第四章　神经系统的屏障结构

第一节　血-脑屏障

一、血-脑屏障的发现

血-脑屏障（blood-brain barrier，BBB）是血液与脑组织间的一种特殊屏障。 由脑部的微血管内皮细胞、管周细胞、基膜、星形胶质细胞和部分神经元构成。 早在19 世纪80 年代，德国科学家Ehrlich 就发现注入血管的一些染料不能被脑和脊髓所摄取，随后Goldmann 发现类似染料注射入脑脊液后不能向脑组织扩散。 1900 年，Lewandowsky 认为有一种膜分隔血液和脑组织，首次提出了血-脑屏障的概念。 此后直到1967 年，美国科学家Reese 和Karnovsky 通过电子显微镜观察到血-脑屏障结构，发现了血管内皮细胞之间存在紧密连接（tight junctions，TJS）。 1979 年，Bradbury 出版了《The concept of a blood-brain barrier》一书，明确了血-脑屏障的概念及相关物质基础。 人们开始认识到血-脑屏障的重要性并开展了深入的研究。

血-脑屏障作为脑组织和血液之间的屏障，具有选择通透性。 在生理条件下相关营养物质，包括氧气、葡萄糖等能够通过。 同时血脑屏障又阻止了有害物质通过，保护脑组织不受血液中有毒物质的侵害，并将脑组织中的有害成分过滤到血液中，维持了中枢神经系统（central nervous system，CNS）内环境的稳定，确保了中枢神经系统功能的正常执行。

二、血-脑屏障的结构

目前认为血-脑屏障的结构是由基膜和基质、部分神经元、血管周围小胶质细胞和基底膜、周细胞、星形胶质细胞足突、无窗孔的毛细血管内皮细胞、内皮细胞间紧密连接、外膜细胞等构成的神经血管功能单位（functional neurovascular unit）。 神经血管功能单位的组成成分彼此相互作用，具有选择性滤过功能，在维持正常的中枢神经系统功能以及在脑相关疾病的发生、发展过程中起着重要的作用。

（一）基膜和基质（basement membrane and matrix）

基膜把内皮细胞和与它相邻的细胞（管周细胞和星形胶质细胞）分隔开来。 内皮细胞、管周细胞和星形胶质细胞一起形成和保持基膜结构及BBB 的特性。 基膜由不同的细胞外基质结构蛋白组成（比如胶原蛋白和层粘连蛋白）。 基质黏附受体在血管细胞、神经元和它们的支持细胞（如小胶质细胞、寡突胶质细胞和星形胶质细胞的终足）都有表达。 脑内微血管细胞表达整合素和基质黏附受体蛋白。 整合素在介导内皮细胞信号传递、细胞迁移和脑血管形成中发挥重要作用。 基质黏附受体为维持BBB 结构所必需。 在病理条件下，调控这些受体成为改变BBB 状态的机制之一。生长因子，如血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF），结合在细胞外基质蛋白上而被激活。 细胞的黏附受体和基质配体在脑缺血、多发性硬化以及中枢神经系统肿瘤中发生显著改变，提示基质和基膜在维持正常生理状态中具有显著作用。

（二）神经元

长期以来，神经元发育的角色以及神经元作用于血-脑屏障的表型不被重视。 然而一些研究表明，神经元能够通过诱导BMVEC 特异性酶来调节血管在对抗代谢需求方面的功能。同时，BMVEC 和星形胶质细胞的功能又受到去肾上腺素能、血清素能、胆碱能、γ-氨基丁酸能等神经的支配。 此外，在稳定的脑微循环状态下，成熟的脑毛细血管内皮细胞对神经元的功能也有双向调节作用。

（三）小胶质细胞

小神经胶质细胞在中枢神经系统的免疫应答中起着重要作用，其可反映中枢微环境，并可对后者的异常状态进行调节。 一般来说，小胶质细胞以两种形式出现：静态和动态。 当小胶质细胞处于静态时，是一种长而细的形态；当它处于活化状态时则转变为短而粗的形态。依照巨噬细胞在其他器官里的数量，这些细胞有不同的效应。 小胶质细胞在血管周间隙，其与BMVEC 之间的相互作用对BBB 的屏障作用具有积极意义。 现今，具体的作用机制仍未清楚。

