阿尔茨海默病的血脑屏障研究进展

方招弟，徐武华

作者单位

510220 广州暨南大学医学院附属广州红十字会医院康复医学科(神经内科二区)；广州市红十字会医院临床病态营养研究所

中枢神经系统退行性疾病如AD、帕金森病、路易体痴呆等，因多数起病较隐匿，病理生理进展缓慢，在整个疾病过程中血脑屏障（blood-brain barrier，BBB）基本保持完整，因此在这类患者中关于BBB的研究极少受到关注。随着近二十年来免疫治疗在AD研究中的兴起，尤其Aβ主动或被动免疫治疗前后，血脑屏障内外Aβ负荷的变化成为评价治疗效果的主要指标，由此AD状态下对BBB的相关研究引起人们的关注。

1 血脑屏障的结构与生理作用

目前已知BBB主要是由脑毛细血管内皮细胞（cerebral microvascular endothelial cell，BMEC）、周细胞、星形胶质细胞血管周足和基底膜构成。其中的BMEC是血脑屏障的主要结构，也是确保BBB内外环境相对稳定的基础。但将不同形态、性状、大小的BMEC串联在一起的是一种叫作紧密连接的蛋白质结构，正是紧密连接才使得BBB整体看起来形似一串封闭的、镶嵌着细胞珍珠和伪足扇贝的“项链”。相比外周血管内皮细胞，脑毛细血管内皮细胞明显缺少能直接穿透的窗孔结构和吞饮小泡，但富含膜受体和胞内线粒体，因此多数大分子物质和非电解质低分子物质的跨膜转运都是受体识别的、ATP依赖的主动转运[1-3]。正是这种高选择性和高耗能的转运方式，才确保了大脑始终处于一个相对稳定的半封闭状态。

周细胞分布于脑毛细血管内皮细胞外，其胞体及突起并不与基底膜直接接触，但在缺少基底膜的区域，周细胞的突起与脑相互嵌合，形成类似插座样的组合，因此仅小部分周细胞参与了BBB的构成。此外，周细胞还在清除脑内代谢产物、调控局部血流等方面发挥着不可或缺的生理作用[4-5]。星型胶质细胞的血管周足主要环绕在脑毛细血管内皮细胞外，将脑毛细血管约85%的表面包绕起来，构成了脑毛细血管的多层膜性结构，因此，星型胶质细胞是耦合血管与神经之间的最后屏障[6]。

紧密连接是一层由多种蛋白质组成的线性网状结构，主要包括胞质附着蛋白（zonula occludens protein-1，ZQ-1）、跨膜蛋白及细胞骨架蛋白。其中，ZQ-1是连接跨膜蛋白与细胞骨架蛋白的桥梁。目前研究较多的跨膜蛋白有构成紧密连接初级封口的闭锁蛋白（claudin）、调节紧密连接通透性的咬合蛋白（occludin）和一些胞质黏附分子。不同家族或亚型的闭锁蛋白和咬合蛋白动态穿插组合所构成的网格是决定紧密连接通透性的“阀门”，此阀门的开与关取决于脑内的微环境[7-8]。紧密连接在维持BBB完整性的同时，也限制离子在血液和脑组织之间自由扩散，防止有害物质进入脑组织。

2 阿尔茨海默病状态下血脑屏障的变化

AD典型的临床特征是隐袭起病、缓慢进展及全面性认知功能障碍。AD经典的病理改变是以Aβ沉积为核心的老年斑和以神经微管蛋白（Tau）过度磷酸化为特征的神经纤维缠结形成。迄今为止，AD的病因和发病机制依然未明，由于Aβ瀑布学说长期占据着诠释AD病理机制的主流地位，一直以来，漫长的AD病理过程被认为是仅发生于BBB脑侧的局灶性事件，随着炎症假说和血管机制学说的兴起，这一传统认识才开始受到越来越多的质疑[9]。

