Bariera krew-mózg i metabolizm mózgowy (Sekcja 4, Rozdział 11) Neuroscience Online: elektroniczny podręcznik dla Neurosciences / Department of Neurobiology and Anatomy-the University of Texas Medical School at Houston

11.1 bariera krew-mózg utrzymuje stałość środowiska wewnętrznego mózgu

bariera krew-mózg (BBB) chroni tkankę nerwową przed zmianami w składzie krwi i toksynami. Gdzie indziej w organizmie zewnątrzkomórkowe stężenia hormonów, aminokwasów i potasu ulegają częstym wahaniom, zwłaszcza po posiłkach, ćwiczeniach lub stresujących czasach. Ponieważ wiele z tych cząsteczek reguluje pobudliwość neuronów, podobna zmiana w składzie płynu śródmiąższowego w OUN może prowadzić do niekontrolowanej aktywności mózgu. Komórki śródbłonka tworzące barierę krew-mózg są wysoce wyspecjalizowane, aby umożliwić precyzyjną kontrolę nad substancjami, które wchodzą lub wychodzą z mózgu.

odkrycie bariery krew-mózg. Odkrycie BBB datuje się na ponad 100 lat wstecz, kiedy w latach osiemdziesiątych XIX wieku Paul Ehrlich zaobserwował, że dożylne podanie pewnych barwników (np. trypan blue) zabarwiło wszystkie narządy z wyjątkiem mózgu i rdzenia kręgowego. Stwierdził, że barwniki mają mniejsze powinowactwo do wiązania się z układem nerwowym w porównaniu z innymi tkankami. W 1913 Edwin Goldman, współpracownik Ehrlicha, wykazał te same barwniki, po bezpośrednim wstrzyknięciu do płynu mózgowo-rdzeniowego (CSF), łatwo barwione tkanki nerwowe, ale nie inne tkanki. Termin” bariera krew-mózg „został jednak ukuty przez Lewandowsky’ ego w 1898 roku, po tym jak on i jego koledzy przeprowadzili eksperymenty mające na celu wykazanie, że środki neurotoksyczne wpływają na funkcjonowanie mózgu tylko wtedy, gdy wstrzyknięto je bezpośrednio do mózgu, ale nie po wstrzyknięciu do układu naczyniowego. Zajęło to dodatkowe 70 lat, zanim Reese i współpracownicy zlokalizowali barierę dla kapilarnych komórek śródbłonka w mózgu za pomocą mikroskopowych badań elektronowych.

komórki śródbłonka w naczyniach włosowatych mózgu są miejscem BBB. BBB u dorosłych składa się ze złożonego systemu komórkowego wysoce wyspecjalizowanej błony podstawnej, dużej liczby perycytów osadzonych w błonie podstawnej i astrocytowych stopach końcowych. Podczas gdy komórki śródbłonka tworzą właściwą barierę, wydaje się, że interakcja z sąsiednimi komórkami jest konieczna do rozwoju bariery. Komórki śródbłonka mózgu różnią się od komórek śródbłonka od innych narządów na dwa ważne sposoby. Po pierwsze, pomiędzy komórkami śródbłonka mózgu występują ciągłe połączenia napięte. Te ciasne połączenia zapobiegają parakomórkowym ruchom cząsteczek. Po drugie, nie ma wykrywalnych szlaków transendotelialnych, takich jak pęcherzyki wewnątrzkomórkowe. Te właściwości komórek śródbłonka mózgu stanowią barierę między krwią a mózgiem. Niektóre z kluczowych procesów przedstawiono na rysunku 11.1.

