本文来源于 “复旦大学脑科学转化研究院 ”已授权转载

# 脑海Yeah 第47期 #

孙丽

在人类漫长的进化**中，许多我们赖以生存的重要器官或结构被提供了渐渐完善而周全的保护——心脏外有肋骨环绕，大动脉血管被埋藏于**深处，大脑当然也不例外。与心脏类似，为了最大程度地缓冲和减轻物理损害，脑组织外有着7mm厚的颅骨、层层包裹的脑膜与循环往复于脑室腔的脑脊液，然而，与体内其他器官不同的是，大脑有着独一无二的另一种结构，它能够在一定程度上保护脑组织免于血液内病原体及某些毒素分子的侵害，而这种对于非外力损害的防御在很多时候可能比颅骨等结构更为重要，它便是血脑屏障。

血脑屏障

(Blood - Brain Barrier, BBB)，是血液与脑组织间的一种特殊屏障，由毛细血管的单层内皮以及内皮间的紧密连接 (tight junction)、基膜 (basement membrane)、周细胞 (pericyte) 和星形胶质细胞的足突 (astrocyte endfoot) 等构成，具有半透性和高度选择性——它允许气体、亲脂性分子和营养物质从血液**中枢神经系统(Central Nervous System, CNS)

同时

限制病原体、亲水性大分子等物质的通行，因此，血脑屏障在维持脑组织内微**的稳态中发挥了重要作用。

然而

自1900年Max Lewandowsky提出“血脑屏障”一词至今，尽管生命科学研究技术不断革新和飞跃，科学家们关于它的疑问仍未能完全**解答——血脑屏障通过何种机制调控其选择性并维持其完整性？药物如何高效率地通过血脑屏障？免疫系统如何与血脑屏障协同合作？此类诸多问题，不一而足。

2022年3月15日

哈佛医学院教授、霍华德休斯医学研究所研究员 Chenghua Gu 研究团队在《Neuron》**在线发表了标题为“Pericyte-to-endothelial cell signaling via vitronectin-integrin regulates blood-CNS barrier”的研究。文章揭示了调控血脑屏障通透性的新见解。作者研究发现了一种由CNS周细胞**的细胞外基质蛋白-玻连蛋白(vitronectin)，通过与血管内皮细胞中的整合素受体a5 相互作用抑制转胞吞作用 (transcytosis)，从而使屏障的渗透性**，确保屏障外分子不能轻易通过，保护大脑的安全。

如何控制血脑屏障的渗透性是作者团队研究了近十年的问题。早在2014 年，作者团队确定了转胞吞作用，研究指出屏障外分子通过内皮细胞中形成的囊泡穿过 BBB，并确定了一种名为 Mfsd2a 的基因，它可以抑制转胞吞作用。至2017 年，作者团队在先前研究的基础上进一步揭示了转胞吞作用可能是控制血脑屏障通透性的主要机制。此后，作者团队开始探索周细胞如何向内皮细胞发出**进而维持屏障功能的完整性。

研究结果

首先，作者在 RNA 数据库中筛选发现了在视网膜和大脑周细胞中高度表达的基因-玻连蛋白 (Vtn)。为了验证该基因的表达，作者首先检测了玻连蛋白的组织学定位，发现其在近端血管中高度表达（图1A），并且在大脑的毛细血管中也检测到玻连蛋白的表达（图 1B）。由于玻连蛋白是一种**蛋白，为了确定产生玻连蛋白的细胞，作者通过原位杂交技术检测了大脑中的Vtn mRNA。结果表明，其在与内皮细胞相邻的周细胞中特异性表达（图1C）。但是，在肺等外周组织的周细胞中几乎没有表达（图 1D）。

