2022年度综述—血脑屏障和脑脊液的研究进展

医贰叁Doc 2023-05-19 发布于湖南

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介绍

与血脑屏障和脑液相关的研究继续蓬勃发展。Fluids and Barriers of the CNS的主编在这里重点介绍了 2022 年发表的一些范围广泛的重要文章，以及一些争议。与往常一样，这样的综述无法涵盖已发表的大量优秀研究。

血脑屏障和神经血管单元的元素

脑内皮细胞和周围的神经血管单元 (NVU) 在保护大脑、形成血脑屏障 (BBB)、维持稳态微环境和促进正常脑功能（例如，神经血管耦合）方面起着至关重要的作用。Ben-Zvi 和 Liebner 最近对 BBB 的发展和维护、NVU 的细胞和非细胞元素在调节屏障中的作用以及与大脑非屏障区域（脑室周围器官）的差异进行了综述 [ 1 ] 。克劳奇等人 [ 2 ] 还描述了人脑中第二个三个月的血管生成和内皮/壁细胞相互作用的过程。应该指出的是，NVU 与系统生物学（例如，脑肠轴和全身免疫系统）相互作用，形成“更广泛”的 NVU [ 3 ]。

对我们对脑血管系统的理解产生重大影响的一项技术是使用单细胞转录组学。这种方法的应用提供了大量关于 NVU 中不同细胞类型和子类型（包括潜在的细胞特异性标记）、动静脉分区的存在以及疾病影响的公开信息。这些数据可用于人类 [ 4 – 6 ] 以及小鼠的先前和新数据（例如 [ 7 ]）。

脑内皮细胞

连接脑内皮细胞的紧密连接 (TJ) 是 BBB 的重要组成部分，由包括 claudin-5 和 occludin 在内的跨膜蛋白和包括 ZO-1 在内的细胞质斑块蛋白组成。桥本等 [ 8 ] 描述了两名患有交替性偏瘫伴小头畸形的患者的 claudin-5 突变，该突变将这种通常形成的 claudin 屏障改变为阴离子选择性通道。格林等人 [ 9 ] 证明了 claudin-5 在癫痫中的重要性。他们报告说，在耐药性癫痫患者中，claudin-5 减少，血脑屏障通透性增强，减少 claudin-5 会加剧小鼠红藻氨酸诱导的癫痫发作，并可诱发自发性癫痫发作、神经炎症和死亡。重要的是，Claudin-5 的调节剂 RepSox 可以预防小鼠癫痫模型的癫痫发作。博耶等人 [ 10 ] 已经确定了 Netrin-1-Unc5B 信号在通过 Wnt/β-catenin 通路调节 claudin-5 中的作用。Unc5B 的内皮特异性缺失降低了 claudin-5 的表达并破坏了 BBB。

有证据表明，β位淀粉样前体蛋白裂解酶 1 (BACE1) 在脑淀粉样血管病和阿尔茨海默病的脑血管损伤中发挥作用。Occludin 作为 BACE1 的新底物被发现并导致脑小血管病的发病机制 ([ 11 ])。托特等人 [ 12 ] 将 sortilin 描述为另一种新型连接调节器。在脑内皮细胞中缺乏这种受体的大鼠表现出与连接蛋白 ZO-1、VE-钙粘蛋白和β-连环蛋白的重新定位相关的渗漏 BBB 。sortilin的缺失减少了 Akt 的磷酸化并增加了 Erk1/2 的磷酸化。

主要促进超家族结构域蛋白 2 (MFSD2A) 在脑内皮中起着重要作用。这种双重功能蛋白可转运溶血磷脂酰胆碱和 omega-3 脂肪酸并调节转胞吞作用。使用冷冻电子显微镜，Martinez-Molledo 等人 [ 13 ] 阐明了 MFSD2A 的结构及其运输功能。该结构信息可能有助于制定用于调节 BBB 通透性的 MFSD2A 抑制剂的策略。

调节脑血流量以满足神经代谢（神经血管耦合）的需求涉及多种机制。此外，如 Harraz 等人所示，管腔剪切应力的变化会改变内皮功能。[ 14 ] 鉴定了内皮细胞中的 Piezo 1 通道，该通道充当机械传感器并使用离体视网膜制剂和分离的内皮细胞调节细胞内 Ca 2+通道。

神经血管单元 (NVU) 的周细胞和星形胶质细胞

周细胞在 NVU 在控制脑内皮功能方面发挥着重要作用。因此，Berthiaume 等人 [ 15 ] 检查了光学消融周细胞对小鼠毛细血管功能的影响，发现毛细血管扩张和毛细血管血流改变，而血管通透性没有中断。然而，观察到相邻周细胞的重塑并导致周细胞覆盖和毛细血管张力恢复，老年小鼠的恢复速度较慢。Ayloo 等人 [ 16 ] 发现周细胞分泌的玻连蛋白通过与内皮整合素 α5 受体相互作用，是 BBB 和血-视网膜屏障功能的重要调节因子。这种相互作用抑制了内皮转胞吞作用。周细胞可以产生保护 BBB 免受缺氧的因子 [ 17 ]。桑乔等人 [ 18 ] 最近提供的证据表明，K _ATP通道是周细胞和脑内皮细胞膜电位的重要调节剂，腺苷通过 A _2A受体激活这些通道，对脑血流调节具有重要意义。

星形胶质细胞是 NVU 和 BBB 功能的另一个主要调节因子。莫拉莱斯等 [ 19 ] 开发了一种新方法，使用内源性基因巨脑性白质脑病伴皮质下囊肿 1 来特异性追踪和消融血管周围星形胶质细胞，以驱动与突变的雌激素配体结合域融合的 Cre 表达。他们发现血管周围星形胶质细胞的丢失导致内皮连接蛋白的异常定位和小胶质细胞增生。这种方法应该是研究血管周围星形胶质细胞作用的有用工具。米尔斯等人 [ 20 ] 已经使用星形胶质细胞的双光子化学消融术，发现相邻的星形胶质细胞将它们的过程扩展到覆盖裸露区域，但这会随着年龄的增长而减少。Yshii 等人 [ 21 ] 已经使用病毒基因传递系统（腺相关病毒，AAV）来增强反应性星形胶质细胞中白细胞介素 2 的产生，从而调节大脑驻留的 T _reg细胞。这种方法对小鼠中风、创伤性脑损伤和多发性硬化症模型具有保护作用。重要的是，它不会影响外周免疫系统。

