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2020-07-29 19:30
越老越通透?血脑屏障可不是这样

本文来自微信公众号:Nature自然科研(ID:Nature-Research),原文作者:Roeben N. Munji & Richard Daneman,题图来自:视觉中国


最新研究发现,进入年轻健康小鼠大脑的血源性蛋白比进入老年小鼠大脑的更多。该发现将改变我们对血脑屏障以及它如何随年龄发生变化的既有认知。


脑内血管的某些性质限制了它们对血源性离子、分子和细胞的通透性[1]。这种血脑屏障(blood–brain barrier,BBB)对于神经元发挥正常功能以及避免脑损伤至关重要,但也是药物递送的一个主要障碍[1]


此前人们一直认为,血脑屏障的通透性会随年龄增长而增加,但Yang等人[2]的发现却非常不同。他们的研究显示,血脑屏障让血源性蛋白进入健康大脑的比例比之前想的要高很多,而进入大脑的血浆蛋白总量实际上会随年龄递减。作者的研究结果有助于理解大脑对全身蛋白信号的反应,以及血脑屏障在年龄相关性认知功能下降中的作用,同时还有望改善向大脑递送药物的方式。


血脑屏障有时被认为是一种静态的、不可穿透的屏障。实际上,它具有物理、运输、免疫等多方面的动态性质,它们会一起紧密调节血管与大脑之间的分子运动,从而调控大脑的分子环境。这里的一个关键问题是:到底什么物质才能穿过血脑屏障?


为了回答这个问题,Yang等人研究了血浆中的蛋白是如何进入大脑的。此前研究[3–5]追踪过注射的外源性蛋白(非生物体本身的蛋白质)的运动,而Yang等人这次将小鼠内源性血浆蛋白标记后再注射回小鼠体内。通过这种方式,他们便能追踪通常与小鼠血脑屏障相互作用的蛋白质。


作者发现,在健康的年轻成年小鼠中,进入大脑的血浆蛋白比之前认为的要高许多,因此很有可能与神经元环路相互作用。这一研究结果表明,大量不同的神经功能,包括情绪和行为,或许都能被全身蛋白信号调控。


作者还发现,穿透老年小鼠大脑的血浆蛋白比年轻小鼠要少。这是研究人员没有想到的,因为此前采用外源示踪剂的研究曾发现血脑屏障通透性是随年龄增加的,还强调了这种通透性增加是年龄相关性认知功能退化的一个影响因素[6,7]


Yang等人通过证明蛋白质穿过血脑屏障血管内皮细胞的转运机制具有年龄相关性变化,将这些看似互不相干的结果联系了起来(图1)。对年轻小鼠来说,主要的转运方法涉及特异性蛋白与内皮细胞上的质膜受体结合。这些受体被包裹在囊泡里,转运到细胞中——这个过程叫做受体介导的胞吞转运(transcytosis)。在老年小鼠中,受体介导的胞吞转运显著减少,非受体介导(非特异性)的胞吞转运增加,从而导致更多不同的血浆蛋白非特异性地进入大脑。


此前采用外源分子的研究很可能只测量了非特异性胞吞转运,而忽视了穿透年轻大脑的大量质膜蛋白。此次发现蛋白进入的特异性会随年龄增长而下降,或说明衰老能改变大脑接收特异性质膜蛋白信号的能力。


图1|进入大脑蛋白的年龄相关性变化。脑内血管内皮细胞限制了血源性蛋白的进入,但一些蛋白能藉由囊泡穿过这些细胞。Yang等人[2]报道了蛋白穿过内皮细胞的方式会随年龄而改变。a,在年轻小鼠中,进入大脑的主要方式是受体介导的胞吞转运,与受体结合的特异性蛋白在囊泡中从血液进入大脑。次要方式是非特异性胞吞转运,这时的蛋白会被随机包裹在囊泡中。b,在老年小鼠中,进入大脑的蛋白总量会下降。非特异性胞吞转运会增加,受体介导的胞吞转运则减少。这种转变可能与年龄相关性认知功能下降有关。


为了理解血脑屏障转运蛋白的机制,Yang等人开发了一种方法,将每个内皮细胞摄取的质膜蛋白水平与它的基因表达谱联系起来,并分析了这种关系沿血管树(vascular tree)的变化。分析结果显示,血浆蛋白摄取沿血管树呈梯度变化——动脉端最小(血液从心脏抵达,血压最高),静脉端最大(血流回到心脏,血压最低)。因此,蛋白转运随血管压力降低而增加。


