《Brain, Behavior, and Immunity》：Discovery of novel blood–brain barrier neuropathology in schizophrenia and bipolar disorder midbrain
编辑推荐：
研究比较精神分裂症、双相情感障碍与正常对照组的脑屏障相关分子，发现高炎症亚组巨噬细胞标记CD163和趋化因子CCL2显著升高，粘附分子ICAM1和PECAM1表达差异，胶原蛋白IV蛋白在双相中降低，claudin-5 mRNA升高但蛋白形态异常。表明神经炎症通过改变BBB分子影响疾病进程，但两种疾病存在特异性分子改变。
朱云婷|杰拉尔多·门德斯·维克托里亚诺|玛丽·J·韦伯斯特|弗兰克·A·米德尔顿|保罗·T·马萨|克里斯汀·富勒|辛西娅·香农·韦克特
美国纽约州锡拉丘兹市北岸医科大学神经科学与生理学系，邮编13210
摘要
在大约35-50%的精神分裂症和双相情感障碍患者的大脑中，发现了升高的促炎细胞因子和巨噬细胞密度。然而，神经炎症对这些严重精神疾病中的血脑屏障（BBB）的影响仍不清楚。在这里，我们测量并比较了精神分裂症（n=35）或双相情感障碍（n=35）患者以及对照组（n=33）的腹侧中脑中多种与BBB相关的分子，包括趋化因子、巨噬细胞标记物、粘附分子、紧密连接蛋白和基底膜蛋白。与所有低炎症亚组相比，神经炎症性精神分裂症患者的巨噬细胞趋化因子（CCL2）和清除受体（CD163）的mRNA和蛋白质水平显著升高。粘附分子mRNA（ICAM1和PECAM1）在精神分裂症和双相情感障碍的高炎症亚组中均有所增加，但PECAM1蛋白仅在中风裂症患者中升高，而ICAM蛋白在双相情感障碍患者中降低。我们发现双相情感障碍患者的IV型胶原（ColIV）蛋白水平较低。紧密连接蛋白claudin-5（CLDN5）的mRNA在中风裂症和双相情感障碍的高炎症亚组中均升高，而occludin（OCLN）的mRNA在中风裂症患者中降低，尤其是在高炎症亚组中。CLDN5免疫染色显示，中风裂症和双相情感障碍的高炎症患者的血管出现片段化，并且CLDN5阳性结构似乎源自内皮细胞。总体而言，精神分裂症和/或双相情感障碍的高炎症患者表现出更多的BBB改变迹象，包括巨噬细胞趋化作用增强、粘附分子改变以及紧密连接蛋白改变，尽管它们在中脑的BBB病理学特征上存在差异。
引言
炎症增加与精神分裂症和双相情感障碍有关，这两种疾病患者的脑部和血液中都发现了升高的细胞因子（Na等人，2014年；Kunz，2011年；Saetre，2007年；Haarman，2014年；Nawa和Takei，2006年；Perry，2021年；Tanaka，2017年）。我们之前的研究和许多先前的报告都发现，在精神分裂症和双相情感障碍患者中存在一个炎症升高的亚群，这是通过多个脑区的测量得出的（Saetre，2007年；Fillman，2014年；Fillman，2013年；Cai，2020年；Cai，2020年；North，2021年；Boerrigter，2017年；Fillman，2016年；Zhu，2022年；López-Villarreal，2020年；Childers，2022年）。中脑是多巴胺失调的主要脑区之一，大多数多巴胺神经元细胞体都位于这里。中脑的神经生物学变化在精神分裂症（Ichinose，1994年；Mabry，2020年；Perez-Costas，2012年；Howes，2013年；Rice，2016年；Purves-Tyson，2017年）和双相情感障碍（Kuai，2024年；Oquendo，2007年；Altinay，2016年）中都有发现。中脑的突触前多巴胺合成能力增强，这与症状严重程度呈正相关（Howes，2013年）。此外，精神分裂症和双相情感障碍中脑的多巴胺相关转录本（包括多巴胺受体、转运蛋白、合成酶和分解酶）也发生了显著变化（Rice，2016年；Purves-Tyson，2017年；Mueller，2004年；Pizzagalli，2019年；Mendez-Victoriano，2024年）。中脑的多巴胺神经元活动受γ-氨基丁酸（GABA）神经传递的调节（Bolam和Smith，1990年；Morello和Partanen，2015年；Tepper等人，1995年）；在中风裂症患者的中脑中，GABA的调节似乎减弱，这在中风裂症和双相情感障碍的其他脑区也是如此（Purves-Tyson，2021年；Akbarian，1995年；Volk，2000年；Thompson，2009年）。
