Гематоэнцефалический барьер разделяет лимфу
Гематоэнцефалический барьер мозга – гистология, проницаемость, функции
Гематоэнцефалический барьер разграничивает нервную систему от общего кровотока, обеспечивая постоянную и оптимальную по химическому составу среду для ее функционирования.
Межклеточная жидкость занимает 15 % общего объема мозга и окружает нейроны и нейроглию. Схема межклеточных пространств представлена на рисунке ниже. Секретируемая сосудистыми сплетениями спинномозговая жидкость циркулирует в системе желудочков и субарахноидальном пространстве и через пахионовы грануляции проникает в синусы твердой мозговой оболочки.
Затем спинномозговая жидкость путем пассивного транспорта через выстилающую стенки желудочков эпендимоглиальную мембрану проходит во внеклеточные пространства мозга, где смешивается с межклеточной жидкостью, продуцируемой клетками капилляров, и в процессе клеточного метаболизма распространяется через пиаглиальную мембрану в субарахноидальное пространство. «Стекание» спинномозговой жидкости компенсирует отсутствие лимфатических сосудов в ЦНС.
Единственная составляющая спинномозговой жидкости, которая не проникает через гематоэнцефалический барьер,— метаболическая жидкость. В ее состав входят нейромедиаторы, высвобожденные нейронами и не подвергнувшиеся обратному захвату, что обусловливает наличие неспособных преодолеть гематоэнцефалический барьер медиаторов и их метаболитов в субарахноидальном пространстве.
Межклеточные пространства головного мозга.
Стрелками показаны направления циркуляции спинномозговой жидкости.
Компоненты спинномозговой жидкости распределены следующим образом (по результатам поясничной пункции):
• жидкость, продуцированная клетками сосудистых сплетений, — 60 %;
• жидкость, продуцированная клетками капилляров, — 30 %;
• метаболическая жидкость — 10%.
(А) Схематическое изображение барьера между кровью и спинномозговой жидкостью.
(Б) Ультраструктура эпителия сосудистого сплетения. В эпителиальных клетках расположены множество митохондрий и гранулярная эндоплазматическая сеть.
Клетки соединены плотными контактами в апикальной части.
Гематоэнцефалический барьер состоит из двух компонентов. Первый представлен барьером между кровью и спинномозговой жидкостью на уровне сосудистых сплетений, а второй — барьером между кровью и межклеточной жидкостью на уровне капилляров ЦНС.
а) Барьер между кровью и спинномозговой жидкостью. Барьер между кровью и спинномозговой жидкостью представлен эпендимальным эпителием сосудистых сплетений, который характеризуется следующими особенностями строения.
1. Практически все реснички замещены микроворсинками.
2. Клетки образуют плотные контакты. Именно эти места плотного соединения мембран клеток разграничивают кровь и спинномозговую жидкость.
3. Клетки эпителия содержат ферменты, обеспечивающие транспорт ионов и продуктов метаболизма.
б) Барьер между кровью и межклеточной жидкостью. Барьер между кровью и межклеточной жидкостью представлен эндотелием капилляров ЦНС, который характеризуется следующими особенностями строения.
1. Эндотелиоциты образуют плотные контакты.
2. В состав клеток входит небольшое количество пиноцитозных пузырьков, а также отсутствуют фенестрации.
3. Транспортные системы в клетках аналогичны таковым в эпителии сосудистых сплетений.
(А) Схема барьера между кровью и межклеточной жидкостью.
(Б) Капилляр центральной нервной системы. На поперечном срезе показан одиночный эндотелиоцит, полностью окружающий просвет сосуда.
Края эндотелиоцитов образуют плотный контакт. Эндотелиоцит окружен базальной мембраной. Капилляр окружен отростками астроцитов.
в) Функции перицитов капиллярного русла. Перициты и клетки эндотелия связаны с помощью щелевидных контактов. В ходе исследований культур клеток было достоверно доказано, что перициты играют ключевую роль в ангиогенезе капилляров, а также в формировании и поддержании плотных контактов между эндотелиоцитами.