（四）周细胞

周细胞（也称为血管平滑肌细胞、腔壁细胞、肌成纤维细胞）是微血管和毛细血管后微静脉重要的组成细胞，和内皮细胞有紧密的连接，同时和内皮细胞共有相同的基膜，周细胞周围覆盖22%～32%的微血管。 在不同类型的微血管中，周细胞在微血管中的位置和覆盖度有很大差异。 有报道说，这种差别还与内皮细胞间紧密连接的程度有关。 血管周细胞综合了基膜的许多组成部分，其中包括很多的蛋白聚糖类。 此外，周细胞合成和释放薄蛋白早就被认为是BBB 分化的重要步骤。 周细胞和微血管内皮细胞之间适当的联系对于维持BBB 结构和连接的完整性是必需的。 周细胞和内皮细胞之间通过一些装置进行交流，如缝隙结合部，紧密连接黏合斑和一些可溶因子。

（五）星形胶质细胞

星形胶质细胞的突起末端形成终足或脚板，紧密的靠近BBB 外表面的内皮细胞和各自的基膜。 它们在促进蛋白聚糖合成和诱导血-脑屏障功能方面起着重要作用。 星形细胞同时对于维持神经元的一些功能起着重要作用。 神经元的细胞体与脑血管紧密靠近也表明这些基本元素之间的相互作用对于神经血管单元（neurovascular unit，NVU）的功能是必不可少的。 中枢神经系统微血管的某些领域缺乏星形细胞内皮基膜，但仍然显示一些BBB 的特性，这可能是由于可溶因子作用于胶质界膜或者蛛网膜下腔静脉的脑脊液引起的。 因此，在没有直接涉及BBB 物理特性的情况下，星形胶质细胞可能调整BBB 的功能。 尝试恢复BBB在BMVEC 培养方面的研究已经涉及到星形胶质细胞的联合培养或星形胶质细胞的条件培养。 脑血管超微结构的研究表明，星形胶质细胞环脑血管现象是脑血管一个独有的特点，在BBB 发育的同时就已经出现。 Svendaard 等的实验证实，将非神经组织的血管移植于脑组织中生长，可以获得脑血管内皮细胞的某些特性。 然而，脑血管移植于中胚层中，却逐渐失去了脑血管EC 的特性。 大量事实表明，星形胶质细胞对血管内皮细胞有极大的影响，对BBB的维持有着重要作用。

（六）内皮细胞

脑毛细血管内皮细胞（brain microvascular endothelial cells），脑部的毛细血管内皮细胞是血-脑屏障的主要组成成分，位于脑组织和血液之间，内皮细胞间的顶端形成紧密连接，使内皮层形成非常完整的屏障层面，微量营养元素和必需的营养物质可以顺利运输，紧密连接是血-脑屏障的选择渗透性最主要的结构。 脑毛细血管与普通毛细血管相比有其不同点：细胞间排列紧密，没有胞浆，基膜完整，吞饮作用微弱。 所有非特异交换通道几乎都闭塞，分子交换只能通过细胞膜来完成。 活体观察及组织切片都显示脑毛细血管的基本结构特点是：构形不规则、三维吻合网不对称、多数毛细血管平稳弯曲、散有短而直的血管段、有些宽大的弯曲偶尔形成一个或几个环，呈螺旋状。 与其他器官的内皮细胞相比，脑部的微血管内皮细胞含有丰富的线粒体。 增加的线粒体被认为是向脑内运输营养物质的主动载体，是能量潜在的来源。 此外，大脑皮质的血管内皮细胞存在一种酶的屏障，可以代谢药物和营养物质。 这些酶包括γ-谷氨酰转肽酶、碱性磷酸酶（AP）、芳香酸脱羧酶、转铁蛋白受体等。 和非神经组织的毛细血管相比，脑部微血管内这些酶的浓度明显增高。

