Blod .gen,αἷμαgræskandetfra(]1 [ )BBB-hjerne-barriere (blod-hjerne-barriere, og centralnervesystemet . Alle hvirveldyr har en BBB .
BBB'ens hovedfunktion er at opretholde hjernens homeostase . Det beskytter nervevæv mod mikroorganismer , der cirkulerer i blodet , toksiner , cellulære og humorale faktorer i immunsystemet, der opfatter hjernevæv som fremmed. BBB udfører funktionen af et meget selektivt filter, hvorigennem næringsstoffer og bioaktive stoffer kommer ind i hjernen fra arterielejet; i retning af venebedet med det glymphatiske flow , udskilles nervevævets affaldsprodukter .
Samtidig komplicerer tilstedeværelsen af BBB behandlingen af mange sygdomme i centralnervesystemet , da det ikke tillader en række lægemidler at passere igennem .
Det første bevis for eksistensen af BBB blev opnået i 1885 af Paul Ehrlich . Han fandt ud af, at farvestoffet, der blev introduceret i blodbanen hos en rotte, spredte sig til alle organer og væv, undtagen hjernen [2] . I 1904 gjorde han den forkerte antagelse, at farvestoffet ikke trænger ind i hjernevævet, når det administreres intravenøst, da det ikke har nogen affinitet til det [3] . Den sydafrikanske kirurg Edwin Goldman (1862-1913), en elev af Ehrlich, opdagede i 1909 , at intravenøst trypanblåt farvestof ikke trængte ind i hjernevævet, men farvede choroid plexus i dets ventrikler [4] . I 1913 viste han, at et farvestof indført i cerebrospinalvæsken hos en hund eller hest trænger ind i vævet i hjernen og rygmarven, mens perifere organer og væv ikke farves [5] . Baseret på disse eksperimenter foreslog Goldman eksistensen af en barriere mellem hjernen og blodet, som tilbageholder neurotoksiske stoffer [6] .
I 1898 viste wienske patologer Arthur Bidl (1869-1933) og Rudolf Kraus (1868-1932), at når galdesyrer blev sprøjtet ind i blodbanen, opstod der ingen neurotoksisk effekt, men der opstod koma , når de blev sprøjtet direkte ind i hjernevævet [7] . Den tyske neuropatolog Max Lewandowski gentog Biedl og Kraus' forsøg med kaliumhexacyanoferrat . Efter at have opnået lignende resultater, brugte han først udtrykket "Blut-Hirn-Schranke" ( blod -hjerne-barriere , 1900), senere overtaget også i engelsk litteratur ( blod-hjerne-barriere ) [8] [9] .
I 1915 foreslog den schweiziske neuroanatom Konstantin von Monakoff i Zürich , at choroid plexus og neuroglia har en barrierefunktion. [10] I de efterfølgende år udgav han og hans samarbejdspartnere adskillige rent histologiske værker om choroid plexus, som en af hans elever (den chilenske psykoanalytiker Fernando Allende-Navarro, 1890-1981) i en publikation fra 1925 kalder "ectomesodermal barrieren" ( fransk ). barrière ecto-mésodermique ).
Udtrykket "blod-hjerne-barriere" ( fransk barrière hémato-encéphalique ) blev indført i videnskabelig brug [10] af den schweiziske og daværende sovjetiske fysiolog Lina Solomonovna Stern (det første kvindelige medlem af USSR Academy of Sciences ) [12] sammen med hendes studerende Ernest Rotlin (1888-1972) og Raymond Gauthier (1885-1957) meddelelse til Geneva Medical Society (Société de Biologie et Médecine) den 21. april 1921 [13] [14] :
Mellem blodet på den ene side og cerebrospinalvæsken på den anden side er der et særligt apparat eller mekanisme, der er i stand til at sigte stoffer, der normalt er til stede i blodet eller ved et uheld trænger ind i det. Vi foreslår at kalde denne hypotetiske mekanisme, som tillader visse stoffer at passere igennem og bremser eller stopper penetrationen af andre stoffer, blod-hjerne-barrieren. [15] [16]
De første rapporter fra Lina Stern og Ernest Rothlin på et møde i Société de physique et d'histoire naturelle de Genève og deres offentliggørelse i Schweizer Archiv für Neurologie und Psychiatrie om tilstedeværelsen af en beskyttende barriere mellem hjernen og blodbanen går tilbage. til 1918 . [17] Det lykkedes Stern og Rothlin at introducere 1 mg curare i rummet af den fjerde ventrikel af et forsøgsdyr ved hjælp af den tyndeste kanyle og registrerede den langsomme diffusion af neurotoksin fra cerebrospinalvæsken gennem de leptomeningeale membraner ind i cerebellums dybe kerner . I 1921 blev den første oversigtsartikel af L. S. Stern publiceret i Schweizer Archiv für Neurologie und Psychiatrie, og i 1923 blev hendes indflydelsesrige værk "La barrière hémato-encéphalique dans les conditions normales et pathologiques", inkluderet i en tobinds samling dedikeret til 70-årsdagen for Konstantin von Monakov (1853-1930) og udgivet af samme tidsskrift. [18] I den sidste gennemgang, udover at opsummere de eksperimentelle og histologiske undersøgelser af BBB, dens rolle i normal fysiologi og neuropatologi, overvejer Stern også dens rolle i farmakodynamikken og farmakokinetik af neurotrope lægemidler. I de efterfølgende år formulerede Stern på baggrund af analysen af omfattende forsøgsmateriale bestemmelserne om BBB og fastlagde dens betydning for centralnervesystemets aktivitet [19] . I 1935, under hendes redaktion, blev den første kollektive samling udgivet, helt viet til dette emne ("Hemato-brain barriere", M.-L.: Biomedgiz, 1935). For forskning i blod-hjerne-barrieren blev L. S. Stern tildelt Stalin-prisen i 1943 , hvis monetære komponent hun overførte til konstruktionen af et ambulancefly. [tyve]
I 1930'erne blev der skelnet mellem blod-hjerne-barrieren og blod-væske-barrieren [6] [21] [22] .