1. ciągłe szczelne połączenia, które łączą komórki śródbłonka w naczyniach włosowatych mózgu, ograniczają dyfuzję cząsteczek przez BBB.
2. błona podstawna (basal) zapewnia wsparcie strukturalne dla kapilary i zaproponowano, że specyficzne białka obecne w błonie podstawnej biorą udział w rozwoju BBB.
3. procesy Astrocytowe stopy uwalniają określone czynniki i są niezbędne do rozwoju BBB. Procesy astrocytów stóp zawierają kanały wodne (akwaporin-4), które umożliwiają pobieranie wody i przyczyniają się do obrzęku mózgu.
4. nośniki glukozy i niezbędnych aminokwasów ułatwiają przemieszczanie tych substancji rozpuszczonych do mózgu. Ponieważ komórki mózgowe nie mogą syntetyzować tych niezbędnych aminokwasów, jest ona pobierana z krwi.
5. wtórne Systemy Transportowe wydają się powodować wypływ małych cząsteczek i nieistotnych aminokwasów z mózgu do krwi.
6. transportery jonów sodu na błonie luminalnej i na,K-ATPazy na błonie przeciw luminalnej odpowiadają za przepływ sodu z krwi do mózgu. Duża liczba mitochondriów obecnych w komórkach śródbłonka mózgu dostarcza energii do funkcji tej Na, K-ATPazy.
7. „enzymatyczna bariera krew-mózg”: procesy metaboliczne w komórkach śródbłonka kapilarnego mózgu są ważne dla funkcji krew-mózg i kontrolują wprowadzanie neuroprzekaźników do mózgu.

11.2 składniki cząsteczkowe połączeń ciasnych

szczelne połączenia między komórkami śródbłonka są odpowiedzialne za funkcję bariery. Okludyna była pierwszym integralnym białkiem błonowym, które zlokalizowano wyłącznie w ciasnych połączeniach. Jednak myszy posiadające mutację zerową w genie okludyny rozwijają morfologicznie normalne połączenia ciasne, co wskazuje, że okludowanie nie jest niezbędne do prawidłowego tworzenia połączeń ciasnych. W przeciwieństwie do okluzji wykazano, że claudins są wymagane do tworzenia szczelnych połączeń. Integralne białka błonowe połączeń ciasnych są połączone z cytoszkieletem poprzez strefy okluzji-1 (ZO-1), ZO-2 i ZO-3. Ponadto, nie przylegające do okcludiny połączenia występują w połączeniu z ciasnymi połączeniami. W węzłach przylegających znajdują się endothelial specyficzne, integralne białka błonowe VE-cadherins. Ponadto rodzina białek zwanych junctional adhesia molecules (dżem) i niedawno odkryte endothelial cell-selective adhesia molecules (ESAM), są zlokalizowane w ciasnych połączeniach BBB. Ich dokładna funkcja w integralności BBB pozostaje do ustalenia.

wszystkie obszary mózgu nie mają bariery krew-mózg. Struktury znajdujące się w strategicznych pozycjach w linii środkowej układu komorowego i brak BBB są zbiorczo określane jako narządów obwodowych (CVOs). W tych obszarach bez barier, szczelne połączenia między komórkami śródbłonka są nieciągłe, umożliwiając w ten sposób wejście cząsteczek. Wiele z tych obszarów uczestniczy w kontroli hormonalnej.

obszary mózgu bez bariery krew-mózg:

• przysadka mózgowa
• mediana pochylenia
• obszar postrema
• zagłębienie Przedoptyczne
• Parafiza
• szyszynka
• śródbłonek splotu naczyniówki

substancje o wysokiej rozpuszczalności w lipidach mogą poruszać się po BBB przez prostą dyfuzję. Dyfuzja jest głównym mechanizmem wejścia dla większości leków psychoaktywnych. Rysunek 11.2 pokazuje, że szybkość wprowadzania związków, które dyfundują do mózgu, zależy od ich rozpuszczalności w lipidach. Rozpuszczalność lipidów ocenia się za pomocą współczynnika podziału olej/woda.

rysunek 11.5 a przedstawia sposób obliczania współczynnika podziału oleju / wody. Rysunek 11.5B pokazuje zależność między współczynnikiem podziału olej / woda a penetracją mózgu wybranych cząsteczek.

woda. Woda łatwo dostaje się do mózgu. W wyniku wysokiej przepuszczalności woda swobodnie przemieszcza się do mózgu i z niego wychodzi, gdy zmienia się osmolarność osocza. Zjawisko to jest klinicznie przydatne, ponieważ dożylne podanie słabo przepuszczalnych związków, takich jak mannitol, odwadnia osmotycznie mózg i zmniejsza ciśnienie wewnątrzczaszkowe. Metoda ta jest czasami stosowana u pacjentów z urazem głowy w celu zmniejszenia ciśnienia wewnątrzczaszkowego.

