【重磅综述】以血脑屏障为“匙”解开健康衰老之“锁”

老顽童说细胞世界

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翻译 by 王敏王雪宝左越晟张保虎

大脑是支配人的一切活动的最高统帅，与人的思维、感觉和行为息息相关。作为中枢神经系统的重要组成部分，大脑拥有名为血脑屏障的“保护罩”。这种防护罩可以将有害物质拒脑组织之外而保护脑组织不受到伤害。但是在衰老过程中，往往会伴随着各种组织器官的退化，因此血脑屏障也需要不断调整自己的状态来应对大脑活动的变化。那在健康衰老过程中血脑屏障究竟将发生怎样的变化呢？今天小编就来带大家学习一篇2021年3月份华盛顿大学西雅图分校的William A. Banks团队和May J. Reed团队在Nature Aging上发表的题为“Healthy aging and the blood–brain barrier ”的综述文章。在这篇综述文章中，作者介绍了在健康衰老过程中血脑屏障发生的改变，并介绍了这些变化在衰老及衰老相关的疾病中的影响。

（左：William A. Banks；右：May J. Reed）

（图片来源于网络）

摘要

血脑屏障（blood-brain barrier, BBB）能够将中枢神经系统（central nervous system, CNS）与血液及血液中的物质隔离开来而发挥保护CNS的功能。BBB主要通过控制一些物质由血液到脑或脑到血液的渗透而滋养中枢神经系统，并调控CNS与周围组织之间的稳态和交流。形成BBB的细胞能够与大脑和周围组织的细胞进行交流，但是BBB的这种高度调节的功能往往会随着健康衰老而发生变化。本文中，作者对BBB初始的形态变化到最终的功能破坏之间的过程进行了回顾。其中，转运体的变化包括转运淀粉样β肽、葡萄糖和药物的变化。脑液动力学、周细胞健康以及基底膜和糖萼成分也会随着健康衰老而改变。而携带ApoE4等位基因会加速BBB大部分与年龄有关的变化。在这里，作者讨论了健康衰老引起的BBB变化如何适应生命后期生活以及如何影响年龄相关疾病的易感性。

对BBB的研究起源于19世纪后期，当时一些人观察到染料和生物活性物质在血液系统注射时并不能对大脑染色或影响大脑行为，但当直接注射入中枢神经系统时却可以，因此认为在血液和CNS之间存在选择性屏障。目前，BBB通常被分为四类：第一类是血管BBB（vascular BBB, vBBB），其主要位于脊椎动物中的毛细血管床和邻近的小动脉和小静脉，其基本单位是脑内皮细胞（brain endothelial cell, BEC）；第二类是血-脑脊液屏障，主要位于脉络丛，其基本单位是室管膜细胞；第三类是将周围脑室器官（缺乏vBBB的大脑小区域）与其相邻的脑区屏障分开的单核细胞屏障，其基本单位是单核细胞；第四类脑膜屏障主要位于蛛网膜基质内，其基本单位是上皮细胞。此外，其它器官也存在类似BBB的功能，例如血管-视网膜屏障和耳道屏障。这些屏障都会随着健康衰老变化，而对vBBB的变化研究则最为透彻。本篇文章中， vBBB专门指代血管BBB，而BBB则是一个更笼统的概念。

BBB通过屏障细胞之间的紧密连接来防止血液传播中的物质随意进入到CNS中。这种紧密连接是邻近屏障细胞紧密结合在一起，形成了像细胞膜一样能够有效阻碍电子通过的蛋白质复合物（图1）。BECs也几乎丧失了胞饮和窗孔结构的特性，而这些特性在正常情况下往往会导致周围其他毛细血管床发生渗漏现象。因此，超滤液及其伴随的血源性分子的随意渗漏不会在vBBB中发生。

毛细血管床产生的超滤液不仅是CNS的营养来源，也是外围引流所需淋巴系统的液体来源。因此，CNS必须找到其他途径来进行营养物质的输入和毒性物质的输出。BBB能够通过多种机制来发挥这些功能，其中主要使用外排转运蛋白和内向转运蛋白发挥功能。BBB还调节信息分子（例如肽和调节蛋白）转运以及免疫细胞和外泌体的双向运输。BBB的细胞在其外周表面（管腔；基底外侧）和面向CNS的表面（管腔；顶端）都能够产生响应并分泌多种物质。因此，除了起屏障作用外，BBB还起着血脑界面交流的作用。

构成vBBB的BEC并不是独立发挥功能，而是与形成神经血管单位（neurovascular unit, NVU）的其他细胞发生交互作用。目前这些细胞中研究最为深入的是周细胞和星形胶质细胞，但是CNS的其他细胞以及周围的细胞（例如，循环免疫细胞）也都会影响屏障功能。在生命周期中，周细胞对胎儿期的vBBB形成和健康衰老期间的vBBB的维持尤为重要。参与到这种交互作用的分子有很多与免疫相关（例如，细胞因子和趋化因子），BBB往往会先将CNS和免疫系统隔离开来，之后重新将两者连接起来。BBB能够分泌和响应循环系统中的物质，这使得其很像内分泌组织。BBB在神经免疫轴或作为内分泌组织中发挥功能这一模型，则强调了BBB的复杂性和多功能性，其中许多功能会随着健康衰老而发生变化（相关术语词汇表，请参见Box 1）。

