Glutamate-Mediated Blood-Brain Barrier Opening: Implications for Neuroprotection and Drug Delivery

谷氨酸介導(dǎo)的血腦屏障開(kāi)放：對(duì)神經(jīng)保護(hù)和藥物遞送的意義

來(lái)源：The Journal of Neuroscience, July 20, 2016, 36(29):7727-7739

《神經(jīng)科學(xué)雜志》，2016年7月20日，第36卷第29期7727-7739頁(yè)

 

摘要

論文摘要指出血腦屏障（BBB）功能障礙常見(jiàn)于多數(shù)腦部疾病，但其開(kāi)放機(jī)制尚不清楚。本研究揭示了神經(jīng)遞質(zhì)谷氨酸在體內(nèi)調(diào)節(jié)早期屏障通透性的作用。通過(guò)活體顯微鏡技術(shù)，發(fā)現(xiàn)反復(fù)癲癇發(fā)作及其相關(guān)的過(guò)量谷氨酸釋放，通過(guò)激活NMDA受體導(dǎo)致大鼠大腦皮層血管通透性增加。NMDA受體拮抗劑可減少缺血周邊腦區(qū)的屏障通透性，而使用高強(qiáng)度磁刺激進(jìn)行神經(jīng)元激活則可增加屏障通透性并促進(jìn)藥物遞送。最后，一項(xiàng)針對(duì)惡性膠質(zhì)瘤患者的雙盲臨床試驗(yàn)使用對(duì)比增強(qiáng)磁共振成像定量評(píng)估血腦屏障通透性，證明刺激的安全性，并在15名患者中的10人身上有效增加了血腦屏障通透性。研究提出了一種雙向調(diào)節(jié)腦血管通透性的新機(jī)制。

 

研究目的

研究目的是探討B(tài)BB功能障礙的潛在機(jī)制，特別是檢驗(yàn)過(guò)度神經(jīng)元激活和細(xì)胞外谷氨酸過(guò)量積累是否導(dǎo)致BBB功能失調(diào)的假設(shè)。同時(shí)，研究旨在探索通過(guò)調(diào)控此機(jī)制（例如使用NMDA受體拮抗劑或經(jīng)顱磁刺激）來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)BBB通透性的雙向控制（即增加藥物遞送或防止BBB異常開(kāi)放），并為神經(jīng)保護(hù)和新治療策略提供臨床前和概念驗(yàn)證臨床證據(jù)。

 

研究思路

研究思路是首先在動(dòng)物模型（大鼠）中驗(yàn)證核心假設(shè)。通過(guò)開(kāi)窗術(shù)和活體顯微鏡技術(shù)，在麻醉大鼠大腦皮層誘導(dǎo)癲癇發(fā)作或直接應(yīng)用谷氨酸/NMDA，實(shí)時(shí)觀察并定量分析BBB通透性（使用鈉熒光素等示蹤劑）和血管直徑的變化。研究使用藥理學(xué)工具（如NMDA受體拮抗劑D-AP-5、神經(jīng)元活動(dòng)阻斷劑TTX等）來(lái)探究機(jī)制，并利用探針式共聚焦激光顯微鏡檢測(cè)血管周圍鈣離子和一氧化氮信號(hào)。進(jìn)一步，在光血栓中風(fēng)模型中測(cè)試NMDA受體拮抗劑的保護(hù)作用，并通過(guò)經(jīng)顱磁刺激（TMS）驗(yàn)證神經(jīng)元激活對(duì)BBB通透性的影響及其在促進(jìn)藥物（如青霉素）腦遞送中的應(yīng)用。最后，將發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化至臨床，在一項(xiàng)針對(duì)惡性膠質(zhì)瘤患者的雙盲試驗(yàn)中，使用深部經(jīng)顱磁刺激（dTMS）和動(dòng)態(tài)對(duì)比增強(qiáng)磁共振成像（DCE-MRI）評(píng)估其對(duì)BBB通透性的調(diào)節(jié)作用。

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義

1.  癲癇誘導(dǎo)后的血管直徑和BBB通透性變化：數(shù)據(jù)來(lái)自圖2。研究意義是直接證實(shí)癲癇活動(dòng)與BBB開(kāi)放相關(guān)。結(jié)果顯示癲癇發(fā)作伴隨血管直徑顯著增加（10.05±1.01%）和BBB通透性快速升高（約10分鐘后增加20.01±7.24%），意義在于建立了神經(jīng)元過(guò)度興奮與BBB功能障礙的直接聯(lián)系。

 