研究表明，EC 在BBB 的特性方面起着重要的作用，观察到辣根过氧化物酶从任何方向都不能经过内皮层，尽管周围的星形细胞不在，两栖动物的脑血管中有高电阻抗，表明其对离子转运的限制。 BMVEC 与NVU 中其他脑细胞有着紧密的联系，因此在血液与脑脊液中起着重要的媒介作用。 它们调节着选择转运包括物质从脑到血的代谢，也包括相反方向从脑到体循环的代谢。 对于阻止毒性物质进入脑，BMVEC 屏障线起着最重要的作用。 EC 和周围细胞之间的交流，维护和确立适当的脑动态平衡，同时增强了屏障功能。 从根本上，BMVEC 内层大脑的微血管不同于其他血管内皮细胞，可在一定的范围内调节分子通道。 大脑内的毛细血管内皮比周围的微血管紧密50～100 倍，这种特点导致对亲水性溶质的旁细胞途径严格的限制。 EC 细胞质有均匀的厚度，无窗，胞饮作用微弱，脑血管EC 与其他组织EC的主要区别在于前者具有复杂的TJ 和丰富的线粒体，但缺少跨膜转运的质膜小泡（plasma vesicle）以及缺乏细胞孔。 另外，脑血管内皮细胞的胞膜上含有一些特殊蛋白，如碱性磷酸酶、γ-谷氨酸转肽酶、糖转蛋白、转铁蛋白受体等。 以上结构是脑血管内皮细胞特有的，它们对维持脑血管内皮TJ 功能具有重要作用。 大分子物质转运研究证实，BBB 以外的血管内皮细胞含有大量的小凹陷和小泡，这对细胞的内吞起重要作用，但BBB 的血管内皮细胞缺乏这种结构，这说明脑血管内皮细胞具有特殊的吞饮机制。 一般认为其内吞机制分三大类：第一类，受体介导的内吞，是细胞在网格蛋白参与下，内吞结合在质膜受体上的大分子物质，第二类，吸附内吞，是细胞内吞在质膜上的物质分子的过程，第三类，液相内吞，是一些与质膜没有亲和力的分子溶于细胞间质而被包裹“饮”入的过程。 BBB 就像一道不通透的墙，其内皮细胞有特定的受体模式和运输系统，它可以促进重要营养素和激素的摄取，另外通过活化泵帮助调节脑内的离子浓度、代谢产物和外源物质。 BMVEC 能够有效地提供大脑代谢需求，同时维持脑内离子的动态平衡。 阻止大量潜在的疏水性化合物进入CNS。 BMVEC 在某些脑区，如脑室下区（带），缺乏星形胶质细胞的终足和周细胞覆盖，使它们直接接触血管并感受血液成分的变化。

（七）分子结构

通过测量细胞间的渗透性和电阻，发现这些紧密连接的结构具有多样性，冷冻蚀刻超微结构显示，在内皮细胞质膜的外表面形成吻合层。 构成微血管内皮细胞的结构包括以下几种成分：①由紧密连接蛋白组成的紧密连接（tight junctions，TJ）：主要由跨膜蛋白[包括occludin、claudin、连接黏附分子（junction adherension molecule，JAM）等]、胞质附着蛋白（包括ZO-1、ZO-2、ZO-3、扣带蛋白、AF6、7H6 等）和细胞骨架蛋白（主要是微丝）组成。 ②黏附连接（adherent junctions，AJ）：包括cadherins、catenins、vinculin 和actinin。 ③相连的黏附分子。

紧密连接主要由膜蛋白occludin 和claudins 组成，它们及相应的胞浆蛋白（如ZO-1、ZO-2、ZO-3 和cingulin）位于内皮细胞的顶端。 黏附连接位于内皮细胞的基底面，由膜结合的cadherins 和胞浆蛋白组成（如α-catenin 和β-catenin）。 其中一些紧密连接蛋白直接与细胞骨架蛋白相连，如胞浆蛋白（ZO-1）、连接膜蛋白（occludin）和细胞骨架蛋白（actin），以维持内皮细胞的结构和完整性。 近来的研究表明，紧密连接和actin 骨架蛋白的相互作用对血-脑屏障的通透性起着重要的调节作用。 这些紧密连接蛋白的表达和亚细胞的定位受信号通路调节，包括钙离子、磷酸化和G 蛋白等的调节。

