Barreira sangue-Cérebro e Metabolismo Cerebral (Secção 4, Capítulo 11) Neurociência Online: Eletrônica, Livro-texto para as Neurociências, Departamento de Neurobiologia e da Anatomia – Universidade de Texas Medical School, em Houston

11.1 Barreira Sangue-cérebro Mantém a Constância do Cérebro do Ambiente Interno

A barreira sangue-cérebro (BBB) protege o tecido neural a partir de variações na composição do sangue e eliminação de toxinas. Noutras partes do corpo, as concentrações extracelulares de hormonas, aminoácidos e potássio sofrem flutuações frequentes, especialmente após as refeições, exercícios ou tempos de stress. Uma vez que muitas destas moléculas regulam a excitabilidade neuronal, uma mudança semelhante na composição do fluido intersticial no SNC pode levar a atividade cerebral descontrolada. As células endoteliais que formam a barreira sangue-cérebro são altamente especializadas para permitir o controle preciso sobre as substâncias que entram ou saem do cérebro.

descoberta de barreira hemato-encefálica. A descoberta do BBB remonta a mais de 100 anos, quando, em 1880, Paul Ehrlich, observado que a administração intravenosa de certos corantes (e.g. trip azul) manchado de todos os órgãos, exceto o cérebro e a medula espinhal. Ele concluiu que os corantes tinham uma menor afinidade para a ligação ao sistema nervoso em comparação com outros tecidos. Em 1913, Edwin Goldman, um associado de Ehrlich, demonstrou os mesmos corantes, quando diretamente injetado no líquido cefalorraquidiano (LCR), prontamente manchado tecido nervoso, mas não outros tecidos. O termo “barreira sangue-cérebro” foi cunhado, no entanto, por Lewandowsky em 1898, depois de ele e seus colegas tiveram experiências para demonstrar que neurotóxicos agentes afetados função cerebral só quando injetado diretamente no cérebro, mas não quando injetada no sistema vascular. Levou mais 70 anos até Reese e colegas localizarem a barreira às células endoteliais Capilares dentro do cérebro por estudos microscópicos de elétrons.

as células endoteliais nos capilares cerebrais são o local do BBB. O BBB em adultos consiste de um sistema celular complexo de uma membrana basal altamente especializada, um grande número de pericitos embutidos na membrana basal e pés de extremidade astrocítica. Enquanto as células endoteliais formam a barreira propriamente dita, a interação com as células adjacentes parece ser necessária para o desenvolvimento da barreira. As células endoteliais cerebrais diferem das células endoteliais de outros órgãos de duas maneiras importantes. Em primeiro lugar, há entroncamentos apertados contínuos entre as células endoteliais cerebrais. Estas junções apertadas impedem o movimento paracelular das moléculas. Em segundo lugar, não existem vias transendoteliais detectáveis, tais como vesículas intracelulares. Estas propriedades das células endoteliais cerebrais proporcionam uma barreira entre o sangue e o cérebro. Alguns dos principais processos são descritos na figura 11.1.

1. as junções estreitas contínuas que unem as células endoteliais nos capilares cerebrais limitam a difusão de moléculas através do BBB.
2. a membrana basal (basal) fornece suporte estrutural para as proteínas capilares e específicas presentes na membrana basilar foram propostas para estar envolvidas no desenvolvimento do BBB.Os processos Astrocíticos do pé libertam fatores específicos e são necessários para o desenvolvimento do BBB. Os processos astrocíticos do pé contêm canais de água (aquaporin-4) que permitem a captação de água e contribuem para o inchaço cerebral.
3. transportadores de glucose e aminoácidos essenciais facilitam o movimento destes solutos no cérebro. Uma vez que as células cerebrais não podem sintetizar estes aminoácidos essenciais, é retirado do sangue.
4. os sistemas de transporte secundários parecem causar o efluxo de pequenas moléculas e aminoácidos não essenciais do cérebro ao sangue.
5. transportadores de iões de sódio na membrana luminal e Na, K-ATPase na membrana anti-luminal são responsáveis pelo movimento de sódio do sangue para o cérebro. O grande número de mitocondrias presentes nas células endoteliais cerebrais fornece energia para a função desta Na, K-ATPase.
6. the “enzymatic blood-brain-barrier”: Metabolic processes within the brain capillary endothelial cells are important to blood-brain function and control the entry of neurotransmitters into the brain.