水通道蛋白 4 (AQP4) 是一种水通道，在星形胶质细胞足底高度表达，形成大阵列（正交颗粒阵列）。朱等 [ 22 ] 研究了 AQP4 (AQP4-A25Q) 突变形式对小鼠的影响。他们发现它在不影响整体 mRNA 和蛋白质水平的情况下大大减少了阵列的数量。重要的是，他们发现该突变体减少了脑水肿、星形胶质细胞足底肿胀和神经缺陷，并提高了中风后的存活率。这强调了这些物理阵列的功能重要性。Salman 等人回顾了关于 AQP4 亚细胞定位在健康和疾病脑水稳态中重要性的证据。[ 23 ]。他们提出，靶向 AQP4 定位可能是开发 AQP4 抑制剂的替代策略。关于 AQP4 重要性的证据也来自 Mader 等人。[ 24 ] 谁发现在子宫内接触母体抗 AQP4 抗体会影响雄性小鼠的大脑和血管发育以及 BBB 渗漏。

星形胶质细胞和脑内皮细胞表达对细胞：细胞通讯很重要的连接蛋白。德博克等人 [ 25 ] 表明连接蛋白 43 在两种细胞类型中在脂多糖 (LPS) 给药后 BBB 破坏中的重要性。金等人 [ 26 ] 已经检查了炎症介质诱导反应性星形胶质细胞表型然后诱导 BBB 破坏的途径。肿瘤坏死因子-α 通过 STAT3 和 SERPINA3 上调（编码 alpha 1-抗胰凝乳蛋白酶）诱导反应性表型。载脂蛋白 E (ApoE) 在大脑中由星形胶质细胞和小胶质细胞以及肝脏全身产生。在人类中，ApoE4 等位基因与阿尔茨海默病和血脑屏障渗漏的风险增加有关。杰克逊等人 [ 27 ] 发现表达人类APOE4 的小鼠有渗漏的 BBB，包括受损的 TJ 和减少的星形胶质细胞末端足部覆盖。去除星形胶质细胞产生的 ApoE4 会减少该表型，表明该细胞类型的重要作用。巴里萨诺等人 [ 28 ] 已经使用多组学方法检查将人类 APOE4 敲入小鼠的影响，特别关注大脑内皮功能障碍和周细胞损伤。虽然 APOE4 在大脑中含量丰富，但它也存在于外周。刘等人 [ 29 ] 发现外周 APOE4 对小鼠的脑血管系统和认知有不利影响。这表明靶向外周 APOE4 可能是阿尔茨海默病的一种治疗策略。

Gerrits 等人 [ 30 ] 已经使用单核 RNA 测序来检查颗粒蛋白前体基因杂合突变的额颞叶痴呆患者 NVU 的变化。他们确定了与疾病相关的内皮细胞和星形胶质细胞亚型以及周细胞的丢失。

虽然大多数研究都集中在 NVU 的成分如何影响脑内皮细胞功能，但在相反的方向上也有重要的交流。例如，李等人 [ 31 ] 发现脑内皮细胞在体外中风样条件下释放含有 Ascl1 的微泡，将星形胶质细胞转化为神经祖细胞。Ascl1 的内皮特异性过表达改善了小鼠中风后的行为结果。内皮血小板衍生生长因子 B (PDGFB) 通过募集周细胞在脑血管生成中起着至关重要的作用。Vazquez-Liebanas 等人 [ 32 ] 已经检查了成年小鼠在血管生成后 PDGFB 丢失的影响，发现 PDGFB 丢失导致内皮周细胞覆盖逐渐减少和 BBB 通透性增加。李等。[ 33 ] 还发现内皮衍生的乳酸是促进周细胞代谢的底物。

NVU 信号的一项重要功能是神经血管发育。这需要协调，以便血管发育满足神经细胞的代谢需要。拉特纳等人。[ 34 ] 描述了所涉及的信号通路的当前知识。

少突胶质细胞

虽然注意力集中在灰质中的 NVU，但白质中也有类似的结构，称为寡血管单位 (OVU)。OVU 包含脑内皮细胞、少突胶质细胞和少突胶质细胞祖细胞（以及其他成分）。肖等 [ 35 ] 发现 OVU 中的 IL-17/CXCL5 信号在人类和小鼠的白质损伤中起着重要作用。

小胶质细胞

与星形胶质细胞和周细胞在 NVU 中的作用相反，小胶质细胞的作用受到的关注相对较少。诺普等人[ 36 ] 回顾了有关小胶质细胞和大脑毛细血管之间联系的证据（约 30% 的小胶质细胞与毛细血管相连）以及疾病状态对小胶质细胞-内皮细胞通讯的影响。最近，Csaszar 等人 [ 37 ] 描述了小胶质细胞在正常和低灌注条件下神经血管耦合中的重要性，由嘌呤能信号介导的作用。

成纤维细胞

一种经常被忽视的 CNS 细胞类型是成纤维细胞。它们存在于血管周围间隙、脉络丛间质和脑膜中。它们还在脑损伤后的疤痕形成中发挥关键作用。最近对这些细胞的作用进行了综述 [ 38 ]。

细胞外基质

细胞外基质是 NVU 的重要组成部分。哈尔德等人 [ 39 ] 最近回顾了基因操纵层粘连蛋白及其整合素受体如何影响 BBB 发育/成熟及其在维持 BBB 完整性中的作用。Nirwane 和 Yao [ 40 ] 最近还回顾了 NVU 内不同层粘连蛋白的细胞特异性表达及其功能。德等人 [ 41 ] 发现β8-整合素激活细胞外基质粘附以促进脑血管发育。β8-整合素对于内皮细胞中转化生长因子 β 依赖性基因表达至关重要。

