Гэб строение: ГЭБ и система EphR/Ephrin: связь между нейрососудистыми и нейропсихиатрическими расстройствами

Гематоэнцефалический барьер с позиции анестезиолога-реаниматолога. Обзор литературы. Часть 2

В.И. Горбачев, Н.В. Брагина

Иркутская государственная медицинская академия последипломного образования — филиал ФГБОУ ДПО «Российская медицинская академия непрерывного профессионального образования» Минздрава России, Иркутск, Россия

Для корреспонденции: Горбачев Владимир Ильич — д-р мед. наук, профессор, заведующий кафедрой анестезиологии и реаниматологии ИГМАПО — филиала ФГБОУ ДПО РМАНПО МЗ РФ, Иркутск, Россия; e-mail: [email protected]; e-mail: [email protected]

Для цитирования: В.И. Горбачев, Н.В. Брагина. Гематоэнцефалический барьер с позиции анестезиолога-реаниматолога. Обзор литературы. Часть 2. Вестник интенсивной терапии им. А.И. Салтанова. 2020;3:46–55. DOI: 10.21320/1818-474X-2020-3-46-55

Реферат

В статье предоставлен обзор гистохимических и молекулярных механизмов, регулирующих структуру и функции гематоэнцефалического барьера (ГЭБ) в условиях анестезиологического пособия, а также при различных физиологических и патологических состояниях. Проанализированы изменения в процессе физиологического старения и при возрастных нейродегенеративных нарушениях. С позиции анестезиолога-реаниматолога рассмотрено, как дисфункция гематоэнцефалического барьера связана с хроническим неврологическим дефицитом и острыми церебральными нарушениями при инсульте, сепсисе, черепно-мозговой травме, повреждении спинного мозга и эпилепсии.

Ключевые слова: гематоэнцефалический барьер, гипоксия головного мозга, общая анестезия, старение, критические заболевания

Поступила: 08.08.2020

Принята к печати: 02.09.2020

Читать статью в PDF

Во второй части обзора рассматриваются изменения структуры и функций гематоэнцефалического барьера, происходящие во время анестезиологического пособия и при различных критических состояниях. Поиск источников для данного обзора литературы проводился с использованием электронных ресурсов российской научной электронной библиотеки eLIBRARY.ru, библиографической базы статей по медицинским наукам (MEDlars onLINE) Национальной медицинской библиотеки США (U.S. National Library of Medicine, NLM), базы данных Cochrane Reviews, а также информационных ресурсов UpToDate. Глубина поиска составляла 15 лет. При отборе источников сделан акцент на данные рандомизированных контролируемых исследований и метаанализов. Найдено 104 источника, из них 4 метаанализа, включавших 1007 публикаций, 43 из которых использованы для обзора и указаны в списке литературы.

Гематоэнцефалический барьер (ГЭБ) и анестезия

Многочисленные исследования подтверждают возможность изменения морфофункциональных характеристик ГЭБ в ответ на ноцицептивные стимулы. Анестезирующие вещества влияют на центральную нервную систему (ЦНС), взаимодействуя с нейротрансмиттерами и способствуя интеграции нейронов между различными областями мозга [1].

Накопленные данные свидетельствуют о том, что анестетики по-разному влияют на проницаемость ГЭБ. Летучие анестетики, такие как изофлуран и севофлуран, являются мощными прямыми вазодилататорами. При этом вазодилатация сосудов, опосредованная изофлураном, вызывает повреждение ГЭБ [2]. В 2008 г. Tétrault с соавт. сообщили, что изофлуран вызывает дозозависимое открытие ГЭБ, которое инициируется в таламусе и, с повышением концентрации анестетика, также вовлекает корковые структуры. На открытие ГЭБ указывало смещение постоянного компонента электроэнцефалограммы (ЭЭГ), экстравазация связанного с альбумином красителя и увеличение объема мозга. Эти острые эффекты, по мнению авторов, способны изменить кровоток в мозге и потенциально вызвать повреждение нейронов [3]. Также севофлуран и изофлуран снижают трансэндотелиальное электрическое сопротивление ГЭБ [4]. Dittmar с соавт. (2016) показали, что изофлуран, вводимый после гипоксии, способен вызывать апоптоз эндотелиальных клеток ГЭБ

Thal с соавт. (2012) отмечали, что после черепно-мозговой травмы (ЧМТ) содержание воды в мозге животных при анестезии изофлураном было выше, чем у получавших севофлуран. При этом применение севофлурана связано с более сильной экспрессией ZO-1 по сравнению с изофлураном. Как изофлуран, так и севофлуран не влияют на целостность микрососудистых плотных контактов (ПК) [4]. T. Restin продемонстрировала, что севоран изменяет схему проницаемости в эндотелиальных клетках головного мозга (ГМ) крысы и архитектуру соединительных компонентов ZO-1 и β-катенина, способствуя нейропротекции [6].

Есть данные о том, что анестезия и хирургическое вмешательство вызывают послеоперационные когнитивные нарушения у грызунов. Acharya с соавт. (2015) сообщили, что севофлуран индуцирует преждевременное «старение» ГЭБ у крыс, что может привести к послеоперационному снижению когнитивных функций и слабоумию [7]. Sharma с соавт. (2014) изучали влияние пропофола на индуцибельный белок теплового шока (HSP-72) и иммунореактивность альбумина в мозге мыши. Пропофол, в зависимости от дозы, вызывал значительное увеличение количества HSP-72 и альбумин-позитивных клеток в коре, гиппокампе, таламусе и гипоталамусе, чего не наблюдалось в группе, получавшей физиологический раствор. Авторы заключили, что анестезирующие агенты, вызывая клеточный стресс и нарушая функцию ГЭБ, могут оказывать длительное воздействие на ГМ взрослого человека [8]. В некоторых исследованиях сообщалось, что воздействие общей анестезии, преимущественно в раннем постнатальном периоде, вызывает долговременные морфологические и функциональные изменения в ЦНС, что, в свою очередь, может привести к нейрокогнитивным расстройствам. В 2016 г. U.S. Food and Drug Administration (FDA) предупредило, что «повторное и/или длительное использование общих анестетиков у детей младше 3 лет или у беременных женщин в III триместре может влиять на развитие детского мозга» [1]. Тем не менее лежащий в основе механизм, с помощью которого анестезия и/или операция вызывает когнитивные нарушения, еще предстоит определить.

Изменения ГЭБ при некоторых физиологических и патологических состояниях

Физиологическое старение можно определить как ухудшение функций ГМ без снижения познавательной способности и признаков слабоумия. Основные изменения ГЭБ во время физиологического старения представлены в табл. 1.

Таблица 1. Изменения компонентов «нейроваскулярной единицы» гематоэнцефалического барьера при физиологическом старении [9]

Table 1. Changes in the components of the “neurovascular unit” of the blood-brain barrier during physiological aging [9]

Возрастные изменения ГЭБ хорошо документированы ранними исследованиями, например, измененные транспортные функции (Mooradian, 1988), повышенное гликозилирование белков микрососудов (Mooradian and Meredith, 1992) и повреждение свободными радикалами (Mooradian and Smith, 1992), которые могут способствовать увеличению проницаемости. Анатомически наблюдается снижение плотности капилляров и мозгового кровотока, сопровождаемое ультраструктурными аномалиями в микрососудах, такими как микрососудистый фиброз, утолщение базальной мембраны и потеря белков плотных контактов (ПК).

Другим важным механизмом, объясняющим увеличение проницаемости ГЭБ во время старения, является воспаление. У «старого» мозга может быть слабое, но прогрессирующее воспалительное состояние, при котором нормальный баланс между про- и противовоспалительными медиаторами смещается в сторону провоспалительного состояния. Воспалительные медиаторы, такие как IL-1β, IFNγ и TNF-α, увеличиваются наряду с сопутствующей активацией микроглии.

При старении в ГМ происходят глубокие изменения, которые делают ГЭБ более восприимчивым к ишемии и реперфузионному повреждению, например, ремоделирование артерий, активация глиальных клеток и апоптоз [10]. Исследования Bake с соавт. (2009) и De Reuck с соавт. (2012) показали, что даже в отсутствие сопутствующих заболеваний целостность ГЭБ у людей снижается с возрастом, о чем напрямую свидетельствует экстравазация IgG, структурные изменения ПК и церебральные микрокровоизлияния [11, 12]. Более того, метаанализ 31 исследования проницаемости ГЭБ при нормальном старении (в 8 из них использовали посмертную визуализацию, в 21 из 23 других использовали соотношение альбумина в плазме и спинномозговой жидкости) также показал, что проницаемость ГЭБ увеличивается с возрастом.

Важным фактором, влияющим на структуру и функции ГЭБ, является наличие морбидного ожирения. К патологическим изменениям при данном состоянии можно отнести повышенную выработку провоспалительных цитокинов, активацию микроглии и инфильтрацию макрофагов [13].

Два недавних исследования обнаружили, что депривация сна и «хронический недосып» [14], а также нарушение фазы быстрого сна [15] могут увеличивать проницаемость ГЭБ. Хронический недостаток сна связан с уменьшением экспрессии белка GLUT-1, расхождением плотных контактов и увеличением парацеллюлярной проницаемости для натрия флуоресцеина и биотина. В обоих исследованиях восстановление сна было связано с восстановлением структуры и функций ГЭБ [16].

Этиология повреждения ГЭБ сводится к трем основным механизмам.

1. Расхождение плотных контактов с отеком и набуханием концевых отростков астроцитов имеет место при гипоксически-ишемическом повреждении мозга (острых нарушениях мозгового кровообращения, асфиксии новорожденных). Нарушение функции эндотелия наблюдается также у пациентов с эпилепсией.
2. Повреждение мембран астроцитов и эндотелиоцитов из-за воздействия экзо- и эндотоксинов, например, при острых нейроинфекциях, алкогольной энцефалопатии, кетоацидозе, а также при тяжелом течении таких заболеваний, как перитонит, панкреатит, грипп и т. д. (массивный нейротоксический синдром).
3. Травматическое повреждение ГЭБ с разрушением всех его структур наблюдается при тяжелых ЧМТ, интранатальных травмах и инвазивно растущих новообразованиях мозга [17, 18].

Одним из важнейших вторичных эндогенных патогенных факторов, играющих основную роль в запуске механизмов повреждения ЦНС, является наступающий на той или иной стадии патологического процесса «прорыв» ГЭБ [19].

Гипоксически-ишемическое поражение ЦНС — комплексный патологический процесс, сопровождающийся снижением скорости кровотока с последующим критическим уменьшением снабжения мозга кислородом и метаболитами. Существует прямая связь между ишемией ГМ и увеличением проницаемости капилляров. Так, гипоксия и реоксигенация приводят к нарушению парацеллюлярного транспорта вследствие открытия или разрушения ПК [18]. Церебральная ишемия приводит к нарушению кровотока, повышению проницаемости ГЭБ и связана с быстрым истощением депо основных питательных веществ и кислорода. На модели in vitro Mark и Davis (2002) продемонстрировали, что гипоксия и реоксигенация повышают проницаемость ГЭБ и негативно влияют на функцию ПК. Моделирование гипоксии in vitro показало, что ряд транскрипционных факторов и гипоксия-индуцируемый фактор-1 (HIF-1) активируются в этих условиях. Сосудистый эндотелиальный фактор роста (VEGF) и оксид азота в условиях гипоксии опосредованно индуцируют структурные изменения ПК. Высокий уровень VEGF способствует постишемическому отеку и повреждению тканей in vivo и указывает на то, что нарушение плотных контактов — один из важнейших факторов прогрессирования гипоксического повреждения ГМ [20].

Инсульт. Дисфункция ГЭБ является патологической особенностью как ишемического, так и геморрагического инсульта с неблагоприятным исходом. При ишемическом инсульте (ИИ) в 85 % случаев происходит экстравазация клеток крови, химических веществ и жидкости в паренхиму ГМ через поврежденный ГЭБ в результате увеличения параклеточной и трансклеточной проницаемости и эндотелиального повреждения. Водно-ионный гомеостаз ГМ также нарушается, что приводит к его отеку. Лейкоцитарная инфильтрация еще больше усугубляет воспалительные реакции и повреждение мозга. Во время и после ИИ повреждение ГЭБ способствует возникновению вторичного ишемического повреждения и увеличивает риск геморрагической трансформации (ГТ), ухудшая клинический исход и ограничивая возможности тромболитической терапии [21]. Одним из способов профилактики данного состояния является использование нормобарической гипероксии. Shi с соавт. (2017) обнаружили, что применение нормобарической гипероксии (при скорости потока 10 л/мин) может улучшить неврологическую функцию пациентов с ИИ после тромболизиса. Авторы предположили, что нормобарическая гипероксия активирует защитный механизм ЦНС, проявляющийся в виде уменьшения деградации окклюдина из микроциркуляторного русла [22].

Дисфункция ГЭБ начинается с началом ишемии и усиливается при длительной гипоперфузии. Тяжесть повреждения ГЭБ, а также его последствия топографически неоднородны. В сосудистых стенках ишемического ядра развивается тяжелое и необратимое повреждение, тогда как эндотелий сосудов в зоне пенумбры поврежден незначительно и потенциально может быть спасен. Диффузное легкое повреждение ГЭБ может быть обратимым при своевременной реперфузии в зоне полутени; тем не менее такая реперфузия может усилить тяжелое повреждение сосудов в области ядра. Нервно-сосудистая токсичность альтеплазы (tPA), наряду с другими патогенными факторами, такими как окислительный стресс и нейровоспаление, усугубляет последствия разрушения ГЭБ. Хотя повреждение ГЭБ обычно связано с худшим исходом после ИИ, в течение длительного времени ведутся споры о том, является ли дисфункция барьера причиной или следствием повреждения паренхимы ГМ [23].

В последние годы были опубликованы новые исследования, касающиеся защитного действия гипотермии при ишемическом повреждении ГЭБ. Локальное охлаждение мозга может снижать проницаемость ГЭБ, отек мозга и улучшать неврологический исход у крыс после введения tPA, что, возможно, связано со снижением уровня матриксной металлопептидазы-9 (ММП-9) в плазме крови [24, 25]. Летучий анестетик изофлуран также считается защитным средством против ишемии ГМ. Отдельные исследования подтверждают, что изофлурановое посткондиционирование может оказывать защитное действие на ГЭБ, ингибируя tPA-индуцированную активацию ММП-9 [26].

Защита белков ПК является еще одним важным механизмом защиты ГЭБ при опосредованном ишемией отеке ГМ. Гипертонический солевой раствор (10 % NaCl) может удалять воду из внутриклеточного пространства с помощью градиента осмотического давления, однако в последние годы детальному изучению подверглись его неосмотические функции. 10 % NaCl может ослабить повреждение ГЭБ и уменьшить отек ГМ, ингибируя подавление zonula occludens —ZO-1 и клаудина-5 эндотелиальным фактором роста сосудов [27]. Более того, обнаружено, что 10 % NaCl может уменьшать отек мозга путем ингибирования аквапорина-4 в астроцитах [28].

Помимо противоокислительных и противовоспалительных эффектов, злокачественными факторами, способствующими ишемическому повреждению ГЭБ, являются протеолиз ММП, который может разрушать белки плотных контактов. Следовательно, препараты, ингибирующие ММП, могут быть перспективными защитными средствами ГЭБ, уменьшающими отек мозга и ГТ. Так, в исследовании Ji с соавт. (2015) пропофол снижал проницаемость ГЭБ и отек ГМ у лабораторных крыс c ишемическим инсультом посредством подавления ММП-9, аквапорина-4 и pJNK (фосфорилированная концевая киназа N) [29].

Протективная концепция ишемического посткондиционирования предлагает защиту от реперфузионного повреждения путем использования коротких эпизодов ишемии и реперфузии. В экспериментальных работах показано, что создание подобных эпизодов оказывает протективный эффект после глобальной ишемии мозга, длящейся от 5 до 15 мин [30]. Esmaeeli-Nadimi с соавт. (2015) продемонстрировали, что ишемическое посткондиционирование (5 циклов 10-секундной окклюзии и 30-секундной реперфузии общих сонных артерий с двух сторон) во время реперфузионной фазы уменьшает вероятность развития злокачественной гиперемии и реперфузионного повреждения и, следовательно, уменьшает повреждение ГЭБ и улучшает неврологический исход [31]. Han с соавт. (2014) получили аналогичные результаты, касающиеся нейропротекторного эффекта ишемического посткондиционирования. Посткондиционирование стабилизирует ГЭБ за счет увеличения экспрессии белков ПК, клаудина-5 и окклюдина и ослабления повреждения нейронов, астроцитов и эндотелиальных клеток ГМ [32].

При геморрагическом инсульте происходит прямое разрушение нейронов, астроглии и ГЭБ ионами железа и гемоглобином. Запускаются патобиохимические процессы вторичного повреждения, что приводит к гибели астроцитов и выходу в кровь фибриллярного кислого белка (GFAP) [33].

Черепно-мозговая травма. Потеря целостности сосудов играет ключевую роль в опосредованном тканевом повреждении после ЧМТ. Разрушение стенок микрососудов ГЭБ активирует коагуляционный каскад. Внутрисосудистая коагуляция приводит к ишемии в зонах, окружающих первичный очаг поражения, с последующим снижением скорости церебрального кровотока (феномен «обкрадывания»). Поскольку целостность ГЭБ после травмы нарушается, клетки крови, фибриноген, тромбин и альбумин могут беспрепятственно проникать в мозг [34].

