血脑屏障（BBB）是由内皮细胞构成的高度选择性半透膜，它调节血液循环系统与中枢神经系统之间的溶质和化学物质转移，从而保护大脑免受血液中有害或不需要的物质侵害。血脑屏障由毛细血管壁的内皮细胞、包裹毛细血管的星形胶质细胞终足以及嵌入毛细血管基底膜的周细胞构成。这一系统允许某些小分子通过被动扩散通过，同时也选择性地主动运输各种营养物质、离子、有机阴离子以及对神经功能至关重要的大分子，如葡萄糖和氨基酸。
血脑屏障限制病原体、血液中溶质的扩散以及大分子或亲水性分子进入脑脊液，同时允许疏水分子（O₂、CO₂、激素）和小的非极性分子扩散。屏障细胞利用特定的转运蛋白主动将葡萄糖等代谢产物转运穿过屏障。该屏障还限制了外周免疫因子，如信号分子、抗体和免疫细胞，进入中枢神经系统，从而保护大脑免受外周免疫事件造成的损害。
具有感觉和分泌整合功能的特殊脑结构——室周器官和脉络丛——与之相反，拥有高度通透的毛细血管。
结构
血脑屏障的特性源于脑毛细血管内皮细胞之间紧密连接的选择性，限制了溶质的通过。在血液和大脑的界面处，内皮细胞通过这些紧密连接连续相连，这些紧密连接由跨膜蛋白的小亚单位组成，如闭合蛋白、紧密连接蛋白（如紧密连接蛋白-5）、连接粘附分子（如JAM-A）。这些紧密连接蛋白中的每一个都通过包含如紧密连接蛋白1（ZO1）和相关蛋白等支架蛋白的另一蛋白复合物稳定在内皮细胞膜上。
血脑屏障由内皮细胞组成，这些内皮细胞比身体其他部位毛细血管的内皮细胞更选择性地限制物质从血液中的通过。称为星形胶质细胞足的星形胶质细胞投射（也称为"胶质限界"）包围着血脑屏障的内皮细胞，为这些细胞提供生物化学支持。血脑屏障与非常相似的血-脑脊液屏障不同，后者是脉络丛脉络细胞的功能，也与血-视网膜屏障不同，后者可被视为此类屏障整体领域的一部分。
并非人类大脑中的所有血管都表现出血脑屏障特性。其中一些例子包括室周器官、第三和第四脑室的顶部、间脑顶部松果体上的毛细血管和松果体。
发育
血脑屏障似乎在出生时就已经具有功能性。P-糖蛋白，一种转运蛋白，在胚胎内皮中已经存在。
对各种血液溶质的脑摄取测量表明，新生儿内皮细胞在功能上与成人的相似，表明选择性血脑屏障在出生时就已运作。
功能
血脑屏障有效地保护脑组织免受循环病原体和其他潜在有毒物质的侵害。因此，脑的血液传播感染很少见。确实发生的脑部感染通常难以治疗。抗体太大而无法穿过血脑屏障，只有某些抗生素能够通过。在某些情况下，药物必须直接注入脑脊液，使其能够通过穿过血-脑脊液屏障进入大脑。
室周器官
室周器官（CVOs）是位于大脑第四脑室或第三脑室附近的一些独立结构，其特征是具有通透性内皮细胞的密集毛细血管床，与血脑屏障不同。具有高度通透毛细血管的CVO包括最后区、穹窿下器官、终板血管器官、正中隆起、松果体和垂体的三个叶。
感觉性CVO（最后区、穹窿下器官、终板血管器官）的通透性毛细血管能够快速检测系统血液中的循环信号，而分泌性CVO（正中隆起、松果体、垂体叶）的通透性毛细血管则促进脑源性信号转运到循环血液中。因此，CVO通透性毛细血管是神经内分泌功能双向血液-大脑通信的点。
特殊通透区域
在"在"血脑屏障之后的脑组织与某些CVO中"对"血液信号开放的区域之间的边界区域，包含特殊的混合毛细血管，这些毛细血管比典型的脑毛细血管更易渗漏，但不如CVO毛细血管通透。此类区域存在于最后区—孤束核（NTS）的边界，以及正中隆起—下丘脑弓状核之间。这些区域似乎作为参与各种神经回路的脑结构（如NTS和弓状核）的快速转运区域，接收血液信号，然后将其传输为神经输出。正中隆起和下丘脑弓状核之间共享的通透性毛细血管区域由于宽阔的毛细血管周围空间而得到增强，促进两个结构之间溶质的双向流动，并表明正中隆起不仅是分泌器官，还可能是感觉器官。
治疗研究
作为药物靶点
