Πώς ο εγκέφαλος προστατεύεται από τις αιματογενείς απειλές | Περιοδικό Quanta

Αρκετές μπύρες μπορεί να σας κάνουν να πέσετε από το σκαμπό του μπαρ ή να απαγγέλλετε δυνατά στίχους από μαρμελάδες των αρχών της δεκαετίας του 2000 σε εντελώς ξένους, επειδή το αλκοόλ μπορεί να ξεπεράσει μια από τις ισχυρότερες άμυνες του σώματος. Εάν έχετε μεθύσει ποτέ, ήσασταν υπνηλία από φάρμακα για την αλλεργία, έχετε βιώσει τι συμβαίνει όταν ορισμένα μόρια κατατροπώνουν το αμυντικό σύστημα που ονομάζεται αιματοεγκεφαλικός φραγμός και εισχωρούν στον εγκέφαλο.

Ενσωματωμένο στα τοιχώματα των εκατοντάδων μιλίων τριχοειδών αγγείων που περνούν μέσα από τον εγκέφαλο, το φράγμα εμποδίζει τα περισσότερα μόρια του αίματος να φτάσουν ποτέ σε ευαίσθητους νευρώνες. Όπως το κρανίο προστατεύει τον εγκέφαλο από εξωτερικές φυσικές απειλές, έτσι και ο αιματοεγκεφαλικός φραγμός τον προστατεύει από χημικές και παθογόνες.

Αν και είναι ένα φανταστικό κατόρθωμα εξέλιξης, το εμπόδιο είναι πολύ ενοχλητικό για τους προγραμματιστές φαρμάκων, οι οποίοι έχουν περάσει δεκαετίες προσπαθώντας να το ξεπεράσουν επιλεκτικά για να προσφέρουν θεραπευτικά μέσα στον εγκέφαλο. Οι βιοϊατρικοί ερευνητές θέλουν να κατανοήσουν καλύτερα το εμπόδιο επειδή οι αποτυχίες του φαίνεται να είναι το κλειδί για ορισμένες ασθένειες και επειδή ο χειρισμός του φραγμού θα μπορούσε να βοηθήσει στη βελτίωση της θεραπείας ορισμένων καταστάσεων.

«Έχουμε μάθει πολλά την τελευταία δεκαετία», είπε Ελισάβετ Ρέα, ερευνήτρια βιολόγος στο Κέντρο Ιατρικής Μνήμης και Ευεξίας Εγκεφάλου του Πανεπιστημίου της Ουάσιγκτον. Αλλά «σίγουρα εξακολουθούμε να αντιμετωπίζουμε προκλήσεις όσον αφορά τη διάδοση των υποστρωμάτων και των θεραπευτικών ουσιών».

Προστασία, αλλά όχι φρούριο

Όπως και το υπόλοιπο σώμα, ο εγκέφαλος χρειάζεται αίμα που κυκλοφορεί για να παρέχει βασικά θρεπτικά συστατικά και οξυγόνο και να απομακρύνει τα απόβλητα. Αλλά η χημεία του αίματος παρουσιάζει διαρκώς διακυμάνσεις και ο εγκεφαλικός ιστός είναι εξαιρετικά ευαίσθητος στο χημικό του περιβάλλον. Οι νευρώνες βασίζονται σε ακριβείς απελευθερώσεις ιόντων για να επικοινωνήσουν - εάν τα ιόντα μπορούσαν να ρέουν ελεύθερα έξω από το αίμα, αυτή η ακρίβεια θα χαθεί. Άλλοι τύποι βιολογικά ενεργών μορίων μπορούν επίσης να μεταδώσουν τους ευαίσθητους νευρώνες, παρεμβαίνοντας στις σκέψεις, τις αναμνήσεις και τις συμπεριφορές.

«Είναι πραγματικά εκεί για να ελέγχει το περιβάλλον για τη σωστή λειτουργία του εγκεφάλου», είπε Richard Daneman, αναπληρωτής καθηγητής φαρμακολογίας στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Σαν Ντιέγκο.

