蔡君婷彭米林翻译刘志勇校对
摘要：血-脑屏障是人体内最严密的屏障之一，保护大脑免受感染等损害。事实上，在众多的血液传播细菌中，只有少数能通过血脑屏障导致脑膜炎。在这篇综述中，我们着重于侵袭性细胞外病原体，如脑膜炎奈瑟菌、肺炎链球菌、B组链球菌和大肠杆菌，回顾细菌从血流中侵入脑膜所必须克服的障碍，以及他们为绕过血脑屏障而获得的特殊技能。由于我们需要改善药物入脑的途径，所以理解血脑屏障如何被规避变得非常重要。
大多数中枢神经系统（CNS）的细菌感染仅限于脑膜（包裹大脑和脊髓的三层膜），这也是血液中细菌病原体传播的结果。然而，尽管许多微生物可以侵入血流，但很少有微生物会传播到脑膜，因为中枢神经系统有屏障的保护，以防受到血液病原体损害，维持神经环境的稳态，并保护神经组织免受感染。可以侵入中枢神经系统的血源性细菌，如引起脑膜炎的细菌，已经发展出其特定的机制来绕过这些屏障。
细菌性脑膜炎通常由细胞外病原体引起，如脑膜炎奈瑟菌（常称为脑膜炎球菌）、肺炎链球菌（常称为肺炎球菌）和流感嗜血杆菌，这是全球婴幼儿和成人脑膜炎最常见的原因。针对这些细菌接种疫苗，特别是对流感嗜血杆菌进行常规免疫，大大降低了工业化国家脑膜炎的发病率和流行。而新生儿脑膜炎有不同的病原体谱。具体来说，在工业化国家，B组链球菌（GBS）和大肠杆菌K1是新生儿脑膜炎最常见的原因。此外，猪链球菌是一种能引起人类脑膜炎的猪病原体，最近被鉴定为一种新兴的人畜共患病病原体，特别是在亚洲。所有这些细胞外病原体都能直接与中枢神经系统屏障相互作用，从而绕过该屏障。
细胞内细菌，如结核分枝杆菌和李斯特菌，也可引起脑膜炎。然而，由这些病原体引起的CNS炎症并不局限于脑膜，也可能发生在脑实质。此外，这些散布在巨噬细胞和树突状细胞内的细菌，可能不是直接与CNS的屏障相互作用，而是通过宿主周围免疫细胞侵入大脑。
近年来，细菌通过中枢神经系统屏障的机制得到了广泛的研究，引起人们兴趣的不仅是能够通过这些屏障的有限的细菌数量，也是由于这些屏障阻止了药物进入中枢神经系统。因此，了解病原体进入中枢神经系统的机制可能会产生医学上的影响，而不仅仅是增加我们对传染病发病机制的认识。由于细胞外病原体通过直接与CNS屏障相互作用而侵入脑膜，本综述重点介绍了这些病原体在试图从血流中侵入脑膜时所面临的障碍以及它们是如何克服这些障碍的。
中枢神经系统的屏障
脑膜是包裹大脑和脊髓的三层膜：硬脑膜、蛛网膜和软脑膜（图1）。硬脑膜是最靠近颅骨的一层膜，与中枢神经系统其他部分不同的是它含有淋巴管。蛛网膜是脑膜的中间成分，由多层上皮覆盖，上皮细胞间有紧密连接。脑脊液（CSF）位于蛛网膜与软脑膜之间的蛛网膜下腔。因此，蛛网膜是脑脊液和硬脑膜内的血液循环之间的一个有效屏障。蛛网膜下腔有被称为蛛网膜绒毛的小突起，脑脊液在此通过硬脑膜进入大脑的静脉窦。软脑膜是一层牢固地附着在大脑和脊髓的表面的包膜。
脑脊液由脉络丛（CPs）分泌，脉络丛是附在室管膜上的绒毛状结构。脑脊液从脑室流入蛛网膜下腔。此外，间质液（ISF）构成了大脑中的细胞外液，通过静脉旁引流途径被清除，它也有助于CSF的形成。一部分CSF沿着贯穿动脉周围的血管旁空间进入脑实质。而大部分CSF通过静脉窦壁上的蛛网膜绒毛回流到血液中。
重要的是，血-CNS屏障具有结构异质性，可以分为血-脑屏障（BBB）和血-脑脊液屏障（BCSFB）。
