《Frontiers in Molecular Neuroscience》：Structure and function of neurovascular unit in arterial hypertension
1 引言
大脑完全依赖于血液供应，因其具有高耗氧量和葡萄糖代谢率，且缺乏能量储备。尽管人脑仅占体重的2%，却接收高达15%的心输出量。平均脑血流量在局部脑活动改变时保持不变，但通过高效的局部微流量调节机制，血流会重新分布，将更多血液输送至代谢激活区域。
脑血流量的局部调节最初由Roy和Sherrington于1890年提出。约90年后，Larsen和Lassen首次发表了人脑的功能性成像图。广泛的实验研究促使两个新概念——神经血管单元（NVU）和神经血管耦合（NVC）的引入。
神经血管单元是一个结构和功能实体，由神经元、星形胶质细胞和微血管内皮组成，它们与血管周围星形胶质细胞终足、周细胞和细胞外基质共同构成血脑屏障（BBB）。近年来，内皮细胞管腔表面的糖萼（eGC）在BBB机制中的作用受到广泛讨论。
BBB是中枢神经系统（CNS）稳态的主要机制之一。细胞外液化学组成的维持确保了静息电位的稳定和神经细胞的正常兴奋性。血脑屏障的存在也有助于维持细胞外空间的恒定体积和稳定的颅内压。BBB功能障碍与神经退行性疾病和高血压中的认知能力下降和痴呆有关。长期高血压会扰乱NVU的结构和功能，进而可能导致NVC损伤。
本综述基于人类动脉高血压的实验模型发现，包括药理学模型、遗传性高血压模型和手术诱导的高血压模型。近年来，现代基因组学和组学技术揭示了脑血管网络存在显著的异质性。
2 NVU的生理学
2.1 脑微血管内皮和糖萼
毛细血管的内皮细胞（ECs）构成了BBB的结构基础。它们通过紧密连接（TJs）和粘附连接相连，这些连接限制了不需要的血液源性分子和离子通过细胞旁路途径进入大脑。脑毛细血管内皮细胞在正常条件下胞质囊泡很少，从而限制了胞吞作用。必需营养物质的输送依赖于特殊的转运系统。
脑毛细血管内皮的管腔表面覆盖着由内皮细胞合成的数百纳米厚的糖萼（eGC）。它主要由跨膜和膜结合蛋白聚糖、糖胺聚糖和糖蛋白组成。eGC最著名的作用是感应和转导循环血液施加于内皮细胞的剪切应力和血管内压力，并在剪切应力激活内皮产生一氧化氮（NO）和前列环素中起关键作用。这两种物质都是血管扩张剂和抗凝剂。内皮NO对于维持静息脑血流量和微血管阻力至关重要，而前列环素通过抑制血管内凝血来确保微血管的通畅。
最近的数据表明，糖萼对于维持毛细血管内皮的屏障特性也至关重要。研究表明，在生理条件下酶解eGC会导致内皮细胞囊泡活性增加、胞吞作用以及随后的BBB渗漏。双光子显微镜成像显示，糖萼对大分子而非小分子形成屏障。eGC的管腔部分带负电荷，负责排斥同样带负电荷的白蛋白和炎症白细胞。因此，在生理条件下，eGC能稳定BBB，防止血浆成分泄漏和白细胞粘附到内皮，抑制血小板活化和血管内凝血。
脑血管内皮的腔外侧被与相邻周细胞共享的基底膜包围。毛细血管周细胞和内皮细胞几乎98%的面积被星形胶质细胞终足覆盖。构成NVU的细胞之间的相互作用对于BBB的形成和维持以及神经元的充分血液供应至关重要。
紧密连接由三种完整的膜蛋白组成：闭合蛋白、密封蛋白和粘附蛋白。闭合蛋白被认为是TJs的骨架。密封蛋白似乎能根据磷酸化水平调节TJs的紧密性。细胞内蛋白闭锁小带（ZO-1, ZO-2, ZO-3）将闭合蛋白和密封蛋白与细胞骨架的肌动蛋白连接起来。粘附连接由血管内皮（VE）钙粘蛋白组成，似乎对TJs的形成和稳定是必要的。TJs的屏障功能也显著依赖于肌动蛋白的空间结构。
