thumb|ラットの血液脳関門の電子顕微鏡画像 血液脳関門（けつえきのうかんもん、、略称:BBB）は、血液と脳（そして脊髄を含む中枢神経系）の組織液との間の物質交換を制限する機構である。これは実質的に「血液と脳脊髄液との間の物質交換を制限する機構」＝血液脳髄液関門 (blood-CSF barrier, BCSFB) でもあることになる。ただし、血液脳関門は脳室周囲器官（松果体、脳下垂体、最後野など）には存在しない。これは、これらの組織が分泌するホルモンなどの物質を全身に運ぶ必要があるためである。
歴史 最初に血液脳関門の存在を示唆した実験は17世紀、イギリスの生理学者であるによって行われた。彼は動物に静注した水銀が脳内に蓄積されないことを脳血管の密着性が他の血管と大きく異なるからと考えたRidley H, The Anatomy of the Brain, London, Printers to the Royal Society 1965。かつては19世紀後半にドイツの細菌学者のパウル・エールリッヒが血液脳関門の概念の創始者とされていた。彼はウサギの血管にアニリンを注射すると、多くの臓器の組織は染色されるが中枢神経だけは染色されないことに気がついた。パウル・エールリッヒは自身の論文では脳組織が染色色素を吸着する成分をもたないため染色されなかったと解釈した。そのため、パウル・エールリッヒはむしろ血液脳関門の存在に否定的であったと解釈できる。パウル・エールリッヒの弟子であるエドウィン・ゴールドマンはトリパンブルーをクモ膜下に投与すると中枢神経である脊髄は染まるが他の末梢の臓器が染まらないことを見出したGoldman E.E, Vitalfarbung am Zentralnervensystem, Berlin, Eimer 1993。このとき両者との境界には膜のようなものは発見されず、血管がその役割を担っているものと推測された。他にも複数の科学者らによる一連の実験から血液脳関門の概念が作られたと考えられるThe rights and wrongs of blood-brain barrier permeability studies: a walk through 100 years of history., Front Neurosci. 2014 Dec 16;8:404. 。
最終的に、単糖類、アミノ酸などの生体分子、そして酵素などの生体高分子の脳内での透過性が明らかにされ、血液脳関門の概念が確立したのは1960年代以降、電子顕微鏡を用いて脳内の各分子の移行を形態的に観察した研究がもとになっている。その後、血液脳関門は単なる障壁ではなく、脳に必要な物質を血液中から選択して脳へ供給し、逆に脳内で産出された不要な物質を血中に排出する「動的インターフェース」であるという新しい概念に変わっているContribution of carrier-mediated transport systems to the blood-brain barrier as a supporting and protecting interface for the brain; importance for CNS drug discovery and development.., Pharm Res. 2007 Sep;24(9):1745-58. 。
構造 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BRAIN and NERVE 65巻2号 2013年2号。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。通常の毛細血管は細胞どうしの間に隙間がある程度あって様々な物質がやり取りされるのに対し、脳の場合は細胞どうしが密着し通常はブドウ糖、アミノ酸のような必要な栄養物質しか通らない。そこがさらに基底膜で覆われる形となっている。 内皮細胞 血液脳関門の最内層に位置し、脳にあって常時血液成分と直接的な接触をもつ唯一の細胞である。BNB（Blood-Neural Barrier、血液神経関門）を構成する微小血管内皮細胞と同様に4つの特徴が知られている。まず無窓である。そしてピノサイトーシスが極めて少ない、隣接する内皮細胞間で高度に複雑で連続性のあるタイトジャンクションをもつ。また各種トランスポーター、レセプターを発現し、特有の物質輸送系をもつ。無窓であり、ピノサイトーシスが少ないことから経細胞経路が制限され、タイトジャンクションにより傍細胞経路が制限されている。
周皮細胞（ペリサイト） 内皮細胞に接してすぐ外側の1枚の基底膜を介して位置する不整形、多角形の細胞である。内皮細胞と周皮細胞は共通の基底膜で覆われる。
基底膜 内皮細胞と周皮細胞は1枚の基底膜で覆われており、この1枚目の基底膜の外側にはグリア限界膜とよばれる第二の基底膜が存在する。この2枚の基底膜は構成分子が異なっているが毛細血管レベルでは2枚が融合して一続きのgliovascular membraneを形成している。後毛細血管細静脈のレベルになるとこの2枚は分離し、その間隙には脳脊髄液が灌流して血管周囲腔となる。
