Barriera emato-encefalica e il Metabolismo Cerebrale (Sezione 4, Capitolo 11), le Neuroscienze Online: Un Libro di testo Elettronico per le Neuroscienze | Dipartimento di Neurobiologia e Anatomia – L’Università del Texas Medical School a Houston

11.1 Barriera Sangue-cervello Mantiene la Costanza del Cervello Ambiente Interno

La barriera emato-encefalica (BBB) protegge il tessuto neurale da variazioni nella composizione del sangue e delle tossine. Altrove nel corpo le concentrazioni extracellulari di ormoni, aminoacidi e potassio subiscono frequenti fluttuazioni, specialmente dopo i pasti, l’esercizio fisico o momenti stressanti. Poiché molte di queste molecole regolano l’eccitabilità neuronale, un cambiamento simile nella composizione del liquido interstiziale nel SNC può portare ad attività cerebrale incontrollata. Le cellule endoteliali che formano la barriera emato-encefalica sono altamente specializzate per consentire un controllo preciso sulle sostanze che entrano o escono dal cervello.

Scoperta della barriera emato-encefalica. La scoperta del BBB risale a più di 100 anni quando, nel 1880, Paul Ehrlich osservò che la somministrazione endovenosa di alcuni coloranti (ad esempio il blu di tripano) macchiava tutti gli organi tranne il cervello e il midollo spinale. Ha concluso che i coloranti avevano una minore affinità per il legame con il sistema nervoso rispetto ad altri tessuti. Nel 1913, Edwin Goldman, un associato di Ehrlich, dimostrò gli stessi coloranti, quando iniettati direttamente nel liquido cerebrospinale (CSF), prontamente macchiati tessuto nervoso ma non altri tessuti. Il termine “barriera emato-encefalica” è stato coniato, tuttavia, da Lewandowsky nel 1898, dopo che lui ei suoi colleghi avevano eseguito esperimenti per dimostrare che gli agenti neurotossici influenzavano la funzione cerebrale solo quando iniettati direttamente nel cervello ma non quando iniettati nel sistema vascolare. Ci sono voluti altri 70 anni fino a quando Reese e colleghi hanno localizzato la barriera alle cellule endoteliali capillari all’interno del cervello mediante studi al microscopio elettronico.

Le cellule endoteliali nei capillari cerebrali sono il sito del BBB. Il BBB negli adulti consiste in un complesso sistema cellulare di una membrana basale altamente specializzata, un gran numero di periciti incorporati nella membrana basale e piedi terminali astrocitici. Mentre le cellule endoteliali formano la barriera corretta, l’interazione con le cellule adiacenti sembra essere necessaria per lo sviluppo della barriera. Le cellule endoteliali cerebrali differiscono dalle cellule endoteliali di altri organi in due modi importanti. Innanzitutto, sono presenti giunzioni strette continue tra le cellule endoteliali cerebrali. Queste giunzioni strette impediscono il movimento paracellulare delle molecole. In secondo luogo, non ci sono vie transendoteliali rilevabili come le vescicole intracellulari. Queste proprietà delle cellule endoteliali cerebrali forniscono una barriera tra il sangue e il cervello. Alcuni dei processi chiave sono illustrati nella figura 11.1.

1. Le giunzioni strette continue che uniscono le cellule endoteliali nei capillari cerebrali limitano la diffusione delle molecole attraverso il BBB.
2. La membrana basale (basale) fornisce supporto strutturale per il capillare e specifiche proteine presenti nella membrana basale sono state proposte per essere coinvolte nello sviluppo del BBB.
3. I processi del piede astrocitico rilasciano fattori specifici e sono necessari per lo sviluppo del BBB. I processi astrocitici del piede contengono canali d’acqua (aquaporin-4) che consentono l’assorbimento di acqua e contribuiscono al gonfiore del cervello.
4. I vettori di trasporto per glucosio e aminoacidi essenziali facilitano il movimento di questi soluti nel cervello. Poiché le cellule cerebrali non possono sintetizzare questi aminoacidi essenziali, viene prelevato dal sangue.
5. I sistemi di trasporto secondari sembrano causare efflusso di piccole molecole e amminoacidi non essenziali dal cervello al sangue.
6. Trasportatori di ioni di sodio sulla membrana luminale e Na, K-ATPasi sulla membrana anti-luminale rappresentano il movimento del sodio dal sangue al cervello. Il gran numero di mitocondri presenti nelle cellule endoteliali cerebrali fornisce energia per la funzione di questa Na,K-ATPasi.
7. La “barriera emato-encefalica enzimatica”: I processi metabolici all’interno delle cellule endoteliali capillari cerebrali sono importanti per la funzione emato-encefalica e controllano l’ingresso di neurotrasmettitori nel cervello.

