血脑屏障之谜：哈佛医学院发现影响其通透性所需的信号spock1

哈佛医学院研究人员发现神经元产生Spock1信号帮助血脑屏障形成并维持其保护特性，揭示Spock1信号传导到血管系统的范围，并确定了Spock1信号传导的机制——通过控制周细胞内皮细胞外基质(ECM)来控制内皮细胞胞噬。

　　

是什么让大脑和脊髓周围至关重要的保护细胞层——血脑屏障——具有或多或少的渗透性，一直是神经科学中更令人困惑的问题之一。了解屏障是如何允许或阻止某些物质进入或进入的，对从疾病进展到药物输送的所有事情都具有重要意义。哈佛医学院7月11日发表在《Developmental Cell》杂志上的一项新研究，向答案又迈近了一步。

图片来自作者论文，由作者提供

血脑屏障

血脑屏障(BBB)在大脑中维持正常神经功能所必需的，一个严格限制蛋白质和小分子的渗透性的稳态环境。血脑屏障的破坏与多种神经退行性疾病有关，但血脑屏障也会阻碍药物有效地进入大脑。若了解如何调节血脑屏障的通透性，既可以暂时打开血脑屏障以改善脑肿瘤的化疗通路，又可以恢复神经退行性疾病中的血脑屏障功能。

已知血脑屏障的限制性不是脑内皮细胞固有的，而是在胚胎发育期间由脑微环境中的信号诱导和维持的。信号从神经微环境到脉管系统控制屏障功能。此外，这些微环境信号也需要在整个生命周期中主动保持屏障特性

血脑屏障是由紧密交错的细胞组成的——内皮细胞、周细胞和星形胶质细胞——它们排列在构成中枢神经系统的大脑和脊髓血管中。这些细胞一起形成一层半透膜，选择性地让营养物质和小分子进入，同时阻止有害物质进入。脑内皮细胞通过两种主要的细胞机制形成屏障:(1)特化的紧密连接复合物阻止小水溶性分子在细胞之间的运输;(2)减少囊泡运输或胞吞作用的水平，以限制通过内皮细胞的运输。血脑屏障内皮细胞通过高表达紧密连接分子Claudin-53和脂肪酸转运蛋白Mfsd2a，以及缺乏plvap而与外周内皮细胞区分。底物特异性内流和外排转运蛋白如Glut17和Pgp的表达，可动态调节必需营养物质的摄入和代谢废物的清除，进一步增强了内皮细胞的选择性血脑屏障。

血脑屏障的限制性不是脑内皮细胞固有的，血脑屏障的通透性部分是由周围环境中的细胞控制的——被称为微环境——是在胚胎发育期间由脑微环境中的信号诱导和维持的。在胚胎发育过程中，源自神经元基因的信号对于血脑屏障的正常形成至关重要，并有助于确保血脑屏障在在整个生命周期中主动保持屏障完整特性。然而，附近细胞中的哪些基因参与在很大程度上仍然是一个谜。如果能发现调控血脑屏障通透性的相关基因，并最终在人类身上得到验证，将有助于科学家控制血脑屏障的渗透性，开发出更有效的方法将癌症或精神药物输送到大脑中，以及更好的策略来对抗由神经变性或中风引起的屏障损伤。

抓住偶然发现中的机遇：一条关键线索在哈佛医学院Blavatnik研究所系统生物学教授、资深作者Sean Megason实验室的鱼缸里游动。。。

研究人员选择光学透明的斑马鱼系统进一步研究血脑屏障发育的分子决定因素，这个系统可以在整个斑马鱼发育过程中对完整的血脑屏障进行成像。斑马鱼脑内皮细胞表达许多与哺乳动物脑内皮细胞相同的分子标记，包括Glut1、Cldn5、ZO-1和Mfsd2a。

O'Brown正在研究一种叫做mfsd2aa的基因，当它发生突变时，会导致斑马鱼的血脑屏障在整个大脑中渗漏。然而，她注意到一些斑马鱼在前脑和中脑有一个可渗透的屏障，但在后脑却完好无损。这种具有前脑和中脑屏障渗漏的隐性活突变体——“让我陷入了寻找导致血脑屏障变得局部可渗透的基因的兔子洞。”

