Vér-agy gát és agyi anyagcsere (4. szakasz, 11. fejezet) Neuroscience Online: elektronikus tankönyv az idegtudományok számára / Neurobiológiai és anatómiai Tanszék – A Texasi Egyetem Houstoni orvosi iskolája

11.1 a vér-agy gát fenntartja az agy belső környezetének állandóságát

a vér-agy gát (BBB) védi az idegszövetet a vérösszetétel és a toxinok változásaitól. A test más részein a hormonok, aminosavak és kálium extracelluláris koncentrációja gyakori ingadozásokon megy keresztül, különösen étkezés, testmozgás vagy stresszes idők után. Mivel ezek közül a molekulák közül sok szabályozza az idegsejtek ingerlékenységét, az intersticiális folyadék összetételének hasonló változása a központi idegrendszerben kontrollálatlan agyi aktivitáshoz vezethet. A vér-agy gátat alkotó endothelsejtek rendkívül specializáltak, hogy lehetővé tegyék az agyba belépő vagy onnan kilépő anyagok pontos ellenőrzését.

a vér-agy gát felfedezése. A BBB felfedezése több mint 100 évre nyúlik vissza, amikor az 1880-as években Paul Ehrlich megfigyelte, hogy bizonyos színezékek (pl. tripánkék) intravénás beadása az agy és a gerincvelő kivételével minden szervet megfestett. Arra a következtetésre jutott, hogy a színezékek kisebb affinitással kötődnek az idegrendszerhez, mint más szövetek. 1913-ban Edwin Goldman, Ehrlich munkatársa ugyanazokat a színezékeket mutatta be, amikor közvetlenül a cerebrospinális folyadékba (CSF) injektálták, könnyen megfestették az idegszövetet, de más szöveteket nem. A “vér-agy gát” kifejezést azonban Lewandowsky találta ki 1898-ban, miután kollégáival kísérleteket végzett annak bizonyítására, hogy a neurotoxikus szerek csak akkor befolyásolják az agy működését, ha közvetlenül az agyba injektálják, de nem az érrendszerbe. További 70 évbe telt, amíg Reese és kollégái elektronmikroszkópos vizsgálatokkal lokalizálták a kapilláris endothel sejtek gátját az agyban.

az agyi kapillárisok Endothelsejtjei a BBB helye. A BBB felnőtteknél egy rendkívül specializált bazális membrán komplex sejtrendszeréből, a bazális membránba ágyazott nagyszámú pericitából és az asztrocitikus véglábból áll. Míg az endothel sejtek alkotják a megfelelő gátat, úgy tűnik, hogy a szomszédos sejtekkel való kölcsönhatás szükséges a gát kialakulásához. Az agy endoteliális sejtjei két fontos módon különböznek a többi szerv endoteliális sejtjeitől. Először is, folyamatos szoros csomópontok vannak jelen az agy endothel sejtjei között. Ezek a szoros csomópontok megakadályozzák a molekulák paracelluláris mozgását. Másodszor, nincsenek kimutatható transzendoteliális utak, például intracelluláris vezikulák. Az agyi endoteliális sejtek ezen tulajdonságai gátat képeznek a vér és az agy között. Néhány kulcsfontosságú folyamat a 11.1. ábrán látható.