Box1：词汇表

适应敏感性：老年人中发生的一些生物学变化使得生命在生殖后期得以适应生存。

基底膜：BEC腔侧的细胞外基质。

血脑屏障（BBB）：是指防止血浆和CNS液体进行异常交换的过程和结构。

对流：溶质的运动归因于其溶剂的运动。在其它大多数领域中，这是对流的定义，而对流既包括扩散又包括对流。

扩散：物质从较高浓度区域到较低浓度区域的运动。如本文所用，它是由溶质的布朗运动引起的，并且是均匀的，分子越小扩散速度越快。

外排转运蛋白：可以将配体由大脑转移到血液的转运蛋白。

神经血管单位：就本综述而言，是指形成或影响vBBB的结构和功能的细胞，尤其是位于CNS内的细胞。

糖萼：位于BEC腔表面的糖脂/糖蛋白基质。

淋巴系统：这一概念强调星形细胞AQP4水通道产生的自由水作为对流驱动力的作用，以及流体运动在清除脑部废物中的重要性。

内向转运蛋白：可以将配体由血液转移到大脑的转运蛋白。

代谢水（游离水）：细胞内葡萄糖代谢产生的水。

衰老：最初定义为细胞分裂能力的丧失，现在逐渐将其描述为具有特定促炎性分泌蛋白（衰老相关的分泌表型）并表达生物标志物的细胞，例如β半乳糖苷酶和p16^Ink4A。

跨细胞扩散：是一种跨过包含有BBB的细胞膜的机制，该机制在很大程度上取决于化合物的物理化学性质。

vBBB：由脑的毛细血管床及其相邻的小动脉和小静脉形成的BBB。

BBB和衰老模型

所有BBB都会随着时间的推移而发生变化，但是针对vBBB上发生的改变研究最为透彻，因此也将成为本篇综述的重点。在健康衰老过程中已对NVU的细胞进行了不同程度的研究。但是，许多文献中都没有对BBB功能进行研究。例如，关于衰老的星形胶质细胞的文献很多，但是很少有关于衰老的vBBB的文献。在这里，作者只关注有关健康衰老的文献，而不是与有关年龄相关疾病的文献。

一个人对衰老概念的定义会影响其对“健康衰老”的定义。大多数衰老理论，例如衰老的标志和衰老支柱，都将衰老定义为随着时间推移细胞损伤的累积。细胞损伤的产生因素是相互影响的，包括氧化应激、表观遗传变化、基因组不稳定性、端粒磨损、细胞信号传导和炎症反应失调以及衰老。细胞衰老包括衰老相关的分泌表型和生物标志物（如β半乳糖苷酶和p16^Ink4A）。最近的转录组学研究表明，衰老相关基因表达水平高的BEC数量随着衰老增加。Sirtuin-1是介导vBBB功能障碍的衰老调节因子之一。在衰老过程中Sirtuin-1的丢失与vBBB功能障碍有关。

适应性衰老理论支持了大脑可以在老化时保持健康的观点。为了适应成熟大脑的变化需求，BBB功能在整个生命周期中都会发生变化。例如，新生儿和成人vBBB对氨基酸的转运不同。因此，有些人认为大脑健康衰老往往会伴随BBB功能的改变。这种观点与BBB作为生理性界面的概念是一致的，其并不依赖于疾病模型来定义年龄相关的变化。然而，文献中的健康衰老的BBB是一种标准统一化的观点（即通常遇到的情况），可能无法反映出真正的健康标准。

图1：vBBB或脑内皮细胞及外周内皮细胞的特性比较。该图的上部显示了vBBB的主要特征：无胞饮作用和窗孔结构，紧密连接限制了细胞旁扩散，管腔小叶与无管腔小叶中的极化细胞膜具有不同蛋白质，BBB渗透的单向和双向的饱和及不饱和（跨细胞扩散）机制，糖萼和BM的机制。图的下部显示了外周毛细血管渗漏的形态学基础：细胞旁扩散，胞饮作用和窗孔结构的存在。一些周围毛细血管虽然也具有紧密连接的结构，但比BBB的渗漏多。

vBBB随着衰老的形态变化及共病理的挑战

早在五十多年前人们就已经认识到，vBBB的形态会随着年龄的增长发生变化，其中许多早期研究利用电子显微镜观察到脑毛细血管内皮细胞以及NVU相关细胞和无细胞成分的超微结构变化。表1总结了评估形态学变化的研究结果。此外，成年大鼠的自由基损伤增加，但脑微血管组成没有变化。许多研究不包括中年群体，所以，这些变化随着年龄的增长是逐步发生还是渐进发生的还尚不清楚。

衰老vBBB的其他形态变化可以通过毛细血管密度和直径进行评估。这些变化的研究结果是混乱的，可能与研究的实验设计有关，例如小样本量，老年组的年龄（应当由物种存活期的中位数定义）和检查的大脑区域考虑不周，以及是否评估了共病理，后一点是关键的因素。研究健康的人类衰老的挑战是，即使没有明显的临床疾病，也往往也存在一定程度的病理性。例如，对来自认知正常的捐献者的300多个大脑进行全面的神经病理学评估显示，看似健康的个体缺乏神经病理学可能只是一个例外，而不是普遍规律。大体上有约4％的认知正常的受试者未表现出神经病理学变化，而将近60％的人有阿尔茨海默氏病（Alzheimer’s disease, AD）病理的证据，而将近40％的人则有包括AD和微血管性脑损伤或路易小体的混合病理，只有约1％的人群在不存在神经退行性疾病的情况下有微血管损伤。值得注意的是，本研究评估的病例仅限于在死亡前一年内进行的认知筛查测试的前四个五分位，以避免选择患有前驱性痴呆的参与者。

神经病理学诊断和后续分类的不断发展将使得健康大脑衰老的研究变得更加复杂。总而言之，该领域的方法论问题仍是一个挑战，而且对健康衰老过程中vBBB的形态变化也尚未达成明确共识。

