年龄越大年龄越大血脑屏障泄露越严重？Nature 最新研究对传统认知说不！血脑屏障泄露越严重？Nature 最新研究对传统认知说不！

2020-07-08

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血脑屏障（blood–brain barrier, BBB）是人体大脑内最重要的屏障，它极低的通透性只允许少许物质的通过，并以此保护着我们大脑不受血液中有害物质的伤害。BBB 的完整，对我们神经系统的正常运转至关重要。

长久以来，我们认为血脑屏障的「通透性」随着年龄的增长而增加。一些诸如老年痴呆等疾病的发生，都被证明与血脑屏障「通透性」随着年龄的增加有关。

今天学术君给大家带来的 Nature 重磅解读却得出结论，血脑屏障可能越老越漏 ... 在延伸阅读中将简要介绍 BBB 的最新研究进展（Nature ）及最新的CNS体外模型（Science 研究）！

图片来源：Nature

2020 年 7 月 1 号，来自美国斯坦福大学医学院的 Tony Wyss-Coray 教授带领团队在 Nature 发表了题为 Physiological blood–brain transport is impaired with age by a shift in transcytosis 的论文^[1]，报道了转胞吞作用 (transcytosis) 随着年龄的变化使得特定血源蛋白能够在年轻大脑中更容易通过 BBB，再一次刷新了我们对血脑屏障「通透性」的认知。

研究内容

广泛存在 BBB 转胞吞作用

尽管从二十世纪以来，已经有无数研究证明了血脑屏障阻止了绝大部分大分子的从血液进入脑脊液之中。但本文的研究团队坚信，随着每一次心跳，被血液带到大脑中的一些大分子能够通过这看似不可逾越的屏障。

图片来源：Nature

为此，作者使用不同标记物标记了小鼠血浆中的数百种不同大小，不同丰度以及不同功能的蛋白，并将它们注射到年轻和年老的小鼠体内。

20 个小时过后，研究人员在小鼠大脑内受 BBB 保护的区域和高通透性的器官中都观测到了大量放射性铜标记过的血浆。在经历过心脏灌流后，这些血浆依旧还能保存在大脑之中，证明一些被标记过的蛋白通过了血脑屏障。

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为了在细胞层面观测这种现象，作者使用了 Atto 647N 萤光分子标记了血浆，也观测了类似的结果。高倍镜检测后，作者发现在大脑的血管上出现了大量点状荧光，意味着这些血浆蛋白可能通过胞吞被转移到了血管内皮细胞之中。进一步检验神经元和小胶质细胞后，作者也在这些细胞上发现了被标记的血浆。

这些数据证明了这些外源性血浆蛋白能够有效的通过血脑屏障。

图片来源：Nature

为了进一步寻找帮助这些血浆蛋白通过 BBB 的基因，作者开发了功能性转录组（functional transcriptomics）平台。通过流式细胞仪分离出吸收血浆的血管内皮细胞后，作者对这些细胞进行了单细胞 RNA 测序，并以此找出了一系列与血浆吸收和转胞吞作用有关的基因。有趣的是，动脉、静脉和毛细血管之间的血浆吸收相关基因也截然不同。进一步分析发现，Tfrc 基因与一些系列血浆吸收相关的基因的表达趋势出现了协同，作者将这一些与 Tfrc 相关的基因统称为 Tfrc 模组。Tfrc 模组的表达趋势和与血浆吸收负相关的基因互斥。这些数据说明 BBB 对血浆蛋白的吸收受血管内皮细胞中特定转录组程序的调控，甚至可能被药物靶向。

年龄影响 BBB 转胞吞作用

图片来源：Nature

由于此前很多研究报道随着年龄的增长，BBB 对很多追踪剂的通透性显著增加。作者使用放射性追踪迹和 IgG 验证和观测到了一样的现象。但令作者感到惊奇的是，当他们使用标记过的不含 IgG 和清蛋白的血浆时，却观测到了相反的现象。在年老小鼠的大脑内，血浆吸收仅为年轻大鼠的一半！这意味着某些血浆蛋白的跨 BBB 运输和我们想的不太一样。