第二种内皮运输类型称为跨细胞途径或胞吞作用，负责大分子穿过内皮屏障的运输。目前认为内皮胞吞作用可分为非选择性吸附性胞吞作用和受体介导的胞吞作用（RMT）。在生理条件下，内皮细胞通常表现出低水平的胞吞作用。其活性增加多与病理状况相关。
尽管密封BBB被认为是脑微血管内皮最重要的功能，但当前知识指出内皮在启动和传播NVC及功能性充血信号中的作用。根据当前观点，与神经放电相关的细胞外K+浓度升高，会激活毛细血管内皮细胞中的内向整流钾通道（Kir2.1），导致内皮超极化。这种超极化电流沿着内皮细胞反向传播，并通过肌内皮连接扩散到毛细血管前微动脉的血管平滑肌细胞，引起上游穿通小动脉和软脑膜动脉扩张，从而增加血流至信号起始部位。
2.2 星形胶质细胞的作用
星形胶质细胞分布在神经元和毛细血管壁之间，其广泛的终足覆盖了约98%的内皮腔外侧表面。它们对于BBB的形成和维持至关重要。
星形胶质细胞也是功能性充血的重要介质。长期以来，它们被认为是负责NVC信号的主要来源。已确定，在神经元放电释放谷氨酸期间，星形胶质细胞的谷氨酸受体（包括代谢型受体和NMDA受体）受到刺激，导致细胞内Ca2+浓度增加。星形胶质细胞Ca2+浓度也因嘌呤能受体和前列腺素E2（PGE2）受体的刺激而升高。星形胶质细胞内钙依赖性代谢途径的激活导致血管扩张剂如环氧二十碳三烯酸（EET）、前列腺素PGE2和一氧化氮（NO）的释放。EET直接抑制血管平滑肌张力，而PGE2似乎通过使周细胞超极化来间接降低毛细血管阻力。星形胶质细胞NO的主要作用是抑制星形胶质细胞产生20-羟基二十碳四烯酸（20-HETE），后者是花生四烯酸ω-羟化的产物，是一种强效血管收缩剂。
星形胶质细胞还参与脑脊液（CSF）和脑实质间质液（ISF）的交换，这有助于清除中枢神经系统的代谢废物。这种清除机制被称为类淋巴系统（glymphatic system），由位于靠近毛细血管壁的星形胶质细胞终足上的水通道蛋白-4（AQP4）介导。根据类淋巴系统理论，脑脊液沿动脉周围间隙流动，通过AQP4通道进入实质，与ISF混合，然后沿静脉周围间隙离开大脑。这样，ISF中包含的废物被清除出大脑。研究表明，神经血管界面缺乏AQP4会损害类淋巴系统的清除和运输功能。
2.3 周细胞
周细胞是多能的血管周围壁细胞，存在于毛细血管前微动脉、毛细血管和毛细血管后微静脉中。覆盖脑毛细血管壁的周细胞密度在腔外侧表面的30%至99%之间变化。它们嵌入内皮细胞的基底膜中。尽管脑毛细血管中周细胞与内皮细胞的比例为1:3，但周细胞会沿着毛细血管发出广泛的突起。相邻周细胞的突起不重叠，但末端非常接近。这种形态允许周细胞与内皮细胞和星形胶质细胞终足有更好的接触。周细胞具有显著的可塑性。
据报道，周细胞控制紧密连接蛋白的表达。实验条件下，清除周细胞已被证明会破坏BBB。周细胞在新血管的形成和稳定中也起关键作用。
周细胞位于星形胶质细胞终足和内皮细胞之间，处于调节毛细血管血流阻力的绝佳位置，特别是因为它们表达收缩蛋白α-平滑肌肌动蛋白以及ATP、去甲肾上腺素、血栓素A2、乙酰胆碱、PGE2等血管活性化合物的受体。因此，大量研究表明，周细胞调节毛细血管直径，并且是NVC中的重要参与者。研究表明，在小鼠桶状皮层激活（触须刺激）期间，由于周细胞钙信号减少，毛细血管会扩张。根据研究，在功能性充血期间，周细胞可能通过前列腺素E2依赖性途径扩张毛细血管。
一些实验研究报告，清除或退化周细胞会导致神经血管解偶联、大脑氧气供应减少和代谢应激。神经血管缺陷随着时间的推移会导致神经元兴奋性受损和神经退行性变化。
3 神经血管耦合
