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摘要专业翻译
血脑屏障（blood–brain barrier, BBB）连同相关的血管周围细胞，构成神经血管单元（neurovascular unit）的关键组成部分，并形成一个高度特化的多细胞界面，严格调控离子、营养物质、氧气、代谢产物及免疫细胞在血液循环
摘要专业翻译
血脑屏障（blood–brain barrier, BBB）连同相关的血管周围细胞，构成神经血管单元（neurovascular unit）的关键组成部分，并形成一个高度特化的多细胞界面，严格调控离子、营养物质、氧气、代谢产物及免疫细胞在血液循环与中枢神经系统（central nervous system, CNS）之间的转运。这一选择性屏障对于维持CNS稳态、支持神经元功能以及保护神经组织免受循环毒素、病原体和炎症介质侵害至关重要。BBB完整性的破坏是众多神经系统疾病的标志性特征，并参与疾病的起始与进展。在BBB的结构组分中，内皮糖萼（endothelial glycocalyx）已崭露头角，成为屏障功能的一个关键却长期未获充分认识的调控因子。这一富含碳水化合物的层状结构主要由蛋白聚糖（proteoglycans）、糖蛋白（glycoproteins）和糖脂（glycolipids）组成，在循环血液与脑内皮之间形成了重要的界面。除充当物理屏障外，糖萼蛋白聚糖还调控血管通透性、机械转导（mechanotransduction）、白细胞黏附及炎症信号通路，从而有助于维持BBB完整性及脑血管稳态。在本综述中，研究人员探讨了BBB的结构与功能，重点阐述了蛋白聚糖在维持BBB完整性及调控神经血管功能中被忽视的作用，考察了它们在神经系统疾病中参与BBB功能障碍的机制，并探索了以糖萼为靶点以保护或恢复BBB完整性的新兴治疗策略。
论文主体内容总结
1. 引言
BBB是一个高度特化的神经血管界面，调控全身循环与CNS之间的分子和细胞交换。BBB的高度选择性特性源于脑微血管内皮细胞的特化表型，包括复杂的紧密连接结构、显著降低的液相转胞吞速率，以及选择性内流转运系统和外排转运系统的协调表达。结构上，BBB由多细胞神经血管单元组成，包括脑微血管内皮细胞、周细胞、星形胶质细胞及周围细胞外基质。其中，内皮表面糖萼主要由蛋白聚糖、糖蛋白和糖脂组成，覆盖于内皮细胞腔面，构成循环血液与BBB内皮之间的重要界面。糖萼不仅作为物理屏障，还调控血管通透性、机械转导、白细胞-内皮相互作用及炎症信号。BBB功能障碍以血管通透性增加和循环神经毒性及炎症介质进入脑实质为特征，是衰老和神经退行性疾病的突出病理特征。蛋白聚糖的核心蛋白和糖胺聚糖链既提供结构组织，又作为信号传导、配体结合、机械转导及细胞-细胞和细胞-基质相互作用的动态调控因子。
2. BBB的结构与生理功能
2.1 BBB的结构与功能
BBB是一种多细胞血管结构，将CNS与外周血液循环分隔。其最内层为内皮糖萼，由蛋白聚糖、糖蛋白和糖脂组成的复杂多糖网络覆盖于内皮细胞腔面，构成BBB的第一道物理和静电屏障。与其他血管床相比，BBB糖萼具有更高的负表面电荷密度，并富集硫酸软骨素、硫酸乙酰肝素、磷脂酰肌醇和磷脂酰丝氨酸等组分。糖萼下方为通过连续紧密连接连接的内皮细胞层，限制细胞旁扩散。内皮细胞的基底面由血管基底膜支撑，基底膜主要由层粘连蛋白、IV型胶原、纤连蛋白和perlecan组成。BBB最外层由星形胶质细胞终足包绕。功能上，BBB作为动态调控界面，选择性转运必需营养物质、限制毒素和病原体进入、调控免疫监视并促进脑代谢废物清除。氧气作为小分子亲脂性溶质可通过被动扩散自由穿越BBB，而葡萄糖、乳酸、脂肪酸和酮体等关键能量底物则需要载体介导的转运系统。外周免疫细胞在生理条件下进入CNS受到紧密限制，炎症期间BBB动态上调白细胞黏附分子的表达以允许受控的白细胞运输。BBB还通过代谢酶降解、外排转运体主动输出以及类淋巴-淋巴系统清除机制保护CNS。