11.2 componentes moleculares de junções apertadas

as junções apertadas entre as células endoteliais são responsáveis pela função da barreira. A oclusina foi a primeira proteína integral da membrana encontrada exclusivamente localizada dentro das junções apertadas. No entanto, os ratos portadores da mutação nula no gene da oclusina desenvolvem junções apertadas morfologicamente normais, indicando que a ocultação não é essencial para uma formação adequada de junção apertada. Em contraste com a ocultação, claudins tem sido mostrado ser necessário para a formação de junções apertadas. As proteínas integrais da membrana das junções apertadas estão ligadas ao citoesqueleto através da zona de ocultação – 1 (ZO-1), ZO-2 e ZO-3. Além disso, as junções de aderens não-oclusivas são encontradas misturadas com junções apertadas. Em junções de aderência, as proteínas de membrana integrais específicas endoteliais VE-cadherinas são encontradas. Além disso, uma família de proteínas chamadas moléculas de adesão juncional (JAM), e recentemente descobertas moléculas de adesão seletiva celular endotelial (ESAM), são localizadas nas junções apertadas do BBB. A sua função precisa na integridade do BBB permanece por determinar.Todas as áreas do cérebro não têm uma barreira hemato-encefálica. As estruturas localizadas em posições estratégicas na linha média do sistema ventricular e sem o BBB são coletivamente referidas como órgãos circunventriculares (CVOs). Nestas regiões não-barreira, as junções apertadas entre as células endoteliais são descontinuas, permitindo assim a entrada de moléculas. Muitas dessas áreas participam do controle hormonal.

Áreas do cérebro, sem uma barreira sangue-cérebro:

• a glândula Pituitária
• eminência Mediana
• Área postrema
• Preoptic recesso
• Paraphysis
• glândula Pineal
• Endotélio do plexo coroide

as substâncias com elevada solubilidade lipídica podem deslocar-se através do BBB por difusão simples. A difusão é o principal mecanismo de entrada para a maioria das drogas psicoativas. A figura 11.2 mostra que a taxa de entrada de compostos que se difunde no cérebro depende da sua solubilidade lipídica. A solubilidade lipídica é estimada por coeficiente de partição óleo/água.

figura 11.5 a descreve a forma como o coeficiente de partição óleo/água é calculado. Figura 11.5b mostra a relação entre o coeficiente de partição óleo/água e a penetração cerebral de moléculas selecionadas.

água. A água entra prontamente no cérebro. Como consequência da sua elevada permeabilidade, a água move-se livremente para dentro e para fora do cérebro à medida que a osmolaridade do plasma muda. Este fenómeno é clinicamente útil, uma vez que a administração intravenosa de compostos pouco permeáveis, como o manitol, desidratará osteticamente o cérebro e reduzirá a pressão intracraniana. Este método é às vezes usado em pacientes com traumatismo craniano para reduzir a pressão intracraniana.

Gases. Gases como CO2, O2 e anestésicos voláteis se difundiram rapidamente no cérebro. Como consequência, a taxa a que a sua concentração no cérebro entra em equilíbrio com o plasma é limitada principalmente pelo fluxo sanguíneo cerebral. Transporte de Glucose e aminoácidos

o transporte mediado pelo transportador permite que moléculas com baixa solubilidade lipídica percam a barreira hemato-encefálica. A Glucose do sangue entra no cérebro por uma proteína de transporte. A glicose é o substrato de energia primária do cérebro. A proteína de transporte de Glucose (GLUT-1) é altamente enriquecida em células endoteliais Capilares cerebrais. Estes transportadores transportam moléculas de glucose através da barreira hematoencefálica. Embora raros, os doentes com deficiência Glut – 1 (causada por mutações genéticas) podem ter graves dificuldades de aprendizagem. Níveis baixos de Glicose no cerebrospinal, mas não no sangue, irá identificar a condição.