11.2 Componenti molecolari di giunzioni strette

Le giunzioni strette tra le cellule endoteliali sono responsabili della funzione di barriera. L’occludina è stata la prima proteina di membrana integrale trovata localizzata esclusivamente all’interno delle giunzioni strette. Tuttavia, i topi che trasportano la mutazione nulla nel gene dell’occludina sviluppano giunzioni strette morfologicamente normali, indicando che l’occlusione non è essenziale per una corretta formazione di giunzioni strette. A differenza dell’occlusione, è stato dimostrato che le claudine sono necessarie per la formazione di giunzioni strette. Le proteine integrali di membrana delle giunzioni strette sono collegate al citoscheletro tramite la zona occlusiva-1 (ZO-1), ZO-2 e ZO-3. Inoltre, le giunzioni aderenti non occludin si trovano mescolate con giunzioni strette. Nelle giunzioni aderenti, si trovano le proteine di membrana endoteliali specifiche e integrali VE-cadherine. Inoltre, una famiglia di proteine chiamate molecole di adesione giunzionali (JAM) e recentemente scoperte molecole di adesione selettiva delle cellule endoteliali (ESAM), sono localizzate nelle giunzioni strette del BBB. La loro funzione precisa in integrità BBB rimane da determinare.

Tutte le aree del cervello non hanno una barriera emato-encefalica. Le strutture situate in posizioni strategiche nella linea mediana del sistema ventricolare e prive del BBB sono collettivamente denominate organi circumventricolari (CVOs). In queste regioni non-barriera, le giunzioni strette tra le cellule endoteliali sono discontinue consentendo così l’ingresso di molecole. Molte di queste aree partecipano al controllo ormonale.

Aree del cervello, senza una barriera sangue-cervello:

• Pituitaria
• eminenza Mediana
• Area postrema
• Preoptic recesso
• Paraphysis
• ghiandola Pineale
• Endotelio del plesso coroideo

Le sostanze con alta solubilità lipidica possono muoversi attraverso il BBB per semplice diffusione. La diffusione è il principale meccanismo di ingresso per la maggior parte dei farmaci psicoattivi. La figura 11.2 mostra che il tasso di ingresso di composti che si diffondono nel cervello dipende dalla loro solubilità lipidica. La solubilità lipidica è stimata dal coefficiente di ripartizione olio / acqua.

La figura 11.5 a illustra come viene calcolato il coefficiente di ripartizione olio/acqua. Figura 11.5b mostra la relazione tra il coefficiente di ripartizione olio/acqua e la penetrazione cerebrale di molecole selezionate.

Acqua. L’acqua entra prontamente nel cervello. Come conseguenza della sua elevata permeabilità, l’acqua si muove liberamente dentro e fuori dal cervello mentre l’osmolarità del plasma cambia. Questo fenomeno è clinicamente utile, poiché la somministrazione endovenosa di composti scarsamente permeabili come il mannitolo disidraterà osmoticamente il cervello e ridurrà la pressione intracranica. Questo metodo viene talvolta utilizzato nei pazienti con trauma cranico per ridurre la pressione intracranica.

Gas. Gas come CO2, O2 e anestetici volatili si diffondono rapidamente nel cervello. Di conseguenza, la velocità con cui la loro concentrazione nel cervello entra in equilibrio con il plasma è limitata principalmente dalla velocità del flusso sanguigno cerebrale.

11.3 Trasporto di glucosio e aminoacidi

Il trasporto mediato dal vettore consente a molecole con bassa solubilità lipidica di attraversare la barriera emato-encefalica. Il glucosio dal sangue entra nel cervello da una proteina di trasporto. Il glucosio è il substrato energetico primario del cervello. La proteina di trasporto del glucosio (GLUT-1) è altamente arricchita nelle cellule endoteliali capillari cerebrali. Questi trasportatori trasportano molecole di glucosio attraverso la barriera emato-encefalica. Sebbene rari, i pazienti con deficit di Glut-1 (causato da mutazioni genetiche) possono avere gravi difficoltà di apprendimento. Bassi livelli di zucchero di glucosio nel cerebrospinale, ma non nel sangue, identificheranno la condizione.

