第二节 血-脑脊液屏障
血-脑脊液屏障（blood-cerebrospinal fluid barrier，BCB）是大脑屏障系统的一部分，位于大脑脉络丛（choroid plexus），是脑脊液（cerebrospinal fluid，CSF）和血液之间的一种屏障结构，负责两者之间的物质转运。
一、血-脑脊液屏障的结构
（一）脉络丛的结构
大脑脉络丛是存在于大脑双侧侧脑室、第三脑室和第四脑室中的血管状组织结构，由室管膜向脑室内陷后分化而形成，在脑室内呈网状排列，是构成BCB 的物质基础。 根据其解剖定位不同，可以分为侧脑室脉络丛、第三脑室脉络丛及第四脑室脉络丛等3 种。 虽然脉络丛体积很小，其湿重只占整个脑重量的5%，但其表面积却可达到大脑微血管总面积的50%左右，并且血液流经脉络丛的速度要比在其他脑区快10 倍，这种特点为脉络丛与血液间的物质交换提供了保障。
脉络丛的功能单元由被一层分化的室管膜细胞包裹的微血管构成。 与血-脑屏障（BBB）的微血管不同，脉络丛微血管存在微孔，以便毛细血管中的水分和小分子物质等自由通过内皮细胞进入脉络丛基质；而且内皮细胞间缺乏紧密连接。 所以，这种内皮并不能形成屏障结构，小分子物质可以自由地穿过微血管壁上的微孔和细胞间隙。 然而，位于脉络丛的BCB 由上皮细胞以及它们之间的紧密连接构成。 这些上皮细胞之间为间断性连接，细胞游离端的周缘由紧密连接（tight junctions，TJ）完全封闭。 BCB 另一个组成部分是包裹在大脑外的蛛网膜，膜细胞之间也存在紧密连接结构。
脉络丛不仅是CSF 的重要来源，而且可以通过其活性上皮所构成的BCB 选择性地将血液中的物质向CSF 内转运，阻止了一些存在于外周循环中的有害因子对脑组织可能造成的损伤；同时还能主动地调节CSF 的成分，排出有害的代谢产物和外来化合物，以维持CSF 环境的稳态。
脉络丛是CSF 产生的主要部位，而脉络丛上皮细胞从形态上来说，也和其他分泌细胞类似。 成熟的脉络丛上皮细胞呈立方形或矮柱形，胞核较大，居中，呈圆形或椭圆形。 胞质内含有较丰富的线粒体、核糖体、粗面内质网、高尔基复合体、溶酶体等细胞器。 细胞面向CSF的一侧具有微绒毛结构，微绒毛之间也常融合为迷路样微绒毛网络，这种结构特点大大增加了细胞顶部的膜面积，从而可能有助于CSF 的分泌；而且在微绒毛顶端多形成由小到大逐渐成熟的分泌小泡。 另外，在大脑微血管离子转运（如Na+和Cl-）过程中，也会引起CSF 的分泌，表明也有一部分CSF 产生于脉络丛之外。
（二）脉络丛紧密连接及紧密连接蛋白
紧密连接是维持BCB 基本结构和功能完整性的物质基础。 脉络丛上皮细胞间的紧密连接（TJ）位于相邻细胞顶端，将两层质膜紧紧连接在一起。 TJ 是一种细胞-细胞膜在空间上的连接，这使得细胞之间无空隙，发挥着屏障的作用。 BCB 具有屏障和通道的功能，一方面，通过封闭连接或者在TJ 中形成通道以调控离子、大分子物质以及水的细胞旁路渗透性；另一方面，形成物理屏障阻止膜内脂质和蛋白质的扩散，以维持膜结构的不对称分布，稳定细胞极性，同时还可将CSF 与血液隔离开，维持脑内环境的相对稳定，从而保证了BCB 正常的生理功能。 TJ 为动态复合结构，在多种蛋白质相互作用下形成，主要由复杂的跨膜蛋白（包括连接黏附分子、occludin、claudin）和胞质附着蛋白（包括ZO-1、ZO-2、AF-6）连接细胞骨架蛋白共同组成。 相邻细胞间跨膜蛋白的胞外域相互作用，跨膜蛋白的胞内域与胞质蛋白相连，胞质蛋白又与细胞骨架蛋白相连，使细胞间TJ 形成网状结构。 TJ 被这些高特异性蛋白调控着，生理状态下，相对分子质量>180 的物质均不能通过BCB，从而保持了CSF 和中枢神经系统内环境的稳态。
1.跨膜蛋白
跨膜蛋白包括occludin、claudin、JAM 等分子。
（1）occludin：
闭合蛋白是细胞间TJ 中最早被发现的连接蛋白，分布于上皮细胞和内皮细胞内。 人类occludin 蛋白基因定位于5q13.1。occludin 蛋白的相对分子质量为64 000，由504 个氨基酸构成，有4 个跨膜结构域，其中短的胞质氨基端结构域和长的胞质羧基端结构域均位于细胞质区，有2 个存在于细胞间隙内、富含丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸残基、大小相似的细胞外环和一个由10 个氨基酸残基构成的细胞内短环。 occludin 蛋白的胞内结构包括：一个细胞内短环结构、一个短氨基末端和一个长羧基末端。 第一个细胞外环富含甘氨酸和酪氨酸，它的高同源性的多肽分子与紧密连接开放后的再闭合有关。 在人类occludin 蛋白的细胞外环中，仅含有9 个带电的氨基酸残基，可形成疏水结构，相邻细胞间的第一个外环交错形成封闭区域。 第二个细胞外环对TJ 有特异性的调节功能，是TJ 组装的必需成分。occludin 是细胞间TJ 的主要组成部分，内皮细胞通过occludin 封闭细胞间隙，并与ZO-1 等紧密连接相关蛋白共同组成 TJ 的基础结构。 occludin 羧基末端最后150 个氨基酸高度保守，是典型的coiled-coil 结构，occludin 通过这一结构与其自身、actin、ZO-1 和ZO-2 相互作用，同时这一结构域也是磷脂酰肌醇-3（PI-3）激酶的作用位点。
