（第一节） 血脑屏障
中枢神经系统血管壁对许多物质的渗透性，与全身其他器官血管壁的渗透性相比有其特殊性。在中枢神经系统物质交换的速度慢些，组织所含物质的浓度也比其他器官低些，这些特殊性与中枢神经系统的结构，代谢和功能有关。经过一系列的研究，人们对此特殊性产生了血脑屏障的概念。因为中枢神经系统血管壁的渗透性，表现为对许多血源性物质有严格的限制，不允许进入脑实质，即血液与脑实质界面之间有一道屏障。
组成各种物质的不同分子，电解质中的各种离子，是如何从血液进入脑实质，经过代谢又如何离开脑实质，各种有害物质是如何被阻止进入脑实质，这些有关脑代谢的问题，长期以来成为人们关注和很有兴趣的课题。血脑屏障的概念就是基于屏障是一种保护机制的假设。这种假设起源于1895年Ehrlich对血脑屏障现象的描述。经过48年的周折努力终于在1933年Walter给病人或动物静脉注入溴化物或其他药物，分别测定血浆和脑脊液中药物的含量，结果发现注入的药物在血流、CSF和脑中的分布并不相同，有些药物由血入脑比由血入脑脊液更快，而另外一些药物则相反。因而他推断血液与脑间的渗透性屏障有三种：㈠血脑屏障（blood brain barrier，BBB），由脑毛细血管壁与软膜-胶质膜所组成。㈡血脑脊液屏障（blood cerebrospinal fluid（liguor）barrier，BLB）位于脉络丛和软膜。㈢脑脊液脑屏障（cerebrospinal fluid（liguor）brain barrier，LBB），位于脑表面的软膜和脑室的室管膜。从此脑的屏障系统的完整概念建立起来了。
一、血脑屏障的结构特征
以电镜超微结构和组织化学特性来比较，脑毛细血管与身体其他部位普通的毛细血管有显着的区别，见图48。
（一）脑毛细血管内皮细胞之间的连接是紧密连接，相邻内皮细胞膜间是互相融合，形成密切的接触。这是重要的屏障结构。
1.当应用铁蛋白、台盼蓝、微过氧化酶、辣根过氧化酶或镧等示踪剂注入血液后，不能透过脑毛细血管内皮细胞间的紧密连接，而只滞留在血管内；
2.如果将上述示踪剂直接注入脑组织或脑脊液中，则这些示踪剂扩散到脑毛细血管内皮细胞的基底面也是受阻于紧密连接处。
3.电解质的离子和小分子如水仍可透过紧密连接。
身体其他部位普通的毛细血管则不同，属有孔毛细血管，其特点是内皮细胞的某些部份很薄，其上有许多小孔，孔的直径约800~1000A（埃）。有的内皮细胞之间甚至有裂隙。因此物质交换通过普通毛细血管将畅通无阻。
（二）与普通毛细血管相比，脑毛细血管具有较多数量和体积的线粒体，这说明大量消耗能量活动是血脑屏障复杂活动的特征。
（三）组织化学显示脑毛细血管内皮细胞有较丰富的碱性磷酸酶、单胺氧化酶、r-谷氨酰转肽酶和葡萄糖-6-磷酸酶等，这支持生理学和药理学的证据，透过血脑屏障是经过一大组复杂的运输系统，许多酶类参与其活动。
（四）普通毛细血管内皮细胞内的吞饮小泡多过脑毛细血管内皮细胞，这说明普通毛细血管的小泡运输比脑毛细血管内皮活跃些。
（五）脑毛细血管内皮细胞和基底膜的周围绝大部分被星形胶质细胞的足突包裹起来。经研究查明这些胶质细胞足突并不起机械障碍作用，而是在葡萄糖、氨基酸、电解质和某些大颗粒等物质的主动转运和维持中枢神经系统内环境的过程中起到血脑屏障功能的补充和调节作用（如图48）。
整个中枢系统绝大部分区域均有上述血脑屏障结构，但是有相对较小的部位没有血脑屏障结构，这部分较特殊的区域都围绕在脑室周边，它包括极后区、正中隆起、后联合下器官、松果体、垂体后叶、脉络丛、视上嵴等几个部位。这个特殊区里的毛细血管或血窦的内皮细胞均有孔或裂隙，胞浆内有较多小泡和大泡、台盼蓝、普鲁士蓝、荧光素或同位素标记的蛋白质、银颗粒、辣根过氧化酶等示踪剂均透过这里的毛细血管。在病理情况下，致病原如细菌、病毒等有可能从血流经过这些特殊区而进入中枢神经系。
脑和脊髓一般均显示有血脑屏障作用，但在不同的解剖部位、不同的发展阶段和不同的测试物质，其作用也有不同表现。一般在脑的作用比脊髓明显，成熟的人或动物比未成熟的作用明显。由于未成年的人或动物的中枢神经系统发育不完善，包括血脑屏障结构也发育不完善。在出生前和童年早期易患某些疾病，其血脑屏障发育不完善也可能是致病因素之一。脑核性黄疸、金属中毒、病毒感染及其他疾病易发生在幼年即为此因素。
二、血脑屏障的生理生化特征