2.1 血脑屏障的结构学变化 对脑淀粉样血管病（cerebral amyloid angiopathy，CAA）患者的研究发现，脑内神经炎症反应（包括小胶质细胞和星形胶质细胞激活）主要发生在Aβ沉积的毛细血管周围，这种与Aβ沉积有关的炎症反应在AD发病过程中起着重要作用，可能导致了患者的认知功能下降；对这类患者大脑组织的免疫组化染色发现，在Aβ沉积的毛细血管周围神经炎症反应严重，神经元损伤严重，而此处BBB紧密连接处的紧密连接蛋白（claudin-5、occludin及ZQ-1）数量减少了30%～40%，同时胶质细胞聚集并呈激活状态，纤维蛋白原泄漏至脑实质内，这些变化与CAA患者毛细血管病理严重程度有关[10]。

定量免疫荧光研究证实，相比无神经病变的对照组大脑，AD患者大脑海马及皮层区域的周细胞数量和覆盖率均显著降低，同时血源性IgG和纤维蛋白漏到血管外并在脑内沉积，这些发现不仅是AD状态下BBB结构改变的直接证据，也提示作为神经-血管单元主要组成部分的BBB在AD发病机制中扮演着重要角色[11]。但是，并非所有研究都观察到AD状态下BBB的显著结构性改变，有的研究采用类似的研究方法，但并未检测到AD状态下有更高的血清蛋白血管外渗漏现象[12-13]。究其原因，大部分研究选择了终末期AD患者，有可能受到全身和脑内其他疾病等多因素的干扰。因此，为了进一步探究神经-血管单元在AD全程中的作用，有必要开展AD早期在体或动物模型的脑组织病理研究。

2.2 血脑屏障的生物学标志物变化 脑脊液白蛋白/人血白蛋白比值（cerebrospinal fluid/serum albumin ratio，c/sAR）是目前评估BBB完整性的常用生物学标志物之一。一项大样本、多中心、几乎涵盖所有痴呆亚型的横断面研究探讨了c/sAR变化，研究对象包括AD[早发型AD（early onset AD，EAD）、晚发型AD（late onset AD，LAD）、血管性痴呆（vascular dementia，VaD）、血管性痴呆与AD的混合型（mixed AD and VaD，MIX）]，路易体痴呆（Lewy body dementia，DLB），额颞叶痴呆（frontotemporal dementia，FTD），帕金森病痴呆（Parkinson's disease dementia，PDD），其他痴呆及未做详细说明的痴呆（dementia not otherwise specified，NOS），结果发现DLB组、LAD组、VaD组、MIX组、其他痴呆组和NOS组的c/sAR显著高于正常对照组，且晚发型AD组的c/sAR高于早发型AD组；但只有LAD组、VaD组、MIX组、其他痴呆组的c/sAR增高与神经元纤维素（neurofilament light，NFL）呈正相关，而与AD脑脊液生物学标志物无关，这些结果提示，BBB受损并非AD专属，可能是伴随脑血管病变进展的一种病理变化[14]。

2.3 血脑屏障的分子神经影像学变化 随着分子影像和功能影像学技术的发展，BBB的活体研究成为可能。动态增强MRI灌注成像技术可及时、准确地反映检测区内动脉血流的变化而成为活体观察BBB通透性的客观指标。通过该成像技术测量并描绘出MCI患者和正常人脑灌注参数（Ktrans值）图，结果显示，海马及齿状回区域的Ktrans值呈现出一种与年龄相关的线性增长趋势，而MCI加剧了这一增长趋势[15]。

磷酸-糖蛋白（P-glycoprotein，P-gp）是高度表达于BBB血管内皮细胞的一种糖蛋白，负责Aβ转运，Daniëlle ME van Assema等[16]应用（R）-[11C]维拉帕米和定量PET成像，比较与AD患者相比年龄匹配的健康人BBB的P-gp功能变化。研究者对13例轻-中度AD患者和14例正常人进行了定量PET研究，首次活体观察到AD患者相比健康人，其BBB的P-gp功能显著下降，提示其可能参与了AD的发病进程。由于无法确定AD状态下的P-gp功能下降是发生在Aβ沉积之前还是之后，同时P-gp的生理功能尚未被完全阐释，因此，还不能断言BBB损害是AD的病因之一[17-18]。但研究提示，P-gp有望成为探索AD疾病状态下BBB功能的一个全新标志物以及干预AD病理进程的一个潜在靶点[16，19]。