При ЧМТ наблюдается как немедленная, так и отсроченная дисфункция ГЭБ. Нарушение ПК и целостности базальных мембран приводит к увеличению параклеточной проницаемости. Травма вызывает окислительный стресс, а повышенная продукция провоспалительных медиаторов и усиление экспрессии молекул клеточной адгезии на поверхности эндотелия мозга способствуют притоку воспалительных клеток в травмированную паренхиму. Также имеются данные, свидетельствующие о том, что повреждение мозга может изменить экспрессию и/или активность переносчиков, связанных с ГЭБ. Эти патофизиологические процессы изменяют нормальные функциональные взаимодействия между глиальными клетками и цереброваскулярным эндотелием. Предполагается, что посттравматическая дисфункция ГЭБ влияет на длительность и степень восстановления нейронов [35].

Позвоночно-спинальная травма. При тяжелом травматическом повреждении в паренхиму спинного мозга проникают лейкоциты, способствуя развитию вторичных нарушений. На основании экспериментальных исследований на грызунах доказано, что дисфункция ГЛБ наступает в течение 5 мин после травмы, может длиться сроком не менее 28 суток и распространяться по всей длине спинного мозга. Некоторые исследователи предполагают, что спинальная травма генерирует двухфазное открытие ГЭБ. Первый пик повышения проницаемости происходит в течение нескольких часов, тогда как второй пик наступает между 3-м и 7-м днем после травмы [35].

Делирий. Механизм, лежащий в основе послеоперационного делирия, до конца не изучен, однако имеет доказанную взаимосвязь с нарушением ГЭБ. Сывороточные уровни биомаркера повреждения аксонов, тяжелой субъединицы фосфорилированного нейрофиламента (pNF-H), повышаются у пациентов с делирием средней и тяжелой степени, что указывает на то, что послеоперационный делирий может вызвать необратимое повреждение ЦНС. Наибольшим фактором риска долгосрочных нарушений являются продолжительность делирия и увеличение размера боковых желудочков мозга [36].

Бактериальные и вирусные инфекции центральной нервной системы. Некоторые патогенные микроорганизмы способны проникать через ГЭБ, например, менингококки, некоторые виды стрептококков — пневмококки, гемофильная палочка, листерии, кишечные палочки. Данные микроорганизмы могут вызвать воспалительные изменения мозга и его оболочек. Точный механизм проникновения патогенов через ГЭБ не изучен, однако предполагается, что на него влияют воспалительные процессы. Кроме бактерий, через ГЭБ могут проникать цитомегаловирус, вирус иммунодефицита человека и Т-лимфотропный вирус человека.

Сепсис. Реакция мозга на системную инфекцию запускается активирующим сигналом, который опосредуется тремя путями (рис. 1).

1. Нервный путь требует активации первичных афферентных нервов (блуждающий или тройничный) путем вовлечения периферических патоген-ассоциированных молекулярных структур и цитокинов.
2. Гуморальный путь вовлекает циркулирующие цитокины, которые достигают ГМ на уровне сосудистого сплетения и периферических желудочков, находящихся за пределами ГЭБ.
3. Изменения ГЭБ, вызванные активацией церебральных эндотелиальных клеток.

Рис. 1. Три физиологических пути реакции мозга на системную инфекцию. Адаптировано из [37]

Fig. 1. Three physiologically pathways of response of the brain to systemic infection [37]

Все эти пути стимулируют активацию клеток микроглии, которые, являясь резидентными иммунными клетками ГМ, синтезируют оксид азота, цитокины и активные формы кислорода, которые приводят к гибели уязвимых участков мозга. Эти же медиаторы увеличивают проницаемость ГЭБ, таким образом замыкая порочный круг прогрессирующей мозговой дисфункции. Все это усугубляется общими метаболическими нарушениями, такими как длительная гипергликемия, тяжелая гипоксемия, гемодинамической недостаточностью, применением лекарственных средств, ятрогенными факторами и факторами окружающей среды. Активация эндотелия изменяет тонус сосудов и вызывает как микроциркуляторную дисфункцию, так и коагулопатию, что способствует развитию ишемических и/или геморрагических поражений [37]. Последствия септического поражения различных типов клеток ГЭБ представлены в табл. 2.

Сепсис также влияет на отдаленные неврологические последствия. Основное исследование, опубликованное Iwashyna и соавт. (2010), показало, что до 70 % выживших после сепсиса могут иметь длительные неврологические нарушения: когнитивные, двигательные дисфункции и расстройства настроения являются тремя наиболее распространенными отдаленными неврологическими исходами у пациентов с сепсисом [38]. Особенно уязвимыми считаются пожилые люди и пациенты с ранее существовавшими нейродегенеративными заболеваниями.

Доказано, что сепсис, в частности грамотрицательный, активирует кавеолин-1 на эндотелиальной мембране. Недавно было показано, что увеличение кавеолина-1 усиливает периферическую иммунную инфильтрацию в мозге. Кавеолин-1 облегчает доставку Т-клеток в ЦНС посредством передачи сигналов, опосредованных молекулой межклеточной адгезии 1 (ICAM-1), что способствует диапедезу периферических иммунных клеток в мозг. Нарушение функции митохондрий, а также перекрестное взаимодействие между передачей сигналов от липополисахаридов к TNF-рецепторам играет роль в развитии когнитивных дисфункций после сепсиса, таких как сепсис-ассоциированная энцефалопатия [39]. Таким образом, долгосрочный прогноз у выживших после сепсиса связан как с временными, так и с постоянными изменениями структуры и функции ГЭБ [40].

Таблица 2. Последствия септического поражения различных типов клеток гематоэнцефалического барьера [40]

Table 2. The consequences of septic damage to various types of blood-brain barrier cells [40]

Эпилепсия. Существует взаимосвязь между нарушением проницаемости ГЭБ и возникновением эпилептических приступов. Развитию эпилепсии могут предшествовать ЧМТ, инсульт, онкозаболевания, связанные с нарушением ГЭБ и локального метаболизма. Судорожная активность может непосредственно повредить барьер, таким образом, ГЭБ и эпилептические приступы связаны положительной обратной связью.

Фебрильные судороги, наблюдающиеся в детском возрасте, считаются доброкачественными, т. е. относительно безопасными для ЦНС, не приводящими к нарушению целостности ГЭБ.

При церебральной малярии судорожная активность наблюдается практически у 70 % пациентов. Малярийный плазмодий поглощает большое количество глюкозы и расщепляет ее до лактата, который преодолевает ГЭБ и вызывает обширные метаболические нарушения. При церебральной форме малярии ГЭБ может нарушаться и без нарушения целостности эндотелия за счет выраженного отека ГМ.

У 13–17 % больных с височной эпилепсией в анамнезе есть указание на перенесенные в детстве длительные фебрильные приступы. В 60 % случаев эпилепсия сопровождается склерозом гиппокампа с обширной гибелью нейронов и глиозом. Изменения проницаемости ГЭБ приводят к экстравазации альбумина. У пациентов, умерших в результате эпистатуса, альбумин обнаруживается не только экстравазально, но и интрамедуллярно. Помимо воспаления в эпилептогенной ткани значительно увеличена плотность сосудов, что коррелирует с кратностью судорожных приступов. Ангиогенез запускается эндотелиальным фактором роста сосудов (VEGF), который нарушает связи в плотных контактах ГЭБ. У пациентов с эпилепсией показано снижение количества белков ПК как у людей, так и на животных моделях. Избыточная васкуляризация и открытие ПК приводят к появлению в ГМ различных ксенобиотиков. В ответ на их появление эпилептогенные ткани активно вырабатывают P-гликопротеин (P-gp), что препятствует проникновению в ГМ противоэпилептических препаратов и способствует возникновению фармакорезистентной эпилепсии [41].

Сахарный диабет. Изменения уровня глюкозы в плазме (гипер- или гипогликемия) были связаны с измененными транспортными функциями ГЭБ, нарушением его целостности в области плотных контактов и окислительным стрессом в микрокапиллярах ЦНС и снижением содержания окклюдина в эндотелиоцитах (рис. 2) [18, 42, 43]. Накопленные данные указывают на то, что вызванные гипергликемией цереброваскулярные осложнения, особенно дисфункция ГЭБ, являются основными причинами неблагоприятного исхода инсульта. Гипергликемия также является фактором риска внутримозгового кровоизлияния, которое по меньшей мере частично обусловлено массивным открытием ГЭБ.

Рис. 2. Схематическое изображение нейровоспалительных механизмов, участвующих в усугублении повреждения головного мозга после церебральной ишемии в условиях гипергликемии/гипогликемии. АФК — активные формы кислорода. Адаптировано из [43]

Fig. 2. Schematic representation of neuroinflammatory mechanisms involved in aggravating brain damage following cerebral ischemia under hyperglycemic/hypoglycemic conditions. ROS — reactive oxygen species [43]

Основным анатомическим изменением, объясняющим нарушение целостности ГЭБ при гипергликемии, является нарушение ПК с повышенной параклеточной проницаемостью. Уровни белка окклюдина, клаудина-5 и ZO-1, снижаются на фоне гипергликемии.

Нарушение гематоэнцефалического барьера — ключевая особенность радиационного поражения ЦНС. Изменения в эндотелии являются самыми ранними признаками воздействия радиации, так как микрососуды являются наиболее чувствительной частью мозга при радиационно-индуцированных повреждениях ГМ.

Большинство нейровоспалительных состояний (включая ВИЧ-1 опосредованный энцефалит, рассеянный склероз и болезнь Альцгеймера) характеризуется нарушением ГЭБ и открытием плотных контактов. ВИЧ-1-инфицированные макрофаги и микроглия вырабатывают цитокины, хемокины, реактивные формы кислорода, глутамат и ММП, которые могут изменять морфологию и функцию ПК. Кроме того, вирусные белки, секретируемые инфицированными клетками, также напрямую влияют на экспрессию и функцию ПК. Взаимодействия между активированными макрофагами и астроцитами мозга усиливают воспалительный ответ (производство хемокинов), что приводит к изменению структуры ГЭБ. Предполагается, что нарушение клиренса β-амилоида через ГЭБ, аберрантный ангиогенез и старение цереброваскулярной системы могут инициировать гипоперфузию мозга и сосудисто-нервное воспаление при болезни Альцгеймера. Полиморфизм клаудина-5 был недавно связан с развитием шизофрении и дисфункцией ГЭБ.

ГЭБ скомпрометирован также и при опухолях головного мозга, что приводит к повышению проницаемости сосудов. Экспрессия белков ПК либо снижается (клаудин-5), либо полностью прекращается (клаудин-1, окклюдин) и в первичном опухолевом очаге, и в метастазах. Сосудистый эндотелиальный фактор роста, цитокины и факторы роста, секретируемые опухолевыми клетками, способствуют дисфункции плотных контактов [18].

Заключение

Хронические неврологические нарушения являются все более распространенным и плохо изученным клиническим исходом различных заболеваний. Понимание детерминант целостности ГЭБ во время критических состояний крайне важно для диагностики и реализации дифференцированных вариантов лечения. Важно отметить, что долгосрочный прогноз у пациентов отделений интенсивной терапии связан как с временными, так и с постоянными изменениями проницаемости и функций ГЭБ. Таким образом, нацеливание на ГЭБ должно являться частью краткосрочной и долгосрочной терапевтической стратегии у всех тяжелых пациентов. Разработка методов лечения, направленных на коррекцию дисфункции ГЭБ, снижает летальность, подавляет нейровоспаление и улучшает неврологические исходы у реанимационных пациентов. Не менее важным для эффективного лечения является лучшее понимание того, как противомикробные препараты и другие лекарственные вещества (например, препараты для инфузионной терапии или вазопрессоры) проникают через ГЭБ и есть ли какие-либо дополнительные нежелательные воздействия на функцию мозга. Понимание клеточных и молекулярных механизмов, вызывающих повреждение ГЭБ, позволит клиницисту улучшить результаты лечения различных патологических состояний: от болезни Альцгеймера и инсульта до сахарного диабета и сердечно-сосудистых заболеваний.

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Вклад авторов. Горбачев В.И., Брагина Н.В. — разработка концепции статьи, получение и анализ фактических данных, написание и редактирование текста статьи, проверка и утверждение текста статьи.

ORCID авторов

Горбачев В.И. — 0000-0001-6278-9332

Брагина Н.В. — 0000-0001-6131-8184

Литература

Liu X., Jing J., Guo-Qing Z. General anesthesia affecting on developing brain: evidence from animal to clinical research. Int. J. Anesthetics and Anesthesiology. 2019; 7: 101. DOI: 10.23937/2377-4630/1410101

Tétrault S., Chever O., Sik A., Amzica F. Opening of the blood-brain barrier during isoflurane anaesthesia. European J. Neuroscience. 2008; 28(7): 1330–1341. DOI: 10.1111/j.1460-9568.2008.06443.x

Heinemann U. New dangers of anesthesia: isoflurane induced opening of the blood-brain barrier (Commentary on Tétrault et al.). European J. Neuroscience. 2008; 28: 1329–1329. DOI: 10.1111/j.1460-9568.2008.06500.x

Thal S.C., Luh C., Schaible E.V., et al. Volatile anesthetics influence blood-brain barrier integrity by modulation of tight junction protein expression in traumatic brain injury. PLOS ONE. 2012; 7(12): e50752. DOI: 10.1371/journal.pone.0050752

Yang S., Gu C., Mandeville E.T., et al. Anesthesia and surgery impair blood-brain barrier and cognitive function in mice. Frontiers in Immunology. 2017; 12(10): 902. DOI: 10.3389/fimmu.2017.00902

Restin T. Sevoflurane protects rat brain endothelial barrier structure and function after hypoxia-reoxygenation injury. PLOS ONE. 2012; 7(12): e0184973. DOI: 10.1371/journal.pone.0184973.

Acharya N.K., Goldwaser E.L., Forsberg M.M., et al. Sevoflurane and Isoflurane induce structural changes in brain vascular endothelial cells and increase blood-brain barrier permeability: Possible link to postoperative delirium and cognitive decline. Brain Research. 2015; 1620: 29–41. DOI: 10.1016/j.brainres.2015.04.054

Sharma H.S., Pontén E., GordhT., et al. Propofol promotes blood-brain barrier breakdown and heat shock protein (HSP 72kd) activation in the developing mouse brain. CNS & neurological disorders drug targets. 2014; 13(9): 1595–603. DOI: 10.2174/1871527313666140806122906

Erdő F., Denes L., de Lange E. Age-associated physiological and pathological changes at the blood-brain barrier: A review. J. Cerebral Blood Flow &Metabolism. 2017; 37(1): 4–24. DOI: 10.1177/0271678X16679420

Jiang X., Andjelkovic A.V., Zhu L., et al. Blood-brain barrier dysfunction and recovery after ischemic stroke. Progress in Neurobiology. 2018; 163–164: 144–171. DOI: 10.1016/j.pneurobio.2017.10.001

Bake S., Friedman J.A., Sohrabji F. Reproductive age-related changes in the blood brain barrier: expression of IgG and tight junction proteins. Microvascular Research. 2009; 78: 413–424. DOI: 10.1016/j.mvr.2009.06.009

De Reuck J.L. Histopathological stainings and definitions of vascular disruptions in the elderly brain. Experimental Gerontology. 2012; 47: 834–837. DOI: 10.1016/j.exger.2012.03.012

Van Dyken P., Lacoste B. Impact of Metabolic Syndrome on Neuroinflammation and the Blood–Brain Barrier. Frontiers Neuroscience. 2018; 12: 930. DOI: 10.3389/fnins.2018.00930

Gomez-Gonzalez B., Hurtado-Alvarado G., Esqueda-Leon E., et al. REM sleep loss and recovery regulates blood-brain barrier function. Current neurovascular research. 2013; 10: 197–207. DOI: 10.2174/15672026113109990002

He J., Hsuchou H., He Y., et al. Sleep restriction impairs blood-brain barrier function. J. Neuroscience. 2015; 34: 14697–14706. DOI: 10.1523/JNEUROSCI.2111-14.2014

Keaney J., Campbell M. The dynamic bloodbrain barrier. The FEBS Journal. 2015; 282: 4067–4079. DOI: 10.1111/febs.13412

Раевский О.А., Солодова С.Л., Лагунин А.А., Поройков В.В. Компьютерное моделирование проницаемости физиологически активных веществ через гематоэнцефалический барьер. Биомедицинская химия. 2014; 60(2): 161–181. DOI: 10.18097/PBMC20146002161 [Raevskij O.A., Solodova S.L., Lagunin A.A., Porojkov V.V. Computer modeling of blood brain barrier permeability of physiologically active compounds. Biomedicinskaja himija. 2014; 60(2): 161–181. (In Russ)]

Блинов Д.В. Современные представления о роли нарушения резистентности гематоэнцефалического барьера в патогенезе заболеваний ЦНС. Часть 2: функции и механизмы повреждения гематоэнцефалического барьера. Эпилепсия и пароксизмальные состояния. 2014; 6(1): 70–84. [Blinov D.V. Sovremennye predstavleniya o roli narusheniya rezistentnosti gematoencefalicheskogo bar’era v patogeneze zabolevanij CNS. CHast’ 2: funkcii i mekhanizmy povrezhdeniya gematoencefalicheskogo bar’era. Jepilepsija i paroksizmal’nye sostojanija. 2014; 6(1): 70–84. (In Russ)]

Блинов Д.В. Современные представления о роли нарушения резистентности гематоэнцефалического барьера в патогенезе заболеваний ЦНС. Часть 1: Строение и формирование гематоэнцефалического барьера. Эпилепсия и пароксизмальные состояния. 2013; 5(3): 65–75. [Blinov D.V. Sovremennye predstavleniya o roli narusheniya rezistentnosti gematoencefalicheskogo bar’era v patogeneze zabolevanij CNS. CHast’ 1: Stroenie i formirovanie gematoencefalicheskogo bar’era. Jepilepsija i paroksizmal’nye sostojanija. 2013; 5(3): 65–75. (In Russ)]