De morfologiske strukturer, der er ansvarlige for BBB, blev undersøgt i detaljer i 1960'erne ved elektronmikroskopi [23] [24] .
Massen af den menneskelige hjerne er cirka 2% af massen af hans krop. Samtidig er iltforbruget i centralnervesystemet 20 % af kroppens samlede iltforbrug. Også i modsætning til andre organer har hjernen de mindste reserver af næringsstoffer. Nerveceller kan ikke levere deres energibehov ved anaerob glykolyse alene . Ophør af blodtilførsel til hjernen inden for få sekunder fører til tab af bevidsthed, og efter 10 minutter indtræder neuronernes død [23] . Sådanne energibehov i hjernen leveres af den aktive transport af ilt og næringsstoffer gennem BBB [25] .
Normal funktion af hjernen er også kun mulig under forhold med elektrolyt og biokemisk homeostase . Udsving i pH , kaliumkoncentration i blodet og andre indikatorer bør ikke påvirke nervevævets tilstand . Neurotransmittere , der cirkulerer i blodbanen , bør ikke trænge ind i nervevævet, hvor de kan ændre neuronernes aktivitet [23] . Hjernen skal også beskyttes mod fremmede stoffer, såsom xenobiotika og patogene mikroorganismer , der trænger ind i den . BBB er også en immunologisk barriere, da den er uigennemtrængelig for mange mikroorganismer, antistoffer og leukocytter [26] [27] .
Systemet af blodkar i centralnervesystemet har en række strukturelle og funktionelle træk, der adskiller dem fra karrene i andre organer og væv. Disse funktioner giver funktionerne ernæring, udskillelse af affaldsprodukter og vedligeholdelse af homeostase [23] .
Krænkelser af BBB kan forårsage skade på centralnervesystemet. En række neurologiske sygdomme er direkte eller indirekte forbundet med beskadigelse af BBB [25] .
Det vigtigste strukturelle element i BBB er endotelceller . Et træk ved cerebrale kar er tilstedeværelsen af tætte kontakter mellem endotelceller. Strukturen af BBB omfatter også pericytter og astrocytter [23] . De intercellulære mellemrum mellem endotelceller, pericytter og astrocytter i BBB neuroglia er mindre end hullerne mellem celler i andre væv i kroppen. Disse tre typer celler er det strukturelle grundlag for BBB, ikke kun hos mennesker, men også hos de fleste hvirveldyr [28] [29] .
Kapillærkar er foret med endotelceller. Det vaskulære endotel i de fleste væv indeholder åbne rum (fenestration) med en diameter på omkring 50 nm og intercellulære mellemrum fra 100 til 1000 nm. Gennem disse intervaller cirkulerer vand og stoffer opløst i det mellem blodet og det intercellulære rum. Et karakteristisk træk ved karrene i centralnervesystemet er fraværet af både fenestrationer og intercellulære mellemrum mellem endotelceller [30] . Endotelbeklædningen af hjernekapillærer er således kontinuerlig [31] .
En anden forskel mellem endotelet af cerebrale kapillærer og perifere kapillærer er det lave indhold af pinocytiske vesikler (vesikler) i dem [9] [32] .
Antallet af mitokondrier i endotelcellerne i cerebrale kar er 5-10 gange højere end i endotelet af perifere kar. Et så højt indhold af mitokondrier er forbundet med betydelige energibehov hos endotelceller i BBB, som udfører aktiv transport og metabolisme [27] . (Mitokondrier er organeller , hvori ATP - molekyler syntetiseres , som er den vigtigste energikilde for celler.)
BBB er også en metabolisk eller enzymatisk (enzymatisk) barriere [6] [33] [34] [35] [36] . På overfladen af cellemembranerne af endotelceller i BBB er der en række enzymer og i meget større mængder end på membranerne af andre celler i parenkymet . Disse er enzymer såsom gamma-glutamyltransferase og phosphatase (især glucose-6-phosphatase), catechol-O-methyltransferase, monoaminoxidase og cytochrom P450 [37] [38] [39] . På grund af den høje koncentration af enzymer i BBB-endotelceller, metaboliseres mange stoffer under transport gennem disse cellers cytoplasma [9] . Højden (størrelsen i retningen vinkelret på karvæggen) af BBB-endotelcellen er 3 til 5 µm. (Til sammenligning, højden af enterocytter , tarmepitelceller , 17-30 µm) [40]
Forholdet mellem kolesterol og fosfolipider i endotelceller i BBB er det samme som i endotelceller i perifere kar og er ≈ 0,7 [41] . Passiv transport over BBB-cellemembraner foregår på samme måde som passiv diffusion i andre endotelceller [42] . Membranerne af endotelceller indeholder et stort antal kanaler, der er permeable for vandmolekyler. De tillader diffusion af vand mellem hjernen og kredsløbssystemet [43] .
