血视网膜屏障基础和进展.docx

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1、血-视网膜内屏障：细胞基础和进展Monica Diaz-Coranguez, Ph.D., Carla Ramos, and David A. Antonetti, Ph.D.密歇根大学Kellogg眼科中心，眼科学和视觉部1 .介绍1.1 中枢神经系统屏障在人体中，因为神经元活动的原因，大脑和视网膜是耗能最高的系统。大脑用人体2%的重量，消耗人体20%的 基础新陈代谢(CIarke DD 1999),其中视网膜消耗 8%(Howard, Blakeslee et al. 1987, Niven and Laughlin 2008)0 内皮细 胞组成了血-脑屏障(BBB)和血-视网膜屏障(BR

2、B)1为神经元功能提供足量的氧气和葡萄糖，同时为了保护神 经元环境限制其他分子和细胞的流量。这些组织中血管保护屏障的具体功能会在接下来的回顾中叙述。1885年，PauIEhHiCh发表了第一份中枢神经系统(CNS)屏障的观察报告。EhrliCh观察到，皮下注射水溶性染料后， 只有大脑和脊髓不会被染色(EhrIiChl885)。直到1900年，LeWandOSky才把CNS屏障描述为“毛细血管墙”，到1918 年，Lina Stern提出了专有学术名词屏障(Saunders, Dreifuss et al. 2014)o认识BBB这一开创性的工作由Ehrlich, Lewandosky, Ste

3、rn和其他科学家完成。相似的，SChnaUdigel在1913年用兔子静脉注射台盼蓝染色，除CNS以外的器官都被染色，1947年，Palm发现不被 染色的组织也包括视网膜，Cunha-Vazetal.进一步用超微结构证明了这个发现(CUnha-Vaz, Shakibetal. 1966, Shakib and Cunha-Vaz 1966)o于是，BBB和BRB成为了 CNS的一部分。我们现在明白BBB和BRB为神经元环境调控血液运 载物质的流量提供严密控制。这些屏障保持适当的神经动态平衡，避免神经组织的潜在的血源性毒性。12血-视网膜屏障从结构上来说，BRB由两个不同的屏障组成；外部BRB

4、(OBRB)1由调控视网膜和脉络膜毛细血管之间转运的 RPE组成，内部BRB (iBRB)调控视网膜毛细血管转运。iBRB缺失会导致一系列视网膜病变包括糖网(Frey and Antonetti 2011)0本次回顾将首先描述iBRB的基础和跨越视网膜内皮细胞的转运路线。接下来讨论糖网和其他致盲 性疾病中屏障特性的改变，最后会关注改变屏障调控的新发展。2 .跨越iBRB的流量CNS屏障不是屏蔽所有跨越内皮细胞转运的那种绝对屏障。相反，CNS屏障是高选择性屏障，调控通过血管床 的离子、水、溶质和细胞的运动。在iBRB中，水或者溶质的流量,描述的是跨越屏障的净运动，而渗透率描述 的是屏障的特性。跨

5、越血管床的渗透率改变可以通过改变跨细胞转运完成，通常称为跨细胞转运,或者通过改 变连接复合体连接细胞，导致细胞间通透性的改变或者细胞周围流量的改变。跨细胞和旁细胞转运路线共同组 成了众多的特定路径，它们有可能同时工作并且并不互斥，共同合作调整流量。2.1 跨细胞转运1960年，Dr. PaladeetaL描述了毛细血管内皮细胞的质膜内陷现象，它从细胞表面掐断然后形成了细胞内囊泡 (PaIade 1960)o在这个时间段，电子显微镜技术让科学家们可以探查到胞内小泡和内陷，这意味着规律的定向转 运(PaIadeandBrUnSl968)。除此以外，其他的研究团体也观察到了小囊泡定位的偏向，揭示了单

6、向流动(HOfman, HOyngetal.2001)。但是，最近的研究发现了双侧的质膜内陷(ChoWandGU2017)让单向流动理论受到了挑战。 1979年，NiCoIaeSimioneSCU引进了术语跨细胞转运。在他的电镜研究中，发现了一种高密度结构，被他称为内 皮细胞里的特殊内囊质小泡。我们现在知道视网膜内皮细胞的跨细胞转运对于视网膜环境的稳态控制是非常必 要的。跨细胞转运的路线非常多(KlaaSSen,VanNOOrdenetaL2013)。一些小的亲脂性分子可以被动地沿着视网膜内皮膜 扩散然后穿控制过BRB(Toda, Kawazuetal. 2011)o其他大型的亲脂性分子和亲水