星状膠細胞 グリア限界膜の外側に接して星状膠細胞の足突起がならぶ。
脳室周囲器官 脳室周囲器官は血液脳関門が存在しないことから、その中の細胞は様々な生体物質の変化や侵入に直接暴露されているため「脳の窓」と呼ばれている。主要な構造器官には脳弓下器官(subformical organ)、交連下器官(subcommissural organ)、松果体(pineal body)、最後野(area postrema)、正中隆起(median eminence)、神経下垂体(neurohypophysis)、血管器官(organum vasculosum)があげられる。脳室周囲器官は自ら分泌するホルモンなどの物質を全身に運ぶ必要があるため脳室周囲器官では血液脳関門が発達していない。脳室周囲器官は血管に富み、脳内への選択的物質輸送を担う有窓性毛細血管が密集するとともに脳室側から脳膜側に長い突起を伸ばした特殊な上衣細胞がある。
機能分子 血液脳関門の機能分子はタイトジャンクション構成分子、トランスポーター、細胞接着分子に分類される。
タイトジャンクション構成分子 血液脳関門のタイトジャンクション構成分子にはクローディン（CLDN）ファミリー、TAMPファミリー（TJ-associated MARVEL protein family）、アンギュリンファミリー、JAMファミリー（Junctinal adhesion family）、ZOファミリー（Zonula occludens）などからなる。
クローディン（CLDN）ファミリー クローディンファミリーはヒトでは27種類の4回膜貫通型蛋白質で構成されているFEBS Lett. 2011 Feb 18;585(4):606-12. 。一次構造ではN末端からTM1、ECS1、ECH、TM2、TM3、ECS2、TM4と配列しているBiochim Biophys Acta. 2008 Mar;1778(3):631-45. 。クローディンファミリーは同一細胞膜上、および向かい合う細胞膜上のクローディンファミリー同士で相互作用する性質がある。この相互作用がタイトジャンクションを生み出すと考えられている。同一細胞膜上のクローディンファミリーの相互作用をシス相互作用といい、向かい合う細胞膜上のクローディンファミリーの相互作用をトランス相互作用という。クローディンファミリー間の相互作用に必須な領域はアミノ酸配列の保存性の低い領域であり、これらの違いがクローディン間の相互作用の違いを生み出している。脳微小血管内皮細胞ではクローディン1、クローディン3、クローディン5、クローディン12の発現が確認されているActa Neuropathol. 2003 Jun;105(6):586-92. Semin Cell Dev Biol. 2015 Feb;38:16-25. 。脳微小血管内皮細胞でのクローディン1の発現は特定の抗体がクローディン1とクローディン3で交差反応性を示すため論争されているActa Neuropathol. 2011 Nov;122(5):601-14. 。single-cell RNA sequenceの解析結果では正常状態のマウスの脳内血管内皮細胞ではクローディン5、クローディン12、クローディン25のmRNAの発現が確認されたという報告もあるNature. 2018 Feb 22;554(7693):475-480. Sci Data. 2018 Aug 21;5:180160. 。クローディン5以外のクローディンファミリーが脳微小血管内皮細胞に発現していると考えられているがそれがどのクローディンか不明な点も多いJ Cell Biol. 2003 May 12;161(3):653-60. Fluids Barriers CNS. 2019 Sep 12;16(1):30. 。
クローディン5（CLDN5） クローディン5は血液脳関門のバリアー機能の中核を担うと考えられているFluids Barriers CNS. 2019 Jan 29;16(1):3. Biochim Biophys Acta Biomembr. 2020 Apr 27;1862(9):183298. 。クローディン5は血液脳関門の機能に不可欠な分子でありその発現量が血液脳関門のバリアー強度を決定するというのが定説となっている。その根拠として脳微小血管内皮細胞のクローディン5のmRNA発現量が高いことSci Rep. 2019 Jan 18;9(1):203. PLoS One. 2010 Oct 29;5(10):e13741. 、クローディン5ノックアウトマウスのマウスが分子量選択的なのバリアー機能低下を示すこと、クローディン5が強いシス相互作用とトランス相互作用を示すことが挙げられるCell Mol Life Sci. 2011 Dec;68(23):3903-18. 。