作者还鉴定了哪些基因在内皮细胞的表达与血浆蛋白的摄取存在正相关和负相关的关系。这个基因名单或许能用来鉴定参与受体介导胞吞转运的跨膜受体。这些受体或能成为“特洛伊木马”(Trojan horse)药物递送的靶点[8]。特洛伊木马让工程改造过的蛋白质与能穿透血脑屏障的特异性转膜受体结合,如运铁蛋白受体。


由于受体介导的胞吞转运会随年龄减少,Yang等人的数据表明,当前的特洛伊木马策略(如基于运铁蛋白受体的策略)的有效性也会随年龄增长而下降。但作者还发现,老年小鼠大脑内皮细胞的Alpl基因表达会增加,Alpl基因编码的ALPL蛋白进行药物抑制,能增加对运铁蛋白受体的受体介导的胞吞转运。这或许是加强特洛伊木马药物递送效果的一种方式,尤其是对老年人群。


Yang等人的工作为理解蛋白质如何进入大脑提供了非常出色的见解,但一些局限性也应加以注意。比如,作者对大批量蛋白质进行追踪的实验从整体上量化了蛋白质如何进入大脑,但他们的成像研究清晰地表明,被标记的蛋白在某些脑区水平较高,包括脑室(含有脑脊液的腔室)周围区域和紧邻部分血管的空间内。除了血脑屏障以外,血浆成分还能通过脑室脉络丛以及覆盖大脑的脑膜内的血液与脑脊液之间的屏障,进入大脑。每道屏障对血浆蛋白进入大脑的相对作用依然未知。蛋白是进入整个大脑还是仅限于特定脑区也有待研究。因此,血浆蛋白与不同神经环路相互作用的具体程度依然不清楚。


此外,这项研究没有明确进入大脑的特异性蛋白,因此还不能说受体介导的胞吞转运通路究竟只影响少量蛋白(如运铁蛋白和瘦蛋白),还是影响大量蛋白。为了鉴定出这些蛋白,接下来的研究可以将Yang等人使用的标记法与基于质谱的蛋白分析技术相结合。只有先填补了这方面的认知空白,才能进一步明确血浆蛋白是如何影响神经环路的功能,以及如何利用特异性屏障机制来引导靶向性药物递送。


Yang等人的成果为今后的研究指明了许多方向。首先,很关键的是要理解蛋白进入大脑的年龄相关性转变是如何影响神经环路功能的,以及这是否影响了年龄相关性认知功能的下降。其次,弄清楚蛋白进入大脑如何随神经元活动、饮食和神经系统疾病等不同因素而变化,也将带来有意思的发现。第三,蛋白质只是血液中的一类分子。类似的研究手段还有能识别进入大脑全部分子的代谢组学方法,这将有助于深入认识血脑屏障如何调控神经环境,以及这种调控如何随衰老而变化。


参考文献:

1. Profaci, C. P., Munji, R. N., Pulido, R. S. & Daneman, R. J. Exp. Med. 217, e20190062 (2020).

2. Yang, A. C. et al. Nature 583, 425–430 (2020).

3. Poduslo, J. F., Curran, G. L., Wengenack, T. M., Malester, B. & Duff, K. Neurobiol. Dis. 8, 555–567 (2001).

4. Poduslo, J. F., Curran, G. L. & Berg, C. T. Proc. Natl Acad. Sci. USA 91, 5705–5709 (1994).

5. Yu, Y. J. & Watts, R. J. Neurotherapeutics 10, 459–472 (2013).

6. Nation, D. A. et al. Nature Med. 25, 270–276 (2019).

7. Marques, F., Sousa, J. C., Sousa, N. & Palha, J. A. Mol. Neurodegen. 8, 38 (2013).

8. Pardridge, W. M. BioDrugs 31, 503–519 (2017).


原文以Unexpected amount of blood-borne protein enters the young brain为标题发表在2020年7月1日的《自然》新闻与观点版块


本文来自微信公众号:Nature自然科研(ID:Nature-Research),原文作者:Roeben N. Munji & Richard Daneman                                      

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