På grund af fraværet af fenestrationer og et lille antal pinocytiske vesikler bliver endotelbeklædningen af hjernekapillærer en mekanisk barriere for store molekyler og fremmede stoffer. Derudover har BBB en betydelig elektrisk modstand - omkring 1500-2000 ohm. (Til sammenligning er den elektriske modstand for muskelvævets kapillærvægge kun 30 ohm.) [44]
Endotelcellerne i hjernekarrene støder tæt op til hinanden. Der dannes såkaldte tight junctions mellem deres vægge, hvis rolle for at sikre BBB er, at de forhindrer indtrængning af forskellige uønskede stoffer fra blodbanen ind i hjernevævet [45] [46] . Tight junctions mellem endotelceller blokerer intercellulær (paracellulær) passiv transport [47] [48] [49] . I dette tilfælde blokeres paracellulær transport af stoffer både fra blodbanen til hjernevævet og i den modsatte retning - fra hjernen til blodet [29] .
Et stort antal transmembrane proteiner , såsom occludin , forskellige claudiner og lukkeadhæsionsmolekyler binder de laterale sektioner af cellevægge til hinanden, deltager i dannelsen af tight junctions og muliggør intercellulær transport og metabolisme [50] . De vigtigste proteiner, der sikrer adhæsion af endotelceller og dannelsen af tight junctions, er claudin-5 og claudin-12 [51] . Knockout af CLDN5-genet, der er ansvarlig for syntesen af claudin-5-proteinet i forsøgsmus, førte til, at deres BBB blev permeabel for molekyler med en molær masse på op til 800 g/mol. Sådanne genetisk modificerede dyr døde få timer efter fødslen [52] .
Endotelceller dækker fuldstændigt det underliggende proteinlag, kaldet basalmembranen [31] . Tykkelsen af basalmembranen varierer fra 40 til 50 nm. Det er kun synligt under et elektronmikroskop . Den består hovedsageligt af type IV kollagen , heparinsulfatproteoglycaner, lamininer , fibronectin og andre ekstracellulære matrixproteiner . Fra siden af hjernen er basalmembranen begrænset af plasmamembranen af de lamelære ender af astrocytters processer [9] [47] .
Pericytes, tidligere kaldet Rouget-celler [53] efter opdageren Charles Marie Benjamin Rouget (1824-1904) , er en integreret del af BBB [54] . De har flere vigtige egenskaber for dets funktion: evnen til at trække sig sammen, regulere endotelets funktioner og makrofagaktivitet [55] .
Omkring 20% af overfladen af endotelcellerne i hjernekapillærer er dækket med relativt små, ovale pericytter. Hver 2.-4. endotelcelle har kontakt med en pericytcelle [29] . Generelt er pericytter placeret ved kontaktpunkterne for endotelceller [56] [57] . Pericytter er til stede i næsten alle arterioler, venuler og kapillærer i kroppen. Niveauet af deres dækning af endotellaget af kapillæren korrelerer med permeabiliteten af den vaskulære væg. I organer og væv med en permeabel karvæg kan de migrere fra blodbanen ind i det intercellulære rum. For eksempel er forholdet mellem pericytter og endoteliocytter i skeletmusklernes kapillærer 1:100 [58] [59] .
Pericytter, ligesom endoteliocytter, er placeret på basalmembranen [31] .
Desuden syntetiserer pericytter en række vasoaktive stoffer [59] og spiller en vigtig rolle i angiogenese [60] [61] .
Celle kontakter pericyte-endoteliocytPericytter er tæt bundet til endoteliocytter. Denne forbindelse udføres på grund af tre typer kontakter: gap junctions , fokale adhæsioner og invaginationer af membranen af en celle ind i hulrummet i en anden [55] . Gap junctions forbinder to cellers cytoplasma direkte , idet de er permeable for ioner og små molekyler [62] . Ved hjælp af fokale adhæsioner udføres en stærk mekanisk binding mellem to typer celler [63] . Invaginationer af cytoplasmatiske områder af en celle ind i en anden giver både mekanisk binding og intercellulær metabolisme [55] [64] .
På grund af tætte kontakter påvirker celler indirekte hinandens mitotiske aktivitet , genekspression og følgelig hinandens fænotype [60] .
Sammentrækkende funktionPericytter indeholder store mængder af det kontraktile protein actin . På grund af denne strukturelle egenskab er de i stand til at ændre kapillærernes lumen og dermed regulere det lokale blodtryk [65] [66] .
Makrofager aktivitetDenne egenskab er kun karakteristisk for cerebrale pericytter. I hjernens kapillærnetværk udfører de funktionen af makrofager. Følgelig er et stort antal lysosomer placeret i cytoplasmaet af cerebrale pericytter . I vævskultur er pericytters evne til fagocytose [55] [67] [68] og antigenpræsentation [69] [70] blevet bevist .
Makrofagegenskaberne af pericytter danner hjernens "anden forsvarslinje" mod neurotoksiske molekyler , der har krydset endotelcellebarrieren [71] . De er således en vigtig del af hjernens immunsystem . Svigtende makrofagaktivitet af pericytter kan blive en af faktorerne i udviklingen af en række autoimmune sygdomme . Der er tegn på en medieret rolle for pericytter i udviklingen af Alzheimers sygdom [72] [73] .