一个新的角色出现了

O'Brown对斑马鱼进行了基因筛选，通过实验确定突变的是神经元产生和分泌的蛋白多糖Spock1。这种屏障的区域特异性破坏与spock1基因突变有关。在对斑马鱼和小鼠进行的一系列干扰和成像技术实验，O'Brown证实了spock1突变导致血脑屏障在某些区域变得可渗透，而在其他区域则不能。她还发现，spock1基因在视网膜、大脑和脊髓的神经元中都有表达，但在构成屏障的细胞中却没有表达。

在后续的实验中发现，携带spock1突变的动物的内皮细胞中有更多的囊泡——一种可以携带大分子穿过血脑屏障的细胞间气泡。它们的基底膜也更小，这是一种位于内皮细胞和周细胞之间的蛋白质网络。逐个细胞的RNA分析显示，spock1突变引起了血脑屏障中内皮细胞和周细胞的基因表达变化，但对大脑中其他细胞类型没有影响。当O'Brown将一剂人类spock1蛋白注射到斑马鱼的大脑中时，它通过在分子水平上修复周细胞-内皮细胞的相互作用，恢复了大约50%的血脑屏障功能。

Spock1是调节斑马鱼和小鼠血脑屏障通透性的候选神经元信号

嵌合遗传分析表明，神经元表达的Spock1是功能性血脑屏障细胞非自主必需的。spock1突变体的渗漏与细胞外基质(ECM)改变、内皮细胞吞噬增加和周细胞-内皮相互作用改变有关。此外，单剂量重组SPOCK1通过猝灭明胶酶活性和恢复包括mcamb在内的血脑屏障基因的血管表达，可部分恢复SPOCK1突变体的血脑屏障功能。这些分析支持了一个模型，即神经元分泌的Spock1通过改变ECM启动血脑屏障特性，从而调节周细胞内皮相互作用和下游血管基因表达。

数据表明，Spock1是一种分泌的、神经元表达的细胞外信号，它调节斑马鱼和小鼠血脑屏障的通透性，而不改变发育过程中的血管模式。从机制上讲，这项工作提出了一种Spock1通过抑制明胶酶活性来调节大脑细胞外环境的模型，从而为血管周细胞和内皮细胞提供适当的化学信号。

基于这些发现，研究人员得出结论，神经元产生的Spock1蛋白会进入血脑屏障，在发育过程中启动屏障的适当形成，并在之后帮助维持屏障。“Spock1是一种强有力的分泌神经信号，能够促进和诱导这些血管中的屏障特性；没有它，血脑屏障就没有功能，”O'Brown说。“这就像煤气炉上的火花，提供了一个提示，告诉屏障程序打开。”

研究团队

这项研究是血脑屏障生物学家顾成华(Chenghua Gu)不断增加的研究成果的补充。顾成华是HMS神经生物学教授，霍华德休斯医学研究所(Howard Hughes Medical Institute)研究员，也是这篇新论文的作者之一。她的实验室一直在研究一种细胞运输系统，该系统似乎通过Mfsd2a调节血脑屏障的通透性，并探索可能涉及的微环境的其他方面。这项工作为科学家们提供了一幅越来越完整的关于血脑屏障如何运作的图景。

当研究人员试图控制屏障的渗透性时，获得完整的图像是必不可少的。对于药物输送，他们通常希望使屏障更具渗透性，这样已知对癌症或精神疾病有效的治疗方法就可以到达大脑并发挥作用。对于神经退行性疾病，如帕金森氏症和阿尔茨海默氏症，或中风等情况，科学家们希望对抗相关的血脑屏障的退化，这种屏障使中枢神经系统容易受到外部攻击。

O'Brown指出，spock1是控制血脑屏障特性的一个特别有吸引力的靶标，因为它在人类中是保守的，似乎在发育过程中充当屏障细胞的高级调节剂。她现在想要探索屏障中不同的周细胞谱系是如何受到Spock1信号的不同影响的。她还想测试中风模型，看看使用spock1是否能抵消中风对血脑屏障的影响。

“这不是科学家发现的第一个神经信号，但它是第一个来自神经元的信号，似乎专门调节屏障特性，”O'Brown说。“我认为这使它成为一个强有力的工具，可以尝试切换开关。”