三、血-脑屏障的功能

脑血管障壁几乎阻止所有的物质通过，除了氧气、二氧化碳和血糖，大部分的药物和蛋白质由于分子结构过大，一般无法通过。

与其他组织，譬如肌肉组织的毛细血管内皮细胞相比较，脑毛细血管内皮细胞的胞饮作用很微弱。 因此，对脑毛细血管内皮细胞来说，借胞饮作用转运物质（大分子和电解质）的能力是很有限的，这就更加强了脑毛细血管壁的屏障功能。

脑血管屏障的功能是避免脑受到化学传导物质的影响。 由于身体很多功能都通过脑细胞分泌的激素来控制，如果让化学传导物质在脑里自由流动，可能会造成反馈现象。 因此，机体想要完成一个正常的操作，脑血管障壁的存在是必要的。 另一方面，脑血管障壁的存在也使脑不受到病菌的感染。

四、血-脑屏障与疾病关系

（一）缺血性脑血管病与血-脑屏障

脑卒中是目前导致人类死亡和残疾的最常见的原因之一。最近的研究显示，在中国大城市脑血管病是第三位死亡原因，而在农村女性中为首位死亡原因，在男性中则为第二位。脑缺血时，BBB 受损，血管通透性明显增加，毛细血管内的水分与血浆蛋白外渗，致细胞间隙内水分增多而形成血管源性脑水肿，从而加重脑损伤。 近年来，研究发现有诸多因子参与了脑缺血后BBB 破坏，如MMP、TJ、aquaporin、细胞因子、ICAM、VEGF、tPA 等，缺血性脑血管病引起的血-脑屏障破坏等。

1.基质金属蛋白酶

脑毛细血管基膜是维持BBB 完整性的重要结构，主要包括纤维连接蛋白、层粘连蛋白、Ⅳ型胶原蛋白等。 大量研究表明，基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinases，MMP）几乎可降解所有的细胞外基质，其中与缺血-再灌注损伤后BBB 破坏关系最密切的是MMP-2（明胶酶A）及MMP-9（明胶酶B）。 MMP 是一组Zn2+依赖的金属蛋白内切酶家族，在Ca2+存在的条件下作用更强。 正常情况下，MMP-2 及MMP-9 以无活性的前体形式存在。 在中枢神经系统内，血管内皮细胞、小胶质细胞、星形胶质细胞和神经元可以产生无活性的MMP-2 和MMP-9。重组组织型纤溶酶原激活物（recombinant tissue plasminogen activator，rt-PA）溶栓治疗也被证明能促进MMP-2 和MMP-9 从人中性粒细胞中释放出来。 在动物脑缺血模型，MMP-9 表达量显著增加，加强了脑毛细血管基膜降解，导致BBB 受损，脑水肿形成并可能向出血转化。 实验显示，MMP 抑制剂可以通过抑制MMP-2 和MMP-9 蛋白表达及其活性上调，减轻脑水肿和缩小脑梗死面积，发挥对脑缺血-再灌注损伤的保护作用。此外，在MMP-9 基因剔除小鼠的永久性局部脑缺血模型中，脑梗死范围也较野生型小鼠脑缺血梗死范围显著减小。 在脑缺血早期阶段（数小时至数天），MMP 通过降解基膜蛋白（纤维连接蛋白、层粘连蛋白、胶原蛋白、蛋白多糖等）破坏BBB，导致BBB 渗漏、白细胞浸润、脑水肿和出血。 但最近的研究表明，MMP 可能在缺血性脑卒中后期对神经血管的损伤有修复作用，因为MMP 在梗死周围皮质可能介导神经血管重构。 而使用MMP 抑制剂反而减少微血管重构。 此前，一般认为血管内栓子的清除只由血流动力的冲刷和血液纤溶系统激活两种方式来完成。 然而，最近有研究发现，在脑卒中后2 ～7 天内，栓子转移至血管腔外面，使原来堵塞的微血管得以再通，而MMP-2、MMP-9 在该过程中便起了重要的作用，使用MMP-2、MMP-9 抑制剂不但减少了栓子外渗，还影响了微血管再塑。 由此可见，MMP 在缺血性脑卒中后期神经血管重构及神经功能恢复中可能起到了重要作用。