Astrocytter er store stjerneformede neurogliaceller . Med deres processer beklæder de hjernekapillærernes vægge fra siden af hjernevævet. På samme tid, på trods af at omkring 99% af kapillærkarrene er foret med lamellære ender af deres celleprocesser, udfører astrocytter ikke en direkte barrierefunktion [29] [74] . Astrocytter interagerer tæt med endotelceller. Der er en konstant udveksling af stoffer mellem dem [75] . Astrogliaceller inducerer fremkomsten og dannelsen af BBB. Under eksperimenter med transplantation af hjernekar i perifere organer og omvendt - perifere kar ind i hjernevævet, dannelsen af BBB i perifere kar transplanteret ind i hjernen (dannelse af tætte forbindelser, omlejring af endotelceller) og dissociation af endotelceller celler og udseendet af fenestrationer mellem dem blev noteret under transplantation af cerebrale kar [23] [76] . Virkningen af astrocytter på den endoteliale fænotype er også blevet vist in vitro . I en cellekultur indeholdende astrocytter og endoteliocytter blev et tættere arrangement af endotelet noteret sammenlignet med dets rene cellekultur [77] .
Astrocytter udskiller en række stoffer, der påvirker endotelpermeabiliteten [78] . Endoteliocytter udskiller igen leukæmi-hæmmende faktor (LIF), et cytokin interleukin-6 , som påvirker processen med astrocytdifferentiering [78] . Afstanden fra lamellære afslutninger af astrocytprocesser til endotelceller og pericytter er kun 20 nm [31] [79] .
Astrogliacellernes hovedopgaver er at forsyne neuroner med næringsstoffer og opretholde den nødvendige koncentration af elektrolytter i det ekstracellulære rum [78] [80] . Astrocytter syntetiserer det meste af det kolesterol , som hjerneceller har brug for . Kolesterol krydser ikke BBB. Samtidig er 25 % af kroppens samlede kolesterol i hjernevævet. Det meste af det er en del af myelin , som omslutter processerne i neuronernes axoner . Forstyrrelser i myeliniseringsprocesserne af nervefibre forårsager udvikling af demyeliniserende sygdomme, især dissemineret sklerose [81] .
De lamellære ender af processerne af astrocytter dækker løst basalmembranen af karvæggen fra siden af hjernen med endoteliocytter og pericytter placeret på den. På grund af dette er direkte diffusion af forskellige stoffer mellem endoteliocytter og hjernevæv mulig [78] .
Sygdomme, hvor der opstår direkte eller indirekte skade på astrocytter (for eksempel Alzheimers sygdom , astrocytomer ) ledsages af svækket funktion af BBB.
BBB er til stede i kapillærerne i de fleste områder af hjernen, men ikke alle. BBB er fraværende i de cirkumventrikulære organer :
Dette histologiske træk har sin berettigelse. For eksempel udskiller neurohypofysen i blodet hormoner , der ikke kan passere gennem BBB, og neuronerne i gulvet i IV ventrikel ( latinsk area postrema ) registrerer tilstedeværelsen af giftige stoffer i blodet og stimulerer opkastningscentret [84] . Den beskyttende barriere af hjernevævet, der støder op til disse formationer, er ophobning af tanycytter . De er ependyma-celler med tætte forbindelser [85] .
I gennemsnit er lumen af en kapillær i et cerebralt kar omkring 40 μm [86] . Deres højeste tæthed blev noteret i hjernebarken - fra 300 til 800 kapillærer pr. 1 mm³ væv [23] .
Den samlede overflade af væggene i hjernens kar er 12 m². [87] — 20 [88] Hvert minut strømmer omkring 610 ml blod gennem hjernens vaskulatur med en gennemsnitshastighed på 1 mm/s, hvilket skaber et tryk på dens vægge på 15-35 mm Hg. Kunst. [27] Det passerer gennem hjernens kapillærleje meget hurtigere (i gennemsnit på 5 sekunder) end i andre organer og væv (til sammenligning, i tarmen , hvis område af karene når 180 m² er den gennemsnitlige transittid lig med 40 timer [89] [90] , og i leveren med 70 m2 - 30 sekunder [91] [92] [93] .
Indtil slutningen af det 20. århundrede troede man, at i embryoet og nyfødte var BBB ikke fuldt dannet og derfor ikke opfyldte sin funktion. Årsagen til denne hidtil udbredte opfattelse er manglerne ved tidligere fysiologiske eksperimenter. Forsøgene bestod i at injicere enten proteinbundne farvestoffer eller andre markører i voksne dyr og embryoner. De første sådanne eksperimenter blev udført i 1920 [94] . Markører injiceret i embryoner trængte ind i hjernevævet og cerebrospinalvæsken , mens de ikke gjorde det hos voksne dyr. I løbet af disse eksperimenter blev der lavet en række metodiske fejl (ved at bruge en overdreven mængde af injiceret stof, stigende osmotisk tryk ), på grund af hvilke den vaskulære væg blev delvist beskadiget, og som følge heraf trængte markøren ind i hjernevævet [95] [96] [97] . Når eksperimenterne var korrekt sat op, blev markørens passage gennem vaskulaturen ikke noteret [98] [99] [100] .
Fosterblodet indeholder store mængder molekyler af sådanne stoffer som albumin , α1-fetoprotein og transferrin , mens det er fraværende i det intercellulære rum i hjernevævet [101] . P-glycoprotein- transporteren er blevet fundet i det embryonale endotel [102] . Dette indikerer tilstedeværelsen af BBB i den prænatale periode . I løbet af organismens udvikling sker der yderligere forbedring af BBB [101] .
For små polariserede molekyler, såsom inulin og saccharose , er BBB-permeabiliteten af embryonet og den nyfødte signifikant højere end for voksne [103] [104] [105] . En lignende effekt blev bemærket for ioner [106] . Transporten af aminosyrer og insulin over BBB accelereres betydeligt, tilsyneladende på grund af den voksende hjernes store behov for dem [107] [108] [109] [110] .