Persidsky Y., Ramirez S.H., Haorah J., Kanmogne G.D. Blood-brain barrier: Structural components and function under physiologic and pathologic conditions. J. Neuroimmune Pharmacology. 2006; 1(3): 223–236. DOI: 10.1007/s11481-006-9025-3

Sweeney M.D., Zhao Z., Montagne A., et al. Blood-Brain Barrier: From Physiology to Disease and Back. Physiological Reviews. 2019; 99(1): 21–78. DOI: 10.1152/physrev.00050.2017

Shi S., Qi Z., Ma Q., et al. Normobaric Hyperoxia Reduces Blood Occludin Fragments in Acute Ischemic Stroke Rats and Patients. Stroke. 2017; 48(10): 2848–2854. DOI: 10,1161 / STROKEAHA.117.017713

Jiang X., Andjelkovic A.V., Zhu L., et al. Blood-brain barrier dysfunction and recovery after ischemic stroke. Progress in Neurobiology. 2018; 163–164: 144–171. DOI: 10.1016/j.pneurobio.2017.10.001

Cechmanek B.K., Tuor U.I., Rushforth D., Barber P.A. Very mild hypothermia (35 degrees C) postischemia reduces infarct volume and blood-brain barrier breakdown following tPA treatment in the mouse. Therapeutic Hypothermia and Temperature Management. 2015; 5: 203–208. DOI: 10.1089/ther.2015.0010

Zarisfi M., Allahtavakoli F., Hassanipour M., et al. Transient brain hypothermia reduces the reperfusion injury of delayed tissue plasminogen activator and extends its therapeutic time window in a focal embolic stroke model. The Brain Research Bulletin. 2017; 134: 85–90. DOI: 10.1016/j.brainresbull.2017.07.007

Yongchang L., Wei Z., Zheng J., Xiangqi T. New progress in the approaches for blood-brain barrier protection in acute ischemic stroke. The Brain Research Bulletin. 2019; 144: 46–57. DOI: 10.1016/j.brainresbull.2018.11.006

Huang L., Wong S., Snyder E.Y., et al. Human neural stem cells rapidly ameliorate symptomatic inflammation in early-stage ischemic-reperfusion cerebral injury. Stem Cell Research & Therapy. 2014; 5: 129. DOI: 10.1186/scrt519

Cao C., Yu X., Liao Z., et al. Hypertonic saline reduces lipopolysaccharide-induced mouse brain edema through inhibiting aquaporin 4 expression. Critical Care. 2012; 16: 186. DOI: 10.1186/cc11670

Ji F.T., Liang J.J., Miao L.P., et al. Propofol post-conditioning protects the blood brain barrier by decreasing matrix metalloproteinase-9 and aquaporin-4 expression and improves the neurobehavioral outcome in a rat model of focal cerebral ischemia-reperfusion injury. Molecular Medicine Reports. 2015; 12: 2049–2055. DOI: 10.3892/mmr.2015.3585

Щербак Н.С., Галагудза М.М., Нифонтов Е.М. Ишемическое посткондиционирование головного мозга. Трансляционная медицина. 2015; (1): 5–14. DOI: 10.18705/2311-4495-2015-0-1-5-14 [Shherbak N.S., Galagudza M.M., Nifontov E.M. Ishemicheskoe postkondicionirovanie golovnogo mozga. Transljacionnaja medicina. 2015; (1): 5–14. (In Russ)]

Esmaeeli-Nadimi A., Kennedy D., Allahtavakoli M. Opening the window: ischemic postconditioning reduces the hyperemic response of delayed tissue plasminogen activator and extends its therapeutic time window in an embolic stroke model. The European J. Pharmacology. 2015; 764: 55–62. DOI: 10.1016/j.ejphar.2015.06.043

Han D., Zhang S., Fan B., et al. Ischemic postconditioning protects the neurovascular unit after focal cerebral ischemia/reperfusion injury. J. Molecular Neuroscience. 2014; 53: 50–58. DOI: 10.1007/s12031-013-0196-0

Краснов А.В. Астроцитарные белки головного мозга: структура, функции, клиническое значение. Неврологический журнал. 2012; 1: 37–42. [Krasnov A.V. Astrocitarnye belki golovnogo mozga: struktura, funkcii, klinicheskoe znachenie. Nevrologicheskij zhurnal. 2012; 1: 37–42. (In Russ)]

Sweeney M.D., Zhao Z., Montagne A., et al. Blood-brain barrier: from physiology to disease and back. Physiological Reviews. 2019; 99: 21–78. DOI: 10.1152/physrev.00050.2017

Thal S.C., Neuhaus W. The blood-brain barrier as a target in traumatic brain injury treatment. Archives of Medical Research. 2014; 45(8): 698–710. DOI: 10.1016/j.arcmed.2014.11.006

Mietani K., Sumitani M., Ogata T., et al. Dysfunction of the blood-brain barrier in postoperative delirium patients, referring to the axonal damage biomarker phosphorylated neurofilament heavy subunit. PLOS ONE. 2019; 14(10): e0222721. DOI: 10.1371/journal.pone.0222721

Sonneville R., Verdonk F., Rauturier C., et al. Understanding brain dysfunction in sepsis. Annals of Intensive Care. 2013; 3: 15. DOI: 10.1186/2110-5820-3-15

Iwashyna T.J., Burke J.F., Sussman J.B., et al. Implications of heterogeneity of treatment effect for reporting and analysis of randomized trials in critical care. American J. Respiratory and Critical Care Medicine. 2015; 192(9): 1045–1051. DOI: 10.1164/rccm.201411-2125CP

Kuperberg S.J., Wadgaonkar R. Sepsis-associated encephalopathy: the blood-brain barrier and the sphingolipid rheostat. Frontiers of Immunology. 2017; 8: 597. DOI: 10.3389/fimmu.2017.00597

Nwafor D.C., Brichacek A.L., Mohammad A.S., et al. Targeting the blood-brain barrier to prevent sepsis-associated cognitive impairment. J. Central Nervous System Disease. 2019; 11: 1–14. DOI: 10.1177/1179573519840652

Аббасова К.Р., Зыбина А.М., Куличенкова К.Н., Солодков Р.В. Роль гематоэнцефалического барьера при развитии детских фебрильных приступов и височной эпилепсии. Физиология Человека. 2016; 42(5): 1–7. [Abbasova K.R., Zybina A.M., Kulichenkova K.N., Solodkov R.V. Rol’ gematoencefalicheskogo bar’era pri razvitii detskih febril’nyh pristupov i visochnoj epilepsii. Fiziologija Cheloveka. 2016; 42(5): 1–7. (In Russ)]

Rhea E.M., Banks W.A. Role of the blood-brain barrier in central nervous system insulin resistance. Frontiers in Neuroscience. 2019; 13: 521. DOI: 10.3389/fnins.2019.00521

Shukla V., Shakya A.K., Perez-Pinzon M.A., Dave K.R. Cerebral ischemic damage in diabetes: an inflammatory perspective. J. Neuroinflammation. 2017; 14: 21. DOI: 10.1186/s12974-016-0774-5

Основные функции гематоэнцефалического барьера Текст научной статьи по специальности «Фундаментальная медицина»

НАУЧНЫЕ ОБЗОРЫ

© МОРГУН А.В. — 2012 УДК 612.824

ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИИ ГЕМАТОЭНЦЕФАЛИЧЕСКОГО БАРЬЕРА

Андрей Васильевич Моргун (Красноярский государственный медицинский университет им. проф. В.Ф.Войно-Ясенецкого, ректор — д.м.н., проф. И.П. Артюхов, кафедра педиатрии ИПО, зав. — д.м.н., проф.

Т.Е. Таранушенко, НИИ молекулярной медицины и патобиохимии, руководитель НИИ —

д.м.н., проф. А.Б. Салмина)

Резюме. В статье рассмотрена структура и функции гематоэнцефалического барьера и нейроваскулярной единицы. Основными клетками, входящими в их состав являются эндотелиоциты, перициты, астроциты и нейроны. Основные функции гематоэнцефалического барьера: локальное управление кровотоком головного мозга, в соответствии с потребностями тех или иных анатомических областей; метаболическое обеспечение нейронов и метаболизма синапсов; защитная функция от нейротоксических веществ.

Ключевые слова: гематоэцефалический барьер, межклеточные взаимодействия, плотные контакты, проницаемость, Р-гликопротеин.

THE PRINCIPAL FUNCTIONS OF THE BLOOD-BRAIN BARRIER

A.V Morgun (Krasnoyarsk State Medical University)

Summary. The paper describes the structure and function of blood-brain barrier and neurovascular unit. The principal cells, entering it are endothelial cells, pericytes, astrocytes and neurons. The main functions of the blood-brain barrier are: local control of cerebral blood flow; metabolic support of neurons and synapses and the protective function against neurotoxic substances.

Key words: blood-brain barrier, cell interactions, tight junctions, permeability, P-glycoprotein

Гематоэнцефалический барьер (ГЭБ) является функциональной структурой головного мозга, регулирующей проникновение в ЦНС различных чужеродных, ядовитых веществ и соединений, проникающих в кровь или образовавшихся в самом организме, в том числе и лекарств, способных повредить нервные клетки головного и спинного мозга [19]. Такой барьер не является непреодолимой преградой, отделяющей центральную нервную систему от общей внутренней среды. Непроницаемость его относительна и зависит от количества и концентрации находящихся в крови веществ, состояния организма, длительности пребывания вещества в организме, от внешних воздействий и ряда других причин. В целом, функции нейроваскулярной единицы, можно разделить следующим образом: 1. Локальное управление кровотоком в головном мозге, в соответствии с потребностями тех или иных анатомических областей; 2. Метаболическое обеспечение нейронов и метаболизма синапсов; 3. Защитная функция от нейротоксических веществ.

Анатомические элементы, из которых складывается структура барьера, не только защищают мозг, но и регулируют его жизнедеятельность, питание, выведение продуктов обмена веществ. Этими элементами являются функционально и анатомически связанные между собой эндотелиоциты капилляров головного мозга, астроциты, нейроны и перициты.

Рассматривая систему защиты ЦНС от проникновения потенциально токсичных и опасных веществ из крови можно выделить три линии обороны:

1). Клеточный барьер, образованный самими клетками ГЭБ и межклеточными плотными контактами, ограничивающий свободное передвижение водорастворимых веществ, эндоцитоз и трансцитоз.

2). Ферментативный барьер — обеспечивается комплексом ферментных систем, таких как аце-тилхолинэстераза, щелочная фосфатаза, гамма-глутамилтранспептидаза, моноаминоксидаза и другими ферментами, участвующими в метаболизме лекарственных препаратов и способных разрушать различные химические вещества.

3). Система эффлюксных ABC-белков-переносчиков (ATP-binding cassette transporters), представленных белками ABCB1 (Р-гликопротеин), ABCC1, ABCC4 и ABCG2 (BCR-протеин).

Эндотелиоциты.

Эндотелиоциты капилляров головного мозга принципиально отличаются от эндотелиоцитов других органов и тканей организма. Именно им отводится одна из основных ролей в непосредственной регуляции проницаемости гематоэнцефалического барьера. Так для эндотелиоцитов, входящих в состав нейроваскулярной единицы, характерно: повышенное содержание митохондрий [34], отсутствие фенестраций капилляров [16], высокая трансэндотелиальная электрическая устойчивость, минимальная пиноцитозная активность [37], наличие «плотных контактов» (tight junctions), что значительно ограничивает парацелюллярную проницаемость [7,26]. Ко всему вышеперечисленному важную протек-тивную роль эндотелиоцитов в составе нейроваскулярной единицы, объясняет уникальный набор рецепторного аппарата, транспортных белков, неселективных, эффлюксных помп [5].

Перициты.

В последних работах, посвященных исследованиям особенностей проницаемости ГЭБ, уделяется внимание перицитам как одному из элементов НВЕ. Перициты или клетки Руже представляют собой удлиненные мно-гоотростчатые клетки, расположенные вдоль длинной оси капилляра. Для цитоплазмы перицитов характерно наличие фибриллярных элементов и микропиноци-тозных пузырьков, на мембранах которых выявляется АТФ-азная активность. Многочисленные отростки, охватывают капилляры и посткапиллярные венулы, контактируют с эндотелиальными клетками и аксонами симпатических нейронов. Они передают нервное возбуждение от нейрона эндотелиоцитам, что приводит к накоплению или потере клеткой жидкости. Это, в свою очередь, приводит к расширению или сужению просвета сосудов [35]. В настоящее время перициты считаются малодифференцированными клеточными элементами, участвующими в ангиогенезе, эндотелиальной проли-

ферации и воспалительных реакциях [14]. Они оказывают стабилизирующий эффект на новые сформировавшиеся сосуды и приостанавливают их рост. Важную роль в этом процессе играет TGF-beta1 (трансформирующий ростовой фактор). Исследования in vitro показали, что при взаимодействии эндотелиальных клеток и предшественников перицитов происходит активация TGF-beta1. Это в свою очередь приводит к уменьшению пролиферации и миграции эндотелиальных клеток, стимулирует дифференцировку предшественников перицитов в зрелые перициты. Образование перицитов и накопление внеклеточных матричных белков способствует окончательному развитию сосудов и переходу их в стабильное состояние. В случае отсутствия перицитов отмечается эндотелиальная гиперплазия, патологическая васкуляризация головного мозга и повышенная проницаемость ГЭБ [3].

Астроциты.

В целом же работа всех транспортных систем нейроваскулярной единицы и гематоэнцефалического барьера контролируется астроцитами [2]. Астроциты окутывают своими окончаниями сосуды и контактируют непосредственно с эндотелиоцитами [13].

Впервые предположение о регулирующей роли на активность энодотелиоцитов в гематоэнцефалическом барьере предположили Davson и Oldendorf в 1967 году [12]. Позднее, опытным путем было подтверждена роль астроцитов в регуляции проницаемости ГЭБ. Было установлено, что астроциты специфически влияют на развивающуюся сосудистую ткань и определяют свойства энодтелиоцитов ГЭБ [39]. При этом эндотелиоци-ты приобретают способность к повышенной экструзии ксенобиотиков из ткани мозга [25].

Подобные результаты получены и в опытах in vitro, где добавление астроцитов в со-культуру значительно снижало проницаемость ГЭБ для ксенобиотиков [21,41]. При этом было обнаружено снижение функциональной активности эндотелиоцитов при временной локальной деструкции астроцитов, с последующим восстановлением активности ГЭБ [44].

Наряду с этим есть работы, показывающие, что функции ГЭБ остаются длительное время неизмененными даже в тех областях мозга, где произошли значительные разрушения астроцитов [27]. Предполагается, что астроциты являются посредниками и осуществляют лишь передачу регулирующих сигналов от нейронов к эндотелиоцитам [4], в частности, через кальций-опосредованные взаимодействия между астроцитами и эндотелиоцитами, а также через пуринэргические взаимодействия. Они способны вырабатывать различные нейроактивные вещества, включая нейропептиды, факторы роста, эйкозаноиды и стероиды [31]. Также установлено, что в формировании ГЭБ участвуют трансформирующий ростовой фактор альфа (TGF-a) и глиальный нейротрофический фактор (GDNF). Именно этим двум фактором отводится роль в развитии и поддержании плотных контактов между эндотелиоцитами [1]. Астроциты регулируют проницаемость воды через ГЭБ с помощью белка аквапорина (AQP4). Максимальная экспрессия указанного белка обнаружена в окончаниях астроцитов, в местах контакта с эпителиоцитами [36]. Также огромное количество астроцитов вокруг сосудов, можно объяснить повышенной потребностью нейронов в глюкозе и особенностями нейрон-астроцитарных взаимодействий. Астроциты экспрессируют большое количество транспортеров глюкозы, конвертируют глюкозу в лактат и только после этого доставляют лактат к нейронам [40].

Нейроны.

Капилляры головного мозга иннервируются нора-дренергическими, серотонинергическими, холинер-гическими и ГАМК-ергическими нейронами [22]. При этом нейроны входят в состав нейроваскулярной единицы и оказывают существенное влияние на функции ГЭБ. Они индуцируют экспрессию ГЭБ-связанных бел-

ков в эндотелиоцитах головного мозга [42].

Межклеточные соединения.

С точки зрения ограничения проницаемости ГЭБ существенное значение имеют особенности межклеточных контактов, включающие плотные соединения (tight junctions) и контакты сцепления ^dherens junctions).

Плотные контакты.

Между контактирующими эндотелиоцитами образуется непрерывная линия плотных контактов, что является одним из важнейших фенотипических особенностей ГЭБ. Плотные контакты между эндотелиоцита-ми представляют собою физический барьер, ограничивающий транспорт через межклеточное пространство для большинства молекул и соединений, приводящий, таким образом, к транспорту веществ через цитоплазму клетки. Молекулярные составляющие плотных контактов можно разделить на трансмембранные и цитоплазматические белки. К трансмембранным белкам относят окклюдин [17], соединительные молекулы адгезии (junctional adhesion molecules) [28] и белки семейства клаудинов [18]. Эндотелиальные клетки головного мозга экспрессируют клаудин-5 [30] и в меньшей степени клаудины -3, -10, -12, и, возможно, некоторые другие [33].

Внутриклеточные белки, участвующие в образовании плотных контактов, соединяются с белками цитоскелета (актин) и связывают их с трансмембранными белками.dherens junctions) обеспечивают адгезию эндотелиоцитов между собой, контактное торможение во время роста сосудов и при реваскуляри-зации, поддержание заряда клеток, а также участвуют в регуляции межклеточной проницаемости.

Трансмембранными белками, которые формируют контакты сцепления, являются кадгерины (cadherins), которые соединяются с белками цитоскелета посредством катенинов (catenins) (катенин-альфа, катенин-бета и катенин-гамма) [6]. Установлено, что контакты сцепления и плотные контакты могут быть структурно взаимосвязаны. Например, было показано, что ZO-1 и ZO-2 могут взаимодействовать с альфа-катенинами [23,24].