在中脑中，我们发现精神分裂症或双相情感障碍的“高炎症”亚群中促炎细胞因子（IL1β、IL6、TNFα）的转录本和蛋白质水平升高（Zhu，2022年）。精神分裂症（Boerrigter，2017年）和双相情感障碍（Fiedorowicz，2015年；Vai，2022年）患者的血清中也存在升高的细胞因子蛋白质水平，包括IL1β、IL6和TNFα。尽管大脑通常由血脑屏障（BBB）与外周循环分隔开来，但升高的炎症细胞因子水平会影响正常的BBB，细胞因子可以穿过BBB（Pan和Kastin，2002年；Pan等人，2003年；Banks，2001年；Romero，1996年；Reichlin等人，2000年）。因此，我们假设在中风裂症和/或双相情感障碍患者中，尤其是那些脑部炎症加剧的患者，BBB的细胞会暴露于来自大脑（Fillman，2014年；Fillman，2013年；Zhu，2022年；Purves-Tyson，2021年）和/或血液（Boerrigter，2017年；Lesh，2018年；Fillman，2015年）的升高的促炎细胞因子，这会导致脑内皮细胞的转录和形态变化（Huang等人，2021年；Sonar和Lal，2018年）。
越来越多的证据表明，精神疾病患者的BBB和血管功能障碍可能是病理生理学的一个关键因素（Pollak，2018年；Katsel，2017年；Najjar，2017年；Baruah和Vasudevan，2019年；Lopes，2015年；Greene等人，2020年）。然而，关于神经炎症性精神分裂症和双相情感障碍中BBB相关分子的变化程度知之甚少。BBB是大脑和外围之间的重要屏障，其破坏与包括阿尔茨海默病、帕金森病、多发性硬化症和中风在内的神经系统疾病中的高炎症水平有关（Garcia-Dominguez，2018年；Jaeger，2009年；Asgari，2015年；Dénes等人，2011年）。由于大脑和外围中促炎细胞因子和免疫调节因子的增加，BBB可能对可溶性因子变得更加通透，从而促进免疫细胞的迁移和浸润（Huang等人，2021年；Galea，2021年；Profaci，2020年）。实际上，我们之前在中风裂症患者的皮质和皮下区域发现了CD163阳性巨噬细胞、细胞间粘附分子1（ICAM1）和巨噬细胞趋化因子CCL2的增加（Cai，2020年；Mendez-Victoriano，2024年；Purves-Tyson，2020年；Zhu，2022年；Weissleder，2021年）。其他研究也发现部分精神分裂症患者的B细胞和T细胞增加（Schlaaff，2020年）。这些发现表明免疫细胞可能穿过BBB，这一过程可能会改变内皮细胞的粘附分子、细胞连接蛋白或血管形态（Chi和Melendez，2007年；Guo，2018年；Winger，2014年；Hickey，1991年；Stranahan，2016年）。
BBB由脑内皮细胞、星形胶质细胞、血管周围巨噬细胞、周细胞和基底膜组成。在炎症条件下，细胞因子和免疫反应介质通过上调选择素、整合素和免疫球蛋白超家族粘附分子（例如1）细胞间CAMs – ICAMs，2）血管CAMs – VCAM，以及3）血小板内皮细胞粘附分子1 – PECAM1，促进白细胞与内皮表面的结合，从而支持跨内皮迁移（Buckner，2011年；Wee，2009年；Kong，2018年；Liou，2013年；Utagawa，2008年；Watt等人，1995年；Giri，2000年）。PECAM1的mRNA由内皮细胞和免疫细胞共同表达（Winger，2014年；Wimmer，2019年），在中风裂症患者的皮质中降低，表明血管功能减退；然而，这项研究没有考虑炎症状态（Katsel，2017年）。来自膜ICAM1蛋白水解的升高的可溶性ICAM1蛋白（Ramos等人，2014年），以及升高的ICAM1 mRNA水平，存在于精神分裂症和双相情感障碍患者的血液和大脑中（Cai，2020年；Purves-Tyson，2020年；Stefanovic，2016年；Pantovi?-Stefanovi?，2018年；Reininghaus，2016年），尤其是在高炎症的精神分裂症患者中。然而，精神分裂症和双相情感障碍中脑的高炎症状态与低炎症状态之间的ICAM1和PECAM1水平差异尚不清楚。在这里，我们测量了与免疫细胞粘附到血管相关的粘附分子mRNA或蛋白质表达（ICAM1和PECAM1），我们预计这些在中风裂症（Purves-Tyson，2020年）和双相情感障碍的高炎症亚组中会升高，而对照组则不会。