大脑内皮腔表面的糖萼也有许多重要的功能。朱等 [ 42 ] 发现糖萼破坏，例如中风，与 BBB 处跨细胞、caveolin-1 介导的转运增加有关。

血脑脊液屏障的元素以及脑脊液和淋巴系统

脉络丛

大多数人认为脉络丛是 CSF 分泌的主要部位，神经血管系统的贡献较小。在 CSF 分泌方面，人们特别关注钠/钾/氯协同转运蛋白 NKCC1 [ 43 – 46] 和瞬时受体电位香草素 4 (TRPV4) 通道 [44、47 ]在脉络丛上皮细胞中的作用.这样的研究可能会导致一种减少脑脊液产生的临床方法。关于流体通过脉络丛上皮细胞传输的机制仍然存在争议。MacAulay 等人对此进行了综述。[ 48 ] 特别关注某些转运蛋白（例如 NKCC1）可能充当水通道和转运溶质的假设。人们对大脑中的液体运动如何每天变化非常感兴趣，特别是与清除废物或有毒代谢物（例如，通过 glymphatic 系统）有关，应该注意脉络丛具有可能影响脑脊液稳态的昼夜节律和流程（在 [ 49 ] 中进行了综述）。

脉络丛也越来越多地被理解为在神经炎症中发挥重要作用。例如，阿尔茨海默病会导致脉络丛骨髓细胞发生显着变化 [ 50 ]。包含 3 (NLRP3) 炎性体的 NLR 家族 pyrin 结构域参与脑室内出血后 CP 分泌过多 [ 46 ]。脉络丛也是减少实验性自身免疫性脑炎中 T 细胞浸润的靶点 [ 51 ]，脑出血后脉络丛会出现非常早期的炎症变化 [ 52 ]。

与脑内皮细胞一样，脉络丛的发育受 Wnt/b-catenin 信号传导的调节。Parichha 等人。[ 53 ] 研究了破坏小鼠和人类胚胎干细胞类器官中此类信号的影响。β-连环蛋白功能的丧失和获得都会破坏脉络丛上皮细胞的发育，这表明严格调节 Wnt/β-连环蛋白信号传导对于脉络丛正确发育的重要性。

越来越多的报告使用 MRI 检查不同人类疾病状态下脉络丛的变化。这包括多发性硬化症（包括症状前）[ 54-56 ]、阿尔茨海默氏病 [ 57 ]、抑郁症 [ 58] 和肥胖症 [59 ]时人脉络丛大小或体积的增加。正如正电子发射断层扫描所证明的那样，这种变化可能反映了脉络丛的神经炎症事件 [ 56 , 58 ]。MRI 也被用于检查患者脉络丛功能的变化，包括灌注 [ 60 ]、水运动 [ 61 ] 和造影剂渗透性 [ 57 ]。

通过开发专门针对脉络丛上皮细胞以诱导功能丧失或获得的方法，将极大地帮助了解脉络丛的作用。Jang 和 Lehtinen [ 62 ] 最近回顾了该领域的进展。它还将通过开发新的体外脉络丛上皮细胞模型得到协助。休姆等人。[ 47 ] 描述了一种人脉络丛乳头状瘤 (HIBCPP) 细胞系，该细胞系具有与体内上皮相似的形态、中间跨上皮电阻和正确的离子转运蛋白位置。非常重要的是，当瞬时受体电位香草素 4 (TRPV4) 通道被激活时，这些细胞会分泌液体。相比之下，同一组发现猪脉络丛-Riems (PCP-R) 细胞系虽然具有高电阻，但离子转运蛋白位置不正确 [ 63 ]。

室管膜纤毛

室管膜细胞活动纤毛在细胞表面产生 CSF 流动模式，这可能提供不同脑室周围区域之间的通讯途径。Faubel 等人 [ 64 ] 一直在研究 CDKL5 缺乏症 (CDD)，这是婴儿癫痫的最常见原因。CDKL5 调节纤毛长度和功能，Faubel 等人。在 Cdkl5 基因敲除小鼠的腹侧第三脑室发现更长的纤毛、异常的纤毛运动和改变的 CSF 流动模式。另一个癫痫相关基因 Yes1 的突变在纤毛功能和脑脊液流动模式方面产生了类似的改变。具有这些流动模式改变的动物增加了麻醉诱发癫痫发作的风险，作者认为改变的运动纤毛功能在 CDD 相关癫痫发作中起着重要作用，纤毛可能是治疗目标。室管膜/纤毛功能的变化被假设对脑积水至关重要，最近的研究在下面的“脑积水”部分进行了描述。

脑脊液

Iram 等人的结果最近强调了 CSF 成分的重要性。[ 65 ]。他们发现注入年轻小鼠的脑脊液可增强老年小鼠的少突和记忆。对少突胶质细胞祖细胞的影响由血清反应因子（一种转录因子）介导，该因子被年轻小鼠脑脊液中的成纤维细胞生长因子 17 激活。

继续有许多研究检查脑脊液中疾病的生物标志物。这一直是阿尔茨海默氏病的一个特别关注点，其中研究检查了 CSF 生物标志物与疾病病理学之间的相关性 [ 66 – 68 ]，检查了在认知障碍发作前上调的潜在生物标志物 [ 69 ] 并区分了不同类型的痴呆症 [ 70 , 71 ]。除了 β-淀粉样蛋白 (Aβ) 和 tau 蛋白，人们对小胶质细胞衍生的 sTREM2（在骨髓细胞上表达的可溶性触发受体 2）特别感兴趣 [ 72 – 74 ]。一个与生物标志物相关的问题是 CSF 和血浆水平的相关性如何？沙希姆等人 [ 75 ] 在重复性头部受伤的职业运动员中检查了这个问题。他们发现 T-tau、GFAP、Aβ40 和 Aβ42 的血浆水平与 CSF 水平无关，并得出结论，这些生物标志物的血浆水平不能为诊断重复性脑损伤的晚期效应提供信息。

