《Nature》衰老与神经退行性疾病中血脑屏障的 “隐形守护者”：大脑内皮糖萼的奥秘

为探究血脑屏障（BBB）功能障碍机制，斯坦福大学研究人员研究大脑内皮糖萼，发现其在衰老和疾病中失调，恢复相关糖基化可改善 BBB 功能，对治疗相关疾病意义重大。

　　

血脑屏障（Blood-Brain Barrier，BBB）就像大脑的 “忠诚卫士”，严密守护着大脑这片 “神秘领地”，阻挡血液中有害物质的入侵，维持大脑内环境的稳定。想象一下，大脑如同一个精密运转的超级计算机中心，而血脑屏障则是围绕在它周围的坚固防线，确保只有对大脑有益的物质能够进入，有害物质被拒之门外。然而，随着年龄的增长，以及神经退行性疾病的发生，这道防线却会逐渐出现漏洞，导致大脑健康受到威胁。在衰老和神经退行性疾病的进程中，血脑屏障的功能障碍成为了一个关键问题，它与许多不良后果密切相关，如神经炎症的加剧、认知能力的下降等。但令人遗憾的是，作为血脑屏障重要组成部分的大脑内皮糖萼层，尽管它在其中起着关键作用，可人们对它在正常和疾病状态下的组成及功能却知之甚少。在这样的背景下，为了深入了解血脑屏障功能障碍的机制，寻找潜在的治疗靶点，斯坦福大学的研究人员展开了一项意义重大的研究。

这项研究成果发表在《Nature》杂志上，为我们揭示了许多关于血脑屏障和大脑内皮糖萼层的重要信息。研究人员发现，大脑内皮糖萼在衰老和神经退行性疾病过程中高度失调，尤其是黏蛋白结构域糖蛋白（mucin-domain glycoproteins）的异常变化十分显著。而且，恢复核心 1 黏蛋白型 O - 聚糖（core 1 mucin-type O-glycans）的水平能够改善血脑屏障功能，减少神经炎症，还能改善老年小鼠的认知功能。这一发现为治疗与年龄相关的中枢神经系统（CNS）疾病开辟了新的道路，有望成为对抗血脑屏障功能障碍的有效策略。

为了开展这项研究，研究人员运用了多种关键技术方法。在样本方面，使用了来自美国国立老化研究所啮齿动物群落的老年 C57BL/6 小鼠、杰克逊实验室的年轻 C57BL/6 小鼠，以及经斯坦福大学 / 退伍军人事务部老化临床研究中心提供的人类死后新鲜冷冻脑组织。技术上，利用透射电子显微镜（TEM）观察大脑内皮糖萼层的结构变化；通过 RNA 测序（RNA-seq）分析相关基因表达情况；运用腺相关病毒（AAV）载体进行基因调控实验等。

研究结果主要从以下几个方面展开：

• 衰老过程中糖萼的失调：研究人员利用透射电子显微镜结合硝酸镧染色技术，对年轻和老年小鼠大脑内皮糖萼层进行观察。结果发现，老年小鼠大脑皮质毛细血管的管腔糖萼层明显减少，平均糖萼厚度和面积均显著下降。为了进一步探究导致这些变化的原因，研究人员分析了之前的 RNA-seq 数据集，发现许多与糖基化相关的基因在衰老过程中出现显著失调。其中，硫酸乙酰肝素代谢相关基因上调，而黏蛋白型 O - 聚糖生物合成相关基因下调。通过成像和流式细胞术等实验进一步验证，发现衰老过程中透明质酸、硫酸乙酰肝素和硫酸软骨素的表达增加，黏蛋白结构域糖蛋白的表达减少。这些数据表明，大脑内皮细胞表面糖基化在衰老过程中发生了显著的结构和组成变化，而这种变化可能与转录水平的改变有关。