1. az agyi kapillárisok endothelsejtjeihez csatlakozó folyamatos szoros csomópontok korlátozzák a molekulák diffúzióját a BBB-n keresztül.
2. az alagsori (bazális) membrán szerkezeti támogatást nyújt a kapillárisnak, és az alapmembránban jelen lévő specifikus fehérjéket javasolták, hogy vegyenek részt a BBB fejlődésében.
3. az Asztrocitikus lábfolyamatok specifikus tényezőket szabadítanak fel, és szükségesek a BBB fejlődéséhez. Az asztrocitikus lábfolyamatok vízcsatornákat (aquaporin-4) tartalmaznak, amelyek lehetővé teszik a vízfelvételt és hozzájárulnak az agy duzzanatához.
4. a glükóz és az esszenciális aminosavak transzport hordozói megkönnyítik ezen oldott anyagok mozgását az agyba. Mivel az agysejtek nem képesek szintetizálni ezeket az esszenciális aminosavakat, a vérből veszik fel.
5. úgy tűnik, hogy a másodlagos transzportrendszerek kis molekulák és nem esszenciális aminosavak kiáramlását okozzák az agyból a vérbe.
6. a luminális membránon lévő nátriumion-transzporterek és az anti-luminális membránon lévő Na,K-ATPáz felelős a nátrium vérből az agyba jutásáért. Az agy endothel sejtjeiben jelen lévő mitokondriumok nagy száma energiát szolgáltat ennek a Na-nak a működéséhez,K-ATPáz.
7. az “enzimatikus vér-agy-gát”: az agyi kapilláris endothel sejteken belüli anyagcsere folyamatok fontosak a vér-agy működéséhez és szabályozzák a neurotranszmitterek bejutását az agyba.

11.2 szoros csomópontok molekuláris komponensei

az endothelsejtek közötti szoros csomópontok felelősek a gátfunkcióért. Az okkludin volt az első integrált membránfehérje, amelyet kizárólag a szoros csomópontokon belül lokalizáltak. Az okkludin génben a null mutációt hordozó egerek azonban morfológiailag normális szoros csomópontokat fejlesztenek ki, jelezve, hogy az elzáródás nem elengedhetetlen a megfelelő szoros csomópont kialakulásához. Az elzáródással ellentétben kimutatták, hogy claudinokra van szükség a szoros csomópontok kialakításához. A szoros csomópontok integrált membránfehérjéi a citoszkeletonhoz kapcsolódnak az-1 (ZO-1), ZO-2 és ZO-3 zónán keresztül. Ezenkívül a nem okkludin adherens csomópontok szoros csomópontokkal keverednek. Az adherens csomópontokban megtalálhatók az endothel specifikus, integrált membránfehérjék, a VE-kadherinek. Ezenkívül a jam (jam) nevű fehérjecsalád és a közelmúltban felfedezett endothel sejtszelektív adhéziós molekulák (ESAM) a BBB szűk csomópontjaiban helyezkednek el. Pontos funkciójukat a BBB integritásában még meg kell határozni.

az agy minden területén nincs vér-agy gát. A kamrai rendszer középvonalában stratégiai pozíciókban elhelyezkedő és a BBB hiányában lévő struktúrákat együttesen circumventricularis szerveknek (CVOs) nevezzük. Ezekben a nem barrier régiókban az endothel sejtek közötti szoros csomópontok szakaszosak, így lehetővé teszik a molekulák bejutását. Ezen területek közül sok részt vesz a hormonális kontrollban.

agyterületek vér-agy gát nélkül:

• agyalapi mirigy
• medián eminencia
• terület postrema
• preoptikus mélyedés
• Paraphysis
• tobozmirigy
• a choroid plexus Endotheliuma

a magas Lipidoldékonyságú anyagok egyszerű diffúzióval mozoghatnak a BBB-n. A diffúzió a legtöbb pszichoaktív gyógyszer fő belépési mechanizmusa. A 11.2. ábra azt mutatja, hogy az agyba diffúz vegyületek bejutási sebessége lipidoldékonyságuktól függ. A lipidoldékonyságot olaj/víz megoszlási együtthatóval becsüljük meg.

a 11.5 a ábra az olaj/víz Megoszlási hányados kiszámításának módját mutatja be. 11. ábra.Az 5B ábra az olaj/víz Megoszlási hányados és a kiválasztott molekulák agyi behatolása közötti kapcsolatot mutatja.

víz. A víz könnyen belép az agyba. Nagy permeabilitásának következtében a víz szabadon mozog az agyba és onnan kifelé, ahogy a plazma ozmolaritása megváltozik. Ez a jelenség klinikailag hasznos, mivel a rosszul áteresztő vegyületek, például a mannit intravénás beadása ozmotikusan dehidratálja az agyat és csökkenti az intrakraniális nyomást. Ezt a módszert néha fejsérüléses betegeknél alkalmazzák az intrakraniális nyomás csökkentésére.

gázok. Az olyan gázok, mint a CO2, O2 és az illékony érzéstelenítők gyorsan diffundálnak az agyba. Ennek következtében az agyi koncentrációjuk egyensúlyba kerül a plazmával, elsősorban az agyi véráramlás sebessége korlátozza.