图1脑膜概述蛛网膜在结构上与软脑膜相延续，二者共同构成了柔脑膜。蛛网膜下小梁由结缔组织构成，横贯蛛网膜下腔，并附着在蛛网膜内层，被一层柔脑膜细胞所包裹封闭。蛛网膜下腔血管包含在蛛网膜下小梁内。蛛网膜下小梁加入软脑膜，其细胞层延续并形成了软脑膜外层，因此它被一单层柔脑膜细胞覆盖。虽然这一单层的柔脑膜细胞确实具有屏障功能，但水和小分子溶质可能能够自由通过。软脑膜和脑实质被胶质界膜分隔开。胶质界膜是星形胶质细胞终足形成的薄层屏障，其与围绕在脑和脊髓周围的脑实质终板相关。胶质界膜是神经组织的最外层，它可以防止蛛网膜下腔与脑实质直接接触。
血-脑屏障
BBB调节血液和脑实质之间的离子、氧气和营养物质的进出。脑内皮细胞相比其他组织中的内皮细胞具有独特的特性，因为这些脑细胞通过紧密的连接（图2）相连，这些连接调控跨内皮电阻，从而防止物质通过细胞旁途径进入脑实质。此外，大脑内皮细胞的跨细胞小泡水平较低，并且没有开窗孔。所有这些属性都大大限制了血液中任何化合物进入CNS的能力。脑内皮表达特定的转运蛋白和受体蛋白，允许代谢物和/或营养物质通过毛细血管进入脑内。
图2脑实质内毛细血管的细胞间连接在神经血管单位中（包括脑实质血管及其周围的复合结构），脑血管内皮细胞由紧密连接和粘附连接相连。这些细胞-细胞连接由跨细胞蛋白成分和胞浆内蛋白成分构成，并为细胞骨架和信号蛋白的相互作用提供了平台。JAMs,连接粘附分子；VE-cadherin,血管内皮细胞钙粘蛋白;ZO,闭合带。
为了使BBB的内皮保持其屏障特性，在一种称为神经血管单元（NVU）的结构中，不同细胞类型之间会产生复杂的分子网络（图3a）。星形胶质细胞和周细胞与NVU内的脑内皮细胞存在着密切的解剖学联系。星形胶质细胞通过其足端突起与内皮细胞相互作用，其足端突起还环绕大脑毛细血管的血管侧；这些细胞对BBB的完整性至关重要，它们通过效应分子保持屏障的紧密性。外周细胞是血管周围细胞，对BBB的完整性也很重要，它与内皮细胞一起被基底膜包围，基底膜的组成与基板不同，基板是一层与星形细胞足端相贴的细胞外基质。由星形细胞足端和基板形成的屏障与神经胶质界限直接相连（图1）。内皮细胞和星形细胞足端之间的血管周围空间称为Virchow–Robin血管周围空间；当ISF流入该空间时，它就起到淋巴的功能（图3a），这在最近被称为“胶质淋巴通路”。当血管基底膜与基板融合时，血管周围空间可能会消失（图3a），这常见于毛细血管中。Virchow–Robin血管周围空间与蛛网膜下腔的脑脊液没有直接接触，因为柔脑膜的最外层有单层端粒细胞覆盖（图1）。因此，NVU是一种高度分化的结构，可以防止细菌进入脑实质。
血-CSF屏障。血-CSF屏障由三个界面组成：CPs、软脑膜微血管和蛛网膜屏障细胞层。CPs是位于脑室的高度血管化的绒毛结构，与脑室血-CSF屏障相对应（图3b）。CPs的毛细血管是天然开孔并缺乏紧密连接的，使血细胞和电解质被动扩散到CP的基质中。沿CPs的室管膜上皮细胞活跃地产生CSF，将其分泌到脑室腔中；然而，该室管膜细胞层被紧密连接所封闭并成为脑室血-CSF屏障的基础。与脑实质内皮细胞相似，即使在蛛网膜下腔不存在NVU，软脑膜和蛛网膜微血管的内皮也表现出跨内皮细胞电阻。然而，这些内皮细胞之间紧密连接的可分为两种：一种具有与脑实质中发现的相同的紧密连接，另一种具有可能增加血管“渗出”的细胞间间隙。软脑膜和蛛网膜下腔小梁中的微血管通过一层柔脑膜细胞与CSF相分隔，该层细胞在这个交界面上形成血-CSF屏障。最后，蛛网膜在硬脑膜血管和蛛网膜下腔的CSF之间的交界面形成屏障，这种屏障是由连续的外层细胞之间紧密连接而形成的。