Система эффлюксных ABC-белков-переносчиков.

Проницаемость через гематоэнцефалический барьер для многих гидрофобных веществ ограничивается функцией эффлюксных транспортеров суперсемейства АВС. Все представители суперсемейства ABC-транспортеров отвечают за феномен мультилекарственной резистентности. Среди семи идентифицированных подсемейств, обнаруженных у человека, насчитывающих более сорока представителей, три из которых эксперссируют-ся и действуют в гематоэнцефалическом барьере. Это ABCB1 (Р-гликопротеин), ABCC1, ABCC4 и ABCG2 (BCR-протеин). Сокультивирование эндотелия сосудов головного мозга с глиальными клетками показало более высокую экспрессию и активность транспортных белков суперсемейства ABC, а также сниженную проницаемость по сравнению с монослоем эндотелиоцитов [43]. Таким образом, экспрессия и активность указанных белков зависит и от межклеточных взаимодействий в гематоэнцефалическом барьере.

Типичными представителями АТФ-зависимых транспортеров АВС-суперсемейства является P-гликопротеин (белок мультилекарственной устойчивости-mrp) и белок BCRP (breast cancer-resistant protein). P-гликопротеин впервые был обнаружен в опухолевых клетках, при изучении феномена лекарственной устойчивости. Р-гликопротеин располагается в лю-минальной мембране эндотелиоцитов и, таким образом, представляет первую ферментативную линию защиты от проникновения в мозг различных веществ [5].

BCRP (ABCG2) — второй член семейства G АТФ-

зависимых транспортеров. С помощью иммуноблот-тинга экспрессия BCRP была обнаружена в головном мозге. Дальнейшие исследования при помощи конфокального микроскопирования продемонстрировали его наличие на люминальной поверхности эндотелиальных клеток [11]. Doyle и Ross проанализировали уровень мРНК BCRP и обнаружили нуклеиновую кислоту в черной субстанции, гипофизе, таламусе [15]. Несмотря на то, что BCRP считается ответственным за лекарственную устойчивость, механизмы проявления этой функции остаются еще слабо изученными.

Еще одной группой переносчиков, локализующихся в ЦНС, является суперсемейство энергетически независимых SLC-транспортеров, включающее в себя более 300 представителей, сгруппированных в 48 семейств. Основная функция указанных переносчиков — транспорт веществ с высокой степенью гидрофильности или ионизации, которые не могут проникнуть через ГЭБ другим путем. К семейству SLC-транспортеров относятся переносчики глюкозы (SLC2), анионов и катионов (SLC22), аминокислот (SLC7), олигопептидов (SLC15) [8]. Также SLC-транспортеры участвуют в абсорбции

ЛИТЕРАТУРА

1. Abbott N.J. Astrocyte-endothelial interactions and blood-brain barrier permeability // J. Anat. — 2002. — Vol. 200. №6. -Р.629-638.

2. Abbott N.J., Ronnback L., Hansson E. Astrocyte-endothelial interactions at the blood-brain barrier // Nat. Rev. Neurosci. -2006. — № 7. — Р.41-53.

3. Armulik A., Genove G., Mae M., et al. Pericytes regulate the blood-brain barrier // Nature. — 2010. — № 468. — Р.557-561.

4. Ballabh P., Braun A., NedergaardM. The blood-brain barrier: an overview: structure, regulation, and clinical implications // Neurobiol. Dis. — 2004. — №16. — Р1-13.

5. Begley D.J. ABC transporters and the blood-brain barrier // Curr. Pharm. Des. — 2004. — №10. — Р1295-1312.

6. Breier G., Breviario F., Caveda L., et al. Molecular cloning and expression of murine vascular endothelial-cadherin in early stage development of cardiovascular system // Blood. — 1996. -№87. — Р630-641.

7. Brightman M.W., Reese T.S. Junctions between intimately apposed cell membranes in the vertebrate brain // J. Cell Biol. -1969. — №40. — Р648-677.

8. Carl S.M., Lindley D.J., Couraud P.O., et al. ABC and SLC transporter expression and pot substrate characterization across the human CMEC/D3 blood-brain barrier cell line // Mol. Pharm.

— 2010. — №7. — Р1057-1068.

9. Citi S., Sabanay H., Jakes R., et al. Cingulin, a new peripheral component of tight junctions // Nature. — 1988. — №333. — Р.272-276.

10. Citi S., Sabanay H., Kendrick-Jones J., Geiger B. Cingulin: characterization and localization // J. Cell Sci. — 1989. — №93. -Р107-122.

11. Cooray H.C., Blackmore C.G., Maskell L., Barrand M.A. Localisation of breast cancer resistance protein in microvessel endotheliumof human brain // Neuroreport. — 2002. — №13. -Р2059-2063.

12. Davson H., Oldendorf W.H. Symposiumon membrane transport. Transport in the central nervous system // Proc. R. Soc. Med. — 1967. — №60. — Р326-329.

13. Del Zoppo G.J., Hallenbeck J.M. Advances in the vascular pathophysiology of ischemic stroke // Thromb. Res. — 2000. -№98. — Р73-81.

14. Dore-DuffyP. Pericytes: pluripotent cells of the blood brain barrier // Curr. Pharm. Des. — 2008. — №14. — Р1581-1593.

15. Doyle L.A., Ross D.D. Multidrug resistance mediated by the breast cancer resistance protein BCRP (ABCG2) // Oncogene.

— 2003. — № 22. — Р7340-7358.

16. Fenstermacher J., Gross P., Sposito N., et al. Structural and functional variations in capillary systems within the brain // Ann. N.Y. Acad. Sci. — 1988. — №529. — Р21-30.

17. Furuse M., Hirase T., Itoh M., et al. Occludin: a novel integral membrane protein localizing at tight junctions // J. Cell Biol. — 1993. — № 123. — Р1777-1788.

18. Furuse M., Fujita K., Hiiragi T., et al. Claudin-1 and -2 novel integral membrane proteins localizing at tight junctions with no sequence similarity to occludin // J. Cell Biol. — 1998. -№141. — Р1539-1550.

лекарственных препаратов, что определяет их распределение и фармакокинетические особенности в ЦНС [29]. Но окончательная роль SLC-транспортеров в изменении проницаемости ГЭБ при патологических состояниях еще не полностью ясна.

Таким образом, гематоэнцефалический барьер активный барьер, осуществляющий взаимодействие между кровью и центральной нервной системой. Барьерная функция заключается в ограничении транспорта из крови в мозг потенциально токсичных и опасных веществ. При этом обеспечивает транспорт питательных веществ и удаление метаболитов. ГЭБ играет важную роль в клинической практике. С одной стороны, есть большое количество различной патологии, включая ишемию, травму, опухоли головного мозга и нейродеге-неративные заболевания, при которых проницаемость ГЭБ увеличивается. С другой стороны из-за относительной плотности барьера многие лекарственные вещества не могут проникнуть в центральную нервную систему в терапевтических концентрациях. Таким образом, гема-тоэнцефалический барьер становится одним из основных препятствий в терапии заболеваний ЦНС.

19. Goldstein G.W., Betz A.L., Bowman P.D., Dorovini-Zis K. In vitro studies of the blood-brain barrier using isolated brain capillaries and cultured endothelial cells // Ann. N.Y. Acad. Sci. -1986. — Vol. 481. — P.202-213.

20. Gumbiner B., Lowenkopf T., Apatira D. Identification of a 160-kDa polypeptide that binds to the tight junction protein ZO-1 // PNAS. — 1991. — №88. — Р3460-3464.

21. Wolburg H., Neuhaus J., Kniesel U., et al. Modulation of tight junction structure in blood-brain barrier endothelial cells. Effects of tissue culture, second messengers and cocultured astrocytes // J. Cell Sci. — 1994. — №107. — Р1347-1357.

22. Hawkins B.T., Davis T.P. The blood-brain barrier/ neurovascular unit in health and disease // Pharmacol. Rev. -2005. — №57. — Р173-185.

23. Itoh M., Nagafuchi A., Moroi S., Tsukita S. Involvement of ZO-1 in cadherin-based cell adhesion through its direct binding to alpha catenin and actin filaments // J. Cell. Biol. — 1997. — №138.

— Р.181-192.

24. Itoh M., Morita K., Tsukita S. Characterization of ZO-2 as a MAGUK family member associated with tight as well as adherens junctions // J. Biol. Chem. — 1999. — №274. — Р5981-5986.

25. Janzer R.C., Raff M.C. Astrocytes induce blood-brain barrier properties in endothelial cells // Nature. — 1987. — №325.

— Р.253-257.

26. Kniesel U., Wolburg H. Tight junctions of the blood-brain barrier // Cell. Mol. Neurobiol. — 2000. — Vol. 20. №1. — Р57-76.

27. Krum J.M., Kenyon K.L., Rosenstein J.M. Expression of blood-brain barrier characteristics following neuronal loss and astroglial damage after administration of anti-Thy-1 immunotoxin // Exp. Neurol. — 1997. — №146. — Р33-45.

28. Martin-Padura I., Lostaglio S., Schneemann M., et al. Functional adhesion molecule, a novel member of the immunoglobulin super-family that distributes at intercellular junctions and modulates monocyte transmigration // J. Cell Biol.

— 1998. — №142. — Р117-127.

29. Meier Y., Eloranta J.J., Darimont J., et al. Regional distribution of solute carrier mRNA expression along the human intestinal tract // Drug Metab. Dispos. — 2007. — №35. — Р.590-594.

30. Morita K., Sasaki H., Furuse M., Tsukita S. Endothelial claudin: claudin-5/TMVCF constitutes tight junction strands in endothelial cells // J. Cell Biol. — 1999. — №147. — Р185-194.

31. Nedergaard M., Ransom B., Goldman S.A. New roles for astrocytes: redefining the functional architecture of the brain // Trends Neurosci. — 2003. — №26. — Р523-530.

32. Ohnishi H., Nakahara T., Furuse K., et al. JACOP, a novel plaque protein localizing at the apical functional complex with sequence similarity to cingulin // J. Biol. Chem. — 2004. — №279.

— Р.46014-46022.

33. Ohtsuki S., Yamaguchi H., Katsukura Y., et al. mRNA expression levels of tight junction protein genes in mouse brain capillary endothelial cells highly purified by magnetic cell sorting // J. Neurochem. — 2008. — №104. — Р147-154.

34. Oldendorf W.H., Cornford M.E., Brown W.J. The large apparent work capability of the blood-brain barrier: a study of the mitochondrial content of capillary endothelial cells in brain and

other tissues of the rat // Ann. Neurol. — 1977. — №1. — Р.409-417.

35. Peppiatt C.M., Howarth C., Mobbs P., Attwell D. Bidirectional control of CNS capillary diameter by pericytes // Nature. — 2006. — № 443. — Р.700-704.

36. Rubino E., Rainero I., Vaula G., et al. Investigating the genetic role of aquaporin4 gene in migraine // J. Headache Pain. -2009. — Vol. 10. № 2. — Р111-114.

37. Sedlakova R., Shivers R.R., Del Maestro R.E Ultrastructure of the blood-brain barrier in the rabbit // J. Submicrosc. Cytol. Pathol. — 1999. — №31. — Р149-161.

38. Stevenson B.R., Siliciano J.D., Mooseker M.S., Goodenough D.A. Identification of ZO-1: a high molecular weight polypeptide associated with the tight junction (zonula occludens) in a variety of epithelia // J. Cell Biol. — 1986. — №103. — Р755-766.

39. Stewart P.A., Wiley M.J. Developing nervous tissue induces formation of blood-brain barrier characteristics in invading endothelial cells: A study using quail-chick transplantation

chimeras // Develop. Biol. — 1981. — №84. — Р18З-192.

40. Takano T., Tian G.F., Peng W., et al. Astrocyte-mediated control of cerebral blood flow // Nat. Neurosci. — 2006. — Vol. 9. №2. — Р.260-267.

41. Tao-Cheng J.H., Nagy Z., Brightman M.W. Tight junctions of brain endothelium in vitro are enhanced by astroglia // J. Neurosci. — 1987. — №7. — РЗ29З-З299.

42. Tontsch U., Bauer H.C. Glial cells and neurons induce blood-brain barrier related enzymes in cultured cerebral endothelial cells // Brain Res. — 1991. — №5З9. — Р247-25З.

43. Weksler B.B., Subileau E.A., Perrière N., et al. Blood-brain barrier-specific properties of a human adult brain endothelial cell line // FASEB J. — 2005. — №19. — Р1872-1874.

44. Willis C.L., Leach L., Clarke G.J., et al. Reversible disruption of tight junction complexes in the rat blood-brain barrier, following transitory focal astrocyte loss // Glia. — 2004.

— №48. — Р1-1З.

Информация об авторах: Моргун Андрей Васильевич — ассистент, к.м.н., e-mail: [email protected]

© ОНУЧИНА Е.В. — 2012 УДК 616.3/615.03

ПРОБЛЕМЫ МЕДИКАМЕНТОЗНОГО ЛЕЧЕНИЯ ГАСТРОЭЗОФАГЕАЛЬНОЙ РЕФЛЮКСНОЙ БОЛЕЗНИ

Елена Владимировна Онучина (Иркутский государственный медицинский университет, ректор — д.м.н., проф. И.В. Малов, кафедра пропедевтики внутренних болезней, зав. — д.м.н., проф. А.Н. Калягин)

Резюме. В статье представлены современные данные по проблемам медикаментозного лечения различных форм гастроэзофагеальной рефлюксной болезни. Рассмотрены возможности выбора конкретного ингибитора протонной помпы для проведения курсового и поддерживающего этапов лечения. Показаны точки приложения других групп препаратов: прокинетиков, антацидов, альгинатов, нестероидных противовоспалительных препаратов и препаратов урсодеоксихолевой кислоты.

Ключевые слова: гастроэзофагеальная рефлюксная болезнь, неэрозивная и эрозивная рефлюксная болезнь, пищевод Барретта, медикаментозное лечение.

PROBLEMS IN DRUG TREATMENT OF GASTRO-OESOPHAGEAL REFLUX DISEASE

E.V. Onuchina (Irkutsk State Medical University)

Summary. The paper presents the current data on various forms of drug therapy of gastroesophageal reflux disease. The possibilities of selecting specific proton pump inhibitor for the course and maintenance phases of treatment are considered. The application of the other groups of drugs: prokinetics, antacids, alginates, nonsteroid anti-inflammatory drugs and preparations of ursodeoxycholic acid has been shown.

Key words: gastro-oesophageal reflux disease, nonerosive and erosive gastro-oesophageal reflux disease, Barrett’s esophagus, drug therapy.

Согласно положениям Генвальской согласительной конференции выделяют три формы гастроэзофагеальной рефлюксной болезни (ГЭРБ): неэрозивную рефлюксную болезнь (НЭРБ), эрозивную рефлюксную болезнь (ЭРБ) и пищевод Барретта (ПБ). Задачами терапии первых двух являются достижение и поддержание клинической и эндоскопической ремиссии с конечной целью повышения качества жизни и профилактики осложнений. Их реализация осуществляется путем подавления кислотной продукции, предотвращения гастро-эзофагеального рефлюкса (ГЭР) и связывания агрессивных компонентов рефлюксата в два этапа: инициальной — курсовой и поддерживающей терапии. В рамках инициального этапа особое значение придается срокам наступления клинического и эндоскопического эффекта. В соответствии с определением, сформулированном на Монреальском консенсусе, ГЭРБ — это состояние, характеризующееся, мучительностью симптомов и/или осложнений [62]. Их быстрое регрессия возвращает больному «благополучие». Основной причиной появления изжоги, регургитации, ретростернальной боли и одинофагии считается кислый ГЭР. Закисление пищевода является ключевым фактором, определяющим тяжесть эзофагита и его заживление [8,57]. С со-

временных позиций доказательной медицины группой препаратов, способной осуществлять адекватный контроль кислотной продукции в желудке, определены ингибиторы протонной помпы (ИПП) [1,2,35,38]. Многочисленными исследованиями последних лет доказана их эффективность и безопасность в сравнении с другими лекарственными средствами. Однако остается вопрос выбора ИПП, его дозы и продолжительности приема. В настоящее время в клинической практике применяются 5 поколений ИПП (омепразол, лансопразол, пантопразол, рабепразол и эзомепразол). Некоторые исследователи сообщают об отсутствии различий в их кислотосупрессивном эффекте. Так, в ряде двойных плацебоконтролируемых исследованиях для лечения ЭРБ на 4 и 8 неделях эффективность приема 20 мг эзомепразола была сопоставима с 20 мг омепразола [43]; 40 мг эзомепразола с 30 мг лансопразола [33] и 40 мг пантопразола [29]. В купировании изжоги и регурги-тации при НЭРБ не обнаружено значимых различий на 4 неделе исследования при приеме 20 мг эзомепразола и 10 мг рабепразола [23]; 20 мг эзомепразола и 20 мг пан-топразола [47]. Между тем, в серии других многоцентровых двойных плацебоконтролируемых исследований показано, что эзомепразол в дозах 20 и 40 мг независи-

Гематоэнцефалический барьер — это… Что такое Гематоэнцефалический барьер?

Гематоэнцефалический барьер (ГЭБ) (от др.-греч. αἷμα, род.п. αἷματο  — «кровь» и др.-греч. εγκεφαλος — «головной мозг») — физиологический барьер между кровеносным руслом и центральной нервной системой. Имеется у всех позвоночных. Главной функцией гематоэнцефалического барьера является поддержание гомеостаза мозга.