På den anden side er der i embryonets hjerne en yderligere barriere , som er fraværende hos voksne, ved grænsen mellem CSF og hjernevæv - de såkaldte strap junctions mellem ependyma - celler [111] .
I løbet af udviklingen af nervevævet hos hvirveldyr øges dets volumen. En større hjernemasse kræver en bedre tilførsel af næringsstoffer og fjernelse af unødvendige og affaldsstoffer. Dette førte til udviklingen af et tæt kapillært netværk i hjernevævet. Det næste trin i evolutionen var fremkomsten af en beskyttende barriere mod stoffer, der er giftige for neuroner, der cirkulerer i blodet - xenobiotika og toksiner [28] [112] .
Mange hvirvelløse dyr mangler BBB. I dem danner endotelet af nervevævets kapillærer ikke en kontinuerlig foring af karvæggen. Hos højere hvirvelløse dyr - insekter , krebsdyr og blæksprutter [113] - er den beskyttende barriere mellem neuroner og blod udelukkende repræsenteret af gliavæv [114] . I dette tilfælde taler vi om den gliale blod-hjerne-barriere [115] .
Alle arter af hvirveldyr har en BBB, og i de fleste af dem dannes den hovedsageligt af endotelceller i karvæggen, holdt sammen af tætte forbindelser. Kun hos elasmobranchs (bl.a. hajer og rokker ), såvel som familien af stør, er BBB dannet af perivaskulære astrocytter. Det følger heraf, at funktionerne i hjernekarrenes endotelceller, som overtager barrierefunktionerne, sandsynligvis vil udvide sig i evolutionsprocessen.
Strukturelle forskelle mellem gliale og endotelblod-hjerne-barrierer er ret store. Endotelbarrieren har en række fordele. En af dem er en streng skelnen mellem funktionerne af endotelceller og astrogliaceller, som giver homeostase af det ekstracellulære miljø af hjernestoffet [114] .
Udover blod-hjerne-barrieren er der også hæmatoliquor-barrieren, som adskiller centralnervesystemet fra blodbanen. Det er dannet af tight junction-epitelceller, der beklæder plexus choroid i de cerebrale ventrikler [116] [117] . Hæmatoliquor-barrieren spiller også en rolle i at opretholde hjernens homeostase. Gennem det kommer vitaminer , nukleotider og glukose ind i cerebrospinalvæsken fra blodet til cerebrospinalvæsken . Det samlede bidrag fra hæmatoliquor-barrieren til udvekslingsprocesserne mellem hjernen og blodet er lille. Den samlede overflade af hæmatoliquor-barrieren af choroid plexuserne i hjernens ventrikler er cirka 5000 gange mindre end arealet af blod-hjerne-barrieren.
Ud over blod-hjerne- og hæmatoliquor-barriererne i menneskekroppen er der hæmatoplacentale , hæmatotestikulære , hæmatoglomerulære , hæmatoretinale , hæmatotymiske og hæmatopulmonære barrierer .
Blod-hjerne-barrieren tilbageholder og slipper ikke kun en række stoffer fra blodet ind i hjernestoffet, men udfører også den modsatte funktion - den transporterer de stoffer, der er nødvendige for hjernevævets omsætning . Hydrofobe stoffer og peptider kommer ind i hjernen enten ved hjælp af specielle transportsystemer eller gennem cellemembranens kanaler. For de fleste andre stoffer er passiv diffusion mulig [6] [36] .
I kapillærerne i perifere organer og væv udføres transporten af stoffer hovedsageligt gennem fenestrationerne af karvæggen og intercellulære rum. Normalt er der ikke sådanne huller mellem endotelcellerne i hjernekarrene. I denne henseende trænger næringsstoffer kun ind i hjernen gennem cellemembranen [118] . Vand, glycerol og urinstof er eksempler på de små, polariserede molekyler, der frit kan diffundere gennem tætte forbindelser mellem BBB-endotelceller [119] .
Den enkleste form for transport på tværs af BBB er fri (eller passiv) diffusion. Det kan udføres både gennem endoteliocytternes cellemembraner og gennem tætte intercellulære kontakter. For spredningen af stoffer er drivkraften forskellen i koncentrationer. Diffusion af stoffer er proportional med koncentrationsgradienten i blodbanen og hjernevævet. Det kræver ikke forbrug af cellulær energi [120] .
Lipofile strukturelle elementer i cellemembranen, såvel som tætte intercellulære kontakter, reducerer mængden af stoffer, der frit kan diffundere gennem BBB. BBB-permeabilitet afhænger direkte af lipofilicitet af hvert specifikt stof [121] .
BBB'ens permeabilitet afhænger også af stoffets molære masse . Molekyler med en masse på mere end 500 g/mol kan ikke diffundere gennem BBB. Samtidig er BBB ikke en mekanisk barriere, der frit passerer mindre molekyler og ikke slipper større igennem. Den cellulære diffusionsproces er dynamisk og er lettere for stoffer med en molmasse på 200 g/mol end for stoffer med en molmasse på 450 g/mol [41] [122] . Jo mere lipofilt og mindre stoffet er, jo lettere diffunderer det gennem cellemembranen [6] .
Den tyske biofysiker Hermann Treuble fremsatte i 1971 en hypotese om transporten af lavmassemolekyler over cellemembranen. Ifølge hende kommer de ind i cellen gennem små huller mellem kæderne af fedtsyrer i membranens dobbeltlag. Disse huller er variable, deres dannelse kræver ikke cellulær energi [123] [124] [125] [126] . Troubles teori blev bevist spektroskopisk i 1974 [127] [128] .