图3血-中枢神经系统屏障的结构a
中枢神经系统内的血脑屏障（BBB）在脑实质内，BBB的形成有赖于血管组织。神经血管单位（NVU）内不同类型细胞间的交叉对话所形成的复杂分子网络最终使得BBB内血管内皮具有了屏障功能。周细胞和血管内皮细胞由一层基底膜封闭，基底膜与基板的组成成分不同。当血管基底膜与基板融合后，内皮细胞和星形细胞间的血管周围间隙就消失了，这一现象常见于毛细血管。b
脉络丛（CPs）的血-脑脊液屏障（BCSFB）CPs是高度血管化的绒毛结构，位于脑室，并形成了脑室的血-脑脊液屏障（BCSFB）。围绕在CP基质周围的室管膜上皮细胞由紧密连接封闭，这是构成屏障的基础。由于CP毛细血管本质上是筛孔状的，因此缺乏紧密连接。
侵入脑膜的途径
考虑到血-CNS屏障的解剖结构，可以设想细菌是经以下三个部位之一侵入脑膜的：CPs，CNS屏障的毛细血管（即软脑膜、蛛网膜和脑实质微血管）或硬脑膜静脉窦的蛛网膜绒毛。目前没有证据支持细菌在蛛网膜绒毛处的传播，所以假设细菌是通过CPs和/或CNS屏障的毛细血管进入蛛网膜下腔。细菌到达蛛网膜下腔的另一种可能途径是通过轴突运输，通过嗅觉神经，而不依赖于先前在血流中的传播。这种途径仅限于在鼻腔繁殖的细菌，已在肺炎链球菌小鼠中被报道。
可能穿过脉络丛的细菌
穿过CPs意味着细菌首先与连接疏松并且开孔的毛细血管内皮细胞相互作用，然后穿过被紧密连接所封闭的单层室管膜细胞。
对感染流感嗜血杆菌的猴子（猕猴）的早期研究表明，这种细菌是通过CPs进入CSF的。这一结论主要是基于在CSF中发现细菌2天后，该部位出现炎症而得出的。然而，该研究没有进行显微镜检查来寻找CP的单层上皮内是否存在细菌，或细菌与脑实质和/或脑膜毛细血管的相互作用。考虑到流感嗜血杆菌能有效地粘附在内皮细胞上，因此找到它们的相互作用将特别有用。在猪链球菌的病例中，组织病理学检查显示，CPs是猪链球菌进入脑脊液的地方，而猪是这种细菌的天然宿主。
可能穿过毛细血管的细菌
在细菌穿过血管可能发生在与软脑膜和蛛网膜的毛细血管相互作用之后，包括BCSFB和/或脑实质的毛细血管。如果发生在柔脑膜毛细血管，细菌将不得不穿过覆盖软脑膜或蛛网膜下腔小梁的单层柔脑膜细胞（图1）。在穿过脑实质毛细血管后，细菌很可能通过胶质淋巴通路随ISF流向脑膜，因为在细菌性脑膜炎的早期事件中通常没有脑实质的损伤。这表明NVU对病原体在实质内的传播形成了障碍。此外，从脑实质毛细血管到达蛛网膜下腔的细菌也会穿过覆盖软脑膜的单层柔脑膜细胞（图1）。
一例人类暴发性紫癜病例的尸检为脑膜炎奈瑟菌侵入脑膜的机制提供了有价值的信息。细菌可以自由地与血-CNS屏障的各种成分相互作用，这表明其对脑膜的侵袭不需炎症细胞或淋巴细胞的辅助。此外，细菌紧密地附着在CP毛细血管、脑膜血管和脑实质血管内皮细胞的顶端表面以菌落的形式生长。然而，没有细菌与CPs的室管膜细胞相作用。在脑实质中，细菌喜欢粘附在低血流量的白质毛细血管上，这表明细菌是在这个位置穿过毛细血管并通过胶质淋巴通路流向蛛网膜下腔的。基于这些观察，我们假设细菌在脑毛细血管上的直接粘附和生长是脑膜受侵袭的原因。
