血腦屏障（blood-brain barrier，BBB）是指腦毛細血管內皮細胞、周細胞與神經膠質細胞偽足共同形成的血液與腦細胞之間的屏障，能夠透過營養物質并阻止血液中的有害物質進入大腦。血腦屏障這一選擇透過性結構可使腦組織免受循環血液中有害物質的損害，從而保持腦組織內環境的穩定，對維持中樞神經系統正常生理狀態具有重要的生物學意義。衰老過程中血腦屏障通透性會逐步增加。血腦屏障功能紊亂與一系列的腦血管病變以及中樞神經系統疾病密切相關，包括缺血性卒中（stroke）、癲癇、阿爾茨海默癥和漸凍癥等。然而，衰老過程中，如何保護血腦屏障完整性，逆轉后續的神經損傷，目前并不清楚。

2023年9月7日，北京大學血管穩態與重構全國重點實驗室與北京天壇醫院的鄭樂民教授團隊聯合王擁軍教授和董爾丹教授團隊在Neuron報道了題為“NAD+rescues aging-induced blood-brain barrier damage via the CX43-PARP1 axis”的研究論文，該文章報告了CX43-PARP1-NAD+通路在血腦屏障相關血管細胞衰老中的重要作用，并揭示了該通路在衰老過程中保護血腦屏障功能的潛在治療策略。

本研究中，作者首先通過小鼠腦皮層組織單細胞核測序，對BBB相關細胞亞群進行了劃分，并對BBB相關細胞亞群進行了特征基因表達的表征，之后通過比較老年組和年輕組的差異，發現基因Gja1（gap junction 1的縮寫，蛋白名為connexin 43，CX43）主要富集在BBB相關細胞亞群，并且在老年組中表達水平顯著下降。作者繼續使用了人腦前額葉皮層切片樣本和老年小鼠腦組織切片樣本對這一發現進行了驗證，并且通過使用全身敲除CX43和血管Cdh5+組織特異性敲除CX43小鼠，利用活體雙光子共聚焦熒光成像技術，發現了缺失CX43會進一步破壞BBB完整性。

圖1. 衰老腦皮層單細胞核測序及血腦屏障相關細胞亞群的劃分為了找到CX43影響血腦屏障功能的分子機制，作者團隊對小鼠腦皮層組織進行了代謝組學篩選，發現了在敲除CX43的雜合小鼠腦皮層組織中，煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（reduced nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+，是參與多種細胞代謝的電子受體和參與線粒體三羧酸循環和電子傳遞鏈的脫氫酶的輔酶，在代謝過程中通過轉遞電子，轉換為其還原形式NADH）的水平明顯下降。通過活體雙光子熒光壽命成像技術，驗證了CX43缺失導致的腦血管相關細胞內NAD+代謝活性率的下降。

圖2. 代謝組學篩選發現CX43缺失顯著降低了NAD+水平為了進一步弄清楚CX43調控NAD+水平的具體機制，對與CX43相互作用的蛋白質進行了蛋白質組學分析。首先利用免疫共沉淀的方法，獲得了與CX43相互作用的蛋白質，再通過高效液相-質譜/質譜聯用的方法，對與CX43相互作用的蛋白質進行了分析篩選，發現了與CX43直接作用的蛋白腺苷二磷酸核糖聚合酶（poly ADP-ribose polymerase，PARP1，EC 2.4.2.30）。PARP1是NAD+的消耗酶之一，通過消耗三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）和NAD+，參與蛋白二磷酸腺苷（adenosine diphosphate，ADP）化修飾和DNA損傷修復。接下來本研究驗證了CX43與PARP1的直接相互作用，并且發現在老年樣本和CX43缺失樣本中，PARP1在血管相關細胞的細胞核內表達顯著上升，揭示了CX43缺失條件下，PARP1活性增強，過度消耗NAD+的這一分子機制。最后，通過長期干預煙酰胺單核苷酸（nicotinamide mononucleotide，NMN，可經過NMN腺苷酸轉移酶（NMN adenylyl-transferase，NMNAT，EC 2.7.7.1）代謝合成NAD+）或奧拉帕尼（Olaparib，PARP抑制劑，也作用于BRCA1或BRCA2突變，臨床上用于治療BRCA突變的腫瘤，比如乳腺癌，前列腺癌等）給藥等方式，能夠有效逆轉衰老引起的血腦屏障損傷，并對缺血性卒中模型具有良好的保護作用。

圖3. CX43-PARP1軸通過調控NAD+水平逆轉衰老相關血腦屏障損傷的示意圖綜上，這些發現確立了內皮細胞CX43-PARP1-NAD+通路在腦血管衰老中的重要作用，提出了通過奧拉帕尼抑制PARP1活性或煙酰胺單核苷酸（NMN）補充是一種潛在的治療策略，通過緩解衰老相關的血腦屏障滲漏，以對抗衰老相關的腦血管病變和認知損傷等疾病。本文的亮點包括，1、單細胞核測序發現自然衰老過程中血腦屏障相關細胞中CX43的減少；2、Cdh5+細胞中CX43的缺失導致血腦屏障滲漏；3、CX43通過與PARP1相互作用的分子機制來調控NAD+水平；4、NMN干預或Olaparib給藥能夠有效改善衰老小鼠血腦屏障損傷。鄭樂民課題組已出站博士后戰銳博士（現已加入康復大學（籌）進一步開展代謝調控血腦屏障功能的相關研究，北京大學-清華大學生命科學聯合中心基金支持獲得者）、北京天壇醫院王擁軍團隊孟霞醫生為論文的共同第一作者。北京大學心血管研究所鄭樂民教授、北京天壇醫院王擁軍教授、北京大學心血管研究所董爾丹教授為該論文的共同通訊作者。參與作者汕頭大學田東萍教授，北京天壇醫院許杰博士為本文提供了重要幫助。文章同時受到了美國貝勒醫學院孫正教授、美國密歇根大學陳育慶教授的大力支持與幫助。該研究工作獲得了國家自然科學基金、北京市自然科學基金、國家重點研發計劃等項目支持，得到了北京大學血管穩態與重構全國重點實驗和國家神經系統疾病臨床醫學研究中心腦庫的大力支持和幫助。鄭樂民也作為第一獲獎人獲得北京醫學科技獎一等獎，目前該團隊也在和北大臨床醫院聯合招收博士后。原文鏈接：https://www.cell.com/neuron/fulltext/S0896-6273(23)00622-0