Έτσι, ο αιματοεγκεφαλικός φραγμός παρέχει προστασία, αλλά δεν είναι μια διακριτή δομή όπως τα τείχη γύρω από ένα φρούριο. Αντίθετα, ο όρος αναφέρεται στις μοναδικές ιδιότητες των αιμοφόρων αγγείων στον εγκέφαλο και εκείνων των γειτονικών εγκεφαλικών κυττάρων που τυλίγονται στενά γύρω από αυτά τα αγγεία.

Τα περισσότερα από τα τριχοειδή αγγεία του σώματος είναι «διαρροή» σε μοριακό επίπεδο για να επιτρέπουν την ελεύθερη ροή των θρεπτικών ουσιών και άλλων ουσιών. Η διαπερατότητά τους είναι καθοριστικής σημασίας για τη λειτουργία οργάνων όπως ο νεφρός και το ήπαρ.

Αλλά τα αιμοφόρα αγγεία του εγκεφάλου είναι κατασκευασμένα με υψηλότερο, λιγότερο διαρροές πρότυπο. Τα ενδοθηλιακά κύτταρα που αποτελούν τα τριχοειδικά τοιχώματα είναι στερεωμένα μεταξύ τους με δομές που ονομάζονται σφιχτές συνδέσεις. Λεπτοί παράλληλοι κλώνοι πρωτεΐνης κολλούν τα κύτταρα μεταξύ τους σαν «σύρματα μέσα από τα τούβλα», είπε Ελίζα Κονοφάγου, καθηγητής βιοϊατρικής μηχανικής και ακτινολογίας στο Πανεπιστήμιο Κολούμπια. Μερικά είδη μορίων μπορούν να ξεπεράσουν, αλλά σε μικρές ποσότητες. Και είναι ως επί το πλείστον πολύ μικρά και υδατοδιαλυτά.

Αλλά ο εγκέφαλος χρειάζεται επίσης πολλά άλλα μόρια όπως η γλυκόζη και η ινσουλίνη, τα οποία δεν μπορούν να συμπιεστούν μεταξύ των στενών συνδέσεων. Ως εκ τούτου, το φράγμα είναι επίσης επενδεδυμένο με αντλίες και υποδοχείς που, όπως τα bouncers για μια ελίτ λέσχη, επιτρέπουν μόνο ορισμένα μόρια να εισέλθουν - και εκτοξεύουν γρήγορα τους περισσότερους παραβάτες. Πέρα από το ίδιο το τριχοειδικό τοίχωμα υπάρχουν στρώματα υποστηρικτικών κυττάρων, συμπεριλαμβανομένων περικυττάρων και αστροκυττάρων, τα οποία βοηθούν επίσης στη διατήρηση του φραγμού και στη ρύθμιση της διαπερατότητάς του.

Ωστόσο, παρά όλα αυτά τα επίπεδα προστασίας, ορισμένες ανεπιθύμητες ουσίες εισέρχονται στον εγκέφαλο με αξιοπιστία. Η αιθανόλη, το κύριο συστατικό των αλκοολούχων ποτών, μπορεί απλά να διαχέεται μέσω των κυτταρικών μεμβρανών. Μερικά μόρια μοιάζουν πολύ με τα απαραίτητα για να κρατηθούν έξω. Εάν αναρωτηθήκατε ποτέ γιατί τα αντιισταμινικά για αλλεργίες που χορηγούνται χωρίς ιατρική συνταγή σας προκαλούν υπνηλία, είναι επειδή γλιστρούν μέσα από το φράγμα και φτάνουν στους νευρώνες σας. (Τα νεότερα αντιισταμινικά που δεν προκαλούν υπνηλία δεν διαπερνούν τον φραγμό και δρουν μόνο στα κύτταρα του ανοσοποιητικού συστήματος στο αίμα.)

Ο αιματοεγκεφαλικός φραγμός είναι «εκεί για να προσφέρει αυτό που χρειάζεται ο εγκέφαλος», είπε ο Daneman. Αλλά δεν χρειάζεται κάθε μέρος του εγκεφάλου τα ίδια μόρια, επομένως το εμπόδιο δεν είναι το ίδιο παντού. Το φράγμα στον οσφρητικό βολβό, για παράδειγμα, δρα διαφορετικά και έχει διαφορετική σύνθεση πρωτεΐνης από το φράγμα στον ιππόκαμπο, είπε ο Rhea.

