血脑屏障2013.11

5. 促进中枢神经系统药物通过血脑屏障的策略。
改变给药途径、改变药物、改变屏障
思考题
• 血脑屏障的解剖构成如何？ • 中枢神经系统中神经元和毛细血管之间的 关系如何？ • 神经血管单元的概念和意义？ • 葡萄糖、氧、电解质、激素、蛋白等如何 通过血脑屏障？ • 如何促进一种药物通过血脑屏障？
Thank You!
• 物质的亲水性
• 与血浆蛋白的结合程度
• 载体转运系统
• 发育的影响 ……
5.血脑屏障各组分详解
血管腔面
a b c d 4 e 内皮细胞 紧密连接 基膜 周细胞 星形胶质细胞终足 星形胶质细胞终足
脑实质面
血管内皮细胞(Endothelial cell)
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
内皮细胞膜上的转运体系
紧密连接(Tight junction)
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高渗溶液 伊文氏蓝-白蛋白复合物
Jiang et al., 2012,Neuroscience letters
脊髓挤压伤 内源性IgG
Yao, et al, 2012, ECAM
一过性高血压 （静脉注射肾上腺素） 内源性IgG 免疫电镜结果
Kuang, et al.,2004, Int J Neurosci.
Following questions
毒素 H2O 药物
ATP
How to protect?
BRAIN
BLOOD
BCB
CSF
一、什么是血脑屏障
血脑屏障(blood-brain barrier, BBB)：在血液和脑之间，选择性 地阻止某些物质由血进入脑的屏 障。
1. 血脑屏障的发现
1885 1913
Blood-brain barrier
&
Clinical problems
神经生物学教研室 魏晓燕
2014-1-28
主要内容
一、什么是血脑屏障 二、血脑屏障实验室研究与临床检查方法
三、血脑屏障相关临床疾病
四、药物通过血脑屏障的解决方法
BRAIN
占全身重量的2-3%
占全身耗能的20-30%
物质交换非常丰富
Paul Ehrlich (1854–1915)
Edwin Goldmann (1862-1913)
1900
1921
“Bluthirnschranke”
―Hematoencephalic barrier‖
Max H. Lewandowsky
(1876 - 1916 )
Lina Stern
(1878-1968)
电子显微镜的出现，使人们 真正看到血脑屏障的结构。
分子生物学的发展使人们更 深入地认识了血脑屏障。
2.血脑屏障的组成
end foot
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2.血脑屏障的组成
Brain capillary endothelial cells & Tight junctions Basement membrane Pericytes End -feet of astrocytes
阿尔兹海默氏病 (Alzheimer’s disease)
进行性认知障碍，以神经毒性Аβ在血管和脑实质中的聚集、神
经元损害以及神经缠结为病理特征。
Amyloid peptide β (Аβ) 发挥中心作用
BBB 对Аβ的清除
Аβ内向流
3.其它血脑屏障开放的情况
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核黄疸(kernicterus)
狂犬病 帕金森病 精神分裂症 慢性病理性疼痛 中枢神经系统创伤 肌萎缩脊髓侧索硬化症 ……
Nearly all large-molecule pharmaceutics & 98% of small molecules
DO NOT cross the BBB
Of the 7000 drugs ( Comprehensive Medicinal Chemistry database) 5% treat the CNS ( limited to depression, insomnia and schizophrenia)
3. 临床检查方法
(1) CSF分析
(2) 影像学检查
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Clinical 三、血脑屏障相关临床疾病 problems?
1.血液成分进入CNS
血浆蛋白
脑实质受损
病毒、细菌等
免疫细胞
a.血浆蛋白的神经毒性作用
反复开放血脑屏障--癫痫发作，病灶内发现白蛋白沉积
BBB的破坏时程与皮层活动异常一致
将血浆蛋白直接注射到海马，导致行为、 脑电的癫痫改变
小
结
1.血脑屏障的基本结构和相应的功能；
位置、五大组成部分、四大功能
2.常见血脑屏障的研究方法和临床检测方法；
在体、离体、BBB开放模型的制备、两种常用检测方法
3. 血脑屏障在疾病发生发展中的作用；
血液成分或免疫细胞侵害脑实质、转运系统异常、发育不全
4.神经血管单元概念及其意义；
细胞组成、相互作用方式、在疾病发生发展和修复中的作用
T-cells crossing the blood-barrier into the brain
Department of Neurobiology mail: xiaoywei@fmmu.edu.cn
周细胞(Pericyte)
• 属于血管平滑肌细胞系 • 与内皮细胞共用基膜 • 与内皮细胞之间存在特化连接
周细胞
包裹脑微小/毛细血管30%-70%
周细胞的功能
周细胞的缩血管作用
星形胶质细胞终足(Astrocyte end-foot)
调节水分子进出脑组织 调节电解质代谢 调节小血管通透性
二、血脑屏障实验室研究与临床检测方法
1. 动物实验