11,3 glükóz és aminosavak szállítása

a hordozó által közvetített transzport lehetővé teszi az alacsony lipidoldékonyságú molekulák átjutását a vér-agy gáton. A vérből származó glükóz egy transzportfehérjével jut be az agyba. A glükóz az agy elsődleges energia szubsztrátja. A glükóz transzport fehérje (GLUT-1) erősen dúsított az agy kapilláris endothel sejtjeiben. Ezek a transzporterek glükózmolekulákat hordoznak a vér-agy gáton keresztül. Bár ritka, a Glut-1 hiányban szenvedő betegek (genetikai mutációk okozzák) súlyos tanulási nehézségekkel járhatnak. Alacsony glükózcukor szint a cerebrospinális, de nem a vérben, azonosítja az állapotot.

az esszenciális aminosavakat az agy nem tudja szintetizálni, ezért fehérjebontásból és étrendből kell őket biztosítani. Fenilalanin, leucin, tirozin, izoleucin, valin, triptofán, metionin és hisztidin, amelyek esszenciális aminosavak, valamint a dopamin prekurzora, az L-DOPA, olyan gyorsan lépnek be az agyba, mint a glükóz. Ezeket az aminosavakat a leucin-preferáló vagy az L-típusú transzportfehérjék szállítják az agyba. Ezek a vegyületek versenyeznek egymással az agyba való belépésért. Ezért az egyik plazmaszintjének emelkedése gátolja a többiek felvételét. Ez a verseny fontos lehet bizonyos anyagcsere-betegségek, például a fenilketonuria (PKU) esetében, ahol a plazma magas fenilalaninszintje csökkenti az egyéb esszenciális aminosavak agyi felvételét.

a kis semleges aminosavak, például az alanin, a glicin, a prolin és a GABA (gamma-amino-vajsav) jelentősen korlátozottak az agyba való bejutásukban. Ezek az aminosavak nem esszenciális aminosavak, amelyeket alanin-preferáló vagy A-típusú transzportfehérje szállít. Az A-típusú transzportfehérje nincs jelen a vér-agy gát luminális felületén. Ezzel szemben úgy tűnik, hogy ezek a kis semleges aminosavak az agyból a vér-agy-gáton keresztül szállítódnak.

11.4 az agy védelme a vér által terjesztett Neurotoxinoktól és gyógyszerektől

a P-glikoproteinek ATP-vezérelt szivattyúk, amelyek a gyógyszerek sejtekből történő kiszivattyúzásával többszörös gyógyszerrezisztenciát biztosítanak a rákos sejtekkel szemben. Ezek a fehérjék az agy endoteliális sejtjeiben expresszálódnak, amelyek korlátozhatják a hidrofób vegyületek, például a ciklosporin A és a vinblasztin BBB permeabilitását azáltal, hogy az endoteliális sejtekből visszaszivattyúzzák őket a vérbe.

