综述：血脑屏障与神经元模型系统在辅酶Q10代谢研究中的应用

《Antioxidants》：Blood–Brain Barrier and Neuronal Model Systems for Studying CoQ10 Metabolism

本综述系统探讨了利用血脑屏障（BBB）与神经元模型研究辅酶Q10（CoQ10）代谢的最新进展。文章指出，临床前与临床研究在神经系统疾病中补充CoQ10的疗效差异，可能源于其穿越BBB能力的物种差异（如啮齿类与人类）。因此，体外模型系统（尤其是3D细胞模型）可能比体内动物模型更适合研究CoQ10的BBB穿透性、神经元内代谢（如线粒体功能、溶酶体功能）及其与维生素E、硒的相互作用。文章还综述了细胞内CoQ10转运机制（如STARD7、Saposin B）以及增强其BBB穿透性的潜在策略（如调控SR-B1、LRP-1受体）。

　　

血脑屏障与神经元模型系统在辅酶Q₁₀代谢研究中的应用

临床研究补充辅酶Q₁₀（CoQ₁₀）在心力衰竭等疾病中显示出显著益处，然而，在帕金森病、阿尔茨海默病或肌萎缩侧索硬化等神经系统疾病中的临床试验结果却普遍令人失望。这种临床前研究与临床研究结果的差异，可能反映了补充性CoQ₁₀在啮齿类动物和人类中穿越血脑屏障（BBB）能力的差异，而这又源于BBB结构的差异。值得注意的是，在原发性CoQ₁₀缺乏症中，非中枢神经系统组织（尤其是骨骼肌和肾脏）受累的患者可能对CoQ₁₀补充反应良好，而相比之下，有神经系统症状的患者通常反应不佳。这反过来表明，CoQ₁₀在人类中难以穿越BBB。因此，利用体内动物模型研究CoQ₁₀穿越BBB及其后续神经元代谢的适用性受到质疑，并且有观点认为，或许令人惊讶的是，体外模型系统（特别是3D细胞系统）可能更为合适。

血脑屏障模型系统

BBB模型系统包括体外细胞培养模型和体内动物模型。体外BBB模型包括2D和3D细胞系统。在所谓的Transwell 2D模型中，内皮细胞单层培养在具有小半透性插入物的可渗透膜上，将系统分为上（管腔或血液）室和下（腔外或脑实质）室。虽然该模型可用于评估药物穿越BBB的渗透性，但细胞单层无法复制体内BBB复杂的3D结构，并且静态培养缺乏对内皮细胞分化和BBB特性维持至关重要的血流生理剪切应力。通过加入其他细胞类型（如星形胶质细胞、神经元或周细胞）以及引入灌注系统以提供剪切应力，可以提高该模型系统的生理相关性。

在大脑中，BBB是一种管状结构，2D模型无法准确复制。3D模型包含了形成神经血管单元（NVU）的不同细胞类型（脑内皮细胞、周细胞和星形胶质细胞）。基于水凝胶的模型使用支撑性胶原基质创建3D环境，细胞可以在其中生长并自组装成管状结构，类似于体内微血管系统。微流体BBB芯片模型是芯片实验室平台，将NVU细胞整合在微通道内，创建可灌注的网络，允许动态研究屏障功能、流体流动和对外部刺激的反应。这些系统代表了复杂性递增的模型；2D模型适用于初步筛选和评估基本屏障完整性，而多细胞模型则提供了更全面的系统来研究BBB功能，包括尺寸选择性运输、P-糖蛋白（P-gp）外排泵活性以及特定运输系统（如转铁蛋白受体）的功能性。

BBB模型系统与CoQ₁₀

迄今为止，唯一用于研究CoQ₁₀穿透性的体外BBB模型系统是Wainwright等人描述的2D猪内皮细胞单层模型。在该模型系统中，CoQ₁₀通过脂蛋白相关的转胞吞作用从顶端向基底侧（即从血液侧到脑侧）运输，与SR-B1（清道夫受体）和RAGE（晚期糖基化终末产物受体）受体相互作用。然而，它同时通过LDLR（低密度脂蛋白受体）转运蛋白被外排回血液侧，导致CoQ₁₀在大脑中无净积累。当使用对氨基苯甲酸（PABA）诱导模型BBB中CoQ₁₀缺乏时，BBB变得更易泄漏，紧密连接被破坏，完整性变差；这反过来导致从血液侧到脑侧的CoQ₁₀净运输增加。