occludin 的两个胞外环伸向细胞间隙，与相邻细胞中伸出的胞外环形成细胞间封闭带。去除胞质区羧基端的150 个氨基酸时，occludin 丧失与ZO-1 的结合位点，无法定位于紧密连接处。 因此，occludin 在TJ 的定位功能可能经由ZO-1 介导完成。
（2）claudin：
整合膜蛋白claudin 家族含有至少24 个claudin 超家族成员，分子量在20～27kDa 之间，具有4 个跨膜区、两个胞外环、一个胞内环、胞质内的N 端和C 端。 其中，胞外环的第一个环明显长于第二个，分别由52 个和16 ～33 个氨基酸残基组成，在不同的claudin 分子中，第1、4 跨膜片段及胞外环的氨基酸序列高度保守。 胞质内的N 端和C 端分别由7 个和21～63 个氨基酸残基组成。 具有高度保守性的claudin 胞内C 末端氨基酸构成了PDZ 结合基序，claudin 家族通过这些基序与ZO-1、ZO-2、ZO-3 的PDZ 结构域相互结合。
claudin 形成紧密连接闭合带的主链，它可以利用细胞旁离子通道调控紧密连接的屏障功能，其中claudin-5 的分子构成与紧密连接胞外侧（exoplasmic face，E face）结构形成密切相关，而occludin 蛋白分子构成与紧密连接胞内、外两侧结构的形成都相关，并且occludin 形成的TJ 较claudin 短。
claudin 调控内皮细胞间的黏附、极性及屏障功能，其改变与许多临床疾病的发生密切相关。 据报道，claudin 在生理或病理条件下可发生近1000 种变化，这一多态性进一步提示紧密连接的屏障作用对于物质渗透具有多样性。
（3）连接黏附分子（junctional adhesion molecule family，JAM）：
糖蛋白JAM 是分子量为43kD 的免疫球蛋白超家族，由两个胞外可变结构域、一个跨膜结构域、一个细胞内短氨基酸序列（45aa）3 部分组成，45aa 序列是一个Ⅱ型PDZ 结合结构域。 JAM 分为JAM-A、JAM-B和JAM-C 三个亚型，除了JAM-A 可表达于内皮和上皮细胞外，JAM-B、JAM-C 仅在血管内皮细胞中表达。 JAM-A 通过其羧基端的PDZ 基序与ZO-1、cingulin 相互作用。
JAM 通过与ZO-1 和occludin 结合形成可溶性复合体，连接到肌动蛋白细胞骨架上，从而使occludin 具有定位结合到基底膜的能力，ZO-1 可能直接与JAM 胞质侧尾相互作用定位于紧密连接处。 研究证实，JAM-A 参与了TJ 的构成和白细胞的迁移。
2.胞质附着蛋白
带状闭合蛋白（zona occludens，ZO）是紧密连接的膜周边蛋白，它的作用是连接跨膜蛋白、肌动蛋白和细胞骨架。 ZO 功能和结构的改变可导致TJ 解离，通过增加细胞间缝隙引起血管通透性升高。 人带状闭合蛋白1（zonula occludens-1，ZO-1）是第一个被发现的TJ 相关蛋白，ZO-1 基因定位于染色体 15q13，该基因编码蛋白ZO-1 定位于细胞膜表面，有2 种转录子变异体编码不同亚型。 ZO-1 存在于所有脊椎动物的紧密连接中，人体大脑、眼、嗅觉系统、肺、肠道、肾小管、动脉血管、内皮等组织和器官中均有ZO-1 表达，星型胶质细胞、成纤维细胞等非上皮细胞中也有ZO-1 表达。
（1）ZO-1：
ZO-1 是一种分子量为210～225kDa 的蛋白质，具有ZO-2、ZO-3 两个亚型，它们共同属于膜结合鸟苷酸激酶蛋白家族（membrane associated guanylate kinase homologues，MAGUK），由1745 个氨基酸残基组成，相对分子质量为220 000，含有3 个保守的PDZ 结构域（PSD-95、Dlg 和ZO-1），一个Src 同源结构域-3（Src homology domain，SH3），一个膜结合鸟苷酸激酶结构域（guanylate kinase，GK）和一个酸性结构域等。 PDZ 结构域由80 ～90 个氨基酸组成，是PSD95、DlgA、ZO-1 三种蛋白的首字母缩写，它的作用是将跨膜蛋白锚定于细胞骨架上。 所以，ZO-1 通过其PDZ 区与跨膜蛋白occludin、JAM、紧密连接相关激酶等互相连接，相互作用。 ZO-1 蛋白能够激活G 蛋白耦联的信号途径，因此G 蛋白参与调节紧密连接的聚集。 ZO-1 可与ZO-2、ZO-3 组成ZO-1/ZO-2/ZO-3 复合体，该复合体有3 个PDZ 结构域。ZO-1 通过它的PDZ 区域与细胞连接蛋白形成蛋白-蛋白复合体，其第一个PDZ 结构域与claudin 的羧基末端相连，第二、第三个PDZ 与JAM 相连，它的GK 结构域与occludin 相连。ZO-1 通过羧基末端结合到细胞骨架actin 和actin 结合蛋白上，将跨膜蛋白和细胞骨架蛋白连接在一起，从而识别 TJ 位置及传导信号。 ZO-1 酪氨酸磷酸化受控于MAPK 信号途径。
occludin 定位于富含ZO-1 的细胞连接区域，ZO-1 的N 端直接结合于occludin 的C 端，将occludin 与细胞骨架相连。 去除occludin C 端的ZO-1 结合位点后，occludin 的TJ 定位功能丧失，提示ZO-1 与TJ 的膜定位密切相关。 ZO-1 受控于酪氨酸激酶、PKC、cAMP 和G 蛋白。 ZO-1 表达下降和活性降低，会破坏细胞间TJ 结构的稳定性和完整性。
