血脑屏障(BBB)在保护中枢神经系统(CNS)免受有害细菌、毒素和其他血源性病原体侵害方面发挥着重要作用。然而，究竟是什么控制着血脑屏障的通透性，却是长期困扰科学家的一个问题。哈佛医学院(HMS)布拉瓦特尼克研究所神经生物学教授、霍华德休斯医学研究所研究员顾成华博士领导的团队在之前的工作基础上，现在揭示了细胞运输系统调控的新见解称为转胞吞作用，它通过确定分子转运穿过血脑屏障的难易程度，在控制血脑屏障通透性方面发挥着关键作用。

血脑屏障控制机制可能指向中枢神经系统治疗策略

他们在《Neuron》杂志上报道的小鼠研究描述了周围微环境或细胞外基质(ECM)中的细胞向构成BBB的细胞发出信号的机制。他们发现，这种细胞间通讯会抑制转胞吞作用，从而保持屏障的渗透性较低，并确保分子不易通过。

顾说：“我们的工作为更好地理解微环境如何以及为何对于维持血脑屏障很重要打开了大门，这可以为开发更好的实验室模型来研究它提供信息。”

研究人员表示，识别这一机制为操纵屏障以提高或降低其渗透性提供了潜在的途径。如果他们的发现在进一步的动物研究中得到复制，然后在人类中得到复制，他们可能会指出治疗某些疾病的新方法，或将药物输送到大脑的策略。

Gu等人在一篇题为“通过玻连蛋白整合素的周细胞到内皮细胞信号传导调节血液-中枢神经系统屏障”的论文中描述了他们的发现，其中他们得出的结论是，“......我们的发现揭示了中枢神经系统内的新分子靶点和途径开发有助于中枢神经系统药物输送的新型疗法。”

作者解释说，中枢神经系统需要一个最佳且严格调控的微环境来实现有效的突触传递。“这是通过调节物质流量以维持组织稳态的血液-中枢神经系统屏障来实现的。”BBB由一排紧密的内皮细胞组成，具有半渗透性和高度选择性。它允许小分子和营养物质从血液进入中枢神经系统，同时阻止可能引起感染、炎症或破坏系统微妙平衡的物质。此外，研究人员指出，“屏障特性并不是这些细胞固有的;而是与生俱来的。”相反，它们是由中枢神经系统微环境诱导和维持的。”

与它的名字所暗示的相反，血脑屏障不仅仅是一堵物理上阻止有害分子进入中枢神经系统的墙。相反，它的作用更像是一个自我调节的过滤系统，其渗透性根据内皮细胞的特性而变化。

如何控制血脑屏障的渗透性是顾教授近十年来研究的问题。2014年，Gu和她在HMS的团队确定了转胞吞作用的作用，转胞吞作用是分子穿过内皮细胞中形成的囊泡中的BBB的细胞运输过程。研究小组发现了一种名为Mfsd2a的基因，它可以抑制转胞吞作用。这种抑制通过确保分子不会跨内皮细胞转运来维持屏障的完整性。在这项工作的基础上，2017年Gu团队揭示转胞吞作用可能是控制血脑屏障通透性的主要机制。作者指出：“构成这些屏障的中枢神经系统内皮细胞的限制性通透性是专门的紧密连接和低转胞吞作用率的结果，这限制了血液和中枢神经系统组织之间的物质交换。”

然而，调查人员怀疑这个故事另有隐情。他们开始想知道血脑屏障的通透性如何受到周围微环境的影响，周围微环境由物理上靠近中枢神经系统血管的细胞组成。更具体地说，他们对包裹在这些血管周围的称为周细胞的相邻神经细胞产生了兴趣。研究小组指出：“周细胞包裹着毛细血管内皮细胞，并与它们共享相同的基底膜，从而允许这两种细胞之间进行复杂的细胞间信号传导。”

“我们首先询问微环境中的哪些细胞可以赋予内皮细胞这些屏障特性，”主要作者SwathiAyloo博士解释道，他在HMS担任博士后研究员，现在是赛诺菲的高级科学家。。“许多历史和其他工作促使我们研究周细胞。”与血脑屏障类似，血视网膜屏障(BRB)将血液与视网膜分开。“有趣的是”作者指出，“与其他组织相比，大脑和视网膜的周细胞与内皮细胞的比率最高。”然而，他们承认，“周细胞如何向内皮细胞发出信号以维持屏障完整性尚不清楚。”