Gazy takie jak CO2, O2 i lotne środki znieczulające szybko dyfundują do mózgu. W konsekwencji szybkość, z jaką ich stężenie w mózgu dochodzi do równowagi z plazmą, jest ograniczona przede wszystkim przez szybkość przepływu krwi w mózgu.

11.3 Transport glukozy i aminokwasów

transport za pośrednictwem nośnika umożliwia cząsteczkom o niskiej rozpuszczalności w lipidach przemierzanie bariery krew-mózg. Glukoza z krwi dostaje się do mózgu przez białko transportowe. Glukoza jest podstawowym substratem energetycznym mózgu. Białko transportujące glukozę (GLUT-1) jest wysoce wzbogacone w komórkach śródbłonka naczyń włosowatych mózgu. Transportery te przenoszą cząsteczki glukozy przez barierę krew-mózg. Chociaż rzadko, pacjenci z niedoborem Glut-1 (spowodowanym mutacjami genetycznymi) mogą mieć poważne trudności w uczeniu się. Niski poziom cukru glukozy w mózgowo-rdzeniowym, ale nie we krwi, zidentyfikuje stan.

niezbędne aminokwasy nie mogą być syntetyzowane przez mózg i dlatego muszą być dostarczane z rozpadu białek i diety. Fenyloalanina, leucyna, tyrozyna, izoleucyna, walina, tryptofan, metionina i histydyna, które są niezbędnymi aminokwasami, a także prekursorem dopaminy, L-DOPA, dostają się do mózgu tak szybko, jak glukoza. Aminokwasy te są transportowane do mózgu przez preferujące leucynę lub białka transportowe typu L. Związki te konkurują ze sobą o wejście do mózgu. Dlatego podwyższenie poziomu jednego z nich w osoczu hamuje wychwyt pozostałych. Konkurencja ta może być ważna w przypadku niektórych chorób metabolicznych, takich jak fenyloketonuria (PKU), gdzie wysoki poziom fenyloalaniny w osoczu zmniejsza wychwyt innych niezbędnych aminokwasów w mózgu.

Małe neutralne aminokwasy, takie jak alanina, glicyna, prolina i GABA (kwas gamma-aminomasłowy), są znacznie ograniczone w ich wejściu do mózgu. Aminokwasy te nie są aminokwasami niezbędnymi i są transportowane przez białko transportowe preferujące alaninę lub typu A. Białko transportowe typu a nie występuje na powierzchni luminalnej bariery krew-mózg. W przeciwieństwie do tego, te małe neutralne aminokwasy wydają się być transportowane z mózgu przez barierę krew-mózg.

11.4 ochrona mózgu przed Neurotoksynami i lekami przenoszonymi przez krew

P-glikoproteiny są pompami napędzanymi ATP, które nadają wielolekową oporność na komórki nowotworowe poprzez wypompowywanie leków z komórek. Białka te ulegają ekspresji w komórkach śródbłonka mózgu, które mogą ograniczać przepuszczalność BBB związków hydrofobowych, takich jak cyklosporyna A i winblastyna, poprzez pompowanie ich z komórek śródbłonka z powrotem do krwi.

procesy metaboliczne w komórkach śródbłonka kapilarnego mózgu są ważne dla funkcji krew-mózg. Większość neuroprzekaźników obecnych we krwi nie dostaje się do mózgu ze względu na niską rozpuszczalność w lipidach i brak specyficznych nośników transportowych w błonie luminalnej komórki śródbłonka kapilarnego (patrz rysunek 11.1). W przeciwieństwie do tego, L-DOPA, prekursor dopaminy, ma powinowactwo do transportera typu L. Dlatego łatwiej dostaje się do mózgu z krwi, niż można by przewidzieć na podstawie jego rozpuszczalności w lipidach. Pacjenci z chorobą Parkinsona są leczeni L-DOPĄ, a nie dopaminą z tego powodu. Jednak penetracja L-DOPA do mózgu jest ograniczona przez obecność enzymów dekarboksylazy L-DOPA i oksydazy monoaminowej w komórkach śródbłonka kapilarnego. Ta „enzymatyczna bariera krew-mózg” ogranicza Przejście L-DOPA do mózgu i wyjaśnia potrzebę stosowania dużych dawek L-DOPA w leczeniu choroby Parkinsona. Leczenie jest obecnie wzmocnione przez równoczesne leczenie inhibitorem dekarboksylazy L-DOPA.