足以支持神经元活动的微流量增加需要NVU所有元素的紧密合作。血流反应的触发因素是兴奋性神经递质谷氨酸的释放以及神经元和星形胶质细胞上NMDA和代谢型谷氨酸受体的刺激。由此导致的细胞内Ca2+浓度增加引发血管扩张剂如PGE2、NO和EET的释放。K+离子在NVC中起着重要作用，这些离子在神经元去极化期间释放，并由于星形胶质细胞终足上BKCa钾通道的开放而释放。细胞外K+浓度升高激活内皮细胞中的Kir通道，导致其超极化。这进而以逆行方式作为超极化波传播到微动脉水平，使其扩张，确保激活神经元的血液供应增加。
总之，NVU的所有组成部分对于维持血脑屏障都至关重要，并且它们之间的紧密合作是确保正常NVC所必需的。
4 动脉高血压对神经血管单元组成部分的影响
动脉高血压对NVU所有组分的结构和功能产生深远影响，导致神经元与微血管、神经元与星形胶质细胞、星形胶质细胞与微血管之间的通信障碍。这种病态通信进而导致NVC受损和功能性充血不足，从而导致认知能力下降和高血压相关痴呆。高血压相关功能损害的另一个原因可能是脑毛细血管稀少。在脑皮层毛细血管密度降低的背景下，这与脑微流量减少有关。
4.1 对内皮细胞、糖萼和血脑屏障的影响
越来越多的证据表明，BBB是一个动态结构，在包括高血压在内的心血管疾病中失调。高血压导致内皮通透性增加和BBB破坏。高血压诱导的BBB变化包括TJs的密封性破坏、糖萼损伤和内皮功能障碍。高血压对细胞旁路运输的影响显得复杂。一些研究表明细胞旁路运输功能障碍，而其他研究则主要指出跨细胞运输是毛细血管渗漏增加的决定因素。例如，由血管紧张素II（ANG II）引起的血压持续升高会诱导TJs的形态和分子重塑。另一方面，有数据表明，在高血压中，并非细胞旁路运输而是胞吞作用是BBB通透性增加的主要机制，至少在与自主神经系统相关的脑区是如此。最近的研究表明，两种内皮运输类型可能共存，并在高血压中同时受到影响。
除了高血压对内皮运输的负面影响外，还观察到糖萼的不利变化。微血管糖萼的降解不可避免地导致内皮功能障碍。因此，糖萼降解可能导致血脑屏障渗漏和脑水肿形成。
内皮糖萼分解后，内皮粘附分子如E-选择素、P-选择素、血管细胞粘附分子（VCAM-1）和细胞间粘附分子（ICAM-1）上调。粘附分子水平升高是血栓形成和卒中进展的关键因素之一。这就是高血压被认为是卒中发生主要风险因素的原因之一。
一些实验研究表明，内皮通透性增加与脑内ANG II水平升高有关，而非血压变化本身。内皮细胞上的AT1受体对于启动BBB通透性增加至关重要。然而，实验研究表明，血管周围巨噬细胞（PVM）中的AT1受体是神经血管功能障碍的主要贡献者。在高血压中，ANG II可以进入血管周围空间并激活PVM中的AT1受体，通过产生活性氧（ROS）的超氧化物产生酶NOX2导致ROS产生。ANG II诱导的氧化应激改变脑血管功能的下游机制涉及亚硝化应激和NO耗竭。ANG II衍生的超氧阴离子与NO反应形成强氧化剂过氧亚硝酸盐，进而介导内皮损伤。不仅在ANG II诱导的高血压中观察到微血管对乙酰胆碱的内皮依赖性反应受损，在DOCA-盐诱导的高血压和SHR中也是如此。
BBB功能障碍促进血浆成分渗入大脑和促炎信号的产生，导致小胶质细胞和星形胶质细胞激活。在高血压患者和高血压动物模型中，循环炎症分子如肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、C反应蛋白、白细胞介素IL-6和IL-1β在大脑中上调。炎症因子进而损害内皮功能，导致微血管功能进一步降低。已知ANG II诱导的高血压会减弱触须刺激产生的新皮层CBF增加。进一步的研究表明，ANG II诱导的高血压中神经血管耦合受损与脑室周围器官（如穹窿下器（SFO））中的ROS产生有关。ANG II对神经血管耦合的影响可被AT1受体拮抗剂氯沙坦阻断。此外，在给予去氧肾上腺素诱导类似程度高血压的小鼠中未发现神经血管耦合受损，这表明是ANG II而非血压升高本身引起了神经血管功能障碍。另一方面，SHR中对触须刺激的神经血管耦合也受损，并且氯沙坦治疗并未改善功能性充血，表明血压升高对动脉结构的影响不容忽视。
