综述：无脊椎动物胶质屏障作为理解血脑屏障进化的模型

　　本综述系统探讨了无脊椎动物（如果蝇、头足类）与脊椎动物（如鲨鱼、哺乳动物）神经系统屏障的演化与功能。文章揭示了胶质细胞在构建血脑屏障（BBB）中的核心作用，强调了其结构多样性（如 septate junctions 与 tight junctions）及功能保守性（如离子稳态、代谢调控）。通过比较生物学视角，为理解人类神经屏障疾病（如癫痫、睡眠障碍）提供了新颖的演化模型与分子机制（如 Moody/GPCR 信号通路、胰岛素样肽 dIlps）。

　　

背景

生物屏障在从无脊椎动物到哺乳动物的多种动物类群中，对维持组织稳态起着至关重要的作用。在神经系统中，它们调节离子平衡、代谢交换和免疫保护，确保正常的神经元功能。在节肢动物中，血脑屏障（BBB）主要由神经周膜（perineurium）形成，该结构由神经周胶质细胞（perineurial glia, PG）和皮下周胶质细胞（subperineurial glia, SPG）组成，它们通过建立隔状连接（septate junctions）来限制扩散。头足类动物，如章鱼和乌贼，拥有两个不同的BBB：一个由胶质细胞形成，另一个由周细胞（pericytes）形成，具体取决于脑血管的类型。类似地，在鲨鱼、鳐鱼和鲟鱼等脊椎动物中，脑屏障也由胶质细胞形成。相比之下，大多数脊椎动物的BBB依赖于内皮细胞（endothelial cells），尽管星形胶质细胞（astrocytes）和周细胞在BBB的维持和功能中贡献显著。重要的是，胶质屏障也存在于脊椎动物中，包括血-神经屏障（BNB）和血-脑脊液屏障（BCSFB）。尽管存在结构差异，但调控屏障形成、功能和可塑性的分子机制在无脊椎动物和脊椎动物之间显示出显著的进化保守性。

无脊椎动物的血脑屏障

无脊椎动物是地球上数量最多、最多样化的动物类群。其神经系统复杂性增加，可能施加了强大的进化压力，促使出现屏障结构，将脑实质与循环系统隔离，从而保护其免受离子、代谢物和营养浓度波动的影响。在无脊椎动物中，两个主要类群——节肢动物和头足类——独立进化出了封闭的脑屏障，这可能凸显了趋同进化在维持神经稳态中的作用。

节肢动物胶质屏障中的神经周膜

在果蝇（Drosophila melanogaster）中，与其他昆虫一样，BBB的特征是具有神经周膜，可限制高分子量示踪剂的扩散。果蝇的BBB由两层不同的胶质细胞形成，统称为表面胶质（surface glia），它们包裹整个神经系统。内层由皮下周胶质细胞（SPG）组成，通过形成片层隔状连接（pleated septate junctions）建立细胞旁路屏障。这些皮下周胶质细胞是大而扁平的细胞，与脊椎动物内皮细胞具有功能相似性。覆盖在皮下周胶质之上的是第二层单层神经周胶质细胞（PG），它们直接与神经板（neural lamella）和血淋巴（haemolymph）接触，提供额外的保护和调节功能。

果蝇胶质屏障的形成始于胚胎发生阶段，在幼虫孵化前就建立了密封结构。胚胎神经母细胞（neuroblasts）产生固定数量的皮下周胶质细胞，它们迁移到发育中的神经系统上，并通过间充质-上皮转化（mesenchymal-epithelial transition）形成鳞状的次级上皮。在胚胎发育晚期，这些细胞建立隔状连接以创建细胞旁路屏障。核心隔状连接成分的突变会导致屏障泄漏表型，突显了它们在防止细胞旁路扩散中的关键相关性。

神经周胶质的发育起源最初被错误地归因于中胚层谱系。虽然其精确谱系仍不清楚，但只有少数神经周胶质细胞在胚胎发生过程中产生，并且它们没有完全包裹神经系统，使得皮下周层直接与神经板接触。皮下周胶质与细胞外基质之间的相互作用被认为为皮下周胶质的极化提供了初始线索。在幼虫发育期间，神经周胶质细胞进行有丝分裂，数量增加，形成神经板和皮下周胶质细胞之间的 distinct 层。