埃宁格等 [ 76 ] 已使用非定向液相色谱/质谱法检查 β-淀粉样变性和 α-突触核蛋白病小鼠模型中与年龄相关的 CSF 蛋白质组。他们发现大部分 CSF 蛋白质组变化与小胶质细胞和星形胶质细胞有关，确定了一组 20 种胶质细胞衍生的蛋白质。他们发现这些蛋白质与先前由单细胞转录组学鉴定的疾病相关神经胶质基因之间存在良好的相关性。洛巴诺娃等[ 77 ] 已经表明，使用光学单分子成像和高分辨率原子力显微镜可以识别 CSF 和血浆中的蛋白质聚集体。他们比较了对照组和帕金森氏病患者的样本，发现帕金森氏病中具有不同成分的较大聚集体（50% α-突触核蛋白和 50% Aβ 对比对照组的 30%:70%）。

脑脊液也是检查脑肿瘤 DNA 和 RNA 的脑活检的替代方法[ 78、79 ] 。Tivey 等人最近回顾了这种方法的优点（和缺点）以及与使用血液循环肿瘤 DNA 的比较。[ 80 ]。

有多种技术可用于分析疾病状态下 CSF 中免疫细胞的变化，包括细胞转录组学。皮尔等人。[ 81 ] 已经使用 RNA 分析来检查正常衰老和认知障碍期间的 CSF 变化。他们发现在认知障碍患者中，单核细胞通过 CXCL16-CXCR6 向克隆 CD8 + T 细胞发出信号。亚兹达尼等人。[ 82 ] 使用相同的技术检查肌萎缩侧索硬化症 (ALS) 患者的脑脊液，并描述了克隆扩增的 CD4 ⁺和 CD8 ⁺T 细胞具有基因表达的特征模式。

脑膜

蛛网膜（血液-蛛网膜屏障）的功能研究相对较少。然而，最近的研究表明，蛛网膜高度表达许多调节脑脊液成分的溶质转运蛋白。例如，Takeuchi 等人。[ 83 ] 已经使用定量靶向绝对蛋白质组学来比较各种转运蛋白在血蛛网膜屏障和血脊髓屏障中的表达。一些有机阴离子和阳离子药物转运蛋白仅在前者中表达。僧伽等。[ 84 ] 发现血-蛛网膜屏障存在两种重要的叶酸转运蛋白，即还原叶酸载体和质子偶联叶酸转运蛋白。

CSF循环和流出

最近的两篇评论涉及测量 CSF 分泌率的方法 [ 85 ] 和使用不同的成像技术检查 CSF 流量 [ 86 ]。关于不同 CSF 流出途径（例如，穿过筛板、沿着颅神经、通过硬脑膜淋巴管或蛛网膜绒毛）的相对重要性存在争议。德克尔等人 [ 87 ] 使用 MRI 追踪年轻和年老小鼠的 CSF 流出，发现它主要通过筛板流向鼻咽淋巴管，并且老年小鼠的 CSF 周转减少。阿尔巴拉姆等人[ 88 ] 还使用 MRI 追踪人类的脑淋巴网络。他们使用淋巴白蛋白作为标记物，分别确定了沿着硬脑膜静脉窦和沿着背侧和腹侧区域的颅神经的淋巴结构。他们还注意到随着年龄的增长，颈部淋巴结萎缩和淋巴管增厚。

除了参与脑脊液引流外，脑膜淋巴管内皮细胞还具有吞噬活性，可以吸收蛋白质、多糖和病毒颗粒 [ 89 ]。李等 [ 90 ] 还发现，几种嗜神经病毒通过脑膜淋巴管从大脑排出到颈部淋巴结，阻断这种排出会增加病毒感染小鼠的神经损伤和死亡率。

人们对新描述的连接蛛网膜下腔和颅骨骨髓的颅骨/硬脑膜通道也一直很感兴趣。普拉斯等。[ 91 ] 已经报道，在小鼠中，CSF 示踪剂可以离开蛛网膜下腔并迁移到颅骨骨髓。在脑膜炎中，他们发现细菌利用这种途径侵入颅骨造血生态位。同样，Mazzitelli 等人[ 92 ] 描述了在小鼠脊髓损伤后 CSF 迁移到骨髓造血生态位，促进骨髓细胞生成和骨髓细胞迁移到脑膜。

心动周期和脑脊液流量之间的关系知之甚少。杨等。[ 93 ] 已经使用功能性 MRI (fMRI) 来检查血液动力学变化（组织血量）和脑脊液流量之间的时间关系。

淋巴学

glymphatic 系统继续引起很大的兴趣和一些争议（最近的评论见 [ 94 – 98 ]）。CSF（或 CSF 示踪剂）血管周围渗透率受损已在许多神经系统疾病中得到报道，包括多发性硬化症 [ 99 ]、小血管疾病 [ 100 ]、慢性睡眠不佳 [ 101 ] 和颅内压升高 [ 102 ] ].此外，已提出 CSF 进入大脑是缺氧后早期脑水肿的重要来源 [ 103 ]。

德里厄等人 [ 104 ] 最近发现了一个与调节动脉运动和相关 CSF 流量的脑动脉树密切相关的血管周围巨噬细胞亚群。血管周围巨噬细胞的丢失会影响 CSF 进入血管周围空间。梅斯特等人 [ 105 ] 已经检查了小鼠的软脑膜结构，它如何影响血管周围的液体流动（和脑脊液过滤），以及软膜结构如何随着衰老和阿尔茨海默氏病而改变。

遗传学和血脑屏障

2022 年，FBCNS 在主题系列中发表了一系列文章，题为“血脑屏障的遗传疾病和基因操纵”（Genetic disorders and genetic manipulation at the blood-brain barriers (biomedcentral.com)）。对遗传疾病患者的研究，以及对动物进行基因操作的研究，让我们深入了解了特定蛋白质在健康和疾病中的血脑、血视网膜和血脑脊液屏障功能中的作用。希望这些信息将提供治疗遗传疾病和操纵屏障功能以治疗神经系统疾病的方法。

