Vér rendszer.gen,αἷμα szóbólgörögmás(]1 [ )BBB-agy gát (blood-brain barrier, és a központi idegrendszer . Minden gerincesnek van BBB-je .
A BBB fő funkciója az agy homeosztázisának fenntartása. Megvédi az idegszövetet a vérben keringő mikroorganizmusoktól , a toxinoktól , az immunrendszer sejtes és humorális tényezőitől, amelyek az agyszövetet idegennek érzékelik. A BBB egy rendkívül szelektív szűrő funkcióját látja el, amelyen keresztül tápanyagok és bioaktív anyagok jutnak az agyba az artériás ágyból; a glimphaticus áramlásával a vénás ágy irányába ürülnek ki az idegszövet salakanyagai .
Ugyanakkor a BBB jelenléte megnehezíti a központi idegrendszer számos betegségének kezelését , mivel számos gyógyszert nem enged át .
Az első bizonyítékot a BBB létezésére 1885-ben Paul Ehrlich szerezte . Megállapította, hogy a patkány véráramába juttatott festék az agy kivételével minden szervre és szövetre átterjed [2] . 1904 - ben téves feltevésből indult ki, hogy a festék intravénásan beadva nem hatol be az agyszövetbe, mivel nincs affinitása hozzá [3] . Edwin Goldman (1862–1913) dél-afrikai sebész , Ehrlich tanítványa 1909 -ben fedezte fel, hogy az intravénás tripánkék festék nem hatol át az agyszöveten, hanem megfestette a kamrák érfonatát [4] . 1913- ban kimutatta, hogy a kutya vagy ló agy- gerincvelői folyadékába juttatott festék behatol az agy és a gerincvelő szövetébe, míg a perifériás szervek és szövetek nem festődnek [5] . E kísérletek alapján Goldman felvetette az agy és a vér közötti gát létezését, amely visszatartja a neurotoxikus anyagokat [6] .
1898- ban Arthur Bidl (1869-1933) és Rudolf Kraus (1868-1932) bécsi patológusok kimutatták, hogy amikor az epesavakat a véráramba fecskendezték, nem jelentkezett neurotoxikus hatás, de közvetlenül az agyszövetbe injektálva kóma alakult ki [7] . Max Lewandowski német neuropatológus megismételte Biedl és Kraus kálium-hexacianoferráttal végzett kísérleteit . Hasonló eredményeket elérve először használta a "Blut-Hirn-Schranke" ( vér -agy gát , 1900) kifejezést, amelyet később az angol irodalomban is átvették ( vér-agy gát ) [8] [9] .
1915- ben Konstantin von Monakoff svájci neuroanatómus Zürichben azt javasolta, hogy a plexus érhártya és a neuroglia gát funkciót töltsön be . [10] A következő években munkatársaival több tisztán szövettani munkát publikáltak a plexus choroidról, amelyet egyik tanítványa ( Chilei pszichoanalitikus , Fernando Allende-Navarro, 1890-1981) egy 1925 -ös publikációjában "ectomesodermális gátnak" ( francia ) nevez. barrière ecto-mésodermique ).
A "vér-agy gát" ( francia barrière hémato-encéphalique ) kifejezést Lina Solomonovna Stern svájci , majd szovjet fiziológus ( a Szovjetunió Tudományos Akadémia első női tagja ) [12] vezette be tudományos használatba [10] . tanítványai Ernest Rotlin (1888-1972) és Raymond Gauthier (1885-1957) 1921. április 21-én közölték a Genfi Orvosi Társasággal (Société de Biologie et Médecine) [13] [14] :
Egyrészt a vér, másrészt az agy-gerincvelői folyadék között van egy speciális készülék vagy mechanizmus, amely képes átszitálni a vérben általában jelen lévő vagy véletlenül bekerült anyagokat. Javasoljuk, hogy ezt a hipotetikus mechanizmust nevezzük vér-agy gátaknak, amely lehetővé teszi bizonyos anyagok átjutását, és lassítja vagy leállítja más anyagok behatolását. [15] [16]
Lina Stern és Ernest Rothlin első jelentései a Société de physique et d'histoire naturelle de Genève találkozóján, valamint a Schweizer Archiv für Neurologie und Psychiatrie-ben megjelent publikációik az agy és a véráram közötti védőgát jelenlétéről 1918 -ig . [17] Sternnek és Rothlinnak sikerült 1 mg curarát juttatni egy kísérleti állat negyedik kamrájának terébe a legvékonyabb kanül segítségével , és feljegyezték a neurotoxin lassú diffúzióját a cerebrospinális folyadékból a leptomeningealis membránokon keresztül a kisagy mély magjaiba. . 1921 - ben jelent meg L. S. Stern első áttekintő cikke a Schweizer Archiv für Neurologie und Psychiatrie-ben, 1923 -ban pedig nagy hatású, „La barrière hémato-encéphalique dans les conditions normales et pathologiques” című műve, amely egy kétkötetes kollektív gyűjteménybe került. Konstantin von Monakov (1853-1930) 70. évfordulójára, és ugyanaz a folyóirat adta ki. [18] A legutóbbi áttekintésben a BBB kísérleti és szövettani vizsgálatainak, normál fiziológiában és neuropatológiában betöltött szerepének összefoglalása mellett Stern a neurotróp gyógyszerek farmakodinamikájában és farmakokinetikájában betöltött szerepét is figyelembe veszi. A következő években Stern kiterjedt kísérleti anyagok elemzése alapján megfogalmazta a BBB-re vonatkozó rendelkezéseket, és meghatározta annak jelentőségét a központi idegrendszer működésére nézve [19] . 1935 -ben az ő szerkesztésében jelent meg az első, teljes egészében ennek a témának szentelt kollektív gyűjtemény ("Hemato-brain barrier", M.-L.: Biomedgiz, 1935). A vér-agy gát kutatásáért L. S. Stern 1943 - ban Sztálin-díjat kapott , amelynek pénzbeli részét egy mentőrepülőgép építésére fordította. [húsz]
Az 1930-as években különbséget tettek a vér-agy gát és a vér-folyadék gát között [6] [21] [22] .