śródbłonkowa monoaminooksydaza może również odgrywać rolę w inaktywacji neuroprzekaźników uwalnianych przez aktywność neuronalną. Monoaminy wykazują bardzo mały wychwyt, gdy są prezentowane od strony luminalnej. Systemy wychwytu monoamin są obecne w antylumieniowej powierzchni komórek śródbłonka kapilarnego mózgu. Kapilara śródbłonka mózgu zawiera również wiele innych enzymów metabolizujących neuroprzekaźniki, takich jak cholinesterazy, transaminazy GABA, aminopeptydazy i endopeptydazy. Ponadto kilka enzymów metabolizujących leki i toksyny znajduje się również w naczyniach włosowatych mózgu. Tak więc „enzymatyczna bariera krew-mózg” chroni mózg nie tylko przed krążącymi neuroprzekaźnikami, ale także przed wieloma toksynami.

Dysfunkcja BBB może prowadzić do uszkodzenia neuronów i zaburzeń funkcji mózgu. Choroby takie jak zapalenie mózgu, stwardnienie rozsiane (MS), udar mózgu lub nowotwory wywołują pogorszenie BBB z druzgocącym wpływem na funkcjonowanie neuronów. Warunki te zmniejszają produkcję białka szczelnego połączenia. Guzy mózgu powodują kompletny podział BBB, co prowadzi do obrzęku okołoustnego. Ponadto komórki nowotworowe wydzielają specyficzne czynniki, które wydają się być nieszczelne.

omijanie BBB narkotykami. Wiele leków o potencjalnej wartości terapeutycznej nie dostaje się łatwo do mózgu, ponieważ mają niską rozpuszczalność w lipidach i nie są transportowane przez określone nośniki obecne w BBB. Aby przezwyciężyć to ograniczenie, opracowano Schematy zwiększające wprowadzanie leku do mózgu. 1) jednym ze sposobów na ominięcie BBB jest dostarczenie leku bezpośrednio do płynu mózgowo-rdzeniowego. Takie podejście może być stosowane w leczeniu pacjentów z zapaleniem opon mózgowo-rdzeniowych lub komórkami nowotworowymi w płynie mózgowo-rdzeniowym. 2) niektóre związki wazoaktywne, takie jak bradykinina i histamina, które nie zmieniają BBB u normalnych ludzi, mogą zwiększyć przepuszczalność BBB w warunkach patologicznych. Związki te mogą być stosowane do dostarczania chemioterapeutyków do mózgu. 3) leki mogą być syntetyzowane z wysoką przepuszczalnością BBB, aby poprawić wejście do mózgu. Większość leków neuroaktywnych jest skuteczna, ponieważ rozpuszczają się w lipidach i łatwo dostają się do mózgu. Na przykład heroina i morfina mają bardzo podobną strukturę. Jednak heroina, która ma dwie grupy acetylowe, jest bardziej rozpuszczalna w lipidach. Ta większa rozpuszczalność w lipidach heroiny wyjaśnia jej szybszy początek działania. Po dotarciu do mózgu Grupa acetylowa heroiny jest usuwana enzymatycznie w celu wytworzenia morfiny, która powoli opuszcza mózg. Zrozumienie procesu transportu jest kluczowe dla rozwoju nowej generacji leków przydatnych w leczeniu chorób mózgu.

