中科院分子細胞科學卓越創新中心沈義棟課題組合作揭示血——腦脊液屏障洩露導致大腦衰老的分子機制

2月26日，國際學術期刊Neuron線上發表了中國科學院分子細胞科學卓越創新中心（生物化學與細胞生物學研究所）沈義棟研究組聯合上海交通大學醫學院附屬新華醫院鄢秀敏團隊的最新研究成果 “Macrophage-derived CTSS drives the age-dependent disruption of the blood-CSF barrier” 。

該研究發現，在衰老過程中，腦室脈絡叢中的巨噬細胞分泌大量蛋白酶Cathepsin S (CTSS)，降解了脈絡叢上皮細胞間的連線蛋白Claudin1（CLDN1），從而破壞血-腦脊液屏障，引發大腦功能減退。這一發現不僅闡明瞭衰老破壞血-腦脊液屏障的分子機制，也為保護血-腦脊液屏障、延緩大腦衰老提供了潛在藥物靶點。

大腦作為人體的“司令部”，享有一套高度精密的保護機制，其中腦脊液扮演著重要角色。腦脊液將大腦和脊髓包裹其中，為中樞神經系統提供支援和保護，也是中樞神經微環境的重要組成部分。而腦室中的脈絡叢則是腦脊液的“生產工廠”，它透過一層特殊的上皮細胞——脈絡叢上皮細胞（CPEC）——將血液過濾並轉化為腦脊液。這層CPEC不僅是一道“濾膜”，還構建了一道堅固的防禦屏障：血-腦脊液屏障。透過緊密的細胞連線，CPEC有效隔絕了血液中的有害物質和炎症因子，保護大腦免受外界侵害。

然而，隨著年齡的增長，這道屏障的“防禦工事”逐漸脆弱，出現“漏洞”。血-腦脊液屏障的破損被認為與神經退行性疾病的發生和發展密切相關。然而，目前科學界對於這道屏障如何喪失完整性，以及其背後的分子機制，仍知之甚少。這些問題的解答，將為延緩大腦衰老、防治神經退行性疾病提供關鍵線索。

研究團隊首先對不同年齡小鼠脈絡叢上皮細胞間的緊密連線蛋白進行定量分析，發現隨著衰老，僅CLDN1的水平顯著下降。更重要的是，CLDN1的減少與血液成分滲入大腦及炎症反應增強呈正相關，提示CLDN1的缺失可能是血-腦脊液屏障破壞的關鍵因素。然而，無論是RNA水平還是總蛋白水平，CLDN1在年輕和年老小鼠脈絡叢中的表達並無顯著變化，這表明CLDN1減少並非源自基因表達的下調，而可能是受到某種細胞外因子的直接降解。

進一步研究發現，蛋白酶CTSS在老年小鼠脈絡叢巨噬細胞中的表達顯著升高，並大量富集於脈絡叢腔內。值得注意的是，CTSS傳統上被認為是胞內溶酶體中的蛋白酶，而本研究則發現CTSS可被大量分泌至胞外，直接作用於CPEC胞間連線處的CLDN1，導致其水平下降。透過給老齡小鼠餵食或腦室注射CTSS抑制劑，研究團隊觀察到CPEC間的CLDN1的水平得以恢復至年輕小鼠的水平，大腦炎症顯著減輕，同時學習記憶能力提高，抑鬱行為減弱。此外，透過腺相關病毒在老齡小鼠的CPEC中過表達抗CTSS降解的CLDN1，也取得了類似效果，表現為血-腦脊液屏障和神經功能的改善。而在年輕小鼠CPEC中敲除CLDN1則加劇了屏障受損，進一步證實了CTSS-CLDN1這對酶與底物在屏障衰老中的核心作用。

單細胞資料分析還揭示，脈絡叢中衰老細胞的積累可能透過啟用巨噬細胞釋放CTSS，推動屏障破壞。透過檢測CCR2敲除小鼠（巨噬細胞招募受限）脈絡叢，以及清除老年小鼠脈絡叢中的衰老細胞或在年輕小鼠中誘導衰老細胞，研究團隊最終確認，衰老細胞是破壞血-腦脊液屏障的“幕後黑手”之一。

分子細胞卓越中心博士生陳一凡、助理研究員週一飛（現為哈佛醫學院/麻省總醫院博士後）以及博士生白雅卿為該論文的共同第一作者。分子細胞卓越中心沈義棟研究員、上海交通大學醫學院附屬新華醫院鄢秀敏研究員和分子細胞卓越中心助理研究員週一飛為該論文共同通訊作者。分子細胞卓越中心石建濤研究員、陳正軍研究員、賈凱雯副研究員和工作人員宋夢嬌、戴鈺敏以及新華醫院青年研究員陳青霞參與研究工作。該研究得到了分子細胞卓越中心鄒衛國研究員、朱學良研究員和王紅豔研究員的大力支援和幫助。該研究還得到分子細胞卓越中心分子生物學技術平臺、細胞分析技術平、生物資訊學平臺和動物實驗技術平臺的幫助與支援，和國家自然科學基金的資助。