血液脳関門
多くのタイトジャンクション構成分子はリン酸化を介した制御をうけている。
血管内皮細胞は脳微小血管内皮細胞としての生物学的な性質の再現を担保するために特徴的な遺伝子発現レベルの確認、免疫蛍光染色での観察、電子顕微鏡によるタイトジャンクション形成の確認などを行う。多くの報告があるが内皮細胞はヒト由来のhCMEC/D3細胞、マウス由来のbEnd.3細胞、iPS細胞から分化させたiCell Endothelial Cellsなどが用いられることが多い。hCMEC/D3細胞はヒトの脳より採取した血管内皮細胞をhTERTとSV40 large T antigenで不死化した細胞であり、ABCトランスポーター遺伝子群の発現レベルは脳微小血管内皮細胞の性質を反映している。しかし形成できる物理的障壁性、TEERは30~120オーム・cmと低く、アストロサイト共培養でも関門性の向上が難しい点が脳微小血管内皮細胞とは異なる。
健常時は脳微小血管内皮細胞でのRAGEの発現は低いがAβ量の上昇に伴いRAGEの発現も上昇する。RAGEによるAβの脳実質への流入増加に伴い、サイトカイン等の発現誘導および神経細胞への酸化ストレス誘導、そしてエンドセリンの発現誘導によって血流量が低下することなどにより神経細胞死が誘発するとされている。さらにアルツハイマー病患者の多くで、動脈にAβが蓄積して血管機能が低下する脳血管アミロイドアンギオパチーがみられ、この症状は認知機能障害の進行と関連している。血液脳関門の機能低下、あるいはAβ蓄積による病態発現のいずれが先に発生するかは明らかではなく、血液脳関門の機能低下がアルツハイマー病発症に先立つ、そうではないという両方の研究報告がある。疾患によって脳実質への薬剤浸透性の予想がつかないことが中枢神経系疾患に対する治療薬開発を難しくしている要因の一つである。
脳実質へ薬物を送達するためには血液脳関門は障壁であるが、中枢神経系にとってはその機能維持に不可欠な防護壁である。脳が正常に発達し機能するためには、脳微小血管(脳毛細血管)を通過しなければならない多くの物質がある。
脳に必要な物質が血液脳関門を通過するには、3つの様式がある。
脂溶性物質の拡散
特定の水溶性物質の促進輸送やエネルギー依存性の受容体介在輸送
イオンチャネル
血液脳関門は、神経組織維持のために必要な糖質、アミノ酸、脂質などを、それぞれ特異的な SLC (solute carrier) トランスポーターによって選択的に透過させる。神経伝達に適した環境を維持するため、プロトン、カリウムなどのイオンチャネル・トランスポーターで制御している。各神経伝達物質は、それぞれ特異的な SLC トランスポーターで脳実質から血流側に排出している。
神経組織への障害性がある血中のアルブミンや凝血成分は、流入を制限している。低分子の有機化合物は、薬物排出トランスポーターとしてよく知られている ABC (ATP Binding Cassette) トランスポーターで脳実質から排出することによって、神経組織を保護している。
クローディン5は他のクローディンファミリーと同様に細胞内で合成された後、直接タイトジャンクションに輸送されるのではなく、一度細胞表面に輸送された後でタイトジャンクションに向かって移動し、クローディン同士の相互作用を介してタイトジャンクションに取り込まれる。タイトジャンクション同士の相互作用は動的でありリーク経路を形成すると考えられている。
ヒトのクローディン5遺伝子は22番染色体にマウスのクローディン5では16番染色体に位置する。指定難病である22q11.2欠失症候群は第22染色体の長腕の欠損が原因であり以前はディジョージ症候群、口蓋帆・心臓・顔症候群(velocardiofacial syndrome、VCFS)とも呼ばれていた。先天性心疾患、胸腺発達遅延や無形成による免疫不全、特徴的顔貌、口蓋裂・軟口蓋閉鎖不全、低カルシウム血症などを主徴とする。クローディン5は22q11.2欠失症候群で欠失が知られている遺伝子である。22q11.2欠失症候群ではおよそ30%が統合失調症を発症する。第22染色体の長腕のどの遺伝子が統合失調症の原因かは明らかになっていない。しかしrs10314とよばれるクローディン5遺伝子の3’UTRのSNPが一般集団および22q11.2欠失症候群で統合失調症のリスクを高めるという報告がある。rs10314はクローディン5の発現量の低下につながることが知られている。