具体的には脳微小血管内皮細胞のクローディン-5 mRNAレベルは、クローディン1、クローディン3またはクローディン12の mRNAと比較して600 - 700倍高いJ Cell Physiol. 2007 Jan;210(1):81-6. J Neurochem. 2008 Jan;104(1):147-54. 。2003年に新田、月田らはクローディン5のノックアウトマウスを作成し、その血液脳関門の透過性を検討した。ノックアウトマウス（ホモ接合体）は原因不明であるが出生後10時間以内に全例死亡した。電子顕微鏡で形態評価を行うとクローディン5のノックアウトマウスにもタイトジャンクションストランド形成が確認され、脳血管のネットワークや組織構築は維持された。しかし小分子のトレーサーの通過は正常型マウスと大きく異なった。正常マウスは分子量443D、742D、1900Dのトレーサーのいずれも通過しなかった。しかしクローディン5ノックアウトマウスでは分子量443D、742Dのトレーサーは通過したが、1900Dのトレーサーは通過しなかった。この結果からクローディン5のノックアウトマウスの血液脳関門は分子量742Dまでは通過するが、それより大きな分子は透過しないと考えられる。すなわちクローディン5のノックアウトが分子篩のような分子量選択的なバリアー機能の低下を示したと考えられる。なおクローディン5のノックアウトマウスで形成されるタイトジャンクションストランドはクローディン5以外のクローディンから成り立つと考えられているがその詳細は不明である。さらにクローディン5は蛍光共鳴エネルギー移動（FRET、またはフェルスター共鳴エネルギー移動）を用いてクローディンファミリーのシス相互作用とトランス相互作用を評価した検討ではクローディン5同士は非常に強いシス相互作用とトランス相互作用が認められた。
クローディン5は脳、肺、心筋、骨格筋、肝臓、腎臓、皮膚などの血管内皮細胞や消化管上皮、リンパ節、心筋、膵臓、網膜色素上皮、精巣上皮、卵巣上皮、前立腺などで発現している。クローディン5は脳以外に心筋、骨格筋、肺など様々な臓器の血管内皮に発現しているが脳以外の臓器では血液脳関門ほどのバリアー機能は認められないProc Natl Acad Sci U S A. 1999 Jan 19;96(2):511-6. J Cell Biol. 1999 Oct 4;147(1):185-94. 。オクルディンはそのリン酸化によってバリアー機能をきめ細かく調節しているものと考えられている。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Mol Biol Cell. 2019 Jun 1;30(12):1406-1424. 。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Nat Rev Mol Cell Biol. 2016 Sep;17(9):564-80. 。
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J Hum Genet. 2006;51(12):1037-1045. 。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Eur Psychiatry. 2004 Sep;19(6):354-7. Med Hypotheses. 2005;64(3):547-52. 。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Mol Psychiatry. 2018 Nov;23(11):2156-2166. 。
脳微小血管内皮にクローディン5を薬剤誘導性にノックダウンできるマウスを作成し、成熟マウスでクローディン5の持続的なノックダウンを行った場合、マウスは学習障害や記憶障害、不安、プレパルス・インヒビション（prepulse inhibition、PPI）の低下を示した。これらの症状は統合失調症に関連すると考えられている。マウスのクローディン5の3～4週間ノックダウンすると痙攣を起こし死亡した。
Cambellらはマウスにクローディン5を標的とするsiRNAを全身投与し一時的にin vivoでクローディン5の発現を抑制して血液脳関門の透過性を上げることに成功しているJ Gene Med. 2008 Aug;10(8):930-47. 。この研究でクローディン5をノックダウンしたマウスの血液脳関門を分子量742程度の低分子は通過できたが分子量4400の物質は通過しなかった。クローディン5とオクルディンを標的とするsiRNAをマウスに共投与し、脳微小血管内皮細胞で両者をノックダウンすると約3～5kDa程度の分子が血液脳関門を通過する報告があるSci Adv. 2015 Sep 4;1(8):e1500472. 。このノックダウンによる低分子の透過亢進は3日程度持続し、1週間以内にバリアー機能が回復する。さらにクローディン5のノックダウンを繰り返しても重篤な副作用が認められなかった。クローディン5のノックアウトを行うと小分子の透過性のみ亢進するため、クローディン5の制御によって小分子の薬物輸送や水の透過性制御による脳浮腫の治療などが行える可能性があるNat Commun. 2012 May 22;3:849. 。恒常的に1kDa以下の低分子が脳内に流入し続けると脳内環境が破綻し致命的な脳内炎症が生じることが示唆されている。