果蝇BBB在胚胎发生过程中的形成受G蛋白偶联受体（GPCR）信号传导的遗传机制调控，该信号在协调细胞相互作用和确保正确的隔状连接形成中起着至关重要的作用。孤儿GPCR moody的缺失会通过改变细胞-细胞粘附来破坏BBB的细胞旁路通透性。在moody突变体中，隔状连接显得散乱和碎片化，而补偿机制增加了细胞-细胞接触面积，并可能减少屏障的泄漏。这种补偿效应也可能导致在moody突变体中观察到的皮下周胶质膜过度生长。

皮下周胶质极化的建立对于BBB的结构完整性至关重要。在发育过程中，Moody定位于面向神经系统的质膜（有时称为神经侧或顶侧），在那里它激活Gα_i，抑制腺苷酸环化酶并降低3',5'-环磷酸腺苷（cAMP）水平。相反，在面向神经周胶质的质膜（体液侧或基底侧）上，GPCR/Moody信号传导减少，导致cAMP水平升高和蛋白激酶A（PKA）活性增加，从而调节肌动蛋白动力学。GPCR/Moody信号传导的缺失和获得都会破坏胶质极性，错误定位PKA并损害隔状连接的形成。类似地，moody突变体显示ATP结合盒（ABC）转运蛋白（如多药耐药65（Mdr65），果蝇中P-糖蛋白（P-Glycoprotein）的同源物）的错误定位。这些发现表明，正确的皮下周胶质极性对于调节细胞旁路和跨细胞运输、确保BBB结构完整性和功能至关重要。

幼虫孵化后，BBB完全形成，但第二轮神经发生显著增加了神经系统的尺寸。据推测，这种生长驱动皮下周胶质细胞尺寸的扩张。皮下周胶质细胞不进行有丝分裂，而是通过内复制（endoreplication）（内循环和内有丝分裂）增加尺寸。与细胞生长相协调，隔状连接能够以最小的蛋白质周转进行拉伸，保持BBB的结构完整性。然而，不受控制的生长，例如由脑肿瘤诱导的生长，会损害屏障功能。

在变态过程中，BBB将其细胞组成和结构完整性保持到成年期。在蛹发育开始时，免疫缺陷（IMD）通路的激活可以触发免疫细胞浸润到神经系统中。IMD通路诱导白细胞介素样unpaired配体的分泌，激活JAK/STAT信号传导并引发神经炎症。在其下游靶标中，基质金属蛋白酶Mmp1和Mmp2被上调，促进神经板降解，并通过尚不清楚的机制使巨噬细胞能够入侵中枢神经系统（CNS）。值得注意的是，在病理条件下，包括创伤性脑损伤、细菌感染和转移性肿瘤，皮下周胶质的细胞旁路通透性也会受到损害。炎症是所有这些情况的共同因素，表明免疫信号传导与BBB结构完整性之间可能存在联系。支持这一观点的是，具有受损BBB的突变动物，如moody突变体，表现出炎症状态，加强了BBB破坏和炎症可能以有害的反馈循环相互加剧的假设。

果蝇胶质屏障作为代谢中心

果蝇胶质屏障不仅作为保护结构，还作为一个动态的代谢中心。通过专门的运输机制、代谢酶以及与其他胶质亚型的通讯，果蝇胶质屏障协调全身代谢稳态，使神经活动适应生理需求。

由于皮下周胶质充当主要屏障，氨基酸、脂质、碳水化合物和其他代谢物等必需营养素必须穿过该层才能到达神经系统。因此，营养素的细胞旁路和跨细胞运输在皮下周胶质细胞水平受到严格调控。然而，果蝇BBB的运输和其他生理功能也受神经周胶质细胞的影响。一个值得注意的例子是关键海藻糖转运蛋白Tret1-1的表达，它特异性地定位于神经周胶质细胞。海藻糖是昆虫血淋巴中主要的二糖，其浓度显著高于葡萄糖。因此，系统性海藻糖很可能在神经周胶质细胞内被代谢为葡萄糖或糖酵解中间体，然后被运输到神经系统中。此外，BBB还含有氨基酸转运蛋白和脂蛋白受体，进一步强调了其在营养调节中的作用。