az agyi kapilláris endothel sejtek metabolikus folyamatai fontosak a vér-agy működéséhez. A vérben jelen lévő legtöbb neurotranszmitter nem jut be az agyba alacsony lipidoldékonyságuk és a kapilláris endothel sejt luminális membránjában található specifikus transzporthordozók hiánya miatt (lásd 11.1.ábra). Ezzel szemben az L-DOPA, a dopamin prekurzora affinitással rendelkezik az L-típusú transzporter iránt. Ezért a vérből könnyebben jut be az agyba, mint azt lipidoldhatósága alapján előre jeleznék. A Parkinson-kórban szenvedő betegeket e tény miatt inkább L-DOPA-val, mint dopaminnal kezelik. Az L-DOPA agyba történő behatolását azonban korlátozza az L-DOPA dekarboxiláz és monoamin-oxidáz enzimek jelenléte a kapilláris endothel sejtekben. Ez az “enzimatikus vér-agy gát” korlátozza az L-DOPA átjutását az agyba, és megmagyarázza az L-DOPA nagy dózisainak szükségességét a Parkinson-kór kezelésében. A terápiát jelenleg az L-DOPA dekarboxiláz inhibitorával történő egyidejű kezelés fokozza.

az endoteliális monoamin-oxidáz szerepet játszhat a neuronális aktivitás által felszabaduló neurotranszmitterek inaktiválásában is. A monoaminok nagyon kevés felvételt mutatnak, ha a luminalis oldalról mutatják be. A monoaminok felvételi rendszerei az agy kapilláris endothel sejtjeinek antiluminális felületén vannak jelen. Az agyi endothel kapilláris számos más neurotranszmitter-metabolizáló enzimet is tartalmaz, mint például kolinészterázok, GABA transzaminázok, aminopeptidáz és endopeptidázok. Emellett számos gyógyszer – és toxinmetabolizáló enzim is megtalálható az agykapillárisokban. Így az “enzimatikus vér-agy gát” nemcsak a keringő neurotranszmitterektől, hanem sok toxintól is védi az agyat.

veszélyeztetett BBB és betegség. A BBB diszfunkció idegsejtek károsodásához és az agy működésének megzavarásához vezethet. Az olyan betegségek, mint az encephalitis, a sclerosis multiplex (MS), a stroke vagy a daganatok a BBB romlását idézik elő, pusztító hatással az idegsejtek működésére. Ezek a feltételek csökkentik a szoros csomópont fehérje claudin termelését. Az agydaganatok a BBB teljes lebontását okozzák, ami peritumorális ödémához vezet. Ezenkívül a tumorsejtek specifikus tényezőket választanak ki, amelyek általában szivárognak.

a BBB megkerülése gyógyszerekkel. Számos potenciális terápiás értékű gyógyszer nem jut könnyen az agyba, mert alacsony lipidoldékonysággal rendelkeznek, és nem szállítják őket a BBB-ben jelen lévő specifikus hordozók. Ennek a korlátozásnak a leküzdésére olyan rendszereket fejlesztettek ki, amelyek fokozzák a gyógyszer bejutását az agyba. 1) A BBB megkerülésének egyik módja a gyógyszer közvetlenül a CSF-be juttatása. Ez a megközelítés alkalmazható agyhártyagyulladásban vagy rákos sejtekben szenvedő betegek kezelésére a CSF-ben. 2) bizonyos vazoaktív vegyületek, mint például a bradykinin és a hisztamin, amelyek normális emberekben nem változtatják meg a BBB-t, fokozhatják a BBB permeabilitását patológiás körülmények között. Ezek a vegyületek felhasználhatók kemoterápiás szerek bejuttatására az agyba. 3) a gyógyszerek magas BBB permeabilitással szintetizálhatók az agyba való belépés javítása érdekében. A legtöbb neuroaktív gyógyszer hatásos, mert feloldódik a lipidekben és könnyen belép az agyba. Például a heroin és a morfin szerkezete nagyon hasonló. A heroin, amelynek két acetilcsoportja van, lipidben jobban oldódik. A heroin nagyobb lipidoldhatósága magyarázza annak gyorsabb fellépését. Az agyba kerülve a heroin acetilcsoportját enzimatikusan eltávolítják morfin előállítására, amely csak lassan hagyja el az agyat. A közlekedési folyamat megértése elengedhetetlen az agyi betegségek kezelésében hasznos gyógyszerek következő generációjának kifejlesztéséhez.

