Blod hjärnbarriär och Cerebral Metabolism (avsnitt 4, kapitel 11) Neuroscience Online: en elektronisk lärobok för neurovetenskap / Institutionen för neurobiologi och anatomi-University of Texas Medical School i Houston

11.1 blod-hjärnbarriären upprätthåller beständigheten i hjärnans inre miljö

blod-hjärnbarriären (BBB) skyddar nervvävnaden från variationer i blodkomposition och toxiner. På andra håll i kroppen genomgår de extracellulära koncentrationerna av hormoner, aminosyror och kalium frekventa fluktuationer, särskilt efter måltider, motion eller stressiga tider. Eftersom många av dessa molekyler reglerar neuronal excitabilitet kan en liknande förändring i sammansättningen av interstitiell vätska i CNS leda till okontrollerad hjärnaktivitet. Endotelcellerna som bildar blod-hjärnbarriären är högspecialiserade för att möjliggöra exakt kontroll över de ämnen som kommer in eller lämnar hjärnan.

upptäckt av blod-hjärnbarriär. Upptäckten av BBB går tillbaka mer än 100 år då Paul Ehrlich på 1880-talet observerade att intravenös administrering av vissa färgämnen (t.ex. trypanblått) färgade alla organ utom hjärnan och ryggmärgen. Han drog slutsatsen att färgämnena hade en lägre affinitet för bindning till nervsystemet jämfört med andra vävnader. År 1913 visade Edwin Goldman, en associerad med Ehrlich, samma färgämnen, när de direkt injicerades i cerebrospinalvätskan (CSF), lätt färgade nervvävnad men inte andra vävnader. Termen ”blod-hjärnbarriär” myntades emellertid av Lewandowsky 1898, efter att han och hans kollegor hade utfört experiment för att visa att neurotoxiska medel endast påverkade hjärnans funktion när de injicerades direkt i hjärnan men inte när de injicerades i kärlsystemet. Det tog ytterligare 70 år tills Reese och kollegor lokaliserade barriären till kapillärendotelcellerna i hjärnan genom elektronmikroskopiska studier.

endotelceller i hjärnkapillärer är platsen för BBB. BBB hos vuxna består av ett komplext cellulärt system av ett högspecialiserat basalmembran, ett stort antal pericyter inbäddade i basalmembranet och astrocytiska ändfötter. Medan endotelcellerna bildar barriären korrekt verkar interaktionen med intilliggande celler vara nödvändig för utvecklingen av barriären. Hjärnans endotelceller skiljer sig från endotelceller från andra organ på två viktiga sätt. Först finns kontinuerliga täta korsningar mellan hjärnans endotelceller. Dessa snäva korsningar förhindrar paracellulär rörelse av molekyler. För det andra finns det inga detekterbara transendoteliala vägar såsom intracellulära vesiklar. Dessa egenskaper hos hjärnans endotelceller ger en barriär mellan blodet och hjärnan. Några av de viktigaste processerna visas i Figur 11.1.

1. de kontinuerliga täta korsningarna som går med i endotelcellerna i hjärnkapillärerna begränsar diffusionen av molekyler över BBB.
2. basalmembranet ger strukturellt stöd för kapillären och specifika proteiner som finns i källarmembranet har föreslagits vara involverade i utvecklingen av BBB.
3. Astrocytiska fotprocesser frigör specifika faktorer och är nödvändiga för utvecklingen av BBB. Astrocytiska fotprocesser innehåller vattenkanaler (aquaporin-4) som tillåter vattenupptag och bidrar till hjärnsvullnad.
4. transportbärare för glukos och essentiella aminosyror underlättar rörelsen av dessa lösta ämnen i hjärnan. Eftersom hjärnceller inte kan syntetisera dessa essentiella aminosyror tas det upp från blodet.
5. sekundära transportsystem verkar orsaka utflöde av små molekyler och icke-essentiella aminosyror från hjärnan till blodet.
6. natriumjontransportörer på luminalmembranet och Na,K-ATPas på anti-luminalmembranet står för rörelse av natrium från blodet till hjärnan. Det stora antalet mitokondrier som finns i hjärnans endotelceller ger energi för funktionen av detta Na, K-ATPas.
7. den ”enzymatiska blod-hjärnbarriären”: metaboliska processer i hjärnans kapillära endotelceller är viktiga för blod-hjärnfunktionen och kontrollerar inträdet av neurotransmittorer i hjärnan.