表1：衰老vBBB的结构变化。

衰老中的vBBB紊乱

在健康的衰老中是否存在BBB的紊乱已有数十年的争议。如本文所述，紊乱是指血浆溶质在vBBB中不受控制的渗漏，而不是如转运蛋白的改变、透析、酶活性或受体功能改变等其他类型BBB功能障碍。如形态学部分所述，没有一致的超微结构证据证明vBBB会随着衰老而使得紧密连接蛋白（tight-junction proteins, TJPs）发生变化或胞饮小泡数量增加。早期在大鼠中使用蔗糖作为示踪剂的研究也表明随着年龄的增长vBBB的功能不会弱化。较早的文献还包含有脑脊液/血液比例和免疫组织化学研究；在这些领域，与之前提到的综述一样有关衰老vBBB紊乱的发现混杂在一起不成体系。免疫组织化学分析通常依赖于BBB排除的物质（例如白蛋白、纤维蛋白原、埃文斯蓝、纤溶酶原或IgG）在血管周围形成环状结构，它们的存在被认为是血管渗透的证据。然而在年轻健康的大脑存在一定程度的成套反应（血管周围白细胞聚集成套状），尚不清楚血管的成套反应是否随着健康年龄的增长而增加。IgG不适合用于这种类型的分析，因为它主要由中枢神经系统内的免疫细胞分泌，并且其血管外排系统可能参与其与内皮细胞腔表面的结合。埃文斯蓝也存在几个问题。最近一项涉及20, 000名参与者的研究证实，脑脊液/血白蛋白比值呈年龄依赖性增加，在男性中尤为明显。但是仅对健康的捐献者进行分析时，这种增加有所减弱。脑脊液的重吸收随着年龄增长而减慢，这也增加了脑脊液/血白蛋白的比率。目前尚未确定与年龄相关的脑脊液/血清白蛋白比率上升是由BBB渗透或脑脊液重吸收的减少引起的。

最近在啮齿类动物中的衰老研究存在争议，一些研究显示vBBB的渗透和/或TJPs的表达下调，而其他研究在老龄啮齿动物中并未发现vBBB的渗透。最近使用新方法标记血浆蛋白质组，发现在年轻小鼠中大量发生的血浆蛋白运输在年老小鼠中减少了。衰老伴随着受体介导的胞吞作用的网格蛋白包覆小泡数量的减少和介导非特异性蛋白渗透的小窝数量的增加。不依赖网格蛋白和小窝蛋白介导的胞吞作用是vBBB完整性的关键。我们因此认为该研究不是指向由胞饮作用引起的渗透，而是指向其他胞吞机制。

目前成像技术的发展为确定健康衰老过程中BBB紊乱的程度提供了可能。使用动态对比磁共振成像（DCE-MRI）的研究发现，随着健康衰老，海马以及灰白质中的vBBB发生紊乱。这种紊乱与公认的伴随健康衰老出现的认知能力下降相关，与白质渗漏和延迟回忆之间的相关性最强。这些研究强烈支持健康衰老的过程中的vBBB发生紊乱，并与某些类型的认知能力下降有关。尽管BBB的任何紊乱，尤其是可能持续数十年的紊乱，都可能对脑部健康有害，但这些研究必须在一定背景下加以解释。在Montagne等人的研究中，钆（Gd）的渗透预计在20至100岁之间增加约80％。与此形成对比的是，在多发性硬化症的病变部位渗透增加约7倍。随着年龄的增长，示踪剂渗透的增加在个体之间变化很大，并且在正常值范围内；例如在Verheggen等人的研究中，一个90岁以上的个体的白质渗透量比两个50岁以下的个体的少。这种渗漏很小，而且因人而异，这就解释了为什么很难通过免疫组化检测BBB的紊乱。总之，成像表明健康衰老vBBB中渗漏的少量增加，这与认知障碍的某些衡量标准相关。渗漏的增加很小且变化不定，这很可能解释了为什么组织学结果总是不明确的。

vBBB的运输系统改变

BBB的渗透系统具有多种功能，可以通过多种方式进行分类。功能包括为中枢神经系统提供稳态环境、营养以及与周围组织的交流。转运体可以被构造成依赖能量或不依赖能量的囊泡、通道或孔，并通过BBB双向或单向运输。如下所述，药物也可以通过转运蛋白穿过BBB进入大脑，这两种转运体，即大型中性氨基酸转运体(large neutral amino acid transporter, LAT-1)和p-糖蛋白(p-glycoprotein, P-gp)，随着健康的衰老而发生改变。其他随着健康老龄化而减少的vBBB转运蛋白包括：白介素-1家族的蛋白、胆碱、三碘甲状腺氨酸、肿瘤坏死因子-α、葡萄糖、胆碱、Tyr-MIF-1和脑啡肽。动力学分析显示，某些转运体存在非竞争性（Michaelis Menten常数（Km）和速度（Vmax）均下降）抑制模式，这表明是转运体辅因子的丢失或干扰，而不是竞争性抑制剂的存在或转运蛋白数量的丢失影响转运体的效率。

BBB转运蛋白随着衰老而发生的变化是对健康衰老的适应、是BBB功能的紊乱还是对脑部疾病的应激反应? 新生儿和成人之间BBB转运蛋白的变化反映了大脑成熟过程中不断变化的需求。BBB功能的改变同样可能反映出原本健康的大脑的需求变化或对患病大脑需求的适应性反应。或者，脑BBB的功能与大脑的需求之间的不匹配将导致中枢神经系统功能障碍。例如，脑-血转运体低密度脂蛋白受体相关蛋白-1 （LRP-1）的抑制会导致淀粉样β（Aβ）肽的外排减少，其随后的积累将导致认知障碍。

人们对于BBB转运效率的变化是否与中枢神经系统功能障碍有关，或者是否为中枢神经系统功能障碍的原因一直争论不休。跨vBBB的葡萄糖转运接近其最大值，几乎所有转运到大脑的葡萄糖都被使用了。葡萄糖转运和葡萄糖代谢彼此之间以及与脑血流紧密相关。三者均随年龄增长而减少，但脑血流与葡萄糖转运代谢之间并没有时间和空间上的直接联系。校正脑萎缩后，葡萄糖转运的减少被消除了。但是问题仍然存在：葡萄糖通过vBBB的运输是对老化的脑组织需求降低的反应，还是通过vBBB的葡萄糖运输的减少导致了饥饿的大脑功能障碍?