ZO-1 是细胞紧密连接的重要组成蛋白，是紧密连接的重要调控子，在TJ 定位、细胞骨架的形成、胞旁屏障、细胞极性的维持中都有重要作用。 研究证实，ZO-1 的表达与血-脑脊液屏障通透性密切相关，ZO-1 表达水平下降提示BCB 通透性增加。
（2）ZO-2：
ZO-2 分子量160kDa，它通过第一个PDZ 结构域与claudin 相互作用，通过GK 区域与occludin、cingulin 及catenin 作用，ZO-2 的羧基末端含有丰富的脯氨酸，可以与actin 连接。 ZO-2 与转录因子Fos、Jun 以及C/EBP 等相互作用调节信号转导及基因表达。 当细胞紧密连接结构损伤时，PKA、PKC（主要是PKC-ι 和PKC-δ）介导ZO-2 丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化。
（3）ZO-3：
ZO-3 是分子量130kD 的磷酸化蛋白，它与ZO-1 和ZO-2 形成复合物，ZO-3通过第一个PDZ 与claudin 相连接，通过氨基端和羧基端分别与occludin 和cingulin 相连接，它的氨基端超过一半与actin 相连，其羧基端很短，且富含脯氨酸的区域在第二、第三个PDZ之间。
二、血-脑脊液屏障的功能
（一）分泌脑脊液
1.脑脊液的分泌及其机制
CSF 为无色透明的液体，充满于各脑室、蛛网膜下腔和脊髓中央管内。 CSF 的循环由侧脑室开始，经小孔室间孔（foramina of monro）到达第三脑室、中央导水管、然后到达第四脑室，并经第四脑室的正中孔和外侧孔流入小脑延髓池，之后到达脑和脊髓的蛛网膜下腔，最后经矢状窦旁的蛛网膜颗粒将CSF 回渗到上矢状窦，使CSF 回流至静脉系统。 CSF 的回流（或吸收）主要取决于颅内静脉压和CSF 的压力差以及血脑屏障间的有效胶体渗透压。 脑和脊髓的血管、神经周围间隙和室管膜也参与CSF 的吸收。 CSF 在中枢神经系统起着淋巴液的作用，它可为脑细胞提供一定的营养物质，运输代谢产物，调节中枢神经系统的酸碱平衡，并缓冲脑和脊髓的压力，对脑和脊髓具有保护和支持作用。
正常成年人的CSF 约100～150ml，其比重为1。在人体中，CSF 产生的速度大约为0.3～0.4ml/min，表明CSF 每天可被替换3～4 次。 CSF 呈弱碱性，不含红细胞，但含少量淋巴细胞（约为5/mm3），和血浆中的有些成分也并不一致，表明CSF 并不仅仅是血浆的滤过液。 脉络丛产生CSF 的过程受离子活跃转运驱动，导致Na+和Cl-（CSF 主要离子成分）的净分泌。CSF 分泌的确切机制尚不完全明确，可能的机制如下：首先，Na+-K+-ATP 酶通过水解ATP 造成细胞内的Na+浓度降低，从而产生了底膜面Na+离子浓度高于细胞的浓度梯度差。 同时，碳酸酐酶在细胞内将CO2 与H2O 转化成H+与HCO3-，这两种离子对于CSF 的分泌非常重要；其次，位于细胞底膜面的Na+-H+转运体将Na+离子交换进入细胞，而将H+排出细胞，此过程完成了Na+从基底膜面向顶膜面的分泌，同时脉络丛上皮细胞底膜面的Cl-/HCO3-交换体将HCO3-排出细胞而将基底膜侧的Cl-交换进入细胞，使得Cl-在细胞内积累。 然后，Cl-以一种顺浓度差的方式从顶膜面的相关通道或者转运体运出，完成分泌。 Cl-从上皮细胞释放入CSF 的过程是一种协同转运蛋白所介导的，但目前尚不清楚这种协同转运蛋白是Na+/K+/2Cl-还是K+/Cl-形式。
与大多数上皮细胞不同，Na+-K+-ATP 酶表达于脉络丛上皮的顶侧（即面向CSF 的一侧）。 研究表明，抑制Na+-K+-ATP 酶的活性可以引起CSF 分泌的减少。 Na+-K+-ATP 酶可能是上皮细胞向CSF 转运Na+的主要转运体，它还为基底膜侧（即面向血液的一侧）的Na+向内皮细胞的转运提供了电化学梯度。 上皮细胞Cl-的内流依赖于基底膜侧的Cl-/HCO3-交换体。 碳酸酐酶抑制剂可以减少细胞内HCO3
-的产生，从而抑制这种交换体的功能。蛛网膜绒毛吸收CSF 的过程是一种类似阀门的作用，使得CSF 可以从蛛网膜下腔单向流动到静脉窦。 在鼻窦中CSF 压力正常的情况下，CSF 并不被吸收。 而一旦达到压力阈值，CSF 吸收速率取决于CSF 和鼻窦压力的差值。 正常人在颅内压中度增高的情况下，脑积液的吸收速度可达其产生速度的6 倍。 在脑室间通道被阻塞的情况下，阻塞处上游的脑室将会扩张，形成阻塞性脑积水（obstructive hydrocephalus）。 在一些疾病过程中，例如由于鼻窦炎症或血栓造成的蛛网膜下腔闭塞，还可阻碍CSF 的清除。 一旦发生，可在未发生脑室间通道闭塞的情况下导致CSF 压力增高，甚至发展成脑积水，称为交通性脑积水（communicating hydrocephalus）。
2.脑脊液的功能
脑脊液包绕在大脑周围，通过浮力作用而对大脑产生一定的保护作用。 另外，由于颅骨的刚性，加上脑血管舒张或脑实质细胞膨胀等原因所引起的大脑体积增加都可以造成颅内压增高，而CSF 可移动和排出的特点，限制了颅内压的增高。 而在大脑失水的情况下，CSF 又可以为大脑补充水分。