研究人员首先筛选RNA数据库，寻找在视网膜和大脑周细胞中高度表达的基因。他们在周细胞中发现了一个基因，该基因可以产生一种名为玻连蛋白的蛋白质，这种蛋白质存在于中枢神经系统的微环境中。然后，他们转向视网膜来测试玻连蛋白在维持血脑屏障方面的重要性。Ayloo解释说，视网膜是一个理想的模型系统，因为在小鼠出生后的最初几天，血视网膜屏障在视网膜的外缘仍然是可渗透的，但在中间是不可渗透的，这可以方便地进行比较。

事实证明，玻连蛋白存在于屏障不可渗透部分的内皮细胞附近的微环境中，但在内皮细胞可渗透的屏障外缘处缺失。此外，当研究小组敲除产生玻连蛋白的基因时，屏障变得渗漏。

“这为我们奠定了基础，好吧，我们知道玻连蛋白对于屏障通透性很重要，但它为什么会这样发挥作用，其机制是什么，”Ayloo说。

通过对小鼠进行一系列基因实验，研究人员确定玻连蛋白与内皮细胞中一种名为整合素α5的受体结合，形成信号通路。“缺乏玻连蛋白或突变玻连蛋白来阻止整合素结合，以及内皮特异性整合素缺失——所有这些基因操作都会导致血液-中枢神经系统屏障功能失调，突出了周细胞与内皮信号传导的配体-受体相互作用的作用。屏障功能，”他们写道。该信号通路通过告诉血脑屏障中的内皮细胞维持其膜的张力来抑制转胞吞作用，从而防止形成可以运输分子穿过屏障的囊泡。

“在各种细胞类型中，整合素结合产生的粘附力已被证明可以维持质膜张力。将整合素受体与玻连蛋白分离可能会导致膜张力降低，众所周知，膜张力降低会促进内吞作用增加，”科学家补充道。“因此，玻连蛋白与整合素α5的结合可能会发挥粘附力来维持质膜张力，从而确保中枢神经系统内皮细胞的低转胞吞率。

“当我们缩小时，这是完全有道理的，因为这种机制基本上控制着膜的生物物理特性，这决定了形成这些囊泡的难易程度，”顾说。Ayloo补充道，“最重要的是，周细胞和内皮细胞之间存在非常活跃的配体受体信号传导，并且需要这种积极的相互作用来维持屏障。”

顾将微环境描述为“一种非常神秘的东西”，它存在于所有组织周围，但极难研究。对她来说，这篇论文不仅揭示了这种微环境中控制血脑屏障渗透性的特定机制，而且为细胞外基质中细胞信号传导的更多研究打开了大门。

事实上，众所周知，细胞外基质会在多发性硬化症等神经退行性疾病中分解。“这是神经退行性疾病的标志特征之一，所以我认为我们需要进行更多的细胞外基质研究，”Ayloo说。她补充说，微环境和血脑屏障之间存在许多蛋白质与蛋白质之间的相互作用，需要更好地理解，特别是在疾病背景下。

了解微环境还可以带来更好的实验室模型来研究血脑屏障。顾解释说，目前这些模型通常仅包含内皮细胞，并且不包含微环境。“你不能只是将内皮细胞放在体外模型中并声称这是血脑屏障，”顾说。“数十亿美元被花费在不准确的模型上。”她补充说，一旦研究人员确定了微环境中影响血脑屏障渗透性的全部蛋白质集合，“我们就可以在模型中重新创建这些因素，以更准确地模拟血脑屏障。”

如果新报告的发现在进一步的实验中得到证实，并最终在人体中得到证实，那么玻连蛋白和整合素α5之间的特异性相互作用可能会为操纵血脑屏障的通透性提供新的分子靶点。

Gu估计，大约90%的视网膜疾病与屏障渗漏有关，因此需要进行降低屏障渗透性的治疗——对于某些神经退行性疾病来说，这似乎也是如此。另一方面，在某些情况下，屏障需要暂时变得更具渗透性，以便药物可以输送到大脑中。“通过识别这种基本的分子机制，现在也许我们可以找到针对这种机制的激动剂来收紧屏障，以及针对这种机制的抑制剂来打开它，”顾说。

科学家们指出：“毫不奇怪，ECM故障是与许多中枢神经系统疾病和紊乱相关的标志性特征。”“总而言之，我们的结果表明，周细胞衍生的玻连蛋白与其在中枢神经系统内皮细胞中表达的整合素受体之间的配体-受体相互作用对于屏障完整性至关重要，并可能为中枢神经系统药物输送提供新的治疗机会。”

也许最重要的是，这项工作强调了微环境在控制血脑屏障渗透性方面的基本作用，并使研究人员距离全面了解血脑屏障的工作原理又近了一步。