Гематоэнцефалический барьер защищает мозг от циркулирующих в крови микроорганизмов, токсинов и различных других веществ. Он выполняет функцию высокоселективного фильтра, через который в мозг поступают питательные вещества, а из мозга выводятся продукты его жизнедеятельности.

С другой стороны наличие ГЭБ затрудняет лечение многих заболеваний, так как он не пропускает целый ряд лекарственных препаратов.

Первые исследования показавшие наличие барьера между кровью и мозгом были проведены Паулем Эрлихом в 1885 году. Окончательные доказательства существования ГЭБ были получены в 1967 году при электрономикроскопических исследованиях.

Задачи гематоэнцефалического барьера

Масса головного мозга человека составляет приблизительно 2 % от массы его тела. При этом потребность в кислороде центральной нервной системы составляет 20 % от потребностей всего организма. Также в противоположность другим органам мозг обладает наименьшими запасами питательных веществ. Нервные клетки не могут обеспечить свои энергетические потребности анаэробно (путём одного лишь гликолиза). Прекращение поступления крови к мозгу в течение нескольких секунд приводит к потере сознания, а через 10 минут отмечается полная гибель нейронов ^[1]. Данная особенность головного мозга требует от ГЭБ активно транспортировать кислород и питательные вещества^[2].

Нормальное функционирование мозга возможно также в условиях электролитного и биохимического гомеостаза. Колебания pH, концентрации калия крови и других показателей не должны отражаться на ткани головного мозга. Попадение циркулирующих в кровеносном русле нейромедиаторов в нервную ткань может разбалансировать её работу ^[1]. Также мозг должен быть защищён от попадания в него чужеродных веществ, таких как ксенобиотики и патогенные микроорганизмы. ГЭБ представляет собой в том числе и иммунологический барьер, так как является непроницаемым для различных микроорганизмов, антител и лейкоцитов^[3][4].

Чтобы обеспечить задачи обеспечения, выведения продуктов жизнедеятельности и поддержания гомеостаза вещества мозга, система сосудов центральной нервной системы имеет целый ряд структурно-функциональных отличий от сосудов других органов и тканей^[1].

Изменения в функционировании ГЭБ могут вызывать нарушения функционирования центральной нервной системы. Целый ряд неврологических заболеваний напрямую или косвенно связан с его повреждением^[2].

Строение

Существенным элементом структуры ГЭБ являются эндотелиальные клетки. Особенностью эндотелия сосудистой стенки церебральных сосудов является наличие между ними плотных межклеточных контактов. В структуре ГЭБ также большое значение имеют перициты и астроциты^[1]. Межклеточные промежутки между эндотелиальными клетками, перицитами и астроцитами нейроглии ГЭБ являются наиболее узкими в сравнении с другими клетками организма. Эти три вида клеток являются структурной основой ГЭБ не только у человека, но и у большинства позвоночных^[5][6].

Эндотелий

Капиллярные сосуды выстланы эндотелиальными клетками. Эндотелий периферических сосудов содержит открытые промежутки (фенестрации) диаметром около 50 нм. и межклеточные щели от 0,1 до 1 мкм. Через эти пространства происходит свободная циркуляция воды и растворённых в ней веществ между кровью и межклеточным пространством. В церебральных сосудах между эндотелиальными клетками отсутствуют как фенестрации, так и межклеточные щели^[7]. Таким образом можно говорить о сплошной эндотелиальной выстилке просвета капилляров мозга^[8].

Другим отличием эндотелия церебральных капилляров от периферических является низкое количество в них пиноцитозных пузырьков (везикул)^[9][10].

В то же время количество митохондрий в эндотелиальных клетках сосудов мозга в 5-10 раз выше, чем в эндотелии периферических сосудов. Митохондрии являются органеллами синтезирующими молекулы АТФ, являющихся основным источником энергии для клетки. Большое количество митохондрий соответственно является показателем значительных энергетических потребностей эндотелиальных клеток ГЭБ, что связано с процессами активного транспорта и обмена веществ^[4].

ГЭБ является также метаболическим или ферментативным (энзиматическим) барьером ^{[11][12][13][14][15]}. На поверхности клеточных мембран эндотелиальных клеток ГЭБ находится целый ряд ферментов в значительно большем количестве чем на других клетках паренхимы. Среди них стоит отметить гамма-глутамилтрансферазы и фосфатазы (в частности глюкоза-6-фосфатазу), катехол-О-метилтрансферазу, моноаминоксидазу и цитохром Р450^[16][17][18]. В связи с большой концентрацией различных ферментов в эндотелиальных клетках ГЭБ многие вещества при транспортировании через цитоплазму эндотелия метаболизируются^[10]. При этом по высоте эндотелиальная клетка ГЭБ составляет от 0,3 до 0,5 мкм. Энтероциты, эпителиальные клетки кишечника, к примеру имеют в высоту 17-30 мкм^[19].

Соотношение холестерина к фосфолипидам в эндотелиальных клетках ГЭБ такое же, как и в эндотелиальных клетках периферических сосудов и составляет ≈ 0,7^[20]. Пассивный транспорт через клеточные мембраны ГЭБ мало чем отличается от пассивной диффузии в других эндотелиальных клетках^[21]. В мембранах эндотелиальных клеток содержится большое количество каналов, которые свободно пропускают моллекулы воды. Они делают возможным свободную диффузию моллекул воды как в направлении мозга, так и кровеносной системы^[22].

Отсутствие фенестраций и небольшое число пиноцитарных везикул делают эндотелиальную выстилку капилляров мозга механическим барьером для крупных молекул и инородных веществ. Кроме этого ГЭБ обладает значительным электрическим сопротивлением — около 1500—2000 Ом. К примеру электрическое сопротивление для стенок капилляров мышечной ткани составляет 30 Ом^[23].

Плотные контакты

Эндотелиальные клетки плотно прилежат к другу. Между соседними клетками образуются так называемые плотные контакты. Они вносят значительный вклад в обеспечении главной функции ГЭБ — предотвращении проникновения в ткань мозга различных нежелательных веществ из кровеносного русла^[24][25]. Плотные контакты между эндотелиальными клетками блокируют межклеточный (парацеллюлярный) пассивный транспорт^[26][27][28]. При этом блокируется парацеллюлярный транспорт веществ как из кровеносного русла в ткань мозга, так и в обратном направлении — из мозга в кровь^[6].

Большое количество трансмембранных белков, таких как окклюдин, разнообразные клаудины и замыкательные адгезионные молекулы связывают латеральные отделы клеточных стенок между собой, участвуют в формировании плотных контактов и делают возможным межклеточный транспорт и обмен веществ^[29]. Основными белками обеспечивающими адгезию эндотелиальных клеток и формирование плотных контактов явдяются клаудин-5 и клаудин-24 ^[30]. Выключение (блокирование) CLDN5—гена, ответственного за синтез белка клаудина-5, приводил у подопытных мышей к тому, что их ГЭБ становился проницаемым для молекул с молярной массой до 800 г/моль. Такие подопытные генетически изменённые животные умирали через несколько часов после рождения^[31].

Базальная мембрана

Эндотелиальные клетки полностью покрывают подлежащий белковый слой, называемый базальной мембраной^[8]. Вертикальный размер базальной мембраны колеблется от 40 до 50 нм. Она различима только под электронным микроскопом. Состоит в основном из коллагена IV типа, гепаринсульфат-протеогликанов, ламининов, фибронектина и других белков внеклеточного матрикса. Со стороны мозга базальная мембрана ограничена плазматической мембраной пластинчатых окончаний отростков астроцитов^[10][26].

Перициты

Перициты, ранее называвшиеся по имени первооткрывателя Шарля Мари Бенджамина Руже (1824—1904) клетками Руже^[32], являются важной составной частью ГЭБ^[33]. Они обладают несколькими важными для его функционирования свойствами: способностью к сокращению, регулированию функций эндотелия и макрофагальной активностью^[34].

Около 20 % поверхности эндотелиальных клеток церебральных капилляров покрыты относительно маленькими, овальными перицитами. Каждая 2—4-я эндотелиальная клетка имеет контакт с клеткой-перицитом^[6]. В основном перициты располагаются в местах контакта эндотелиальных клеток^[35][36]. Перициты имеются практически во всех артериолах, венулах и капиллярах организма. Уровень покрытия ими эндотелиального слоя капилляра коррелирует с проницаемостью сосудистой стенки. В органах и тканях с проницаемой сосудистой стенкой они могут мигрировать из кровеносного русла в межклеточное пространство. Так например в капиллярах скелетной мускулатуры соотношение перициты:эндотелиоциты составляет 1:100^[37][38].

Перициты, как и эндотелиоциты располагаются на базальной мембране^[8].

Также перициты синтезируют целый ряд вазоактивных веществ^[38] и играют важную роль в ангиогенезе^[39][40].

Клеточные контакты перицит — эндотелиоцит

Перициты крепко связаны с эндотелиоцитами. Эта связь осуществляется благодаря трём типам контактов: щелевым соединениям, фокальным адгезиям и инвагинациям мембраны одной клетки в полость другой^[34]. Щелевые соединения непосредственно связывают цитоплазму двух клеток, являясь проницаемыми для ионов и небольших молекул^[41]. С помощью фокальных адгезий осуществляется прочная механическая связь двух типов клеток^[42]. нвагинации участков цитоплазмы одной клетки в другую обеспечивают как механическое связывание так и межклеточный обмен веществ^[34][43].

Благодаря тесным контактам клетки опосредованно влияют на митотическую активность, экспрессию генов и соответственно фенотип друг друга^[39].

Сократительная функция

Перициты содержат большое количество способного к сокращению белка актина. Благодаря этой своей структурной особенности они в состоянии изменять просвет капилляров и таким образом регулировать местное кровяное давление^[44][45].

Макрофагальная активность

Данное свойство характерно только для церебральных перицитов. В капиллярной сети мозга они выполняют функцию макрофагов. Соответственно в цитоплазме церебральных перицитов располагается большое количество лизосом. В культуре тканей доказана способность перицитов к фагоцитозу^[34][46][47] и презентации антигенов ^[48][49].

Макрофагальные свойства перицитов образуют «вторую линию защиты мозга» от нейротоксических молекул, которые преодолели барьер эндотелиальных клеток^[50]. Таким образом они являются важной составной частью иммуной системы мозга. Сбой макрофагальной активности перицитов может стать одним из факторов развития целого ряда аутоиммунных заболеваний. Имеются данные об опосредованной роли перицитов в развитии болезни Альцгеймера^[51][52].

Астроциты

Астроциты — большие нейроглиальные клетки звёздчатой формы. Своими отростками лни выстилают стенки мозговых капилляров со стороны мозговой ткани. В то же время, несмотря на то, что пластинчатыми окончаниями их клеточных отростков выстлано около 99% капиллярных сосудов, астроциты не выполняют прямой барьерной функции^[6][53]. Астроциты тесно взаимодействуют с эндотелиальными клетками. Между ними осуществляется постоянный обмен веществ^[54]. Астроглиальные клетки индуцируют возникновение и формирование ГЭБ. При проведении экспериментов по пересадке сосудов мозга в периферические органы и наоборот — периферических сосудов в ткань головного мозга, отмечено формирование ГЭБ в периферических сосудах пересаженных в мозг (образование плотных контактов, перестройка эндотелиальных клеток) и разобщение эндотелиальных клеток и появление фенестраций между ними при пересадке мозговые сосуды^[1][55]. Также in vitro показано влияние астроцитов на фенотип эндотелия. В клеточной культуре содержащей астроциты и эндотелиоциты отмечено более плотное расположение эндотелия по сравнению с его чистой клеточной культурой^[56].

Астроциты выделяют целый ряд веществ, которые влияют на проницаемость эндотелия^[57]. Эндотелиоциты в свою очередь выделяют ингибирующий лейкемию фактор (LIF), цитокин интерлейкин-6, которые воздействуют на процесс дифференциации астроцитов^[57]. Расстояние от пластинчатых окончаний отростков астроцитов до клеток эндотелия и перицитов составляет всего лишь 20 нм^[8][58].

Главными задачами астроглиальных клеток является обеспечение нейронов питательными веществами и поддержание необходимой концентрации электролитов внеклеточного пространства^[57][59]. Астроциты синтезируют большую часть необходимого клеткам мозга холестерина. Холестерин не проникает через ГЭБ. В то же время в ткани мозга находится 25% от общего холестерина организма. Большая его часть входит в состав миелина, который окутывает отростки нейронов аксоны. Нарушения процессов миелинизации нервных волокон вызывают развитие демиелинизирующих заболеваний, в частности рассеянный склероз^[60].

Пластинчатые окончания отростков астроцитов неплотно покрывают со стороны мозга базальную мембрану сосудистой стенки с расположенными на ней эндотелиоцитами и перицитами. За счёт этого между эндотелиоцитами и тканью мозга возможна прямая диффузия различных веществ^[57].

Заболевания, при которых происходит прямое или опосредованное поражение астроцитов (например, болезнь Альцгеймера, астроцитомы), сопровождаются нарушением функционирования ГЭБ.

Области мозга без ГЭБ

ГЭБ имеется в капиллярах большинства, но не всех областей мозга. В 6 анатомических образованиях мозга ГЭБ отсутствует:

1. Самое заднее поле (лат. area postrema) ромбовидной ямки (дна IV желудочка) — располагается между треугольником блуждающего нерва (лат. trigonum nervi vagi) с окрамляющим его самостоятельным канатиком (лат. funiculus separans) и бугорком тонкого ядра^[61]
2. шишковидное тело (лат. corpus pineale) (синоним — эпифиз)
3. Нейрогипофиз
4. Прикреплённая пластинка (лат. lamina affixa) — эмбриональный остаток стенки конечного мозга, покрывающий верхнюю поверхность таламуса. Медиально она истончается, образует извитую пластинку — сосудистую ленту (лат. tenia choroidea)^[62]
5. Субфорникальный орган
6. Субкомиссуральный орган

Данная гистологическая особенность имеет своё обоснование. Так например, нейрогипофиз выделяет в кровь гормоны, которые не могут пройти через ГЭБ, а нейроны лат. area postrema улавливают в крови наличие токсических веществ и стимулируют рвотный центр^[63]. Защитным барьером соседней с данными образованиями мозговой ткани является скопление таницитов. Они представляют собой клетки эпендимы с плотными контактами^[64].

Характеристика ГЭБ

Сеть из более чем 100 миллиардов капилляров суммарной протяжённостью около 600 км пронизывает мозг взрослого человека^[21]. В среднем просвет капилляра составляет около 40 нм^[65]. Мозг кровоснабжается значительно сильнее многих других тканей и органов организма. Наибольшая плотность сосудов характерна для коры головного мозга — от 300 до 800 капилляров на 1 мм² ткани^[1].

Суммарная поверхность стенок сосудов мозга составляет 12^[66] — 20^[67] м². Ежеминутно через сосудистую сеть мозга протекает около 610 мл крови со средней скоростью 1 мм/с. Давление в ней колеблется в пределах 15-35 мм рт. ст.^[4] Среднее время прохождения крови через капиллярное русло (англ. mean transit time (MTT)) составляет всего лишь 5 секунд. Для сравнения, в кишечнике, площадь сосудов которого достигает 180 м² оно равно 40 часам^[68][69], а в печени с 70 м² — 30 секунд^[70][71][72].

Развитие

До конца 20-го столетия считалось, что у эмбриона и новорожденных ГЭБ не сформирован в полной степени и соответственно не выполняет своей функции. Причиной этого, до сих пор широко распространённого мнения, являются недостатки ранее проводившихся физиологических опытов. Эксперименты заключались в введении либо связанных с белками красителей либо других маркеров взрослым животным и эмбрионам. Первые опыты такого плана проводились в 1920 году ^[73]. Маркеры вводимые эмбрионам проникали в ткань мозга и спинномозговую жидкость в то время как у взрослых животных — нет. В ходе данных экспериментов был допущен ряд методических ошибок (использование чрезмерного объёма вводимого вещества, повышение осмотического давления) из-за которых происходило частичное повреждение сосудистой стенки и соответственно маркер попадал в ткань мозга^[74][75][76]. При правильной постановке экспериментов пассажа маркера через сосудистую сеть отмечено не было^[77][78][79].

В крови плода в большом количестве содержатся молекулы таких веществ как альбумин, α1-фетопротеин и трансферрин, отсутствуя при этом в межклеточном пространстве ткани мозга^[80]. В эмбриональном эндотелии обнаружен транспортёр Р-гликопротеин^[81]. Это свидетельствует о наличии ГЭБ в пренатальном периоде. В ходе развития организма происходит дальнейшее совершенствование ГЭБ^[80].

Для небольших поляризированных молекул, например инулина и сахарозы, проницаемость ГЭБ эмбриона и новорожденного значительно выше чем у взрослых^[82][83][84]. Схожий эффект отмечен и для ионов^[85]. Транспорт аминокислот и инсулина через ГЭБ, по всей видимости в связи с большой потребностью в них растущего мозга, значительно ускорен^{[86][87][88][89]}.

С другой стороны в мозге эмбриона имеется дополнительный, отсутствующий у взрослых, барьер на границе между ликвором и тканью мозга — так называемые ремневые контакты (англ. Strap Junctions) между клетками эпендимы^[90].

Эволюция

В ходе эволюции нервной ткани от беспозвоночных к позвоночным с одной стороны отмечено её увеличение и приобретение центральных функций в жизнедеятельности организмов. С другой стороны большая масса мозга требует лучшего обеспечения питательными веществами и выведения ненужных и отработанных продуктов распада. Это привело к развитию густой капиллярной сети в ткани мозга. Следующим этапом эволюции стало появление защитного барьера от циркулирующих в крови токсичных для нейронов веществ — ксенобиотиков и токсинов^[5][91].