Στην πραγματικότητα, ορισμένα μέρη του εγκεφάλου δεν έχουν καθόλου παραδοσιακό αιματοεγκεφαλικό φραγμό. Στο χοριοειδές πλέγμα, ένας ιστός στις μεγάλες κοιλότητες του εγκεφάλου που παράγει εγκεφαλονωτιαίο υγρό (ΕΝΥ), τα τοιχώματα των αιμοφόρων αγγείων είναι πολύ πιο διαρροή. Πρέπει να είναι επειδή ο φραγμός «αίματος-ΕΝΥ» του χοριοειδούς πλέγματος χρειάζεται να εκκρίνει μισό λίτρο ΕΝΥ στον εγκέφαλο κάθε μέρα και αυτό το είδος παραγωγής απαιτεί εκτεταμένες ποσότητες νερού, ιόντων και θρεπτικών ουσιών από το αίμα.

Παρόλο που αυτή η προστατευτική λειτουργία δεν είναι τέλεια, είναι τόσο παγκοσμίως χρήσιμη που κάθε οργανισμός με πολύπλοκο νευρικό σύστημα έχει κάτι που μοιάζει με αιματοεγκεφαλικό φραγμό, είπε ο Daneman.

Ακόμη και οι μύγες και άλλα έντομα, που δεν έχουν αιμοφόρα αγγεία, έχουν ένα. Το ισοδύναμο αίμα τους απλώς περνά μέσα από όργανα μέσα στον εξωσκελετό τους, αλλά το ισοδύναμο του εγκεφάλου τους είναι καλυμμένο σε προστατευτικά νευρογλοιακά κύτταρα.

Μια «στιβάδα του όζοντος»

Όταν το φράγμα καταρρέει, φέρνει ένα κύμα προβλημάτων στον εγκέφαλο. Ο αιματοεγκεφαλικός φραγμός «είναι σαν το στρώμα του όζοντος για τη Γη», είπε Μπερίσλαβ Ζλόκοβιτς, πρόεδρος του τμήματος φυσιολογίας και νευροεπιστήμης στο Keck School of Medicine του Πανεπιστημίου της Νότιας Καλιφόρνια. Ακριβώς όπως το άνοιγμα μιας τρύπας σε αυτό το λεπτό ατμοσφαιρικό στρώμα προκάλεσε επιβλαβή ακτινοβολία να πλημμυρίσει τον πλανήτη, έτσι και το άνοιγμα του αιματοεγκεφαλικού φραγμού μπορεί να προκαλέσει επιβλαβή μόρια να πλημμυρίσουν τον εγκέφαλο.

Πολλές ομάδες εξετάζουν πώς αλλάζει το φράγμα κατά τη διάρκεια ασθένειας ή τραυματισμού. Η κατάρρευση του αιματοεγκεφαλικού φραγμού είναι χαρακτηριστικό γνώρισμα της νόσου του Αλτσχάιμερ, για παράδειγμα. Μια πρόσφατη μελέτη στο περιοδικό Nature Neuroscience χαρτογράφησε σημαντικές αλλαγές στη γονιδιακή έκφραση στα κύτταρα αιματοεγκεφαλικού φραγμού στον εγκέφαλο ασθενών με Αλτσχάιμερ. Στη σκλήρυνση κατά πλάκας, ο αιματοεγκεφαλικός φραγμός καταρρέει, οδηγώντας σε υπερχείλιση των κυττάρων του ανοσοποιητικού συστήματος στον εγκέφαλο που στη συνέχεια επιτίθενται στην προστατευτική μόνωση γύρω από τους νευρώνες. Οι τραυματικοί εγκεφαλικοί τραυματισμοί και τα εγκεφαλικά μπορούν επίσης να ανοίξουν το φράγμα και να προκαλέσουν δυνητικά μη αναστρέψιμη βλάβη.