11.2 molekylära komponenter i täta korsningar

de täta korsningarna mellan endotelceller är ansvariga för barriärfunktionen. Occludin var det första integrerade membranproteinet som befanns vara exklusivt lokaliserat inom de snäva korsningarna. Möss som bär nollmutationen i occludin-genen utvecklar emellertid morfologiskt normala täta korsningar, vilket indikerar att ockludering inte är nödvändigt för korrekt tät korsningsbildning. I motsats till ocklusion har claudins visat sig vara nödvändiga för bildandet av täta korsningar. De integrerade membranproteinerna i täta korsningar är kopplade till cytoskelettet via zon som ockluderar-1 (ZO-1), ZO-2 och ZO-3. Dessutom finns icke-occludin-adherens-korsningar blandade med snäva korsningar. I adherens korsningar finns endotelspecifika, integrerade membranproteiner VE-cadheriner. Dessutom är en familj av proteiner som kallas junctional adhesion molecules (JAM) och nyligen upptäckta endotelcellselektiva adhesionsmolekyler (ESAM) lokaliserade i BBB: s täta korsningar. Deras exakta funktion i BBB-integritet återstår att bestämma.

alla områden i hjärnan har ingen blod-hjärnbarriär. Strukturerna som ligger på strategiska positioner i mittlinjen i ventrikulärsystemet och saknar BBB kallas kollektivt circumventricular organ (CVOs). I dessa icke-barriärregioner är de täta korsningarna mellan endotelceller diskontinuerliga vilket möjliggör inträde av molekyler. Många av dessa områden deltar i hormonell kontroll.

områden i hjärnan utan blod-hjärnbarriär:

• hypofysen
• median eminens
• område postrema
• Preoptisk urtagning
• Parafys
• tallkottkörteln
• endotel av choroid plexus

ämnen med hög lipidlöslighet kan röra sig över BBB genom enkel Diffusion. Diffusion är den viktigaste inträdesmekanismen för de flesta psykoaktiva droger. Figur 11.2 visar att inträdeshastigheten för föreningar som diffunderar in i hjärnan beror på deras lipidlöslighet. Lipidlösligheten uppskattas med Fördelningskoefficient för olja/vatten.

figur 11.5 A visar hur fördelningskoefficienten för olja/vatten beräknas. Figur 11.5b visar förhållandet mellan fördelningskoefficienten olja/vatten och hjärnpenetration av utvalda molekyler.

vatten. Vatten kommer lätt in i hjärnan. Som en följd av dess höga permeabilitet rör sig vatten fritt in i och ut ur hjärnan när plasmans osmolaritet förändras. Detta fenomen är kliniskt användbart, eftersom intravenös administrering av dåligt permeabla föreningar såsom mannitol kommer osmotiskt att dehydrera hjärnan och minska intrakraniellt tryck. Denna metod används ibland hos patienter med huvudtrauma för att minska intrakraniellt tryck.

gaser. Gaser som CO2, O2 och flyktiga anestetika diffunderar snabbt in i hjärnan. Som en konsekvens begränsas hastigheten vid vilken deras koncentration i hjärnan kommer i jämvikt med plasma främst av den cerebrala blodflödeshastigheten.

11.3 Transport av glukos och aminosyror

Carrier-medierad transport möjliggör molekyler med låg lipidlöslighet att korsa blod-hjärnbarriären. Glukos från blod kommer in i hjärnan med ett transportprotein. Glukos är hjärnans primära energisubstrat. Glukostransportprotein (GLUT-1) är mycket berikat i hjärnkapillära endotelceller. Dessa transportörer bär glukosmolekyler genom blodhjärnbarriären. Även om det är sällsynt kan patienter med Glut-1-brist (orsakad av genetiska mutationer) ha allvarliga inlärningssvårigheter. Låga glukossockernivåer i cerebrospinal, men inte i blodet, kommer att identifiera tillståndet.