У многих беспозвоночных ГЭБ отсутствует. У них эндотелий капилляров нервной ткани не образует сплошной выстилки сосудистой стенки. У высших беспозвоночных — насекомых, ракообразных и головоногих^[92] — защитный барьер между нейронами и кровью представлен исключительно глиальной тканью^[93]. В этом случае речь идёт о глиальном гематоэнцефалическом барьере^[94].

У всех видов позвоночных имеется ГЭБ, и у большинства из них он образован преимущественно клетками эндотелия сосудистой стенки скреплёнными между собой плотными контактами. Только у пластиножаберных (среди них акул и скатов), а также семейства осетровых рыб ГЭБ формируется периваскулярными астроцитами. Из этого следует, что в процессе эволюции происходит увеличение количества эндотелиальных клеток сосудов головного мозга, которые перенимают на себя барьерные функции.

Структурные различия глиального и эндотелиального гематоэнцефалических барьеров достаточно велики. Эндотелиальный барьер имеет целый ряд преимуществ. Одним из них является строгое разграничение функций эндотелиальных клеток и клеток астроглии, которые обеспечивают гомеостаз внеклеточной среды вещества мозга^[93].

Гематоликворный барьер

Кроме гематоэнцефалического барьера существует также гематоликворный, который ограничивает центральную нервную систему от кровеносного русла. Он образован эпителиальными клетками с плотными контактами выстилающими сосудистое сплетение желудочков мозга^[95][96]. Гематоликворный барьер также имеет свою роль в поддержании гомеостаза мозга. Через него из крови в омывающую мозг спинномозговую жидкость поступают витамины, нуклеотиды и глюкоза. Общий вклад гематоликворного барьера в процессы обмена между мозгом и кровью невелик. Суммарная площадь гематоликворного барьера сосудистых сплетений желудочков мозга приблизительно в 5000 раз меньше в сравнении с площадью гематоэнцефалического.

Кроме гематоэнцефалического и гематоликворного барьеров в организме человека существуют гематоплацентарный, гематотестикулярный, гематоклубочковый, гематоретинальный, гематотимальный и гематолёгочный барьеры.

Транспорт веществ через ГЭБ

Гематоэнцефалический барьер не только задерживает и не пропускает целый ряд веществ из крови в вещество мозга, но и выполняет противоположную функцию — транспортируют необходимые для метаболизма ткани мозга вещества. Гидрофобные вещества и пептиды проникают в мозг либо с помощью специальных транспортных систем, либо каналы клеточной мембраны. Для большинства других веществ возможна пассивная диффузия^[11][15].

Межклеточный транспорт

В капиллярах периферических органов и тканей, транспорт веществ осуществляется в основном через фенестрации сосудистой стенки и межклеточные промежутки. В норме между клетками эндотелия сосудов мозга такие промежутки отсутствуют. В связи с этим питательные вещества проникает в мозг лишь через клеточную стенку^[97]. Вода, глицерин и мочевина являются примерами тех небольших поляризированных молекул, которые могут свободно диффундировать через плотные контакты между эндотелиальными клетками ГЭБ^[98].

Свободная диффузия

Самой простой формой транспорта через ГЭБ является свободная (или пассивная) диффузия. Она может осуществляться как через клеточные мембраны эндотелиоцитов так и через плотные межклеточные контакты. Для диффузии веществ движущей силой является разница концентраций. Диффузия веществ пропорциональна разнице концентраций в кровяном русле и ткани мозга. Для неё не требуется затрат клеточной энергии^[99].

Липофильные структурные элементы клеточной мембраны, а также плотные межклеточные контакты снижают количество веществ, которые могут свободно диффундировать через ГЭБ. Проницаемость ГЭБ напрямую зависит от липофильности каждого конкретного вещества^[100].

Проницаемость ГЭБ также зависит от молярной массы вещества. Молекулы с массой более 500 г/моль не могут диффундировать через ГЭБ. В то же время ГЭБ не является механическим барьером, который свободно пропускает молекулы меньшего размера и не пропускает большего. Процесс клеточной диффузии является динамическим, при этом он легче для веществ с молярной массой 200 г/моль, чем для веществ с 450 г/моль^[20][101].

Чем липофильнее и меньше вещество, тем легче оно диффундирует через клеточную мембрану^[11].

Немецким биофизиком Германном Тройбле в 1971 году была высказана гипотеза о транспорте небольших молекул через клеточную мембрану. Согласно ней они проникают в клетку через небольшие промежутки между цепями жирных кислот двойного слоя мембраны. Эти промежутки изменчивы, их образование не требует клеточной энергии^{[102][103][104][105]}. Теория Тройбле была спектроскопически доказана в 1974 году^[106][107].

Прогноз и исследования относительно проницаемости ГЭБ для того или иного вещества возможно проводить как in vitro ^{[15][108][109][101][110]} так и in silico ^[111].

Липофильность и небольшая молекулярная масса не являются гарантией проницаемости ГЭБ для данного вещества. Высокомолекулярные соединения (например, моноклональные антитела, рекомбинантные белки и другие) удерживаются ГЭБ^[112].

Функции

• поддержание гомеостаза
• транспортная
• защитная

Механизм действия

Гематоэнцефалический барьер непроницаем для множества соединений, как чужеродных, так и вырабатываемых самим организмом.

Гематоэнцефалический барьер препятствует проникновению в центральную нервную систему переносимых кровью токсических веществ, нейромедиаторов, гормонов, антибиотиков (что затрудняет лечение инфекционных поражений мозга и его оболочек), поддерживает электролитный баланс мозга, обеспечивает избирательный транспорт ряда веществ (глюкозы, аминокислот) из крови в мозг.

Для преодоления гематоэнцефалического барьера молекулы должны быть либо малы (как молекулы кислорода), либо обладать способностью растворяться в липидных компонентах мембран глиальных клеток (как этанол). Кроме того, некоторые вещества могут переноситься через гематоэнцефалический барьер путём активного транспорта.

Примечания

1. ↑ ^{1 2 3 4 5 6} S. Wolf, B. Seehaus, Minol K. und andere Die Blut-Hirn-Schranke: Eine Besonderheit des cerebralen Mikrozirkulationssystems // Naturwissenschaften. — 1996. — № 83. — С. 302-311.
2. ↑ ^{1 2} S. Ohtsuki New Aspects of the Blood–Brain Barrier Transporters; Its Physiological Roles in the Central Nervous System // Biological & Pharmaceutical Bulletin. — 2004. — № 27 (10). — С. 1489–1496.
3. ↑ W. Risau, B. Engelhardt, H. Wekerle Immune function of the blood-brain barrier: incomplete presentation of protein (auto-) antigens by rat brain microvascular endothelium in vitro // The Journal of Cell Biology. — 1990. — № 110. — С. 1757–1766.
4. ↑ ^{1 2 3} B. Bauer In vitro Zellkulturmodelle der Blut-Hirn-Schranke zur Untersuchung der Permeation und P-Glykoprotein-Interaktion von Arzneistoffen // Диссертация. Гейдельбергский университет им. Рупрехта-Карла. — 2002.
5. ↑ ^{1 2} M. Bundgaard, N. J. Abbott All vertebrates started out with a glial blood-brain barrier 4-500 million years ago // Glia. — 2008. — № 56. — С. 699–708.
6. ↑ ^{1 2 3 4} W. M. Pardridge Molecular biology of the blood–brain barrier // Mol Biotechnol. — 2005. — № 30 (1). — С. 57–70.
7. ↑ J. C. Lee Evolution in the concept of the blood-brain barrier phenomen // Progress in neuropathology. — Verlag Grune und Stratton, 1971. — Т. 1. — С. 84–145. — ISBN 0-88167-188-6
8. ↑ ^{1 2 3 4} M. Pavelka, J. Roth Funktionelle Ultrastruktur. — Verlag Springer. — С. 234–235. — ISBN 3-211-83563-6.
9. ↑ J. Cervos-Navarro Elektronenmikroskopische Befunde an den Kapillaren der Hirnrinde // Arch Psychiatr Nervenkr. — 1963. — № 204. — С. 484–504.
10. ↑ ^{1 2 3} B. T. Hawkins, T. P. Davis The blood-brain barrier/neurovascular unit in health and disease // Pharmacol Rev. — 2005. — № 57. — С. 173–185.
11. ↑ ^{1 2 3} S. Nobmann Isolierte Gehirn-Kapillaren als in vitro-Modell der Blut-Hirn Schranke // Диссертация. Гейдельбергский университет им. Рупрехта-Карла. — 2001.
12. ↑ R. S. el-Bacha, A. Minn Drug metabolizing enzymes in cerebrovascular endothelial cells afford a metabolic protection to the brain // Cell Mol Biol. — 1999. — № 45. — С. 15–23.
13. ↑ Chat M, Bayol-Denizot C, Suleman G, Roux F, Minn A. Drug metabolizing enzyme activities and superoxide formation in primary and immortalized rat brain endothelial cells // Life Sci. — 1998. — № 62. — С. 151–163.
14. ↑ Minn A, Ghersi-Egea JF, Perrin R, Leininger B, Siest G. Drug metabolizing enzymes in the brain and cerebral microvessels // Life Sci. — 1991. — № 116. — С. 65–82.
15. ↑ ^{1 2 3} Takakura Y, Audus KL, Borchardt RT. Blood-brain barrier: transport studies in isolated brain capillaries and in cultured brain endothelial cells // Adv Pharmacol. — 1991. — № 22. — С. 137–165.
16. ↑ Méresse S, Dehouck MP, Delorme P, Bensaïd M, Tauber JP, Delbart C, Fruchart JC, Cecchelli R. Bovine brain endothelial cells express tight junctions and monoamine oxidase activity in long-term culture // J Neurochem. — 1989. — № 53. — С. 1363–1371.
17. ↑ Perrin R, Minn A, Ghersi-Egea JF, Grassiot MC, Siest G. Distribution of cytochrome P450 activities towards alkoxyresorufin derivatives in rat brain regions, subcellular fractions and isolated cerebral microvessels // Biochem Pharmacol. — 1990. — № 40. — С. 2145–2151.
18. ↑ Bendayan R, Lee G, Bendayan M. Functional expression and localization of P-glycoprotein at the blood brain barrier // Res Tech. — 2002. — № 57. — С. 365–380.
19. ↑ Su Y, Sinko PJ. Drug delivery across the blood-brain barrier: why is it difficult? how to measure and improve it? // Expert Opin Drug Deliv. — 2006. — № 3. — С. 419–435.
20. ↑ ^{1 2} Fischer H, Gottschlich R, Seelig A. Blood-brain barrier permeation: molecular parameters governing passive diffusion // J Membr Biol. — 1998. — № 165. — С. 201–211.
21. ↑ ^{1 2} U. Fagerholm The highly permeable blood-brain barrier: an evaluation of current opinions about brain uptake capacity // J Membr Biol. — 2007. — № 12. — С. 1076–1082.
22. ↑ Nico B, Frigeri A, Nicchia GP, Quondamatteo F, Herken R, Errede M, Ribatti D, Svelto M, Roncali L. Role of aquaporin-4 water channel in the development and integrity of the blood-brain barrier // J Cell Sci. — 2001. — № 114. — С. 1297–1307.
23. ↑ Butt AM, Jones HC, Abbott NJ. Electrical resistance across the blood-brain barrier in anaesthetized rats: a developmental study // J Physiol. — 1990. — № 429. — С. 47-62.
24. ↑ P. Claude, D. A. Goodenough Fracture faces of zonulae occludentes from «tight» and «leaky» epithelia // J Cell Biol. — 1973. — № 58. — С. 390-400.
25. ↑ Wolburg H, Neuhaus J, Kniesel U, Krauss B, Schmid EM, Ocalan M, Farrell C, Risau W. Modulation of tight junction structure in blood-brain barrier endothelial cells. Effects of tissue culture, second messengers and cocultured astrocytes // J Cell Sci. — 1994. — № 107. — С. 1347–1357.
26. ↑ ^{1 2} H. B. Newton Advances in strategies to improve drug delivery to brain tumors // Expert Rev Neurother. — 2006. — № 6. — С. 1495–1509.
27. ↑ J. L. Madara Tight junction dynamics: is paracellular transport regulated? // Cell. — 1988. — № 53. — С. 497–498.
28. ↑ H. C. Bauer et al. Proteins of the tight junctions in the blood-brain barrier // Blood-spinal Cord and Brain Barriers in Health and Disease. — Verlag Elsevier, 2004. — С. 1–10.
29. ↑ Cecchelli R, Berezowski V, Lundquist S, Culot M, Renftel M, Dehouck MP, Fenart L. Modelling of the blood-brain barrier in drug discovery and development // Nat Rev Drug Discov. — 2007. — № 6. — С. 650–661.
30. ↑ Matter K, Balda MS. Holey barrier: claudins and the regulation of brain endothelial permeability // J Cell Biol.. — 2003. — № 161. — С. 459–460.
31. ↑ Nitta T, Hata M, Gotoh S, Seo Y, Sasaki H, Hashimoto N, Furuse M, Tsukita S. Size-selective loosening of the blood-brain barrier in claudin-5-deficient mice // J Cell Biol. — 2003. — № 161. — С. 653–660.
32. ↑ P. Dore-Duffy Pericytes: pluripotent cells of the blood brain barrier // Curr Pharm Des. — 2008. — № 14. — С. 1581-1593.
33. ↑ Balabanov R, Dore-Duffy P. Role of the CNS microvascular pericyte in the blood-brain barrier // J Neurosci Res.. — 1998. — № 53. — С. 637-644.
34. ↑ ^{1 2 3 4} Rucker HK, Wynder HJ, Thomas WE. Cellular mechanisms of CNS pericytes // Brain Res Bull. — 2000. — № 51. — С. 363-369.
35. ↑ P. A. D’Amore Culture and Study of Pericytes // Cell Culture Techniques in Heart and Vessel Research. — Verlag Springer, 1990. — С. 299. — ISBN 3-540-51934-3.
36. ↑ N. J. Abbott Neurobiology. Glia and the blood-brain barrier // Nature. — 1987. — № 325. — С. 195.
37. ↑ Lai CH, Kuo KH. The critical component to establish in vitro BBB model: Pericyte // Brain Res Brain Res Rev. — 2005. — № 50. — С. 258-265.
38. ↑ ^{1 2} Shepro D, Morel NM. Pericyte physiology // FASEB. — 1993. — № 7. — С. 1031–1038.
39. ↑ ^{1 2} Sims DE. Diversity within pericytes // Clin Exp Pharmacol Physiol. — 2000. — № 27. — С. 842–846.
40. ↑ Engelhardt B. Development of the blood-brain barrier // Cell Tissue Res. — 2003. — № 314. — С. 119–129.
41. ↑ Fujimoto K. Pericyte-endothelial gap junctions in developing rat cerebral capillaries: a fine structural study // Anat Rec. — 1995. — № 242. — С. 562-565.
42. ↑ Díaz-Flores L, Gutiérrez R, Varela H, Rancel N, Valladares F. Microvascular pericytes: A review of their morphological and functional characteristics // Histol Histopath. — 1991. — № 6. — С. 269–286.
43. ↑ D. E. Sims Recent advances in pericyte biology—implications for health and disease // Can J Cardiol. — 1991. — № 7. — С. 431–443.
44. ↑ Herman IM, D’Amore PA. Microvascular pericytes contain muscle and nonmuscle actins // J Cell Biol. — 1985. — № 101. — С. 43–52.
45. ↑ Hirschi KK, D’Amore PA. Pericytes in the microvasculature // Cardiovasc Res. — 1996. — № 32. — С. 687-698.
46. ↑ Mato M, Ookawara S, Sugamata M, Aikawa E. Evidence for the possible function of the fluorescent granular perithelial cells in brain as scavengers of high-molecular-weight waste products // Experientia. — 1984. — № 40. — С. 399-402.
47. ↑ Balabanov R, Washington R, Wagnerova J, Dore-Duffy P. CNS microvascular pericytes express macrophage-like function, cell surface integrin alphaM, and macrophage marker ED-2 // Microvasc Res. — 1996. — № 52. — С. 127-142.
48. ↑ Hickey WF, Kimura H. Perivascular microglial cells of the CNS are bone marrow-derived and present antigen in vivo // Science. — 1988. — № 239. — С. 290-292.
49. ↑ Fabry Z, Sandor M, Gajewski TF, Herlein JA, Waldschmidt MM, Lynch RG, Hart MN. Differential activation of Th2 and Th3 CD4+ cells by murine brain microvessel endothelial cells and smooth muscle/pericytes // J Immunol. — 1993. — № 151. — С. 38-47.
50. ↑ Krause D, Kunz J, Dermietzel R. Cerebral pericytes — a second line of defense in controlling blood-brain barrier peptide metabolism // Adv Exp Med Biol. — 1993. — № 331. — С. 149-152.
51. ↑ Thomas WE. Brain macrophages: on the role of pericytes and perivascular cells // Brain Res Brain Res Rev. — 1999. — № 31. — С. 42-57.
52. ↑ Iadecola C. Neurovascular regulation in the normal brain and in Alzheimer’s disease // Nat Rev Neurosci. — 2004. — № 5. — С. 347-360.
53. ↑ Johanson CE. Permeability and vascularity of the developing brain: cerebellum vs cerebral cortex // Brain Res. — 2004. — № 190. — С. 3–16.
54. ↑ Neuhaus J, Risau W, Wolburg H. Induction of blood-brain barrier characteristics in bovine brain endothelial cells by rat astroglial cells in transfilter coculture // Ann N Y Acad Sci. — 1991. — № 633. — С. 578–580.
55. ↑ Stewart PA, Wiley MJ. Developing nervous tissue induces formation of blood-brain barrier characteristics in invading endothelial cells: a study using quail–chick transplantation chimeras // Dev Biol.. — 1981. — № 84. — С. 183–192.
56. ↑ Raub TJ, Kuentzel SL, Sawada GA. Permeability of bovine brain microvessel endothelial cells in vitro: barrier tightening by a factor released from astroglioma cells // Exp Cell Res. — 1992. — № 199. — С. 330–340.
57. ↑ ^{1 2 3 4} Abbott NJ. Astrocyte-endothelial interactions and blood-brain barrier permeability // J Anat.. — 2002. — № 200. — С. 629–638.
58. ↑ Paulson OB, Newman EA. Does the release of potassium from astrocyte endfeet regulate cerebral blood flow? // Science. — 1987. — № 237. — С. 896-898.
59. ↑ Abbott NJ, Rönnbäck L, Hansson E. Astrocyte-endothelial interactions at the blood-brain barrier // Nat Rev Neurosci. — 2006. — № 7. — С. 41–53.
60. ↑ Björkhem I, Meaney S. Brain cholesterol: long secret life behind a barrier. // Arterioscler Thromb Vasc Biol. — 2004. — № 24. — С. 806-815.
61. ↑ Синельников Р.Д., Синельников Я.Р. Атлас анатомии человека в 4 томах. Т.4.. — М.:: Медицина, 1996. — С. 82. — 320 с. — ISBN 5-225-02723-7
62. ↑ Синельников Р.Д., Синельников Я.Р. Атлас анатомии человека в 4 томах. Т.4.. — М.:: Медицина, 1996. — С. 56. — 320 с. — ISBN 5-225-02723-7
63. ↑ Duvernoy HM, Risold PY. The circumventricular organs: an atlas of comparative anatomy and vascularization // Brain Res Rev. — 2007. — № 56. — С. 119-147.
64. ↑ C. Lohmann Die Blut-Hirn-Schranke in vitro: Regulation der Permeabilität durch Matrixmetalloproteasen // Диссертация. Вестфальский университет имени Вильгельма. — 2003.
65. ↑ W. M. Pardridge Peptide Drug Delivery to the Brain. — Raven Press, 1991. — С. 123. — ISBN 0-88167-793-0
66. ↑ Chiou WL, Barve A. Linear correlation of the fraction of oral dose absorbed of 64 drugs between humans and rats // Pharm Res. — 1998. — № 15. — С. 1792-1795.
67. ↑ Goodwin JT, Clark DE. In silico predictions of blood-brain barrier penetration: considerations to «keep in mind» // J Pharmacol Exp Ther. — 2005. — № 315. — С. 477-483.
68. ↑ Lindstedt L, Schaeffer PJ. Use of allometry in predicting anatomical and physiological parameters of mammals // Lab Anim. — 2002. — № 36. — С. 1-19.
69. ↑ Lindstedt L, Schaeffer PJ A proposed blood circulation model for Reference Man // Health Phys. — 1995. — № 69. — С. 187-201.
70. ↑ Willmann S, Schmitt W, Keldenich J, Lippert J, Dressman JB. A physiological model for the estimation of the fraction dose absorbed in humans // J Med Chem. — 2004. — № 47. — С. 4022-4031.
71. ↑ Fagerholm U, Johansson M, Lennernäs H Comparison between permeability coefficients in rat and human jejunum // J Med Chem. — 1996. — № 13. — С. 1336-1342.
72. ↑ Leggett RW, Williams LR. Suggested reference values for regional blood volumes in humans // Health Phys. — 1991. — № 60. — С. 139-154.
73. ↑ G. B. Wislocki Experimental studies on fetal absorption. I. The vitally stained fetus // Contrib Embryol Carnegie Inst. — 1920. — № 5. — С. 45-52.
74. ↑ Wakai S, Hirokawa N. Development of the blood-brain barrier to horseradish peroxidase in the chick embryo // Cell Tissue Res. — 1978. — № 195. — С. 195-203.
75. ↑ Risau W, Hallmann R, Albrecht U. Differentiation-dependent expression of proteins in brain endothelium during development of the blood-brain barrier // Dev Biol.. — 1986. — № 117. — С. 537-545.
76. ↑ Reynolds ML, Evans CA, Reynolds EO, Saunders NR, Durbin GM, Wigglesworth JS. Intracranial haemorrhage in the preterm sheep fetus // Early Hum Dev. — 1979. — № 3. — С. 163-186.
77. ↑ L. Stern, R. Peyrot Le fonctionnement de la barrière hémato-éncephalique aux divers stades de développement chez les diverses espèces animales // Compte Rendu des Societe de Biologie (Paris). — 1927. — № 96. — С. 1124–1126.
78. ↑ L. Stern et al Le fonctionnement de la barrière hémato-éncephalique aux divers stades de développement chez les diverses espèces animales // Compte Rendu Soc Biol. — 1929. — № 100. — С. 231–233.
79. ↑ Saunders NR, Habgood MD, Dziegielewska KM. Barrier mechanisms in the brain, II. Immature brain // Clin Exp Pharmacol Physiol. — 1999. — № 26. — С. 85–91.
80. ↑ ^{1 2} N. R. Saunders Development of the blood–brain barrier to macromolecules // The Fluids and Barriers of the Eye and Brain / M. B. Segal. — Verlag MacMillan. — Raven Press, 1991. — С. 128-155. — ISBN 0-8493-7707-2
81. ↑ Schumacher U, Mollgård K. The multidrug-resistance P-glycoprotein (Pgp, MDR1) is an early marker of blood-brain barrier development in the microvessels of the developing human brain // Histochem Cell Biol. — 1997. — № 108. — С. 179–182.
82. ↑ Dziegielewska KM, Evans CA, Malinowska DH, Møllgård K, Reynolds JM, Reynolds ML, Saunders NR. Studies of the development of brain barrier systems to lipid insoluble molecules in fetal sheep // J Physiol. — 1979. — № 292. — С. 207–231.
83. ↑ Ferguson RK, Woodbury DM. Penetration of 14C-inulin and 14C-sucrose into brain, cerebrospinal fluid and skeletal muscle of developing rats // Exp Brain Res. — 1969. — № 7. — С. 181–194.
84. ↑ Habgood MD, Knott GW, Dziegielewska KM, Saunders NR. The nature of the decrease in blood-cerebrospinal fluid barrier exchange during postnatal brain development in the rat // J Physiol. — 1993. — № 468. — С. 73–83.
85. ↑ C. E. Johanson Ontogeny of the blood–brain barrier // Implications of the Blood–Brain Barrier and Its Manipulation / E. A. Neuwelt. — Plenum Press, 1989. — С. 157-198.
86. ↑ Braun LD, Cornford EM, Oldendorf WH. Newborn rabbit blood-brain barrier is selectively permeable and differs substantially from the adult // J Neurochem. — 1980. — № 34. — С. 147–152.
87. ↑ Cornford EM, Braun LD, Oldendorf WH. Developmental modulations of blood–brain barrier permeability as an indicator of changing nutritional requirements in the brain // Pediatr Res. — 1982. — № 16. — С. 324–328.
88. ↑ Brenton DP, Gardiner RM. Transport of L-phenylalanine and related amino acids at the ovine blood-brain barrier // J Physiol. — 1988. — № 402. — С. 497–514.
89. ↑ Frank HJ, Jankovic-Vokes T, Pardridge WM, Morris WL. Enhanced insulin binding to blood–brain barrier in vivo and to brain microvessels in vitro in newborn rabbits // Diabetes. — 1985. — № 34. — С. 728–733.
90. ↑ Saunders NR, Knott GW, Dziegielewska KM. Barriers in the immature brain // Cell Mol Neurobiol. — 2000. — № 20. — С. 29–40.
91. ↑ Abbott NJ, Bundgaard M Electron-dense tracer evidence for a blood-brain barrier in the cuttlefish Sepia officinalis // J Neurocytol. — 1992. — № 21. — С. 276–294.
92. ↑ Abbott NJ, Pichon Y The glial blood-brain barrier of crustacea and cephalopods: a review // J Physiol (Paris). — 1982. — № 21. — С. 304–313.
93. ↑ ^{1 2} Abbott NJ. Dynamics of CNS barriers: evolution, differentiation, and modulation // Cell Mol Neurobiol. — 2005. — № 25. — С. 5–23.
94. ↑ N. J. Abbott Comparative physiology of the blood-brain barrier // Physiology and pharmacology of the bloodbrain barrier / M. W. B. Bradbury. — Springer-Verlag, 1992. — С. 371-396. — ISBN 0-387-54492-5
95. ↑ N. Hettenbach Einfluss chronischer elektromagnetischer Befeldung mit Mobilfunkstrahlen (GSM und UMTS) auf die Integrität der Blut-Hirn-Schranke von Ratten // Диссертация. Мюнхенский университет Людвига-Максимилиана. — 2008.
96. ↑ S. I. Rapoport Blood-brain Barrier in Physiology and Medicine. — Raven Press, 1976. — ISBN 0-89004-079-6
97. ↑ M. Fromm Physiologie des Menschen // Transport in Membranen und Epithelien / R. F. Schmidt, F. Lang. — Verlag Springer. — С. 41-54. — ISBN 978-3-540-32908-4
98. ↑ I. Sauer Apolipoprotein E abgeleitete Peptide als Vektoren zur Ьberwindung der Blut-Hirn-Schranke // Диссертация. Свободный университет Берлина. — 2004.
99. ↑ Egleton RD, Davis TP Development of neuropeptide drugs that cross the blood-brain barrier // NeuroRx. — 2005. — № 2. — С. 44-53.
100. ↑ Oldendorf WH Lipid solubility and drug penetration of the blood brain barrier // Proc Soc Exp Biol Med. — 1974. — № 147. — С. 813-815.
101. ↑ ^{1 2} R. Kaliszan, M. Markuszewski Brain/blood distribution described by a combination of partition coefficient and molecular mass // International Journal of Pharmaceutics. — 1996. — № 145. — С. 9-16.
102. ↑ Träuble H Carriers and specificity in membranes. 3. Carrier-facilitated transport. Kinks as carriers in membranes // Neurosci Res Program Bull. — 1971. — № 9. — С. 361-372.
103. ↑ Träuble H Phase transitions in lipids. Possible switch processes in biological membranes // Naturwissenschaften. — 1971. — № 58. — С. 277-284.
104. ↑ O. Vostowsky Chemie der Naturstoffe — Lipoproteine und Membranen // Эрлангенский университет. — 2005. — № 58. — С. 42.
105. ↑ W. Hoppe, R. D. Bauer Biophysik. — Verlag Birkhäuser, 1982. — С. 447-448. — ISBN 0-387-11335-5
106. ↑ Seelig A, Seelig J. The dynamic structure of fatty acyl chains in a phospholipid bilayer measured by deuterium magnetic resonance // Biochemistry. — 1974. — № 13. — С. 4839-4845.
107. ↑ A. Elbert Die Permeation kleiner polarer Moleküle durch Phospholipidmodellmembranen // Диссертация. Университет Кайзерслаутерна. — 1999.
108. ↑ Seelig A, Gottschlich R, Devant RM A method to determine the ability of drugs to diffuse through the blood-brain barrier // Proc Natl Acad Sci U S A. — 1994. — № 91. — С. 68-72.
109. ↑ Dhopeshwarkar GA, Mead JF Uptake and transport of fatty acids into the brain and the role of the blood-brain barrier system // Adv Lipid Res. — 1973. — № 11. — С. 109-142.
110. ↑ Gerebtzoff G, Seelig A In silico prediction of blood-brain barrier permeation using the calculated molecular cross-sectional area as main parameter // J Chem Inf Model. — 2006. — № 46. — С. 2638-2650.
111. ↑ Seelig A, Gottschlich R, Devant RM A method to determine the ability of drugs to diffuse through the blood-brain barrier // Proc Natl Acad Sci USA. — 1994. — № 91. — С. 68-72.
112. ↑ Pardridge WM The blood-brain barrier: bottleneck in brain drug development // NeuroRx. — 2005. — № 2. — С. 3-14.