一些BBB模型系统研究报道使用了CoQ₁₀类似物艾地苯醌和米托醌。然而，尽管这些类似物与CoQ₁₀具有共同的抗氧化活性，但它们其他的细胞内功能因其不同的化学结构而异；例如，米托醌不能在氧化磷酸化过程中将电子从线粒体电子传递链（ETC）的复合物I转移到复合物III。

由于BBB结构和转运蛋白表达的差异，体内啮齿类BBB模型用于推断人类CoQ₁₀BBB可及性的适用性受到质疑，并且有证据表明啮齿类动物的BBB可能更具渗透性。例如，Uchida等人报道，人类BBB中转运蛋白和受体的蛋白表达水平显著低于大鼠。类似地，在阿尔茨海默病（AD）小鼠模型中补充CoQ₁₀已被报道在减少氧化应激和β-淀粉样斑块水平以及改善认知功能方面表现出有益效果。然而，在一项对70名轻度至中度AD患者进行的随机临床试验中，使用CoQ₁₀（400毫克，每日三次）治疗16周，未报告临床益处或对AD脑脊液生物标志物（β-淀粉样蛋白和tau蛋白水平）有显著影响。这些数据表明啮齿类动物和人类在BBB可及性上存在差异。在另一项研究中，Matthews等人报道，对12个月大的Sprague-Dawley大鼠口服补充CoQ₁₀（200毫克/千克）2个月后，大脑皮层CoQ₁₀和辅酶Q₉（CoQ₉，大鼠体内主要的泛醌种类）增加了30%。此外，Smith等人在亨廷顿病小鼠模型中报道，补充高剂量（1000–5000毫克/千克）CoQ₁₀后，大脑中CoQ₁₀和CoQ₉水平显著增加。然而，从这些研究中尚不确定CoQ₁₀的大脑摄取程度是否足以在CoQ₁₀缺乏状态下补充细胞水平。鉴于CoQ₁₀穿越BBB的摄取可能有限，增强这种运输的治疗策略，例如使用LDLR抑制剂，或刺激SR-B1转运蛋白管腔活性的干预措施，可能是合适的，以确保代谢受损的神经元在脑间质液中有足够的外源性CoQ₁₀。

补充泛醌与泛醇形式的CoQ₁₀：比较生物利用度和BBB可及性

CoQ₁₀在血液循环中运输并与低密度脂蛋白和极低密度脂蛋白-胆固醇结合，无论最初的膳食形式是泛醌还是泛醇。因此，膳食中氧化的泛醌形式的CoQ₁₀必须在某个时间点被还原为泛醇形式，这曾被认为是在吸收进入肠细胞的过程中发生的。因此，有人推测补充已经是泛醇形式的CoQ₁₀将促进吸收过程，从而提高生物利用度。然而，已故William Judy博士进行的研究表明，在模拟胃和小肠环境的体外条件下，补充的泛醇在进入肠细胞之前大部分被氧化为泛醌。标准明胶胶囊大约在10分钟内在胃中溶解，释放出泛醌。摄入物质在胃中停留的时间可能变化很大，但合理的估计约为4小时。如果胶囊与食物同服，游离的泛醌会通过胃的搅拌作用分布在其他胃内容物中。胃代表一个氧化环境，因此泛醌会在此期间被氧化为泛醌，然后才到达小肠和随后的肠细胞吸收。

此外，在狗体内补充泛醌的研究同样显示后者在肠细胞吸收之前被氧化为泛醌，随后在从肠细胞进入淋巴系统后，泛醌被转化回泛醌。经过专利晶体改性工艺处理的CoQ₁₀显示出改善的生物利用度。在一项临床研究中，Lopez-Lluch及其同事报道，某种特定CoQ₁₀补充剂的泛醌形式的生物利用度大约是未经热晶体改性的泛醌的两倍，但仅为经过热晶体改性的泛醌的52%。基于以上所述，因此没有理由认为泛醌形式的CoQ₁₀的生物利用度（即进入血液循环的能力）应优于泛醌形式，这是一个常见的误解。