总之，尽管目前BBB运输系统相关的研究还较少，但已发现其在健康衰老的过程中发生了明显变化。为什么大多数表现出动力学上的非竞争性变化还不清楚，但表明了辅助因子在其中的作用。葡萄糖转运的减少是一个两难的问题，即确定这种变化是对中枢神经系统变化的后果还是其原因。

衰老大脑中的BBB与药物通路改变

在65岁以上的美国人口中，几乎90％的人报告至少使用一种处方药，约35％的人报告同时使用五种或更多种处方药，这突显了老年人中药物使用量增加的趋势。包括中枢神经系统活性药物在内的许多药物的药代动力学和药效学在高龄时发生改变。大多数药物进入大脑的机制是跨膜扩散；渗透速率主要由脂溶性、氢键和分子量决定，但也受与血清蛋白的结合和外周血药代动力学的影响。

与亲脂性药物相比，亲水性药物在BBB中的扩散要容易得多，而且像P-gp这样的特殊外排转运蛋白的表达阻碍了许多其他膜性药物的通过。证据表明，人类从中年开始vBBB的P-gp功能下降，并持续到老年，表达下降与神经病理负担协同作用。在体内，P-gp活性也会因伴随正常衰老的炎症以及许多与年龄相关的疾病等因素而降低。对于老年人来说预期更为敏感，与中枢神经系统活性药物如抗精神病药、苯二氮卓类药物和阿片类药物有更多的不良反应，其中许多是P-gp的底物或抑制剂。因此随着年龄的增长，P-gp缺乏可能会导致大脑中药物分布的变化是有道理的。其他药物（例如左旋多巴和加巴喷丁）亲水性太强，无法自由穿过细胞膜，它们可以穿过vBBB，因为它们是BBB转运蛋白例如LAT-1的底物。因此更好地了解vBBB的年龄相关变化如何影响中枢神经系统的药物传递对于开发更安全，更有效的老年患者疗法非常重要。

衰老与脑液运动的变化

大脑的日常活动会产生无用的代谢物，为了保持体内平衡必须清除这些代谢物。没有毛细管超滤液，大脑就不会拥有经典的淋巴系统。对于不容易通过vBBB在脑-血方向被清除的溶质，大脑长期以来清除的主要机制是交换进入脑脊液腔。脑脊液主要由侧脑室、第三脑室和第四脑室的脉络丛产生，通过大量流动向外运动通过心室系统，并通过Magendie和Luschka孔流出，进入并充满围绕大脑和脊髓的蛛网膜下腔（图2）。当脑脊液经蛛网膜绒毛重新吸收进入血流或沿颅神经引流至颈部淋巴管时，间质和脑脊液间交换的溶质被清除。

脑脊液和间隙之间的流体及其溶质交换主要受两种运动的影响：扩散（主要由布朗运动驱动）和对流（更适合称为平流）。扩散的特征是，溶质运动是对称的（即从起点到各个方向都相等），浓度从较高到较低，并且低分子量溶质的扩散速度比高分子量溶质的扩散速度快（图2），扩散的这些特性不会因老化而改变。对流/平流的特征是溶质跟随其溶剂的移动（总体流动），这会产生不对称的梯度，并且与溶质的移动与分子量无关。进入间质空间的溶质向心室迁移的速度比脑室脑脊液溶质向脑实质迁移的速度快，说明大脑间质空间发生对流。脑组织液和脑脊液中的对流的机制是代谢自由水的产生、脑脊液的分泌和重吸收、血管脉动和位于星形胶质细胞端足上的水通道蛋白4（AQP4）分泌的水。大脑的解剖结构异质性被认为放大了不对称的溶质分布，即Virchow Robin间隙（围绕贯穿血管的充满液体的间隙，支持脑脊液和脑组织之间的液体运动），环绕vBBB的星形胶质细胞端足将脑实质分离为血管周围区和脑间质液区以及环绕脑细胞的脑间质液通道。

所有提出的对流机制都被发现随健康老化而发生变化。随着健康年龄的增长，脑脊液周转率降低。老年啮齿动物的胶状淋巴系统由于血管周围AQP4缺失而受损。血管周围运动在慢波睡眠中更为活跃，因此可能会被睡眠碎片化所干扰，健康的老年人经常发生这种情况。动脉顺应性降低发生在健康的人类衰老过程中，这影响了毛细血管的血管搏动和胶状淋巴活动。与年龄相关的脑细胞代谢率的降低或脑细胞数量的减少会减少代谢自由水的产生。健康衰老过程中BBB的紊乱可能会改变衰老大脑中的对流。除BBB中断外，大多数与年龄相关的对流变化都会减少对流。

脑液对流改变的一些后果是可以理解的。随着健康年龄的增长，脑脊液周转率降低是脑脊液/血清白蛋白比值升高的原因之一。相对于低分子质量物质，对流的减少会使高分子质量物质的清除更为困难。根据Ray等人得出的数据外推，对于分子量大于200 Da的溶质对流比扩散更能解释溶质的运动。因此，从衰老的大脑中清除低分子量溶质受到的影响要小于肽和较大化合物的溶质。