Перициты принимают участие в саморегуляции мозгового кровотока за счет того, что на их поверхности экспрессируются рецепторы к вазоактивным медиаторам: норадреналину, вазопрессину, ангиотензину II. При хронической артериальной гипертензии развиваются гипертрофия и гиперплазия перицитов, а также происходит внутриклеточная продукция цитоплазматических сократительных филаментов, что обеспечивает компенсаторное расширение капилляров.
Поверхность клеточной стенки перицитов способна обеспечивать связывание протромбинового комплекса, за счет чего перициты могут принимать участие в процессе свертывания крови.
Кроме того, перициты обладают способностью к фагоцитозу и свойствами иммунорегуляторных цитокинов.
Общая площадь капиллярного русла головного мозга соответствует размерам теннисного корта! Наличие такой огромной поверхности объясняет тот факт, что мозг потребляет 20 % поступающего кислорода. Плотность капилляров коры головного мозга можно оценить на изображении латексного слепк.
г) Функции гематоэнцефалического барьера:
• Контроль проникновения метаболических веществ. Основной источник питания нейронов — глюкоза. При повышении уровня глюкозы в крови специфический белок-переносчик связывает ее, а при низком уровне — обеспечивает более активный захват.
• Контроль транспорта ионов. Nа+/К+-АТФ-аза клеток гематоэнцефалического барьера осуществляет транспорт ионов Na+ в спинномозговую жидкость, а ионов К+ —в кровь.
• Предотвращение поступления в мозг токсических веществ и периферических нейромедиаторов, выделяемых вегетативными нервными окончаниями в системный кровоток.
Латексный слепок сосудов препарата мозга.
Корковые капилляры имеют вид извилистых белесоватых нитей.
д) Состояния, связанные с нарушением гематоэнцефалического барьера:
1. Пациенты с артериальной гипертензией подвержены приступам гипертонической энцефалопатии в связи с тем, что степень повышения давления превосходит компенсаторные способности стенок артериол. Вследствие такого повышения давления может произойти нарушение плотных межклеточных контактов эндотелия капилляров, что приводит к отеку мозга за счет быстрого выхода плазмы. Клинически эта ситуация проявляется сильной головной болью, рвотой и, в некоторых случаях, появлением судорог и развитием комы.
2. У пациентов с повышенным содержанием углекислого газа в крови (при заболеваниях дыхательной или сердечно-сосудистой системы, а также после хирургических вмешательств) причиной отека мозга даже при нормальном уровне артериального давления может стать расслабление мышечного слоя артериол. Данная ситуация клинически проявляется спутанностью сознания и сонливостью, в дальнейшем переходящими в кому.
3. Повреждения мозга (травмы или спонтанные кровоизлияния) приводят к отеку мозга вследствие осмотического повреждения тканей мозга (и других факторов).
4. Инфекционные заболевания мозга или его оболочек сопровождаются нарушением гематоэнцефалического барьера, предположительно из-за усиленного перемещения лейкоцитов в капиллярном русле мозга. Несостоятельность гематоэнцефалического барьера играет и положительную роль: стенки капилляров проницаемы для жирорастворимых антибиотиков.
Кроме того, капилляры опухолей мозга характеризуются наличием фенестраций, что позволяет идентифицировать злокачественное новообразование при помощи рентгеноконтрастного вещества, неспособного пройти через капилляры непораженных отделов мозга.
е) Резюме. Гематоэнцефалический барьер – барьер между кровью и спинномозговой жидкостью представлен эпителием сосудистых сплетений (видоизмененным эпендимным эпителием) желудочков мозга. Барьер между кровью и межклеточной жидкостью представлен эндотелием капилляров мозга.
– Также рекомендуем “Кривая повышения внутричерепного давления”
Редактор: Искандер Милевски. Дата публикации: 10.11.2018
Источник
Исследователи из нескольких Национальных институтов здравоохранения, изучая рыбок данио рерио, обнаружили, что клеточные популяции в гематоэнцефалическом барьере, которые защищают мозг от болезнетворных микроорганизмов и вредных веществ, представляют собой не иммунные клетки, как думали прежде, а, скорее всего, клетки системы кровообращения. Эта фундаментальная находка, опубликованная в eLife, может стать важным открытием, помогающим понять возрастные изменения работы мозга и то, как ВИЧ инфицирует этот орган.