由上述血脑屏障结构的特征可以看出通过毛细血管内皮细胞等结构，使脑实质的细胞和细胞外液与血液成分相分隔，这样脑实质细胞外液的理化成分才能稳定在一定的范围，即使血液成分有很大变动时，脑细胞外液的波动也很小，这就是脑内环境恒定。为了脑功能的活动正常，脑组织要求有一个恒定的受到保护的内环境。为了维持脑内环恒定，血脑屏障起到关键的作用。例如从血液传送神经递质到脑就受到很大的限制，这样在脑内突触性传导才能不受到脑外神经递质的干扰。脑内的离子浓度对神经原的传导有影响，它受到从血到脑受限制的传送和从脑被泵入血两方面的调节。
血与脑间通过血脑屏障的物质交换，一方面它符合物理、化学的一般规律，因而一些物理化学现象例如渗透梯度、电化梯度、脂溶性、组织亲和力、分子大小以及血管壁的物理状态和有效孔径等都与之有关；另一方面，它与血脑屏障具有的生理生化特征也有关，例如所有的物质从血入脑，首先要透过内皮细胞腔面的细胞膜，经过细胞浆，然后又要透过内皮细胞基底面的细胞膜，即由双层极性类脂如磷脂等排列而成，膜内有许多蛋白质嵌入，包括有载体蛋白，而这些膜上的类脂、蛋白质和载体对物质交换有作用，再者脑毛细血管内皮细胞胞浆中有许多酶类，对物质交换也有影响。血脑屏障在物质交换过程中的关键作用是如何发挥的？可由以下几种转运方式说明：
（一）被动扩散
是指溶质中的各种分子由于随机的布朗（Browniar）运动的结果，由较高的浓度向较低浓度移动，浓度越高，移动越快，浓度梯度越大，净扩散率也越大，对血脑屏障来说还与物质的分子大小、脂溶性、离解常数和物质与组织的亲和性等因素有关。
脑毛细血管对某一物质的渗透性与该物质的分子大小、脑毛细血管内皮细胞膜的有效孔径有关。据推算脑内皮细胞膜的有效孔径约为7~9A（即0.7~0.9纳米nanometer）。也就是说任何半径大于9A（埃）的分子都应不能透过血脑屏障。
由于血脑界面主要由毛细血管内皮细胞以紧密连接的方式形成连续的膜性系统，一般物质不可能渗过紧密连接，但一些非电解的脂溶性物质如氧、二氧化碳、乙醇、脂肪酸等，可溶解在类脂膜中，再脱离脂膜进入另一侧的水环境中，毫无疑问脂溶性物质较易透过，但也有少数脂溶性物质，如免疫抑制剂cyclosporin不能进入脑内。嗜脂物质也可能受血脑屏障膜上的糖蛋白所阻止而不能进入脑内。
某些物质易受组织蛋白或血浆蛋白所吸附，使扩散通量减少。例如血浆胆红素水平较高可致全身组织黄染出现黄疸，因胆红素与血浆蛋白牢固结合成较大分子，不可能透过血脑屏障，所以未能进入脑组织。
（二）易化扩散
也称为载体运输系统，一些非脂溶性的代谢物质，诸如葡萄糖、中性、碱性和酸性的氨基酸，胆碱、甲状腺激素、短链的单羧酸、脂肪酸及某些核酸的前体等，其分子量在100道尔顿以上，大于内皮细胞膜的孔径，也不易溶于脂肪，不可能进行被动扩散，但这些物质很易透过细胞膜，最后进入脑组织，即可反向扩散，从脑通过血脑屏障而进入血液，其机理就是借助膜上的载体，透过血脑屏障的。
细胞膜上的载体能与上述非脂溶的物质起特异的化学结合，变成脂溶性较大的复合体，然后以扩散方式将这些物质带到膜的另一侧。葡萄糖在脑内的运输就是一个例子。大脑的活动所需的最基本能源物质就是葡萄糖。脑内储存的葡萄糖和糖原极少，仅够维持几个小时的正常活动，所以脑组织主要靠血液循环不断供给葡萄糖。葡萄糖是非脂溶性物质，血液中的葡萄糖首先与内皮细胞膜上的载体相结合，形成脂溶性较大的葡萄糖载体复合物，顺浓度差扩散到膜内侧部，葡萄糖被释放后载体仍留在膜上，载体起运载工具的作用。如果膜内的浓度大于膜外，则转运的方向可以逆转。
（三）主动转运
是指通过细胞膜利用代谢能使溶质分子逆浓度梯度移动的过程。为了维持脑内环境的恒定，细胞膜内外有些成分可保持恒定的浓度差，例如细胞内的钾离子相当于细胞外的30倍，而细胞外钠离子则为细胞内的12倍，因此这种浓度差的维持就需要有主动转运过程，这过程好像水泵向上抽水一样，需要有泵和要消耗的能源。在细胞膜上存在一种钠-钾泵，实际上是镶嵌在细胞膜上的一种具有ATP酶活性的蛋白，它可被钠、钾、镁离子等所激活，分界ATP而得到能量，并将钾离子移入细胞内，将钠离子泵出细胞外，均为逆浓度梯度移动的过程。而线粒体好像为细胞的“发电厂”，糖、脂类和氨基酸在线粒体内被氧化为水和二氧化碳，放出的能量转变为ATP，供给机体一切生理活动的需要。有人指出，脑毛细血管内皮细胞里的线粒体比其他组织普通毛细血管内皮细胞约多4倍，因而脑毛细血管内皮细胞可提供足够的能量，保证在主动转运过程中的消耗，所以主动转运过程被认为是血脑屏障机制的一部分。
（四）入胞与出胞过程
