Гематоэнцефалический барьер | |
---|---|
Подробности | |
Система | Нейроиммунная система |
Идентификаторы | |
Акроним(ы) | ВВВ |
МеШ | Д001812 |
Анатомическая терминология [править на Wikidata] |
Гематоэнцефалический барьер ( ГЭБ ) представляет собой высокоселективную полупроницаемую границу эндотелиальных клеток , которая регулирует перенос растворенных веществ и химических веществ между кровеносной системой и центральной нервной системой , тем самым защищая мозг от вредных или нежелательных веществ в крови . [1] Гематоэнцефалический барьер образован эндотелиальными клетками стенки капилляров , астроцитарными окончаниями, покрывающими капилляры, и перицитами, встроенными в базальную мембрану капилляров . [2] Эта система позволяет проходить некоторым малым молекулам путем пассивной диффузии , а также осуществлять селективный и активный транспорт различных питательных веществ, ионов, органических анионов и макромолекул, таких как глюкоза и аминокислоты , которые имеют решающее значение для нервной функции. [3]
Гематоэнцефалический барьер ограничивает прохождение патогенов , диффузию растворенных веществ в крови и крупных или гидрофильных молекул в спинномозговую жидкость , одновременно допуская диффузию гидрофобных молекул (O 2 , CO 2 , гормоны) и мелких неполярных молекул. [4] [5] Клетки барьера активно транспортируют продукты метаболизма , такие как глюкоза, через барьер, используя специфические транспортные белки . [6] Барьер также ограничивает прохождение периферических иммунных факторов, таких как сигнальные молекулы, антитела и иммунные клетки, в центральную нервную систему, тем самым защищая мозг от повреждений, вызванных периферическими иммунными событиями. [7]
Специализированные структуры мозга, участвующие в сенсорной и секреторной интеграции в нейронных цепях мозга — околожелудочковые органы и сосудистые сплетения — напротив, имеют высокопроницаемые капилляры. [8]
ГЭБ возникает из-за селективности плотных контактов между эндотелиальными клетками капилляров мозга, ограничивая прохождение растворенных веществ. [1] На границе между кровью и мозгом эндотелиальные клетки непрерывно соединены этими плотными контактами, которые состоят из более мелких субъединиц трансмембранных белков , таких как окклюдин , клаудины (например, клаудин-5 ), молекулы адгезии соединений (например, JAM-A). [6] Каждый из этих белков плотных контактов стабилизируется на мембране эндотелиальных клеток другим белковым комплексом, который включает в себя белки-каркасы, такие как белок плотных контактов 1 (ZO1) и связанные с ним белки. [6]
ГЭБ состоит из эндотелиальных клеток, ограничивающих прохождение веществ из крови более избирательно, чем эндотелиальные клетки капилляров в других частях тела. [9] Выступы астроцитарных клеток, называемые астроцитарными ножками (также известные как « глиальные ограничители »), окружают эндотелиальные клетки ГЭБ, обеспечивая биохимическую поддержку этим клеткам. [10] ГЭБ отличается от довольно похожего барьера кровь-спинномозговая жидкость , который является функцией хориоидальных клеток хориоидального сплетения , и от барьера кровь-ретиналь , который можно считать частью целого царства таких барьеров. [11]
Не все сосуды в человеческом мозге проявляют свойства ГЭБ. Некоторые примеры этого включают в себя околожелудочковые органы , крышу третьего и четвертого желудочков , капилляры в шишковидной железе на крыше промежуточного мозга и шишковидную железу . Шишковидная железа выделяет гормон мелатонин «прямо в системный кровоток», [12] таким образом, мелатонин не подвержен влиянию гематоэнцефалического барьера. [13]
ГЭБ, по-видимому, функционирует к моменту рождения. P-гликопротеин , транспортер , уже существует в эмбриональном эндотелии. [14]
Измерение поглощения мозгом различных растворенных веществ, содержащихся в крови, показало, что эндотелиальные клетки новорожденных функционально схожи с эндотелиальными клетками взрослых [15] , что указывает на то, что селективный ГЭБ действует при рождении.