脑脊液系统还是许多物质进入大脑的主要途径。 目前尚不清楚为什么一些物质通过BCB 进入大脑，而其他物质则通过BBB，但这种特异性可能反映了两种屏障系统在被动渗透性方面的差异，因为与BBB 相比，BCB 的渗漏程度更大一些。 另外，这也可能反映了脑室系统周边组织的需求特征。
蛛网膜绒毛对溶质和溶剂的体吸收（bulk absorption）以及脉络丛对某些分子的选择性清除，意味着分子从到达脑细胞间液到扩散进入CSF 要经过一个浓度梯度，然后这些分子被CSF 的整体流动（bulk flow）或主动转运清除。 CSF 这种类似于水槽的功能有助于使大脑和脑脊液中许多物质的浓度保持在低于血浆浓度的状态下。
另外，脑脊液系统还参与信号转导。 它为激素在大脑中的转运提供了一条可能的途径，同时也可能为大脑与身体其他部位的通信提供了一条途径。 CSF 沿着视神经和嗅神经的整体流动经过了淋巴组织，而CSF 中的抗原物质可能引起系统性的免疫反应。
（二）物质转运和交换
1.血-脑脊液屏障的物质转运特点
血液与脑之间的物质交换主要发生在大脑屏障系统，即BBB 和BCB。 由于BBB 在大脑中分布的广泛性及其较大的表面积，一直被认为是最重要的物质转运屏障。 但是，随着对BCB 结构与功能研究的深入，其在脑内物质转运过程中的重要作用也逐渐被发现。
物质从血液转运至CSF 的过程在很多方面与它们从血液转运至大脑的过程类似，许多转运体同时表达于BBB 和BCB。 但是，从量化的角度来说，两者之间也存在一些重要的差异。 例如，BBB 对于O2、CO2、葡萄糖和氨基酸向脑内的转运过程起主要作用，而BCB 则主要转运其他的一些化合物。 例如Ca2+在CSF 的流入速率常数比其在BBB 转运的数值大10倍，表明脉络丛对于维持CSF 和大脑的Ca2+平衡都很重要。 另外，脉络丛还参与某些激素的转运，甚至可能是这些激素的来源。 例如，脉络丛可能向CSF 中分泌胰岛素样生长因子Ⅱ，还可以产生并向CSF 中分泌甲状腺素运载蛋白（一种甲状腺素和视黄醇的载体）。
脉络丛的转运功能是双向的，血液中的物质可以扩散、易化扩散、主动转运等方式进入CSF 中，而CSF 中的代谢产物也可以向血液中主动转运。 对于被动转运的物质来说，它们的分子量与其在脉络丛转运的速度成反比。 物质的脂溶性也会影响其跨膜转运，水溶性物质最易穿过BCB。 小分子物质，如水分子可经BCB 上的小孔和通道较容易地通过BCB；而大分子物质，如蛋白质则难以通过。
（1）水：
血-脑脊液屏障具有转运大量液体的独特结构，所以对水分子有最快的通过性。活跃的脉络丛血流、丰富的Na+-K+-ATP 酶、碳酸酐酶活性以及较高的代谢率，都有助于CSF的大量流通。 液体透过脉络丛的速率甚至可以和肾小球过滤液体的速率相比。 水通道蛋白1（aquaporin-1，AQP-1）是实现水分子快速通过BCB 的重要通道。 利用放射性核素氚进行的研究表明，水仅需数分钟即可从血液中经细胞间隙或穿过上皮细胞进入脉络丛-CSF 系统。
水通道蛋白1 在红细胞和脉络丛上皮均有表达，可以使水分子易于通过细胞膜。 AQP-1表达于脉络丛上皮细胞面向CSF 的顶端，当CSF 渗透压增高时，水分子可以通过AQP-1 被动转运进入CSF。 然而，水在基底膜侧如何转运目前尚不明确。 有研究发现，在机体发育早期，脉络丛上皮基底膜侧发现有AQP-1 表达。 另外，在脉络丛上皮细胞基底膜还发现有水通道蛋白3（AQP-3）的表达。
研究证实，脉络丛上皮顶端所表达AQP-1 的水平与CSF 生成的速率密切相关。 在胚胎发育早期以及生命的晚期，CSF 的产生相对不活跃，而上述阶段脉络丛AQP-1 的表达水平也较低。 另外，AQP-1 基因敲除的小鼠CSF 的生成也较慢，CSF 压力也比正常鼠低。 CSF 也可以影响AQP-1 的表达。 如在急性低钠血症时，水进入中枢神经系统过快，可引起脉络丛AQP-1 表达的增高；而如果下调AQP-1 的表达，可以通过减少进入脑室的渗析流（osmotic flow）而缓解颅内压的增高。 目前研究人员已在探索调控CSF 流的方法，主要手段包括干预AQP-1 表达的转录调控因子，或者研发能够抑制AQP-1 通道的药物。
（2）尿素：
尿素分子比蔗糖和甘露醇分子都要小，所以关于其转运和分配的研究对于评价屏障对于非电解质的通透性十分有用。 在成年个体的CSF 中，尿素的水平大约是其血浆水平的70%～80%。 从CSF 到血液的尿素转运并不活跃，其转运速度也比水分子慢，表明脉络丛对血液到脉络丛的尿素转运有分子筛选作用。 实际上，许多水溶性非电解质均可被脉络丛以类似的方式筛滤，导致它们在CSF 中的浓度相对较低。
在哺乳动物体内，当脉络丛功能活跃并产生大量CSF 时，CSF 将会开始排出。 在大量液体流经脉络丛时，亲水性溶质（如尿素）相对于水分子来说，会受到更强的滤过作用，其CSF/血浆浓度比值更低。 尿素分子和水分子类似，可通过脉络丛上皮细胞膜表面的通道跨细胞转运，或者通过孔隙和TJ 经细胞间隙转运。
（3）蛋白质：
成年哺乳动物CSF 中蛋白质的浓度低于血浆2 ～3 个数量级。 从血浆到CSF 这种巨大的蛋白质浓度梯度也反映了BCB 对大分子物质的屏障作用。 虽然与BBB 相比，BCB 上的TJ 是“渗漏的”，但是血浆蛋白质在通过BCB 时，其速率仍远小于Na+、尿素和水等小分子物质。 即使是分子量仅有约2000Da 的蛋白质（如微过氧化物酶）也会被BCB 的紧密连接所阻拦。 脉络丛对血浆蛋白和多肽的这种筛选作用对于维持CSF 渗透压和“漏斗”作用的稳态以及CSF 介导的免疫和内分泌信号都非常重要。
