Krevní Bariéra Mozku a Mozkový Metabolismus (Oddíl 4, Kapitola 11) Neurovědy on-Line: Elektronické Učebnice pro Neurovědy | Oddělení Neurobiologie a Anatomie – University of Texas Medical School v Houston

11.1 Krev-Bariéra mozku, Udržuje Stálost Mozku Vnitřního Prostředí

hematoencefalickou bariéru (BBB) chrání nervovou tkáň ze změn ve složení krve a toxiny. Jinde v těle dochází k častým výkyvům extracelulárních koncentrací hormonů, aminokyselin a draslíku, zejména po jídle, cvičení nebo stresových časech. Vzhledem k tomu, že mnoho z těchto molekul reguluje excitabilitu neuronů, podobná změna složení intersticiální tekutiny v CNS může vést k nekontrolované mozkové aktivitě. Endotelové buňky tvořící hematoencefalickou bariéru jsou vysoce specializované, aby umožnily přesnou kontrolu nad látkami, které vstupují nebo opouštějí mozek.

objev hematoencefalické bariéry. Objev BBB se datuje více než 100 let, když v roce 1880, Paul Ehrlich zjištěno, že intravenózní podání některých barev (např. trypanovou modří) obarví všechny orgány s výjimkou mozku a míchy. Dospěl k závěru, že barviva mají nižší afinitu k vazbě na nervový systém ve srovnání s jinými tkáněmi. V roce 1913, Edwin Goldman, spolupracovník Ehrlich, prokázala stejné barvy, když injekčně přímo do mozkomíšního moku (CSF), snadno obarví nervové tkáně, ale ne jiných tkání. Termín „krev-bariéra mozku“ byl vytvořen, nicméně, tím, že Lewandowsky v roce 1898, poté, co on a jeho kolegové měli provádět experimenty prokázat, že neurotoxické agenti postižené mozkové funkce pouze tehdy, když injekčně přímo do mozku, ale ne, když se aplikuje do cévního systému. Trvalo dalších 70 let, než Reese a jeho kolegové lokalizovali bariéru kapilárních endotelových buněk v mozku elektronovými mikroskopickými studiemi.

endotelové buňky v mozkových kapilárách jsou místem BBB. BBB u dospělých, se skládá z komplexní mobilní systém vysoce specializované bazální membrány, velké množství pericyty zakotveny v bazální membráně a astrocytic end nohy. Zatímco endotelové buňky tvoří vlastní bariéru, zdá se, že pro vývoj bariéry je nutná interakce se sousedními buňkami. Endotelové buňky mozku se liší od endotelových buněk od jiných orgánů dvěma důležitými způsoby. Za prvé, mezi mozkovými endoteliálními buňkami jsou přítomny kontinuální těsné spoje. Tyto těsné spoje zabraňují paracelulárnímu pohybu molekul. Za druhé, neexistují žádné detekovatelné transendoteliální dráhy, jako jsou intracelulární vezikuly. Tyto vlastnosti mozkových endotelových buněk poskytují bariéru mezi krví a mozkem. Některé z klíčových procesů jsou znázorněny na obrázku 11.1.

1. kontinuální těsné spoje, které se připojují k endoteliálním buňkám v mozkových kapilárách, omezují difúzi molekul přes BBB.
2. suterénu (bazální) membrána poskytuje strukturální podporu pro kapilární a specifické proteiny přítomné v bazální membráně byly navrženy, aby se zapojili do vývoje BBB.
3. Astrocytické nožní procesy uvolňují specifické faktory a jsou nezbytné pro vývoj BBB. Astrocytické procesy nohou obsahují vodní kanály (aquaporin-4), které umožňují příjem vody a přispívají k otoku mozku.
4. transportní nosiče glukózy a esenciálních aminokyselin usnadňují pohyb těchto rozpuštěných látek do mozku. Protože mozkové buňky nemohou tyto esenciální aminokyseliny syntetizovat, jsou odebírány z krve.
5. zdá se, že sekundární Transportní systémy způsobují výtok malých molekul a neesenciálních aminokyselin z mozku do krve.
6. transportéry sodíkových iontů na luminální membráně a Na, K-ATPáza na anti-luminální membráně představují pohyb sodíku z krve do mozku. Velké množství mitochondrií přítomných v mozkových endotelových buňkách poskytuje energii pro funkci této Na, K-ATPázy.
7. „enzymatické mozku-krev-bariéra“: Metabolické procesy v mozkových kapilárních endoteliálních buněk, jsou důležité pro krev-mozek funkce a ovládání vstupu neurotransmiterů v mozku.