A BBB-ért felelős morfológiai struktúrákat az 1960-as években részletesen tanulmányozták elektronmikroszkóppal [23] [24] .
Az emberi agy tömege a test tömegének körülbelül 2%-a. Ugyanakkor a központi idegrendszer oxigénfogyasztása a szervezet teljes oxigénfogyasztásának 20%-a . Ezenkívül más szervekkel ellentétben az agy rendelkezik a legkisebb tápanyagtartalékkal. Az idegsejtek önmagukban anaerob glikolízissel nem tudják kielégíteni energiaszükségletüket . Az agy vérellátásának néhány másodpercen belüli leállása eszméletvesztéshez vezet, majd 10 perc múlva az idegsejtek elpusztulnak [23] . Az agy ilyen energiaszükségletét az oxigén és a tápanyagok BBB-n keresztül történő aktív szállítása biztosítja [25] .
Az agy normális működése is csak elektrolit és biokémiai homeosztázis körülményei között lehetséges . A pH ingadozása , a vér káliumkoncentrációja és egyéb mutatók nem befolyásolhatják az idegszövet állapotát. A véráramban keringő neurotranszmitterek nem hatolhatnak be az idegszövetbe, ahol megváltoztathatják az idegsejtek aktivitását [23] . Ezenkívül az agyat védeni kell az idegen anyagoktól, például a xenobiotikumoktól és a patogén mikroorganizmusoktól . A BBB egyben immunológiai gát is, mivel számos mikroorganizmus, antitest és leukocita számára áthatolhatatlan [26] [27] .
A központi idegrendszer érrendszerének számos szerkezeti és funkcionális jellemzője van, amelyek megkülönböztetik őket más szervek és szövetek edényeitől. Ezek a tulajdonságok biztosítják a táplálkozást, a salakanyagok kiválasztását és a homeosztázis fenntartását [23] .
A BBB megsértése károsíthatja a központi idegrendszert. Számos neurológiai betegség közvetlenül vagy közvetve összefügg a BBB károsodásával [25] .
A BBB fő szerkezeti eleme az endothel sejtek . Az agyi erek jellemzője az endotélsejtek közötti szoros érintkezés. A BBB szerkezete pericitákat és asztrocitákat is tartalmaz [23] . A BBB neuroglia endothel sejtjei, pericitái és asztrocitái közötti intercelluláris hézagok kisebbek, mint a test más szöveteiben lévő sejtek közötti hézagok. Ez a három sejttípus képezi a BBB szerkezeti alapját nemcsak az emberben, hanem a legtöbb gerincesben is [28] [29] .
A kapilláris ereket endothelsejtek bélelik. A legtöbb szövet vaszkuláris endotéliumában körülbelül 50 nm átmérőjű nyitott terek (fenestráció) és 100-1000 nm közötti intercelluláris rések találhatók. Ezen időközönként a víz és a benne oldott anyagok keringenek a vér és az intercelluláris tér között. A központi idegrendszer ereinek sajátossága, hogy hiányoznak a fenestrációk és az intercelluláris rések az endothelsejtek között [30] . Így az agyi kapillárisok endothel bélése folyamatos [31] .
Egy másik különbség az agyi kapillárisok és a perifériás kapillárisok endotéliuma között a bennük lévő pinocita vezikulák (vezikulák) alacsony tartalma [9] [32] .
Az agyi erek endothel sejtjeiben a mitokondriumok száma 5-10-szer nagyobb, mint a perifériás erek endotéliumában. Az ilyen magas mitokondriumtartalom a BBB endothel sejtjeinek jelentős energiaigényével függ össze, amelyek aktív transzportot és metabolizmust végeznek [27] . (A mitokondriumok olyan organellumok , amelyekben ATP- molekulák szintetizálódnak , amelyek a sejtek fő energiaforrásai.)
A BBB egyben metabolikus vagy enzimatikus (enzimatikus) gát is [6] [33] [34] [35] [36] . A BBB endothel sejtjeinek sejtmembránjainak felületén számos enzim található, és sokkal nagyobb mennyiségben, mint a parenchyma más sejtjeinek membránjain . Ezek olyan enzimek, mint a gamma-glutamiltranszferáz és foszfatáz (különösen a glükóz-6-foszfatáz), a katekol-O-metiltranszferáz, a monoamin-oxidáz és a citokróm P450 [37] [38] [39] . A BBB endothel sejtekben lévő enzimek magas koncentrációja miatt számos anyag metabolizálódik a sejtek citoplazmáján keresztül történő szállítás során [9] . A BBB endoteliális sejt magassága (mérete az érfalra merőleges irányban) 3-5 µm. (Összehasonlításképpen az enterociták , bélhámsejtek magassága 17-30 µm) [40]
A BBB endothel sejtjeiben a koleszterin és a foszfolipidek aránya ugyanaz, mint a perifériás erek endothel sejtjeiben, és ≈ 0,7 [41] . A BBB sejtmembránokon keresztüli passzív transzport ugyanúgy megy végbe, mint más endothelsejtekben a passzív diffúzió [42] . Az endothelsejtek membránjai nagyszámú vízmolekulák számára áteresztő csatornát tartalmaznak. Lehetővé teszik a víz diffúzióját az agy és a keringési rendszer között [43] .