2.2 疾病中的BBB功能障碍
BBB功能障碍是缺血性和出血性卒中、创伤性脑损伤、多发性硬化及神经退行性疾病等多种神经系统疾病的标志性特征。尽管病因不同，这些疾病表现出若干共同的BBB破坏机制，包括紧密连接破坏、内皮信号改变、基底膜重塑、氧化应激介导的炎症以及内皮糖萼降解。这些变化共同损害BBB完整性并促进疾病进展。
3. BBB完整性的分子和细胞决定因素
3.1 紧密连接复合体
紧密连接是限制BBB细胞旁扩散的主要结构元件。Claudins是紧密连接链的主要密封组分，其中claudin-5是CNS内皮中最丰富的紧密连接蛋白，是决定BBB对小分子通透性的关键因子。Occludin作为第一个被鉴定的跨膜紧密连接蛋白，在病理条件下特别是缺血损伤后对维持BBB完整性发挥重要作用。连接黏附分子（JAM-A、JAM-B和JAM-C）属于免疫球蛋白超家族，参与屏障形成和免疫细胞运输。Zonula occludens（ZO）蛋白ZO-1、ZO-2和ZO-3通过PDZ结构域将跨膜紧密连接蛋白连接至肌动蛋白细胞骨架。
3.2 黏附连接
黏附连接建立内皮细胞-细胞黏附，对BBB内紧密连接的形成和成熟至关重要。血管内皮钙黏蛋白（VE-cadherin）是脑内皮细胞中主要的跨膜黏附连接蛋白，介导钙依赖性同嗜性相互作用。VE-cadherin信号通过抑制Forkhead box蛋白O1活性和隔离β-catenin促进claudin-5表达。β-catenin也是Wnt/β-catenin信号通路的关键组分，对CNS血管生成和BBB形成至关重要。此外，血小板内皮细胞黏附分子-1（PECAM-1/CD31）和CD99通过同嗜性相互作用维持血管稳定性和调控白细胞迁移。
3.3 转运系统
葡萄糖转运体1型（GLUT1）是介导葡萄糖跨BBB摄取的主要转运体。大中性氨基酸转运体1型介导苯丙氨酸及其他中性氨基酸的转运。单羧酸转运体、有机阴离子转运体和肽转运体促进多种营养物质和信号分子的摄取。外排转运体方面，P-糖蛋白（P-gp/MDR1/ABCB1）是BBB最重要的外排转运体之一，显著限制多种治疗药物的CNS渗透。P-gp缺乏导致脑内淀粉样蛋白-β积累增加。其他主要ABC转运体包括多药耐药相关蛋白和乳腺癌耐药蛋白。
3.4 白细胞黏附分子
生理条件下BBB表达低水平白细胞黏附分子，构成CNS相对免疫豁免的基础。关键黏附分子包括细胞间黏附分子-1（ICAM-1）和血管细胞黏附分子-1（VCAM-1），分别通过整合素LFA-1和VLA-4介导白细胞牢固黏附。TNF-α和IL-1β等促炎细胞因子显著上调其表达。选择素（P-selectin和E-selectin）介导白细胞沿内皮表面的初始栓系和滚动。natalizumab作为靶向VLA-4的单克隆抗体，在临床上有效减少多发性硬化中免疫细胞向CNS的运输。
4. 内皮糖萼：结构、组成及其在BBB完整性中的作用
脑内皮糖萼是覆盖于脑微血管内皮细胞腔面的复杂富碳水化合物网络，由蛋白聚糖、糖蛋白和糖脂组成。该动态凝胶样层作为保护和交互界面，参与细胞信号传导、机械转导和血管通透性调控。与其他血管床相比，脑内皮糖萼密度更高，脑内皮细胞腔面负电荷更强，这是BBB内皮糖萼的defining特征。
4.1 糖胺聚糖的结构与功能
糖胺聚糖是由重复二糖单元组成的长链无分支多糖，包括硫酸软骨素（CS）、硫酸乙酰肝素（HS）/肝素、硫酸皮肤素（DS）、硫酸角质素（KS）和透明质酸（HA）五种主要类型。除HA外，GAG链在高尔基体中合成并共价连接至核心蛋白的氨基酸残基形成蛋白聚糖。HA在质膜上由透明质酸合酶合成，通过CD44等细胞表面受体整合入糖萼。硫酸化修饰赋予GAG负电荷并影响其与生长因子、细胞因子、趋化因子、蛋白酶、黏附分子及微生物病原体的相互作用。HS还参与剪切应力感知和一氧化氮产生。硫酸乙酰肝素蛋白聚糖（HSPGs）是内皮糖萼的主要蛋白聚糖组分。Shi等人的研究发现，衰老和神经退行性疾病中的BBB功能障碍与脑内皮糖萼的严重改变相关，特别是黏蛋白型O-糖基化显著下调，其减少导致BBB通透性增加和脑出血。