图 1. 与外周组织的周细胞相比，CNS 周细胞富含玻连蛋白，其表达与功能性屏障形成一致

接下来，为了确定玻连蛋白是否对屏障功能至关重要，作者使用了 Vtn -/-小鼠并进行了血视网膜屏障 (Blood - Retina Barrier, BRB) 和 BBB 示踪剂渗漏试验。结果显示，注射的示踪剂从Vtn -/-小鼠视网膜血管和神经元胞体中泄漏出来（图 2A和2B）。同时作者还观察到小脑 BBB 发生渗漏（图2D 和 2E）。因此，这些结果提示玻连蛋白在血液-CNS 屏障功能中的重要性。

图 2. 血液-CNS 屏障完整性需要周细胞**的玻连蛋白

由于玻连蛋白作为一种细胞外基质蛋白，其在血浆循环中也具有丰富的含量。为了确定在Vtn -/-小鼠中观察到的屏障缺陷是来自于周细胞**的玻连蛋白而不是循环的玻连蛋白，作者特异性地敲除了循环中的玻连蛋白（图 3A、3B），研究结果显示敲除与对照的小鼠中均未检测到屏障渗漏（图 3D-3H）。这表明血浆中循环的玻连蛋白对于屏障功能可能是非必需的，并进一步提示周细胞**的玻连蛋白在血液-CNS屏障功能中存在重要作用。

图 3. 中枢神经系统屏障功能不需要血浆中的玻连蛋白

为了进一步确定在Vtn -/-小鼠中发生屏障渗漏的内皮细胞的亚细胞分布，作者通过静脉内注射辣根过氧化物酶 (HRP) ，在视网膜和小脑中进行电镜**。结果显示，在Vtn -/-和对照小鼠的视网膜和小脑组织中，HRP 停滞在毛细血管内皮细胞之间的紧密连接处（图 4A和 4B），提示在内皮细胞间可能存在功能性的紧密连接。此外，Vtn -/-小鼠的视网膜和小脑内皮细胞均表现出显著**的 HRP 填充囊泡（图 4E-4H），提示存在上调的转胞吞作用。这些结果提示，周细胞**的玻连蛋白通过特异性抑制CNS内皮细胞中的转胞吞作用来调节屏障功能。

图 4. 玻连蛋白通过抑制 CNS 内皮细胞的转胞吞作用来调节血液-CNS 屏障功能

那么周细胞**的玻连蛋白是如何向内皮细胞发送**维护屏障特性呢？作者随后通过在小鼠身上进行的一系列基因实验，确定了玻连蛋白与内皮细胞中整合素受体α5结合形成**通路。这种**通过“告知”BBB中的内皮细胞维持其膜的张力进而抑制转胞吞作用，从而防止形成可转运穿过屏障的囊泡。此外，作者通过基因敲除或突变阻止玻连蛋白与整合素受体结合，导致血液-CNS 屏障功能**（图 5），这些结果进一步突出了配体-受体相互作用在周细胞与内皮细胞**传导中的作用-屏障保护功能。

图 5. 内皮细胞中整合素受体 α5 是血液-CNS屏障功能所必需的

小结

在本篇文章中，作者确定了周细胞通过玻连蛋白与整合素受体相互作用向内皮细胞发出**，以维持屏障较低的转胞吞率，进而维护内皮细胞的独特生物物理特性，从而确保屏障功能的完整性，保护我们的大脑，而这也提示我们，BBB不仅仅是在物理上阻止有害物质**CNS的屏障，相反，它更类似一个自我调节的过滤系统，其渗透性会根据内皮细胞的特性而变化。我们可以通过调控这种分子机制，为CNS药物的递送提供新的治疗机会。

原文引用

Swathi Ayloo, Christopher Gallego Lazo, Shenghuan Sun, Wei Zhang, Bianxiao Cui, Chenghua Gu,Pericyte-to-endothelial cell signaling via vitronectin-integrin regulates blood-CNS barrier, Neuron, 022, SSN 0896-6273.

https://doi.org/10.1016/j.neuron.2022.02.017

END

编辑 | 脑科学转化研究院 宣传组

来源 | 脑科学转化研究院 杨辉课题组