A fenestrációk hiánya és a kis számú pinocita vezikula miatt az agyi kapillárisok endothel bélése mechanikai gáttá válik a nagy molekulák és idegen anyagok számára. Ezenkívül a BBB jelentős elektromos ellenállással rendelkezik - körülbelül 1500-2000 ohm. (Összehasonlításképpen, az izomszövet kapillárisfalainak elektromos ellenállása mindössze 30 ohm.) [44]
Az agyi erek endothel sejtjei szorosan egymás mellett helyezkednek el. Falaik között úgynevezett szoros csomópontok képződnek, amelyeknek az a szerepe a BBB biztosításában, hogy megakadályozzák a különböző nemkívánatos anyagok bejutását a véráramból az agyszövetbe [45] [46] . Az endothel sejtek közötti szoros kapcsolatok blokkolják az intercelluláris (paracelluláris) passzív transzportot [47] [48] [49] . Ebben az esetben az anyagok paracelluláris szállítása blokkolva van mind a véráramból az agyszövetbe, mind az ellenkező irányba - az agyból a vérbe [29] .
Számos transzmembrán fehérje , például okkludin, különböző claudinok és záróadhéziós molekulák kötik egymáshoz a sejtfal oldalsó szakaszait, részt vesznek a szoros kapcsolatok kialakításában, és lehetővé teszik az intercelluláris transzportot és anyagcserét [50] . A claudin-5 és a claudin-12 a fő fehérjék, amelyek biztosítják az endothel sejtek adhézióját és a szoros kapcsolatok kialakulását [51] . A claudin-5 fehérje szintéziséért felelős CLDN5 gén kiütése kísérleti egerekben oda vezetett, hogy BBB-jük átjárhatóvá vált a 800 g/mol moláris tömegű molekulák számára. Az ilyen genetikailag módosított állatok néhány órával a születés után elpusztultak [52] .
Az endothelsejtek teljesen lefedik az alatta lévő fehérjeréteget, az úgynevezett alapmembránt [31] . Az alapmembrán vastagsága 40-50 nm. Csak elektronmikroszkóp alatt látható . Főleg IV -es típusú kollagénből , heparin-szulfát proteoglikánokból, lamininekből , fibronektinből és más extracelluláris mátrixfehérjékből áll . Az agy oldaláról az alapmembránt az asztrociták folyamatai lamelláris végződéseinek plazmamembránja határolja [9] [47] .
A periciták, amelyeket korábban Charles Marie Benjamin Rouget (1824-1904) felfedező után Rouget-sejteknek [53] hívtak , a BBB szerves részét képezik [54] . Működéséhez számos fontos tulajdonságuk van: összehúzódási képesség, az endotélium funkcióinak szabályozása és a makrofágok aktivitása [55] .
Az agyi kapillárisok endotélsejtjei felületének mintegy 20%-át viszonylag kicsi, ovális periciták borítják. Minden 2.-4. endotélsejt kapcsolatba kerül egy pericita sejttel [29] . Általában a periciták az endothelsejtek érintkezési pontjain helyezkednek el [56] [57] . A periciták a test szinte minden arteriolájában, venulában és kapillárisban jelen vannak . A kapilláris endoteliális rétegének fedettsége korrelál az érfal permeabilitásával. Az áteresztő érfalú szervekben és szövetekben a véráramból az intercelluláris térbe vándorolhatnak. Például a vázizmok kapillárisaiban a periciták: endothelsejtek aránya 1:100 [58] [59] .
A periciták az endotheliocitákhoz hasonlóan az alapmembránon helyezkednek el [31] .
Ezenkívül a periciták számos vazoaktív anyagot szintetizálnak [59] , és fontos szerepet játszanak az angiogenezisben [60] [61] .
A sejt érintkezik pericita-endotheliocitaA periciták szorosan kötődnek az endoteliocitákhoz. Ez a kapcsolat háromféle érintkezés révén valósul meg: réskapcsolatok , fokális adhéziók és az egyik sejt membránjának behatolása egy másik sejt üregébe [55] . A réskapcsolatok közvetlenül kötik össze két sejt citoplazmáját , átjárva az ionokat és a kis molekulákat [62] . Fokális adhéziók segítségével kétféle sejt között erős mechanikai kötés jön létre [63] . Az egyik sejt citoplazmatikus régióinak behatolása a másikba egyaránt biztosítja a mechanikai kötődést és az intercelluláris metabolizmust [55] [64] .
A sejtek a szoros érintkezésnek köszönhetően közvetve befolyásolják egymás mitotikus aktivitását , génexpresszióját , és ennek megfelelően egymás fenotípusát [60] .
Összehúzó függvényA periciták nagy mennyiségben tartalmazzák a kontraktilis fehérjét, az aktint . E szerkezeti sajátosságnak köszönhetően képesek megváltoztatni a kapillárisok lumenét, és így szabályozni a helyi vérnyomást [65] [66] .
Makrofágok aktivitásaEz a tulajdonság csak az agyi pericitákra jellemző. Az agy kapilláris hálózatában a makrofágok funkcióját látják el. Ennek megfelelően nagyszámú lizoszóma található az agyi periciták citoplazmájában . Szövettenyészetben a periciták fagocitózisra [55] [67] [68] és antigénprezentációra [69] [70] való képessége bizonyítást nyert .
A periciták makrofág tulajdonságai képezik az agy „második védelmi vonalát” az endothel sejtgáton átjutott neurotoxikus molekulákkal szemben [71] . Így az agy immunrendszerének fontos részét képezik. A periciták makrofágaktivitásának hiánya számos autoimmun betegség kialakulásának egyik tényezőjévé válhat . Bizonyíték van a periciták közvetített szerepére az Alzheimer-kór kialakulásában [72] [73] .