7、性分子则需要用耗费ATP的方 式穿过屏障，包括：受体介导的囊泡转运，无受体介导的胞饮，转运体，泵(图1)。大脑和视网膜的内皮细胞 可以有选择地调控分子从血液到神经组织的跨细胞转移，是控制了腔管内外的分子表达。视网膜内皮细胞表达 少量的受体、转运蛋白和囊泡样受体，联合高表达的流出泵，共同完成了 BRB的屏障功能(SagatieS, Rav沁Iaet a1.1987)o一些分子可以凭借它们亲脂性的特性扩散通过。其他转运方式都是需要耗费能量的，包括受体介导转运，胞饮囊泡, 载体介导的转运体，离子转运体和流出泵。组成BRB的内皮细胞表达了少量的转运机制，比较重要的在图上有显示。2.1.1 细胞膜穴样内

8、陷自从发现了组成质膜泡的小窝蛋白caveolin-1 （Glenney and Soppet 1992, KurzchaIia,Dupreeetal. 1992,Rothberg9Heuseretal. 1992）,小囊泡就被重命名为细胞膜穴样内陷。（他危黑穴南陷定,义为, 60-Onm宽的M陷，会出现成与足的几类糊胞的质膜表面,比丛 血管南皮佃跄，脆肪佃胞,中倩肌知胞打鼠肝 隹羯胞。Advance in Immunology. 20/）细胞膜穴样内陷在电镜下呈现出电子密集结构，因为脂筏富集在糖 鞘脂类、鞘磷脂、胆固醇和脂蛋白上。除小窝蛋白cave。Iin-I之外，CaVin蛋白同样覆盖在穴样

9、内陷表面，增进 囊泡在质膜表面的稳定性（VintenJOhnSen et al. 2005, Hill, Bastiani et al. 2008, Liu and Pilch 2008）o 细胞膜穴样内 陷囊泡同样包括以下受体：铁传递蛋白、胰岛素、白蛋白、高级糖化终产物、低密度和高密度胆固醇脂蛋白（分 别是LDL和HDL）、惰性白介素、内皮缩血管肽、血小板源性生长因子（PDGF）,血管内皮生长因子（VEGF）和 转化生长因子 （TGF-）0进一步来说，这些囊泡同样涵盖信号传导分子，包括小G蛋白，MAP激酶，SrC激 酶，Raf 和 PKC （Patel, Murray et al. 2008

10、, InseI and Patel 2009）（图 2）。细胞膜穴样内陷的胞吞过程在一些分子相关的文章上有描述。在内陷过程中，SRC激酶磷酸化发动蛋白，并且 在囊泡的开口处促进分子富集，控制囊泡闭口然后转送到细胞质（OhMcIntoshetaL 1998）。接下来，质膜膜泡关 联蛋白（PLVAP）,也被称为PV-I的PAL-E抗原，给囊泡戴了一个帽子。在细胞质中，细胞膜穴样内陷囊泡可 以传输信号，可以被回收到原始形成囊泡的分泌膜那一边，也可以转运到对面的细胞膜上以便传递囊泡内的物 质。最后，可溶的N-乙基马来酰亚胺敏感因子附着蛋白受体（简称受体蛋白SNRE）调控囊泡与质膜融为一体。 VAMP-

11、2 （突触小泡蛋白）是一种SNRE蛋白，在囊泡内与SyntaXin （质膜蛋白突触融合蛋白）和SNAP25 （突 触小体相关蛋白）结合,形成了 SRNE蛋白复合体锚定在靶膜上Cl最终的囊泡与质膜融合需要N-乙基马来酰亚 胺敏感因子（NSF）分解SNRE复合体来实现（MehtaandMalik 2006, Lang 2007）（图2）。（5RE妥白是理慨的通用融合蛋白.碉按颗强制索也与把臊的对接，把膜包括质舰。Cytokine Effector Functions in Tissues, 2017）SNAP25是一种对接必要的融合蛋白，在神经末端的囊泡内释放神经递质乙酰胆碱 LIPID RAFT

