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Nature打破教科书:大量血源性蛋白进入年轻健康的大脑!

来源:本站原创 2020-07-02 22:05

2020年7月2日讯 /生物谷BIOON /——血液携带的蛋白质进入年轻、健康老鼠的大脑比进入老龄老鼠的大脑的数量要多,这一发现将改变我们对血脑屏障的理解,以及血脑屏障是如何随着年龄变化的。

大脑血管的特性限制了它们对血源离子、分子和细胞的渗透性。血脑屏障(blood-brain barrier,BBB)对正常的神经功能和保护大脑免受伤害至关重要,但它也是药物传递的主要障碍。有人提出,随着年龄的增长,BBB变得更容易渗透,但是,Yang等人在《自然》杂志上发现了一些完全不同的东西。他们表明,血脑屏障使血源性蛋白质进入健康大脑的速度比之前认为的要快得多,而且进入大脑的血浆蛋白总量实际上随着年龄的增长而减少。这项工作可以帮助研究人员了解大脑是如何对系统蛋白质信号作出反应的,以及血脑屏障在与年龄相关的认知能力下降中的作用。这也可能会改进药物进入大脑的方法。

血脑屏障有时被认为是一个静态的、不可逾越的屏障。实际上,它具有许多动态特性--物理、运输、免疫等特征--这些特性紧密地控制着血液和大脑之间分子的运动,从而控制着大脑的分子环境。一个关键的问题是,到底什么物质可以通过BBB?

Yang等人通过研究血浆中发现的蛋白质如何进入大脑来解决这一问题。先前的研究追踪了注射的外源性蛋白质(那些不是有机体固有的)的运动,而Yang和同事标记了内源性小鼠血浆蛋白并将它们注射回小鼠体内。通过这种方式,他们可以追踪正常情况下与小鼠血脑屏障相互作用的蛋白质的运动。他们发现,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多得多,因此有可能与神经回路相互作用。这一发现表明,包括情绪和行为在内的多种神经功能可以被系统蛋白信号调节。

进一步的实验表明,在年老的小鼠中,渗透到大脑中的血浆蛋白含量比年轻的小鼠要低。这令人惊讶,因为使用外源性示踪剂的多项研究表明,血脑屏障通透性随年龄增长而增加,并强调这种增加是导致年龄相关认知能力下降的一个因素。

Yang等人通过揭示蛋白质穿过BBB血管内皮细胞的运输与年龄相关的变化来展示了这些看似不同的结果。在年轻的成年小鼠体内,运输的主要方法包括特定蛋白质结合内皮细胞受体。这些受体进入囊泡并转运到细胞中,这一过程称为受体介导的转胞吞作用。在老龄小鼠中,受体介导的跨细胞作用显着减少,而非受体介导的(非特异性)跨细胞作用增加,导致更多种血浆蛋白非特异性进入大脑。先前使用外源性分子的研究可能只测量了非特异性的胞外作用,因此忽略了绝大多数等离子体蛋白渗透到年轻大脑的过程。蛋白质进入的特异性随着年龄的增长而减弱,这一发现可能表明,衰老改变了大脑接收特定等离子蛋白信号的能力。

图片来源:Nature

为了了解血脑屏障转运蛋白的机制,Yang等人开发了一种方法,将每个内皮细胞的血浆蛋白摄取水平与其基因表达谱关联起来,并分析这种关系如何沿血管系统发生变化。这一分析显示,血浆蛋白的吸附沿着血管网络出现了有一个梯度--动脉一侧(血液到心脏,血压最高)最小,静脉端最大(血液回到心脏,血压最低)。因此,随着血管内压力的降低,蛋白质的运输增加。

作者还鉴定了内皮细胞中表达与血浆蛋白摄取呈正或负相关的基因。此基因列表可能有助于识别参与受体介导的转胞吞的跨膜受体。这些受体可能是"特洛伊木马"药物释放的目标,其中的蛋白质被设计成与能够穿过血脑屏障的特定跨膜受体结合,比如转铁蛋白受体。由于受体介导的跨细胞作用随着年龄的增长而减少,Yang和同事的数据表明,现有的特洛伊木马方法(如基于转铁蛋白受体的方法)的有效性也会随着年龄的增长而降低。但作者发现,Alpl基因在老年小鼠大脑内皮细胞中的表达增加,而Alpl编码的蛋白受到药理抑制,则会增加受体介导的转铁蛋白受体的转运。因此,这可能是一种增强特洛伊木马药物传递的方法,特别是对老年人。

Yang和他同事的研究结果为蛋白质在大脑中的渗透提供了重要的见解。然而,必须考虑到一些限制。例如,作者的大部分蛋白追踪实验量化蛋白质渗透进入大脑的剂量时将大脑作为一个整体,但其成像研究清楚地表明,不同区域的蛋白质的含量差异显着。除了血脑屏障,血浆成分还可以通过脑室脉络膜丛和覆盖大脑的脑膜中发现的血液和脑脊液之间的屏障进入大脑。每个屏障对进入大脑的血浆蛋白的作用尚不清楚。也不知道蛋白质是进入整个大脑还是局限于特定的区域。因此,血浆蛋白与不同神经回路的相互作用程度尚不清楚。

此外,该研究并没有识别进入大脑的特定蛋白质。因此尚不清楚受体介导的转运途径是否只影响一小部分蛋白质(如转铁蛋白和瘦素),还是影响广泛范围的蛋白质。为了识别这些蛋白,未来的研究可以将Yang等人采用的标记方法与基于质谱的蛋白分析相结合。为了确定血浆蛋白如何影响神经回路功能,以及利用特定的屏障机制来指导靶向药物传递,填补我们知识中的这些空白将是必要的。

Yang和同事的研究也为进一步的研究提出了一些途径。首先,了解进入大脑的蛋白质与年龄相关的转变是如何影响神经回路功能的,以及这是否在与年龄相关的认知能力下降中发挥作用,这将是至关重要的。其次,了解蛋白质进入大脑的途径如何随着各种因素(如神经活动、饮食和神经疾病)而改变,这将是很有趣的。第三,蛋白质只是血液中的一种分子。利用代谢组学的类似方法,可以识别出能够进入大脑的全部分子,这将使我们更好地理解血脑屏障是如何调节神经环境的,以及它是如何随着年龄的增长而改变的。(生物谷Bioon.com)

参考资料:


Yang, A.C., Stevens, M.Y., Chen, M.B. et al. Physiological blood-brain transport is impaired with age by a shift in transcytosis. Nature (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2453-z
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