2.紧密连接

紧密连接（tight junction，TJ）存在于相邻血管内皮细胞之间，主要由claudin、occludin、膜相关蛋白（zona occludens，ZO）和连接黏附分子等共同组成。 claudin 与occludin 以二聚体形式存在，与相邻细胞的同型蛋白结合形成“绑鞋带”样结构，组成对合的封闭链，封闭细胞间隙。 内皮细胞间的TJ 限制了血液中的大分子物质进入脑组织。 在脑缺血-再灌注120 小时内，与假手术组相比，脑缺血组claudin-5、occludin、ZO-1 的mRNA 和蛋白表达水平均显著下降，与BBB 渗漏相对应，而蛋白激酶C 的表达水平显著增加，提示在再灌注损伤时，蛋白激酶C 途径可能参与TJ 开放和BBB 渗漏，并且呈时间依赖性。

3.水通道蛋白

水通道蛋白（aquaporin，AQP）是一组具有高选择性的水孔道特异蛋白家族，它们广泛存在于哺乳动物和植物细胞膜上，其中分布于脑部的主要为AQP-4，在星形胶质细胞和室管膜细胞中表达最为丰富。 AQP-4 是胶质细胞与细胞间液、脑脊液以及血管之间水调节和运输的重要结构基础，参与了缺血性脑血管病所致血管源性脑水肿的形成。当脑缺血-再灌注时，AQP-4 表达水平逐渐升高，且其表达水平的高低与BBB 完整性密切相关。 适量的AQP-4 起脑保护作用，过多则加重细胞毒性脑水肿，增加颅内压，甚至出现脑疝。 亚低温可能通过抑制AQP-4 表达而减轻脑缺血后脑水肿。

4.细胞因子和黏附分子

脑缺血-再灌注后胶质细胞和血管内皮细胞分泌肿瘤坏死因子α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）、白细胞介素（interleukin，IL）等细胞因子，而这些因子与BBB 损伤密切相关。 TNF-α 导致BBB 损伤的机制有：①早期主要通过对毛细血管的直接毒性作用，使毛细血管通透性增加，开放BBB。 ②TNF-α 损伤内皮细胞，上调MMP 的表达，并且可以与IL-1β 协同作用加剧BBB 的破坏。 ③TNF-α 还可以诱导黏附分子或其他炎性介质表达，增加BBB 的通透性，加重缺血性损伤。 IL-1β 是促发炎症和免疫反应的重要介质，主要通过促进白细胞与内皮细胞黏附而激发炎性反应，造成BBB 的破坏。 血小板活化因子可激活中性粒细胞并使其聚集，释放氧自由基，促使TNF-α 的产生，调节IL 的分泌等，从而加重BBB 损伤。 细胞间黏附分子（intercellular adhesion molecule，ICAM）是细胞膜表面的糖蛋白，主要位于脑血管内皮细胞和各种白细胞表面。 在缺血性脑卒中的数小时内，因细胞因子和趋化因子水平的增加，促使黏附分子（如ICAM-1）的表达，促进了循环中中性粒细胞和单核细胞的黏附和跨内皮迁移。 这些细胞可积聚在毛细血管，或进入脑实质释放致炎因子和氧/氮自由基等神经毒性物质。 研究显示，ICAM-1 241RR 基因型与增加缺血性脑卒中发生有关，并发现该基因型可能导致ICAM-1 与巨噬细胞抗原1 和白细胞功能相关抗原1 的结合力增强，从而影响循环中白细胞与血管壁的黏附以及两者间的相互作用。

