*仅供医学专业人士阅读参考

血脑屏障（BBB）是保护大脑免受感染或有害物质侵害的关键结构。

血脑屏障的受损与包括阿尔茨海默病、肌萎缩侧索硬化症、亨廷顿氏病和多发性硬化症等多种中枢神经系统病症密切相关。

已经有研究发现，革兰氏阴性细菌的重要促炎因子脂多糖（LPS），在感染期间或者单独注射的情况下，会引起血脑屏障受损。不过，LPS导致血脑屏障受损的机制目前仍不清楚。

今天，由北京生命科学研究所邵峰和北京脑科学与类脑研究所罗敏敏领衔的研究团队，在顶级期刊《自然》上发表一项重磅研究成果[1]。

他们首次发现，LPS会被构成血脑屏障的脑内皮细胞（bECs）膜上的复合物结合并内化，进入脑内皮细胞细胞质的LPS会被caspase-11识别，进而激活打孔蛋白GSDMD，导致细胞膜穿孔或焦亡，最终破坏血脑屏障。

这一机制的发现，不仅为血脑屏障损伤相关疾病的治疗提供了新靶点，也为入脑药物的开发提供了新思路。北京脑科学与类脑研究所的韦超和北京生命科学研究所的蒋唯是论文的共同第一作者。

论文首页截图

作为革兰氏阴性细菌的重要促炎因子，目前已经有很多关于LPS的研究了。

在人体细胞膜上，Toll样受体4（TLR4）是识别LPS并引发炎症反应（促炎因子产生）的最主要受体。有研究推测，LPS引发的血脑屏障受损就是TLR4调节的。

近年来，有不少研究发现LPS还能被小鼠细胞里的caspase-11，以及人体细胞内的caspase-4和caspase-5识别，激活孔形成蛋白GSDMD，导致膜穿孔，释放细胞膜炎症因子和/或引起焦亡[2]。虽然这种非典型焦亡方式发现于免疫细胞且在免疫细胞中研究较多，但最近的一些研究发现，上皮细胞和其他非免疫细胞中也存在上述非典型焦亡。

典型焦亡（左）和非典型焦亡（右）[2]

正是基于以上研究背景，邵峰/罗敏敏团队想搞清楚LPS引发血脑屏障破坏的机制究竟是什么。

他们先将致死剂量的LPS分别注射到野生型、TLR4缺失型（Tlr4-/-）、caspase-11缺失型（Casp11-/-）和GSDMD缺失型（Gsdmd-/-）小鼠体内。然后将一种蓝色染料注射到小鼠体内，用于观察这些小鼠血脑屏障的破坏情况。

结果显示，野生型小鼠的大脑变蓝了，而上述三种基因缺失型小鼠的大脑都没有变蓝。这个结果说明，LPS引发的血脑屏障受损与TLR4、caspase-11和GSDMD均有关。不过，研究人员很快发现，引发小鼠血脑屏障受损的，是非典型炎症体caspase-11，而不是TLR4介导的细胞因子产生。

LPS破坏血脑屏障需要caspase-11和GSDMD

之前的研究已经发现，循环中的LPS会被LPS结合蛋白（LBP）单体化，并转移到可溶性或膜锚定的CD14上。至于CD14的下游通路，有两种说法，一种是CD14将LPS呈递给TLR4-MD2复合物，随后被内化并调节下游信号通路；另一种是，CD14直接介导LPS内化并激活caspase-11这个非典型炎性体。

不过邵峰/罗敏敏团队的研究表明，循环中的LPS很可能通过LBP-CD14轴实现内化，并激活caspase-11，最终导致血脑屏障破坏。

既然确定了LPS导致血脑屏障受损的信号通路，接下来就要找到LPS的靶细胞。从小鼠大脑受损的结果来看，几乎所有脑区的血脑屏障都被LPS破坏了。在分析了小鼠体内GSDMD的表达情况之后发现，大脑中虽然有GSDMD表达，但表达水平低于大多数其他器官，而且GSDMD在大脑中的表达主要在脑内皮细胞和小胶质细胞/巨噬细胞中。

后续的转录组研究也发现，在大脑中LPS处理让脑内皮细胞发生了最深刻的变化。他们也认为，脑内皮细胞是大脑对循环中的LPS的炎症攻击做出反应的最主要、也可能是第一线的反应者。

脑内皮细胞的变化最剧烈

在随后的研究中，研究人员发现，脑内皮细胞可通过caspase-11直接感知胞内的LPS，caspase-11可裂解并激活GSDMD使细胞膜通透，从而可能导致细胞焦亡。

研究人员还在电子显微镜下观察了LPS导致的血脑屏障破坏情况，有些脑内皮细胞发生焦亡、相邻细胞之间的紧密连接出现异常，以及血管壁上有细胞膜或碎片存在等。

血脑屏障受损严重

值得注意的是，邵峰/罗敏敏团队还发现，LPS激活脑内皮细胞的caspase-11/GSDMD通路之后，细胞膜上被开的孔是双向的，一边可以流入，另一边可以流出。也就是说，即使脑内皮细胞最终不发生焦亡，血脑屏障也会发生泄露。

在研究的最后，他们证实革兰氏阴性菌肺炎克雷伯菌感染可以破坏小鼠的血脑屏障，而GSDMD缺失型小鼠的血脑屏障几乎不受影响。此外，他们开发的纳米抗体VHHGSDMD-1，可以中和GSDMD打孔活性。小鼠实验显示，VHHGSDMD-1可以有效阻断LPS或肺炎克雷伯菌感染引起的血脑屏障受损。

抗体有保护作用

总的来说，邵峰/罗敏敏团队的研究证实，caspase-11/GSDMD这条非典型焦亡通路在脑内皮细胞中的激活，决定了循环LPS对血脑屏障的破坏。值得注意的是，研究数据还表明，GSDMD打孔会提升细胞膜通透性（双向打22nm的非选择性孔洞），即使脑内皮细胞没有裂解，也可能导致血脑屏障渗漏。

至于这一发现的临床价值，可能也是双向的。一方面，抑制GSDMD的激活，可以保护血脑屏障，这对于多种疾病的治疗都有价值；另一方面，似乎可以借助这一机制适时“打开”血脑屏障，让不易通过血脑屏障的药物顺利进入大脑，提高药物的疗效。

参考文献：

[1].Wei C, Jiang W, Wang R. et al. Brain endothelial GSDMD activation mediates inflammatory BBB breakdown. Nature. 2024. doi:10.1038/s41586-024-07314-2

[2].Wei X, Xie F, Zhou X, et al. Role of pyroptosis in inflammation and cancer. Cell Mol Immunol. 2022;19(9):971-992. doi:10.1038/s41423-022-00905-x

本文作者丨BioTalker