11,5 agyi anyagcsere és véráramlás

agyi anyagcsere

az agy metabolikusan az egyik legaktívabb szerv a szervezetben. Az agy nem tárolja a felesleges energiát, és szinte minden energiaigényét a glükóz aerob oxidációjából nyeri. Ezért folyamatos glükóz-és oxigénellátást igényel, hogy kielégítse energiaigényét. Az agy energiafogyasztásának nagy részét az ionok aktív szállítására használják, hogy fenntartsák és helyreállítsák a gerjesztési és vezetési folyamat során kibocsátott membránpotenciálokat. Amikor az agy véráramlása leáll, és oxigén és vér hiánya következik be, az eszméletvesztés 5-10 másodperc alatt következik be. Ha a véráramlás néhány percen belül nem folytatódik, állandó agykárosodás van. Köztudott, hogy a krízisek során, mint például a szívmegállás, az agykárosodás a legkorábbi és a legmeghatározóbb a gyógyulás mértékének meghatározásában. A glükóz hiánya ugyanolyan destruktív, de a hipoglikémia visszafordíthatatlan károsodását eredményező idő hosszabb, mert más szubsztrátok is használhatók.

az agy különböző régióinak eltérő energiaigénye van, amelyek összefüggenek a neuronális aktivitással ezekben a régiókban. A normál tudatos patkány és majom különböző agyterületein percenként felhasznált glükóz mennyiségének mérése azt mutatja, hogy a glükózfelhasználás az egész agyban nagyon eltérő. Sőt, a szürke anyag átlagos értéke körülbelül ötször nagyobb, mint a fehér anyagé.

a véráramlás mennyisége közvetlenül kapcsolódik az agyi aktivitáshoz. Az állatok külön csoportjában meghatározták az agyterületek véráramlásának mennyiségét. Az eredmények azt mutatják, hogy több vér áramlik az agy területére, magas metabolikus aktivitással.

a 11.10 ábra azt mutatja, hogy kiváló összefüggés van a glükóz felhasználása és a helyi agyi véráramlás között.
az agyi terület véráramlásának szabályozását az agyi erek tágulásának szabályozásával érik el. Az erek kitágulását olyan helyi tényezők szabályozzák, mint a nitrogén-monoxid (NO), a PaCO2, a PaO2 és a pH. a magas NO, a magas PaCO2, az alacsony PaCO2 és az alacsony pH, amelyek az agyi aktivitás eredményeként keletkeznek, általában kitágítják az ereket és növelik a véráramlást. Ezeknek a vegyi anyagoknak a termelési sebessége az aktivitástól és az energia-anyagcsere sebességétől függ. Ezért az agyi régió véráramlása összefügg az adott régió neuronális aktivitásával.

glükóz felhasználás és agyi képalkotás. A glükóz anyagcsere az agy fő energiaforrása. A vérből származó glükóz a Glut-1 transzportfehérje segítségével jut be az agyba. Az agysejtbe kerülve belép a glikolitikus útvonalba, ahol piruváttá alakul, majd a Krebs-cikluson keresztül metabolizálódik, hogy ATP-t termeljen. Az ATP molekulák egy részét nagy energiájú foszfokreatin molekulák előállítására használják. Körülmények között a glükóz aerob metabolizmusa képes az agy számára elegendő energiát biztosítani az ATP-ből és a foszfokreatinból a normális működés fenntartásához. Agyi elégtelenség esetén kezdetben a foszfokreatin veszít, amelyet ATP kimerülés követ, ami általában az agy súlyos károsodását jelzi.

a glükózhiány abnormális agyműködést eredményezhet. A túlzott inzulin okozta hipoglikémia a mentális állapot változásaihoz kapcsolódik. Ezek a változások gyorsan visszafordíthatók glükóz beadásával. Bizonyos körülmények között, például éhezés közben, az agy szubsztrátként “ketontesteket” használhat a glükóz helyett. A ketontestek, az acetoacetát és a D-béta-hidroxi-butirát a zsírsavak katabolizmusából keletkeznek a májban. A ketontestek metabolizálódnak, hogy Acil-CoA-t hozzanak létre, amely a trikarbonsavciklusba (TCA) elegendő sebességgel lép be az agy metabolikus igényének kielégítéséhez.

a helyi glükózfelhasználás mérése. A helyi energia-anyagcsere a helyi funkcionális aktivitáshoz kapcsolódik. A glükóz autoradiográfiai analógjának, a 2-dezoxiglükóznak (2-DG) a kísérleti állatok glükóz metabolizmusának mérésére használták.