5.血管内皮生长因子

血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）又称血管通透性因子，是一种分泌性促细胞分裂因子，也是一种强有力的血管通透因子。 它既可特异性促进血管内皮生长，又能增加BBB 通透性，在BBB 的损伤和血管再生方面起着重要作用。 正常情况下，脑内仅有少量的VEGF 表达。 有研究发现，大鼠脑缺血2 小时再灌注4 小时后，VEGF 的表达即开始增加，24 小时至3 天变化最明显，与血管源性脑水肿的发生时间相一致。 VEGF 引起BBB 通透性增高的机制主要与VEGF 使BBB 内皮细胞间紧密连接蛋白磷酸化表达降低、排列紊乱有关。 其次，VEGF 释放增加还可诱导MMP-9 相关的脑血管生成，导致过度的血管重构和出血。

6.纤溶酶原激活物

纤溶酶原激活物（tissue-type plasminogen activator，t-PA）是一种高度专一性的丝氨酸蛋白酶，作为一种链激酶（溶栓酶），其主要底物是纤溶酶原。 新近研究表明，急性缺血性脑卒中时t-PA 对BBB 起到非常重要的破坏作用。 虽然t-PA 在脑缺血后血管内的溶栓作用是有益的，但其在血管外对神经元的影响被认为是有害的。 t-PA 是唯一通过美国食品药品管理局批准的溶栓药物，但是由于狭窄的治疗时间窗（脑卒中症状开始3 小时内）和诱发脑水肿、出血等并发症，使其应用的疗效和安全性受到限制。 实验数据显示，t-PA 在脑组织中有多项作用，超出了其良好的溶栓作用，其中包括MMP 和其他分子的活化，这些作用可能会增加t-PA 的神经毒性，进一步损害BBB，恶化脑水肿和出血转化。 在脑缺血情况下，t-PA 通过促进MMP 的激活及表达水平的提高，使细胞外基质降解以及BBB 通透性增高，加重血管源性水肿和增大梗死范围，并导致出血转化。 t-PA 在体内可以激活纤溶酶原，使之转变为纤溶酶，而纤溶酶可以激活MMP-2 及MMP-9，后两者可以破坏血管引起出血。 t-PA 是低密度脂蛋白受体相关蛋白的配体，两者结合后使MMP-9 表达量上调，从而对局部脑组织造成损伤。

7.体温升高对脑缺血-再灌注损伤BBB 的影响

在日常临床实践中，脑缺血患者常伴有发热。 其原因主要有以下两方面：①急性缺血性脑血管病由于坏死组织的吸收、炎性因子的释放而引起发热。 若缺血累及下丘脑，还可以导致体温调定点上移而引起发热；②脑梗死后，由于常伴有上呼吸道、肺部及泌尿系统等部位由细菌、病毒等导致的感染，从而导致发热。 多项临床研究发现，脑梗死急性期患者发热与预后不良有关。 Saini 等还发现，发热与脑缺血后神经功能缺损评分的严重程度密切相关，推测发热可增强BBB 的通透性，进而加重缺血性脑血管病的水肿及梗死范围。 然而发热是如何对脑缺血后中枢神经系统BBB 产生影响，从而加重神经损伤的机制还未完全清楚。 近年来有研究表明，发热可使缺血脑组织MMP-2 和MMP-9 的活性提高，从而使层粘连蛋白和胶原蛋白4 的降解显著增加，BBB 通透性显著增加，神经功能损害加重，从而影响脑卒中的预后。

8.其他

氧自由基、一氧化氮和花生四烯酸代谢产物作用于脑微血管内皮细胞，使BBB 通透性增高，造成血管源性脑水肿。 脑缺血-再灌注过程中产生大量自由基，如O2-、NO2-、H2O2、H-等，过量的活性自由基能氧化细胞膜和基膜上的不饱和脂肪酸，引起血管内皮细胞和基膜损伤，从而破坏BBB 的完整性。 一氧化氮的作用与自由基密切相关，并可互相转化。 脑缺血时，多形核白细胞在多种炎性介质作用下可激活磷酸酯酶A2，氧化分解细胞膜上的花生四烯酸，形成大量的代谢产物，如前列腺素、白细胞三烯及脂过氧化物等，介导血管收缩和炎性反应，从而引起血管通透性改变、BBB 功能障碍、脑水肿和神经元损害。