在小鼠，肺炎链球菌优先粘附在蛛网膜下腔的血管上，并在内皮周围形成簇状生长。CPs的侵入发生较晚，提示肺炎链球菌不在CPs处进入CSF。一个新生大鼠脑膜炎模型的研究报道，大肠杆菌定位在软脑膜的血管周围区域，而不是在CPs内。然而，另一项研究表明，大肠杆菌K1在进入蛛网膜下腔之前就通过CPs进入CSF。这些差异意味着同一病原体可以使用几个易位位点。这一点尤其适用于GBS感染，最近对一例新生儿脑膜炎的尸检发现脑微血管和CPs中都有细菌。
关于细菌侵入部位的假设是高度推测性的。一个可能的原因是，这些数据都是通过动物模型获得的，而与人类疾病的相关性仍然存在疑问。
菌血症与宿主细胞相互作用
除局部颅骨感染后发生的CSF感染外，引起脑膜炎的病原体通常是粘膜表面的共生体，必须从粘膜传播到血液。然而，在众多可侵入血流的细菌中，仅有少数常见于CSF中，它们并非都具有相同的侵入脑膜倾向。例如，脑膜炎奈瑟菌和肺炎链球菌都能引起脑膜炎，但它们侵入蛛网膜下腔的倾向性不同。具体来说，脑膜炎是侵袭性脑膜炎球菌病而不是侵袭性肺炎球菌所致病的常见临床表现。这表明血源性脑膜炎球菌比肺炎链球菌对脑膜有更高的倾向性。所有能引起脑膜炎的细胞外病原体都具有两种特性：高水平和/或持续的菌血症，以及与血-CNS屏障的细胞成分相互作用的能力。
持续和/或高水平的菌血症。几项研究表明，血液中细菌的最低阈值是引起脑膜侵犯所必需的。菌血症的持续时间也很重要，如流感嗜血杆菌，其密度和持续时间都与脑膜侵袭有关。此外，对脑膜的侵袭还与寄主年龄呈负相关关系，表明细菌性病原体感染脑膜的可能性随着年龄的增长而降低。例如，大肠杆菌K1和GBS仅在新生儿时期侵入脑膜。其原因尚不清楚，特别是考虑到引起新生儿脑膜炎的大肠杆菌K1和GBS菌株也能从儿童和成人无脑膜侵袭的疾病中分离出来。一个可能的解释是，不成熟的先天免疫系统有利于细菌在细胞外液中的生长。所有能引起脑膜炎的细胞外病原体都能很好地适应细胞外环境而生存：它们都能抵抗多形核细胞对其的清除和/或补体的杀伤，并能获得生长和生存所必需的铁离子。目前尚不清楚为什么高和/或持续的菌血症对脑膜侵袭至关重要，但血液中高密度的细菌可能增加细菌病原体与CNS屏障成分之间相互作用的可能性，这是脑膜侵袭的先决条件。
细菌与血液-CNS屏障的相互作用。细菌与哪种细胞成分相互作用才能穿过血液-CNS屏障取决于它们穿过屏障的位置。如果细菌在CP处穿过屏障，它们就必须与脉络膜室管膜的单层细胞基底侧相互作用。如上所述，猪链球菌是有明确的体内证据证明这种穿越发生的唯一一种病原体。当用猪CP上皮细胞（PCPECs）建立BCSFB模型时，猪链球菌侵入并从基底外侧穿过紧密的单层PCPECs，而该单层细胞并没有失去屏障功能。这意味着细菌进入室管膜细胞，经细胞质转运，并通过胞吐释放到脑室。
当进入中枢神经系统的主要部位是脑血管系统时，穿过BBB的主要障碍就是毛细血管内皮。这种相互作用的第一步是细菌与脑内皮细胞的粘附。这些病原体在体外附着于人脑内皮细胞的能力并不都相同（图4）。然而，体外情况可能与病原体的体内粘附特性无关，因为在体内细菌必须耐受血流。体内相互作用程度的不同可以解释为什么病原体对脑膜有不同的倾向性。在这之后，细菌可能通过细胞旁（通过细胞间连接）或细胞外（通过内皮细胞）穿过内皮。当在体外实验中观察到细菌进入脑内皮细胞和/或在微血管系统中观察到细菌在细胞内时，通常认为这一转移是通过跨细胞作用发生的。然而，跨细胞作用是一个复杂的过程，涉及从细胞顶端到基底侧的横穿，并意味着细菌通过胞吐作用排出细胞。目前还没有在体内观察到对细菌的胞吐的确实发生。此外，细菌-内皮细胞的相互作用能刺激信号通路以促使细菌进入细胞，但这种信号也可能削弱细胞间连接，并打开细胞旁通路。在所有情况下，无论细菌是通过细胞旁的微血管还是通过细胞侵入，与基底膜成分的相互作用都将促进随后的脑膜侵袭。