11, 5 metabolizm mózgowy i przepływ krwi

metabolizm mózgowy

mózg jest metabolicznie jednym z najbardziej aktywnych narządów w organizmie. Mózg nie magazynuje nadmiaru energii i czerpie prawie wszystkie swoje potrzeby energetyczne z tlenowego utleniania glukozy. Dlatego wymaga ciągłego dostarczania glukozy i tlenu, aby spełnić swoje wymagania energetyczne. Większość zużycia energii w mózgu jest wykorzystywana do aktywnego transportu jonów w celu podtrzymania i przywrócenia potencjałów membranowych wyładowanych podczas procesu wzbudzenia i przewodzenia. Gdy przepływ krwi do mózgu zatrzymuje się i występuje brak tlenu i krwi, utrata przytomności powoduje 5-10 sekund. Jeśli przepływ krwi nie zostanie wznowiony w ciągu kilku minut, nastąpi trwałe uszkodzenie mózgu. Powszechnie wiadomo, że podczas kryzysów, takich jak zatrzymanie akcji serca, uszkodzenie mózgu występuje najwcześniej i jest najbardziej decydujące w określaniu stopnia wyzdrowienia. Brak glukozy jest równie destrukcyjny, ale przebieg czasowy powodujący nieodwracalne uszkodzenia w wyniku hipoglikemii jest dłuższy, ponieważ można stosować inne substraty.

różne regiony mózgu mają różne wymagania energetyczne, które są związane z aktywnością neuronów w tych regionach. Pomiar ilości glukozy zużywanej na minutę w różnych regionach mózgu normalnego świadomego szczura i małpy pokazuje, że wykorzystanie glukozy jest bardzo zróżnicowane w całym mózgu. Co więcej, Średnia wartość w istocie szarej jest około pięć razy większa niż w istocie białej.

ilość przepływu krwi jest bezpośrednio związana z aktywnością mózgu. W osobnej grupie zwierząt określono ilość przepływu krwi do obszarów mózgu. Wyniki pokazują, że więcej krwi przepływa do obszaru mózgu o wysokiej aktywności metabolicznej.

rysunek 11.10 pokazuje, że istnieje doskonała korelacja między ilością zastosowań glukozy a lokalnym mózgowym przepływem krwi.
regulację przepływu krwi do obszaru mózgu uzyskuje się poprzez kontrolę rozszerzania naczyń mózgowych . Rozszerzanie naczyń krwionośnych jest kontrolowane przez lokalne czynniki, takie jak tlenek azotu (NO), PaCO2, PaO2 i pH. wysokie NO, wysokie PaCO2, niskie PaCO2 i niskie pH, które są wytwarzane w wyniku aktywności mózgu, mają tendencję do rozszerzania naczyń krwionośnych i zwiększania przepływu krwi. Tempo produkcji tych substancji chemicznych zależy od aktywności i tempa metabolizmu energetycznego. Dlatego przepływ krwi do obszaru mózgu jest związany z aktywnością neuronów w tym regionie.

wykorzystanie glukozy i obrazowanie mózgu. Metabolizm glukozy jest głównym źródłem energii dla mózgu. Glukoza z krwi dostaje się do mózgu za pomocą białka transportowego Glut – 1. Gdy znajduje się w komórce mózgu, wchodzi do szlaku glikolitycznego, gdzie jest przekształcany w pirogronian, a następnie metabolizowany przez cykl Krebsa w celu wytworzenia ATP. Frakcja cząsteczek ATP jest wykorzystywana do wytwarzania wysokoenergetycznych cząsteczek fosfokreatyny. W Warunkach tlenowy metabolizm glukozy jest w stanie dostarczyć mózgowi wystarczającej energii z ATP i fosfokreatyny, aby utrzymać prawidłowe funkcjonowanie. Gdy dochodzi do niewydolności mózgu, początkowo dochodzi do utraty fosfokreatyny, a następnie do wyczerpania ATP, co na ogół sygnalizuje poważne uszkodzenie mózgu.

pozbawienie glukozy może spowodować zaburzenia czynności mózgu. Hipoglikemia, która może wynikać z nadmiernej insuliny, wiąże się ze zmianami stanu psychicznego. Zmiany te można szybko odwrócić podając glukozę. W pewnych okolicznościach, takich jak głód, mózg może używać „ciał ketonowych” zamiast glukozy jako substratów. Ciała ketonowe, acetooctan I d-beta-hydroksymaślan powstają z katabolizmu kwasów tłuszczowych przez wątrobę. Ciała ketonowe są metabolizowane w celu wytworzenia acylo-CoA, który wchodzi w cykl kwasu trikarboksylowego (TCA) z wystarczającą szybkością, aby zaspokoić zapotrzebowanie metaboliczne mózgu.

pomiar lokalnego wykorzystania glukozy. Lokalny metabolizm energetyczny jest połączony z lokalną aktywnością funkcjonalną. Stosując autoradiografię analogową glukozy, 2-deoksyglukoza (2-DG), zastosowano do pomiaru metabolizmu glukozy u zwierząt doświadczalnych.