Az asztrociták nagy, csillag alakú neurogliasejtek . Eljárásaikkal az agyszövet oldaláról bélelik ki az agykapillárisok falát. Ugyanakkor annak ellenére, hogy a kapilláris erek körülbelül 99%-a sejtfolyamatainak lamelláris végeivel van bélelve, az asztrociták nem látnak el közvetlen gát funkciót [29] [74] . Az asztrociták szorosan kölcsönhatásba lépnek az endothel sejtekkel. Folyamatos anyagcsere zajlik közöttük [75] . Az asztrogliasejtek indukálják a BBB megjelenését és kialakulását. Az agyi erek perifériás szervekbe és fordítva - perifériás erek agyszövetbe történő transzplantációjával, a BBB képződésével az agyba transzplantált perifériás erekben (szoros csomópontok kialakulása, az endothelsejtek átrendeződése) és az endoteliális sejtek disszociációjával kapcsolatos kísérletek során. agyi erek transzplantációja során megfigyelték a sejteket és a köztük lévő fenestrációk megjelenését [23] [76] . Az asztrociták hatását az endothel fenotípusra in vitro is kimutatták. Asztrocitákat és endothelsejteket tartalmazó sejttenyészetben az endotélium sűrűbb elrendeződését figyelték meg a tiszta sejttenyészethez képest [77] .
Az asztrociták számos olyan anyagot választanak ki, amelyek befolyásolják az endothel permeabilitását [78] . Az endotheliociták pedig leukémia gátló faktort (LIF), egy interleukin-6 citokin szekretálnak , amely befolyásolja az asztrocita differenciálódás folyamatát [78] . Az asztrocita folyamatok lamelláris végződéseitől az endothel sejtek és periciták távolsága mindössze 20 nm [31] [79] .
Az asztrogliasejtek fő feladata a neuronok tápanyagokkal való ellátása és a szükséges elektrolitkoncentráció fenntartása az extracelluláris térben [78] [80] . Az asztrociták szintetizálják az agysejtek számára szükséges koleszterin nagy részét . A koleszterin nem lép át a BBB-n. Ugyanakkor a szervezet összkoleszterinjének 25%-a az agyszövetben található. Nagy része a mielin része , amely az idegsejtek axonjainak folyamatait beburkolja . Az idegrostok mielinizációs folyamatainak zavarai demyelinisatiós betegségek, különösen sclerosis multiplex kialakulásához vezetnek [81] .
Az asztrociták folyamatainak lamelláris végződései az agy felől lazán lefedik az érfal alapmembránját, a rajta elhelyezkedő endotheliocitákkal és pericitákkal. Ennek köszönhetően lehetséges a különféle anyagok közvetlen diffúziója az endoteliociták és az agyszövet között [78] .
Azokat a betegségeket, amelyekben az asztrociták közvetlen vagy közvetett károsodása következik be (például Alzheimer-kór , asztrocitómák ), a BBB működésének károsodása kíséri.
A BBB az agy legtöbb területén jelen van a kapillárisokban, de nem mindegyikben. A BBB hiányzik a cirkumventricularis szervekben :
Ennek a szövettani jellemzőnek megvan a maga igazolása. Például a neurohypophysis olyan hormonokat választ ki a vérbe , amelyek nem tudnak átjutni a BBB-n, és a IV. kamra fenekének neuronjai ( latin area postrema ) észlelik a mérgező anyagok jelenlétét a vérben, és stimulálják a hányásközpontot [84] . Az ezen képződmények melletti agyszövet védőgátja a tanycyták felhalmozódása . Ezek szoros kapcsolódási pontokkal rendelkező ependíma sejtek [85] .
Átlagosan egy agyi ér kapillárisának lumene körülbelül 40 μm [86] . Legnagyobb sűrűségüket az agykéregben észlelték - 300-800 kapilláris 1 mm³ szövetben [23] .
Az agy ereinek falának teljes felülete 12 m². [87] — 20 [88] Percenként körülbelül 610 ml vér áramlik át az agy érrendszerén átlagosan 1 mm/s sebességgel, 15-35 Hgmm nyomást hozva létre az agy falán. Művészet. [27] Sokkal gyorsabban (átlagosan 5 másodperc alatt) halad át az agy kapilláriságyán, mint más szervekben és szövetekben (összehasonlításképpen a bélben , amelynek ereinek területe eléri a 180-at). m², az átlagos áthaladási idő 40 óra [89] [90] , a májban pedig 70 m2 - 30 másodperc [91] [92] [93] .
A 20. század végéig azt hitték, hogy az embrióban és az újszülöttekben a BBB nem alakult ki teljesen, és ennek megfelelően nem töltötte be funkcióját. Ennek az eddig elterjedt véleménynek az oka a korábbi élettani kísérletek hiányosságai. A kísérletek abból álltak, hogy fehérjéhez kötött festékeket vagy más markereket fecskendeztek felnőtt állatokba és embriókba. Az első ilyen kísérleteket 1920 -ban végezték [94] . Az embriókba injektált markerek behatoltak az agyszövetbe és a cerebrospinális folyadékba , míg felnőtt állatokban nem. A kísérletek során számos módszertani hibát követtek el (túlzott mennyiségű befecskendezett anyag használata, ozmotikus nyomás növelése ), amelyek következtében az érfal részben megsérült, és ennek megfelelően a marker bejutott az agyszövetbe [95] [96] [97] . Amikor a kísérleteket megfelelően összeállították, a marker áthaladását az érrendszeren nem figyelték meg [98] [99] [100] .
A magzati vér nagy mennyiségben tartalmaz olyan anyagok molekuláit, mint az albumin , az α1-fetoprotein és a transzferrin , miközben hiányzik az agyszövet sejtközi terében [101] . A P-glikoprotein transzportert az embrionális endotéliumban találták [102] . Ez a BBB jelenlétét jelzi a születés előtti időszakban . A szervezet fejlődése során a BBB további javulása következik be [101] .
Kis polarizált molekulák esetében, mint például az inulin és a szacharóz , az embrió és az újszülött BBB-permeabilitása szignifikánsan magasabb, mint a felnőtteké [103] [104] [105] . Hasonló hatást figyeltek meg az ionok esetében [106] . Az aminosavak és az inzulin transzportja a BBB-n keresztül jelentősen felgyorsult, nyilvánvalóan az egyre növekvő agyi igény miatt [107] [108] [109] [110] .