（二）感染性脑损伤与血-脑屏障

尽管高效抗生素不断出现及现代医疗技术日新月异，细菌性脑膜炎仍被认为是一种严重的致残、致死因素。 急性BBB 的破坏、内源性细胞因子的释放、血管源性白细胞在脑脊液中的堆积是导致脑水肿、脑血管炎症和脑损伤的关键。 细菌性脑膜炎中，调控白细胞穿过BBB 的机制目前仍不清楚。 大部分学者认为，白细胞主要是经细胞间途径通过内皮细胞。也有人认为，白细胞可能是通过细胞内途径穿过BBB。 体外研究显示，在中枢感染性疾病中，LPS 引起TJ 开放，促使白细胞、蛋白质和炎性因子渗入，同时细胞因子、氧自由基、血管内皮细胞生长因子、缓激肽等均可影响TJ 的功能和结构，尤其通过影响ZO-1 与actin 的连接和分布，进而增加BBB 的通透性。

炎症介质对BBB 连接复合体的影响如下：

1.细胞因子

大量文献报道，在缺血或感染性脑损伤时，循环血液或者脑脊液中的细胞因子分泌增加，如肿瘤坏死因子（TNF-α）、白细胞介素（IL-1α）、巨噬细胞炎性蛋白（MIP-1α）、巨噬细胞趋化蛋白（MCP-1，MCP-2，MCP-3）等。 TNF-α 是研究得最多的前炎症因子，体外实验报道，TNF-γ 通过下调ZO-1 的表达、引起ZO-2 和occudin 的重排，从而增加脑毛细血管内皮细胞的通透性。 还有文献报道，TNF 通过小GTPase 家族Rho 影响JAM 的分布，降低局部钙黏蛋白-5、VE-钙黏蛋白的表达。 大鼠纹状体注射IL-1β，导致局部内皮细胞酪氨酸磷酸化增加，TJ 蛋白消失，BBB 通透性增加。 β-TGF 通过增加MMP-9 的表达增加BBB 通透性。

2.组胺和缓激肽

低浓度的组胺通过作用于H2 受体以及提高Ca2+浓度，增加BBB 的通透性。 相反的，高浓度的组胺通过作用于腔外H1 受体以及提高cAMP 浓度，降低BBB 通透性。 研究发现，组胺导致actin 肌动蛋白重排，最终导致内皮细胞间隙增宽达到100～400nm。

（三）颅内原发肿瘤或转移瘤与血-脑屏障

颅脑是恶性肿瘤远处转移的常见部位，恶性肿瘤患者颅内转移的概率可达25%以上，且预后极差，严重影响恶性肿瘤患者的生活质量及治疗预后，多形性神经胶质细胞瘤的周围和脑转移瘤的血-脑屏障比星形细胞瘤和正常脑更易受损，渗透性开放血-脑屏障可以促进药物进入肿瘤及其周围组织，增加其治疗的有效性。 同时增加脑损伤发生，外周肿瘤发生后，一旦血-脑屏障在某些因素影响下遭到破坏，发生脑转移的几率会大大增加。 肿瘤进展和浸润以及长期大剂量的化疗药物不良反应均可使血-脑屏障受到一定的破坏，增加脑肿瘤转移。

（四）电离辐射损伤与血-脑屏障

在放射性脑损伤发生与发展机制的研究中，循环系统的变化一般早于神经系统的损伤。病理研究发现，放疗后早期（1 个月以内）的改变主要是脑组织内的血管内皮细胞受损，血管内皮细胞损伤是急性放射性脑损伤发生的基础。 这是因为血管内皮细胞是脑组织中增殖和更新最快的细胞之一，对射线比较敏感、最易被损伤。 放射性脑损伤后BBB 通透性早期增加，产生血管周围水肿和血管萎缩，微循环障碍影响血流和能量供应，从而导致缺血或代谢障碍区域内结构破坏。