Forudsigelse og undersøgelse af BBB-permeabilitet af et eller andet stof kan udføres både in vitro [36] [122] [129] [130] [131] og in silico [132] .
Lipofilicitet og lav molekylvægt er ikke en garanti for BBB-permeabilitet for hvert specifikt stof. Højmolekylære forbindelser (for eksempel monoklonale antistoffer, rekombinante proteiner og andre) tilbageholdes af BBB [133] .
Små polære stoffer, såsom vandmolekyler, kan næsten ikke diffundere gennem de hydrofobe sektioner af endoteliocytcellemembranen. På trods af dette er den høje permeabilitet af BBB for vand blevet bevist [134] .
I endoteliocytens cellemembran er der specielle hydrofile kanaler - aquapores. I det perifere vaskulære endotel dannes de af aquaporin-1 (AQP1) proteinet, hvis ekspression hæmmes af astrocytter i hjernens vaskulære celler [135] . På overfladen af cellemembraner i hjernens kapillarnetværk er der hovedsageligt aquaporin-4 (AQP4) og aquaporin-9 (AQP9) [136] .
Gennem akvaporerne sker reguleringen af vandindholdet i hjernens substans. De tillader hurtig diffusion af vand både i retning af hjernen og i retning af det vaskulære leje, afhængigt af den osmotiske gradient af elektrolytkoncentrationer [137] . For glycerol , urinstof og en række andre stoffer dannes deres egne kanaler på overfladen af cellemembraner - aquaglyceroporiner. I BBB repræsenteres de hovedsageligt af proteinet aquaporin-9 (som også danner aquapores) [138] .
Processen med transport af molekyler gennem specialiserede kanaler er hurtigere end aktiv overførsel ved hjælp af specielle transportproteiner. Samtidig kan forskellige biologisk aktive stoffer aktivere eller inaktivere transportkanaler placeret på cellemembraner [118] .
Faciliteret diffusion er en speciel form for diffusion over cellemembranen. En række stoffer, der er nødvendige for hjernen, såsom glucose og mange aminosyrer, er polære og for store til direkte diffusion gennem cellemembranen. For dem er specielle transportsystemer placeret på overfladen af cellemembranerne af endoteliocytter. For eksempel, for glucose og ascorbinsyre (vitamin C) [139] er dette GLUT-1 transportøren. Deres antal på overfladen, der vender mod karrets hulrum, er 4 gange større end på overfladen, der vender mod hjernen.
Ud over glukosetransportører er der på overfladen af endotelet mange proteinmolekyler, der udfører en lignende funktion for andre stoffer. For eksempel er MCT-1 og MCT-2 ansvarlige for transporten af laktat , pyruvat , mevalonsyre , butyrater og acetater . SLC7 transporterer arginin , lysin og ornithin . I musegenomet er 307 gener, der er ansvarlige for syntesen af SLC-proteiner, der er ansvarlige for lettet diffusion gennem cellemembranen af forskellige stoffer, blevet identificeret [140] .
Transportører kan udføre overførsel af stoffer i en eller to retninger [141] . I modsætning til aktiv transport er faciliteret diffusion rettet mod rummet (intracellulært eller ekstracellulært) med en lavere koncentration af et stof og kræver ikke forbrug af cellulær energi.
I modsætning til passiv transport, som ikke kræver energiforbrug, består aktiv transport i overførsel af stoffer til rummet med en højere koncentration af stoffet og kræver store forbrug af cellulær energi opnået ved nedbrydning af ATP-molekyler [118] . Ved aktiv transport af stoffer fra blodbanen til hjernevævet taler de om en tilstrømning af et stof ( engelsk tilstrømning ), i den modsatte retning - en udstrømning ( engelsk efflux ).
BBB indeholder aktive transportere af enkephalin [142] [143] , antidiuretisk hormon [144] , [D-penicillamin2,D-penicillamin5]-enkephalin (DPDPE) [145] .
Den første identificerede BBB Efflux-transporter [146] er P-glycoprotein, som er kodet af MDR1 -genet . [147] [148]
Efterfølgende blev Breast Cancer Resistance Proteine (BCRP) [150] [151] , tilhørende klassen af ABC-transportører Multidrug Resistance-Related Proteine (MRP1) [149] , overvejende placeret på overfladen, der vender mod karlumenet [152] [153] .
Nogle Efflux- og Influx-transportere er stereoselektive, det vil sige, at de kun overfører en bestemt stereoisomer (enantiomer) af et bestemt stof. For eksempel er D-isomeren af asparaginsyre en forløber for N-methyl-D-aspartat (NMDA), som påvirker udskillelsen af forskellige hormoner: luteiniserende hormon , testosteron eller oxytocin [154] . L-isomerer af asparaginsyre og glutaminsyre er stimulerende aminosyrer, og deres overskud er giftigt for hjernevæv [155] . Efflux-transporter ASCT2 ( alanin - serin - cystein - transporter) BBB bringer L-isomeren af asparaginsyre ind i blodbanen, hvis ophobning har en toksisk virkning. D-isomeren, der kræves til NMDA-dannelse, kommer ind i hjernen ved hjælp af andre transportproteiner (EAAT, SLC1A3, SLC1A2, SLC1A6) [25] [156] [157] .
I epileptogent væv indeholder endotelet og astrocytterne mere P-glycoprotein sammenlignet med normalt hjernevæv [158] [159] .
Aniontransportører (OAT og OATP) er også placeret på cellemembranerne af endoteliocytter [160] [161] . Et stort antal efflux-transportører fjerner en række stoffer fra endoteliocytter til blodbanen [120] .