У мышей потеря клаудина-5 во время развития является летальной и приводит к избирательному по размеру (до 742 Да) разрыхлению ГЭБ. [16] Мозаичное удаление клаудина-5 во взрослых эндотелиальных клетках (у мышей) выявляет утечку ГЭБ до молекулы 10 кДа через 6 дней после удаления клаудина-5 и летальность через 10 дней после удаления, что демонстрирует критическую роль клаудина-5 в ГЭБ у взрослых. [17]
Гематоэнцефалический барьер эффективно защищает мозговую ткань от циркулирующих патогенов и других потенциально токсичных веществ. [18] Соответственно, инфекции мозга, передающиеся через кровь, редки. [1] Инфекции мозга, которые все же случаются, часто трудно поддаются лечению. Антитела слишком велики, чтобы преодолеть гематоэнцефалический барьер, и только определенные антибиотики способны пройти. [19] В некоторых случаях лекарство необходимо вводить непосредственно в спинномозговую жидкость, откуда оно может попасть в мозг, пересекая гематоэнцефалический барьер . [20] [21]
Циркумвентрикулярные органы (ЦВО) представляют собой отдельные структуры, расположенные рядом с четвертым желудочком или третьим желудочком в головном мозге и характеризующиеся плотными капиллярными руслами с проницаемыми эндотелиальными клетками в отличие от клеток гематоэнцефалического барьера. [22] [23] К ЦВО, имеющим высокопроницаемые капилляры, относятся area postrema , субфорникальный орган , сосудистый орган терминальной пластинки , срединное возвышение , эпифиз и три доли гипофиза . [ 22] [24]
Проницаемые капилляры сенсорных CVO (area postrema, субфорникальный орган, сосудистый орган терминальной пластинки) позволяют быстро обнаруживать циркулирующие сигналы в системной крови, в то время как капилляры секреторных CVO (срединное возвышение, эпифиз, доли гипофиза) облегчают транспортировку сигналов, полученных из мозга, в циркулирующую кровь. [22] [23] Следовательно, проницаемые капилляры CVO являются точкой двунаправленной связи кровь-мозг для нейроэндокринной функции. [22] [24] [25]
Пограничные зоны между мозговой тканью «позади» гематоэнцефалического барьера и зонами, «открытыми» для сигналов крови в некоторых CVO, содержат специализированные гибридные капилляры, которые более проницаемы, чем типичные мозговые капилляры, но не настолько проницаемы, как капилляры CVO. Такие зоны существуют на границе area postrema — nucleus tractus solitarii (NTS), [26] и срединного возвышения — дугообразного ядра гипоталамуса . [25] [27] Эти зоны, по-видимому, функционируют как области быстрого транзита для мозговых структур, участвующих в различных нейронных цепях — таких как NTS и дугообразное ядро — для получения сигналов крови, которые затем передаются в нейронный выход. [25] [26] Проницаемая капиллярная зона, общая для срединного возвышения и дугообразного ядра гипоталамуса, увеличивается за счет широких перикапиллярных пространств, что облегчает двунаправленный поток растворенных веществ между двумя структурами и указывает на то, что срединное возвышение является не только секреторным органом, но и может быть сенсорным органом. [25] [27]
Гематоэнцефалический барьер образован эндотелием капилляров мозга и исключает из мозга 100% крупномолекулярных нейротерапевтических препаратов и более 98% всех мелкомолекулярных препаратов. [28] Преодоление трудности доставки терапевтических агентов в определенные области мозга представляет собой серьезную проблему для лечения большинства заболеваний мозга. [29] [30] В своей нейропротекторной роли гематоэнцефалический барьер препятствует доставке многих потенциально важных диагностических и терапевтических агентов в мозг. Терапевтические молекулы и антитела, которые в противном случае могли бы быть эффективными в диагностике и терапии, не пересекают ГЭБ в достаточных количествах, чтобы быть клинически эффективными. [29] Для решения этой проблемы некоторые пептиды, способные естественным образом пересекать ГЭБ, широко исследовались в качестве системы доставки лекарств. [31]
Механизмы доставки лекарств в мозг включают прохождение либо «через», либо «за» ГЭБ. Методы доставки лекарств в мозг в единичных дозах через ГЭБ влекут за собой его разрушение осмотическим путем или биохимически с использованием вазоактивных веществ, таких как брадикинин , [32] или даже путем локализованного воздействия высокоинтенсивного сфокусированного ультразвука (HIFU) . [33]
Другие методы, используемые для прохождения через ГЭБ, могут включать использование эндогенных транспортных систем, включая транспортеры, опосредованные переносчиками, такие как переносчики глюкозы и аминокислот, трансцитоз , опосредованный рецепторами для инсулина или трансферрина , и блокирование активных транспортеров оттока, таких как p-гликопротеин . [29] Некоторые исследования показали, что векторы, нацеленные на транспортеры ГЭБ, такие как рецептор трансферрина , как было обнаружено, остаются запертыми в эндотелиальных клетках мозга капилляров, вместо того, чтобы переправляться через ГЭБ в целевую область. [29] [34]
Мозг может быть направлен неинвазивно через носовой проход. Лекарства, которые остаются в проходе после мукоцилиарного очищения, попадают в мозг тремя путями: (1) обонятельный нерв-обонятельная луковица-мозг; (2) тройничный нерв-мозг; и (3) легкие/желудочно-кишечный тракт-кровь-мозг [35] Первый и второй методы задействуют нервы, поэтому они используют нейрональный путь, а третий — через системный кровоток. Однако эти методы менее эффективны для доставки лекарств, поскольку они являются непрямыми методами.