12、SLUMINAL图表2细胞膜穴样内陷囊泡介导转运中的分子机制细胞膜穴样内陷是脂筏富集于胆固醇，以促使分了聚集于细胞膜上。小窝蛋白CaVeOlin-I聚集在这些区域上，细胞 膜血样内陷负责内皮细胞内的囊泡依赖型转运。其他涉及细胞膜穴样内陷型转运和跨细胞转运在图中用红色显示。细 胞膜穴样内陷囊泡也包括受体(用蓝色显示)和发信号的分子(用白色显示)，这样就可以把细胞外部信号转换成细 胞内部信号。细胞膜学院那个内陷可以返回至腔管内膜上或者调整转运到腔管外膜上。最终，小泡融合蛋白(用绿色 显示)，包括SNARESVAMP-2和SNAP25被调控融合到细胞膜上。在RPE,相较于无屏障的内皮细胞，囊泡转运的

13、效率是比较低的；但是，研究证明，VEGF诱导的渗透率是受 限的但是囊泡转运状态下速率是提升的，不论是在体外实验(Feng, Venema et al. 1999)还是体内实验 (Hofman,Blaauwgeerset al. 2000)。同样的，在自身免疫性葡萄膜视网膜炎的模型中(Lightman andGreenwood 1992) 和链服霉素(STZ)诱导的糖网大鼠(Gardiner,SHtlelaL1995)上均观察到了跨细胞转运的提高，实验中用辣根过 氧化物酶染色做评估，这意味着在病理状态下跨细胞转运的效率会提高C最近的研究报告表明，质膜膜泡关联 蛋白(PLVAP)被破坏会减少或者阻

14、止VEGF诱导下的多分子的穿过内皮细胞单分子层的渗透率，(Wisniewska- Kruk,vanderWijk et al. 2016),这意味着可调节的VEGF渗透率是必须的C细胞膜穴样凹陷被破坏的实验大鼠提供了跨细胞转运在内皮渗透率中有作用的证据C这些被破坏的实验鼠是可 自行发育并且繁殖的，但是有些血管方面的机能障碍，比如一氧化氮(No)和钙信号受损(Drab. Verkade et al. 2001, Razani, Engelman et al. 2001)o果然，大鼠在小窝蛋白caveolin-1的缺陷导致穿过各种内皮细胞的 流量变小；但是，这中降低似乎是白蛋白的旁细胞转运增加导致

15、的(SChUberI, Frank et al. 2001, Schubert, Frank et al. 2002)o这些研究意味着旁细胞转运和跨细胞转运的连接流量机制有可能会导致一些运输的动态平衡。然而， 需要注意的是，细胞膜穴样凹陷在信号传递上有更广泛的应用，以及在紧密连接调控下的囊泡转运的应用，会 在接下来讨论。细胞膜穴样凹陷被破坏的实验大鼠的实验结果或许不能直接证明细胞膜穴样凹陷在跨细胞转运 中的改变，或者仅仅是孤例，证据不足。一些研究表明，细胞膜穴样凹陷可以同时调控跨细胞转运和旁细胞转运。紧密连接复合体与小窝蛋白caveolin- 1在胆固醇富集区域聚集(NUSraLParkoSe

16、laL 2000)。更进一步,在一个BBB的体外模型实验中，小窝蛋白Caveolin- 1的破坏会导致闭合蛋白、血管内皮钙黏着蛋白和B钙黏着蛋白从细胞骨架上分解，同时伴有渗透率提高(Song, Geetal. 2007)0因为细胞膜穴样内陷还可以调控胞吞作用、胆固醇水平和信号转换(AnderSon 1993, Lisanli, Scherer et al. 1994, Parton and Richards 2003, Milovanova, Chatterjee et al.2OO8),那么很有可能细胞膜穴样内陷同样可以调 控紧密连接的胞吞作用，因此，可以调控旁细胞转运。明白了快细胞转运和旁细胞转运流量的时间依赖关系和 特异性的分子路径，渗透率的改变或者可以让研究者们发现疾病的新思路。2.1.2 PLVAP质膜膜泡关联蛋白一PLVAP被认为是人类内皮特性性单克隆抗体APL-E的配体(SChlingemann, Dingjan et