4.2 内皮表面电荷与BBB通透性
BBB内皮糖萼比其他血管床内皮表面具有更大的净负电荷，作为静电屏障排斥带负电荷分子并限制病原体入侵。带负电荷的聚糖分子如肝素和GAG模拟物表现出有限的BBB穿透能力。数学建模预测增加BBB负表面电荷可降低阴离子溶质的通透性同时增强阳离子溶质的转运。1型星形胶质细胞来源的可溶性因子可促进紧密连接形成并刺激内皮细胞蛋白聚糖合成。
5. 蛋白聚糖及其在调控跨BBB分子转运中的作用
5.1 透明质酸/CD44
HA是一种非硫酸化GAG，缺乏核心蛋白，因此不归类为蛋白聚糖。HA是CD44的主要配体，在BBB中HA是内皮糖萼的重要组分。透明质酸酶介导的HA降解可增加大鼠BBB通透性。CD44在多种细胞类型中广泛表达，CD44敲除小鼠表现出BBB通透性增加。CD44被鉴定为检测剪切应力并促进BBB形成的重要机械感受器，通过差异调控小GTPase RhoA和Rac1稳定紧密连接。
5.2 蛋白聚糖4（PRG4）
PRG4是一种携带CS和KS链的大分子蛋白聚糖，具有抗炎和组织保护特性。在创伤性脑损伤中，PRG4通过结合Toll样受体TLR2和TLR4抑制其下游信号，并与HA竞争结合CD44，减少单核细胞浸润，通过防止claudin-5丢失恢复BBB完整性。重组PRG4可减轻卒中小鼠模型的神经功能缺损、BBB损伤和出血性转化，其机制涉及通过抑制TLR2介导的NF-κB信号通路抑制中性粒细胞来源的MMP-9。
5.3 硫酸乙酰肝素蛋白聚糖（HSPGs）
5.3.1 Agrin
Agrin是一种大分子细胞外HSPG，在脑血管基底膜中大量积累，在周细胞中表达突出。Agrin通过稳定和定位黏附连接蛋白VE-cadherin、β-catenin和ZO-1于脑内皮连接处来支持屏障特性和血管完整性。Agrin缺失与胶质母细胞瘤血管中紧密连接蛋白丢失相关。Agrin还稳定星形胶质细胞足突膜上水通道蛋白-4的定位。
5.3.2 Syndecans
Syndecans是跨膜HSPG家族，包含syndecan-1至syndecan-4四个成员，其胞外域携带HS和CS链。Syndecans作为细胞表面共受体调控细胞黏附、迁移、细胞内信号和组织修复。Syndecan-1的胞外域脱落可损害糖萼完整性，循环syndecan-1水平升高被提出作为糖萼降解的生物标志物。TBI后syndecan-1快速脱落与血管高通透性和脑水肿相关。SDC4在缺血性卒中后BBB破坏中发挥作用：微胶质细胞中SDC4与Dishevelled相互作用抑制Wnt/β-catenin信号，导致线粒体功能障碍和BBB损伤；脑内皮细胞中SDC4通过PKCα激活降低紧密连接蛋白表达。CCL2跨BBB转运依赖于HS链，iBECs表达syndecans 1-4和glypicans 1-6。
5.3.3 Glypicans
Glypicans是通过糖基磷脂酰肌醇（GPI）脂锚连接于内皮细胞膜外叶的HSPG家族，哺乳动物中鉴定出六个成员（GPC1-GPC6）。Glypican-1与脑内皮保护作用相关，其缺失与衰老过程中血管功能障碍相关。Glypicans的HS链可能促进趋化因子CCL2跨BBB转运。
5.3.4 Perlecan
Perlecan是一种约500 kDa蛋白核心的大分子基底膜HSPG，在脑内皮细胞中表达突出。缺血性卒中后数小时内perlecan发生快速蛋白水解切割，导致血管基底膜破坏。perlecan的C端结构域V（DV）在卒中后缺血核心和半暗带中水平升高，重组DV可促进神经保护、刺激血管生成、改善运动恢复并调节星形胶质细胞活化。Perlecan还通过其DV结构域与周细胞相互作用，经整合素α5β1增强PDGFRβ信号，促进周细胞募集，支持缺血性卒中后BBB修复。Perlecan作为VEGF、PDGF、TGF-β和FGF家族成员等生长因子的细胞外储库，可结合FGF并促进内皮细胞中FGF信号传导。