此类研究的一个例子是使用来自遗传性疾病患者的诱导多能干细胞 (iPSC) 来产生脑微血管内皮细胞 (BMEC) 样细胞，以检查体外 BBB 功能的变化。例如，林维尔等人[ 106 ] 已经使用此类细胞来检查亨廷顿病突变对 BBB 功能和特性的影响。

基因传递是治疗遗传疾病的一种潜在方法。Sundaram 等人 [ 107 ] 发现使用 AAV 将单羧酸转运蛋白 8 (AAV-BBR1-Mct8) 递送至 Allan-Herndon-Dudley 综合征小鼠模型的脑内皮细胞可以增加脑三碘甲腺原氨酸 (T3) 水平并改善形态和行为缺陷。

转基因小鼠已被证明是一种有价值的工具，可用于确定特定蛋白质在血脑、血视网膜和血脑脊液屏障以及 NVU 中的作用。例如，Goncalves 和 Antonetti [ 108 ] 最近回顾了从这些动物身上获得的关于 BBB 和血视网膜屏障及其调节的见解。哈尔德等人 [ 39 ] 最近也描述了基因操作层粘连蛋白和整合素的影响。

除了 DNA 突变外，基因（和蛋白质）表达的变化可以在多个层面发生，表观遗传学在血脑屏障中的作用相对未被充分研究。最近有证据表明，去甲基化因子 Tet 甲基胞嘧啶双加氧酶 2 (TET2) 调节紧密连接蛋白 ZO-1 [ 109 ] 和 p-糖蛋白 (ABCB1) [ 110 ]，并且 claudin-5 基因甲基化的差异与患者认知能力下降的轨迹 [ 111 ]。

另一种调控水平是通过非编码 RNA（包括 microRNA、长链非编码 RNA 和环状 RNA）。Sun 等人 [112]回顾了 BBB 中此类 RNA 在不同神经系统疾病中的作用。一种机制是细胞外一个细胞脱落的囊泡可以通过封装微小 RNA 影响其他细胞。脑内皮细胞衍生的囊泡就是这种机制的一个例子 [ 113 ]。

神经系统疾病

BBB/NVU 功能和脑液动力学在许多神经系统疾病中发生改变。事实上，越来越多的证据表明，针对此类功能障碍可以改善多种疾病的影响。本节重点介绍了在理解特定疾病的此类变化方面取得的进展。

SARSCoV-2/COVID-19

继续有广泛的研究检查 SARS-CoV-2 (COVID-19) 感染的神经和神经精神后果，包括长期影响（long COVID）。最近综述了潜在的潜在机制 [ 114 ]。在死于感染的患者中，Agrawal 等人 [ 115 ] 在大多数 (80%) 受试者中发现了血管病理学和小胶质细胞激活的证据。在老年人中，病理变化叠加在先前存在的脑部疾病上，使该人群更容易患上神经系统后遗症。埃特等人 [ 116 ] 发现具有严重神经系统影响的 COVID-19 患者存在 BBB 损伤、小胶质细胞激活标志物和多克隆 B 细胞反应。同样，在死于呼吸系统受累最小的 CVID-19 患者中，Lee 等人 [ 117 ] 报道了多灶性血管损伤，包括 BBB 破坏和内皮细胞激活以及经典补体级联反应。Jarius 等人 [ 118 ] 在感染后 30 天仍然存在神经系统后遗症的患者中发现了血脑脊液屏障破坏的证据。

对非人类灵长类动物的研究可能有助于了解 COVID-19 的神经系统影响。在这样的模型中，Rutkai 等人 [ 119 ] 发现证据表明 COVID-19 会诱发缺氧缺血损伤，伴有脑微出血、缺氧、神经炎症和神经变性。仅在脑内皮细胞中少量检测到病毒，与脑损伤严重程度无关。然而，应该指出的是，Altmayer 等人 [ 120 ] 在 COVID-19 相关脑炎患者中发现血浆内皮生物标志物增加，尽管这些效应是否与直接内皮感染或继发效应有关尚不确定。克拉泽曼等人 [ 121 ] 发现 SARS-CoV-2 可以在体外感染人 iPSC 衍生的 BMEC 样细胞。

脑积水

脑积水被定义为伴有或不伴有颅内压升高的脑室扩大，是一种脑液循环障碍。脑积水存在几个主要原因：先天性（通常是由于遗传或发育缺陷）、脑出血、脑外伤或缺氧以及感染。此外，老年人正常压力脑积水的病因不明。脑积水的主要原因可能在全球范围内有所不同。Aukrust 等人[ 122 ] 最近分析了来自非洲的研究，发现感染后脑积水是最常见的原因（占病例的 28%）。脑积水的患病率也与年龄密切相关。因此，艾萨克斯等人 [ 123 ] 报道儿童（围产期至 18 岁）和成人（19 至 64 岁）人口减少了 8 倍，但从成人到老年人（65 岁及以上）增加了 17 倍。

遗传因素

遗传因素通常涉及改变的室管膜细胞和纤毛功能，这是脑积水的根本原因。例如，Han 等人 [ 124 ] 检测了小鼠 RNA 结合蛋白 Hu 抗原 R (HuR) 缺失的影响。HuR 缺失导致室管膜细胞发育受损、活动性纤毛发生缺陷和脑积水。他们发现 HuR 结合与纤毛发生相关的 mRNA 转录物，包括纤毛和鞭毛相关蛋白 52。Harkins 等人。[ 125 ] 研究了小鼠核因子 1 X (NFIX) 缺失的影响，NFIX 是一种参与正常室管膜发育的转录因子，而 NFIX 的结构性缺失会导致脑积水。他们发现成人大脑中室管膜 NFIX 的缺失导致脑室扩大、粘附分子异常定位和室管膜细胞脱落。Prh小鼠的 Ccdc39 基因发生点突变，导致纤毛运动障碍和进行性脑积水。该突变还会导致脑室周围白质损伤和神经炎症。岩泽等。[ 126 ] 发现抗炎剂 Bindarit 改善了这些小鼠的皮质发育并减少了白质损伤，同时对心室容积只有轻微影响。