3 血脑屏障与β淀粉样蛋白的转运

人们普遍认为Aβ代谢异常是AD发病机制的核心，虽然近年来关于Aβ疫苗的研究近乎全军覆没，但Aβ瀑布学说的主流地位并未改变[20]。在该学说中，Aβ代谢异常处于AD所有病理改变的最上游，关于Aβ主动或被动免疫等很多治疗研究都是围绕Aβ在BBB两侧间的转运，加速清除脑内Aβ展开的。Aβ来源于其前体物质——淀粉样前体蛋白，该前体蛋白是一种跨膜蛋白，在体内广泛存在，在脑组织表达最高。前体蛋白被β和γ分泌酶裂解为具有40、42或43个氨基酸的Aβ分子。Aβ分子具有自发聚合的能力，它能够在细胞外聚集成寡聚体、纤维和斑块等淀粉样沉积物。正常状态下，脑内过多的Aβ分子经由BBB转运出脑外，经由BBB的动态转运保持脑内不致发生Aβ沉积。在AD状态下，Aβ分子的产生远超出BBB的清除能力，导致脑内Aβ沉积[21]。

已知位于BBB血管内皮细胞上的低密度脂蛋白受体相关-1（low-density lipoprotein receptor-related protein-1，LRP-1）蛋白在Aβ转运过程中扮演着十分重要的角色。在转基因模型小鼠，选择性脑BMEC上LRP-1缺失可导致脑内可溶性Aβ增加和血浆Aβ水平降低，同时导致模型小鼠空间学习及记忆障碍加重[22]。在向小鼠脑内注射Aβ40后，能观察到LRP-1介导的Aβ40跨BBB向脑外转运的增加和老龄鼠LRP-1蛋白基因表达的下调[23]。

在AD发病过程中，Aβ是如何从细胞内转运至胞外的？学者们应用体外实验证实了胞内Aβ的转运是ATP依赖和P-gp依赖性的，结合ATP的P-gp组成主动转运泵，将Aβ从胞内转运至胞外，当应用药物阻滞P-gp时，可导致Aβ转运至胞外的水平下降[24]。体外细胞模型研究也证实了脑毛细血管内或周围的Aβ沉积，可能是通过影响P-gp的表达而加重AD疾病进程的，P-gp的表达下降或活性缺失可作为进展中CAA的一个选择性生物标志物[25]。

而Aβ由血管转入脑组织的过程主要是通过晚期糖基化终末产物受体（receptor for advanced glycation end products，RAGE）介导的主动转运完成的。尸检发现，AD患者血管内皮细胞RAGE受体表达明显上调[26]。而阻断Aβ与RAGE受体的结合，可以显著减少AD模型小鼠脑内的Aβ斑块[27]。上述研究不仅丰富了对Aβ在细胞内外和BBB两侧转运的认识，也为未来对AD的干预提供了潜在的靶点。

综上所述，BBB在AD发病机制中起着举足轻重的作用，但由于缺乏较为直观的观察手段且干扰因素较多，目前对于BBB方面的研究仍存在较多争议。目前达成共识的观点是：Aβ通过BBB在脑-外周血之间、细胞内-细胞外之间的转运扮演着重要的角色。根据现有研究发现，以下相关靶点有望成为未来AD防治的手段：一是通过P-gp阻断剂，减少神经细胞内Aβ泵出到细胞外，从而在Aβ瀑布机制中的上游阻断疾病进程；二是通过LRP-1受体激动剂，或者抑制RAGE受体活性，促进Aβ经由BBB从脑内侧向脑外的转运，减轻脑内Aβ负荷，阻止Aβ沉积所致的一系列病理发生。这些潜在靶点的核心机制还是围绕着Aβ瀑布学说，在当前Aβ疫苗研究相继宣告失败的背景下，其可行性和安全性尚难以预测，但因规避了Aβ免疫治疗难以逾越的短效性和T-淋巴细胞诱导的自身免疫攻击，因此仍值得期待[28-29]。

【点睛】AD患者BBB异常机制及候选生物学标志物近年来渐受重视，在汇总相关研究进展基础上，该综述提出与BBB相关的未来防治AD的潜在干预靶点。