Gli aminoacidi essenziali non possono essere sintetizzati dal cervello e, quindi, devono essere forniti dalla ripartizione delle proteine e dalla dieta. Fenilalanina, leucina, tirosina, isoleucina, valina, triptofano, metionina e istidina, che sono aminoacidi essenziali, e anche il precursore della dopamina, L-DOPA, entrano nel cervello rapidamente come il glucosio. Questi amminoacidi sono trasportati nel cervello dalle proteine di trasporto leucina-preferendo o L-tipo. Questi composti competono tra loro per l’ingresso nel cervello. Pertanto, un innalzamento del livello plasmatico di uno inibirà l’assorbimento degli altri. Questa competizione può essere importante per alcune malattie metaboliche come la fenilchetonuria (PKU), dove alti livelli di fenilalanina nel plasma riducono l’assorbimento cerebrale di altri aminoacidi essenziali.

Piccoli amminoacidi neutri, come alanina, glicina, prolina e GABA (acido gamma-aminobutirrico), sono marcatamente limitati nel loro ingresso nel cervello. Questi aminoacidi sono aminoacidi non essenziali e sono trasportati da proteine di trasporto preferenziali o di tipo A. La proteina di trasporto di tipo A non è presente sulla superficie luminale della barriera emato-encefalica. Al contrario, questi piccoli amminoacidi neutri sembrano essere trasportati fuori dal cervello attraverso la barriera emato-encefalica.

11.4 Protezione del cervello dalle neurotossine e dai farmaci ematici

Le P-glicoproteine sono pompe guidate da ATP che conferiscono resistenza multi-farmaco alle cellule tumorali pompando i farmaci dalle cellule. Queste proteine sono espresse nelle cellule endoteliali cerebrali che possono limitare la permeabilità BBB dei composti idrofobici, come la ciclosporina A e la vinblastina, pompandole dalle cellule endoteliali al sangue.

I processi metabolici all’interno delle cellule endoteliali capillari cerebrali sono importanti per la funzione emato-encefalica. La maggior parte dei neurotrasmettitori presenti nel sangue non entra nel cervello a causa della loro bassa solubilità lipidica e della mancanza di specifici vettori di trasporto nella membrana luminale della cellula endoteliale capillare (vedi Figura 11.1). Al contrario, L-DOPA, il precursore della dopamina, ha un’affinità per il trasportatore di tipo L. Pertanto, entra nel cervello più facilmente dal sangue di quanto sarebbe previsto in base alla sua solubilità lipidica. I pazienti con malattia di Parkinson sono trattati con L-DOPA piuttosto che con dopamina a causa di questo fatto. Tuttavia, la penetrazione di L-DOPA nel cervello è limitata dalla presenza di enzimi L-DOPA decarbossilasi e monoamino ossidasi all’interno delle cellule endoteliali capillari. Questa “barriera ematoencefalica enzimatica” limita il passaggio di L-DOPA nel cervello e spiega la necessità di grandi dosi di L-DOPA nel trattamento della malattia di Parkinson. La terapia è attualmente potenziata dal trattamento concomitante con un inibitore della L-DOPA decarbossilasi.

La monoamino ossidasi endoteliale può anche svolgere un ruolo nell’inattivazione dei neurotrasmettitori rilasciati dall’attività neuronale. Monoamine mostrano molto poco assorbimento quando presentato dal lato luminale. I sistemi di assorbimento delle monoammine sono presenti nella superficie antiluminale delle cellule endoteliali capillari cerebrali. Il capillare endoteliale cerebrale contiene anche una varietà di altri enzimi che metabolizzano i neurotrasmettitori come colinesterasi, GABA transaminasi, aminopeptidasi e endopeptidasi. Inoltre, diversi enzimi che metabolizzano farmaci e tossine si trovano anche nei capillari cerebrali. Così la “barriera ematoencefalica enzimatica” protegge il cervello non solo dai neurotrasmettitori circolanti ma anche da molte tossine.

BBB compromesso e malattia. La disfunzione BBB può portare a danni neuronali e disturbi della funzione cerebrale. Malattie come encefalite, sclerosi multipla (SM), ictus o tumori inducono il deterioramento del BBB con un’influenza devastante sulla funzione neuronale. Queste condizioni riducono la produzione della proteina a giunzione stretta claudina. I tumori cerebrali causano la completa rottura del BBB che porta all’edema peritumorale. Inoltre, le cellule tumorali secernono fattori specifici che tendono ad essere che perde.