de essentiella aminosyrorna kan inte syntetiseras av hjärnan och måste därför levereras från proteinnedbrytning och diet. Fenylalanin, leucin, tyrosin, isoleucin, valin, tryptofan, metionin och histidin, som är essentiella aminosyror, och även föregångaren till dopamin, L-DOPA, kommer in i hjärnan så snabbt som glukos. Dessa aminosyror transporteras in i hjärnan av leucin-föredragna eller transportproteinerna av L-typ. Dessa föreningar konkurrerar med varandra för inträde i hjärnan. Därför kommer en höjning av plasmanivån hos en att hämma upptaget av de andra. Denna tävling kan vara viktig för vissa metaboliska sjukdomar som fenylketonuri (PKU), där höga nivåer av fenylalanin i plasma minskar hjärnans upptag av andra essentiella aminosyror.

små neutrala aminosyror, såsom alanin, glycin, prolin och GABA (gamma-Aminosmörsyra), är markant begränsade i deras inträde i hjärnan. Dessa aminosyror är icke-essentiella aminosyror och transporteras av alanin-föredraget eller A-typ transportprotein. Transportproteinet av A-typ finns inte på den luminala ytan av blodhjärnbarriären. Däremot verkar dessa små neutrala aminosyror transporteras ut ur hjärnan över blod-hjärnbarriären.

11.4 skydd av hjärnan från blodburna neurotoxiner och läkemedel

P-glykoproteiner är ATP-drivna pumpar som ger multiläkemedelsresistens mot cancerceller genom att pumpa läkemedel ut ur cellerna. Dessa proteiner uttrycks i hjärnans endotelceller som kan begränsa BBB-permeabiliteten hos hydrofoba föreningar, såsom cyklosporin A och vinblastin, genom att pumpa dem från endotelcellerna tillbaka till blodet.

metaboliska processer i hjärnans kapillära endotelceller är viktiga för blod-hjärnfunktionen. De flesta neurotransmittorer som finns i blodet kommer inte in i hjärnan på grund av deras låga lipidlöslighet och brist på specifika transportbärare i det luminala membranet i kapillärendotelcellen (se figur 11.1). Däremot har L-DOPA, föregångaren till dopamin, en affinitet för transportören av L-typ. Därför kommer den lättare in i hjärnan från blodet än vad som skulle förutsägas baserat på dess lipidlöslighet. Patienter med Parkinsons sjukdom behandlas med L-DOPA snarare än med dopamin på grund av detta faktum. Emellertid begränsas penetrationen av L-DOPA i hjärnan av närvaron av enzymer L-DOPA-dekarboxylas och monoaminoxidas i kapillärendotelcellerna. Denna ”enzymatiska blod-hjärnbarriär” begränsar passage av L-DOPA i hjärnan och förklarar behovet av stora doser av L-DOPA vid behandling av Parkinsons sjukdom. Terapi förbättras för närvarande genom samtidig behandling med en hämmare av L-DOPA-dekarboxylas.

Endotelmonoaminoxidas kan också spela en roll i inaktiveringen av neurotransmittorer som frigörs genom neuronal aktivitet. Monoaminer visar mycket lite upptag när de presenteras från luminalsidan. Upptagningssystemen för monoaminer finns i den antiluminala ytan av hjärnans kapillära endotelceller. Hjärnans endotelkapillär innehåller också en mängd andra neurotransmittormetaboliserande enzymer såsom kolinesteraser, GABA-transaminaser, aminopeptidas och endopeptidaser. Dessutom finns flera läkemedels-och toxinmetaboliserande enzymer också i hjärnkapillärerna. Således skyddar den” enzymatiska blodhjärnbarriären ” hjärnan inte bara från cirkulerande neurotransmittorer utan också från många toxiner.

komprometterad BBB och sjukdom. BBB-dysfunktion kan leda till neuronal skada och störd hjärnfunktion. Sjukdomar som encefalit, multipel skleros (MS), stroke eller tumörer inducerar försämring av BBB med förödande inflytande på neuronfunktionen. Dessa förhållanden minskar produktionen av det täta korsningsproteinet claudin. Hjärntumörer orsakar fullständig nedbrytning av BBB som leder till peritumoral ödem. Dessutom utsöndrar tumörceller specifika faktorer som tenderar att vara läckande.