血脑屏障由脑毛细血管内皮形成，排除了100%的大分子神经治疗药物和超过98%的小分子药物进入大脑。将治疗剂递送到大脑特定区域的难度对大多数脑部疾病的治疗构成了重大挑战。在神经保护作用中，血脑屏障阻碍了许多潜在重要的诊断和治疗剂进入大脑。可能有效的治疗分子和抗体不能以足够的量穿过血脑屏障，因此在临床上无效。为了解决这个问题，一些能够自然穿过血脑屏障的肽已被广泛研究作为药物递送系统。
脑内药物靶向的机制包括"穿过"或"绕过"血脑屏障。通过血脑屏障进行药物递送到大脑的模式包括通过渗透手段或生化方法使用血管活性物质（如缓激肽），或甚至通过局部暴露于高强度聚焦超声（HIFU）。最近的微生理学研究表明，暴露于临床相关剂量的电离辐射可以暂时破坏血脑屏障完整性，导致紧密连接重塑、内皮-胶质信号改变以及细胞旁通透性增加。这些发现表明，辐射对血脑屏障的调节可能对药物递送以及理解颅脑照射的血管和神经退行性副作用具有重要意义。
其他用于穿过血脑屏障的方法可能包括使用内源性转运系统，包括载体介导的转运蛋白，如葡萄糖和氨基酸载体，受体介导的转胞吞作用（如胰岛素或转铁蛋白），以及阻断如P-糖蛋白等活性外排转运蛋白。一些研究表明，针对血脑屏障转运蛋白（如转铁蛋白受体）的载体被发现停留在脑毛细血管的脑内皮细胞中，而不是被运送到目标区域。
鼻腔给药
大脑可以通过鼻腔通道非侵入性地靶向。在黏液纤毛清除后仍留在通道中的药物，进入大脑的途径有三种：(1) 嗅神经-嗅球-大脑；(2) 三叉神经-大脑；(3) 肺部/胃肠道-血液-大脑。前两种方法涉及神经，因此使用神经途径，而第三种是通过全身循环。然而，这些方法作为药物递送方式效率较低，因为它们是间接的。
纳米粒子
纳米技术正在初步研究中，有望促进药物穿过血脑屏障的转移。在肿瘤中，毛细血管内皮细胞和相关的周细胞可能异常，血脑屏障在脑肿瘤中可能并不总是完整。其他因素，如星形胶质细胞，可能有助于脑肿瘤对使用纳米粒子的治疗产生抵抗。质量小于400道尔顿的脂溶性分子可以通过脂质介导的被动扩散自由穿过血脑屏障。
损伤与疾病
血脑屏障可能在某些神经系统疾病中受损，如阿尔茨海默病、肌萎缩侧索硬化症、癫痫、缺血性中风和脑外伤，以及系统性疾病如肝衰竭。诸如葡萄糖转运受损和内皮退化等影响可能导致脑内代谢功能障碍，以及血脑屏障对促炎因子的通透性增加，可能允许抗生素和吞噬细胞穿过血脑屏障。然而，在许多神经退行性疾病中，确切的原因和病理仍然未知。越来越多的证据表明，健康的肠道微生物组对于在发育和衰老过程中维持血脑屏障完整性是必要的。尚不清楚疾病中的血脑屏障功能障碍是疾病的致病因素、疾病的结果，还是介于两者之间。
历史
1898年的一项研究观察到，低浓度的"胆盐"在注入动物血液时未能影响行为。因此，理论上，这些盐未能进入大脑。
两年后，Max Lewandowsky可能在1900年首次创造了"血脑屏障"这一术语，指的是假设的半透膜。关于"血脑屏障"这一术语的创建存在一些争议，因为它通常归功于Lewandowsky，但并未出现在他的论文中。该术语的创建者可能是Lina Stern。Stern是一位俄罗斯科学家，用俄语和法语发表她的工作。由于她的出版物与英语科学家之间的语言障碍，这可能使她的工作成为该术语较少为人知的起源。
同时，细菌学家Paul Ehrlich正在研究染色，这是显微镜研究中用于使精细生物结构通过化学染料可见的程序。当Ehrlich注入一些这些染料（特别是当时广泛使用的苯胺染料）时，染料染色了某些动物种类的所有器官，但不包括大脑。当时，Ehrlich将这种缺乏染色归因于大脑简单地没有吸收那么多染料。
然而，在1913年的一项后续实验中，Edwin Goldmann（Ehrlich的一名学生）将染料直接注入动物大脑的脑脊液中。他发现大脑确实被染色了，但身体的其余部分没有，证明了两者之间存在区隔。当时，人们认为是血管本身负责这一屏障，因为找不到明显的膜。
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