11. ábra.A 4. ábra a helyi agyi glükózfelhasználás mérésére szolgáló radioaktív dezoxi-glükóz módszer alapelvét szemlélteti. A glükóz felhasználása a glükóz hexokináz általi foszforilezésével kezdődik. A kapott glükóz-6-foszfát nem marad meg a szövetekben. Ehelyett tovább metabolizálódik olyan termékekké, mint a CO2 és a H2O, amelyek elhagyják a szövetet. A 2-dezoxiglükóz a glükóz analógja, amelyet a glükózhordozó rendszer szállít át a vér-agy gáton. Az agysejteken belül a 2-dezoxiglükózt hexokináz foszforilálja dezoxiglükóz-6-foszfáttá (DG-6-P), és nem bontható tovább CO2-re és H2O-ra. ehelyett csapdába esik, és ésszerű ideig mennyiségileg felhalmozódik a szövetben. Ha címkét helyezünk a dezoxiglükózra (például fluoro-2-dezoxi-D-glükózban), meg lehet mérni a jelzett dezoxiglükóz-6-foszfát képződésének sebességét. A 18fdg-6-foszfát mennyisége közvetlenül meghatározható pozitron emissziós tomográfia (PET) segítségével. A 2-dezoxiglükóz módszert emberi felhasználásra módosították PET-vel, rövid élettartamú pozitron-kibocsátó izotópokkal, amelyeket a 2-dezoxiglükózra jelöltek.

11.6 az energia-anyagcsere funkcionális aktiválása

az anyagcsere funkcióhoz való kapcsolása miatt a funkcionális aktiválás specifikus ingerek feladataival a glükóz metabolizmusának regionális növekedéséhez vezet a megfelelő agyi struktúrákban. Az ujjak és a kezek mozgása növeli az anyagcserét a megfelelő agyi régiókban. Jobbkezes önkénteseknél a spontán beszéd növelte az anyagcsere aktivitását Broca régiójában. A vizuális képek bemutatása növeli a glükózfelhasználást az elsődleges vizuális kéregben.

funkcionális MRI. Az MRI egyik változata, az úgynevezett funkcionális MRI (fMRI), az idegsejtek aktivitását kísérő specifikus agyi régiók véráramának növekedésén alapul. A véráramlás növekedése a dezoxihemoglobin helyi csökkenését eredményezi a kevesebb oxigén extrakció miatt. A dezoxihemoglobin paramágneses és a jel forrása az fMRI-ben. A PET-től eltérően az fMRI az agy belső jelét használja, és az agy működésének vizsgálatára választott technológiává vált.

11.7 agyi rendellenességek és anyagcsere

a görcsös rendellenességek az agyi aktivitás funkcionális zavarai, és jelentős változásokhoz vezetnek az agyi anyagcserében és az agyi véráramlásban. A pet által észlelt metabolikus változások gyakran kiegészíthetik az elektrofiziológiai felvételeket az epileptogén gócok megtalálásához. Ez az információ segít az idegsebészeknek az epileptogén fókusz műtéti eltávolításában.

a PET használatával végzett metabolikus mérések felhasználhatók az ischaemiás stroke utáni infarktus méretének meghatározására. Az agydaganatok magas metabolikus szükségletekkel rendelkeznek, és erősen vascularizáltak. PET vagy fMRI használható a tumor lokalizálására és a terápia hatékonyságának értékelésére.