2.  谷氨酸/NMDA應(yīng)用及NMDA受體拮抗劑效應(yīng)下的BBB通透性：數(shù)據(jù)來(lái)自圖2G、H和圖3A。研究意義是闡明谷氨酸是通過(guò)NMDA受體介導(dǎo)BBB開(kāi)放的關(guān)鍵分子。結(jié)果顯示局部應(yīng)用谷氨酸（1mM）和NMDA均顯著增加通透性，而D-AP-5能阻斷此效應(yīng)，意義在于確定了谷氨酸-NMDA受體通路是調(diào)控BBB通透性的核心機(jī)制。

 

3.  谷氨酸引起的血管周圍鈣離子和一氧化氮信號(hào)變化：數(shù)據(jù)來(lái)自圖3D-F。研究意義是探討下游信號(hào)通路。結(jié)果顯示谷氨酸應(yīng)用引起血管周圍鈣離子和NO水平顯著持續(xù)升高，意義在于提示鈣內(nèi)流和NO生成可能是谷氨酸-NMDA受體激活導(dǎo)致BBB開(kāi)放的細(xì)胞內(nèi)信號(hào)事件。

4.  NMDA受體拮抗劑對(duì)中風(fēng)后BBB通透性的影響：數(shù)據(jù)來(lái)自圖4。研究意義是驗(yàn)證靶向此通路的治療潛力。結(jié)果顯示在光血栓模型中，D-AP-5能顯著減輕缺血周邊腦區(qū)的BBB破壞，意義在于表明NMDA受體拮抗劑或能通過(guò)保護(hù)BBB完整性發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用。

 

5.  經(jīng)顱磁刺激（TMS）對(duì)動(dòng)物和患者BBB通透性及藥物遞送的影響：數(shù)據(jù)來(lái)自圖5（動(dòng)物）和圖6、7（患者）。研究意義是探索非侵入性調(diào)控BBB的方法。結(jié)果顯示1Hz rTMS能顯著增加大鼠BBB通透性并促進(jìn)青霉素腦內(nèi)遞送；dTMS能在多數(shù)患者中安全地增加腫瘤床及周邊腦區(qū)的BBB通透性，意義在于證明了TMS作為臨時(shí)打開(kāi)BBB以增強(qiáng)化療遞送工具的可行性和轉(zhuǎn)化前景。

 

 

 

6.  患者臨床特征：數(shù)據(jù)來(lái)自表1。研究意義是描述臨床試驗(yàn)人群的基本信息，為結(jié)果提供背景。

 

 

結(jié)論

研究得出結(jié)論：神經(jīng)元活動(dòng)釋放的過(guò)量谷氨酸通過(guò)激活腦血管內(nèi)皮上的NMDA受體，引起鈣內(nèi)流和一氧化氮增加，從而導(dǎo)致血腦屏障（BBB）通透性升高。這一機(jī)制是癲癇等相關(guān)腦病中BBB功能障礙的重要原因。靶向此通路，NMDA受體拮抗劑能減輕缺血周邊區(qū)的BBB破壞，而低頻率經(jīng)顱磁刺激（TMS）能通過(guò)誘導(dǎo)神經(jīng)元活動(dòng)可控地增加BBB通透性，促進(jìn)藥物向腦內(nèi)遞送。臨床研究證實(shí)了深部TMS在惡性腦瘤患者中安全增加BBB通透性的潛力。因此，研究揭示了一種谷氨酸-NMDA受體依賴的BBB調(diào)控新機(jī)制，并展示了其在神經(jīng)保護(hù)（通過(guò)封閉BBB）和藥物遞送（通過(guò)開(kāi)放BBB）方面的雙向治療應(yīng)用前景。

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense微電極測(cè)量組織氧分壓的數(shù)據(jù)（文中提及但未在提供的圖例中顯示具體圖表，其描述位于“Results”部分“Seizures result in BBB opening”中）顯示，在癲癇發(fā)作初期，腦組織氧分壓有短暫輕度下降，但因神經(jīng)血管耦合引起的血管擴(kuò)張（圖2B所示），氧分壓迅速回升并超過(guò)基線水平，隨后在發(fā)作終止后逐漸恢復(fù)正常。這一測(cè)量的研究意義在于：它直接排除了組織缺氧是癲癇活動(dòng)中觀察到的BBB快速開(kāi)放（約10分鐘內(nèi)）的主要原因。研究意義在于為“谷氨酸-NMDA受體通路直接介導(dǎo)BBB開(kāi)放”這一核心機(jī)制提供了關(guān)鍵的間接支持證據(jù)，將BBB開(kāi)放與神經(jīng)元興奮性而非繼發(fā)的缺血缺氧事件更直接地聯(lián)系起來(lái)，從而強(qiáng)化了研究結(jié)論的可靠性。這有助于澄清以往關(guān)于BBB開(kāi)放機(jī)制的爭(zhēng)議，并將原因聚焦于神經(jīng)遞質(zhì)信號(hào)通路本身。