Másrészt az embrió agyában van egy további gát , amely felnőtteknél hiányzik, a cerebrospinalis folyadék és az agyszövet határán - az ependyma sejtek közötti úgynevezett strap junctions [111] .
A gerincesek idegszövetének evolúciója során térfogata növekszik. A nagyobb agytömeghez jobb tápanyagellátásra, a felesleges és salakanyagok eltávolítására van szükség. Ez egy sűrű kapilláris hálózat kialakulásához vezetett az agyszövetben. Az evolúció következő szakasza a vérben keringő idegsejtekre mérgező anyagok – xenobiotikumok és toxinok – elleni védőgát kialakulása volt [28] [112] .
Sok gerinctelenből hiányzik a BBB. Náluk az idegszövet kapillárisainak endotéliuma nem képezi az érfal folyamatos bélését. A magasabb rendű gerincteleneknél – rovaroknál , rákféléknél és lábasfejűeknél [113] – a neuronok és a vér közötti védőgátat kizárólag a gliaszövet képviseli [114] . Ebben az esetben a glia vér-agy gátról beszélünk [115] .
Minden gerinces faj rendelkezik BBB-vel, és legtöbbjüknél azt főleg az érfal endothel sejtjei alkotják, amelyeket szoros csomópontok tartják össze. Csak az elasmobranchokban (köztük cápák és ráják ), valamint a tokfélék családjában a BBB-t perivaszkuláris asztrociták alkotják. Ebből az következik, hogy az evolúció során az agyi erek endothel sejtjeinek funkciói, amelyek átveszik a barrier funkciókat, valószínűleg bővülnek.
A glia és az endothel vér-agy gát között meglehetősen nagyok a szerkezeti különbségek. Az endoteliális gátnak számos előnye van. Az egyik az endothel sejtek és az asztroglia sejtek funkcióinak szigorú megkülönböztetése, amelyek az agyi anyag extracelluláris környezetének homeosztázisát biztosítják [114] .
A vér-agy gáton kívül létezik a hematoliquor gát is, amely elválasztja a központi idegrendszert a véráramtól. Az agykamrák choroid plexusát bélelő, szorosan összekapcsolódó hámsejtek alkotják [116] [117] . A hematoliquor gát az agy homeosztázisának fenntartásában is szerepet játszik. Rajta keresztül a vitaminok , nukleotidok és glükóz a vérből a cerebrospinális folyadékba jutnak a cerebrospinális folyadékba . A hematoliquor gát összességében csekély mértékben járul hozzá az agy és a vér közötti cserefolyamatokhoz. Az agykamrák érfonatainak hematoliquor gátjának teljes felülete körülbelül 5000-szer kisebb, mint a vér-agy gát területe.
Az emberi szervezetben a vér-agy és a hematoliquor gáton kívül vannak hematoplacentális , hematotesticularis , hematoglomeruláris , hematoretinális , hematotímiás és hematopulmonáris gátak .
A vér-agy gát nemcsak visszatart és nem enged be a vérből számos anyagot az agyi anyagba, hanem ellentétes funkciót is ellát - szállítja az agyszövet anyagcseréjéhez szükséges anyagokat. A hidrofób anyagok, peptidek vagy speciális szállítórendszerek segítségével, vagy a sejtmembrán csatornáin keresztül jutnak az agyba. A legtöbb más anyag esetében lehetséges a passzív diffúzió [6] [36] .
A perifériás szervek és szövetek kapillárisaiban az anyagok szállítása elsősorban az érfal fenestrációin és a sejtközi tereken keresztül történik. Normális esetben nincsenek ilyen rések az agyi erek endotélsejtjei között. Ebben a tekintetben a tápanyagok csak a sejtmembránon keresztül hatolnak be az agyba [118] . A víz, a glicerin és a karbamid példái azokra a kis, polarizált molekulákra, amelyek szabadon diffundálhatnak a BBB endothel sejtek közötti szoros kapcsolódásokon keresztül [119] .
A BBB-n keresztül történő szállítás legegyszerűbb formája a szabad (vagy passzív) diffúzió. Mind az endotheliocyták sejtmembránján, mind pedig szoros intercelluláris kontaktusokon keresztül végrehajtható. Az anyagok diffúziójában a hajtóerő a koncentrációkülönbség. Az anyagok diffúziója arányos a véráramban és az agyszövetben tapasztalható koncentráció-gradienssel. Nem igényel sejtenergia ráfordítást [120] .
A sejtmembrán lipofil szerkezeti elemei, valamint a szoros intercelluláris kontaktusok csökkentik a BBB-n keresztül szabadon átdiffundáló anyagok mennyiségét. A BBB permeabilitás közvetlenül függ az egyes anyagok lipofilitásától [121] .
A BBB permeabilitása az anyag moláris tömegétől is függ . Az 500 g/mol-nál nagyobb tömegű molekulák nem diffundálhatnak a BBB-n keresztül. Ugyanakkor a BBB nem egy mechanikai gát, amely szabadon áthalad a kisebb molekulákon, és nem engedi át a nagyobbakat. A sejtek diffúziós folyamata dinamikus, könnyebb a 200 g/mol moláris tömegű anyagoknál, mint a 450 g/mol molekulatömegűeknél [41] [122] . Minél lipofilebb és kisebb az anyag, annál könnyebben diffundál át a sejtmembránon [6] .
A német biofizikus, Hermann Treuble 1971-ben hipotézist terjesztett elő a kis tömegű molekulák sejtmembránon keresztül történő szállításáról. Elmondása szerint a membrán kettős rétegének zsírsavláncai közötti kis réseken keresztül jutnak be a sejtbe. Ezek a rések változóak, kialakításukhoz nincs szükség sejtenergiára [123] [124] [125] [126] . Trouble elméletét 1974-ben spektroszkópiai úton igazolták [127] [128] .
Az egyik vagy másik anyag BBB-permeabilitásának előrejelzése és vizsgálata mind in vitro [36] [122] [129] [130] [131] , mind in silico [132] elvégezhető .