也有人提出，在人类受试者中，还原形式的CoQ₁₀（泛醌）可能能够穿透BBB，而氧化形式的CoQ₁₀（泛醌）则不能。因此，Mitsui等人报道，在多系统萎缩（MSA）患者中，口服补充泛醌后，脑脊液（CSF）中泛醌水平增加。阻止CoQ₁₀进入人脑的屏障主要有两个：BBB和脑脊液屏障（BCSFB）。BCSFB相对于BBB而言较为疏松，CoQ₁₀（无论是泛醌还是泛醌形式）通过BCSFB进入CSF并不等同于进入脑实质——这是另一个常见的误解。迄今为止，尚无临床研究明确证明口服CoQ₁₀能直接穿越BBB并进入人脑。CoQ₁₀（无论是泛醌还是泛醌形式）是否能穿透人类的BBB，以及CoQ₁₀随后在脑细胞内分布的机制，仍有待阐明。

鉴于CoQ₁₀穿越BBB的潜在有限运输，其他策略可能适用于恢复大脑CoQ₁₀状态。最近有报道称，中间体4-羟基扁桃酸和4-羟基苯甲酸可能具有穿越BBB并恢复大脑CoQ₁₀状态的潜力，可作为原发性CoQ₁₀缺乏症的潜在治疗方法。这些中间体已在线粒体疾病小鼠模型中进行研究，并被报道可增加大脑泛醌状态（CoQ₁₀加上CoQ₉），尽管尚无研究调查这些前体分子对CoQ₁₀缺乏的人类神经元细胞的影响。

目前，血浆CoQ₁₀水平在疾病治疗中可能具有治疗潜力的阈值尚不确定。在Langsjoen和Langsjoen的一项研究中，充血性心力衰竭患者需要达到约4.1 μM的血药浓度才能观察到任何治疗益处。迄今为止，尚无研究评估CoQ₁₀缺乏症患者的这一参数，尽管Lopez及其同事的一项研究报道，在CoQ₁₀缺乏的成纤维细胞中，补充5 μM CoQ₁₀7天后，生物能量状态得到改善，表现为ATP/ADP比率增加和细胞氧化应激正常化。有趣的是，在Shults及其同事进行的一项针对早期帕金森病患者的随机、双盲、安慰剂对照研究中，相当的循环CoQ₁₀水平与帕金森病患者功能进行性恶化的减缓相关。

BBB、CoQ₁₀与维生素E

在神经系统疾病的临床前和临床研究中，联合使用CoQ₁₀和维生素E已被报道具有协同益处。这类研究提出了维生素E与CoQ₁₀相比如何进入大脑的问题。

维生素E穿越BBB的途径涉及载体介导的运输，这是通过SR-B1受体摄取与α-生育酚复合的高密度脂蛋白（HDL）以及蛋白质Afamin来实现的；维生素E的细胞间和细胞内分布随后由生育酚转移蛋白控制。由于维生素E穿越BBB的摄取涉及与CoQ₁₀摄取相同的SR-B1受体，人们可能会质疑是否由于竞争同一转运蛋白而导致任一物质的脑部摄取受限。事实上，在猪体外BBB模型中，发现α-生育酚在对照条件下增加了CoQ₁₀从基底侧到顶端侧的运输，即朝向血液侧。在PABA诱导的CoQ₁₀缺乏BBB模型中，在α-生育酚存在下，CoQ₁₀朝向血液侧的运输占主导地位。如果这适用于临床CoQ₁₀缺乏症，那么将α-生育酚与CoQ₁₀补充剂共同给药将倾向于减少CoQ₁₀向大脑的输送，这与期望的效果相反。

在这方面，值得注意的是，在一项II期临床研究中，帕金森病患者每日服用300毫克、600毫克或1200毫克的CoQ₁₀导致功能衰退显著减缓。然而，在一项III期研究中，帕金森病患者每日服用CoQ₁₀（1200毫克或2400毫克）以及每日1200 IU的维生素E，并未显示出显著的症状益处，这与II期研究的结果相反。因此，这些数据表明，共同服用高剂量维生素E可能通过竞争共享载体抑制了CoQ₁₀进入大脑。维生素E也可能通过竞争相同的转运蛋白（推测为胆固醇转运蛋白NPC1L1）干扰共同服用的CoQ₁₀从消化道的吸收。