图4不同种属细菌与人脑血管内皮细胞的粘附细菌在内皮细胞培养基中生长2小时。然后对人脑血管内皮细胞（hCMEC/D3）在2h内进行感染复数(MOI)为50的感染，再进行MGG染色，并在光镜下观察。箭头所示为粘附的细菌。这一分析表明，在体外能够通过血脑屏障的细菌具有不同的粘附能力。a
大肠埃希菌种号：RS；b
脑膜炎奈瑟菌种号：2C4.3；c
肺炎链球菌种号：R，该种细菌未见粘附；d
B族链球菌种号：CPSIIIST17.标尺20um。
脑膜炎奈瑟菌侵入大脑
脑膜炎奈瑟菌通常定植在人的鼻咽，这是其自然生长部位。然而，在某些情况下（具体情况目前尚不清楚），它到达血流并引起败血症，与血栓和渗漏综合征相关，严重时会导致暴发性紫癜。和/或在脑膜炎球菌穿过BBB并侵入脑膜时引起脑膜炎。虽然可能涉及宿主依赖性因素，如补体系统的一个成分的缺乏或有其他遗传因素，但脑膜炎奈瑟菌的一些克隆复合物较其他复合物更可能具有侵袭性的原因尚不清楚。其发病机制也与某些细菌因素有关。例如，在致病性分离株中检测到编码血红蛋白受体的基因表达和丝状噬菌体表达的频率高于携带菌株。
脑膜炎球菌有毒性因子使其在血液中存活。这些毒性因子有助于防止细菌被宿主反应（如中性粒细胞和补体系统）杀死，它们包括多糖荚膜、唾液酸脂寡糖、铁螯合系统和因子H结合蛋白（fHBP）。
在内皮细胞的定植是脑膜炎奈瑟菌血液感染的症状，其在蛛网膜下腔、脑实质和CPs中形成粘附在毛细血管上的菌落（图4b，5）。在脑膜炎奈瑟菌表达的黏附素中，IV型菌毛（T4P）似乎是这种包膜毒性菌株细菌黏附最关键的。T4P是一种长而动态的丝状结构，由主要菌毛蛋白（PilE）和三个次要菌毛蛋白（PilV、PilX和cComP）组成，它们通过细胞外膜孔道蛋白PilQ从外周质中排出，从细菌表面延伸并穿过荚膜。T4P在体内感染过程中的作用最近通过一个人源化小鼠模型得到了证实，在该模型中，人的皮肤被移植到小鼠身上。该模型确立了PilE和PilV作为脑膜炎球菌粘附素的作用，其通过与内皮受体CD（也称为basigin（BSG）和EMMPRIN）的相互作用，将脑膜炎奈瑟菌锚定到移植物中的人内皮细胞（图5a）。T4P介导的粘附也依赖于蛋白PilC的表达，PilC是脑膜炎奈瑟菌的一种重要但神秘的外膜蛋白。尽管菌毛蛋白单体对CD的亲和力很弱，但这可以通过它们在T4P中组装成多聚体来弥补，而且CD在脑内皮细胞上的高水平表达也增强了其亲和力。低水平的脑微循环剪切应力也有利于细菌粘附。
其他一些脑膜炎球菌因子可增强和/或调节其粘附（图5C），其中包括Opa蛋白和Opc蛋白，它们分别与癌胚抗原相关细胞粘附分子（CEACAM）家族的人类受体和与α5β1整合素结合的人类玻连蛋白相互作用。最近的研究表明，奈瑟菌粘附素A（NadA），一种用于制备B组脑膜炎奈瑟菌疫苗的抗原，增加了高致病性细菌定植于人类细胞的能力。迄今为止，内皮细胞上已经发现了两种不同类型的NadA受体：β1整合素和凝集素样氧化低密度脂蛋白受体1（LOX1；也称为OLR1）。其他几种脑膜炎奈瑟菌外膜蛋白也被认为可以增强粘附，包括PilQ和PorA（也称为PIA），它们可能与层粘连蛋白受体1（LAMR；也称为RPSA）–明胶3（GAL3）复合物以及月光蛋白果糖-1,6-二磷酸醛缩酶（Fba）相互作用。