TAMPファミリー 血液脳関門を形成するTAMPファミリー（TJ-associated MARVEL protein family）にはオクルディンとトリセルリンが知られている。
オクルディン 最初に発見されたタイトジャンクション構成蛋白質であるJ Cell Biol. 1993 Dec;123(6 Pt 2):1777-88. 。別名はmarvelD1である。ノックアウトマウスでもタイトジャンクションが形成されるため、タイトジャンクションにおける正確な役割は不明な点が多いMol Biol Cell. 2000 Dec;11(12):4131-42. Biochim Biophys Acta. 2005 May 15;1669(1):34-42. 。クローディンファミリーと相互作用することでクローディンファミリー単独で形成するタイトジャンクションストランドよりも複雑なタイトジャンクションストランドを形成するという研究内容もあるJ Cell Sci. 2013 Jan 15;126(Pt 2):554-64. 。オクルディンノックアウトマウスはタイトジャンクションを構成でき、生存可能である。しかし成長遅延となり胃の壁壁細胞は消失する。また緻密骨の薄化、脳内石灰化、精巣萎縮、唾液腺の線条導管細胞質顆粒の消失、コルチ器の有毛細胞のアポトーシスが認められる。オクルディンノックアウトマウスがしめす脳内血管内皮細胞周辺のカルシウムの沈着は金属イオンの透過亢進が血液脳関門で生じていると考えられている。コルチ器の有毛細胞のアポトーシスはクローディン14欠損やトリセルリン変異によるDFNB49に類似するBiol Open. 2014 Jul 25;3(8):759-66. 。コルチ器の有毛細胞のアポトーシスはオクルディンの欠損のためトリセルリンがバイセルラータイトジャンクションに導入された結果である。
分子量は65kDで短いN末端細胞質尾部、2つの細胞外ループおよび長いC末端細胞細胞質尾部をもつ4回膜貫通型蛋白質であるAm J Physiol. 1997 Dec;273(6 Pt 1):C1859-67. J Cell Biol. 1997 Jan 27;136(2):399-409. J Cell Biol. 1996 Apr;133(1):43-7. Adv Drug Deliv Rev. 2005 Apr 25;57(6):883-917. Mol Cell Biol. 2012 Jan;32(2):242-50. 。オクルディンとトリセルリンとmarvelD3が相同性がありMARVELファミリー（またはTAMPファミリー）とよばれるMol Biol Cell. 2010 Apr 1;21(7):1200-13. BMC Cell Biol. 2009 Dec 22;10:95. 。C末端細胞質尾部にはZO-1やアクチンと相互作用をするのに必要なOCELドメインとよばれる構造があるJ Cell Biol. 1994 Dec;127(6 Pt 1):1617-26. 。オクルディンはbTJのリーク経路におけるmacromoleculeの透過とカベオリンエンドサイトーシスに関与しているMol Biol Cell. 2013 Oct;24(19):3056-68. 。培養細胞でオクルディンをノックダウンすると6.25nmほどの分子の透過性が著しく亢進した。3.6nm、70kDの分子の透過性を亢進させた別の報告も存在するAm J Physiol Gastrointest Liver Physiol. 2011 Jun;300(6):G1054-64. 。TNFは上皮細胞の透過性を亢進させることが知られているが、その作用はオクルディンを介していると考えられているJ Clin Invest. 2005 Oct;115(10):2702-15. J Clin Invest. 2006 Oct;116(10):2682-94. J Cell Biol. 2010 Apr 5;189(1):111-26. Am J Pathol. 2005 Feb;166(2):409-19. Semin Cell Dev Biol. 2014 Dec;36:166-76. 。オクルディンをノックダウンするとTNFを投与してもmacromoleculeの透過性が亢進しないJ Cell Sci. 2010 Aug 15;123(Pt 16):2844-52. 。TNFによっておこるmacromoleculeの透過性の亢進はOCELドメインのアクチンやZO-1との相互作用が関与するJ Biol Chem. 1998 Nov 6;273(45):29745-53. J Mol Biol. 2005 Sep 9;352(1):151-64. J Biol Chem. 2000 Sep 22;275(38):29816-22. 。