Bypassare il BBB con i farmaci. Un certo numero di farmaci di potenziale valore terapeutico non entrano facilmente nel cervello perché hanno una bassa solubilità lipidica e non sono trasportati da portatori specifici presenti nel BBB. Per superare questa limitazione, sono stati sviluppati schemi per migliorare l’ingresso di farmaci nel cervello. 1) Un modo per bypassare il BBB è quello di consegnare il farmaco direttamente nel CSF. Questo approccio può essere usato per trattare pazienti con meningite o cellule cancerose nel CSF. 2) Alcuni composti vasoattivi come la bradichinina e l’istamina, che non alterano BBB nelle persone normali, possono migliorare la permeabilità di BBB in condizioni patologiche. Questi composti possono essere utilizzati per fornire agenti chemioterapici nel cervello. 3) I farmaci possono essere sintetizzati con alta permeabilità BBB per migliorare l’ingresso nel cervello. La maggior parte dei farmaci neuroattivi sono efficaci perché si dissolvono nei lipidi e entrano facilmente nel cervello. Ad esempio, l’eroina e la morfina sono molto simili nella struttura. Tuttavia, l’eroina, che ha due gruppi acetilici, è più liposolubile. Questa maggiore solubilità lipidica dell’eroina spiega la sua più rapida insorgenza d’azione. Una volta all’interno del cervello, il gruppo acetilico dell’eroina viene rimosso enzimaticamente per produrre morfina, che lascia solo lentamente il cervello. Una comprensione del processo di trasporto è cruciale per lo sviluppo della prossima generazione di farmaci utili nel trattamento delle malattie cerebrali.

11.5 Metabolismo cerebrale e flusso sanguigno

Metabolismo cerebrale

Il cervello è metabolicamente uno dei più attivi di tutti gli organi del corpo. Il cervello non immagazzina energia in eccesso e deriva quasi tutto il suo fabbisogno energetico dall’ossidazione aerobica del glucosio. Pertanto, richiede un apporto continuo di glucosio e ossigeno per soddisfare i suoi requisiti energetici. La maggior parte del consumo energetico del cervello viene utilizzato per il trasporto attivo di ioni per sostenere e ripristinare i potenziali di membrana scaricati durante il processo di eccitazione e conduzione. Quando il flusso di sangue al cervello si ferma e si verifica l’assenza di ossigeno e sangue, una perdita di coscienza si traduce in 5-10 secondi. Se il flusso sanguigno non viene ripreso entro diversi minuti, c’è un danno cerebrale permanente. È noto che durante le crisi, come l’arresto cardiaco, il danno al cervello si verifica prima ed è più decisivo nel determinare il grado di recupero. L’assenza di glucosio è ugualmente distruttiva, ma il decorso temporale con conseguente danno irreversibile da ipoglicemia è più lungo perché possono essere utilizzati altri substrati.

Diverse regioni del cervello hanno diversi requisiti energetici, che sono correlati all’attività neuronale in queste regioni. La misurazione delle quantità di glucosio utilizzate al minuto in diverse regioni cerebrali di un normale ratto e scimmia cosciente dimostra che l’utilizzo del glucosio varia ampiamente in tutto il cervello. Inoltre, il valore medio nella materia grigia è circa cinque volte superiore a quello nella materia bianca.

La quantità di flusso sanguigno è direttamente correlata all’attività cerebrale. In un gruppo separato di animali è stata determinata la quantità di flusso di sangue alle aree cerebrali. I risultati mostrano che più sangue scorre nell’area del cervello con un’elevata attività metabolica.

La figura 11.10 mostra che esiste un’eccellente correlazione tra la quantità di usi di glucosio e il flusso sanguigno cerebrale locale.
La regolazione del flusso sanguigno in un’area cerebrale si ottiene controllando la dilatazione dei vasi cerebrali. La dilatazione dei vasi sanguigni è controllata da fattori locali come ossido nitrico (NO), PaCO2, PaO2 e pH. Alto NO, alto PaCO2, basso PaCO2 e basso pH, che sono prodotti come risultato dell’attività cerebrale, tendono a dilatare i vasi sanguigni e aumentare il flusso sanguigno. Il tasso di produzione di queste sostanze chimiche dipende dall’attività e dai tassi di metabolismo energetico. Pertanto, il flusso di sangue a una regione del cervello è correlato all’attività neuronale in quella regione.

Utilizzo del glucosio e imaging cerebrale. Il metabolismo del glucosio è la principale fonte di energia per il cervello. Il glucosio dal sangue entra nel cervello con l’aiuto della proteina di trasporto Glut-1. Una volta all’interno di una cellula cerebrale, entra nel percorso glicolitico, dove viene convertito in piruvato e quindi metabolizzato attraverso il ciclo di Krebs per generare ATP. Una frazione di molecole di ATP viene utilizzata per generare molecole di fosfocreatina ad alta energia. In condizioni, il metabolismo aerobico del glucosio è in grado di fornire al cervello energia sufficiente da ATP e fosfocreatina per mantenere la normale funzione. Quando si verifica un fallimento cerebrale, inizialmente si verifica una perdita di fosfocreatina, seguita da esaurimento di ATP, che generalmente segnala gravi danni al cervello.