Bypassing BBB med droger. Ett antal läkemedel med potentiellt terapeutiskt värde kommer inte lätt in i hjärnan eftersom de har låg lipidlöslighet och inte transporteras av specifika bärare närvarande i BBB. För att övervinna denna begränsning har system utvecklats för att förbättra läkemedelsinträdet i hjärnan. 1) ett sätt att kringgå BBB är att leverera läkemedlet direkt i CSF. Detta tillvägagångssätt kan användas för att behandla patienter med hjärnhinneinflammation eller cancerceller i CSF. 2) vissa vasoaktiva föreningar såsom bradykinin och histamin, som inte förändrar BBB hos normala människor, kan förbättra permeabiliteten hos BBB vid patologiska tillstånd. Dessa föreningar kan användas för att leverera kemoterapeutiska medel i hjärnan. 3) läkemedel kan syntetiseras med hög BBB-permeabilitet för att förbättra inträdet i hjärnan. De flesta neuroaktiva läkemedel är effektiva eftersom de löser sig i lipider och lätt kommer in i hjärnan. Till exempel är heroin och morfin mycket lika i struktur. Heroin, som har två acetylgrupper, är dock mer lipidlöslig. Denna större lipidlöslighet av heroin förklarar dess snabbare verkan. En gång i hjärnan avlägsnas acetyl-gruppen av heroin enzymatiskt för att producera morfin, som bara långsamt lämnar hjärnan. En förståelse för transportprocessen är avgörande för utvecklingen av nästa generations läkemedel som är användbara vid behandling av hjärnsjukdomar.

11.5 Cerebral Metabolism och blodflöde

Cerebral Metabolism

hjärnan är metaboliskt en av de mest aktiva av alla organ i kroppen. Hjärnan lagrar inte överflödig energi och härleder nästan alla sina energibehov från aerob oxidation av glukos. Därför krävs det en kontinuerlig tillförsel av glukos och syre för att uppfylla sina energikrav. Det mesta av hjärnans energiförbrukning används för aktiv transport av joner för att upprätthålla och återställa membranpotentialerna som släpps ut under excitation och ledning. När blodflödet till hjärnan stannar och frånvaro av syre och blod uppstår, resulterar en förlust av medvetande i 5-10 sekunder. Om blodflödet inte återupptas inom flera minuter finns det permanent hjärnskada. Det är välkänt att under kriser, såsom hjärtstopp, uppstår skador på hjärnan tidigast och är mest avgörande för att bestämma graden av återhämtning. Frånvaron av glukos är lika destruktiv, men tidsförloppet som resulterar i irreversibel skada från hypoglykemi är längre eftersom andra substrat kan användas.

olika regioner i hjärnan har olika energibehov, som är relaterade till neuronal aktivitet i dessa regioner. Mätning av mängder glukos som används per minut i olika hjärnregioner hos en normal medveten råtta och apa visar att glukosutnyttjandet varierar mycket i hjärnan. Dessutom är medelvärdet i gråmaterialet ungefär fem gånger mer än det i den vita substansen.

mängden blodflöde är direkt relaterat till hjärnaktivitet. I en separat grupp av djur bestämdes mängden blodflöde till hjärnområden. Resultaten visar att mer blod flyter till hjärnans område med hög metabolisk aktivitet.

figur 11.10 visar att det finns en utmärkt korrelation mellan mängden glukosanvändning och lokalt cerebralt blodflöde.
reglering av blodflödet till ett hjärnområde uppnås genom kontroll av utvidgning av cerebrala kärl. Utvidgningen av blodkärl styrs av lokala faktorer som kväveoxid (NO), PaCO2, PaO2 och pH. hög NO, hög PaCO2, låg PaCO2 och lågt pH, som produceras som ett resultat av hjärnaktivitet, tenderar att utvidga blodkärlen och öka blodflödet. Produktionshastigheten för dessa kemikalier är beroende av aktivitet och energimetabolism. Därför är blodflödet till en hjärnregion relaterat till neuronal aktivitet i den regionen.

glukosutnyttjande och hjärnavbildning. Glukosmetabolism är den viktigaste energikällan för hjärnan. Glukos från blodet kommer in i hjärnan med hjälp av Glut-1 transportprotein. En gång inuti en hjärncell går den in i den glykolytiska vägen, där den omvandlas till pyruvat och metaboliseras sedan genom Krebs-cykeln för att generera ATP. En bråkdel av ATP-molekyler används för att generera fosfokreatinmolekyler med hög energi. Under förhållanden kan aerob metabolism av glukos ge hjärnan tillräcklig energi från ATP och fosfokreatin för att upprätthålla normal funktion. När hjärnfel inträffar är det en förlust av fosfokreatin initialt, följt av ATP-utarmning, vilket i allmänhet signalerar allvarlig skada på hjärnan.