应该指出的是，室管膜运动纤毛功能障碍通过改变 CSF 流量导致脑积水的假设已被 Duy 等人质疑。[ 127 ]。他们表明，一些诱导运动纤毛功能障碍和脑积水的突变也可能对神经发育和非中枢神经系统影响产生独立影响，这些影响可能导致脑室扩大。他们还指出，运动性纤毛病很少引起人类脑积水（与小鼠相反）。与此一致，同一小组检查了与先天性脑积水相关的基因突变 [ 128 ]。他们在胚胎神经上皮干细胞中发现了风险基因的趋同。TRIM71 具有最多的从头突变，它在神经上皮细胞中特异性表达。在小鼠中，神经上皮特异性 Trim71 缺失或突变诱发脑积水。这可能是由于神经上皮细胞过早分化、神经发生减少和皮质发育不全所致。后者可能会增加皮质顺应性并诱发继发性脑室扩大。

脑室内出血

脑积水的主要原因之一是脑室内出血 (IVH)。在早产儿 IVH 是由于生发基质出血，幸存者可能有显着的发育迟缓 [ 129 ]。心室中的血液制品被怀疑是造成扩张的原因，Miller 等人 [ 129 ] 表明，将血红蛋白注入新生大鼠的脑室可诱发脑积水。神经炎症也与 IVH 诱发的脑积水有关（综述见 [ 130 ]）。CSF 中的炎症标志物通过脉络丛转运体的过度活跃与 CSF 的过度分泌相关，提高了未来药物治疗的潜力 [ 43 ]。正在探索减轻 IVH 影响的方法，Vinukonda 和 La Gamma [ 131 ] 使用干细胞系来改善动物模型的结果。在成人中，CLEAR III 试验提供的证据表明，脑室内纤溶药物可改善 IVH 后的死亡率，但功能结果无显着差异 [ 132 ]。仓松等 [ 133 ] 现在对使用脑室内纤维蛋白溶解剂治疗成人脑出血引起的 IVH 的研究进行了荟萃分析，发现功能结果有显着改善，这与早期（< 48 小时）治疗有关。这可能会为未来的试验提供信息。

正常压力脑积水

正常压力脑积水 (NPH) 是一种发生在老年人身上的病症，表现为脑室扩张，伴有步态、泌尿和认知功能障碍，但脑脊液压力没有持续升高。识别将从分流治疗中受益的患者的问题仍在进行中，并且正在广泛研究 CSF 生物标志物。在一系列测试的生物标志物中，使用荟萃分析 [ 134 ]，发现磷酸化 tau 和总 tau 在分流无反应患者的腰椎 CSF 中显着增加，尽管早期的研究已经驳斥了这一点和更复杂的分析方法将来可能会有帮助。神经丝光 (Nfl) 是一种轴突变性蛋白，也被认为是 NPH 的生物标志物 [ 135 ]。阿尔茨海默病 (AD) 和 NPH 通常并存，但分流后，AD 患者的认知结果更差 [ 136 ]。

磁成像研究表明，NPH 与某些脑区灰质减少和其他脑区灰质增加有关，尤其是小脑受到不利影响 [ 137 ]。MRI 分析 (cine-PC) 已用于评估脑脊液和脑恢复，包括组织硬度，分流后 15 个月 [ 138 ]。分流术后颅内顺应性恢复缓慢，并在 12 个月内呈振荡变化，并且不跟随颅内压或 CSF容量的测量变化 [ 139 ]。此类信息将来可用于分流后患者管理。脑电图分析连同归一化功率方差作为皮层活动的量度，也正在探索区分分流反应性 NPH 患者 [ 140 ]。NPH 的根本原因是难以捉摸的，尽管可能与淋巴系统功能障碍有关（综述见 [ 141 ]）。

特发性颅内高压

特发性颅内高压 (IIH) 是一种颅内压升高但脑室不扩张的病症，最常见于肥胖女性。最常见的症状是严重的头痛和视乳头水肿，这会导致视力丧失。视神经超声扫描是一种可靠的诊断测试 [ 142 ]。磁共振弹性成像已检测到 IIH 患者垂体位置的变化和脑硬度的增加 [ 143 ]。在 IIH 患者 [ 144 ] 和 Westgate 等人中检测到普遍的代谢失调。[ 145 ] 发现全身糖皮质激素代谢发生变化，随着 11β-羟基类固醇脱氢酶 (11β-HSD1) 和 5α-还原酶活性的增加，这些活性在体重减轻和 ICP 下降后降低。垂体和松果体的变化也与此有关 [ 146 ]。IIH 的治疗旨在降低 CSF 压力，并且经常涉及 CSF 分流，但这可能导致过度引流并且具有高翻修率（综述见 [ 147 ]）。

视神经开窗术以释放压力已作为一种治疗方法进行了测试，但效果有限 [ 148 ]。这种情况的原因难以捉摸，通过支架置入术治疗硬脑膜静脉窦狭窄已受到很多关注（综述见 [ 149 ]）。饮食诱导的肥胖导致大鼠出现类似情况，提供了可靠的动物模型 [ 150 ]。

中风

神经炎症在中风后的脑损伤和脑修复中起着核心作用（综述见 [ 151 ]）。炎症反应的一个重要因素是白细胞通过 BBB 流入。已经使用多种方法来尝试减少这种外渗。最近，阿里亚斯等人[ 152 ] 发现 PECAM-1 中和抗体可减少白细胞流入并影响其在脑内的空间分布。BBB 破坏发生在中风后，它会导致神经炎症和水肿形成。因此，例如，Ng 等人 [ 153 ] 发现中线偏移（影像学上脑水肿的测量值）与 BBB 破坏程度以及大血管缺血性中风后患者预后不良相关。