在高血压中，观察到内皮细胞表型的改变。内皮细胞不再是促进血管扩张和抗凝，而是转变为促收缩、促炎和促氧化的表型。由于这种不利的改变，脑微血管无法对增加的神经元活动做出血管扩张反应，指出NVC受损。由于正常内皮对脑细胞发挥营养作用，并有助于维持神经元、胶质细胞和少突胶质细胞的健康，高血压中内皮细胞的功能障碍可能影响NVU的所有组成部分。
4.2 对星形胶质细胞的影响
尽管星形胶质细胞由于其与血管和突触的紧密接触，在脑灌注和神经元活动之间建立了功能桥梁，但对其在高血压中结构和功能变化的了解仍然有限。近期越来越多的研究为这一问题提供了新的见解。最早研究高血压对星形胶质细胞影响的研究之一表明，在易卒中自发性高血压大鼠（SHR-SP）中，由于内皮通透性增加，星形胶质细胞在毛细血管周围肿胀，进而导致其纤维化。在纤维化星形胶质细胞附近检测到死亡神经元，表明星形胶质细胞功能障碍扰乱了神经环境，导致神经元死亡。进一步的研究证实了SHR-SP和SHR中星形胶质细胞的结构变化，即星形胶质细胞增生（astrogliosis）。星形胶质细胞增生（也称为反应性胶质增生）是一个过程，其中正常的星形胶质细胞响应脑损伤而发生肥大和增殖，并变为反应性星形胶质细胞。虽然反应性胶质增生是一种正常的生理反应，可以保护脑细胞免受进一步损伤，但它也通过创造不利于轴突修复的环境而对神经元存活产生有害影响。在星形胶质细胞增生中，几种蛋白的表达增强，包括胶质纤维酸性蛋白（GFAP）和诱导型一氧化氮合酶（iNOS）。在SHR大鼠的海马、额叶皮层、枕叶皮层和纹状体以及中间岛叶皮层中检测到GFAP免疫反应性增加。在2肾1夹（2K1C）、DOCA和高盐饮食诱导的慢性高血压模型的海马星形胶质细胞中也检测到GFAP水平升高。在SHR-SP中观察到反应性星形胶质细胞表达iNOS。iNOS+星形胶质细胞的分布与该模型中观察到的脑组织学病变（瘀点和水肿）共存，表明iNOS激活产生的NO可能参与高血压脑病变的发展。
除了GFAP和iNOS表达增加外，星形胶质细胞增生还导致促炎细胞因子的表达，包括肿瘤坏死因子α和β、白细胞介素和干扰素。这些炎症介质损害胶质细胞对血管和神经元的营养支持，导致神经元损伤和神经退行性变。在高盐饮食诱导的慢性高血压模型的星形胶质细胞中检测到肿瘤坏死因子-α（TNF-α）以及促炎白细胞介素-6（IL-6）和白细胞介素-1β（IL-1β）的表达上调。在2K1C高血压模型大鼠的皮层和海马中也显示出向促炎TNF-α的转变和抗炎白细胞介素-10（IL-10）的减少。不同的结果显示，不仅促炎IL-1β的mRNA表达，而且抗炎IL-10的mRNA表达在从SHR分离的脑干和小脑星形胶质细胞中均显著高于Wistar大鼠。研究的进一步部分表明，ANG II处理导致SHR和Wistar大鼠两个脑区星形胶质细胞中IL-10基因表达的抑制效应，以及两个品系脑干星形胶质细胞中IL-1β基因表达的增加。类似ANG II的促炎作用在其他研究中也得到描述。研究表明，ANG II可触发从SHR和正常血压对照Wistar大鼠获得的星形胶质细胞培养物中IL-6 mRNA和蛋白表达的增加。此外，血管紧张素II受体阻滞剂已被证明可以限制大脑中的炎症反应，表明神经炎症反应依赖于AT1受体。