示踪原理：伊文氏蓝（Evans Blue）静脉注
射入血，可透过被破坏的血脑屏障，迅速与 脑组织中的白蛋白结合，使脑组织染色。
Electron microscopy
体外实验——联合细胞培养
2. 建立血脑屏障开放模型
血压 渗透压 炎症 外伤 辐射
炎症期
“…rather than being a disease of the immune system, MS is a disease of the blood-brain barrier .”
退变期
HIV脑病 (HIV Encephalopathy)
艾滋病痴呆综合征 (AIDS Dementia Complex, ADC)
…brain diseases account for ~ 30% of the total burden of all diseases.
四、药物通过血脑屏障的解决方法
策略
To cross the blood-brain barrier !
(1) Change the route?
(2) Change the drugs?
Trojan horse hypothesis
瘦素抵抗引起的肥胖症 (Leptin-resistant induced Obesit 2.转运系统异常
William A Banks:
“…In this sense，obesity is a disease of the BBB”
The Blood-Brain Barrier as a Cause of Obesity Current Pharmaceutical Design, Volume 14, Number 16, June 2008 , pp. 1606-1614(9)
血中胆红素增高，通过新 生儿未发育健全的血脑屏 障进入中枢神经系统，在 大脑基底节、视丘下核、 苍白球等部位引起病变。 主要表现为重度黄疸肌张 力过低或过高，嗜睡、拒 奶、强直、角弓反张、惊 厥等。
4.神经血管单元 (Neurovascular Unit)
神经血管单元 (Neurovascular Unit，
血管
3.血脑屏障的功能
Separate CNS and blood / immune system Maintain homeostasis
BBB
Strict selective permeability
Ensure material exchange
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4.决定血脑屏障通透性的因素
• 物质的脂溶性
(3) Change the barrier?
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（1）Change the route
鞘内给药
（2）Change the drugs
•转运蛋白、claudin-5
利用转运系统
•蛋白质转导结构域 (PTD) •单域抗体Fc5 （血管内皮细胞内源性 受体介导）
药物改造
•纳米颗粒 10-100nm •脂质体（球状小囊）
中枢和外周毛细血管的差别
外周 内皮细胞
CNS 无窗孔、缺乏小泡
有窗孔、多小泡
内皮细胞连接
周细胞 基膜 胶质细胞
有间隙
很少 无 无
紧密连接
有 有 星形胶质细胞终足
内皮细胞含有的酶 无 类 内皮细胞是否能收 含收缩蛋白，对组织 缩 胺类药物反应为收缩
含单胺类降解酶及多种 分解酶
不含收缩蛋白，能保持 血管通透性的相对稳定
L-DOPA
L-type amino acid transporter 1 (LAT 1)
enzyme
BLOOD
BBB
BRAIN
Dopamine
（3）Change the barrier
•改变渗透压（甘露醇） •改变紧密连接 (RMP-7) •超声微泡 •光化学、光动力 •电磁场 •放疗
•中医药（开窍药如冰片）
HIV感染晚期最常见的重要并发症。
发病机理不明，多认为是HIV自身导致。 组织学改变为白质变灰，伴有星型胶质细 胞增生性反应，见于周围血管分布区域。
问题：病毒如何进入脑组织？
Colored positron emission tomography (PET) scan.
Top: AIDS patient suffering from dementia. Bottom: a normal brain.
NVU): 组成血脑屏障的各成分与邻近
的神经细胞共同组成的功能单位，主 要以旁分泌的方式在生理和病理条件 下相互影响、相互作用。包括神经元、 星形胶质细胞、小胶质细胞、血管内 皮细胞、血管周细胞、基底膜以及细 胞外基质。
NVU in Alzheimer's Disease
5.其它血脑屏障相关疾病

跨膜蛋白 (claudins, occludin)
锚定蛋白 (ZO-1) 骨架蛋白 (actin filament)


基膜(Basement membrane)
Collagen-V, Laminin等基质蛋白
structure
厚20-200 nm的连续膜结构
function
分隔组成BBB的诸细胞 锚定内皮细胞
b.免疫细胞进入CNS
T 细胞进入脑实质
T cells through BBB
T cells in the blood vessels
—— Semin Immunopathol (2010)
多发性硬化 (Multiple sclerosis)
多发性硬化 (Multiple sclerosis)
水通道蛋白(Aquaporin, AQP)-4
AQP4/RECA/Hoechst
6.血脑屏障的完整概念
（位置、组成、功能）
在血液和脑之间，选择性地阻止某些物质 由血进入脑的屏障。
由中枢神经系统的毛细血管内皮细胞及其 紧密连接、周细胞、基膜和星形胶质细胞 终足组成。 分隔了血液及外周的免疫系统，保障中枢 神经系统的内环境稳定，同时能够维持血 液和脑组织间正常物质交换。