La deprivazione del glucosio può provocare la funzione cerebrale anormale. L’ipoglicemia, che può derivare da un’eccessiva insulina, è associata a cambiamenti nello stato mentale. Questi cambiamenti possono essere rapidamente invertiti dalla somministrazione di glucosio. In determinate circostanze, come durante la fame, il cervello può utilizzare” corpi chetonici ” al posto del glucosio come substrati. Corpi chetonici, acetoacetato e D-beta-idrossibutirrato sono formati dal catabolismo degli acidi grassi da parte del fegato. I corpi chetonici sono metabolizzati per generare acil-CoA che entra nel ciclo dell’acido tricarbossilico (TCA) ad una velocità sufficiente per soddisfare la domanda metabolica del cervello.

Misurazione dell’utilizzo locale del glucosio. Il metabolismo energetico locale è accoppiato all’attività funzionale locale. Utilizzando un analogo autoradiografico del glucosio, il 2-deossiglucosio (2-DG), è stato impiegato per misurare il metabolismo del glucosio negli animali da esperimento.

Figura 11.4 illustra il principio fondamentale del metodo deossi glucosio radioattivo per misurare l’utilizzo locale del glucosio cerebrale. L’utilizzo del glucosio inizia con la fosforilazione del glucosio da parte dell’esochinasi. Il glucosio-6-fosfato risultante non viene trattenuto nei tessuti. Invece, viene metabolizzato ulteriormente a prodotti come CO2 e H2O che lasciano il tessuto. 2-desossiglucosio è un analogo del glucosio e viene trasportato attraverso la barriera emato-encefalica dal sistema di trasporto del glucosio. All’interno delle cellule cerebrali, il 2-deossiglucosio è fosforilato dall’esochinasi a desossiglucosio-6-fosfato (DG-6-P) e non può essere ulteriormente degradato in CO2 e H2O. Invece è intrappolato e si accumula quantitativamente nel tessuto per un ragionevole periodo di tempo. Mettendo un’etichetta sul deossiglucosio (come nel fluoro-2-deossi-D-glucosio), è possibile misurare il tasso di formazione di deossiglucosio-6-fosfato marcato. La quantità di 18FDG-6-fosfato può essere determinata direttamente utilizzando la tomografia ad emissione di positroni (PET). Il metodo 2-deossiglucosio è stato modificato per uso umano con PET, con positroni di breve durata che emettono isotopi etichettati al 2-deossiglucosio.

11.6 Attivazione funzionale del metabolismo energetico

A causa dell’accoppiamento del metabolismo alla funzione, l’attivazione funzionale da parte di specifici compiti di stimoli porta ad un aumento regionale del metabolismo del glucosio nelle corrispondenti strutture cerebrali. Il movimento delle dita e delle mani aumenta il metabolismo nelle rispettive regioni del cervello. Nei volontari destrorsi, il linguaggio spontaneo ha aumentato le attività metaboliche nella regione di Broca. La presentazione di immagini visive aumenta l’utilizzo del glucosio nella corteccia visiva primaria.

Risonanza magnetica funzionale. Una variante della risonanza magnetica chiamata MRI funzionale (fMRI) si basa sull’aumento del flusso sanguigno verso specifiche regioni cerebrali che accompagna l’attività neuronale. L’aumento del flusso sanguigno provoca una diminuzione locale della deossiemoglobina a causa della minore estrazione di ossigeno. La deossiemoglobina è paramagnetica e funge da fonte per il segnale in fMRI. A differenza del PET, fMRI utilizza un segnale intrinseco al cervello ed è emerso come la tecnologia di scelta per sondare la funzione cerebrale.

11.7 Disturbi cerebrali e metabolismo

I disturbi convulsivi sono disturbi funzionali dell’attività cerebrale e portano a marcati cambiamenti nel metabolismo cerebrale e nel flusso sanguigno cerebrale. I cambiamenti metabolici rilevati dalla PET possono spesso integrare le registrazioni elettrofisiologiche per individuare focolai epilettogeni. Questa informazione aiuta i neurochirurghi a rimuovere chirurgicamente il focus epilettogeno.

Le misurazioni metaboliche con PET possono essere utilizzate per determinare la dimensione dell’infarto dopo ictus ischemico. I tumori cerebrali hanno elevate esigenze metaboliche e sono fortemente vascolarizzati. PET o fMRI possono essere utilizzati per individuare il tumore e valutare l’efficacia di una terapia.