在幼虫发育期间，神经发生只有在幼虫摄入必需氨基酸后才恢复。皮下周胶质在此过程中充当营养传感器，响应富含氨基酸的饮食释放胰岛素样肽（dIlps）。这些dIlps随后激活幼虫神经母细胞的生长和增殖，启动其再激活。这种反应通过皮下周胶质网络内的通讯进行协调。值得注意的是，皮下周胶质细胞通过由innexin蛋白组成的间隙连接（gap junctions）相互连接。膳食氨基酸触发未知的脂肪体衍生信号的释放，该信号促进皮下周胶质中胞质钙的释放，最终协调dIlp分泌到大脑皮层中。此外，由BMP配体Glass bottom boat（Gbb）介导的TGF-β信号传导也调节神经母细胞和神经周胶质之间的通讯，促进神经发生。

皮下周胶质在发育过程中也对营养限制敏感。丝氨酸蛋白酶同源物scarface（scaf）在皮下周胶质中的表达受幼虫营养状态的调控，控制BBB的生长和神经发生。在幼虫饥饿条件下，TGF-β信号传导增加，上调BBB神经周胶质细胞中Tret1-1的表达，并促进碳水化合物流入CNS。除了碳水化合物转运，皮下周胶质还表现出高水平的单羧酸盐转运，通过乳酸流入测量，这对于维持神经发生和大脑发育可能是必要的，类似于人类宫内生长受限中观察到的“脑保留”现象。所有这些证据都突显了BBB动态适应营养稀缺、调节神经发生和确保对代谢应激的适应性反应的能力。

血脑屏障的细胞间通讯调节果蝇的复杂行为

细胞间通讯确保组织作为一个有凝聚力的单位运作，同步其活动以维持稳态、响应刺激并执行复杂的生理功能。果蝇BBB可以作为一个整合结构运作，协调发育过程中的dIlp释放。然而，这种集体行为超越了发育，在成年蝇的更广泛生理过程中起着关键作用。

昼夜节律是由内部和外部线索调节的日循环生理行为。昼夜节律由高度保守的机制驱动，称为昼夜节律钟或起搏器。昼夜节律钟的分子成分，由转录反馈环组成，也存在于神经周胶质中。在成年蝇中，昼夜节律钟调节BBB对异生素（xenobiotic agents）的通透性，在夜间开始时增加。BBB通透性的节律性调节不依赖于基因表达，而是依赖于皮下周胶质中ABC转运蛋白的活性。

神经周胶质（昼夜节律钟所在处）和皮下周胶质（异生素Mdr65转运蛋白表达处）之间的通讯由Innexin-1和-2间隙连接介导。innexin基因的表达也遵循每日周期，导致神经周和皮下周胶质之间离子耦合的振荡。在夜间，皮下周胶质中的Mg²⁺浓度降低，减少了异生素转运蛋白的活性，因此，增加了对有机化合物的通透性。相反，在白天，BBB胶质细胞之间间隙连接介导的耦合减少，导致皮下周胶质细胞中Mg²⁺水平增加，并提高了有机分子从果蝇神经系统流出的外排。

睡眠是动物的基本生理状态，并由昼夜节律起搏器调节。BBB的功能已广泛与睡眠的作用相关联。有趣的是，mdr65无效突变果蝇与野生型对应物相比表现出更长的睡眠持续时间，这一现象归因于类固醇激素蜕皮激素（20-羟基蜕皮激素）——已知可促进睡眠——从大脑中流出的受损。尽管类固醇激素可以穿过质膜，但蜕皮激素穿过BBB的流入需要蜕皮激素输入蛋白（Ecdysone Importer, EcI/Oatp74D）的作用。这表明清除和分子流出BBB之间的平衡对于睡眠-觉醒稳态至关重要。