BCB 上皮细胞蛋白质运输的调控机制也和BBB 不同。 对于大多数蛋白质来说，其转运调控的起始环节并不在脉络丛血管壁，这与大脑微血管/间质的功能联系是截然不同的。 血浆蛋白质向大脑的弥散受到微血管壁的约束，而在脉络丛中，许多血浆蛋白质易于脱离微血管而进入小间隙。 由于缺乏淋巴引流系统，脉络丛利用成纤维细胞和巨噬细胞，通过吞噬作用处置小间隙中不需要的蛋白质。 另外，其他的渗出蛋白或者被上皮细胞/溶酶体内吞并降解，或者扩散到接近TJ 的基底裂隙中。 脉络丛上皮细胞顶端的紧密连接和基底膜是BCB 的解剖学基础，可以显著地限制大部分蛋白质和多肽通过BCB。 在胚胎早期脉络丛的TJ 就已形成，提示蛋白质进入CSF 的过程在正常生命过程中都受到严格的调控。 在成年个体的脉络丛，血浆蛋白质可以通过几种途径/机制进入CSF。 包括扩散在内的至少一种进入CSF的方式是通过孔状结构或通道完成的。 紧密连接上的小孔或者不连续的位置难以明确地观察到，但是，即使TJ 的周长仅有0.08%出现不连续，也会导致孔状结构的出现和蛋白质向CSF 的渗漏。 除此以外，在脉络丛上皮细胞的基底膜侧，蛋白质还可以通过胞饮作用（pinocytosis）进入细胞，然后可能经过特定类型的内质网进行转运。
2.血
-脑脊液屏障的转运蛋白 脉络丛所表达的各种转运蛋白对于血液和CSF 之间的物质转运起到重要的作用，主要如下：
（1）溶质载体蛋白（solute carrier，SLC）家族：
脉络丛中的SLC 转运蛋白主要为SLC21与SLC22 家族，其底物以药物与各种外源性化合物为主，如SLC21 家族成员多为一些有机阴离子转运多肽，可以接收相对较大的两性底物，如胆盐、牛磺胆酸、甲状腺激素、白细胞三烯和一些类固醇的共轭物、药物或者其他的外源性化合物等。 SLC22 家族包括有机阳离子转运蛋白（organic cation transporters，OCT）与有机阴离子转运蛋白（organic anion transporters，OAT）两种，二者具有很高的同源性。
OCT 为底物多专属性蛋白，转运亲水性及小的有机阳离子，如四乙胺（TEA）、1-甲基-4-苯吡啶、地昔帕明（去甲丙咪嗪）、奎尼丁、西咪替丁和普鲁卡因等结构多样的底物药物，以及维生素B、一些神经递质（如5-HT、多巴胺）和卡尼汀（肉毒碱）等，呈膜电位依赖性。 研究表明，OCT 表达于脉络丛，在分离出的脉络丛与培养的脉络丛上皮细胞上均可观察到顶侧方向的四乙胺摄取。 另外，其他的阳离子，如胆碱及西咪替丁（不依赖OAT 转运）都在脉络丛上被转运。 OCT3 还可以负责多巴胺的转运，并且这种特异的转运过程可以被甲基苯丙胺所抑制，当OCT3 的表达减少时，脑内甲基苯丙胺与多巴胺的浓度增加，继而引起多巴胺能神经元的传导功能增强以及甲基苯丙胺所诱发的移动加快加重，提示OCT3 或许是一种新的甲基苯丙胺相关疾病如药瘾与精神分裂症的分子靶标。
OATs 表现为多特异性，可以接收一些小的亲水性底物，如神经递质代谢物、cAMP、cGMP、羧酸酯、前列腺素（PGE2）、外源性化合物（杀虫剂和灭草剂）和药物（如β-内酰胺类抗生素、非甾体抗炎药物、水杨酸盐、抗病毒药、抗利尿药、抗癫痫药、雌酮硫酸、甲氨蝶呤和西咪替丁等）。 动物实验表明，大鼠脉络丛上有3 种OAT mRNA 表达，其中OAT3 表达水平最高，而且表达于脉络丛上皮细胞顶侧。 在人的脉络丛上OAT1 与OAT3 均有表达，但在细胞膜上的定位尚未阐释清楚。 OAT3 底物专属性广泛，底物包括两性有机阴离子，如E217BG、硫酸雌酮、硫酸脱氢表雄酮；亲水有机阴离子，如对氨基马尿酸（PAH）与青霉素；有机阳离子西咪替丁等。
另外，脉络丛还存在新型有机阳离子转运蛋白（novel organic cation transporter，OCTN，SLC22A），为有机阳离子型药物及内源性物质的新型转运蛋白。 目前已从啮齿动物体内分离出OCTN1～OCTN3，而从人体中分离出了OCTN1 与OCTN2。大鼠脉络丛中主要表达OCTN2，其次为OCTN1。OCTN1 具有有机阳离子转运活性，且能将有机阳离子和质子进行交换转运，可以介导TEA、吡拉明、奎尼丁和维拉帕米的转运。
在脉络丛中还有一些与特定溶质外排相关的转运系统，例如CSF 向血液中转运碘和硫氰酸盐依赖饱和载体机制。 这种转运可以克服电化学梯度，表明它属于主动转运。 CSF 中有机酸的外排依赖另一个重要的转运系统，青霉素、神经递质的代谢产物（如高香草酸和5-羟基吲哚乙酸）的清除均通过该系统。 这个清除系统具有可饱和的特性，可以被羧苯磺丙胺所阻断。 研究发现，对于有机阳离子与有机阴离子来讲，其从CSF 到血液的转运过程可以分为3 个阶段，首先是上皮细胞顶膜的吸收，其次是跨细胞转运，然后是基底膜的外排。 这种对羧苯磺丙胺敏感的有机酸清除系统在BBB 同样存在。
（2）ATP 结合盒转运蛋白：