星形胶质细胞的激活还导致活性氧（ROS）产生增加，从而导致神经元损伤和神经退行性变。有大量数据支持ROS在高血压中的作用；然而，这些数据来源于外周细胞系统。在分离的星形胶质细胞上进行的少数实验研究表明，在2K1C高血压模型中，NADPH氧化酶激活和ROS产生增加。进一步的实验表明，抑制AT1受体（独立于其降压作用）可防止NADPH氧化酶的激活和ROS的产生。类似的研究结果中，ANG II也诱导ROS生成，并且SHR来源的星形胶质细胞与Wistar样本之间的ROS生成没有显著差异，表明大脑中过量的ROS生成在ANG II依赖性高血压的发病机制中起关键作用。
此外，几个研究小组注意到高血压改变了星形胶质细胞细胞内Ca2+动力学。研究表明，在新生小鼠的髓质和小脑星形胶质细胞（而非皮层或下丘脑）中，ANG II通过AT1受体以及PGI2释放，刺激PLC/IP3介导的Ca2+浓度增加。在相同的高血压模型但在成年小鼠中报道了类似的观察结果。在这些研究中，自发的和肌源性诱发的Ca2+事件增加与星形胶质细胞TRPV4通道活性和表达增强相关。此外，升高的基础星形胶质细胞Ca2+活性与对静息实质小动脉张力的更大贡献相关。虽然尚不完全清楚这如何导致发病机制，但作者假设星形胶质细胞内持续的Ca2+升高可能触发或促进这些细胞向促炎状态转变。
高血压还会导致类淋巴系统功能障碍。实验研究表明，类淋巴系统在SHR和血管紧张素II诱导的高血压中显著受损。研究使用动态对比增强磁共振成像显示，与正常血压大鼠相比，SHR的类淋巴运输延迟。高血压中类淋巴系统的这种损害可能与动脉僵硬度产生的动脉搏动性改变有关，这扰乱了脑脊液流入的动力学。此外，研究表明SHR的脑干和嗅球中AQP4表达减少，这可能导致液体运输和清除减少。
高血压中类淋巴运输受损和废物清除效率降低可能导致神经毒性物质如Aβ、tau和α-突触核蛋白的积累。这进而与高血压中神经退行性疾病发生风险增加有关。
考虑到星形胶质细胞-神经元和星形胶质细胞-血管通信的重要性，高血压诱导的星形胶质细胞结构和功能变化可能对神经血管单元和脑可塑性产生显著的不利影响。
4.3 对周细胞的影响
文献中直接报道动脉高血压对脑微血管周细胞结构或功能影响的数据不多。少数研究发现，与高血压相关的血管改变，如血管收缩物质上调和氧化应激，可导致周细胞收缩性增强，从而导致毛细血管稀少。研究表明，来自SHR的脑微血管周细胞与正常血压组相比，几种miRNA水平异常。作者建议这些周细胞miRNA可能成为高血压的潜在生物标志物或治疗靶点。最新研究表明，在高血压条件下，周细胞代谢向糖酵解转变。这种适应发生在有足够氧气的情况下，表明周细胞在应激期间优先考虑快速能量生产以生存和维持血管完整性。
关于高血压对周细胞影响的研究数量较少，表明与神经血管单元的其他组成部分相比，周细胞对动脉血压升高的功能和结构反应变化相对较少被了解。
5 结论
动脉高血压对神经血管单元的所有组成部分产生不利影响。
用于研究高血压对神经血管单元影响的最常用动物模型包括SHR、易卒中SHR、2肾2夹模型和血管紧张素II诱导的高血压。无论实验模型如何，结果均显示内皮通透性增加、BBB破坏、糖萼损伤、粘附分子表达增加、星形胶质细胞增生、星形胶质细胞内Ca2+动力学改变、类淋巴系统受损以及可能的周细胞功能障碍。此外，神经元、星形胶质细胞和微血管之间的通信被破坏。所有这些变化最终导致神经血管耦合不良和功能性充血不足，这进而导致认知能力下降和高血压相关痴呆。
理解高血压中神经血管单元结构发生的变化，应能促进开发对高级脑功能具有保护作用的抗高血压疗法。事实上，一些研究已将抗高血压治疗与认知障碍减少联系起来。