Гематоэнцефалический барьер

Термин «гематоэнцефалический барьер» (от гр. haima -кровь, encephalon — мозг) был предложен Л.С.Штерн и Р.Готье в 1921 г. Гематоэнцефалический барьер (ГЭБ) принадлежит к числу внутренних, или гистогематических, барьеров (гематоофтальмического, легочного, перикардиального, перитонеального и дру­гих), которые отгораживают непосредственную питательную среду отдельных органов от универсальной внутренней среды крови. Было показано, что если ввести витальную краску — трипановый синий в кровеносное русло, то при интенсивном окра­шивании всех органов не окрашенной остается только централь­ная нервная система. Краска была обнаружена только в эпители­альных клетках сосудистых сплетений. Вещества оказываются эффективными лишь при введении их непосредственно в цереб­роспинальную жидкость.

Гематоэнцефалический барьер — это комплексный физиоло­гический механизм, находящийся в центральной нервной систе­ме на границе между кровью и нервной тканью и регулирующий поступление из крови в цереброспинальную жидкость и нервную ткань циркулирующих в крови веществ.

Особенности морфологического строения гематоэнцефалического барьера

Капилляры мозга отличаются тем, что эндотелиальные клетки не обладают ни порами, ни фенестрами. Соседние клетки черепицеобразно накладываются одна на другую. В области стыков клеток находятся замыкательные пластинки. Базальная мембрана имеет трехслойное строение и содержит мало перицитов. Главное отличие этой структуры — наличие глиальных элементов, расположенных между кровеносным сосудом и нейроном. Отростки астроцитов формируют своеобразный футляр вокруг капил­ляра, это исключает проникновение веществ в мозговую ткань, минуя глиальные элементы. Имеются перинейрональные глиоциты, находящиеся в тесном контакте с нейронами. В состав ГЭБ входит внеклеточное пространство, заполненное аморфным веществом углеводно-белковой природы (мукополисахариды и мукопротеины).

Функции гематоэнцефалического барьера

Гематоэнцефалический барьер выполняет ряд функций.

Защитная заключается в задержке доступа из крови в нерв­ную ткань различных веществ, могущих оказать повреждающее действие на мозг.

Регуляторная функция заключается в поддержании состава и постоянства цереброспинальной жидкости. Даже при изменении состава крови константы цереброспинальной жидкости не изме­няются.

ГЭБ работает как селективный фильтр, пропускающий в це­реброспинальную жидкость одни вещества и не пропускающий другие, которые могут циркулировать в крови, но чужды мозго­вой ткани. Так, не проходят через ГЭБ адреналин, норадреналин, ацетилхолин, дофамин, серотонин, гамма-аминомасляная кисло­та (ГАМК), пенициллин, стрептомицин. Билирубин всегда нахо­дится в крови, но никогда, даже при желтухе, он не проходит в мозг, оставляя неокрашенной лишь нервную ткань. Поэтому трудно получить эффективную концентрацию какого-либо ле­карственного препарата, чтобы оно достигло паренхимы мозга. Проходят через ГЭБ морфий, атропин, бром, стрихнин, кофеин, эфир, уретан, алкоголь и гамма-оксимасляная кислота (ГОМК). При лечении, например, туберкулезного менингита стрептоми­цин вводят непосредственно в цереброспинальную жидкость, ми­нуя барьер с помощью люмбальной пункции.

Необходимо учесть необычность действия многих веществ, введенных непосредственно в цереброспинальную жидкость. Трипановыи синий при введении в цереброспинальную жидкость вызывает судороги и смерть, аналогичное действие оказывает желчь. Ацетилхолин, введенный непосредственно в мозг, дейст­вует как адреномиметик, а адреналин, наоборот, — как холиномиметик: артериальное давление понижается, возникает брадикардия, температура тела вначале снижается, а потом повышается. Он вызывает наркотический сон, заторможенность и аналгезию. Ионы К⁺ выступают в качестве симпатомиметика, а Са²⁺ — пара-симпатомиметика. Лобелии — рефлекторный стимулятор дыха­ния, проникая через ГЭБ, вызывает ряд побочных реакций (голо­вокружение, рвоту, судороги). Инсулин при внутримышечных инъекциях снижает содержание сахара крови, а при непосредст­венном введении в цереброспинальную жидкость — повышает.

Защитная функция ГЭБ менее развита к моменту рождения и в раннем возрасте, формируясь в постнатальном периоде. Поэто­му у ребенка при различных заболеваниях часто появляются су­дороги и значительно повышается температура тела, что указывает на легкое проникновение в цереброспинальную жидкость ток­сических веществ, у взрослого человека такие явления не наблю­даются.

Открыть ворота гематоэнцефалического барьера | Наука и жизнь

130 лет назад человечеству приоткрылся один из механизмов работы мозга: была обнаружена «перегородка» между мозгом и кровеносной системой тела — гематоэнцефалический барьер.

Появление голубого окрашивания тканей мозга у взрослой (справа) и у новорождённой (слева) крыс на фоне развития инсульта и введения красителя Evans blue.

Лёгкие флуоресцентные метки (декстран 3 кДа) распределены по-разному: у взрослой крысы (слева ) — распределение по всему мозгу, а у новорождённой (справа) — концентрирование в сосуде на фоне развития инсульта мозга.

Экспрессия структурных белков гематоэнцефалического барьера — окклудина и клаудина-5 у новорождённых и взрослых крыс (более тёмные полоски отражают более высокую экспрессию).

‹

›

Гематоэнцефалический барьер — тонкая физиологическая организация — оставался вне поля зрения учёных до тех пор, пока не стало очевидно, что именно он тормозит успехи современной медицины и именно в его работе скрыты ресурсы для новой эпохи в фармакологии. За последние 20 лет в мире было синтезировано более 40 новых препаратов, из которых всего два — для лечения болезней мозга. Гематоэнцефалический барьер создаёт для некоторых веществ «зелёный» коридор, но для целого ряда препаратов он остаётся непроницаемым, и потому врачи безоружны в борьбе со многими неврологическими патологиями, такими, например, как инсульт мозга. Задача проницаемости барьера встала, когда было признано, что у новорождённых это заболевание встречается так же часто, как у взрослых.