ATP 结合盒转运蛋白可以分为7 种不同的亚系，其中多药转运蛋白（multidrug transporter protein，MDR）/P-糖蛋白（P-glycoprotein，P-gp，ABCB1）与多药耐药相关蛋白1（multidrugresistance-related protein 1，MRP1）可以通过能量依赖性单向转移过程将药物与外源性化合物由CSF 转向血液，有助于CSF 中一些有害化合物的清除，从而发挥解毒的功能。
P-糖蛋白在BBB 和BCB 均有表达，研究人员已从大鼠、小鼠和人体分离的脉络丛中发现有P-糖蛋白的表达。 在啮齿动物中，与人的MDR1 对应的基因分别是mdr1a 和mdr1b，二者功能相似。 P-糖蛋白底物专属性广泛，底物包括许多疏水的中性或阳离子型化合物，如非索非那定与E217BG（estradio-l 17，B-glucuronide）等。 P-糖蛋白可作为药物的靶点，影响药物向各组织器官的运输传递，并介导药物之间的相互作用。 大量研究表明，P-糖蛋白在环孢素、地高辛、多潘立酮、依托泊苷、洛哌丁胺、紫杉醇与长春碱等药物的浓度时间曲线中起重要作用。 动物实验表明，P-糖蛋白底物从基底侧向顶端侧的通量高于顶端侧向基底侧的通量，且可被P-糖蛋白抑制剂所阻断，提示脉络丛上皮细胞表达的P-糖蛋白可能具有向顶端膜方向的外排功能。 P-糖蛋白还具有广泛底物专属性，其对底物药物的外排作用是限制药物进入脑部位发挥疗效的重要因素。 提高药物向脑内的被动扩散，掩盖P-糖蛋白外排作用是增加底物药物进入脑部的有效方法；而合并使用P-糖蛋白抑制剂也是使底物药物克服其外排作用进入脑部的有效方法。
多药耐药相关蛋白1 是一种转运蛋白，可以阻止一些外源性化合物进入正常细胞与肿瘤细胞。 MRP1 也表达于脉络丛上皮细胞，主要存在于基底膜上，可以限制某些药物的组织分布，参与血液-CSF 之间药物渗透的屏障作用。 脉络丛高表达MRP1，有助于从脑脊液中消除外源异生物质。 MRP1 是一种原型GS-X 泵，可转运谷胱甘肽、硫酸或葡萄糖醛酸结合物，也能转运阴离子药物及染料、中性和碱性两性药物等。 其底物专属性广泛。 当存在谷胱甘肽时，MRP1 可接受长春新碱与硫酸雌酮作为底物。 MRP1 最重要的底物是内源白三烯C4（LTC4）的葡萄糖醛酸结合物。
（3）葡萄糖转运蛋白（glucose transporter，GLUT）：
葡萄糖对维持脑的功能十分重要，其透过BCB 是由特殊的转运蛋白GLUT-1 来完成的。 GLUT-1 是BBB 以及BCB 上研究得最清楚的转运系统之一。BBB 以及BCB 上GLUT-1 的糖基化位点是不同的，这一区别可能说明了转运蛋白的不同功能或特异性取决于其不同的结构定位。 GLUT-1 是一种高效易化转运蛋白，对脑部物质转运十分重要。
（4）金属转运体蛋白：
脉络丛表达多种金属离子的转运体蛋白，对于脉络丛上皮细胞转运各种金属离子、维持脑脊液和大脑金属元素平衡具有重要的作用，主要包括以下蛋白：
1）二价金属转运体1（divalent metal-ion transporter-1，DMT1）：
又称为自然抵抗相关巨噬蛋白2（natural resistance associated macrophage protein 2，Nramp2），或二价阳离子转运体1（divalent cation transporter 1，DCT1），属于可溶性载体家族成员（solute carrier family 11 member 2，LC11A2），是哺乳动物体内质子偶联的跨膜金属离子转运体。 当它被首次发现时，由于与已经发现的Nramp1 基因同源性高达78%，因此被命名为Nramp2。DMT1 分子量为61.56 kDa，是具有12 个跨膜域（transmemberane，TM）的糖蛋白，其糖基化的细胞外襻状结构和高度保守的细胞内序列都具有高度的疏水性。 DMT1 mRNA 的4 种亚型在不同组织和细胞编码4 种不同的DMT1 蛋白并行使不同的功能。 人DMT1 基因组DNA 含有43 999 个碱基，包括16 个外显子，其cDNA 有4142 个碱基，所编码蛋白含561 个氨基酸，其羧基端和氨基端均位于细胞胞质内。 DMT1 能够转运至少7 种二价金属离子，除了Fe2+以外，还可以转运Mn2+、Zn2+、Co2+、Ni2+、Cd2+和Pb2+，其转运亲和力的顺序可能为Mn2+>Cd2+>Fe2+>Pb2+>Co2+>Ni2+>Zn2+。 另外，DMT1 可以转运Cu，但是以Cu+还是Cu2+的形式被转运目前尚未确定。
2）铁调蛋白（iron-regulatory protein，IRP）：
IRP 定位于人类基因第9 号染色体上，不同种属的IRP 其结构具有高度的保守性。 IRP 是胞浆中一类可与mRNA 中的铁反应元件（iron responsive element，IRE）结合的蛋白质，而与细胞铁代谢相关的大多数蛋白的mRNA 都具有IRE 结构。 目前发现IRP 有两种亚型：IRP1 和IRP2，它们有61%的氨基酸序列相同，分子量分别为98kd 和105kd，都具有类似的与铁蛋白mRNA IRE 结合的特异性，但亲和力不同。 在不同的组织中有不同的特异性表达。 IRP1 和IRP2 均受细胞内铁水平的调节，主要对参与编码铁稳态和利用蛋白质的mRNA 的表达和翻译进行调控，是一种转录后水平的表达调控。IRP1 在细胞内铁水平的影响下，表现出两种互相排斥的功能，即mRNA 结合蛋白的功能和胞浆内顺乌头酸酶异构体。 同IRP1 一样，IRP2 分布在很多组织中，但其mRNA 的含量及分布均与IRP1 不同。 IRP1 与IRP2 活性的调节都是通过蛋白降解来实现的，增加铁的水平将刺激IRP 的降解，这种作用可被由血红素（heme）降解产生的铁诱导而不能被游离的铁诱导，对于IRP2 这种作用更为明显，可能是由于IRP2 并不形成[4S-4Fe]簇的原因。 最近发现，IRP2 还可以通过酮戊二酸依赖加氧酶通路来降解。
