Wie sich das Gehirn vor durch Blut übertragenen Bedrohungen schützt | Quanta-Magazin

Genügend Pints ​​Bier können dazu führen, dass Sie von Ihrem Barhocker fallen oder wildfremden Menschen lautstark Liedtexte zu Jam-Songs aus den frühen 2000ern vortragen, denn Alkohol kann eine der stärksten Abwehrmechanismen des Körpers überwinden. Wenn Sie jemals betrunken, high oder schläfrig von Allergiemedikamenten waren, haben Sie erlebt, was passiert, wenn einige Moleküle das Abwehrsystem namens Blut-Hirn-Schranke überwinden und ins Gehirn gelangen.

Eingebettet in die Wände der Hunderte Kilometer langen Kapillaren, die sich durch das Gehirn schlängeln, verhindert die Barriere, dass die meisten Moleküle im Blut jemals empfindliche Neuronen erreichen. So wie der Schädel das Gehirn vor äußeren physischen Bedrohungen schützt, schützt die Blut-Hirn-Schranke es vor chemischen und pathogenen Bedrohungen.

Während es sich um eine fantastische Leistung der Evolution handelt, stellt die Barriere für Arzneimittelentwickler, die jahrzehntelang versucht haben, sie selektiv zu überwinden, um Therapeutika an das Gehirn zu liefern, ein großes Ärgernis dar. Biomedizinische Forscher möchten die Barriere besser verstehen, da ihr Versagen der Schlüssel zu einigen Krankheiten zu sein scheint und weil die Manipulation der Barriere dazu beitragen könnte, die Behandlung bestimmter Erkrankungen zu verbessern.

„Wir haben im letzten Jahrzehnt viel gelernt“, sagte er Elizabeth Rhea, Forschungsbiologe am Medicine Memory and Brain Wellness Center der University of Washington. Aber „wir stehen definitiv immer noch vor Herausforderungen bei der Vermittlung von Substraten und Therapeutika.“

Schutz, aber keine Festung

Wie der Rest des Körpers benötigt auch das Gehirn zirkulierendes Blut, um wichtige Nährstoffe und Sauerstoff zu liefern und Abfallstoffe abzutransportieren. Die Blutchemie schwankt jedoch ständig und das Gehirngewebe reagiert äußerst empfindlich auf seine chemische Umgebung. Neuronen sind für die Kommunikation auf die präzise Freisetzung von Ionen angewiesen – wenn Ionen ungehindert aus dem Blut fließen könnten, wäre diese Präzision verloren. Auch andere Arten biologisch aktiver Moleküle können die empfindlichen Neuronen anregen und Gedanken, Erinnerungen und Verhaltensweisen beeinträchtigen.

„Es ist wirklich dazu da, die Umgebung für eine ordnungsgemäße Gehirnfunktion zu kontrollieren“, sagte er Richard Daneman, außerordentlicher Professor für Pharmakologie an der University of California, San Diego.

Die Blut-Hirn-Schranke bietet also Schutz, ist aber keine eigenständige Struktur wie die Mauern um eine Festung. Stattdessen bezieht sich der Begriff auf die einzigartigen Eigenschaften der Blutgefäße im Gehirn und der benachbarten Gehirnzellen, die diese Gefäße eng umschließen.

Die meisten Kapillaren des Körpers sind auf molekularer Ebene „undicht“, um den freien Fluss von Nährstoffen und anderen Substanzen zu ermöglichen. Ihre Durchlässigkeit ist entscheidend für die Funktion von Organen wie Niere und Leber.

Aber die Blutgefäße des Gehirns sind nach einem höheren Standard gebaut und weisen weniger Undichtigkeiten auf. Die Endothelzellen, aus denen die Kapillarwände bestehen, sind durch Strukturen, sogenannte Tight Junctions, fest miteinander verbunden. Dünne parallele Proteinstränge halten die Zellen wie „Drähte durch die Ziegelsteine“ zusammen, heißt es Elisa Konofagou, Professor für Biomedizintechnik und Radiologie an der Columbia University. Einige Arten von Molekülen können passieren, allerdings in kleinen Mengen. Und sie sind meist sehr klein und wasserlöslich.