11.2 Molekulární Komponenty Tight Junctions

těsné spojení mezi endoteliálními buňkami jsou zodpovědné za bariérovou funkci. Occludin byl první integrální protein membrány shledán výlučně lokalizován v těsné spoje. Nicméně, myši nesoucí null mutace v occludin gen rozvíjet morfologicky normální tight junctions, což znamená, že umístím není nezbytné pro řádné tight junction formace. Na rozdíl od okluze se ukázalo, že claudiny jsou potřebné pro vytvoření těsných křižovatek. Integrální membránové proteiny tight junctions jsou napojeny na cytoskelet přes zóny umístím-1 (ZO-1), ZO-2 a ZO-3. Kromě toho, non-okluzní adherens křižovatky se nacházejí prolíná s úzkými křižovatky. V adherens junctions se nacházejí endoteliální specifické, integrální membránové proteiny VE-kadheriny. Kromě toho, rodiny proteinů nazývá junkční adhezní molekuly (JAM), a v poslední době objevena před endoteliálních buněk-selektivní adhezních molekul (ESAM), jsou lokalizovány v těsné spoje BBB. Jejich přesná funkce v integritě BBB je třeba určit.

všechny oblasti mozku nemají hematoencefalickou bariéru. Struktury umístěné na strategických pozicích ve střední linii komorového systému a postrádající BBB jsou souhrnně označovány jako circumventrikulární orgány (CVOs). V těchto nebariérových oblastech jsou těsné spoje mezi endoteliálními buňkami diskontinuální, což umožňuje vstup molekul. Mnoho z těchto oblastí se účastní hormonální kontroly.

Oblastech mozek bez krve-bariéra mozku:

• Hypofýzy
• Median eminence
• Area postrema
• Preoptic vybrání
• Paraphysis
• Šišinka
• Endotelu choroid plexus

látky s vysokou rozpustností v lipidech se mohou pohybovat přes BBB jednoduchou difúzí. Difúze je hlavním vstupním mechanismem pro většinu psychoaktivních drog. Obrázek 11.2 ukazuje, že rychlost vstupu sloučenin, které difundují do mozku, závisí na jejich rozpustnosti v lipidech. Rozpustnost lipidů se odhaduje rozdělovacím koeficientem olej / voda.

obrázek 11.5 a znázorňuje, jak se vypočítá dělicí koeficient olej/voda. Obrázek 11.5b ukazuje vztah mezi rozdělovacím koeficientem olej / voda a pronikáním vybraných molekul do mozku.

vodu. Voda snadno vstupuje do mozku. V důsledku vysoké propustnosti se voda volně pohybuje do a ven z mozku, jak se mění osmolarita plazmy. Tento jev je klinicky užitečný, protože intravenózní podání špatně propustných sloučenin, jako je mannitol, osmoticky dehydratuje mozek a snižuje intrakraniální tlak. Tato metoda se někdy používá u pacientů s traumatem hlavy ke snížení intrakraniálního tlaku.

plyny. Plyny jako CO2, O2 a těkavá anestetika rychle difundují do mozku. V důsledku toho je rychlost, při které se jejich koncentrace v mozku dostává do rovnováhy s plazmou, omezena primárně rychlostí průtoku krve mozkem.

11.3 Transport Glukózy a Aminokyselin

transport zprostředkovaný nosičem umožňuje molekulám s nízkou rozpustností lipidů procházet hematoencefalickou bariérou. Glukóza z krve vstupuje do mozku transportním proteinem. Glukóza je primární energetický substrát mozku. Transportní protein glukózy (GLUT-1) je vysoce obohacen v mozkových kapilárních endotelových buňkách. Tyto transportéry nesou molekuly glukózy přes hematoencefalickou bariéru. I když jsou pacienti s nedostatkem Glut-1 (způsobeným genetickými mutacemi) vzácní, mohou mít vážné potíže s učením. Nízká hladina cukru v krvi v mozkomíšním moku, ale ne v krvi, identifikuje stav.