マウスにクローディン5を標的とするsiRNAを全身投与では分子量742程度の低分子しか血液脳関門を通過しないが、クローディン5とオクルディンを標的とするsiRNAをマウスに共投与し、脳微小血管内皮細胞で両者をノックダウンすると約3～5kDa程度の分子が血液脳関門を通過する。
トリセルリン トリセルラータイトジャンクションで最初に発見された構成蛋白質であるJ Cell Biol. 2005 Dec 19;171(6):939-45. 。別名はmarvelD2である。発見当初マウストリセルリンは分子量が63.6kDで、短いN末端細胞質尾部、2つの細胞外ループおよび長いC末端細胞細胞質尾部をもつ4回膜貫通型蛋白質として同定された。オクルディンとトリセルリンとmarvelD3が相同性がありMARVELファミリー（またはTAMPファミリー）とよばれる。C末端細胞質尾部にはZO-1やアクチンと相互作用をするのに必要なOCELドメインが保存されているAm J Hum Genet. 2006 Dec;79(6):1040-51. 。C末端はオクルディンとの相同性が32%もあるEur J Cell Biol. 2011 Oct;90(10):787-96. 。その後トリセルリンは4つのアイソフォームがあることがわかったEur J Cell Biol. 2011 Oct;90(10):787-96. 。ヒトのトリセルリン遺伝子（TRIC）にはTRIC-a、TRIC-a1、TRIC-b、TRIC-cなどがあるが単にトリセルリンと言われた場合は多くの場合最長のTRIC-aを指すことが多い。7つのエクソンを含み、エクソン2に4つの膜膜貫通領域がコードされ、C末端にOCELドメインがコードされる。TRIC-a1はエクソン3を欠く。TRIC-bはC末端のOCELドメインを欠く。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J Clin Invest. 2013 Sep;123(9):4036-49. 。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Sci Rep. 2015 Dec 18;5:18402. 。
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Mol Biol Cell 2009;20(16):3713-24., がBBBでの役割に関してはまだわかっていない。
アンギュリンファミリー 2000年に発表されたFL-REX法Proc Natl Acad Sci U S A. 2000 Mar 28;97(7):3062-6. （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J Cell Sci. 2011 Feb 15;124(Pt 4):548-55. 。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J Biol Chem. 1999 May 7;274(19):13390-8. 。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Structure and Function of the Lipolysis Stimulated Lipoprotein Receptor。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Cell Struct Funct. 2014;39(1):1-8. 。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Eur J Biochem. 2004 Aug;271(15):3103-14. 。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J Cell Biol. 2015 Mar 16;208(6):703-11. 。
JAMファミリー JAMファミリー（Junctinal adhesion family、ジャムファミリー）2つの細胞外免疫グロブリン様ドメインをもつ免疫グロブリンスーパーファミリーに属する。I型膜貫通蛋白質であり同細胞上間で二量体を形成し、さらに向かい合う細胞膜間の二量体と相互作用する。この相互作用により生じるシグナルがタイトジャンクションの成熟に必要であると考えられているAnn N Y Acad Sci. 2012 Jun;1257:115-24. 。脳血管内皮細胞ではJAM-Aが高発現しているBlood. 2001 Dec 15;98(13):3699-707. 。上皮細胞ではJAM-Aはタイトジャンクションストランド非存在下でも分子量4,000以上の分子に対するバリアを形成するJ Cell Biol. 2019 Oct 7;218(10):3372-3396. 。
ZOファミリー