• 下调的黏蛋白型 O - 糖基化：黏蛋白型 O - 糖基化是一种重要的蛋白质翻译后修饰，它形成的黏蛋白结构域具有独特的生物物理和生化特性。许多黏蛋白结构域糖蛋白在大脑内皮细胞中大量表达，对维持血脑屏障功能起着重要作用。研究人员利用重组黏蛋白选择性蛋白，发现老年小鼠大脑内皮细胞中黏蛋白结构域糖蛋白的染色强度明显减弱，且这种变化具有脑特异性。通过蛋白质组学分析，发现虽然没有明显的黏蛋白结构域糖蛋白支架随年龄减少的现象，但黏蛋白型 O - 聚糖生物合成酶 C1GALT1 和 B3GNT3 的水平显著降低，这与转录组数据一致。此外，研究人员还对阿尔茨海默病和亨廷顿病的相关数据集进行分析，发现大脑内皮黏蛋白型 O - 聚糖生物合成在这些神经退行性疾病中也是下调的，这表明黏蛋白型 O - 糖基化下调可能是血脑屏障功能障碍在多种神经退行性疾病中的一个共同特征。

• 血管损伤：为了研究下调的黏蛋白型 O - 聚糖生物合成对血脑屏障功能的影响，研究人员使用脑内皮细胞特异性的腺相关病毒靶向敲低小鼠脑内皮细胞中 C1galt1 的表达。结果发现，敲低 C1galt1 后，小鼠血脑屏障出现渗漏，血管通透性增加，同时还观察到白蛋白和 IgG 的渗漏。此外，研究人员通过静脉注射 StcE 来切割管腔黏蛋白结构域糖蛋白，发现这也会导致血脑屏障功能障碍，甚至出现脑出血的情况。进一步研究发现，黏蛋白降解会导致大脑内皮细胞中与血管发育、完整性、TGFβ 信号通路和氧化应激调节相关的基因下调，细胞内活性氧（ROS）生成增加，紧密连接蛋白减少，紧密连接出现异常。这些结果表明，黏蛋白结构域糖蛋白在维持大脑内皮细胞稳态和血脑屏障完整性方面起着至关重要的作用。

• 糖萼恢复改善大脑内环境稳定：既然黏蛋白型 O - 糖基化下调会导致血脑屏障功能障碍，那么恢复其水平是否能够改善这一情况呢？研究人员通过在老年小鼠脑内皮细胞中过表达 C1GALT1 和 B3GNT3 这两种酶进行验证。结果发现，过表达这两种酶能够增加黏蛋白结构域糖蛋白的标记，改善血脑屏障功能，减少血管渗漏。行为学测试表明，过表达 B3GNT3 的老年小鼠在 Y 迷宫和恐惧条件反射测试中表现出更好的认知功能。单细胞 RNA 测序（snRNA-seq）分析发现，过表达 B3GNT3 能够促进老年小鼠大脑细胞向更年轻的状态转变，增加神经元稳态和神经发生相关基因的表达，减少神经炎症标记物的表达。这表明恢复大脑内皮细胞的黏蛋白型 O - 糖基化能够改善大脑内环境稳定，对认知功能产生积极影响。

在讨论部分，研究人员指出，他们首次发现大脑内皮糖萼失调是导致衰老和神经退行性疾病中血脑屏障功能障碍的重要分子机制。黏蛋白结构域糖蛋白对大脑内皮糖萼层和血脑屏障功能有着重要贡献，但其具体作用机制仍有待进一步研究。此外，虽然研究表明 AAV 介导的 C1GALT1 和 B3GNT3 过表达能够改善血脑屏障功能和大脑健康，但具体的作用机制还不清楚。未来的研究需要进一步明确关键的黏蛋白结构域糖蛋白及其作用途径，以及其他大脑内皮糖基化途径在大脑功能和神经退行性变中的作用。

总的来说，这项研究为我们深入了解血脑屏障在衰老和神经退行性疾病中的变化机制提供了重要依据，揭示了大脑内皮糖萼层和黏蛋白型 O - 糖基化在维持血脑屏障功能中的关键作用。恢复大脑内皮糖萼的功能有望成为治疗与年龄相关的中枢神经系统疾病的有效策略，为相关疾病的治疗带来了新的希望。同时，该研究也为后续进一步探索大脑内皮糖基化的奥秘奠定了坚实的基础，推动了生命科学和健康医学领域在这一方向的研究进展。