与mdr65缺失类似，内吞作用的损害或囊泡运输的增强，促进了酰基肉碱脂肪酸从大脑中的清除。这个过程需要脂蛋白受体LRP1和LRP2/Mgl以及BBB胶质细胞中有机阳离子转运蛋白的功能。敲低这些转运蛋白会导致睡眠增加，支持睡眠通过转胞吞作用（transcytosis）途径促进大脑代谢物清除的观点。此外，在皮下周胶质中表达的肉碱转运蛋白CG6126，将外周肉碱动员到大脑中。该转运蛋白表达的减少会增加清醒度，表明脂肪酸代谢驱动睡眠，并且对肉碱的BBB净通透性调节睡眠-觉醒平衡。总之，这些证据突显了果蝇中转胞吞作用的生理意义。然而，目前尚不清楚转胞吞作用在果蝇BBB中是否受发育调控，就像在斑马鱼和小鼠中一样，在那里该过程的抑制对于维持低BBB通透性至关重要。

除了跨细胞运输，细胞旁路通透性也有助于睡眠-觉醒平衡。GPCR信号传导突变体表现出受损的隔状连接，显示睡眠增加。有趣的是，BBB细胞旁路通透性和睡眠是相互调节的。睡眠剥夺已被证明会增加屏障对高分子量示踪剂的细胞旁路通透性。然而，通过该途径参与睡眠调节的特定分子尚不清楚，并且多种分子的异常扩散可能影响睡眠稳态。

除了睡眠调节，BBB胶质的功能影响神经元活动。例如，癫痫发作的特征是失控的神经元电活动，可以通过机械或热应激在果蝇中诱导。BBB功能障碍已广泛与癫痫和癫痫发作相关联。有趣的是，成年中枢神经系统的神经周胶质显示钙波，这些波通过间隙连接传播。这些波依赖于内质网内的钙储存，并且对于防止热休克诱导的成年果蝇癫痫发作至关重要。BBB钙波影响神经元兴奋性的确切机制尚不清楚。然而，鉴于BBB的主要作用是调节离子稳态并为神经元活动维持适当的微环境，胶质屏障通讯的中断导致突触传递改变也就不足为奇了。

成年果蝇血脑屏障中的细胞间通讯通过动态控制通透性和代谢平衡来调节关键生理过程，如睡眠、昼夜节律和神经元活动。这些发现表明胶质屏障主动塑造大脑功能，突出了与哺乳动物系统潜在的进化相似之处。

头足类的胶质屏障

在软体动物门（Mollusca）中，BBB似乎在一个单独的纲中独立进化：头足纲（Cephalopoda）。章鱼和乌贼是卓越的动物，以其复杂的行为和类似脊椎动物的认知能力而闻名。与腹足纲（Gastropoda）等其他纲不同，后者缺乏神经组织和循环系统之间的封闭屏障，头足类动物表现出这一独特特征。此外，头足类动物拥有一个封闭的血管系统，类似于环节动物和脊索动物，以及一个多腔心脏。

头足类中BBB的存在已通过在乌贼（Sepia officinalis）中注射放射性标记示踪剂在功能上得到证明。在乌贼和章鱼大脑中，血毛细血管由不连续的内皮细胞和周细胞组成，它们被各自的胶原基底膜完全包裹，并被血管周胶质（perivascular glia）完全包裹。在亚细胞水平，乌贼的BBB也是通过限制性连接建立的；然而，它们的超微结构既不类似于脊椎动物的紧密连接（tight junctions），也不类似于节肢动物的隔状连接。

使用辣根过氧化物酶（HRP）注射结合透射电子显微镜，研究人员观察到在大的小动脉和动脉中，过氧化物酶活性位于周细胞水平。相反，在静脉中，HRP对周细胞保持可渗透，BBB由血管周胶质建立。这些发现暗示，在乌贼中，BBB由不同的细胞类型形成，具体取决于血管类型。

鉴于头足类和脊椎动物之间的进化距离，一个重要的问题出现了：头足类的胶质屏障更类似于脊椎动物的内皮屏障还是节肢动物的皮下周屏障？通透性分析表明，乌贼微血管对非电解质的通透性与大鼠内皮细胞相似。使用不同的方法，Zhang等人分析了普通章鱼（Octopus vulgaris）CNS的转录组，并提出Claudins、JAM和ZO相关蛋白的表达支持与脊椎动物BBB的相似性。