神经元细胞模型系统与CoQ₁₀

研究神经元中CoQ₁₀代谢的模型系统通常使用人类SH-SY5Y神经元细胞系的2D或3D培养系统。对氨基苯甲酸（PABA），一种CoQ₁₀生物合成途径中COQ2酶的竞争性抑制剂，可用于诱导CoQ₁₀缺乏，以研究CoQ₁₀缺乏对神经元代谢的影响。这种类型的模型系统已被用于阐明补充CoQ₁₀在CoQ₁₀缺乏症和苯丙酮尿症等神经系统疾病中的作用。目前，在治疗与线粒体功能障碍和氧化应激相关的神经系统疾病中，血浆或脑脊液CoQ₁₀可能具有治疗潜力的浓度尚未确定。利用CoQ₁₀缺乏的人类成纤维细胞进行的体外研究报道，用5 μM浓度的CoQ₁₀治疗后，生物能量状态得到改善，细胞氧化应激正常化。然而，尚不确定该浓度的CoQ₁₀在体内人类神经元中是否可以达到生理水平，即CoQ₁₀是否能穿越人类BBB，并在治疗与代谢疾病相关的神经系统症状中具有治疗潜力。

为了在生化水平上研究这个问题，我们评估了用5 μM CoQ₁₀处理人类CoQ₁₀缺乏神经元模型的效果。人类CoQ₁₀缺乏神经元模型是使用人类SH-SY5Y神经元细胞建立的。在CoQ₁₀缺乏的神经元细胞中，补充5 μM CoQ₁₀可有效将线粒体氧化应激显著降低至对照水平以下。相比之下，用5 μM或10 μM浓度的CoQ₁₀补充仅能部分恢复线粒体呼吸链（MRC）酶活性至对照水平，用10 μM CoQ₁₀处理后，复合物II/III活性显著增加至对照水平的82.5%，复合物I增至71.1%，复合物IV增至77.7%。还发现用5 μM CoQ₁₀处理可将CoQ₁₀缺乏神经元的溶酶体pH从6.2降低至4.4，这处于对照细胞的pH范围内。这项研究的结果表明，尽管在CoQ₁₀缺乏的神经元模型中使用5 μM CoQ₁₀补充后，细胞和线粒体氧化应激似乎得到缓解，但MRC酶活性部分难以恢复，可能需要大于10 μM剂量的CoQ₁₀补充才能将MRC酶活性恢复至对照水平。然而，鉴于CoQ₁₀穿越人类BBB的摄取可能有限，增强这种运输的治疗策略，例如使用LDLR（低密度脂蛋白受体相关蛋白1）抑制剂，或刺激SR-B1（清道夫受体B1）转运蛋白管腔活性的干预措施，可能是合适的，以确保代谢受损的神经元在间质液中有足够的外源性CoQ₁₀。这项研究指出了高剂量CoQ₁₀补充治疗CoQ₁₀缺乏症神经系统表现的潜在需求，尽管这是否能够到达CoQ₁₀缺乏的神经元仍不确定。

使用该模型系统的研究证明了CoQ₁₀在维持神经元溶酶体内酸性pH（通过荧光探针Lysotracker或LysoSensor量化）方面的关键作用，这对于它们在降解细胞废物中的功能至关重要。CoQ₁₀在溶酶体膜上充当质子载体，其缺乏会破坏这一过程，导致溶酶体pH升高，并可能损害溶酶体和自噬功能。给予CoQ₁₀可恢复正常的溶酶体pH和神经元溶酶体功能。神经元特别容易因溶酶体功能障碍而导致细胞废物堆积，进而导致神经性溶酶体贮积症，包括尼曼-匹克病、粘多糖贮积症（MPS）、Batten病、戈谢病和克拉伯病。补充CoQ₁₀在治疗溶酶体贮积症患者中的潜在作用是一个处于早期临床研究阶段的领域。

基于人类SH-SY5Y