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

谷氨酸介導(dǎo)的血腦屏障開放：對神經(jīng)保護和藥物遞送的意義

來源：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

 

摘要

論文摘要指出血腦屏障（BBB）功能障礙常見于多數(shù)腦部疾病，但其開放機制尚不清楚。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)的過量谷氨酸釋放，通過激活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，而使用高強度磁刺激進行神經(jīng)元激活則可增加屏障通透性并促進藥物遞送。最后，一項針對惡性膠質(zhì)瘤患者的雙盲臨床試驗使用對比增強磁共振成像定量評估血腦屏障通透性，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制。

 

研究目的

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

 

研究思路

研究思路是首先在動物模型（大鼠）中驗證核心假設(shè)。通過開窗術(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，實時觀察并定量分析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)元活動阻斷劑TTX等）來探究機制，并利用探針式共聚焦激光顯微鏡檢測血管周圍鈣離子和一氧化氮信號。進一步，在光血栓中風(fēng)模型中測試NMDA受體拮抗劑的保護作用，并通過經(jīng)顱磁刺激（TMS）驗證神經(jīng)元激活對BBB通透性的影響及其在促進藥物（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，在一項針對惡性膠質(zhì)瘤患者的雙盲試驗中，使用深部經(jīng)顱磁刺激（dTMS）和動態(tài)對比增強磁共振成像（DCE-MRI）評估其對BBB通透性的調(diào)節(jié)作用。

 

測量的數(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)來自圖2。研究意義是直接證實癲癇活動與BBB開放相關(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)來自圖2G、H和圖3A。研究意義是闡明谷氨酸是通過NMDA受體介導(dǎo)BBB開放的關(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通透性的核心機制。

 

3.  谷氨酸引起的血管周圍鈣離子和一氧化氮信號變化：數(shù)據(jù)來自圖3D-F。研究意義是探討下游信號通路。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開放的細胞內(nèi)信號事件。

4.  NMDA受體拮抗劑對中風(fēng)后BBB通透性的影響：數(shù)據(jù)來自圖4。研究意義是驗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保護BBB完整性發(fā)揮神經(jīng)保護作用。

 

5.  經(jīng)顱磁刺激（TMS）對動物和患者BBB通透性及藥物遞送的影響：數(shù)據(jù)來自圖5（動物）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作為臨時打開BBB以增強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)來自表1。研究意義是描述臨床試驗人群的基本信息，為結(jié)果提供背景。

 

 

結(jié)論

研究得出結(jié)論：神經(jīng)元活動釋放的過量谷氨酸通過激活腦血管內(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）能通過誘導(dǎo)神經(jīng)元活動可控地增加BBB通透性，促進藥物向腦內(nèi)遞送。臨床研究證實了深部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)控新機制，并展示了其在神經(jīng)保護（通過封閉BBB）和藥物遞送（通過開放BBB）方面的雙向治療應(yīng)用前景。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense微電極測量組織氧分壓的數(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張（圖2B所示），氧分壓迅速回升并超過基線水平，隨后在發(fā)作終止后逐漸恢復(fù)正常。這一測量的研究意義在于：它直接排除了組織缺氧是癲癇活動中觀察到的BBB快速開放（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開放”這一核心機制提供了關(guān)鍵的間接支持證據(jù)，將BBB開放與神經(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，從而強化了研究結(jié)論的可靠性。這有助于澄清以往關(guān)于BBB開放機制的爭議，并將原因聚焦于神經(jīng)遞質(zhì)信號通路本身。