A lipofilitás és az alacsony molekulatömeg nem garantálja az egyes anyagok BBB-áteresztő képességét. A nagy molekulatömegű vegyületeket (például monoklonális antitesteket, rekombináns fehérjéket és másokat) a BBB megtartja [133] .
A kis poláris anyagok, mint például a vízmolekulák, aligha tudnak átdiffundálni az endoteliocita sejtmembrán hidrofób szakaszain. Ennek ellenére a BBB nagy vízáteresztő képessége bizonyított [134] .
Az endotheliocyta sejtmembránjában speciális hidrofil csatornák - aquapores - vannak. A perifériás vaszkuláris endotéliumban az aquaporin-1 (AQP1) fehérje alkotja őket, amelynek expresszióját az asztrociták gátolják az agyi érsejtekben [135] . Az agy kapillárishálózatának sejtmembránjainak felületén főként akvaporin-4 (AQP4) és akvaporin-9 (AQP9) található [136] .
Az akvapórusokon keresztül történik az agy anyagának víztartalmának szabályozása. Lehetővé teszik a víz gyors diffúzióját mind az agy, mind az érrendszer irányában, az elektrolitkoncentráció ozmotikus gradiensétől függően [137] . A glicerin , a karbamid és számos más anyag esetében saját csatornák képződnek a sejtmembránok felületén - aquagliceroporinok. A BBB-ben főként az akvaporin-9 fehérje képviseli (amely szintén akvapórusokat képez) [138] .
A molekulák speciális csatornákon történő szállításának folyamata gyorsabb, mint a speciális transzporter fehérjék segítségével történő aktív transzfer. Ugyanakkor a különféle biológiailag aktív anyagok aktiválhatják vagy inaktiválhatják a sejtmembránokon elhelyezkedő transzportcsatornákat [118] .
A facilitált diffúzió a sejtmembránon keresztül történő diffúzió egy speciális formája. Számos, az agy számára szükséges anyag, mint például a glükóz és sok aminosav, poláris és túl nagy ahhoz, hogy a sejtmembránon keresztül közvetlenül diffúziót kapjon. Számukra speciális transzportrendszerek helyezkednek el az endotheliociták sejtmembránjának felületén. Például a glükóz és az aszkorbinsav (C-vitamin) [139] esetében ez a GLUT-1 transzporter. Számuk az ér ürege felé néző felületen 4-szer nagyobb, mint az agy felé eső felületen.
A glükóz transzporterek mellett az endotélium felszínén számos fehérjemolekula található, amelyek más anyagok esetében is hasonló funkciót látnak el. Például az MCT-1 és az MCT-2 felelős a laktát , piruvát , mevalonsav , butirátok és acetátok szállításáért . Az SLC7 arginint , lizint és ornitint szállít . Az egér genomjában 307 gént azonosítottak, amelyek felelősek az SLC fehérjék szintéziséért, amelyek felelősek a különböző anyagok sejtmembránon keresztüli megkönnyített diffúziójáért [140] .
A szállítók az anyagok szállítását egy vagy két irányban végezhetik [141] . Az aktív transzporttól eltérően a megkönnyített diffúzió a tér felé irányul (intracelluláris vagy extracelluláris), ahol az anyag alacsonyabb koncentrációban van jelen, és nem igényel sejtenergia-ráfordítást.
Ellentétben a passzív transzporttal, amely nem igényel energiaráfordítást, az aktív transzport abból áll, hogy az anyagok nagyobb koncentrációban jutnak a térbe, és nagy mennyiségű ATP-molekulák lebontásából származó sejtenergia-ráfordítást igényel [118] . Az anyagoknak a véráramból az agyszövetbe való aktív szállításával egy anyag beáramlásáról beszélnek ( angol beáramlás ), ellenkező irányban - kiáramlásról ( angol efflux ).
A BBB enkefalin [142] [143] , antidiuretikus hormon [144] , [D-penicillamin2,D-penicillamine5]-enkefalin (DPDPE) [145] aktív transzportereit tartalmazza .
Az első azonosított BBB Efflux transzporter [146] a P-glikoprotein, amelyet az MDR1 gén kódol . [147] [148]
Ezt követően a Breast Cancer Resistance Proteine (BCRP) [150] [151] , amely az ABC-transzporterek osztályába tartozó Multidrug Resistance-Related Proteine (MRP1) [149] , túlnyomórészt az ér lumenével szembeni felületen található. [152] [153] .
Egyes Efflux- és Influx-transzporterek sztereoszelektívek, vagyis egy adott anyagnak csak egy bizonyos sztereoizomerjét (enantiomerjét) továbbítják. Például az aszparaginsav D-izomerje az N-metil-D-aszpartát (NMDA) prekurzora , amely befolyásolja a különböző hormonok kiválasztását: luteinizáló hormon , tesztoszteron vagy oxitocin [154] . Az aszparaginsav és a glutaminsav L-izomerjei stimuláló aminosavak, és feleslegük mérgező az agyszövetre [155] . Efflux-transzporter ASCT2 ( alanin - szerin - cisztein - transzporter) A BBB az aszparaginsav L-izomerjét juttatja a véráramba, melynek felhalmozódása mérgező hatású. Az NMDA képződéshez szükséges D-izomer más transzportfehérjék (EAAT, SLC1A3, SLC1A2, SLC1A6) segítségével jut be az agyba [25] [156] [157] .
Az epileptogén szövetben az endotélium és az asztrociták több P-glikoproteint tartalmaznak, mint a normál agyszövetben [158] [159] .
Az aniontranszporterek (OAT és OATP) az endotheliociták sejtmembránján is találhatók [160] [161] . Az Efflux transzporterek nagy száma számos anyagot távolít el az endoteliocitákból a véráramba [120] .
Sok molekula esetében még mindig nem világos, hogy aktív transzporttal (a celluláris energia költségével) vagy elősegített diffúzióval választódnak ki [25] .