Aber das Gehirn benötigt auch viele andere Moleküle wie Glukose und Insulin, die sich nicht zwischen den engen Verbindungen quetschen können. Die Barriere ist daher auch mit Pumpen und Rezeptoren ausgekleidet, die, ähnlich wie Türsteher für einen Eliteclub, nur bestimmte Moleküle durchlassen – und die meisten Eindringlinge schnell ausstoßen. Jenseits der Kapillarwand selbst befinden sich Schichten unterstützender Zellen, darunter Perizyten und Astrozyten, die ebenfalls dazu beitragen, die Barriere aufrechtzuerhalten und ihre Durchlässigkeit anzupassen.

Dennoch gelangen trotz all dieser Schutzschichten einige unerwünschte Substanzen zuverlässig ins Gehirn. Ethanol, der Hauptbestandteil alkoholischer Getränke, kann einfach durch Zellmembranen diffundieren. Manche Moleküle sehen den benötigten Molekülen zu ähnlich, als dass man sie fernhalten könnte. Wenn Sie sich jemals gefragt haben, warum rezeptfreie Antihistaminika gegen Allergien Sie schläfrig machen, liegt das daran, dass sie die Barriere überwinden und zu Ihren Neuronen gelangen. (Neuere, nicht schläfrige Antihistaminika durchdringen die Barriere nicht und wirken nur auf Immunzellen im Blut.)

Die Blut-Hirn-Schranke sei „dazu da, um dem Gehirn das zu liefern, was es braucht“, sagte Daneman. Da jedoch nicht jeder Teil des Gehirns die gleichen Moleküle benötigt, ist die Barriere nicht überall gleich. Die Barriere im Riechkolben beispielsweise verhalte sich anders und habe eine andere Proteinzusammensetzung als die Barriere im Hippocampus, sagte Rhea.

Tatsächlich verfügen einige Teile des Gehirns überhaupt nicht über eine herkömmliche Blut-Hirn-Schranke. Im Plexus choroideus, einem Gewebe in den großen Hohlräumen des Gehirns, das Zerebrospinalflüssigkeit (CSF) produziert, sind die Wände der Blutgefäße viel undichter. Das muss so sein, weil die „Blut-Liquor“-Schranke des Plexus choroideus jeden Tag einen halben Liter Liquor ins Gehirn absondern muss und diese Art der Produktion große Mengen an Wasser, Ionen und Nährstoffen aus dem Blut erfordert.

Auch wenn diese Schutzfunktion nicht perfekt ist, ist sie doch so universell nützlich, dass jeder Organismus mit einem komplexen Nervensystem so etwas wie eine Blut-Hirn-Schranke hat, sagte Daneman.

Sogar Fliegen und andere Insekten, die keine Blutgefäße haben, haben eines. Ihr Blutäquivalent strömt einfach durch die Organe innerhalb ihres Exoskeletts, ihr Gehirnäquivalent ist jedoch von schützenden Gliazellen umgeben.

Eine „Ozonschicht“

Wenn die Barriere zusammenbricht, löst dies eine Welle von Problemen im Gehirn aus. Die Blut-Hirn-Schranke „ist wie die Ozonschicht der Erde“, sagte er Berislav Zlokovic, Vorsitzender der Abteilung für Physiologie und Neurowissenschaften an der Keck School of Medicine der University of Southern California. So wie das Öffnen eines Lochs in dieser dünnen Atmosphärenschicht dazu führte, dass schädliche Strahlung den Planeten überschwemmte, kann das Öffnen der Blut-Hirn-Schranke dazu führen, dass schädliche Moleküle das Gehirn überschwemmen.