2000年に発表されたFL-REX法(蛍光局在化レトロウイルス媒介発現クローニング)を用いてトリセルリン以外のtTJの構成成分としてLipolysis-stimulated lipoprotein receptor (LSR)が見つかった。LSRは後にアンギュリン1とよばれるようになった。
アンギュリン1は免疫グロブリン様ドメインをもつ膜蛋白質であり、もともと既知のLDL受容体以外でトリグリセリドが豊富なリポプロテインの取り込みに関わる受容体の候補として同定された。ヒトアンギュリン1は581アミノ酸からなり、細胞外Igドメイン、膜貫通ドメイン、細胞内ドメインからなる。10個のエクソンからなり選択的スプライシングによってα、α'、βの3つのサブタイプが存在する。αタイプが全長翻訳されたものであり細胞外C末端、膜貫通領域、細胞内N末端からなる。α‘とβはC末端のジロイシンモチーフ(細胞質への輸送シグナル)がなく、βは膜貫通領域がほとんど完全にない。
アンギュリンファミリーのうちアンギュリン1が脳実質や網膜の血管内皮細胞で発現している。アンギュリン1のノックアウトマウスは胎生期に死亡する。交配後14.5日の胎児正常マウスの血液脳関門は分子量446のトレーサーを通過させないが、交配後14.5日の胎児ノックアウトマウスの血液脳関門は分子量446のトレーサーを通過させる。しかし分子量64,000のアルブミンは通過させなかった。
血液脳関門は脳の微小血管に局在し3種類の細胞と2種類の基底膜から構成される。また血液脳関門が存在しない部位として脳室周囲器官が知られている。
TRIC-Cは選択的スプライシングの結果、エクソン2の膜貫通領域が2つになっている。C末端細胞質ドメインに変異があるとDFNB49という難聴の原因となる。C末端細胞質ドメインはアンギュリンファミリーとの相互作用に関与する。このドメインがアンギュリンファミリーと相互作用することでトリセルリンはトリセルラーコンタクトに局在する。
DFNB49難聴を引き起こす変異トリセルリンのノックインマウスでは有毛細胞の変性があり進行性難聴をしめす。そしてトリセルラータイトジャンクションにトリセルリンが局在せず、トリセルラーコンタクトでbTJの構造が分離していた。予想外にトリセルリンのノックアウトマウスは有毛細胞の変性による進行性難聴を示す。腸管上皮や血管内皮の傍細胞経路はWTと同様であり、透過型電子顕微鏡ではバイセルラータイトジャンクションの構造は維持された。
脳血管内皮細胞にはトリセルリンやアンギュリン1などトリセルラータイトジャンクション関連の蛋白質も発現している。トリセルラータイトジャンクションは傍細胞経路の高分子通過に重要な役割を担うがBBBでの役割に関してはまだわかっていない。
子宮筋腫や本態性振戦などの治療に用いられている集束超音波の医療技術を活用するものである。限られた領域に超音波エネルギーを集中させ、外科的処置を必要とせずに一過性の密着結合の開口が可能となるため、侵襲性が低いと考えられる。この方法で核酸やプラスミド、DNA、神経栄養因子などのタンパク質の輸送が可能となることが報告されている。収束超音波と超音波造影剤としても利用されるマイクロバブルを併用すると血液脳関門を一過性に開口させることができる。マイクロバブルを併用した収束超音波は物理的にタイトジャンクションとアドヘレンスジャンクションを一時的に破壊するだけではない。タイトジャンクション構成分子のリン酸化状態を変更することで構成蛋白質を分解させる。血液脳関門を透過できる分子の大きさは超音波強度と使用するマイクロバブルに依存する。動物モデルでは抗体やより大きな高分子医薬品を中枢神経系に送達したという報告もある。ラットにおける実験では血液脳関門のクローディン5、オクルディン、ZO1の発現レベルは、超音波処理後1~2時間以内に50%以上減少したが6時間以内に完全に回復した。収束超音波を用いたDDSは脳腫瘍やアルツハイマー病など様々な疾患で臨床試験が行われている。収束超音波の機械は植込み型のSonoCloudとMRIガイド下で用いるエクサブレート・ニューロなどが知られている。どちらのデバイスも脳腫瘍を対象に臨床試験がされており低分子医薬品の送達効率を500%以上向上させている。
マイクロバブルを併用し適切な強度で治療を行えば脳実質や血管の損傷は避けられると報告されている。しかし収束超音波を用いた方法は無菌性の炎症を誘発するという報告もある。