Это изображение мозга взрослых рыбок данио-рерио, на котором зелёным показаны флуоресцентные гранулярные периваскулярные клетки (FGPs) и розовым – кровеносные сосуды. Источник: National Institutes of Health
Гематоэнцефалический барьер – это слои клеток, которые выстилают внутри и снаружи кровеносные сосуды головного мозга и не дают веществам из крови проникать в ткани. Внутренний слой клеток представляет собой эпителиальная ткань – эндотелий, который есть во всех кровеносных сосудах организма. В сосудах мозга соседние эндотелиальные клетки образуют плотный барьер, который предотвращает попадание токсинов и микроорганизмов в орган. Но они не единственные.
Есть ещё одна особая популяция клеток, которая покрывает мозговые капилляры снаружи. Учёные полагают, что она тоже играет защитные функции. Эти клетки наподобие макрофагов поглощают токсины, клеточные отходы и микробы, а затем упаковывают их структуры, называемые везикулами (пузырьками). Эти сторожевые клетки называются флуоресцентными гранулярными периваскулярными клетками (FGPs), так как везикулы испускают жёлтое свечение под воздействием света.
Учёные доказали, что FGPs присутствуют в мозге данио-рерио и что они не связаны с иммунной системой, как считалось ранее, а произошли от самих эндотелиальных клеток.
Эти клетки играют важную роль в различных заболеваниях мозга. Они выступают в качестве крупных точек входа для заражения мозговой ткани ВИЧ-инфекцией. Возрастное снижение когнитивных функций также связано со сниженной способностью FGPs очищаться.
Лаборатория одного из ведущих авторов исследования Бранта Вайнштейна (Brant Weinstein) из Национального института здоровья детей и человеческого развития (NICHD) изучала данио-рерио, чтобы понять, как связаны кровь и лимфатическая система в развитии. Мальки прозрачны, поэтому под микроскопом увидеть предмет исследования – систему кровообращения – не составляет труда. Доктор Вайнштейн и его коллеги вставили ген светящегося зелёным белка в клетки эндотелия отдельных кровеносных капилляров и в сосудистую лимфатическую сеть, где в основном «обитают» иммунные клетки. В дополнение к светящейся лимфатической системе исследователи заметили, что «зелёные» клетки также покрыли всю поверхность мозга крошечных мальков.
При ближайшем рассмотрении исследователи причислили эти клетки к FGPs. По тому, что они позеленели, стало очевидно, что источник их возникновения – эндотелий. Однако вплоть до момента опубликования статьи считалось, что это макрофаги, клетки исключительно иммунной системы.
Увеличенный участок изображения. Источник: National Institutes of Health
Учёные провели дополнительные эксперименты, чтобы подтвердить сосудистое происхождение FGPs, в том числе провели анализ того, какие белки синтезируются из их ДНК. И эти протеины наиболее близко подошли к таковым у эндотелиальных клеток лимфатической системы, а не белкам макрофагов.
В другой серии экспериментов зелёный флюоресцентный белок вставлялся в ткани, которые в процессе эмбрионального развития образовывали кровеносные и лимфатические сосуды у мальков. Когда рыбы взрослели, учёные наблюдали светящиеся зелёным FGPs на их поверхности мозга, что подтверждало происхождение этих клеток из эндотелия.
Исследователи намереваются провести дальнейшие исследования того, как FGPs взаимодействуют с кровеносными сосудами и составляют гематоэнцефалический барьер.
Текст: Анна Хоружая
«A novel perivascular cell population in the zebrafish brain», Marina Venero Galanternik, Daniel Castranova, Aniket V Gore, Nathan H Blewett, Hyun Min Jung, Amber N Stratman, Martha R Kirby, James Iben, Mayumi F Miller, Koichi Kawakami, Richard J Maraia, Brant M Weinstein in eLife. DOI: https://dx.doi.org/10.7554/eLife.24369
Читайте материалы нашего сайта в Facebook, ВКонтакте и канале в Telegram, а также следите за новыми картинками дня в Instagram.