在跨内皮迁移过程中，免疫细胞在捕获和细胞粘附后可以通过暂时打开的紧密连接进行迁移（Winger，2014年；Weber等人，2007年；Alexander等人，2001年；Koenen，2009年）。在中风裂症和/或双相情感障碍中发现了两种最丰富的紧密连接蛋白（Winger，2014年）——claudin-5（CLDN5）和occludin（OCLN）的变化。此外，Claudin-5基因中的单核苷酸多态性（SNP）与精神分裂症的风险增加30倍有关（Sun，2004年；Kao，2004年；Williams，2011年），并且精神分裂症患者的海马体和顶叶中发现了降低的血管相关claudin-5蛋白（Greene等人，2020年）。在双相情感障碍中，枕叶皮质和小脑中发现了CLDN5 mRNA的增加，而海马体和眶额皮质中的CLDN5阳性血管密度保持不变（Greene等人，2020年）。这些不同的发现表明，紧密连接蛋白在中风裂症和双相情感障碍中可能因炎症状态、脑区或分子类型（mRNA与蛋白质）而有所不同。因此，我们假设这些紧密连接蛋白在中风裂症和双相情感障碍中的水平可能发生变化，并且这些变化可能在不同的诊断组或高炎症和低炎症亚组之间存在差异。
基底膜在BBB的功能中也起着重要作用，IV型胶原（ColIV）是其主要成分之一（Thomsen等人，2017年）。在炎症性脑条件下，ColIV蛋白水平可能上调（Michalski，2020年），并且在高炎症精神分裂症患者的大脑中ColIV mRNA水平升高（North，2024年）。在炎症过程中，ColIV蛋白水平也可能下调（Hamann，2002年）或被基质金属蛋白酶（MMPs）降解（Rosell，2008年）。巨噬细胞可能表达MMPs和ColIV，以促进它们对基底膜的粘附（Etich，2019年）。因此，我们推测在高炎症的精神分裂症和双相情感障碍亚组中，增多的巨噬细胞可能会促进ColIV蛋白的降解，可能导致ColIV蛋白的变化和/或ColIV mRNA水平的补偿性变化。
本研究旨在确定精神分裂症和双相情感障碍与对照组相比，在按炎症亚组分层之前和之后BBB神经病理学的mRNA和蛋白质水平。在研究腹侧中脑时，我们假设1）巨噬细胞标记物CD163和巨噬细胞趋化因子CCL2的水平将升高；2）细胞粘附分子、内皮细胞连接蛋白和/或基底膜相关分子会发生变化；3）在中风裂症和/或双相情感障碍患者中，claudin-5免疫反应性血管的形态学变化将更常见。
章节片段
人类尸检组织收集和队列人口统计
所有涉及人类尸检组织的实验均获得了新南威尔士大学人类研究伦理委员会（HREC #17826）和SUNY北岸医科大学机构生物安全委员会（董事会参考编号：#436）的批准。从Stanley医学研究所（Array Collection）获取了35例精神分裂症病例、35例双相情感障碍病例和33例对照组的新鲜冷冻人类中脑组织，并按照之前的方法进行了解剖（Zhu，2022年）。
在中风裂症和/或双相情感障碍中，炎症升高的情况下，巨噬细胞趋化因子CCL2和巨噬细胞标记物CD163的mRNA水平升高
精神分裂症组的巨噬细胞趋化因子CCL2 mRNA水平显著高于对照组（H(2) = 9.66，p = 0.0080）（补充图S1A）。然而，CCL2蛋白质水平在不同诊断组之间没有显著差异（H(2) = 4.62，p = 0.10）（补充图S1B）。当按炎症亚组分层时，我们发现精神分裂症高炎症亚组的CCL2 mRNA和蛋白质水平均显著升高
讨论
总体而言，精神分裂症和双相情感障碍中都发现了中脑巨噬细胞和BBB的病理变化，但在精神分裂症中这些变化在数量和程度上更为明显。在精神分裂症中，有更多证据表明巨噬细胞、趋化因子和粘附活性（例如CD163、CCL2和PECAM1 mRNA/蛋白质）增加，而在双相情感障碍中，只有在按炎症状态分层时才能发现这些变化。
我们的结果支持
CRediT作者贡献声明
朱云婷：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，可视化，验证，方法学，调查，正式分析，数据管理，概念化。杰拉尔多·门德斯·维克托里亚诺：撰写 – 审稿与编辑，验证，方法学，调查，正式分析。玛丽·J·韦伯斯特：撰写 – 审稿与编辑，资源获取。弗兰克·A·米德尔顿：撰写 – 审稿与编辑。保罗·T·马萨：撰写 – 审稿与编辑。克里斯汀·富勒：撰写 – 审稿与编辑。伦理批准和参与同意
所有涉及人类尸检组织的实验均获得了新南威尔士大学人类研究伦理委员会（HREC #17826）和SUNY北岸医科大学机构生物安全委员会（董事会参考编号：#436）的批准。
资助
本研究得到了新南威尔士州卫生部、卫生与医学研究办公室（澳大利亚）和国家心理健康研究所（美国）的资助。CSW获得了国家卫生与医学研究委员会（澳大利亚）的领导力3研究者资助（2009237）和国家心理健康研究所项目（RO1）资助（5R01MH126108）。我们感谢Stanley医学研究所（SMRI）的资助支持。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
我们感谢Molecular Analysis Core（SUNYMAC）的Karen Gentile、Misaki Clearwater和Debora Rothmond在实验中的技术支持。
