Гематоэнцефалический барьер разделяет лимфу и кровь
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
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
Автор Руслан Хусаинов На чтение 4 мин. Опубликовано 21.02.2016 19:47
Обновлено 21.02.2016 19:47
По статистике, 30% населения земного шара инфицированы паразитом токсоплазмой. Большинство людей живут с данным паразитом и не знают об его существовании, но он может быть опасен для жизни людей с подавленной иммунной системой, например, людей, проходящих лечение от онкологических заболеваний или имеющих ВИЧ / СПИД. Беременные женщины также могут передать инфекцию своим нерожденным детям, в результате чего у детей будет высокий риск рождения с неврологическими заболеваниями.
Известно, что токсоплазма (лат. Toxoplasma) может воздействовать на головной мозг и даже влиять на поведение своих хозяев. Однако, до сегодняшнего дня не было известно, как именно паразит проникает через гематоэнцефалический барьер (физическое препятствие, предназначенное защищать от проникновения патогенов в головной мозг).
©Konradt C. et al. //Nature Microbiology
Авторы нового исследования смогли определить, как паразит проходит в головной мозг. Использование мощных методов визуализации позволило ученым отслеживать наличие и движение паразитов в живых тканях. Авторы исследования выяснили, что токсоплазма заражает эндотелиальные клетки, выстилающие кровеносные сосуды головного мозга, проникает внутрь этих клеток, а затем — в центральную нервную систему. Результаты исследования опубликованы в научном журнале Nature Microbiology.
«Проникание через гематоэнцефалический барьер является редким явлением отчасти потому, что эта структура предназначена для защиты головного мозга от патогенов», — говорит автор исследования Кристофер Хантер (Christopher Hunter). «И все же это происходит, и сегодня мы смогли визуализировать это явление. До нас никто прежде не видел этого”.
Знания о механизме проникновения патогенов через гематоэнцефалический барьер помогут ученым разработать новые методы лечения, которые будут более эффективными в борьбе с паразитом, прежде чем он нанесет непоправимый вред организму человека.
Учеными было рассмотрено несколько различных теорий, объясняющих, как Toxoplasma проникает в головной мозг.
Некоторые ученые полагали, что паразит проникает между барьерными клетками, в то время как другие считали, что паразит проходит непосредственно через клетку. Еще одна гипотеза, которую очень любят микробиологи, — это троянская гипотеза, согласно которой паразит проникает через барьер, используя инфицированные иммунные клетки хозяина.
Из материала исследования известно, что ученые в своей работе использовали многофотонный ветеринарный микроскоп, который позволяет заглянуть внутрь живых тканей, не повреждая их, для того чтобы визуализировать “вторжение” паразита. В данной научной работе ученые использовали мышей, которые были специально разведены для исследования. Затем они заразили мышей помеченой токсоплазмой.
Через неделю ученые изучили эндотелиальные клетки головного мозга, которые были инфицированы, а также получили доказательства того, что паразит реплицируется внутри этих клеток. Через две недели после инфицирования они обнаружили, что паразиты проникли в мозговую ткань, прилегающую к клеткам эндотелия.
В дополнительных экспериментах ученые смогли визуализировать паразитов, вырвавшихся из зараженных клеток эндотелия, тем самым паразит инфицировал головной мозг мышей.
Исследователи также проверили троянскую гипотезу. Ученые заразили моноциты (тип иммунных клеток, которые также могли бы быть ответственными за проникновение паразита в головной мозг). Чтобы проверить это, авторы исследования инфицировали моноциты мечеными токсоплазмами, затем ввели эти клетки мышам. Если моноциты действительно выступают в качестве троянского коня, паразиты должны были пройти через гематоэнцефалический барьер. Однако ученые обнаружили только инфицированные клетки внутри кровеносных сосудов, и эти клетки не смогли пройти через гематоэнцефалический барьер.
Таким образом, ученые пришли к выводу, что паразиты из крови заражают эндотелиальные клетки, где они реплицируются, вызывая разрыв клеток, а затем происходит заражение соседних клеток головного мозга.
Балагодая этому исследовании, становится понятно, как другие патогены, такие как вирусы, бактерии и паразиты, проникают из крови в головной мозг.
«Токсоплазма — это действительно хорошая модель для исследования сосудистого иммунитета в целом», — говорит Конрадт.
Авторы другого исследования считают, что шизофрению вызывает токсоплазмоз.
Подробнее в научной статье:
Konradt C. et al. Endothelial cells are a replicative niche for entry of Toxoplasma gondii to the central nervous system //Nature Microbiology. – 2016. – С. 16001.
© Macmillan Publishers Limited
Источник