在粘附后，脑膜炎奈瑟菌迅速激活宿主细胞信号，从而导致埃兹蛋白ezrin的募集以及SRC和皮肌动蛋白cortactin的激活。这些蛋白质是肌动蛋白聚合的主要组织者。它们的活化促进了细菌膜突起的形成，并增加了它们可以粘附的膜表面积（图5b）；这使细菌能够抵抗体内普遍存在的剪切应力环境。这种细菌对细胞的信号传导依赖于宿主内皮β2-肾上腺素能受体（β2AR）与T4P亚单位PilE和PilV之间的相互作用（图5a，c）。在菌落形成后期，脑膜炎奈瑟菌通过在PilE亚基的Ser93残基上添加一种磷酸甘油来修饰T4P，从而抑制菌毛与菌毛的相互作用，使细菌定植在新的位点。这种对菌毛蛋白的修饰对于脑膜炎奈瑟菌的转移定植是必要的，并使细菌在脑血管中快速传播。
早期观察发现脑膜炎球菌性脑膜炎与在脑内皮细胞定植有关，这表明脑膜炎球菌通过破坏细胞-细胞连接以穿过BBB。事实上，许多现有的证据表明，在体外脑膜炎球菌与脑内皮细胞的粘附激活了内皮细胞反应，从而改变了人脑单层内皮细胞的通透性（图5b）。定植与内皮细胞的转录重编程有关，以促进细胞存活、粘附分子的表达和细胞因子的分泌。脑膜炎球菌性脑膜炎还通过促进信号转导，导致细胞间连接分子（如VE-cadherin、ZO1和claudin5）移位到细菌粘附部位而破坏细胞-细胞连接，在细菌粘附部位这些蛋白被β-抑制蛋白隔离。脑膜炎球菌也能激活基质金属蛋白酶8（MMP8）的产生，促进紧密连接蛋白occludin被蛋白水解酶分解，有利于细胞分离。然而，由于所有这些观察都是在体外对人的原代脑内皮细胞或细胞系进行的，这些事件是否也在体内发生仍有待确定。有趣的是，脑膜炎球菌进入大脑时，BBB通透性增加的非常少，并且与血栓性病变的形成无关；这反映了大脑形成紧密连接以及调节血栓形成和止血功能以防止出血现象的内在能力。
有趣的是，在体内和体外，脑膜炎奈瑟菌在内皮细胞的定植都伴有细菌的内化（图5b）。Opa和Opc通过分别涉及CEACAM受体和玻连蛋白-α5β1整合素复合物的途径，在体外触发脑膜炎球菌被内皮细胞内化。表达Opc的脑膜炎球菌的内化需要膜翻转，伴有神经酰胺的释放，这使细菌进入部位形成大的膜表面。然而，被内化的细菌的命运尚不清楚，迄今为止，虽然已经使用电子显微镜对细菌内化进行了许多观察，但没有证据表明内化后的细菌被从细胞释放。
图5脑膜炎奈瑟菌-血管内皮细胞相互作用机制a
脑膜炎奈瑟菌通过IV型菌毛（T4P）与CD–β2肾上腺素能受体(β2AR)形成复合物粘附于血管内皮细胞。b
通过T4P粘附并活化CD-β2AR通路后，埃兹蛋白被招募，肌动蛋白发生多聚化。这一信号诱导VE-钙粘蛋白从细胞-细胞间连接向细菌入侵部位重定位。同时还诱导基质金属蛋白酶8（MMP8）的活化，其活化可以导致紧密连接的闭锁蛋白裂解。粘附后细胞产生的NO和活性氧（ROS）也参与了细胞细胞间连接的降解。尽管内化的细菌命运最终如何还未被阐明，但最终脑膜炎奈瑟菌可以通过细胞旁通路突破内皮屏障。c
T4P介导脑膜炎奈瑟菌与血管内皮细胞初始粘附后，细菌菌外膜表达的多种粘附分子与血管内皮细胞上的相应受体发生相互作用。图中问号的意思是Fba受体尚未知。CEACAMs,肿瘤胚胎抗原相关细胞粘附分子；Fba,果糖-1,6-二磷酸醛缩酶;GAL3,半乳糖蛋白3;LAMR,层黏蛋白受体1;LOX1,凝集素样氧化低密度脂蛋白受体1;NadA,奈瑟菌粘附素A.