For mange molekyler er det stadig ikke klart, om de udskilles ved aktiv transport (med omkostningerne ved cellulær energi) eller ved faciliteret diffusion [25] .
Receptormedieret transcytose involverer overførsel af store molekyler. På overfladen af cellen, der vender mod karrets lumen, er der specielle receptorer til genkendelse og binding af visse stoffer [23] . Efter kontakt af receptoren med målstoffet binder de, et afsnit af membranen invaginerer ind i cellehulen, og der dannes en intracellulær vesikel - en vesikel . Derefter bevæger det sig til overfladen af endotelcellen, der vender mod nervevævet, smelter sammen med det og frigiver de bundne stoffer. Således overføres proteinet på 75,2 kDa bestående af 679 aminosyrer [162] til det ekstracellulære rum i hjernen , lavdensitetslipoproteiner , hvorfra kolesterol [130] [163] , insulin [164] og andre peptidhormoner [23] er dannet .
Absorptionsmedieret transcytoseEn af undertyperne af vesikulær transport er absorptionsmedieret transcytose. Der er en "klæbning" af en række positivt ladede stoffer ( kationer ) til en negativt ladet cellemembran, efterfulgt af dannelsen af en vesikulær vesikel og dens overførsel til den modsatte overflade af cellen. Denne type transport kaldes også kationisk. Det er relativt hurtigere end receptormedieret transcytose [165] [166] [167] [168] .
Fremkomsten af en lang række nye lægemidler har gjort undersøgelsen af graden af BBB-permeabilitet for forskellige stoffer yderst relevant. Dette gælder ikke kun for de lægemidler, der bruges i neurologi og neurokirurgi , og hvis virkning direkte afhænger af deres evne til at overvinde BBB, men også for dem, der anvendes i andre områder af medicin [169] . En række metoder bruges til at studere BBB'ens permeabilitet. Klassikeren er at udføre eksperimenter på levende organismer ( in vivo ). Nye fremskridt inden for videnskaben har muliggjort eksperimenter på cellekulturer ( in vitro ), såvel som simulering af processen på en computer ( in silico ) [170] . Resultaterne opnået i pattedyr ( in vivo ) kan bruges til at beskrive permeabiliteten af BBB for et bestemt stof i mennesker.
For at bestemme permeabiliteten af BBB foreslog Rankine (1959) og Krone (1965) en model baseret på undersøgelsen af en kapillær. Trods sin forenkling er den tæt på virkeligheden [171] . Ud fra denne model bestemmes Krone-Rankine værdien, som viser hvilken del af stoffet, når det passerer gennem blodbanen i hjernen, der vil trænge ind i BBB [172] . Når dens værdi er mindre end 0,2, er BBB let permeabel for stoffet, ved 0,2-0,8 er den moderat permeabel [171] .
Simulering af processen ved hjælp af en computer udføres i de tidligste faser af undersøgelsen. Niveauet af fri diffusion beregnes under hensyntagen til en række karakteristika ved et stof: dets lipofilicitet, molmasse, antal hydrogenbindinger osv. [170]
In vitro eksperimenter udføres for at studere transportprocesser på cellulært niveau i isolerede kapillærer [36] . Under forsøget isoleres blodkar fra forsøgsdyret. Bevarelse af metabolisk aktivitet i dem er obligatorisk [173] . Derefter placeres de mellem opløsninger med forskellige koncentrationer af de undersøgte stoffer. Molekyler kan mærkes. Metoden gør det muligt at bestemme permeabiliteten af BBB for et specifikt stof, såvel som processerne for dets overførsel [170] [174] [175] .
Paul Ehrlich var den første til at udføre in vivo undersøgelser af BBB. Eksperimenter med permeabiliteten af visse stoffer gennem BBB består i deres direkte indføring i blodbanen og derefter bestemmelse af indholdet i hjernevævet. Ifølge Walter (F. Walter, 1929) skal stofferne, der anvendes til dette formål, opfylde følgende krav: fordelt i blodet og cerebrospinalvæsken, før de frigives, nedbrydes ikke i kroppen og binder sig ikke til proteiner; de bør ikke ændre tilstanden af BBB og skade kroppen [19] . Kun under disse betingelser er det muligt at bestemme permeabiliteten af BBB for et bestemt stof in vivo .
Skader på BBB hos mennesker er observeret i en række sygdomme. Deres korrektion betragtes som en terapeutisk strategi [176] .
GLUT-1 proteinmangelsyndrom (G93.4 i henhold til WHOs internationale klassifikation af sygdomme [177] ) er en sjælden autosomal dominant arvelig sygdom, hvor der er en krænkelse af syntesen af GLUT-1-proteinet, som er ansvarlig for permeabilitet af BBB for glucose og ascorbinsyre . Sygdommen viser sig i den tidlige barndom. Mangel på glukose i hjernevævet forårsager udvikling af mikrocefali , psykomotoriske lidelser, ataksi og en række andre neurologiske lidelser [178] .
Arvelig folinsyremalabsorption (D52.8 ifølge WHO International Classification of Diseases [177] ) er en sjælden autosomal recessiv arvelig sygdom, hvor der er mangel på proteinsyntese, der sikrer permeabiliteten af BBB for folinsyre.