Ωστόσο, το επιλεκτικό άνοιγμα ή κλείσιμο του αιματοεγκεφαλικού φραγμού θα μπορούσε να είναι ευεργετικό. Πολλά δυνητικά χρήσιμα φάρμακα δεν μπορούν να ξεπεράσουν το εμπόδιο. Αυτό οφείλεται εν μέρει στο ότι μεγάλο μέρος της προόδου στη μελέτη του αιματοεγκεφαλικού φραγμού παρεμποδίστηκε από τεχνικούς περιορισμούς, πολλοί από τους οποίους έκτοτε έχουν ξεπεραστεί με τις νέες τεχνολογίες, είπε. Maria Lehtinen, έδρα στην έρευνα παιδιατρικής παθολογίας στο Νοσοκομείο Παίδων της Βοστώνης. «Πιστεύω ότι αυτή είναι μια πραγματικά συναρπαστική στιγμή για το γήπεδο».

Τα τελευταία χρόνια, πολλές ομάδες έχουν υιοθετήσει μια προσέγγιση «Δούρειου ίππου» στην οποία τα ναρκωτικά επιστρέφουν στον εγκέφαλο κρατώντας μόρια που μπορούν φυσικά να διέλθουν από το φράγμα. Άλλες εργασίες εξέτασαν τη χρήση στοχευμένων υπερήχων για να ανοίξουν τμήματα του φραγμού και να παραδοθούν φάρμακα για τη θεραπεία της νόσου του Πάρκινσον και άλλων παθήσεων. Σε πρόσφατη μελέτη στο Προκαταβολές ΕπιστήμηΓια παράδειγμα, οι ερευνητές παρείχαν επιτυχώς φθορίζουσες πρωτεΐνες στον εγκέφαλο των μακάκων ανοίγοντας τον αιματοεγκεφαλικό φραγμό με υπερήχους. Τώρα εργάζονται για να προσαρμόσουν αυτή την προσέγγιση στην παροχή φαρμάκων γονιδιακής θεραπείας που θα μπορούσαν να καταπολεμήσουν τη νόσο του Πάρκινσον.

Εκεί που κάποτε ο αιματοεγκεφαλικός φραγμός θεωρούνταν ένας στατικός, αμετάβλητος τοίχος, οι επιστήμονες το βλέπουν τώρα ως δυναμικό και «ζωντανό», είπε ο Lehtinen. Πιθανότατα «αναπτύσσεται και αναπτύσσεται με διαφορετικούς τρόπους σε διαφορετικά μέρη του νευρικού συστήματος». Ανοίγει προσωρινά φυσικά όταν βρισκόμαστε σε βαθύ ύπνο REM ή όταν ασκούμαστε. Αλλάζει με την έκθεση σε ορμόνες και φάρμακα, κλείνοντας παλιούς δρόμους εισόδου ή ανοίγοντας νέους. Όταν κάποια μόρια συνδέονται με το φράγμα, τα κύτταρά του μπορούν μερικές φορές να σηματοδοτήσουν στον εγκέφαλο πώς να ενεργήσει χωρίς ποτέ να αφήσει το μόριο να περάσει, είπε ο Rhea.

Έτσι, αντί για ένα πέτρινο τείχος γύρω από ένα μεσαιωνικό φρούριο, το αιματοεγκεφαλικό φράγμα μοιάζει με έναν μαγικό τοίχο στον οποίο οι πόρτες εμφανίζονται και εξαφανίζονται και τα παράθυρα μεγαλώνουν και μικραίνουν. Κάποια μέρη καταρρέουν, κάποια μέρη ξαναχτίζονται — και αλλάζει συνεχώς.

Ο αιματοεγκεφαλικός φραγμός «ποτέ δεν είναι στατικός», είπε η Rhea. «Δεν είναι ποτέ μόνο αυτός ο τοίχος που πρέπει να ξεπεραστεί».

Σημείωση του συντάκτη: Η Maria Lehtinen είναι ερευνήτρια στην Πρωτοβουλία Έρευνας για τον Αυτισμό του Ιδρύματος Simons (SFARI) και ο Richard Daneman έχει λάβει στο παρελθόν χρηματοδότηση από το Ίδρυμα Simons. Το Ίδρυμα Simons χρηματοδοτεί επίσης Quanta ως εκδοτικά ανεξάρτητο περιοδικό. Οι αποφάσεις χρηματοδότησης δεν επηρεάζουν την κάλυψή μας.