Нанотехнология находится на стадии предварительного исследования на предмет ее потенциала для облегчения переноса лекарств через ГЭБ. [29] [36] [37] Капиллярные эндотелиальные клетки и связанные с ними перициты могут быть аномальными в опухолях, а гематоэнцефалический барьер не всегда может быть неповрежденным в опухолях мозга. [37] Другие факторы, такие как астроциты , могут способствовать устойчивости опухолей мозга к терапии с использованием наночастиц. [38] Жирорастворимые молекулы массой менее 400 дальтон могут свободно диффундировать через ГЭБ посредством пассивной диффузии, опосредованной липидами . [39]
Гематоэнцефалический барьер может быть поврежден при некоторых неврологических заболеваниях , как показали нейровизуализационные исследования болезни Альцгеймера , бокового амиотрофического склероза , эпилепсии , ишемического инсульта, [18] [40] [41] [42] и черепно-мозговой травмы , [29] а также при системных заболеваниях , таких как печеночная недостаточность . [1] Такие эффекты, как нарушение транспорта глюкозы и дегенерация эндотелия, могут привести к метаболической дисфункции в мозге и повышенной проницаемости ГЭБ для провоспалительных факторов, что потенциально позволяет антибиотикам и фагоцитам перемещаться через ГЭБ. [1] [29] Однако при многих нейродегенеративных заболеваниях точная причина и патология остаются неизвестными. До сих пор неясно, является ли дисфункция ГЭБ при заболевании причинным агентом, результатом заболевания или где-то посередине.
Исследование 1898 года показало, что низкоконцентрированные « желчные соли » не влияли на поведение при введении в кровь животных. Таким образом, теоретически, соли не проникали в мозг. [43]
Два года спустя Макс Левандовски , возможно, был первым, кто ввел термин «гематоэнцефалический барьер» в 1900 году, ссылаясь на гипотетическую полупроницаемую мембрану. [44] Существуют некоторые споры по поводу создания термина «гематоэнцефалический барьер » , поскольку его часто приписывают Левандовски, но он не появляется в его работах. Создателем термина, возможно, была Лина Штерн . [45] Штерн была русским ученым, которая опубликовала свои работы на русском и французском языках. Из-за языкового барьера между ее публикациями и англоговорящими учеными это могло сделать ее работу менее известным источником термина.
Все это время бактериолог Пауль Эрлих изучал окрашивание , процедуру, которая используется во многих микроскопических исследованиях, чтобы сделать тонкие биологические структуры видимыми с помощью химических красителей. [46] Когда Эрлих вводил некоторые из этих красителей (особенно анилиновые красители , которые тогда широко использовались), краситель окрашивал все органы некоторых видов животных, за исключением их мозга. [46] В то время Эрлих приписывал это отсутствие окрашивания тому, что мозг просто не улавливал достаточное количество красителя. [44]
Однако в более позднем эксперименте в 1913 году Эдвин Гольдман (один из учеников Эрлиха) ввел краситель непосредственно в спинномозговую жидкость мозга животных. Он обнаружил, что мозг действительно окрасился, но остальная часть тела — нет, что продемонстрировало существование компартментализации между ними. В то время считалось, что сами кровеносные сосуды ответственны за барьер, поскольку никакой очевидной мембраны обнаружить не удалось.