esenciální aminokyseliny nemohou být syntetizovány mozkem, a proto musí být dodávány z rozkladu bílkovin a stravy. Fenylalanin, leucin, tyrosin, isoleucin, valin, tryptofan, methionin a histidin, které jsou esenciální aminokyseliny, a také prekurzor dopaminu, L-DOPA, vstoupit do mozku stejně rychle jako glukóza. Tyto aminokyseliny jsou transportovány do mozku pomocí transportních proteinů preferujících leucin nebo L-typu. Tyto sloučeniny si navzájem konkurují o vstup do mozku. Proto zvýšení plazmatické hladiny jednoho inhibuje vychytávání ostatních. Tato soutěž může být důležitá pro některá metabolická onemocnění, jako je fenylketonurie (PKU), kde vysoké hladiny fenylalaninu v plazmě snižují příjem jiných esenciálních aminokyselin mozkem.

malé neutrální aminokyseliny, jako je alanin, glycin, prolin a GABA (kyselina gama-aminomáselná), jsou výrazně omezeny při vstupu do mozku. Tyto aminokyseliny jsou neesenciální aminokyseliny a jsou transportovány transportním proteinem preferujícím alanin nebo a. Transportní protein typu A není přítomen na luminálním povrchu hematoencefalické bariéry. Naproti tomu se zdá, že tyto malé neutrální aminokyseliny jsou transportovány z mozku přes hematoencefalickou bariéru.

11.4 ochrana mozku před krevními neurotoxiny a léky

P-glykoproteiny jsou pumpy poháněné ATP, které poskytují multidrogovou rezistenci na rakovinné buňky čerpáním léků z buněk. Tyto proteiny jsou exprimovány v mozkových endotelových buňkách, které mohou omezit propustnost BBB hydrofobních sloučenin, jako je cyklosporin A a vinblastin, jejich čerpáním z endotelových buněk zpět do krve.

metabolické procesy v mozkových kapilárních endotelových buňkách jsou důležité pro funkci krve a mozku. Většina neurotransmiterů přítomných v krvi nevstupují do mozku, protože jejich nízké rozpustnosti v tucích a nedostatek konkrétních dopravců v luminální membránu kapilární endoteliální buňku (viz Obrázek 11.1). Naproti tomu L-DOPA, prekurzor dopaminu, má afinitu k transportéru typu L. Proto vstupuje do mozku snadněji z krve, než by se předpokládalo na základě jeho rozpustnosti v lipidech. Pacienti s Parkinsonovou chorobou jsou kvůli této skutečnosti léčeni spíše L-DOPA než dopaminem. Penetrace L-DOPA do mozku je však omezena přítomností enzymů L-DOPA dekarboxylázy a monoaminooxidázy v kapilárních endotelových buňkách. Tato „enzymatická hematoencefalická bariéra“ omezuje průchod L-DOPA do mozku a vysvětluje potřebu velkých dávek L-DOPA při léčbě Parkinsonovy choroby. Terapie je v současné době posílena souběžnou léčbou inhibitorem L-DOPA dekarboxylázy.

Endoteliální monoaminooxidázy může také hrát roli v inaktivace neurotransmiterů vydané neuronální aktivity. Monoaminy vykazují velmi malou absorpci, když jsou prezentovány z luminální strany. Systémy příjmu monoaminů jsou přítomny v antiluminálním povrchu mozkových kapilárních endotelových buněk. Endoteliální kapilára mozku také obsahuje řadu dalších enzymů metabolizujících neurotransmiter, jako jsou cholinesterázy, GABA transaminázy, aminopeptidáza a endopeptidázy. Kromě toho se v mozkových kapilárách nachází také několik enzymů metabolizujících léky a toxiny. „Enzymatická hematoencefalická bariéra“ tak chrání mozek nejen před cirkulujícími neurotransmitery, ale také před mnoha toxiny.

ohrožena BBB a nemoc. Dysfunkce BBB může vést k poškození neuronů a narušené funkci mozku. Nemoci, jako je encefalitida, roztroušená skleróza (MS), mrtvice nebo nádory, vyvolávají zhoršení BBB s devastujícím vlivem na neuronální funkci. Tyto podmínky snižují produkci těsného spojovacího proteinu claudin. Nádory mozku způsobují úplné zhroucení BBB, které vede k peritumorálnímu edému. Nádorové buňky navíc vylučují specifické faktory, které mají tendenci být netěsné.