Источник
Гематоэнцефалический барьер исключительно важен для обеспечения гомеостаза головного мозга, однако многие вопросы, касающиеся его формирования, все еще окончательно не выяснены. Но уже сейчас совершенно ясно, что ГЭБ представляет собой максимально выраженный по дифференцированности, сложности и плотности гистогематический барьер. Основная структурная и функциональная его единица – эндотелиальные клетки капилляров мозга.
Метаболизм мозга, как никакого другого органа, зависит от веществ, поступающих с кровотоком. Многочисленные кровеносные сосуды, обеспечивающие работу нервной системы, отличаются тем, что процесс проникновения веществ через их стенки является избирательным. Эндотелиальные клетки капилляров головного мозга соединены между собой непрерывными плотными контактами, поэтому вещества могут проходить только через сами клетки, но не между ними. К наружной поверхности капилляров прилегают клетки глии – второго компонента гематоэнцефалического барьера. В сосудистых сплетениях желудочков мозга анатомической основой барьера являются эпителиальные клетки, также плотно соединенные между собой. В настоящее время гематоэнцефалический барьер рассматривается не как анатомо-морфологическое, а как функциональное образование, способное избирательно пропускать, а в ряде случаев и доставлять к нервным клеткам с помощью активных механизмов транспорта различные молекулы. Таким образом, барьер выполняет регуляторную и защитную функции
В головном мозге есть структуры, в которых гематоэнцефалический барьер ослаблен. Это, прежде всего, гипоталамус, а также ряд образований на дне 3-го и 4-го желудочков – самое заднее поле (area postrema), субфорникальный и субкомиссуральный органы, а также шишковидное тело. Целостность ГЭБ нарушается при ишемических и воспалительных поражениях мозга.
Гематоэнцефалический барьер считается окончательно сформировавшимся, когда свойства этих клеток будут удовлетворять двум условиям. Во-первых, скорость жидкофазного эндоцитоза (пиноцитоза) в них должна быть крайне низкой. Во-вторых, между клетками должны формироваться специфические плотные контакты, для которых характерно очень высокое электрическое сопротивление. Оно достигает величин 1000-3000 Ом/см2 для капилляров мягкой мозговой оболочки и от 2000 до 8000 0м/см2 для интрапаренхимальных мозговых капилляров. Для сравнения: средняя величина трансэндотелиального электрического сопротивления капилляров скелетной мышцы составляет всего 20 Ом/см2.
Проницаемость гематоэнцефалического барьера для большинства веществ в значительной степени определяется их свойствами, а также способностью нейронов синтезировать эти вещества самостоятельно. К веществам, которые могут преодолевать этот барьер, относятся, прежде всего, кислород и углекислый газ, а также различные ионы металлов, глюкоза, незаменимые аминокислоты и жирные кислоты, необходимые для нормального функционирования мозга. Транспорт глюкозы и витаминов осуществляется с использованием переносчиков. Вместе с тем D- и L-глюкоза обладают различной скоростью проникновения через барьер – у первой она более чем в 100 раз выше. Глюкоза играет главную роль как в энергетическом обмене мозга, так и в синтезе ряда аминокислот и белков.
Ведущим фактором, определяющим функционирование гематоэнцефалического барьера, является уровень метаболизма нервных клеток.
Обеспечение нейронов необходимыми веществами осуществляется не только с помощью подходящих к ним кровеносных капилляров, но и благодаря отросткам мягкой и паутинной оболочек, по которым циркулирует цереброспинальная жидкость. Цереброспинальная жидкость находится в полости черепа, в желудочках мозга и пространствах между оболочками мозга. У человека ее объем составляет около 100-150 мл. Благодаря цереброспинальной жидкости поддерживается осмотическое равновесие нервных клеток и удаляются продукты метаболизма, токсичные для нервной ткани.