3）铜转运体蛋白：
铜转运体1（copper transporter 1，CTR1）是一种膜蛋白，有3 个跨膜结构的区域，在BCB 有较丰富的表达，对于脉络丛上皮细胞摄取Cu+（Cu2+-Cu+）起到关键作用。CTR1 的铜吸收需要依赖能源、胞外酸性pH 值和高K+浓度的刺激、时间依赖性和饱和度。 有研究表明，CTR1 可能是翻译后通过细胞内铜离子水平负调控的，细胞内铜离子水平的升高刺激细胞膜CTR1 快速的内吞和降解，以此调节铜的吸收，防止细胞中铜的过量蓄积而导致细胞损害。 另外，脉络丛上皮细胞还表达有ATP7A 和ATP7B（两种重金属转运P 型ATP 酶），对于细胞排出Cu+起到关键作用。 其中，ATP7A 是细胞内重要的控制铜代谢的蛋白质，主要定位于高尔基体上，它能催化ATP 酶分解，诱导铜的运输，排泄蓄积的铜。 ATP7A 有特异铜结合位点，铜的浓度变化影响ATP7A 的铜转运过程。 有研究表明，在细胞内正常铜环境下，ATP7A 主要集中在转运高尔基系统中，利用铜的分泌途径，传递铜并与铜霉素结合。 但当细胞内铜水平上升时，会刺激ATP7A 从高尔基网络中转移至细胞膜，将过量的铜排出细胞。
三、脉络丛的发育与衰老
（一）脉络丛的发育
脉络丛早在胚胎形成期（人类孕第7 周）就开始发育，并起到维持细胞外环境平衡的作用。 在未成熟的大脑中，脉络丛主要限制物质从CSF 向脑实质转运。 但是当在发育早期脉络丛具有功能时，它具有一定的通透性，以使得低分子量化合物能够较容易地进入胚胎大脑。 发育期脉络丛分泌的化合物包括成形素、分裂素、营养因子等，参与中枢神经系统的发育。 例如，发育期的脉络丛表达有丰富的IGF-Ⅱ，而在后脑的底板区则表达有大量的IGF 受体，所以，源自脉络丛的IGF-Ⅱ可能与底板细胞上的受体结合，从而激活后者指导脊髓轴突生长的功能。 而CSF 在发育过程中对物质传输（包括脉络丛分泌的各种因子）非常重要，有研究证实，脑积水可以显著损伤大鼠大脑皮质的发育，表明CSF 以及相关因子的循环对于胚胎神经管的发育至关重要。
（二）脉络丛的衰老
在机体衰老的过程中，脉络丛的形态和功能也在发生变化。 一个人一生中脉络丛上皮细胞的高度可减少10%～11%。 衰老的上皮细胞胞浆中被大量的比昂迪环缠结（Biondi ring tangles）和脂褐质所充盈，而且由于基底膜变厚，胞核显得异常扁平。 细胞的基质也变得黏稠，而且含有胶原纤维、玻璃样体、钙化体、砂砾小体等。 这种病例改变没有物种特异性，在衰老的小鼠、大鼠的脉络丛上皮细胞中同样可见。
脉络丛的许多功能都是能量依赖的过程，而衰老的脉络丛无法维持其正常的能量消耗。在年老大鼠的脉络丛细胞中，合成的无氧呼吸和氧化磷酸化所需的酶类减少，其中乳酸脱氢酶的量减少9%，而琥珀酸半醛脱氢酶的合成可减少26%。 另外，随着年龄增长，缺乏细胞色素C 氧化酶的脉络丛上皮细胞数量增加，导致细胞ATP 的产量下降；还可能出现Na+-K+-ATP 酶和Na+/K+/2Cl-协同转运蛋白的减少。 上述这些结构和酶的变化可能导致CSF 分泌减少（在动物实验中最多可减少45%）。 由于CSF 分泌减少以及大脑的萎缩，老年大鼠CSF的更替需要约7.9 小时，远远长于年轻大鼠的2.2 小时。 在人体内，28 岁时CSF 的产生速率约为0.41ml/min，而77 岁时则降低至约0.19ml/min，再加上衰老导致的大脑皮质萎缩，CSF的更替减少至每天不到2 次，而青壮年则为每天3 ～4 次。 目前尚不清楚衰老引起的脉络丛这些改变对大脑功能的影响，但是可以推测这些变化可能导致营养物质输送以及有毒化学物质清除的减少，并引起细胞应激的增加，从而促进年龄相关的认知和运动能力下降，以及某些特定神经病理性疾病的发生。
（三）脉络丛与神经退行性疾病
1.阿尔茨海默病（Alzheimer disease，AD）
在阿尔茨海默病患者体内，与年龄相关的脉络丛缺陷更加显著。 主要表现为脉络丛上皮细胞的萎缩更加明显，与同年龄对照相比，细胞高度最多降低可达22%，细胞中分布更多的脂褐质液泡和比昂迪环缠结；基底膜变得更厚，比同龄人可增加28%。 细胞微绒毛的基质呈纤维化，且有大量玻璃样体和钙化点沿基底膜分布。 另外，AD 患者CSF 的分泌更加缓慢，甚至需要36 小时。
阿尔茨海默病患者脉络丛上皮细胞的分泌功能和转运功能也显著下降。 TTR 是肽脉络丛合成的一种与β-淀粉样肽复合物形成相关的蛋白质，在AD 患者CSF 中TTR 的水平可下降10%以上。 动物实验也表明，30 月龄的大鼠清除脑室中β-淀粉样肽的速率仅为3 月龄大鼠的6.8%，从而导致老年大鼠大脑组织中β-淀粉样肽的蓄积量显著高于年轻大鼠。