Sphingosine-1-phosphate (S1P) 通过 S1P 受体 1 和 2 调节 BBB 通透性，具有不同的作用。Hansen 等人 [ 154 ] 发现 S1P 受体 4 也存在于多个物种的大脑内皮细胞（顶膜）。使用 KO 小鼠、siRNA 以及拮抗剂和激动剂，他们发现这种受体可以防止 BBB 破坏，并且中风后受体表达减少。最近的证据表明骨桥蛋白在中风中起作用 [ 155 ]。骨桥蛋白在体外破坏了 BBB，中和抗体减少了胶质细胞活化、BBB 破坏和脑水肿，并改善了小鼠中风后的神经学结果和存活率。

脑小血管病是中风、认知能力下降和痴呆的主要原因。沃德劳等人 [ 156 ] 回顾了人类和临床前数据，表明脑小血管疾病中内皮细胞功能障碍的改变如何影响细胞：NVU 中的细胞相互作用并导致脑损伤。米什拉等。[ 157 ] 已经使用基因作图来识别TRIM47 中的突变，认为它在脑小血管疾病病理学中很重要。使用新型大鼠 KO 系，Quick 等人。[ 158 ] 提供的证据表明，磷脂酶翻转酶 ATP11B 的缺失会导致内皮功能障碍和白质损伤，类似于人类大脑小血管疾病。

Wnt/ β -catenin 信号通路是诱导脑内皮细胞屏障特性的重要途径。季等 [ 159 ] 测试了锂，一种已知的 Wnt 信号激活剂，发现它对缺血性中风和再灌注损伤具有保护作用。因此，激活 Wnt 信号的药物可能在脑血管损伤后具有治疗价值。Martin 等人进一步发展了这个概念。[ 160 ] 他们报告了一项优雅的研究，其中 Wnt7a 配体被基因工程改造为 BBB 特异性 Wnt 激活剂，可减轻缺血性中风梗死和胶质母细胞瘤扩张。他们证明 Wnt 配体的信号特异性是可调节和可靶向的，因此，将 BBB/NVU 的正常化定义为治疗 CNS 疾病的新方式。

缺血性和出血性中风引起不同的损伤机制。Solar 等 [ 161 ] 最近写了一篇关于蛛网膜下腔出血对 BBB 和 NVU 的影响的非常广泛的评论。

脑海绵状血管畸形 (CCM) 和动静脉畸形 (AVM)

遗传性 CCM 是由于三个基因 CCM1、CCM2 和 CCM3 中的功能丧失突变所致。已经生成了动物和细胞模型来检查这些功能丧失突变如何导致 CCM [ 162、163 ]。这些模型允许检查潜在的治疗方法和调查可能加剧 CCM 病变发展的因素。因此，McCurdy 等人 [ 164 ] 发现 β1-整合素单克隆抗体可减少小鼠 CCM1 病变的发展，Lai 等人 [ 165 ] 研究了神经炎症星形胶质细胞在 CCM3 病变发展中的作用。有趣的是，Fang 等人 [ 166 ] 发现脑内皮细胞中 NOGOB 受体的缺失会导致 CCM 样病变，血管扩张，BBB 通透性过高和脑出血。这与组蛋白乙酰化介导的 CCM1/2 表达受损有关。

为了解 AVM 中的异常脉管系统，Winkler 等人 [ 6 ] 比较了正常人脑血管系统和 AVM 的单细胞转录组学。他们特别确定了病理性内皮细胞转化和血管源性炎症。

衰老和痴呆症

患者的正常衰老会影响 BBB，导致在动态对比增强磁共振成像上可检测到小泄漏 [ 167 ]。老年痴呆症和其他痴呆症（如额颞叶痴呆症）患者的衰老影响会加剧 [ 30 , 167 , 168 ]。杨等。[ 5 ] 开发了一种“用于测序的血管分离和细胞核提取”技术，用于检查阿尔茨海默病患者和无认知障碍患者大脑中的血管和血管周围细胞转录组（和动静脉分区）。他们发现证据表明，阿尔茨海默病大脑存在选择性周细胞脆弱性和血流失调；三分之二与阿尔茨海默病风险相关的主要基因在血管系统中表达；并且这些基因与内皮蛋白转运、适应性免疫和细胞外基质途径有关。因此，激活 Wnt/β-连环蛋白通路可能是改善阿尔茨海默病血管效应的一种方式 [ 169 ]。

中脑淀粉样血管病（CAA；瑞典突变）小鼠的变化 [ 170、171 ]。这两项研究都强调了炎症变化、内皮生物学的改变以及年龄对转录组的影响。人们总是担心小鼠遗传模型复制人类 CAA（以及一般的阿尔茨海默氏病）的效果如何。立田等人 [ 172 ] 通过将在内皮细胞中表达人淀粉样前体蛋白 (APP) 的小鼠与表达包含人源化 Aβ 区域以及两种致病性突变（瑞典和伊比利亚）的构建体的敲入小鼠杂交，创建了一种具有扩展 CAA 病理学的新小鼠模型.该模型的相关性仍有待评估。

神经炎症、多发性硬化症 (MS) 和肌萎缩侧索硬化症 (ALS)

Proulx 和 Engelhardt [ 173 ] 最近综述了中枢神经系统免疫特权和免疫监视的证据，后者主要在蛛网膜下腔和血管周围空间内。免疫系统的激活对多种神经系统疾病具有不利影响。例如，Frieser 等人。 [ 174 ] 确定了驻留 CD8 + T 细胞在自身免疫性脑炎中的重要作用，Vincenti 等人。[ 175 ] 发现在清除减毒淋巴细胞性脉络丛脑膜炎病毒感染后，组织驻留 CD8 + T 细胞的重新激活可能导致免疫病理学，但需要CD4 + T 细胞的合作。