glukosbrist kan leda till onormal hjärnfunktion. Hypoglykemi, som kan bero på överdriven insulin, är förknippad med förändringar i mentala tillstånd. Dessa förändringar kan snabbt vändas genom glukosadministrering. Under vissa omständigheter, såsom under svält, kan hjärnan använda ”ketonkroppar” i stället för glukos som substrat. Ketonkroppar, acetoacetat och D-beta-hydroxibutyrat bildas från katabolism av fettsyror i levern. Ketonkropparna metaboliseras för att generera acyl-CoA som går in i trikarboxylsyracykeln (TCA) i tillräcklig takt för att möta hjärnans metaboliska behov.

mätning av lokalt glukosutnyttjande. Den lokala energimetabolismen är kopplad till lokal funktionell aktivitet. Med hjälp av en autoradiografianalog av glukos, 2-deoxyglukos (2-DG), har använts för att mäta glukosmetabolism hos försöksdjur.

Figur 11.4 illustrerar den grundläggande principen för radioaktiv deoxiglukosmetod för mätning av det lokala cerebrala glukosutnyttjandet. Glukosutnyttjande börjar med fosforylering av glukos med hexokinas. Det resulterande glukos-6-fosfatet behålls inte i vävnaderna. Istället metaboliseras det vidare till produkter som CO2 och H2O som lämnar vävnaden. 2-deoxyglukos är en analog av glukos och transporteras över blod-hjärnbarriären av glukosbärarsystemet. Inuti hjärnceller fosforyleras 2-deoxyglukos av hexokinas till deoxyglukos-6-fosfat (DG-6-P) och kan inte brytas ned ytterligare till CO2 och H2O. istället fångas den och ackumuleras i vävnaden kvantitativt under en rimlig tid. Genom att sätta en etikett på deoxyglukos (såsom i fluoro-2-deoxi-D-glukos) är det möjligt att mäta hastigheten för märkt deoxyglukos-6-fosfatbildning. Mängden 18fdg-6-fosfat kan bestämmas direkt med positronemissionstomografi (PET). 2-deoxyglukosmetoden har modifierats för humant bruk med PET, med kortlivade positronemitterande isotoper märkta med 2-deoxyglukos.

11.6 funktionell aktivering av energimetabolism

på grund av kopplingen av metabolism till funktion leder funktionell aktivering av specifika stimuli uppgifter till regional ökning av glukosmetabolismen i motsvarande cerebrala strukturer. Rörelse av fingrar och händer ökar ämnesomsättningen i respektive hjärnregioner. Hos högerhänta volontärer ökade spontant tal metaboliska aktiviteter i Brocas region. Presentation av visuella bilder ökar glukosutnyttjandet i den primära visuella cortexen.

funktionell MR. En variant av MR som kallas funktionell MR (fMRI) är baserad på ökningen av blodflödet till specifika hjärnregioner som åtföljer neuronal aktivitet. Ökning av blodflödet resulterar i en lokal minskning av deoxihemoglobin på grund av mindre syreutvinning. Deoxyhemoglobin är paramagnetiskt och fungerar som källa för signalen i fMRI. Till skillnad från PET använder fMRI en signal som är inneboende i hjärnan och har framkommit som den teknik som valts för att undersöka hjärnans funktion.

11.7 hjärnstörningar och Metabolism

konvulsiva störningar är funktionella störningar i hjärnaktiviteten och leder till markerade förändringar i hjärnmetabolism och cerebralt blodflöde. De metaboliska förändringar som upptäckts av PET kan ofta komplettera elektrofysiologiska inspelningar för att lokalisera epileptogena foci. Denna information hjälper neurokirurger att kirurgiskt avlägsna det epileptogena fokuset.

metaboliska mätningar med PET kan användas för att bestämma storleken på infarkt efter ischemisk stroke. Hjärntumörer har höga metaboliska behov och är kraftigt vaskulära. PET eller fMRI kan användas för att lokalisera tumören och utvärdera effektiviteten av en terapi.