CSF 产生的减少还可以引起蛋白糖基化和β-淀粉样蛋白多聚体（oligomer）的增加。 AD患者的大脑中存在较多的蛋白糖基化反应，在β-淀粉样肽、老年斑（senile plaques）以及纤维缠结中均含有较多的蛋白糖基化产物。 糖基化可以促进蛋白质，包括tau 蛋白和β-淀粉样肽的聚集。 上述变化可能导致大脑中氧化应激和脂质过氧化反应增强、tau 蛋白多聚体形成、β-淀粉样蛋白清除能力下降以及其多聚体和纤维的形成。
2.局部缺血
大脑缺血可导致脉络丛产生显著的结构和分泌功能改变。 在动物实验中，大鼠大脑中动脉阻塞后6 小时，脉络丛即出现细胞凋亡和细胞核DNA 断裂，48 小时后逐渐恢复。 脉络丛的这种损伤早于其他脑区，并可对邻近的大脑组织产生负面影响。 例如在大脑局部缺血后48 小时，海马CA1 区的锥体神经元才出现DNA 断裂和细胞死亡。 这种效应可能是由于缺血影响了脉络丛一些与减轻神经损伤相关的因子，如cystatin C、TGF-β 等。另外，脉络丛上皮细胞的死亡可以导致BCB 的渗漏，使血液中的物质易于进入CSF，甚至大脑实质，但这种假设尚需研究进一步证实。
四、重金属毒物对血-脑脊液屏障的影响
在环境与健康领域，重金属主要是指铅、镉、汞、铬等生物毒性显著的重金属。 除此之外，还包括铝、钴、钒、锑、锰、锡、铊等，以及具有重金属特性的类金属砷。 有时也泛指铜、锌、镍等一般重金属，其中有的尽管是人体健康所必需的微量元素，但在体内的蓄积也有量的限度，超出其限度同样可以产生毒性效应。
在重金属元素的神经毒性作用中，BCB 扮演着双重角色。 一方面，作为大脑屏障系统的一部分，可以阻隔重金属毒物进入脑脊液和脑组织，从而发挥一定的神经保护作用；另一方面，脉络丛也是一些重金属毒物的作用靶点，重金属可蓄积于脉络丛，导致BCB 发生结构和功能上的损害。
重金属毒物对脉络丛毒性的作用可分为3 类：①一般性CP 毒物，可直接破坏CP 的结构，如Hg 与Cd；②介导性CP 毒物，主要是引起脑发育功能异常与损伤一些特异性调控通道，如Pb 可引起CP 的TTR 分泌量减少，进而影响脑的发育与功能，以及Mn 与Fe 在CP 上可相互作用而引起CSF 的离子稳态失衡，并进一步损伤脑组织；③与CP 螯合的毒物，通过与毒物的螯合来保护CNS，如Fe、Ag 和Au 等。
（一）毒物的蓄积
脉络丛是很多重金属的蓄积场所。 如前文所述，脉络丛上皮细胞表达有多种金属离子转运体蛋白，如DMT1、IRP1、CTR1 等，所以重金属离子可以经转运进入脉络丛上皮细胞。而重金属毒物，如铅、镉等对脉络丛组织细胞具有较强的亲和力，进入细胞后不易排出。 研究发现，实验动物急性摄入铅、镉、砷等重金属元素后24 小时，脉络丛组织中的铅、镉浓度仍远高于它们大脑组织和CSF 中的浓度，且与染毒后4 小时相比下降幅度很小，表明这些重金属毒物在脉络丛中出现蓄积。 另外，对照组动物脉络丛的重金属元素含量高于大脑、肝、肾等组织，进一步证实了脉络丛组织对某些重金属元素具有较高的亲和力。 脉络丛蓄积重金属的机制尚不清楚，有研究认为可能与脉络丛组织中的谷胱甘肽（glutathione，GSH）和含巯基的蛋白有关。
（二）破坏屏障的紧密连接结构
脉络丛上皮细胞间的TJ 结构和基底膜共同构成屏障，可以阻止小的水溶性分子从血液中经脉络丛向CSF 扩散。 研究表明，实验动物急性摄入铅、镉、砷等重金属元素后，血液中毒物浓度首先达到峰值，而CSF 中的毒物浓度则低得多，甚至低于大脑组织中的毒物浓度。 表明BCB 对机体摄入的重金属毒物可以产生较好的屏障作用，阻止其进入CSF，从而维持CSF内环境的相对稳定，可能起到一定的神经保护作用。
但是，某些重金属元素，如铅、汞、镉等，可以破坏BCB 的紧密连接结构，导致屏障通透性的增加，从而影响CSF 内环境的稳定。 研究发现，铅暴露可以引起occludin、ZO-1、claudin-1 等重要紧密连接蛋白表达水平的显著下降，可能参与了BCB 破坏的分子机制。
（三）影响BCB 的转运功能
脉络丛上皮细胞表达有众多的转运体蛋白，对于血液和CSF 之间的物质交换起到重要的作用。 当暴露于重金属毒物时，脉络丛上皮细胞某些转运体蛋白的表达可发生改变，导致其转运功能的改变。 如在锰（manganese，Mn）暴露的条件下，可以干扰脉络丛的铁（iron，Fe）代谢过程，导致引起CSF 中Fe 稳态的失衡，其分子机制可能与Mn 影响BCB 的转铁蛋白受体（TfR）、DMT1 和Fe 蛋白的表达水平有关。 另外，锰暴露还可以通过上调脉络丛CTR1 的表达水平，导致BCB 上皮细胞中铜离子的蓄积和CSF 中铜离子的代谢紊乱，从而可能与某些神经退行性疾病的发生相关。
（四）对脉络丛上皮细胞的损害
某些重金属毒物，如铅、镉、锰等，对脉络丛上皮细胞可产生直接的毒性作用，引起细胞损伤。 例如，镉可以引起脉络丛上皮细胞出现细胞核变性、胞质空泡、溶酶体增加、粗面内质网肿胀和细胞连接间隙变宽等病理改变。 铅暴露也可导致实验动物脉络丛上皮细胞肿胀，颗粒变性和坏死，以及溶酶体增加、线粒体肿胀等；而且近年来研究发现，铅暴露与阿尔茨海默病的发病相关。 动物实验发现，铅暴露动物的脉络丛中出现β-淀粉样蛋白（Aβ）的蓄积，过量的Aβ 蓄积可以引起细胞线粒体功能损伤和氧化应激反应，最终可导致细胞损伤或死亡，从而损害BCB 的结构和功能。
（郑刚）
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