A receptor által közvetített transzcitózis nagy molekulák átvitelét jelenti. A sejtnek az ér lumenje felé eső felületén speciális receptorok találhatók bizonyos anyagok felismerésére és megkötésére [23] . Miután a receptor érintkezett a célanyaggal, megkötődnek, a membrán egy része behatol a sejtüregbe, és intracelluláris vezikula képződik - egy vezikula . Ezután az endothel sejt idegszövet felőli felületére költözik, összeolvad vele és felszabadítja a megkötött anyagokat. Így a 75,2 kDa -os, 679 aminosavból álló fehérje [162] az agy extracelluláris terébe kerül , az alacsony sűrűségű lipoproteinek , amelyekből a koleszterin [130] [163] , az inzulin [164] és más peptidhormonok [23] . alakult .
Felszívódás által közvetített transzcitózisA hólyagos transzport egyik altípusa az abszorpció által közvetített transzcitózis. Egy negatív töltésű sejtmembránhoz számos pozitív töltésű anyag ( kation ) "ragad", majd vezikuláris vezikula képződik, és átkerül a sejt ellenkező felületére. Ezt a fajta szállítást kationosnak is nevezik. Viszonylag gyorsabb, mint a receptor-mediált transzcitózis [165] [166] [167] [168] .
A nagyszámú új gyógyászati anyag megjelenése rendkívül fontossá tette a különböző anyagok BBB permeabilitási fokának vizsgálatát. Ez nemcsak azokra a gyógyszerekre vonatkozik, amelyeket a neurológiában és idegsebészetben használnak, és amelyek hatása közvetlenül függ a BBB leküzdésére való képességüktől, hanem az orvostudomány más területein használt gyógyszerekre is [169] . Számos módszert alkalmaznak a BBB permeabilitásának vizsgálatára. A klasszikus az élő szervezeteken végzett kísérletek ( in vivo ). A tudomány új fejleményei lehetővé tették a sejttenyészetekkel végzett kísérleteket ( in vitro ), valamint a folyamat számítógépes szimulációját ( in silico ) [170] . Az emlősökön ( in vivo ) kapott eredmények felhasználhatók egy adott anyag BBB permeabilitásának leírására emberekben.
A BBB permeabilitásának meghatározására Rankine (1959) és Krone (1965) egy kapilláris vizsgálatán alapuló modellt javasoltak. Leegyszerűsítése ellenére közel áll a valósághoz [171] . E modell alapján meghatározzák a Krone-Rankine értéket, amely megmutatja, hogy az anyag mely része az agy véráramán áthaladva hatol át a BBB-n [172] . Ha értéke 0,2-nél kisebb, a BBB enyhén áteresztő az anyag számára, 0,2-0,8-nál közepesen áteresztő [171] .
A folyamat számítógépes szimulációja a vizsgálat legkorábbi szakaszában történik. A szabad diffúzió szintjét az anyag számos jellemzőjének figyelembevételével számítják ki: lipofilitása, moláris tömege, hidrogénkötéseinek száma stb. [170]
In vitro kísérleteket végeznek izolált kapillárisokban a sejtszintű transzportfolyamatok tanulmányozására [36] . A kísérlet során ereket izolálnak a kísérleti állatból. A metabolikus aktivitás megőrzése bennük kötelező [173] . Ezután a vizsgált anyagokat különböző koncentrációjú oldatok közé helyezik. A molekulák jelölhetők. A módszer lehetővé teszi a BBB permeabilitásának meghatározását egy adott anyag esetében, valamint a transzfer folyamatait [170] [174] [175] .
Paul Ehrlich volt az első, aki in vivo vizsgálatokat végzett a BBB-vel kapcsolatban. Bizonyos anyagok BBB-n keresztüli permeabilitásával kapcsolatos kísérletek abból állnak, hogy közvetlenül bejuttatják őket a véráramba, majd meghatározzák az agyszövet tartalmát. Walter (F. Walter, 1929) szerint az erre a célra felhasznált anyagoknak a következő követelményeknek kell megfelelniük: a vérben és az agy- gerincvelői folyadékban eloszlanak, mielőtt felszabadulnának, nem bomlanak le a szervezetben és nem kötődnek fehérjékhez; nem változtathatják meg a BBB állapotát és nem károsíthatják a szervezetet [19] . Csak ilyen feltételek mellett lehetséges egy adott anyag BBB permeabilitását in vivo meghatározni .
Az emberekben a BBB károsodása számos betegségnél megfigyelhető. Korrekciójukat terápiás stratégiának tekintik [176] .
A GLUT-1 fehérjehiány-szindróma (G93.4 a WHO nemzetközi betegségek osztályozása szerint [177] ) egy ritka, autoszomális domináns örökletes betegség, amelyben a GLUT-1 fehérje szintézisének megsértése áll fenn, amely felelős a a BBB glükóz és aszkorbinsav permeabilitása . A betegség korai gyermekkorban nyilvánul meg. Az agyszövetben a glükóz hiánya mikrokefália , pszichomotoros rendellenességek, ataxia és számos más neurológiai rendellenesség kialakulását okozza [178] .
Az örökletes folsav felszívódási zavar (D52.8 a WHO Nemzetközi Betegségek Osztályozása szerint [177] ) egy ritka autoszomális recesszív örökletes betegség, amelyben hiányzik a BBB folsav permeabilitását biztosító fehérjeszintézis.
A BBB működésének megsértése Alzheimer-kórban az amiloid β mennyiségének növekedéséhez vezet az agyban. A cerebrospinális folyadék mennyiségének csökkenése a neurotoxikus anyagok koncentrációjának növekedéséhez vezet. Az Alzheimer-kór patogenezisének neurovaszkuláris hipotézise azt sugallja, hogy az amiloid β felhalmozódása a transzporterek meghibásodásával is összefügg, amelyek közvetítik az anyagoknak az agyból a vérbe való átvitelét, például a P-glikoprotein és az LRP1 . Gyulladásos folyamatokban fokozódik az amiloid β befogása a periciták által , ami halálukhoz vezet. Emellett Alzheimer-kórban csökken a neuroprotektív szerepet betöltő BBB-n keresztül történő inzulintranszport hatékonysága [176] .