（五）缺氧

研究证实，缺氧使小鼠脑VEGF mRNA 水平明显增加，并与缺氧的严重性相关。 抑制VEGF 活性可完全阻止这种增加。 共同培养模型研究也证实，缺氧需较长时间（48 小时）才能造成内皮细胞单层对[3H]-菊粉通透性的增加，而有神经胶质细胞同时存在时，9 小时缺氧即可造成通透性大幅度增加；若同时存在氧葡萄糖（OGD）缺乏，则此时间更短。 缺氧和VEGF 引起的通透性变化取决于磷脂酶C-γ（PLC-γ）、磷脂酰肌醇-3 激酶/（PI3-k/Akt）及蛋白激酶G（PKG）的激活，但信号通路的相关调控还不太清楚。

（六）糖尿病

一些研究认为，糖尿病患者的BBB 可维持良好，也有研究认为糖尿病时有脑血管反应性变化，从而与糖尿病患者发生脑卒中有关。

（七）肝衰竭

严重肝衰竭患者常见脑水肿并有颅内高压和脑损伤等严重并发症。 限制脑血流，如过度换气、低温、吲哚美辛可以预防并发症，这可能是通过降低毛细血管流体静压梯度之故。

（八）多发性硬化

多发性硬化症（multiple sclerosis，MS）是一种慢性、炎症性、脱髓鞘的中枢神经系统疾病。 可引起各种症状，包括感觉改变、视觉障碍、肌肉无力、忧郁、协调与讲话困难、严重的疲劳、认知障碍、平衡障碍、体热和疼痛等，严重的可以导致活动性障碍和残疾。 多发性硬化症逐渐造成大脑和脊髓的斑块性神经髓鞘破坏（脱髓鞘），髓鞘的瘢痕形成影响神经轴突的信号传递，以失去大脑和脊髓对外周的控制，以至多部位的僵硬或丧失功能。 BBB 的破坏及炎性细胞透内皮细胞移行是MS 脱髓鞘损伤发生的重要一步。

（九）急性铅性脑病

无机铅引起的脑损伤是世界上因环境污染对儿童健康造成的严重威胁。 发育中的脑的微循环对高铅毒性（铅性脑病）非常敏感，其发病特点是脑出血，BBB 通透增加，血管源性水肿。 实验证明，新生大鼠接触4%碳酸铅能发生见于儿童的铅性脑病的组织病理学变化。 此时小脑VEGF 表达增加大约2 倍，有脑微血管出血，对血清蛋白通透性增加，发生血管源性水肿。

五、血-脑屏障研究方法

（一）外源性示踪剂法

包括伊文思蓝、异硫氰酸荧光素标记的右旋糖酐或白蛋白、辣根过氧化物酶、125I-白蛋白或14C-右旋糖酐等示踪方法。 内源性蛋白血管外渗研究可用免疫组化法测定血浆蛋白，包括免疫过氧化物酶、免疫荧光素、免疫金技术。

（二）BBB 研究的新技术

1.γ 照相机

可观测大鼠脑内99Tc-葡庚糖酸盐血管外渗，能无创地、可重复地观察BBB。 还可用来测定BBB 通透性的抑制因子。

2.活体显微镜及闭合脑窗

闭合脑窗可长时间在同一血管直接观察脑微循环，可同时观察通透性及伴随的白细胞-内皮细胞相互反应。 应用动力性背景消减法，可消除邻近血管的影响。

3.体外细胞培养

该方法相对简单、实用、可重复性强。 但此法也有其局限性，如缺乏机体整体的神经-体液调节和各器官系统的相互制约机制。 同时应注意加入到培养基中的血清对培养的脑毛细血管内皮细胞（PBCEC）的影响，因为血清可阻止融合的PBCEC 单层紧密联合的形成，可开放已形成的紧密联合[透内皮电阻（TER）降低]，还使细胞边缘衬附的紧密联合蛋白ZO-1、闭合素和claudin-5 脱位。

4.原位脑灌注技术

向大鼠颈动脉内灌注高张甘露醇可造成渗透压性BBB 破坏，该方法可用来研究药物向脑的通透性。

5.脑药靶技术

脑药靶技术是应用基因技术使得药物或基因能通过BBB。 脑药靶技术（如化学性的、生物性的、感染病学性的技术）已涉及CNS 感染治疗新药的开发，并提供预防和治疗CNS 感染的重要靶位。

（张文斌）