Rysunek 11.4 ilustruje podstawową zasadę radioaktywnej metody deoksy-glukozy do pomiaru lokalnego wykorzystania glukozy w mózgu. Wykorzystanie glukozy rozpoczyna się od fosforylacji glukozy przez heksokinazę. Otrzymany glukozo-6-fosforan nie jest zatrzymywany w tkankach. Zamiast tego jest metabolizowany dalej do produktów, takich jak CO2 i H2O, które opuszczają tkankę. 2-deoksyglukoza jest analogiem glukozy i jest transportowana przez barierę krew-mózg przez układ nośnika glukozy. Wewnątrz komórek mózgu 2-deoksyglukoza jest fosforylowana przez heksokinazę do deoksyglukozo-6-fosforanu (DG-6-P) i nie może być dalej rozkładana do CO2 i H2O. zamiast tego jest uwięziona i gromadzi się w tkance ilościowo przez rozsądny czas. Umieszczając etykietę na deoksyglukozie (takiej jak w fluoro-2-deoksy-d-glukozie), można zmierzyć szybkość znakowanego tworzenia deoksyglukozo-6-fosforanu. Ilość 18fdg-6-fosforanu można bezpośrednio określić za pomocą pozytonowej tomografii emisyjnej (PET). Metoda 2-deoksyglukozy została zmodyfikowana do stosowania u ludzi z PET, z krótkotrwałymi izotopami emitującymi pozyton oznaczonymi jako 2-deoksyglukoza.

11.6 Aktywacja funkcjonalna metabolizmu energetycznego

ze względu na sprzężenie metabolizmu z funkcją, aktywacja funkcjonalna przez określone zadania bodźców prowadzi do regionalnego wzrostu metabolizmu glukozy w odpowiednich strukturach mózgowych. Ruch palców i rąk zwiększa metabolizm w odpowiednich regionach mózgu. U praworęcznych ochotników Spontaniczna Mowa zwiększyła aktywność metaboliczną w rejonie Broki. Prezentacja obrazów wzrokowych zwiększa wykorzystanie glukozy w pierwotnej korze wzrokowej.

Wariant MRI zwany funkcjonalnym MRI (fMRI) opiera się na zwiększeniu przepływu krwi do określonych obszarów mózgu, które towarzyszy aktywności neuronalnej. Zwiększenie przepływu krwi powoduje lokalne zmniejszenie deoksyhemoglobiny z powodu mniejszej ekstrakcji tlenu. Deoksyhemoglobina jest paramagnetyczna i służy jako źródło sygnału w fMRI. W przeciwieństwie do PET, fMRI wykorzystuje sygnał wewnętrzny do mózgu i stał się technologią z wyboru do badania funkcji mózgu.

11.7 zaburzenia mózgu i metabolizm

zaburzenia drgawkowe są czynnościowymi zaburzeniami aktywności mózgu i prowadzą do znaczących zmian w metabolizmie mózgu i mózgowym przepływie krwi. Zmiany metaboliczne wykryte przez PET mogą często uzupełniać zapisy elektrofizjologiczne w celu zlokalizowania ognisk epileptogennych. Ta informacja pomaga neurochirurgom chirurgicznie usunąć ognisko epileptogenne.

pomiary metaboliczne przy użyciu PET można wykorzystać do określenia wielkości zawału po udarze niedokrwiennym. Guzy mózgu mają wysokie potrzeby metaboliczne i są silnie unaczynione. PET lub fMRI mogą być wykorzystane do zlokalizowania guza i oceny skuteczności terapii.