图2：脑液通过扩散和对流运动。正常的衰老对扩散没有影响，而会改变对流的许多方面。a，主要由布朗运动驱动的扩散，其特征在于其扩散是对称的，并且分子量较低的物质更快。b - d，对流是由区域间不同的几种力量驱动的。b，脑脊液是由位于心室系统的脉络丛产生的，在蛛网膜绒毛处被重吸收并流入鼻腔淋巴管。c，在血管周围空间中，流体通过小动脉搏动和星形细胞AQP4通道产生的自由水混合或驱动至毛细血管床的小静脉末端，并进入脑间质液空间。游离水的产生增加了渗透压。间隙液通过形成脑实质的各种细胞之间的曲折通道移动。代谢自由水会增加组织液空间中的渗透压，从而将流体推向脑脊液腔室。d，脑脊液和组织液可以进入血管周围的空间，并渗入大脑(Virchow Robin空间)。进入Virchow-Robin空间的组织液可以与脑脊液混合，而脉动有助于运动和混合。进入该空间的脑脊液可能能够深入到脑实质（请参阅问号和虚线箭头）

NVU的细胞类型在衰老过程中发生变化，并影响vBBB的健康

尽管大脑中的所有细胞类型都与BEC有直接的细胞间相互作用，但在这其中对诱导BECs形成vBBB以及在调节BBB结构和功能方面起决定性作用的是星形胶质细胞和周细胞这两种细胞类型。总体上，尽管有大量文献报道衰老对星形胶质细胞的影响，但有关这些变化如何与BBB关联并对BBB施加影响目前仍不清楚。因此，衰老的星形胶质细胞对vBBB的影响还有待研究者进一步探索。而与之相对的，关于衰老的周细胞对BEC功能的影响的研究已较为全面完备，这些研究揭示了周细胞功能在BBB衰老中的关键作用。

伴随着衰老过程，星形胶质细胞的细胞形态变得更肥大，表达神经炎症基因的细胞数量增加，呈现出更多"反应性"的形态学表型；与此同时，星形胶质细胞的增殖减慢，细胞总数减少。此外，衰老的星形胶质细胞的氧化代谢增加，谷氨酸的调节也发生改变。星形胶质细胞反应性表型的出现和抗氧化能力的受损会影响它们对压力或损害的响应。因此，在健康的衰老过程中，这种表型可能直到中枢神经系统出现损伤或损害后才会出现。而星形胶质细胞同时也作为Ssh（sonic hedgehog, 一种重要的信号传导分子）的主要分泌细胞，该分子被认为可作用于BEC来调节vBBB的通透性。Ssh介导的信号通路在反应性的星形胶质细胞中受阻，这一现象在衰老过程中增加，其可能是衰老过程中vBBB功能障碍的原因。

尽管过往的数据有相互矛盾之嫌，但最近基于方法学上的研究进展表明，衰老过程中会出现周细胞的丢失。此外，由于血小板生长因子受体β（platelet-derived growth factor receptor β, PDGFRβ）信号随年龄增长发生改变，周细胞可能因此与BECs失去联系。20%周细胞的丢失就足以在不损伤神经元的情况下造成小鼠血管的损伤。周细胞对vBBB完整性至关重要，特别是在压力条件下，周细胞的丢失会严重影响血流和循环。从周细胞游离出的可溶性的PDGFRβ与vBBB的分解直接相关，并且该蛋白的CSF水平可以预测认知状态的变化。综上，可以得出结论：衰老相关的周细胞丢失可能导致vBBB的功能障碍。

与其他BBB细胞类型相比，人们对衰老过程中周细胞老化相关丢失的具体机制，尤其是DNA的氧化损伤和修复方面仍知之甚少，还需进一步探索。Box 2中进一步详细阐述了包括氧化应激在内的周细胞丢失机制。

周细胞也是调节包括BEC和周细胞本身的转运系统的关键。Sweeney等最近回顾了周细胞中存在的转运系统。除了Aβ的转运器外，这些转运系统在衰老过程中会发生怎样的变化，在很大程度上是未知的。最近一项转录水平上的研究表明，在从人类和小鼠收集的vBBB样本中，基因ARHGAP42的表达量在衰老过程中下降。该基因编码的蛋白在周细胞中富集，并发挥着调节血压、维持血管稳定的作用。通过使用周细胞敲除的小鼠模型，研究人员发现周细胞的丢失与伴随的vBBB功能失调在几天内就可导致神经退行性改变，并在2周内影响小鼠的行为。

总而言之，与衰老相关的BECs、周细胞以及星形胶质细胞的变化，改变了NVU-BEC细胞间的相互作用，导致了与衰老相关的BBB功能的改变。相对地，BBB功能的改变也会诱发衰老相关疾病，或增加衰老相关疾病的易感性。Box 2中说明了防止周细胞丢失和星形胶质细胞进入反应性状态的机制，Box 3中阐述了为了探寻NVU-BEC细胞通讯的机制仍需进行的研究。

Box2：预防周细胞丢失和星形胶质细胞活性化的疗法

由于周细胞丢失和星形细胞活性增加与健康衰老中的BBB破坏有关，因此预防周细胞丢失和星形细胞活化对于健康衰老BBB可能具有巨大的治疗潜力。另外，给予周细胞分泌的有益因子也可以帮助BBB的维持和发挥功能。

周细胞植入已被用于改善BBB的运输功能。将间充质干细胞衍生的周细胞在侧脑室内注射入老龄小鼠的右半球和对侧体。两周后细胞仍然存活，并通过促进微血管形成和增加微循环保持了周细胞的特性。

生长因子由周细胞产生并具有治疗潜力。临床试验表明，外源性给予PDGF-BB治疗帕金森病患者的耐受性良好。PDGF信号传导不仅在血管形成中而且在血管维持中都起关键作用。由周细胞产生的另一种生长因子，胶质细胞源性神经营养因子（glial cell-line-derived neurotrophic factor, GDNF），可上调内皮细胞中claudin-5的表达并增加BBB的紧密性。侧脑室内注射周细胞来源的多营养因子(pericyte-derived Pleiotrophin, PTN)可防止神经元丢失，而不依赖于恢复血液流动。与其他中枢神经系统细胞类型相比，PTN是一种富集于周细胞的分泌生长因子，且不存在于外周细胞。因此这些关键的周细胞分泌因子PDGF-BB、GDNF或PTN可能通过鼻内给药递送至中枢神经系统中，具有修复老化BBB的治疗潜力。