最近，对发育中的普通章鱼大脑的单细胞转录组分析确定了三种胶质细胞亚型。值得注意的是，所有这些胶质簇都表达ETS家族转录因子Pointed，突出了与果蝇胶质的相似性。胶质亚型1（GLIA1）表现出与果蝇包裹胶质（ensheathing glia）和小鼠星形胶质细胞相似的基因表达模式，将其分类为可能提供神经元结构和代谢支持的神经纤维网胶质（neuropil glia）。这些细胞可能在轴突包裹和突触浸润中起作用。胶质亚型2和3（簇GLIA2/3）分别位于视叶的丛状层和围绕大脑的层中，表明后者可能作为BBB的一部分起作用。其他在双斑章鱼（Octopus bimaculoides）和贝氏后乌贼（Euprymna berryi）中的单细胞RNA测序分析已经确定了胶质簇，但它们的屏障特性仍未描述。有趣的是，单细胞转录组分析中没有描述周细胞簇。

头足类血管周胶质可能在结构上更类似于脊椎动物的星形胶质细胞，而不是果蝇的皮下周胶质。尽管转录组研究提供了宝贵的见解，但需要进一步的研究来阐明头足类胶质屏障的运作是更类似于脊椎动物的星形胶质细胞还是节肢动物的神经周胶质。比较基因组学和超微结构分析对于揭示不同动物谱系中血脑屏障机制的进化将是必不可少的。

脊椎动物的脑屏障

鉴于脊椎动物神经系统的解剖和功能复杂性，神经组织和循环系统之间存在多个接口也就不足为奇了。BBB是分子进出大脑的主要交换场所，是称为神经血管单元（NVU）的更大功能结构的一部分。NVU包括内皮细胞、周细胞、星形胶质细胞、小胶质细胞、神经元和平滑肌细胞，它们共同工作以调节脑稳态。

在NVU内，高度特化的内皮细胞形成神经组织和血流之间的物理界面。脑内皮细胞在内皮间接触处建立紧密连接，创建一个选择性屏障，限制细胞旁路扩散。这些连接由蛋白质复合物组成，包括claudins、occludins、tricellulins、连接粘附分子（JAMs）和闭锁小带（ZO）蛋白。BBB的整体通透性不仅受这些连接完整性的调节，还受NVU成分如周细胞、星形胶质细胞终足和小胶质细胞的调节。

已知星形胶质细胞调节哺乳动物的BBB通透性，而小胶质细胞的激活和随后的炎症反应有助于BBB功能障碍。周细胞覆盖内皮表面的比例从40%到80%不等，具体取决于分析的物种和区域，而星形胶质细胞终足的覆盖估计高达100%，形成与血管系统高度交错和连续的界面。这些终足富含小而圆和拉长的线粒体，反映了高代谢活性，并支持其作为神经血管接口动态代谢屏障的作用。星形胶质细胞还通过响应神经元代谢需求调节血管张力来促进神经血管耦合，这一过程主要由谷氨酸释放驱动。这种调节涉及钾离子从星形胶质细胞终足释放到血管周间隙，导致小动脉血管舒张。

重要的是，星形胶质细胞是一个异质性细胞群体，它们的识别需要的不仅仅是钙信号动力学的释放。在灰质中，原浆性星形胶质细胞占据离散的、不重叠的领域。例如，在海马体中，一个星形胶质细胞可以接触多达140,000个突触，并可能在其领土领域内调节血管张力，突出了其在突触和神经血管调节中的整合作用。

除了NVU，额外的脑屏障在调节分子交换中起着关键作用。血-脑脊液屏障（BCSFB）位于侧脑室、第三脑室和第四脑室的脉络丛（choroid plexus），而脑膜中的蛛网膜屏障进一步将大脑与体循环隔离。在脉络丛处，单层绒毛上皮细胞包裹免疫细胞、基质细胞和广泛的窗孔状毛细血管网络，形成高度选择性的扩散屏障，同时