5.4 小富含亮氨酸蛋白聚糖（SLRPs）
5.4.1 Lumican
Lumican在三维BBB模型中被鉴定为屏障功能的潜在调控因子。在稳定充分发展的流动条件下，lumican敲低降低屏障功能，而纯化lumican补充可恢复屏障功能。Lumican定位于细胞外周，可能通过与细胞表面组分相互作用调控内皮屏障特性。
5.4.2 PRELP
PRELP是一种II类SLRP，在周细胞和血管周围及脑膜成纤维细胞中表达突出。PRELP敲除小鼠表现出神经炎症增加和BBB功能受损，表现为IgG和葡聚糖的血管渗漏增加，周细胞和星形胶质细胞终足与血管的关联减少，以及钙黏蛋白、claudin-5和ZO-1等关键连接蛋白表达降低。
5.5 神经/胶质抗原2（NG2，CSPG4）
NG2（CSPG4）是一种硫酸软骨素蛋白聚糖，在CNS中由少突胶质前体细胞表达，在微血管周细胞中也表达。NG2参与周细胞-内皮关联和血管基底膜形成。在实验性自身免疫性脑脊髓炎中，NG2表达OPCs向脑微血管募集增加。NG2缺陷小鼠表现出血管相关OPCs减少和紧密连接及BBB完整性更好地保留。NG2-胶质细胞通过激活Wnt/β-catenin信号和增加MMP-9分泌促进糖尿病BBB破坏。周细胞特异性NG2缺失导致肿瘤血管中周细胞覆盖减少、基底膜组装减弱和血管渗漏增加。NG2对血管屏障完整性的作用高度依赖于表达NG2的细胞类型和病理环境。
6. 靶向内皮糖萼的治疗策略
内皮糖萼已成为有前景的治疗靶点。C17.2神经干细胞来源的外泌体可高效穿越体外BBB模型，主要通过内吞途径被内皮细胞摄取，HSPGs作为关键表面受体介导其摄取，syndecan-2在脑内皮细胞上丰富表达可能通过其HS链促进外泌体内化。GAG结合肽CAR（CARSKNKDC）需要HSPGs进行细胞结合和组织穿透，可选择性靶向病理视网膜新生血管并穿透视网膜组织，可能为跨BBB组织选择性治疗递送提供新策略。糖萼稳定化策略包括抗凝血酶减少糖萼降解、氢化可的松和抗凝血酶防止TNF-α诱导的糖萼脱落、多西环素和锌螯合剂抑制金属蛋白酶活性、七氟醚减少糖萼脱落。相反，破坏糖萼也被探索为增强BBB通透性的策略：经颅直流电刺激可破坏内皮糖萼并增加BBB通透性；透明质酸酶和肝素酶酶解糖萼可增强BBB通透性，但伴随脑损伤和脑水肿风险。
纳米颗粒与BBB通透性
纳米颗粒与BBB的相互作用受其大小、形状、功能化和电荷等理化性质影响。脑内皮细胞的固有表面电荷在调节纳米颗粒通透性中起关键作用。将脑内皮细胞负表面电荷向阳离子状态转变或使用神经氨酸酶酶解除去末端唾液酸残基可增强纳米颗粒摄取。病理条件下糖萼降解可增强纳米颗粒-内皮相互作用并促进纳米颗粒穿透至下层组织。
7. 结论与未来方向
BBB是维持CNS稳态、调控分子交换和保护神经组织的重要特化动态界面。内皮糖萼作为循环血液与脑内皮的第一接触点，不仅作为物理和静电屏障，还作为机械转导、血管通透性、白细胞运输和炎症信号的重要调控因子。HA-CD44信号及PRG4、agrin、syndecans、glypicans、perlecan、PRELP和NG2等蛋白聚糖通过不同但相互关联的机制协调血管稳定性、细胞外基质组织、免疫细胞运输和神经血管信号。未来研究应聚焦于脑内皮糖萼的精确分子组成、其在脑血管系统中的区域异质性、糖萼和蛋白聚糖来源的BBB功能障碍生物标志物鉴定、神经系统疾病中糖萼重塑的机制，以及保护和恢复糖萼完整性的治疗策略开发。将糖生物学与血管生物学、免疫学、神经科学、生物工程和计算生物学整合，将有助于揭示BBB调控的新机制并发现神经系统疾病的新治疗途径。