肺炎链球菌的侵袭
与脑膜炎奈瑟菌相似，肺炎链球菌是人类鼻咽部的共生体，可从上呼吸道侵入并传播至包括脑膜在内的其他器官。肺炎链球菌是新生儿期后细菌性脑膜炎的主要病原体。在体外，肺炎球菌与内皮细胞的粘附水平很低（图4c），尽管最近在受感染小鼠上进行的免疫荧光分析表明，血源性肺炎球菌在侵入脑膜前需粘附在脑内皮细胞上。此外，在这些动物受感染的脑血管中观察到细胞间连接分子VE-钙粘蛋白染色的连续性和同源性，表明这种细菌通过跨细胞作用而不是通过紧密连接的破坏穿过BBB的。这意味着细菌与内皮细胞顶端表面的受体结合，而这种受体介导的结合促进了细菌入侵和易位。
一些受体与肺炎链球菌的粘附、侵袭和易位有关，其中最先报道的是血小板活化因子受体（PAFR）。该蛋白是G蛋白偶联受体（GPCR），其天然配体是磷脂血小板活化因子（PAF）。尽管PAFR参与了侵袭性肺炎球菌病的发展，但没有证据表明它与肺炎链球菌直接相互作用。内皮细胞表面的LAMR与肺炎球菌胆碱结合蛋白A（CBPA）相互作用，CBPA是一种细菌可以用来穿过基底膜的受体。肺炎链球菌也直接结合于多聚免疫球蛋白受体（pIgR）和血小板内皮细胞粘附分子1（PECAM1），而这些受体之间也有直接相互作用。一个假设是，PAFR是由炎症激活的，通过促进PECAM1和pIgR的上调而在侵袭性肺炎球菌疾病中具有间接作用，从而增加细菌与内皮的结合。然而，如前所述，导致肺炎链球菌的跨细胞作用和胞吐的机制仍不清楚。
与这些受体相互作用的细菌成分还没有完全确定。尽管如此，现已知表面锚定蛋白神经氨酸酶A（NanA；又称唾液酸酶A）促进肺炎球菌侵入脑内皮细胞，而胆碱结合蛋白A（CbpA）与层粘连蛋白受体和pIgR相互作用，并且CbpA对包括脑膜炎在内的侵袭性肺炎球菌病的发展很重要。最近，有研究表明，血液中的肺炎链球菌种群中的一小部分具有侵袭脑膜的能力。这一部分对应于表达菌毛-1（肺炎球菌菌毛和毒力因子）的单个肺炎球菌，并且可能比其他肺炎球菌具有更强的粘附力。这些最新数据与体外观察到的肺炎链球菌粘附水平低一致（图4c）。
新生儿脑膜炎
GBS和大肠杆菌K1是新生儿脑膜炎主要的两种病原体，这是出生时或刚出生后细菌感染的结果。令人惊讶的是，引起新生儿脑膜炎的菌株也会在较年长患者中引起全身性感染而不伴有脑膜侵入，这表明这些菌株穿越血-CNS屏障的能力是只对新生儿特定的。其原因尚不清楚，但不成熟的固有免疫系统可能导致更高水平的菌血症，从而使细菌侵入脑脊液。有趣的是，大肠杆菌K1和GBS到达蛛网膜下腔的途径不同。
B组链球菌性脑膜炎的发病机制。GBS有许多可能与微血管系统相互作用的成分（图4d），包括脂磷酰肌酸（LTA）、菌毛、富含丝氨酸重复序列（Srr）的蛋白、链球菌纤维连接蛋白结合蛋白（SFB）、一种在高致病性菌株中发现的称为高致病性GBS粘附素（HvgA）的表面蛋白，以及与糖胺聚糖结合的αC蛋白（ACP；由bca编码）。菌毛蛋白PilA以及Srr1、Sfb和ACP也介导了GBS与基底膜成分的相互作用。动物模型和体外培养系统表明，GBS可以侵入脑内皮细胞。此外，电子显微镜研究已经证明这种细菌存在于膜结合的液泡中，因此表明GBS通过跨细胞途径侵入大脑。然而，最近的一项研究表明，不明细菌细胞壁成分诱导宿主内皮细胞中SNAIL1的表达，并下调紧密连接蛋白的表达。SNAIL1的诱导依赖于细胞外信号调节激酶（ERK）/丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）的信号级联反应。这一观察结果的重要性在血源性脑膜炎的活体小鼠模型中得到了进一步证实，实验中发现GBS感染小鼠体内的SNAIL1mRNA水平高于对照小鼠。这些数据揭示了细菌粘附后，SNAIL1的激活减少了细胞连接成分的表达，打开了细胞旁通路，使GBS能够直接与基底膜成分相互作用。
