血脑屏障主要由脑微血管内皮细胞（BMEC）、星形胶质细胞、周细胞和基膜构成。内皮细胞构成毛细血管壁，是BBB的主要屏障。星形胶质细胞终足包裹着BMEC，细胞分泌的基质蛋白构成基膜，周细胞镶嵌在胶质细胞和BMEC的基膜中。

BMEC是一种特殊的内皮细胞。与外周内皮细胞相比，BMEC 在结构上有更多的线粒体和更少的质膜小泡，在功能上，BMEC可形成比外周内皮细胞更紧密的毛细血管内皮，这使得BBB基本上不能透过极性分子。紧密连接（tight junctions，TJ）填补了BMEC之间的间隙，并通过表达TJ蛋白（tight junction protein，TJP）如occludin、claudins和zonula occludens（ZOs，包括 ZO-1、 ZO-2、ZO-3）等来限制细胞旁通透性。亲脂性的小分子如氧气和二氧化碳等可通过自由扩散透过BMEC，其他分子则需借助特殊的转运体 。这些转运体主要分为2类：一是外排转运体，它将可能透过BBB的亲脂性分子外排至血液，例如P-糖蛋白（P-gp）和乳腺癌耐药蛋白（BCRP）；二是高度特异性的营养转运体，它可促进特定的营养物质通过BBB进入CNS中，以及从CNS中排出特定的废物，例如葡萄糖转运蛋白，单羧酸转运蛋白等。因此，物理屏障作用（TJ、低胞吞作用），分子屏障作用（外排转运蛋白）以及特定营养物质转运蛋白构成了BBB的主体，共同调节CNS的稳态。

星形胶质细胞是大脑中最主要的胶质细胞，其终足约覆盖了血管表面的99%，并且含有一系列与基膜紧密结合有关的蛋白 。在体外研究中，已经发现星形胶质细胞可以诱导增强非CNS血管的屏蔽作用，且在与BMEC共培养过程中，显著增加了细胞的跨内皮电阻（transendothelial electric resistance，TEER），降低了多种物质的通透性。

周细胞是夹在BMEC和星形胶质细胞终足之间，镶嵌BMEC基膜上的一种细胞，覆盖毛细血管表面约30%，且覆盖率与BMEC通透性呈负相关。周细胞可以调节BMEC中BBB特异性基因的表达和诱导CNS中星形胶质细胞终足的极化。体外研究表明，周细胞可以使BMEC与星形胶质细胞共培养BBB模型中TEER增加，并使得TJP的表达增多。

除了上述3种主要细胞外，还有其他种类的细胞和一些组织共同构成BBB。基膜是 BMEC和周细胞分泌的高度特化的细胞外基质，主要由4种蛋白组成（Ⅳ型胶原蛋白、层黏连蛋白、巢蛋白、硫酸乙酰肝素蛋白聚糖），可为临近细胞提供结构支持，介导脉管系统中的信息传递，也为BBB提供了额外的屏障。神经元可通过影响BMEC和星形胶质细胞来间接调节BBB通透性。小胶质细胞主要起免疫作用，且可促使受损的BBB修复。

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