因此，脑微血管内皮细胞在糖尿病时RAGE增多、P-gp减少，使得Aβ转运入脑组织增多而清除减少，导致Aβ在脑组织内蓄积，进而引发淀粉样斑块形成、神经纤维缠结形成、神经元丢失等一系列AD的病理改变。

2.2糖尿病与PD的相关性 大量临床研究和动物实验发现糖尿病与PD相关。Moroo等〔77〕发现PD患者黑质致密部神经元丢失伴胰岛素受体表达减少；Arvanitakis等〔78,79〕发现糖尿病会加重肌强直和姿势步态障碍等症状；有研究发现高脂喂养诱导的2型糖尿病小鼠神经元的钾离子(K+)触发的多巴胺释放功能受损，受损程度与胰岛素抵抗程度呈正比〔80〕；高脂饮食喂养PD小鼠会加重病情〔81〕。炎症反应在黑质多巴胺能神经元的损伤中起重要作用，除小胶质细胞活化引起的神经炎症损伤外，外周免疫系统也参与了神经元损伤。有研究发现PD病人脑组织有大量的簇分化抗原(CD)8+和CD4+T细胞〔82〕。脑组织是免疫赦免器官，正常情况下由血脑屏障保护不受外周免疫反应的影响，因此推测糖尿病时可能通过损伤血脑屏障，使外周的免疫细胞、炎症因子等成分进入脑组织，激活小胶质细胞，引起中枢神经系统胰岛素抵抗并损伤多巴胺能神经元，引发或加重PD。

3 以血脑屏障为靶点对糖尿病相关神经退行性病变的治疗性研究

糖尿病血脑屏障通透性增加是多种糖尿病神经并发症的共同病理机制，因此抑制血脑屏障的损伤可能成为治疗这些并发症的有效方法。目前研究较多的药物有S-亚硝基谷胱甘肽(GSNO)、褪黑素、脂蛋白相关磷脂酶A2抑制剂darapladib、血管紧张素转换酶受体1抑制剂和大麻素等。

研究显示，GSNO可以改善糖尿病引起的血脑屏障通透性增加和认知障碍。GSNO通过抑制氧化应激、炎症因子(TNF-ɑ、IL-1β)和MMPs的作用来减弱糖尿病时血脑屏障的损伤。有研究发现给链脲霉素诱导的糖尿病小鼠口服GSNO可以降低糖尿病小鼠的血糖、恢复细胞间紧密连接蛋白闭合蛋白和ZO-1的表达量、抑制细胞黏附分子ICAM-1和VCAM-1的过度表达，进而改善血脑屏障通透性；透射电镜下也发现，糖尿病引起的脑微血管基底膜增厚、周细胞缺失、星形胶质细胞终足肿胀等超微结构的病理变化经口服GSNO后得到改善；同时八臂迷宫和Morris水迷宫也检测到口服GSNO的糖尿病小鼠空间学习记忆能力增强。这些实验结果说明GSNO有望成为治疗糖尿病的神经退行性病变并发症的治疗药物〔17,83〕。

褪黑素是松果体分泌的一种激素，参与许多生理功能的调节。一些研究发现褪黑素能够抑制高血糖引起的ROS生成和MMPs的活化，进而减轻血脑屏障损伤，促进轴突生长，改善认知减退〔35,84～86〕；还有研究发现褪黑素能够稳定线粒体功能、减少ROS生成并且减轻Aβ积聚、缓解突触功能紊乱及记忆损害〔87，88〕，减轻糖尿病导致的血脑屏障功能紊乱，恢复血脑屏障清除毒性物质(如Aβ)的功能，进而改善认知障碍和记忆损害〔89〕。

其他药物如葛兰素史克公司生产的darapladib，可以降低糖尿病高胆固醇血症动物模型(猪)的血脑屏障通透性并使有Aβ沉积的神经元数量减少〔65〕；血管紧张素转换酶受体1抑制剂，可以改善血管紧张素诱导的血脑屏障内皮细胞的跨细胞和细胞旁转运的增加效应和紧密连接蛋白的下调〔90〕；大麻素和四氢大麻酚，具有血管抗炎作用〔91〕，二者都可能成为以血脑屏障为靶点的糖尿病神经并发症的治疗药物。

综上，在糖尿病状态下，高血糖和胰岛素抵抗等代谢失调会通过炎症反应和氧化应激对血脑屏障造成损伤，ROS、VEGF、NO、AGEs和MMPs是这一过程中的关键因子，它们使紧密连接蛋白减少、基底膜损伤、周细胞缺失、星形胶质细胞终足肿胀、血脑屏障通透性增加；血脑屏障通透性增加使脑组织更易受到免疫细胞和炎症因子等的攻击，导致神经退行性疾病的发生及加重。因此，血脑屏障有望成为糖尿病神经系统并发症的治疗靶点。然而目前对糖尿病时血脑屏障损伤机制的研究仍不够深入、以血脑屏障为靶点的治疗药物研究多停留在实验阶段，仍需要进一步深入的研究以阐明糖尿病时导致血脑屏障损伤的各种因子相互作用的复杂网络，进而找出最有效的药物治疗靶点。