大肠杆菌K1诱发脑膜炎的机制。令人惊讶的是，在众多种类的大肠杆菌群体中，能引起新生儿脑膜炎的种类有限。约80%的新生儿脑膜炎病例由表达K1包膜的菌株导致，而这种血清型通常与有限数量的O抗原有关。K1包膜和O-脂多糖的表达对于诱导高水平的菌血症至关重要，这可能是大肠杆菌侵袭脑膜的关键，特别是考虑到在体外这种细菌与脑内皮细胞的相互作用很弱（图4a）。然而，如新生大鼠血源性脑膜炎实验所示，与微血管系统的相互作用是脑膜侵袭的先决条件。事实上，尽管引起的菌血症水平相似，与内皮细胞粘附力低的大肠杆菌基因突变体比其亲本（粘附力强的）菌株引起脑膜炎的可能性更小。利用脑内皮细胞进行的体外研究表明，大肠杆菌K1能被内化并留在细胞内的小泡中；通过这个小泡，细菌可以穿过单层内皮细胞而不改变屏障特性。然而，最近的一项研究表明，细菌侵入大脑与内皮粘附连接的破坏有关。
一些大肠杆菌K1因子帮助细菌粘附到宿主细胞，它们包括FimH（在宿主细胞上与CD48相互作用）、鞭毛、外膜蛋白A（OmpA；通过糖蛋白gp96的N-乙酰氨基葡萄糖残基介导粘附），以及脂蛋白NlpI（外膜蛋白）。此外，一些大肠杆菌k1因子有助于细菌侵入内皮细胞，如脑内皮细胞（Ibe）蛋白和细胞毒性坏死因子1（CNF1），CNF1是一种激活RHO家族GTPases的AB型毒素。这些细菌因子与宿主细胞受体相互作用，激活多种宿主细胞信号蛋白，包括磷脂酰肌醇3激酶（PtdIns3K）、SRC、信号转导和转录激活子3（STAT3）、RHOGTPases、酪氨酸激酶表皮生长因子受体（EGFR）和蛋白激酶C。最近的一篇报道证实了EGFR反式激活在细菌内化中的关键作用。具体来说，与大肠杆菌K1结合的内皮细胞产生鞘脂鞘氨醇1-磷酸（S1P），与S1P受体（S1PRS）结合后使其释放与EGF相关的配体HBEGF。然后，HBEGF结合到EGFR的细胞外配体结合域，激活其胞质激酶域，从而激活SRC，从而介导宿主细胞骨架的重排。这些信号导致微绒毛样结构形成，进而细菌内化。如果跨细胞作用是大肠杆菌K1通过微血管系统的主要途径，则必须有适当的机制来防止液泡内的细菌降解，并使细菌在被排出前被引导至基底外侧极。然而，目前还不清楚其具体机制。
结论
目前已经开展了许多旨在了解细菌如何绕过血-CNS屏障的研究。值得注意的是，细胞外病原体可以通过直接与屏障成分相互作用来跨越这些屏障，这表明这些病原体是通过打开细胞旁通路或通过跨细胞作用来破坏CNS屏障的。而突破这些屏障来输送药物以治疗神经疾病仍然是现代医学的一个挑战，因此了解一些细菌是如何直接向CNS屏障的细胞发送信号以穿越屏障具有重大的临床意义；类似的策略可以用来将药物输送到大脑。不幸的是，体外实验的数据与体内细菌如何绕过屏障的相关性仍然存在疑问，并且关键问题（如是在哪里穿过BCSFB）的答案仍然不确定。其主要原因是导致脑膜炎的细菌是人类特异的病原体或克隆体。因此，精准的答案需要使用经验证的人类化动物模型或使用动物病原体和自然动物宿主的脑脊液侵入模型进行详细的体内分析。