obcházení BBB s drogami. Řada léků potenciální terapeutickou hodnotu nemají snadno vstoupit do mozku, protože mají nízké rozpustnosti v tucích a jsou transportovány specifickými přenašeči přítomné v HEB. K překonání tohoto omezení byly vyvinuty schémata pro zvýšení vstupu léků do mozku. 1) jedním ze způsobů, jak obejít BBB, je dodávat lék přímo do CSF. Tento přístup lze použít k léčbě pacientů s meningitidou nebo rakovinnými buňkami v mozkomíšním moku. 2) Některé vazoaktivní sloučeniny, jako je bradykinin a histamin, které nemění BBB u normálních lidí, mohou zvýšit propustnost BBB v patologických stavech. Tyto sloučeniny mohou být použity k dodávání chemoterapeutických látek do mozku. 3) léky mohou být syntetizovány s vysokou propustností BBB pro zlepšení vstupu do mozku. Většina neuroaktivních léků je účinná, protože se rozpouštějí v lipidech a snadno vstupují do mozku. Například heroin a morfin mají velmi podobnou strukturu. Heroin, který má dvě acetylové skupiny, je však rozpustnější v lipidech. Tato větší rozpustnost heroinu v lipidech vysvětluje jeho rychlejší nástup účinku. Jakmile je v mozku, acetylová skupina heroinu je enzymaticky odstraněna za vzniku morfinu, který jen pomalu opouští mozek. Pochopení transportního procesu je zásadní pro vývoj nové generace léků užitečných při léčbě mozkových onemocnění.

11.5 Cerebrální Metabolismus a Průtok Krve

Cerebrální Metabolismus

mozek je metabolicky jedním z nejaktivnějších orgánů v těle. Mozek neukládá přebytečnou energii a odvozuje téměř všechny své energetické potřeby z aerobní oxidace glukózy. Proto vyžaduje nepřetržitý přísun glukózy a kyslíku, aby splňoval své energetické požadavky. Většina spotřeby energie mozku se používá pro aktivní transport iontů k udržení a obnovení membránových potenciálů vypouštěných během procesu excitace a vedení. Když se zastaví průtok krve do mozku a dojde k nepřítomnosti kyslíku a krve, dojde ke ztrátě vědomí za 5-10 sekund. Pokud se průtok krve neobnoví během několika minut, dochází k trvalému poškození mozku. Je dobře známo, že během krizí, jako je srdeční zástava, dochází k poškození mozku nejdříve a je rozhodující při určování stupně zotavení. Absence glukózy je stejně destruktivní, ale časový průběh vedoucí k nevratnému poškození hypoglykemií je delší, protože lze použít jiné substráty.

různé oblasti mozku mají různé energetické požadavky, které souvisejí s neuronální aktivitou v těchto oblastech. Měření množství glukózy použité za minutu v různých oblastech mozku normální vědomé krysy a opice ukazuje, že využití glukózy se v mozku velmi liší. Kromě toho je průměrná hodnota v šedé hmotě přibližně pětkrát vyšší než v bílé hmotě.

množství průtoku krve přímo souvisí s mozkovou aktivitou. V samostatné skupině zvířat bylo stanoveno množství průtoku krve do oblastí mozku. Výsledky ukazují, že více krve proudí do oblasti mozku s vysokou metabolickou aktivitou.

obrázek 11.10 ukazuje, že existuje vynikající korelace mezi množstvím použití glukózy a lokálním průtokem krve mozkem.
regulace průtoku krve do oblasti mozku je dosažena kontrolou dilatace mozkových cév. Dilatace cév je řízen místní faktory, jako je například oxid dusnatý (NO), PaCO2, PaO2 a pH. Vysoká ŽÁDNÉ vysoké PaCO2, nízký PaCO2 a nízké pH, které jsou vyráběny jako výsledek mozkové činnosti, mají tendenci k rozšíření cév a zvýšení průtoku krve. Rychlost výroby těchto chemikálií je závislá na aktivitě a rychlosti energetického metabolismu. Proto průtok krve do oblasti mozku souvisí s neuronální aktivitou v této oblasti.

využití glukózy a zobrazování mozku. Metabolismus glukózy je hlavním zdrojem energie pro mozek. Glukóza z krve vstupuje do mozku pomocí transportního proteinu Glut-1. Jakmile je uvnitř mozkové buňky, vstupuje do glykolytické dráhy, kde se převede na pyruvát a poté se metabolizuje krebsovým cyklem za vzniku ATP. Frakce molekul ATP se používá k výrobě molekul fosfokreatinu s vysokou energií. Za podmínek je aerobní metabolismus glukózy schopen poskytnout mozku dostatečnou energii z ATP a fosfokreatinu k udržení normální funkce. Když dojde k selhání mozku, dochází zpočátku ke ztrátě fosfokreatinu, následované vyčerpáním ATP, což obecně signalizuje vážné poškození mozku.