神经炎症是 MS 的重要组成部分，自身反应性淋巴细胞攻击 CNS 髓磷脂。例如，抗体那他珠单抗可减少白细胞进入 BBB，并用于复发缓解型 MS 患者。Charabati 等人 [ 176 ] 已经确定含有细胞粘附分子 (DICAM) 的双重免疫球蛋白结构域是阻止白细胞进入 MS 大脑的另一个潜在靶标。Epstein-Barr 病毒感染已与 MS 和 Lanz 等人在流行病学上相关联。[ 177 ] 发现该病毒中的转录因子 (EBNA1) 在分子上模拟神经胶质细胞粘附分子 (GlialCAM)。有趣的是，他们在 MS 患者的脑脊液中发现了交叉反应抗体。肠-脑轴在 MS 中也可能很重要。Ntranos 等 [ 178 ] 已经确定了微生物衍生的色氨酸和苯丙氨酸代谢物，它们可以进入大脑并可能在 MS 中诱发神经毒性。

令人惊讶的是，肺部还含有一种微生物组，该微生物组似乎会显着影响发生 CNS 自身免疫性疾病（如多发性硬化症）的易感性。Hosang 等人使用选择性抗生素来控制肺部微生物种群。[ 179 ] 证明肺部微生物组调节中枢神经组织的免疫反应性，从而影响其对自身免疫性疾病发展的易感性。因此，肺脑轴可能成为外周和中枢神经系统疾病之间的重要联系。

在动物 MS 模型（实验性自身免疫性脑炎）中，Hermans 等人。[ 180 ] 已经确定制瘤素-M/CCL20 轴在 BBB 损伤和 T 辅助 17 细胞募集中的作用。虽然 BBB 功能障碍可能继发于神经炎症，但 Nishihara 等人 [ 181 ] 在比较来自对照和 MS 患者的 iPSC 衍生的 BMEC 样细胞时，发现了 MS 的内在 BBB 损伤的证据。这表明脑内皮细胞是一个治疗靶点。

在 ALS 中，Yazdani 等人 [ 82 ] 发现血液和脑脊液中的 T 细胞表型是疾病进展的良好预测因子，高 CD4 + FOXP3 -效应 T 细胞表达与较差的存活率相关，而高频率的 Treg 细胞与较好的存活率相关。他们还在CSF 中发现了克隆扩增的 CD4 +和 CD8 +细胞的证据，并提出调节适应性免疫是 ALS 的一种治疗选择。

精神障碍

人们越来越意识到 BBB 功能的改变可能在抑郁症等精神疾病中发挥重要作用 [ 182 ]。例如，Dion-Albert 等人 [ 183 ] 发现慢性社会压力会促进雌性小鼠的 BBB 改变，并且在前额叶皮层中诱导局部 BBB 破坏会诱发焦虑和抑郁样行为。重要的是，他们在患有重度抑郁症的女性血清中发现了可溶性 E-选择素（一种在内皮细胞上表达的粘附分子）。松野等 [ 184 ] 已经确定了血管内皮生长因子 (VEGF) 及其受体 VEGFR2 在小鼠应激诱导的抑郁样行为中的作用。

戴等[ 185 ] 发现小鼠抑郁症（亚慢性可变应激）模型的脑膜淋巴管受损，这仅发生在女性身上。操纵脑膜淋巴管改变了这种对压力引起的抑郁和焦虑样行为易感性的性别差异。与 BBB 的工作一起，这表明大脑细胞外成分的变化（由于 BBB 的大量流入或清除系统的减少）可能导致抑郁和焦虑样行为。

给药

增强穿过血脑屏障的药物输送

人们继续对使用带有微泡的聚焦超声来瞬时打开 BBB 进行药物输送非常感兴趣（最近的评论见 [ 186 ]），并且它正在临床试验中使用。例如，Epelbaum 等人。[ 187 ] 已经开发出一种植入式超声设备，他们已将其用于反复破坏轻度阿尔茨海默病患者的 BBB ( NCT03119961 )。人们对破坏脉络丛的血脑脊液屏障兴趣不大，但 Kung 等人。[ 188 ] 报告说，单个低能量冲击波脉冲可以暂时破坏大鼠的屏障。

如前所述，增加 claudin-5 表达以降低 BBB 通透性可能对许多神经系统疾病有益。相比之下，减少 claudin-5 的表达/功能可能会增强药物通过 BBB 的传递。若山等人 [ 189 ] 综述此类研究的现状和潜在的安全问题。虽然 claudin-5 的瞬时减少可以增强药物输送，但慢性减少会对小鼠和非人类灵长类动物造成不良影响。

尽管在哺乳动物中需要更多的体内研究，但已有研究使用细胞外囊泡携带货物穿过 BBB [ 190 ]脉络丛上皮细胞是细胞外囊泡的来源之一，Pauwells 等人 [ 191 ] 发现这种囊泡在全身输送时位于大脑和脉络丛中。囊泡可以将货物运送到星形胶质细胞和小胶质细胞。马拉等[ 113 ] 发现来自内皮祖细胞亚群的细胞外囊泡可以帮助保护缺血性/神经退行性视网膜病变中的 NVU。

将治疗剂递送至脑肿瘤仍然具有挑战性，因为血脑肿瘤屏障非常异质（综述见 [ 192 ]）。正在开发范围广泛的创新技术，以向肿瘤提供有效的药物浓度（例如，[ 193 , 194 ]）。

对于基因治疗，专门针对大脑并穿过 BBB 的 AAV 将非常有用。Goertsen 等人[ 195 ] 描述了一种 AAV 衣壳变体，它会导致全脑转基因表达，并在全身给药后减少向肝脏的输送。该变体对小鼠和非人类灵长类动物有效。AAV 递送氨基己糖苷酶已用于 Tay-Sachs 病的临床试验，尽管使用了直接递送至 CSF/脑 [ 196 ]。段等 [ 197 ] 已经使用穿透 BBB 的 AAV 传递 Cas9 和单向导 RNA 来靶向小鼠阿尔茨海默氏病模型中的突变 APP 等位基因。脑 Aβ 沉积、小胶质细胞增生、神经突变性和认知障碍得到改善。最近，Grashoff 等人 [ 198 ] 已经使用 AAV 传递短的调节 DNA 序列，以增强大脑内皮细胞的紧密连接和转运蛋白表达。