A diabetes mellitus (E10-E14 a WHO Nemzetközi Betegségek Osztályozása szerint [177] ) olyan betegség, amelyben számos funkcionális és szerkezeti változás következik be a szervezet különböző szerveiben és szöveteiben. A BBB-ben is jelentős változások figyelhetők meg, amelyek az endotélsejtek membránjának fizikai-kémiai átrendeződésében és a köztük lévő szoros kapcsolatokban nyilvánulnak meg [179] .
Lásd még: Krónikus cerebrospinalis vénás elégtelenség
A szklerózis multiplex (G35 a WHO Nemzetközi Betegségek Osztályozása szerint [177] ) az idegrendszer krónikus progresszív betegsége, amelyben az agyszövetben a myelin fehérje túlnyomórészt elváltozása van.
Az egészséges emberek agyi erei áthatolhatatlanok a vérsejtek számára, beleértve az immunsejteket is. Sclerosis multiplexben szenvedő betegeknél az aktivált T-limfociták a BBB-n keresztül az agy parenchymájába vándorolnak, a gyulladást elősegítő citokinek - γ-interferon, TNF-α, IL-1 és mások - szintje nő; A B-limfociták aktiválódnak. Ennek eredményeként a myelin fehérje elleni antitestek szintetizálódnak, ami gyulladásos demyelinizációs gócok kialakulásához vezet [180] .
Az ischaemiás stroke (I63 a WHO Nemzetközi Betegségek Osztályozása szerint [177] ) egy akut cerebrovascularis baleset, amelyet a központi idegrendszer elégtelen vérellátása okoz.
Az ischaemiás stroke oxidánsok, proteolitikus enzimek és citokinek felszabadulásához vezet az agyszövetben, ami végső soron citotoxikus ödéma kialakulásához és a BBB permeabilitás változásához vezet [181] . Ennek eredményeként beindul a leukociták migrációja az endotéliumon keresztül az agyszövetbe, amely többek között károsítja az idegszövet egészséges sejtjeit [182] [183] .
Csak néhány , a vérbe kerülő kórokozó mikroorganizmus képes behatolni a BBB-be. Ide tartoznak a meningococcusok ( lat. Neisseria meningitidis ), a streptococcusok bizonyos típusai – beleértve a pneumococcusokat ( lat. Streptococcus pneumoniae ), a Haemophilus influenzae ( lat. Haemophilus influenzae ), a listeria , az E. coli ( lat. Escherichia coli ) és számos más. Mindegyik gyulladásos elváltozást okozhat az agyban - encephalitis és annak hártyái - agyhártyagyulladás . A pontos mechanizmus, amellyel ezek a kórokozók átjutnak a BBB-n, nem teljesen ismert, de kimutatták, hogy a gyulladásos folyamatok befolyásolják ezt a mechanizmust [184] . Így a Listeria által okozott gyulladás ahhoz a tényhez vezethet, hogy a BBB átjárhatóvá válik ezen baktériumok számára. Az agy kapillárisainak endotheliocitáihoz tapadva a Listeria számos lipopoliszacharidot és toxint választ ki , amelyek viszont a BBB-re hatnak, áteresztővé téve a leukociták számára. Az agyszövetbe behatolt leukociták gyulladásos folyamatot indítanak el, aminek következtében a BBB a baktériumokat is átengedi [184] .
A pneumococcusok a hemolizin csoporthoz tartozó enzimet választanak ki , amely pórusokat képez az endotéliumban, amelyen keresztül a bakteriális ágens behatol [185] .
A meningococcusok és az E. coli transzendoteliálisan keresztezik a BBB-t [184] .
A baktériumok mellett egyes vírusok is behatolhatnak a BBB-be az agyszövetbe . Ide tartozik a citomegalovírus , a humán immundeficiencia vírus (HIV) [186] és a humán T-limfotrop vírus (HTLV-1).
Az agy intracerebrális daganatai ( glioblasztómák , agyi metasztázisok stb.) számos olyan anyagot választanak ki [184] , amelyek szétesik a BBB munkáját és megzavarják szelektív permeabilitását. A daganat körüli vér-agy gát ilyen károsodása vasogén agyödémát okozhat [187] .
A BBB szelektíven permeábilis a különböző gyógyászati anyagokkal szemben, amit az orvostudomány figyelembe vesz a központi idegrendszer (CNS) betegségeinek kezelésére szolgáló gyógyszerek felírásakor. Az ilyen gyógyszereknek be kell hatolniuk az agyszövetbe, hogy célsejteket érjenek el. Fontos az is, hogy a központi idegrendszer fertőző és gyulladásos megbetegedéseinél megnő a BBB permeabilitása, és azon anyagok is átjuthatnak, amelyeknek általában leküzdhetetlen gátként szolgált. Ez különösen igaz az antibakteriális gyógyszerekre.
Az antibakteriális gyógyszerek behatolása a BBB-n keresztül [188]
Jó | Gyulladásra jó | Gyulladás esetén is rossz | Ne hatoljon be |
---|---|---|---|
Izoniazid | Aztreonam | Gentamicin | Klindamicin |
Pefloxacin | Amikacin | karbenicillin | Linkomicin |
Rifampicin | Amoxicillin | makrolidok | |
Klóramfenikol | Ampicillin | Norfloxacin | |
Co-trimoxazol | Vankomicin | Sztreptomicin | |
Meropenem | Lomefloxacin | ||
Ofloxacin | |||
III-IV generációs cefalosporinok | |||
Ciprofloxacin | |||
Levofloxacin |