deprivace glukózy může vést k abnormální funkci mozku. Hypoglykémie, která může být důsledkem nadměrného inzulínu, je spojena se změnami duševního stavu. Tyto změny lze rychle zvrátit podáním glukózy. Za určitých okolností, například během hladovění, může mozek používat „ketonová těla“ místo glukózy jako substráty. Ketolátek, acetoacetátu a D-beta-hydroxybutyrát jsou tvořeny z katabolismu mastných kyselin v játrech. Tyto ketolátky jsou metabolizovány generovat acyl-CoA, který vstupuje trikarboxylová cyklu (TCA) v dostatečné míře ke splnění nároků na metabolismus mozku.

měření lokálního využití glukózy. Místní energetický metabolismus je spojen s lokální funkční aktivitou. Použití autoradiografického analogu glukózy, 2-deoxyglukózy (2-DG), bylo použito k měření metabolismu glukózy u pokusných zvířat.

obrázek 11.4 ilustruje základní princip radioaktivní deoxy glukózové metody pro měření lokálního využití mozkové glukózy. Využití glukózy začíná fosforylací glukózy hexokinázou. Výsledný glukóza-6-fosfát není zadržován v tkáních. Místo toho se dále metabolizuje na produkty, jako je CO2 a H2O, které opouštějí tkáň. 2-deoxyglukóza je analog glukózy a je transportována přes hematoencefalickou bariéru systémem nosiče glukózy. Uvnitř mozkových buněk, 2-deoxyglucose je fosforylována hexokinázou na deoxyglucose-6-fosfát (DG-6-P) a nemůže být dále degradován na CO2 a H2O. Místo toho je uvězněn a hromadí se ve tkáni, kvantitativně za rozumnou dobu. Uvedením štítku na deoxyglukózu (jako je fluor-2-deoxy-d-glukóza) je možné měřit rychlost značené tvorby deoxyglukózy-6-fosfátu. Množství 18fdg-6-fosfátu lze přímo stanovit pomocí pozitronové emisní tomografie (PET). Metoda 2-deoxyglukózy byla upravena pro humánní použití s PET, s krátkodobými izotopy emitujícími pozitron značenými na 2-deoxyglukózu.

11.6 funkční aktivace energetického metabolismu

vzhledem ke spojení metabolismu s funkcí vede funkční aktivace specifickými podněty k regionálnímu zvýšení metabolismu glukózy v odpovídajících mozkových strukturách. Pohyb prstů a rukou zvyšuje metabolismus v příslušných oblastech mozku. U pravých dobrovolníků spontánní řeč zvýšila metabolické aktivity v regionu Broca. Prezentace vizuálních obrazů zvyšuje využití glukózy v primární vizuální kůře.

funkční MRI. Varianta MRI nazývaná funkční MRI (fMRI) je založena na zvýšení průtoku krve do specifických oblastí mozku, které doprovázejí neuronální aktivitu. Zvýšení průtoku krve vede k lokálnímu poklesu deoxyhemoglobinu v důsledku menší extrakce kyslíku. Deoxyhemoglobin je paramagnetický a slouží jako zdroj signálu v fMRI. Na rozdíl od PET používá fMRI signál vlastní mozku a ukázal se jako technologie volby pro zkoumání funkce mozku.

11.7 Poruchy Mozku a Metabolismus

Křečovité poruchy jsou funkční poruchy mozkové činnosti a vést k výrazným změnám v mozku, metabolismus a průtok krve mozkem. Metabolické změny detekované PET mohou často doplňovat elektrofyziologické záznamy k lokalizaci epileptogenních ložisek. Tato informace pomáhá neurochirurgům chirurgicky odstranit epileptogenní zaměření.

metabolická měření pomocí PET mohou být použita k určení velikosti infarktu po ischemické cévní mozkové příhodě. Nádory mozku mají vysoké metabolické potřeby a jsou silně vaskularizovány. PET nebo fMRI lze použít k lokalizaci nádoru a vyhodnocení účinnosti terapie.