Десять лет назад диагноз «инсульт» детям ставили крайне редко. Сегодня прогресс в развитии безопасных технологий для внутреннего исследования мозга (визуализация) позволил исследователям увидеть серьёзность проблемы. Особенность детского инсульта в том, что он проходит зачастую бессимптомно или «маскируется» под другие заболевания. Последствия катастрофичны для ребёнка. У большинства маленьких пациентов возникают серьёзные нарушения: задержка умственного и речевого развития, гиперреактивность, затруднения в концентрации внимания, у них страдают логика и адаптация к стрессам, что не сразу и не очевидно проявляется в первые дни жизни.

Но диагностика инсульта мозга у новорождённых — лишь первый этап. Главный вопрос — как лечить и как предупредить это заболевание. Детский и взрослый инсульты — разные! Мы знаем, какие факторы провоцируют развитие инсульта у взрослых — к примеру гипертензия. Но для малышей эти факторы не так актуальны, и даже такие очевидные на первый взгляд причины, как родовые травмы, не вошли в лидирующую десятку провокаторов инсульта у детей.

Почему инсульты мозга у новорождённых и взрослых так различаются? После появления на свет мозг ребёнка ещё продолжает развиваться, причём особенно интенсивно в первые дни после рождения. В настоящий момент не существует тактики лечения инсульта мозга у новорождённых. Мало зная об этом заболевании у младенцев, врачи вынуждены применять к ним терапию, показанную для взрослых. Она оказывается неэффективной, а иногда даже мешает выздоровлению. Успех в лечении таких детей — зачастую случайность, а не результат заранее спланированной тактики врача.

Возникло предположение, что многие препараты, которые существуют в арсенале врача для лечения инсульта, просто не доходят до мозга новорождённого из-за капризного гематоэнцефалического барьера, который закрывается и не даёт поработать препаратам.

Несмотря на прорывные технологии в визуализации структур мозга, решения проблем детского инсульта не было, потому что не хватало подходящего инструментария для исследования «ворот», пропускающих лекарства в гематоэнцефалическом барьере.

В экспериментальной медицине платформа для изучения любых болезней — моделирование патологии на животных. Среди существующих на сегодняшний день моделей инсульта ни одна не пригодна для новорождённых.

Есть два типа инсульта — ишемический, когда сосуды мозга сужаются, что ограничивает его питание и кровоснабжение, и геморрагический, когда сосуды рвутся без явных на то причин. У новорождённых преобладает второй тип инсульта. Однако модели, традиционно применяемые для изучения геморрагического инсульта, работают по принципу механического введения крови в мозг экспериментальных животных, что сильно ограничивает исследовательские возможности.

На биологическом факультете Саратовского государственного университета им. Н. Г. Чернышевского разработали модель инсульта, с помощью которой можно увидеть, как сосуды мозга разрываются самостоятельно, без дополнительных вмешательств. Для этого используется звуковой стресс (120 дБ, 7 Гц). Звуковые волны за счёт способности глубоко проникать в мозг нарушают центры регуляции его кровотока.

Сосудистые «катастрофы» у новорождённых случаются не сразу, а через два-три дня после рождения. Аналогичные изменения происходят с сосудами лабораторных животных после влияния звукового стресса. И хотя звук — это неадекватный провоцирующий фактор для детского инсульта, на сегодняшний день это единственная модель, которая позволяет изучать развитие данной патологии без инвазивных вмешательств, запуская внутренние патологические процессы, максимально приближенные к естественному ходу событий.

Однако для взрослых животных простого стресса недостаточно, чтобы вызвать инсульт головного мозга. Для них требуется наличие хронически высокого артериального давления, изнашивающего сосуды и делающего их стресс-неустойчивыми. Для того чтобы изучать, как работает «барьер» на первых этапах жизни и на последующих этапах развития, мы вооружились современными методами флуоресцентного обнаружения белков окклудин и клаудин-5, работающих «таможенниками» на границе между мозгом и кровью. Воспользовались и старым методом изучения прохождения барьера красителем Evans blue (голубой Эванса), связывающимся с белками крови. Именно этот краситель в 1885 году помог открыть гематоэнцефалический барьер немецкому нейрофизиологу Паулю Эрлиху. Когда он ввёл краситель в кровь, то обнаружил, что все внутренние органы окрасились, а мозг нет. Позже опыты повторил его ученик Эдвин Голдман, но он вводил краситель уже непосредственно в спинномозговой канал лабораторного животного. Мозг становился синим, при этом вся краска оставалась в нём, не проникая на периферию. И по сей день краситель Evans blue — надёжный способ проверки работы гематоэнцефалического барьера. Конечно, появились и другие, более точные способы тестирования проницаемости барьера, например светящиеся метки, закреплённые на полисахаридах — декстранах разной массы (3 кДа и 70 кДа).

А теперь посмотрим, как работает гематоэнцефалический барьер при развитии геморрагического инсульта и как эти процессы отличаются друг от друга в первые дни после рождения лабораторного животного и в последующем его развитии.

Оказалось, внутривенное введение красителя крысам на фоне развития инсульта сопровождается появлением голубой окраски тканей мозга только у взрослых, но не у новорождённых особей.

Мы исследовали, какие вещества проходят через гематоэнцефалический барьер в условиях, когда организму необходимо бороться с инсультом. Для этого использовали флуоресцентные метки — лёгкие (декстран 3 кДа) и тяжёлые (декстран 70 кДа), которые своим свечением подсказывают нам их местонахождение и помогают определить путь движения.

Как оказалось, у взрослых крыс мозг при инсульте как решето: пропускает даже высокомолекулярные соединения (декстран 70 кДа). А у новорождённых декстрановые флуоресцентные метки застревают в сосудах: барьер закрывается так плотно, что даже низкомолекулярные соединения (декстран 3 кДа) остаются в пределах сосудов и не попадают в мозг.

Используя метод иммуноблоттинга (метод определения специфических белков), удалось увидеть белки, которые и делают барьер непроницаемым. Мы наблюдали за двумя критически важными белками — клаудином-5 и окклудином. У новорождённых крыс этих белков в разы больше, чем у взрослых. Вот почему краситель Evans blue и флуоресцентные метки у новорождённых особей «застревают» в барьере, в то время как у взрослых он становится более «лояльным» — проницаемым для веществ, которые в обычных условиях в мозг не попадают.

Возможно ли найти объяснение разного поведения мозга в момент его начального развития и когда статус организма уже сформировался? Мозг развивается по принципу избыточности. Он старается иметь сразу всё и много и только потом разбирается, что с этим делать. Часть его структур, к примеру адренергические нейроны, у которых медиаторами служат норадреналин и адреналин, образуется задолго до рождения, но созревает только к двум годам жизни. Другие структуры, альфа2-адренорецепторы, наоборот, созревают до рождения в огромном количестве, а после их плотность заметно снижается. Но так или иначе, многие молекулярные структуры мозга, равно как и его биохимия, формируются заведомо с избытком. Возможно, это одна из причин, почему у новорождённых наблюдается повышенная экспрессия «барьерных» белков, препятствующих проникновению многих «взрослых» препаратов, которые применяют при лечении инсульта мозга.

Тайна гематоэнцефалического барьера — как грань между небом, землёй и воздухом. Его можно «увидеть», но трудно постичь. Нужны бойцы-невидимки, которые могли бы обмануть строгих стражей барьера, пронести необходимую «гуманитарную помощь» страдающему мозгу маленького пациента и помочь ему в борьбе с инсультом. Такими помощниками могут стать транспортные системы — липосомы, капсулы, углеродные нанотрубки, которые активно разрабатываются с этой целью во всём мире.

Исследования проводились на биологическом факультете Саратовского государственного университета им. Н. Г. Чернышевского в рамках проекта Российского научного фонда (№ 14-15-00128) и гранта Президента РФ (МД-2216.2014.4).

The Blood-brain Barrier | Protocol (Translated to Russian)

18.4: Гематоэнцефалический барьер

Обзор

Гематоэнцефалический барьер (ГЭБ) — это специализированная сосудистая сеть, которая снабжает мозг питательными веществами в крови, строго регулируя движение ионов, молекул, патогенов и других веществ. Он состоит из тесно связанных эндотелиальных клеток с одной стороны и выступов астроцитов с другой. Вместе они создают полупроницаемый барьер, который защищает мозг и создает уникальные проблемы для доставки лекарств.

Компоненты сотовой связи

ГЭБ состоит из множества клеточных компонентов, включая эндотелиальные клетки и астроциты. Эти клетки имеют общую базальную мембрану и вместе регулируют прохождение компонентов между кровообращением и интерстициальной жидкостью, окружающей мозг.

Первый тип клеточного компонента, специализированные эндотелиальные клетки, составляют стенки церебральных капилляров. Они связаны чрезвычайно плотными и сложными межклеточными контактами. Эти соединения создают селективный физический барьер, предотвращающий простую диффузию большинства веществ, включая молекулы среднего и большого размера, такие как глюкоза и инсулин.

Второй тип клеток, астроциты, представляют собой глиальные клетки центральной нервной системы, которые влияют на функцию эндотелиальных клеток, кровоток и ионный баланс в головном мозге посредством взаимодействия и тесной связи с сосудистой сетью головного мозга. Они обеспечивают прямую связь между сосудистой сетью и нейронами: они расширяют отростки & mdash;, называемые концевыми ножками & mdash; которые охватывают кровеносные сосуды на одном конце, обеспечивая тесный контакт с нейронами в синапсах на другом конце.

Химическая обмен

Способность вещества пересекать BBB и эффективность, с которой происходит этот обмен, зависит от химических и молекулярных свойств каждой молекулы или иона. Как правило, мелкие липидорастворимые компоненты, такие как кислород и углекислый газ, подвергаются быстрой, простой диффузии через эндотелиальный слой. В отличие от этого, более крупные или водорастворимые компоненты часто требуют более избирательного процесса, который может включать пассивный или активный транспорт через эндотелианую клетку. Обмен этими веществами, как правило, происходит медленнее или не может произойти вообще, в зависимости от относительного изобилия и эффективности молекул-специфических рецепторов и транспортных белков на поверхности эндотелиальных клеток, среди других факторов.

BBB защищает мозг

Нейронная защита способствует BBB имеет решающее значение для надлежащего здоровья и функционирования мозга. Дисрегуляция BBB может привести к тяжелым неврологическим заболеваниям, включая рассеянный склероз, инфекцию и ишемию из-за недостаточного кровоснабжения. И наоборот, активность BBB может быть вредной для лечения некоторых неврологических заболеваний, предотвращая или существенно уменьшая прохождение нервно-активных фармацевтических препаратов в центральную нервную систему. По этой причине, препараты с неврологическими целями должны быть разработаны таким образом, что облегчает прохождение через BBB.

Литература для дополнительного чтения

Daneman, Richard, and Alexandre Prat. “The Blood–Brain Barrier.” Cold Spring Harbor Perspectives in Biology 7, no. 1 (January 2015). [Source]

Andreone, Benjamin J., Baptiste Lacoste, and Chenghua Gu. “Neuronal and Vascular Interactions.” Annual Review of Neuroscience 38 (July 8, 2015): 25–46. [Source]

Метамфетамин помог лекарствам пройти через гематоэнцефалический барьер

В полушарии, в которое вводили метамфетамин, краситель проник через гематоэнцефалический барьер и окрасил мозг

Jui-Hsien Chang et al. / bioRxiv, 2020

Ученые выяснили, что низкие дозы метамфетамина облегчают кавеолярный транспорт других веществ через гематоэнцефалический барьер. Распространяется это как на небольшие молекулы, так и на белки, а значит, метамфетамин может стать универсальным вспомогательным веществом для доставки лекарств в центральную нервную систему. Авторы статьи, препринт которой доступен на портале bioRxiv, опробовали метамфетамин в качестве дополнения к химиотерапии для лечения модели глиобластомы у мышей, и животные прожили дольше.

Центральная нервная система отделена от кровеносных сосудов гематоэнцефалическим барьером, который не дает проникнуть в мозг «посторонним» веществам. Что пускать, а что не пускать, решают клетки эндотелия, которые образуют физическую преграду, и чтобы доставить лекарства в мозг, ученые пытаются обмануть именно их.

Один из предложенных способов «протаскивать» лекарства сквозь гематоэнцефалический барьер — при помощи метамфетамина. Это наркотическое вещество в концентрации более десяти микромоль на литр нарушает (иногда необратимо) плотные контакты между эндотелиальными клетками, и в барьере появляются бреши. В небольших же дозах метамфетамин тоже увеличивает проводимость гематоэнцефалического барьера, но не физически нарушая его, а усиливая везикулярный транспорт жидкостей сквозь клетки.

Ученые из Великобритании и Ирландии под руководством Патрика Туровски (Patric Turowski) из Университетского колледжа Лондона исследовали механизм воздействия метамфетамина на гематоэнцефалический барьер. Для этого создали модель ex vivo перфузии мозга грызунов — в сонные артерии животных сразу после смерти вставляли катетеры, а яремные вены обрезали. По катетерам через мозг пропускали растворы, которые сохраняли целостность сосудистой сети и гематоэнцефалического барьера. В раствор, который вводили через один из катетеров, добавляли метамфетамин, а второй служил контролем.

Для начала убедились в целостности гематоэнцефалического барьера — для этого в сонные артерии крыс ввели краситель, который в норме не проходит через барьер. Затем в один из двух растворов добавили метамфетамин в концентрации один микромоль на литр. Через 60 минут сосудистую сеть промыли, чтобы краситель остался только там, где прошел сквозь гематоэнцефалический барьер.

В том полушарии, через которое пропускали раствор с метамфетамином, краситель прошел сквозь барьер и накопился в мозге, а во втором (контрольном) полушарии этого не произошло. С помощью электронной микроскопии обнаружили, что отростки астроцитов после воздействия метамфетамина увеличились в размерах и сжали капилляры. Плотные контакты между эндотелиальными клетками были сохранены, и краситель не накапливался в них, зато внутри этих клеток было много везикул с красителем.

Сверху — полушарие мозга крысы, в которое вводили только краситель, снизу — с метамфетамином. Темно-серый — просвет капилляра, белый — отросток астроцита, посередине клетки эндотелия, стрелками отмечены везикулы

Jui-Hsien Chang et al. / bioRxiv, 2020

 #define MAX_INTPTS 16

struct crys_intpts {
тип int; / * по состоянию на июнь 2012 г .: abcd5678 * /
int crystal_id;
int num; / * # точек взаимодействия при декомпозиции или # сетей при ошибке декомпозиции * /
float tot_e; / * Энергия CC для центрального контакта, выбранного для использования в разложении (откалибрована, и для каналов CC 10 МэВ, включает поправку DNL. 2 - это плохо после декомпозиции (в данном случае
             crys_intpts не равно нулю, но шаг постобработки не применяется)
= 6 плохая сборка, т.е.е. Найдено <40 сегментов + CC каналов

       pad | = 128 PileUp, то есть флаг pileup или deltaT1 <6usec

например pad = 128 pileup + хорошо
       = 133 pileup + BadChisq * /
struct {
float x, y, z, e; / * здесь e относится к дроби * /
int seg; / * совпадение номера сегмента * /
float seg_ener; / * энергия сегмента попадания * /
} intpts [MAX_INTPTS];
}; 

 <5-битный номер детектора> <2-битный номер кристалла> <2-битный номер слота VME> <4-битный номер канала> 

 struct trackedGamma {
поплавок; / * энергия гамма-излучения * /
int ndet; / * количество взаимодействий * /
float fom; / * добротность * /
int отслеживается; / * отслеживается == 1, если отслеживание прошло успешно * /
метка времени long long int; / * отметка времени первого взаимодействия * /
float x0, y0, z0, e0; / * первая точка взаимодействия * /
float x1, y1, z1, e1; / * вторая точка взаимодействия * /
 short int fhcrID;   / * идентификатор кристалла первого попадания - в зависимости от компиляции трекинга
                                код, который не может быть включен в структуру * / 
} 

 typedef struct _RingItemHeader {
uint32_t s_size;
uint32_t s_type;
} 

 struct s800_physicsdata {
int32_t type; / * определен как abcd1234 для обозначения этой (первой) версии * /
float crdc1_x; / * crdc x / y позиции, в мм * /
float crdc1_y;
float crdc2_x;
float crdc2_y;
float ic_sum; / * потеря энергии в ионной камере * /
float tof_xfp; / * сцинтиллятор после A1900 * /
float tof_obj; / * сцинтиллятор в блоке объекта * /
float rf; / * циклотрон вч для tof * /
int триггер; / * битовая комбинация регистра запуска * /
/ * ------------------------------------------------ ------------------------ * /
/ * отсюда исправленные значения, извлеченные из данных выше * /
/ * ------------------------------------------------ ------------------------ * /
float ic_de;
/ * до значений с поправками (из afp / crdc x) * /
float tof_xfpe1;
float tof_obje1;
float tof_rfe1;
/ * Информация о траектории в целевой позиции рассчитывается по карте и
афп / бфп / xfp / ycp.Новая карта и ее нужно пересчитать. * /
float ata; / * угол рассеивания * /
float bta; / * недисперсионный угол * /
float dta; / * dT / T, T = кинетическая энергия * /
float yta; / * недисперсионное направление * /
}; 

 #define MAX_SIM_GAMMAS 10
  
struct g4Sim_abcd1234 {
тип int;
int num;
int full;
struct {
float e;
float x, y, z;
плавать фи, тета;
плавающая бета
} g4Sim_emittedGamma [MAX_SIM_GAMMAS];
};