Krænkelse af funktionen af BBB i Alzheimers sygdom fører til en stigning i mængden af amyloid β i hjernen. Et fald i mængden af cerebrospinalvæske fører til en stigning i koncentrationen af neurotoksiske stoffer. Den neurovaskulære hypotese om patogenesen af Alzheimers sygdom antyder, at akkumuleringen af amyloid β også er forbundet med en fejlfunktion af transportører, der medierer overførslen af stoffer fra hjernen til blodet, for eksempel P-glycoprotein og LRP1 . I inflammatoriske processer øges fangsten af amyloid β af pericytter , hvilket fører til deres død. Derudover er effektiviteten af insulintransport gennem BBB, som spiller en neurobeskyttende rolle, reduceret ved Alzheimers sygdom [176] .
Diabetes mellitus (E10-E14 ifølge WHO International Classification of Diseases [177] ) er en sygdom, hvor der sker en række funktionelle og strukturelle ændringer i forskellige organer og væv i kroppen. Signifikante ændringer i BBB er også bemærket, som manifesterer sig i den fysisk-kemiske omlejring af membranen af endotelceller og tætte forbindelser mellem dem [179] .
Se også Kronisk cerebrospinal venøs insufficiens
Multipel sklerose (G35 ifølge WHO International Classification of Diseases [177] ) er en kronisk fremadskridende sygdom i nervesystemet, hvor der er en overvejende læsion af myelinproteinet i hjernevævet.
Hjernekarrene hos raske mennesker er uigennemtrængelige for blodceller, herunder immunceller. Hos patienter med multipel sklerose migrerer aktiverede T-lymfocytter ind i hjerneparenkymet gennem BBB, stiger niveauet af pro-inflammatoriske cytokiner - γ-interferon, TNF-α, IL-1 og andre; B-lymfocytter aktiveres. Som et resultat begynder antistoffer mod myelinproteinet at blive syntetiseret, hvilket fører til dannelsen af foci af inflammatorisk demyelinisering [180] .
Iskæmisk slagtilfælde (I63 ifølge WHO International Classification of Diseases [177] ) er en akut cerebrovaskulær ulykke forårsaget af utilstrækkelig blodforsyning til centralnervesystemet.
Iskæmisk slagtilfælde fører til frigivelse af oxidanter, proteolytiske enzymer og cytokiner i hjernevævet, hvilket i sidste ende forårsager udvikling af cytotoksisk ødem og ændringer i BBB-permeabilitet [181] . Som et resultat udløses processen med migrering af leukocytter gennem endotelet ind i hjernevævet, hvilket blandt andet forårsager skader på raske celler i nervevævet [182] [183] .
Kun få patogene mikroorganismer , der kommer ind i blodet , er i stand til at trænge igennem BBB. Disse omfatter meningokokker ( lat. Neisseria meningitidis ), nogle typer streptokokker - herunder pneumokokker ( lat. Streptococcus pneumoniae ), Haemophilus influenzae ( lat. Haemophilus influenzae ), listeria , E. coli ( lat. Escherichia coli ) og en række andre. Alle kan forårsage inflammatoriske forandringer i både hjerne- encephalitis og dens membraner - meningitis . Den nøjagtige mekanisme, hvorved disse patogener krydser BBB, er ikke fuldt ud forstået, men inflammatoriske processer har vist sig at påvirke denne mekanisme [184] . Således kan inflammation forårsaget af Listeria føre til, at BBB bliver permeabel for disse bakterier. Knyttet til endoteliocytterne i hjernens kapillærer udskiller Listeria en række lipopolysaccharider og toksiner , som igen virker på BBB og gør den permeabel for leukocytter. Leukocytter, der er trængt ind i hjernevævet, udløser en inflammatorisk proces, som følge heraf, at BBB også tillader bakterier at passere igennem [184] .
Pneumokokker udskiller et enzym af hæmolysingruppen, som danner porer i endotelet, hvorigennem det bakterielle middel trænger ind [185] .
Meningokokker og E. coli krydser BBB transendotelialt [184] .
Ud over bakterier kan nogle vira trænge ind i BBB i hjernevævet . Disse omfatter cytomegalovirus , human immundefektvirus (HIV) [186] og human T-lymfotropisk virus (HTLV-1).
Intracerebrale tumorer i hjernen ( glioblastomer , hjernemetastaser osv.) udskiller en række stoffer [184] , som nedbryder BBB'ens arbejde og forstyrrer dens selektive permeabilitet. Sådan skade på blod-hjerne-barrieren omkring tumoren kan forårsage vasogent cerebralt ødem [187] .
BBB er selektivt permeabelt for forskellige medicinske stoffer , hvilket tages i betragtning i medicin, når der ordineres lægemidler til behandling af sygdomme i centralnervesystemet (CNS). Sådanne lægemidler skal trænge ind i hjernevævet for at målrette celler. Det er også vigtigt, at ved infektions- og inflammatoriske sygdomme i centralnervesystemet øges BBB's permeabilitet, og de stoffer, for hvilke det normalt tjente som en uoverstigelig barriere, kan passere gennem det. Dette gælder især for antibakterielle lægemidler.
Penetration af antibakterielle lægemidler gennem BBB [188]
godt | God mod betændelse | Dårlig selv med betændelse | Må ikke trænge igennem |
---|---|---|---|
Isoniazid | Aztreonam | Gentamicin | Clindamycin |
Pefloxacin | Amikacin | Carbenicillin | Linkomycin |
Rifampicin | Amoxicillin | makrolider | |
Kloramfenicol | Ampicillin | Norfloxacin | |
Co-trimoxazol | Vancomycin | Streptomycin | |
Meropenem | Lomefloxacin | ||
Ofloxacin | |||
III-IV generation af cephalosporiner | |||
Ciprofloxacin | |||
Levofloxacin |