托吡酯治疗可以预防周细胞的丢失，表明该线粒体碳酸酐酶抑制剂可通过减少葡萄糖代谢引起的氧化应激来保护NVU，从而有可能延缓与年龄有关的中枢神经系统疾病。体外研究表明，抗氧化剂抗坏血酸可以预防高糖诱导的周细胞凋亡。这些发现表明恢复周细胞的抗氧化能力在防止与衰老有关的周细胞丢失中起重要作用。

延长寿命的干预措施，如长期运动、热量限制和雷帕霉素治疗等可以防止衰老小鼠的周细胞丢失和星形细胞形态改变。锻炼可以改善行为和突触功能；皮层和海马体的周细胞数量和血管覆盖也增加了，与年轻小鼠的水平相似。此外，锻炼已被证明可以增加GDNF表达，正如上文所提到的，这可以帮助维持BBB完整性。运动已被证明可以降低中年雌性小鼠的星形胶质细胞的活性，但在年轻小鼠和其他神经退行性变小鼠模型中，运动可以增加星形胶质细胞的活性，这已被证明对某些疾病有保护作用。除热量限制和雷帕霉素治疗能否改善衰老中的周细胞数量外，星形细胞活性在衰老中的作用还有待确定。因此，已知的延长寿命的治疗有可能帮助防止与年龄相关的周细胞丢失，提高星形胶质细胞的活性，并最终恢复BBB功能。

Box3：BBB健康衰老领域的关键研究问题

在NVU处帮助支持BECs的细胞包括周细胞和星形细胞。这些细胞的功能随着年龄的增长而下降，以致于不能维持BBB的健康。这些细胞的存在对BBB的稳态维持至关重要，任何一种细胞类型的丢失都会导致BBB被破坏。周细胞丢失的原因和星形胶质细胞反应性的表型变化以及对BBB的直接影响是重要的考量因素。作者制作了一份清单，其中列举了文献中关于衰老对支持BBB功能的细胞的影响以及回答这些问题将如何推动这一领域的发展。

1. 确定为什么随着年龄的增长会出现周细胞丢失和星形细胞反应性的表型改变。衰老过程中的周细胞丢失导致BBB和中枢神经系统内的许多变化。然而，这种变化的原因仍有待于确定。周细胞丢失和星形细胞反应性增加是否是进化过程中的一部分？在健康衰老过程中，周细胞丢失和星形细胞过度活跃是由什么机制造成的？BECs在多大程度上诱导了周细胞和星形细胞的变化？还是由NVU中的其他细胞诱导的呢？

2. 确定老化过程中周细胞丢失和星形胶质细胞反应性产生的速度。虽然已知这些事件是随着衰老而发生的，但不清楚在衰老过程中何时开始发生变化，以及这些变化是以线性还是指数方式发生。损伤和压力源可以增加衰老的速度，但至少在动物模型中，周细胞丢失和星形细胞反应性可以独立于压力源而发生。确定是什么使这些细胞容易发生变化，可以延长BBB的健康时期。

3. 确定周细胞丢失和星形细胞反应性对BBB转运系统的下游影响。衰老、周细胞丢失和星形细胞激活的影响只在BBB转运系统中的少数几个系统中进行了研究。问题的关键在于，在健康衰老的BBB中，哪些变化是衰老的BEC所固有的，哪些是对支持细胞的年龄相关变化的反应。

4. 确定衰老是如何在区域和分区上影响BBB的。现在人们认识到，BBB在整个大脑中是不均匀的。它可以在脑区间和脑区内变化。BBB的不同分区包括各种类型的动脉血管、毛细血管和静脉。尤为重要的是，包括星形胶质细胞在内的支持细胞在不同脑区对BBB的调节都是不同的。最后，双光子成像的发展使BBB的区域和分区可视化成为可能。

细胞外基质和基底膜的改变

BBB的基底膜（basement membrane, BM）是一个由40-100nm厚的细胞外基质（structural extracellular matrix, ECM）结构组成的复合体，位于大脑内皮的基底面。BM主要由vBBB的BEC、周细胞和星形胶质细胞合成，在血管的寿命期内会发生微小的动态变化。BM的结构主要由异三聚体层连蛋白和片状Ⅳ型胶原蛋白（collagen IV, col IV）构成的骨架维持。层粘连蛋白与col IV在骨架中的沉积是相互关联的，该过程同时由细胞纤维蛋白和硫酸肝素蛋白多糖（heparan sulfate proteoglycans, HSPG），如基底膜聚糖、聚集蛋白和巢蛋白进一步稳定。这些蛋白对BM功能的作用已经通过基因敲除和突变的相关研究得以验证。学界通常将大脑微血管的BM分为内皮和实质两部分，两者由周细胞分隔。周细胞在BM中发挥的分隔功能使研究者愈发认识到周细胞作为BBB中细胞-ECM互作的调节器的功能，尽管在周细胞减少的内皮层和实质层的BM中，其组成并不会发生变化。

衰老过程中的BM变化常与正常衰老过程中发生的血管“硬化”相关。该过程中出现的收缩压增加和脉压增宽将产生脉冲式的下游效应，对微血管施加压力。在这种情况下，早期的临床观察指出，随着人体的正常衰老，组织床的BM普遍增厚。在动物模型中的研究也表明：尽管通常没有出现与衰老相关的收缩压增加和脉压增宽，但脑微血管中BM仍整体增厚。