os aminoácidos essenciais não podem ser sintetizados pelo cérebro e, portanto, devem ser fornecidos a partir da degradação proteica e dieta. A fenilalanina, a leucina, a tirosina, a isoleucina, a valina, o triptofano, a metionina e a histidina, que são aminoácidos essenciais, e também o precursor da dopamina, a L-DOPA, entram no cérebro tão rapidamente como a glucose. Estes aminoácidos são transportados para o cérebro pela leucina-preferring ou pelo tipo L proteínas de transporte. Estes compostos competem entre si para entrar no cérebro. Assim, uma elevação do nível plasmático de um inibirá a captação dos outros. Esta competição pode ser importante para certas doenças metabólicas, tais como a fenilcetonúria (PKU), onde elevados níveis de fenilalanina no plasma reduzem a captação cerebral de outros aminoácidos essenciais.

pequenos aminoácidos neutros, tais como alanina, glicina, prolina e GABA (ácido gama-aminobutírico), são marcadamente restritos na sua entrada no cérebro. Estes aminoácidos são aminoácidos não essenciais e são transportados por proteínas de transporte do tipo alanina. A proteína de transporte do tipo a não está presente na superfície luminal da barreira hematoencefálica. Em contraste, estes pequenos aminoácidos neutros parecem ser transportados para fora do cérebro através da barreira hemato-encefálica.

11.4 protecção do cérebro contra neurotoxinas e fármacos de origem sanguínea

glicoproteínas P são bombas movidas por ATP que conferem resistência multi-fármaco às células cancerígenas, bombeando medicamentos para fora das células. Estas proteínas são expressas em células endoteliais cerebrais que podem limitar a permeabilidade BBB de compostos hidrofóbicos, tais como Ciclosporina A e vinblastina, bombeando-os das células endoteliais de volta para o sangue.

os processos metabólicos nas células endoteliais capilares do cérebro são importantes para a função do cérebro-sangue. A maioria dos neurotransmissores presentes no sangue não entram no cérebro devido à sua baixa solubilidade lipídica e à falta de transportadores específicos na membrana luminal da célula endotelial capilar (ver Figura 11.1). Em contraste, L-DOPA, o precursor da dopamina, tem uma afinidade para o transportador do tipo L. Portanto, entra no cérebro mais facilmente a partir do sangue do que seria previsto com base na sua solubilidade lipídica. Os doentes com doença de Parkinson são tratados com L-DOPA e não com dopamina por causa deste facto. No entanto, a penetração de L-DOPA no cérebro é limitada pela presença de enzimas L-DOPA descarboxilase e monoamina oxidase dentro das células endoteliais Capilares. Esta “barreira enzimática sangue-cérebro” limita a passagem de L-DOPA para o cérebro e explica a necessidade de grandes doses de L-DOPA no tratamento da doença de Parkinson. A terapêutica é actualmente potenciada pelo tratamento concomitante com um inibidor da L-DOPA descarboxilase.

a monoamina oxidase endotelial pode também desempenhar um papel na inactivação dos neurotransmissores libertados pela actividade neuronal. As monoaminas mostram muito pouca absorção quando apresentadas do lado luminal. Os sistemas de captação de monoaminas estão presentes na superfície antiluminal das células endoteliais Capilares cerebrais. O Capilar endotelial cerebral também contém uma variedade de outras enzimas metabolizadoras de neurotransmissores, tais como colinesterases, gaba transaminases, aminopeptidase e endopeptidases. Além disso, várias enzimas metabolizadoras de drogas e toxinas também são encontradas nos capilares cerebrais. Assim, a” barreira enzimática do cérebro no sangue ” protege o cérebro não só dos neurotransmissores circulantes, mas também de muitas toxinas.

BBB comprometida e doença. A disfunção de BBB pode levar a danos neuronais e alterações na função cerebral. Doenças como encefalite, esclerose múltipla (em), acidente vascular cerebral ou tumores induzem deterioração do BBB com influência devastadora na função neuronal. Estas condições diminuem a produção da proteína de junção apertada claudin. Os tumores cerebrais causam a ruptura completa do BBB que leva a edema peritumoral. Além disso, as células tumorais segregam fatores específicos que tendem a ser vazados.