为了进一步探究其中的奥秘，作者将它们年轻小鼠大脑血管内皮细胞的单细胞 RNA 测序数据与公开的年老小鼠数据进行了对比。在年老血管内皮细胞中下调的基因中，有 85% 和年轻小鼠血管内皮细胞中与血浆吸收相关的基因重合。作者也发现这种下调导致了年老小鼠脑内受体介导的转胞吞作用（receptor-mediated transcytosis，RMT）缺陷。

一系列 RMT 相关的受体和下游基因在年老大脑血脑内皮细胞中出现了下调，年老小鼠中也出现了更多的配体非特异性窝舟转胞吞作用（ligand-non-specific caveolar transcytosis）。在年轻小鼠的血管内皮细胞中有更多的网格蛋白小泡（clathrin vesicles），而窝舟小泡（caveolar vesicles）更多的出现在年老小鼠中。这些数据从基因和小泡层面证实了，随着年龄的增长，BBB 的转胞吞作用从配体特异性的 RMT 向配体非特异性窝舟转胞吞作用偏移，并导致特定蛋白的通透性下降，而另一部分蛋白，如 IgG，清蛋白的通透性则随之上升。

图片来源：Nature

随后，作者探究了能否使用药物逆转年龄带来的 BBB 转胞吞作用的偏移。对比年老和年轻老鼠后，研究团队发现 Tfrc 模组下调与周细胞相关，意味着周细胞可能与维持 BBB 的功能有关。年老老鼠的大脑血管也出现了与周细胞缺陷型小鼠体内一样的异位性钙化现象。所以，作者认为周细胞减少以及其导致的大脑异位性钙化与 BBB 功能异常有关，并以此寻找靶标。

经过一系列筛选过后，碱性磷酸酶 ALPL 脱颖而出。ALPL 此前被报道与钙化有关，并随着年龄增加上调，ALPL 也在 BBB 转胞吞作用的偏移中表现出了强相关性。通过抑制 ALPL 的小分子，作者成功恢复了年老大脑中的 Tfrc 以及 HOLO 转铁蛋白吸收。ALPL 抑制也成功恢复了年老大脑的血浆吸收，这些数据证明 ALPL 抑制剂能够逆转衰老带来的 BBB 转胞吞作用的偏移。

研究意义

图片来源：Nature

该文使用广泛使用了各种标记体系，以此追踪了血浆蛋白通过 BBB 的行动轨迹。与以前报道的仅有少量大分子能通过 BBB 不同，研究团队发现了远超预期的、能够透过 BBB 的蛋白数量。BBB 对这些血浆蛋白的通透性也出人意料的随着年龄的增长而降低。通过 scRNA-seq，作者发现了大量与这种现象有关的基因，并成功靶向了 ALPL。抑制 ALPL 可以恢复 BBB 对特定血浆蛋白通透性。以此为契机，我们可能可以恢复年老大脑对某些药物的吸收，用以治疗多种脑部疾病。

尽管如此，该文并没有一一分辨出能够跨过 BBB 的蛋白是什么。也没有确定 RMT 在这个过程中扮演了多重要的角色。这些都是该文衍生出来的、亟待研究的问题。

延伸阅读

近几月，关于血脑屏障或者 CNS 屏障的研究频频登上 Nature 和 Science。

图片来源：Nature

丁香学术此前报道了由美国南加州大学凯克医学院的 Berislav V. Zlokovic 所带领的团队在 Nature 发表的题为 APOE4 leads to blood–brain barrier dysfunction predicting cognitive decline 的研究^[2]，该研究报道了 APOE4 是如何通过破坏老年人血脑屏障并诱发认知功能障碍。

图片来源：Science

6 月 11 号，来自英国剑桥医学研究委员会分子生物学实验室（MRC Laboratory of Molecular Biology）的 Madeline A. Lancaster 带领团队在 Science 上发表了题为 Human CNS barrier-forming organoids with cerebrospinal fluid production 的论文^[3]，为体外研究 CNS 屏障构建了全新的类器官模型，丁香学术也会在近期给大家带来详细的解读。

总结

血脑屏障，作为人脑中最重要的、且最难通过的一种屏障。直接影响着我们大脑的生理功能，也限制着人类对脑部病变的治疗。大量已经在体外或者其他器官被证明有效的药物由于无法通过血脑屏障而在脑部病变中毫无用武之地。

随着我们对 BBB 的进一步了解，相信在不久的将来，我们能将药物有效的送入大脑中。

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