BM的增厚反映了衰老过程中脑特定区域BM成分的变化。而这些改变对衰老过程中大脑微血管功能的影响尚待确定。脑区研究表明，相对于年轻的对照组，老年C57BL/6小鼠大脑皮层的col IV明显减少，大脑皮层和纹状体的层粘连蛋白和巢蛋白2也出现减少的现象。与之相对的，老年人类（平均年龄为74岁）的大脑显示，与对照组（平均年龄为39岁）相比，壳核微血管的BM中col IV的积聚增加。对相关器官（如人类视网膜）的检查证实，衰老过程BM的总体厚度增加，这主要是由于col IV、聚集蛋白以及层粘连蛋白的含量减少造成的。

与8个月大的小鼠相比，16个月大的BALB/c小鼠的毛细血管BM中的基底膜聚糖增加了。由于在BM中的分子大小差异较大，纤连蛋白的含量测定评估较为复杂。早期研究表明，随着年龄的增长，大鼠大脑BM中的纤维蛋白含量大幅下降。随后对纤连蛋白含量测定的研究显示，相对于年轻的BALB/c小鼠，在老年小鼠的大脑皮层微血管中，250-kDa大单体的含量没有变化，但同时，60-kDa单体的含量增加。随后的脑区分析研究发现老年C57BL/6小鼠的整个大脑中纤维粘连蛋白含量增加，而对老年人类枕叶皮层的测量也显示出巢蛋白2的增加。

最近的一项超微结构研究发现，由于老年C57BL/6小鼠的脂滴和聚集物的沉积，其BM厚度增加了2倍，在微血管的某些部分高达5倍。这一沉积出现在是在BM的胶质侧，表明星形胶质细胞可能主导了这一脂质代谢的缺陷。沉积是否反映了与年龄有关的脂质合成或动态变化目前尚不清楚。这些变化可能是脑区特异性的，并提示了vBBB的BM有可能作为积累成分的仓库，而这些成分在ECM中并没有进行典型研究。

总而言之，衰老过程中大脑BM组成成分发生改变，并且这一改变是每个脑区所特有的。这些变化可能影响局部微血管功能，进而影响正常大脑，同时影响神经退行性和损伤过程的进展。

老化的内皮糖萼

内皮糖萼层（EGL）是血液和大脑之间的第一道“防线”，位于vBBB管腔内侧，这种薄样类凝胶状层主要由蛋白聚糖（PGs）、糖胺聚糖（GAGs）、肝素、硫酸软骨素和透明质酸组成，其中蛋白聚糖又包括膜结合多聚糖和磷脂酰肌醇聚糖。EGL各组分的丰度和组成成分的不同可以调节BEC的功能。在外周血管中，1966年Luft首次将EGL描述为一种可能调节血管功能的毛细血管内界面。最近证实EGL感知循环因子，维持血管的稳态。更具体地说，EGL的功能是调节血液流动和免疫细胞间的相互作用，以及对剪切应力的响应。

我们对EGL的了解来自于Danielli在1940年对青蛙外周血管的早期研究，以及随后的Duling及其同事对啮齿动物外周血管的研究。而就脑血管系统来说，对其EGL的研究鲜为人知，直到最近有了神经血管EGL的活体成像。至此，发现大脑EGL可能通过提高vBBB递送策略来治疗中枢神经系统疾病，作为开发中枢神经系统治疗手段的新途径。

年龄相关疾病如中风和糖尿病会使EGL发生改变，这被认为是一种指向老年人群的可行的治疗策略。BBB功能障碍与人类年龄相关的认知能力下降有关，但很少有人知道神经血管EGL是如何具体地导致这种损害的。最近的工作表明在外周血管中EGL出现年龄相关的变化，Machin等人发现，与年轻对照组相比，老年小鼠和人类的外周血管中EGL更薄。此外，年龄相关疾病患者的外周EGL结构和功能也发生显著变化。然而，目前还不清楚脑血管系统是否也表现出这些在衰老和年龄相关疾病中观察到的EGL变化。最近的超微结构证据也表明，脑EGL与肝和肺血管中观察到的有很大的不同。可见，年龄相关的神经血管EGL变化可能是独特的，在未来的研究中应积极探索这些方面，从而开发出新的治疗年龄相关中枢神经系统疾病的方法。

遗传对BBB完整性和运输系统的影响

健康衰老与BBB变化有遗传性联系。人类vBBB中的大多数基因（主要与DNA结合相关）随着年龄的增长而下调。其中，载脂蛋白E（ApoE）及其亚型（E2、E3、E4）对vBBB的影响研究最为广泛（见Box 4）。早期研究显示，ApoE的缺失与年龄相关的BBB破坏有关。ApoE4携带者约占总人口的25%，ApoE4等位基因与寿命缩短相关，尤其是女性。在正常的认知老化过程中，ApoE4可以影响BBB完整性，并且在vBBB结构（即调节TJPs、BM产生和炎症途径）和功能（即转运蛋白的表达和活性）中发挥作用(图3)。

ApoE4使脉管BBB的结构发生了多种变化。首先，BBB中的紧密连接因为受到紧密连接相关蛋白occludin磷酸化水平降低的影响，会导致vBBB完整性的降低。然而，ApoE4并没有改变衰老小鼠TJPs、occludin和claudin-5的总水平。第二，ApoE4会改变促炎信号，不仅影响vBBB通透性，而且影响脑血流量。老年ApoE4小鼠脑血管密集性降低，表明血管发生萎缩，但是血管间隙似乎不受ApoE基因型的影响。第三，尽管衰老会导致BM变厚，但与E2或E3小鼠相比，衰老的ApoE4小鼠的BM更薄，这可能与ApoE4在周细胞中的表达和col IV水平的降低有关。最后，先前被证明有助于维持vBBB完整性的LRP-1与ApoE间相互作用，在ApoE4的作用下出现下降。