contornando o BBB com drogas. Uma série de fármacos de potencial valor terapêutico não entram prontamente no cérebro porque têm baixa solubilidade lipídica e não são transportados por portadores específicos presentes no BBB. Para superar esta limitação, foram desenvolvidos esquemas para melhorar a entrada de drogas no cérebro. 1) uma maneira de contornar o BBB é entregar a droga diretamente no LCR. Esta abordagem pode ser usada para tratar pacientes com meningite ou células cancerosas no LCR. 2) certos compostos vasoactivos como a bradiquinina e a histamina, que não alteram o BBB em pessoas normais, podem aumentar a permeabilidade do BBB em condições patológicas. Estes compostos podem ser usados para fornecer agentes quimioterapêuticos no cérebro. 3) As drogas podem ser sintetizadas com alta permeabilidade BBB para melhorar a entrada no cérebro. A maioria das drogas neuroativas são eficazes porque se dissolvem em lípidos e entram facilmente no cérebro. Por exemplo, a heroína e a morfina têm uma estrutura muito semelhante. No entanto, a heroína, que tem dois grupos acetilo, é mais solúvel em lípidos. Esta maior solubilidade lipídica da heroína explica o seu início de acção mais rápido. Uma vez dentro do cérebro, o grupo acetilo da heroína é removido enzimaticamente para produzir morfina, que só lentamente sai do cérebro. A compreensão do processo de transporte é crucial para o desenvolvimento da próxima geração de medicamentos úteis no tratamento de doenças cerebrais.

11.5 Metabolismo Cerebral e o Fluxo Sanguíneo

Metabolismo Cerebral

O cérebro é metabolicamente um dos mais ativos de todos os órgãos do corpo. O cérebro não armazena excesso de energia e deriva quase todas as suas necessidades de energia da oxidação aeróbica da glicose. Por conseguinte, requer um fornecimento contínuo de glucose e oxigénio para satisfazer as suas necessidades energéticas. A maior parte do consumo de energia do cérebro é usado para o transporte ativo de íons para sustentar e restaurar os potenciais de membrana liberados durante o processo de excitação e condução. Quando o fluxo sanguíneo para o cérebro pára e a ausência de oxigénio e sangue ocorre, a perda de consciência resulta em 5-10 segundos. Se o fluxo sanguíneo não for retomado dentro de vários minutos, há danos cerebrais permanentes. É bem conhecido que durante as crises, como a parada cardíaca, os danos ao cérebro ocorrem mais cedo e é mais decisivo na determinação do grau de recuperação. A ausência de glicose é igualmente destrutiva, mas o curso de tempo que resulta em danos irreversíveis da hipoglicemia é maior porque outros substratos podem ser usados.

diferentes regiões do cérebro têm diferentes necessidades energéticas, que estão relacionadas com a atividade neuronal nessas regiões. A medição das quantidades de glicose utilizadas por minuto em diferentes regiões cerebrais de um rato consciente normal e macaco demonstra que a utilização de glicose varia muito ao longo do cérebro. Além disso, o valor médio da matéria cinzenta é aproximadamente cinco vezes mais do que o da matéria branca.

a quantidade de fluxo sanguíneo está directamente relacionada com a actividade cerebral. Num grupo separado de animais, determinou-se a quantidade de fluxo sanguíneo para as áreas cerebrais. Os resultados mostram que mais sangue flui para a área do cérebro com alta atividade metabólica.

a figura 11.10 mostra que há uma excelente correlação entre a quantidade de uso de glicose e o fluxo sanguíneo cerebral local.
a regulação do fluxo sanguíneo para uma área cerebral é conseguida através do controlo da dilatação dos vasos cerebrais. A dilatação dos vasos sanguíneos é controlada por fatores locais, tais como o óxido nítrico (no), PaCO2, PaO2 e pH. Alta NÃO, PaCO2 elevada, baixa PaCO2 e o pH baixo, que são produzidos como resultado da atividade do cérebro, tendem a dilatar os vasos sanguíneos e aumentar o fluxo de sangue. A taxa de produção destes produtos químicos depende da actividade e das taxas de metabolismo energético. Portanto, o fluxo sanguíneo para uma região do cérebro está relacionado à atividade neuronal nessa região.

utilização de Glucose e imagiologia cerebral. O metabolismo da Glucose é a principal fonte de energia para o cérebro. A glicose do sangue entra no cérebro com a ajuda de proteína de transporte Glut-1. Uma vez dentro de uma célula cerebral, ela entra na via glicolítica, onde é convertida em piruvato e, em seguida, metabolizada através do ciclo Krebs para gerar ATP. Uma fração das moléculas de ATP é usada para gerar moléculas de fosfocreatina de alta energia. Em condições, o metabolismo aeróbico da glucose é capaz de fornecer ao cérebro energia suficiente a partir de ATP e fosfocreatina para manter a função normal. Quando ocorre falha cerebral, há uma perda de fosfocreatina inicialmente, seguida pela depleção de ATP, que geralmente sinaliza danos graves ao cérebro.