Пути обмена медиаторов и роль гематоэнцефалического барьера в обмене веществ (по: Шеперд, 1987)
Прохождение веществ через гематоэнцефалический барьер зависит не только от проницаемости для них сосудистой стенки (молекулярной массы, заряда и липофильности вещества), но также и от наличия или отсутствия системы активного транспорта.
Стереоспецифичным инсулиннезависимым транспортером глюкозы (GLUT-1), обеспечивающим перенос этого вещества через гематоэнцефалический барьер, богаты эндотелиальные клетки капилляров мозга. Активность данного транспортера может обеспечить доставку глюкозы в количестве, в 2-3 раза превышающем то, которое требуется мозгу в нормальных условиях.
Характеристика транспортных систем гематоэнцефалического барьера (по: Pardridge, Oldendorf, 1977)
Транспортируемые | Преимущественный субстрат | Кm, мМ | Vmax |
Гексозы | Глюкоза | 9 | 1600 |
Монокарбоновые | Лактат | 1,9 | 120 |
Нейтральные | Фенилаланин | 0,12 | 30 |
Основные | Лизин | 0,10 | 6 |
Амины | Холин | 0,22 | 6 |
Пурины | Аденин | 0,027 | 1 |
Нуклеозиды | Аденозин | 0,018 | 0,7 |
У детей с нарушением функционирования этого транспортера отмечается значительное снижение уровня глюкозы в цереброспинальной жидкости и нарушения в развитии и работе мозга.
Монокарбоновые кислоты (L-лактат, ацетат, пируват), а также кетоновые тела транспортируются отдельными стереоспецифичными системами. Хотя интенсивность их транспорта ниже, чем транспорта глюкозы, они являются важным метаболическим субстратом у новорожденных и при голодании.
Транспорт холина в центральную нервную систему также опосредуется переносчиком и может регулироваться скоростью синтеза ацетилхолина в нервной системе.
Витамины мозгом не синтезируются и поставляются из крови с помощью специальных транспортных систем. Несмотря на то что эти системы обладают сравнительно низкой транспортной активностью, в нормальных условиях они могут обеспечивать транспорт необходимого для мозга количества витаминов, однако их дефицит в пище способен приводить к неврологическим расстройствам. Некоторые белки плазмы также могут проникать через гематоэнцефалический барьер. Одним из способов их проникновения является трансцитоз, опосредованный рецепторами. Именно так проникают через барьер инсулин, трансферрин, вазопрессин и инсулинподобный фактор роста. Эндотелиальные клетки капилляров мозга имеют специфические рецепторы к этим белкам и способны осуществлять эндоцитоз белок-рецепторного комплекса. Важно, что в результате последующих событий комплекс распадается, интактный белок может выделяться на противоположной стороне клетки, а рецептор вновь встраиваться в мембрану. Для поликатионных белков и лектинов способом проникновения через ГЭБ также является трансцитоз, однако он не связан с работой специфических рецепторов.
Многие нейромедиаторы, присутствующие в крови, не способны проникать через ГЭБ. Так, дофамин не обладает этой способностью, в то время как L-ДОФА проникает через ГЭБ с помощью системы транспорта нейтральных аминокислот. Кроме того, клетки капилляров содержат ферменты, метаболизирующие нейромедиаторы (холинестераза, ГАМК-трансаминаза, аминопептидазы и др.), лекарственные и токсические вещества, что обеспечивает защиту мозга не только от циркулирующих в крови нейромедиаторов, но и от токсинов.
В работе ГЭБ участвуют также белки-переносчики, осуществляющие транспорт веществ из эндотелиальных клеток капилляров головного мозга в кровь, препятствуя их проникновению в мозг, например b-гликопротеид.
В ходе онтогенеза скорость транспорта различных веществ через ГЭБ существенно изменяется. Так, скорость транспорта b-гидроксибутирата, триптофана, аденина, холина, а также глюкозы у новорожденных существенно выше, чем у взрослых. Это отражает относительно более высокую потребность развивающегося мозга в энергии и макромолекулярных субстратах.
[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7]
Источник