另一种被ApoE4改变的BECs表达蛋白是糖基化终末产物（RAGE）受体。RAGE是一种多配体受体，与其受体的相互作用往往会激活促炎基因表达。与ApoE2小鼠相比，ApoE4衰老小鼠脑毛细血管中的RAGE蛋白水平增加。尽管这些变化大部分发生在年轻老鼠身上，但它们会随着年龄的增长而加重。图3总结了ApoE4在衰老过程中对vBBB结构的一些有害影响。

综上所述，ApoE在BBB结构和功能调控中起着重要作用。与其他类型的ApoE相比，ApoE4与年龄相关的BBB结构和功能退化有关。未来需要进一步研究ApoE影响vBBB的分子机制，以及ApoE4为何与衰老过程中BBB的下降相关。

图3：ApoE4对vBBB的影响。在人类和啮齿动物模型中，ApoE4与vBBB发生的许多年龄相关变化的加速有关。a - c, ApoE4可导致结构（a）、功能（b）和NVU相互作用（c）的变化。a, vBBB的结构变化包括vBBB对各种血管基底的破坏，伴有细胞旁转运途径的增加，这可能与紧密连接蛋白调控的改变有关（见b），如紧密连接相关蛋白claudin和occludin的变化。此外，BM产生也发生变化，col IV水平的降低导致BM变薄。b, vBBB的功能变化包括转运体功能障碍，如该膜受体脱落导致LRP-1转运体表达和活性的改变；RAGE膜受体表达的增加；淀粉样蛋白β外排的减少；各种血管基底物质运输的减少，包括DHA、葡萄糖和安定。ApoE4也改变了血管蛋白与脑内皮细胞间的结合能力，例如降低的胰岛素结合能力。c, NVU的变化包括周细胞损失和星形胶质细胞炎症，这可能会导致vBBB的破坏及其他BBB功能障碍的发生。周细胞的丢失与CSF中周细胞受体、PDGFRβ和亲环蛋白aA（CypA）水平的增加相关。此外，脑内血流量和血管密度也有所下降，但是ApoE4并没有改变血管空间。所有这些数据都表明随年龄增长ApoE4对vBBB产生了有害影响。

Box4：ApoE4对衰老过程中BBB功能的潜在影响

虽然针对ApoE亚型对BBB转运的影响已经进行了一些研究，如Aβ和葡萄糖的转运，但尚未对ApoE亚型对衰老BBB转运的全面影响进行评估。ApoE4可以通过改变底物与BECs的结合或物质通过BBB的运输（流入或流出）来影响BBB的功能。最近发现，尽管胰岛素在BBB中的转运没有差异，但是表达ApoE4的年轻小鼠比表达ApoE3小鼠胰岛素与BECs的结合更强。众所周知，在神经元中，ApoE4以年龄依赖的方式与胰岛素受体相互作用，并限制了信号传导和转运。这些结果是否适用于BECs，进而适用于BBB，目前还不得而知。脂蛋白受体（LDLR和LRP-1）已被证明有助于Aβ的转运，而随着ApoE4的表达，LDLR和LRP-1的膜脱落增加，导致细胞膜上这些功能性转运体的水平下降。

细胞分泌ApoE的量具有基因型效应，这可能是ApoE2和ApoE3产生有益作用的原因，因为它们的分泌量比ApoE4更丰富。最近才开始研究ApoE4对BBB功能的细胞特异性贡献。ApoE主要由星形胶质细胞产生，其中约25-30%的ApoE来自周细胞，极少量来自BECs。星形胶质细胞中ApoE4的表达与BBB完整性的破坏有关。近来有人指出，ApoE4对BBB完整性的影响是通过周细胞介导的，ApoE4载体的周细胞损失远大于ApoE3载体，并且周细胞的丢失与BBB的破坏有关。由于周细胞的丢失是随着年龄的增长而发生的，因此可能老龄ApoE4携带者的周细胞丢失量更大。内皮型ApoE的表达对屏障严密性没有影响，表明内皮型ApoE不影响内皮结构。总的来说，文献表明ApoE基因型与BBB完整性和功能之间存在紧密联系，但这些联系对BBB的影响如何随年龄而显着变化还有待确定。

结论

BBB作为NVU的一部分，被认为是一个高度复杂的交界面，不仅会影响中枢神经系统的其他部分及循环细胞、外泌体和激素，而且会与它们进行通讯甚至产生应答反应。此外，它还能分泌和运输大量物质，与神经末梢和中枢神经系统建立通讯联系。BBB对中枢神经系统的营养和稳态至关重要，在正常衰老过程中经历种种改变。随着健康衰老，BBB鲜有形态学上的改变，DCE-MRI成像则显示，随着年龄的增长，vBBB的渗漏略有增加，这与某些类型的年龄相关认知衰退相关。转运系统也发生了包括葡萄糖转运以及Aβ和异源性外排的明显改变。负责脑间质液和CSF循环的系统，随着年龄的增长，包括脑脊液的体积流量和胶质淋巴在内的各种物质都会减少，并且可能与年龄相关的疾病（例如睡眠障碍和收缩期高血压）有关。在所有与BECs相关的细胞中，周细胞与BECs接触最密切，也是对vBBB功能影响最大的细胞。周细胞对氧化应激非常敏感，随着年龄的增长，周细胞数目下降。周细胞减少的动物BBB的功能会发生包括损坏在内的改变。BM和糖萼在vBBB保护和功能中的作用才刚刚开始被探索，但已知其会随年龄的增长而改变。ApoE的E4亚型与年龄相关的BBB功能障碍有关，包括紧密连接调节的改变、转运系统的改变、胰岛素与BECs结合减少以及周细胞丢失。总之，BBB在健康衰老过程中经历了许多变化，这些变化可能是适应性的，但也可能响应年龄相关疾病的发生发展或影响衰老相关疾病的易感性。

来源：老顽童说

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