a privação de Glucose pode resultar numa função cerebral anormal. A hipoglicemia, que pode resultar de insulina excessiva, está associada com mudanças no estado mental. Estas alterações podem ser rapidamente revertidas pela administração de glucose. Em certas circunstâncias, como durante a fome, o cérebro pode usar “corpos cetónicos” no lugar da glicose como substratos. Corpos cetónicos, acetoacetato e D-beta-hidroxibutirato são formados a partir de catabolismo de ácidos gordos pelo fígado. Os corpos cetónicos são metabolizados para gerar acil-CoA que entra no ciclo do ácido tricarboxílico (TCA) a uma taxa suficiente para satisfazer a demanda metabólica do cérebro.

Medição da utilização local da glucose. O metabolismo energético local está associado à actividade funcional local. Utilizando uma autoradiografia analógica da glucose, a 2-desoxiglucose (2-DG), foi utilizada para medir o metabolismo da glucose em animais experimentais.

Figura 11.4 ilustra o princípio fundamental do método da glucose desoxídica radioactiva para medir a utilização local da glucose cerebral. A utilização da glicose começa com a fosforilação da glicose pela hexocinase. A glucose-6-fosfato resultante não é retida nos tecidos. Em vez disso, é metabolizado ainda mais para produtos como CO2 e H2O que deixam o tecido. A 2-desoxiglucose é um análogo da glucose e é transportada através da barreira hemato-encefálica pelo sistema de transporte de glucose. No interior das células cerebrais, a 2-desoxiglicucose é fosforilada pela hexoquinase para desoxiglicose-6-fosfato (DG-6-P) e não pode ser degradada em CO2 e H2O. em vez disso, está presa e acumula-se no tecido quantitativamente durante um período razoável de tempo. Ao colocar um rótulo na desoxiglucose (tal como no fluoro-2-desoxi-D-glucose), é possível medir a taxa de formação rotulada de desoxiglucose-6-fosfato. A quantidade de 18FDG-6-fosfato pode ser diretamente determinada usando tomografia de emissão de positrões (PET). O método da 2-desoxiglucose foi modificado para uso humano com PET, com isótopos emissores de positrões de curta duração rotulados com a 2-desoxiglucose.

11.6 Funcional Ativação do Metabolismo Energético

devido ao acoplamento do metabolismo ao funcionamento, a ativação funcional por tarefas específicas de estímulos leva ao aumento regional do metabolismo da glicose em estruturas cerebrais correspondentes. O movimento dos dedos e mãos aumenta o metabolismo nas respectivas regiões cerebrais. Em voluntários destros, a fala espontânea aumentou as atividades metabólicas na região de Broca. A apresentação de imagens visuais aumenta a utilização de Glicose no córtex visual primário.MRI funcional . Uma variante da IRM chamada ressonância magnética funcional (IRM) é baseada no aumento do fluxo sanguíneo para regiões cerebrais específicas que acompanham a atividade neuronal. O aumento do fluxo sanguíneo resulta numa diminuição local da deoxi-hemoglobina devido a uma menor extracção de oxigénio. A deoxiemoglobina é paramagnética e serve como a fonte do sinal em fMRI. Ao contrário do PET, o fMRI usa um sinal intrínseco ao cérebro e emergiu como a tecnologia de escolha para sondar a função cerebral.

11.7 doenças do cérebro e metabolismo

as doenças convulsivas são perturbações funcionais da actividade cerebral e conduzem a alterações marcadas no metabolismo cerebral e no fluxo sanguíneo cerebral. As alterações metabólicas detectadas pelo PET podem frequentemente complementar gravações electrofisiológicas para localizar focos epileptogénicos. Esta informação ajuda os neurocirurgiões a remover cirurgicamente o foco epileptogénico.

as medições metabólicas utilizando PET podem ser utilizadas para determinar o tamanho do enfarte após acidente vascular cerebral isquémico. Os tumores cerebrais têm necessidades metabólicas elevadas e são fortemente vascularizados. PET ou fMRI pode ser usado para localizar o tumor e avaliar a eficácia de uma terapia.