Viele Gruppen untersuchen, wie sich die Barriere während einer Krankheit oder Verletzung verändert. Ein Zusammenbruch der Blut-Hirn-Schranke ist beispielsweise ein Kennzeichen der Alzheimer-Krankheit. Eine aktuelle Studie in der Zeitschrift Nature Neuroscience haben signifikante Veränderungen der Genexpression in Zellen der Blut-Hirn-Schranke im Gehirn von Alzheimer-Patienten aufgezeigt. Bei Multipler Sklerose bricht die Blut-Hirn-Schranke zusammen, was zu einem Überfluss an Zellen des Immunsystems im Gehirn führt, die dann die schützende Isolierung um die Neuronen angreifen. Auch traumatische Hirnverletzungen und Schlaganfälle können die Barriere öffnen und möglicherweise irreversible Schäden verursachen.

Eine gezielte Öffnung oder Schließung der Blut-Hirn-Schranke könnte jedoch von Vorteil sein. Viele potenziell nützliche Medikamente können die Barriere nicht überwinden. Das liegt zum Teil daran, dass viele Fortschritte bei der Erforschung der Blut-Hirn-Schranke durch technische Einschränkungen behindert wurden, von denen viele inzwischen durch neue Technologien überwunden wurden, sagte er Maria Lehtinen, Lehrstuhl für pädiatrische Pathologieforschung am Boston Children's Hospital. „Ich denke, dies ist eine wirklich aufregende Zeit für das Feld.“

In den letzten Jahren haben sich viele Gruppen auf einen „Trojanischen Pferd“-Ansatz konzentriert, bei dem Medikamente huckepack ins Gehirn gelangen, indem sie sich an Molekülen festhalten, die auf natürliche Weise die Barriere passieren können. Andere Arbeiten befassten sich mit der Verwendung von gezieltem Ultraschall, um Teile der Barriere zu öffnen und Medikamente zur Behandlung der Parkinson-Krankheit und anderer Krankheiten zu verabreichen. In einer aktuellen Studie in Wissenschaft FortschritteBeispielsweise gelang es Forschern, fluoreszierende Proteine ​​erfolgreich in das Gehirn von Makaken einzuschleusen, indem sie mit Ultraschall die Blut-Hirn-Schranke öffneten. Sie arbeiten nun daran, diesen Ansatz auf die Bereitstellung von Gentherapeutika zur Bekämpfung der Parkinson-Krankheit anzupassen.

Während man sich die Blut-Hirn-Schranke früher als eine statische, unveränderliche Wand vorstellte, betrachten Wissenschaftler sie heute als dynamisch und „lebendig“, sagte Lehtinen. Es wächst und entwickelt sich wahrscheinlich „in verschiedenen Teilen des Nervensystems auf unterschiedliche Weise“. Es öffnet sich vorübergehend auf natürliche Weise, wenn wir uns im tiefen REM-Schlaf befinden oder wenn wir Sport treiben. Es verändert sich mit der Einwirkung von Hormonen und Medikamenten, wodurch alte Zugangsmöglichkeiten versperrt oder neue eröffnet werden. Wenn einige Moleküle an die Barriere binden, können ihre Zellen dem Gehirn manchmal signalisieren, wie sie sich verhalten sollen, ohne das Molekül jemals durchzulassen, sagte Rhea.

Die Blut-Hirn-Schranke ist also kein steinerner Wall um eine mittelalterliche Festung, sondern eine magische Mauer, in der Türen auftauchen und verschwinden und Fenster größer und kleiner werden. Einige Teile zerfallen, andere werden wieder aufgebaut – und es verändert sich ständig.

Die Blut-Hirn-Schranke sei „niemals statisch“, sagte Rhea. „Es ist nie nur diese Mauer, die es zu überwinden gilt.“

Anmerkung des Herausgebers: Maria Lehtinen ist Forscherin bei der Autism Research Initiative (SFARI) der Simons Foundation und Richard Daneman hat zuvor Fördermittel von der Simons Foundation erhalten. Auch die Simons Foundation finanziert Wie viel als redaktionell unabhängiges Magazin. Förderentscheidungen haben keinen Einfluss auf unsere Absicherung.