Kuinka aivot suojaavat itseään veren välityksellä leviäviltä uhilta | Quanta-lehti

Riittävät tuopit olutta voivat saada sinut putoamaan baarijakkaralta tai lausumaan äänekkäästi sanoituksia 2000-luvun alun hilloihin täysin tuntemattomille, koska alkoholi voi ohittaa kehon yhden vahvimmista puolustuskeinoista. Jos olet koskaan ollut humalassa, väsynyt tai unelias allergialääkkeistä, olet kokenut, mitä tapahtuu, kun jotkin molekyylit kukistavat veri-aivoesteen kutsutun puolustusjärjestelmän ja pääsevät aivoihin.

Aivojen läpi kiertävien satojen kilometrien pituisten kapillaarien seinämiin upotettu este estää useimpia veren molekyylejä pääsemästä herkkiin hermosoluihin. Aivan kuten kallo suojaa aivoja ulkoisilta fyysisiltä uhilta, veri-aivoeste suojaa sitä kemiallisilta ja patogeenisiltä uhilta.

Vaikka se on fantastinen evoluution saavutus, este on erittäin haitaksi lääkekehittäjille, jotka ovat viettäneet vuosikymmeniä yrittäessään selektiivisesti voittaa sen antaakseen terapeuttisia aineita aivoihin. Biolääketieteen tutkijat haluavat ymmärtää estettä paremmin, koska sen epäonnistumiset näyttävät olevan avain joihinkin sairauksiin ja koska esteen manipulointi voi auttaa parantamaan tiettyjen sairauksien hoitoa.

"Olemme oppineet paljon viimeisen vuosikymmenen aikana", sanoi Elizabeth Rhea, Washingtonin yliopiston lääketieteen muisti- ja aivojen hyvinvointikeskuksen tutkimusbiologi. Mutta "olemme ehdottomasti edelleen haasteiden edessä substraattien ja terapeuttisten aineiden levittämisessä."

Suojelu, mutta ei linnoitus

Kuten muukin keho, aivot tarvitsevat kiertävää verta kuljettaakseen tärkeitä ravintoaineita ja happea sekä kuljettaakseen pois jätteitä. Mutta veren kemia vaihtelee jatkuvasti, ja aivokudos on erittäin herkkä kemialliselle ympäristölleen. Neuronit luottavat täsmällisiin ionien vapautumiseen kommunikoidakseen – jos ionit voisivat virrata vapaasti verestä, tämä tarkkuus menettäisi. Myös muun tyyppiset biologisesti aktiiviset molekyylit voivat koskettaa herkkiä hermosoluja ja häiritä ajatuksia, muistoja ja käyttäytymistä.

"Se on todella olemassa valvomaan ympäristöä oikean aivojen toiminnan varmistamiseksi", sanoi Richard Daneman, farmakologian apulaisprofessori Kalifornian yliopistossa San Diegossa.

Joten veri-aivoeste tarjoaa suojaa, mutta se ei ole erillinen rakenne, kuten linnoituksen ympärillä olevat muurit. Sen sijaan termi viittaa aivojen verisuonten ja viereisten aivosolujen ainutlaatuisiin ominaisuuksiin, jotka kietoutuvat tiiviisti näiden suonien ympärille.

Suurin osa kehon kapillaareista on "vuotoja" molekyylitasolla mahdollistaen ravinteiden ja muiden aineiden vapaan virtauksen. Niiden läpäisevyys on ratkaisevan tärkeää elinten, kuten munuaisten ja maksan, toiminnalle.

Mutta aivojen verisuonet on rakennettu korkeamman, vähemmän vuotavan standardin mukaan. Kapillaarin seinämät muodostavat endoteelisolut on kiinnitetty tiukasti yhteen rakenteilla, joita kutsutaan tiukoiksi liitoksiksi. Ohuet yhdensuuntaiset proteiinisäikeet kiinnittävät solut yhteen kuin "johdot tiilien läpi", sanoi Elisa Konofagou, biolääketieteen tekniikan ja radiologian professori Columbian yliopistossa. Muutama tyyppinen molekyyli voi päästä ohi, mutta pieninä määrinä. Ja ne ovat enimmäkseen hyvin pieniä ja vesiliukoisia.

Mutta aivot tarvitsevat myös monia muita molekyylejä, kuten glukoosia ja insuliinia, jotka eivät voi puristaa tiukkojen liitoskohtien väliin. Sen vuoksi este on myös vuorattu pumpuilla ja reseptoreilla, jotka, kuten eliittiseuran pomppurit, päästävät sisään vain tietyt molekyylit - ja poistavat nopeasti useimmat tunkeilijat. Itse kapillaarin seinämän takana on tukisolukerroksia, mukaan lukien perisyyttejä ja astrosyytit, jotka myös auttavat ylläpitämään estettä ja säätämään sen läpäisevyyttä.

Kaikista suojakerroksista huolimatta jotkut ei-toivotut aineet pääsevät aivoihin luotettavasti. Etanoli, alkoholijuomien pääainesosa, voi yksinkertaisesti diffundoitua solukalvojen läpi. Jotkut molekyylit näyttävät liian paljon tarvittavilta, jotta ne voidaan pitää poissa. Jos olet koskaan miettinyt, miksi allergikoille saatavat antihistamiinit tekevät sinut uneliaaksi, se johtuu siitä, että ne liukuvat esteen läpi ja pääsevät hermosoluihisi. (Uudemmat, uneliamattomat antihistamiinit eivät läpäise estettä ja vaikuttavat vain veren immuunisoluihin.)

Veri-aivoeste on "siellä toimittamaan mitä aivot tarvitsevat", Daneman sanoi. Mutta kaikki aivojen osat eivät tarvitse samoja molekyylejä, joten este ei ole sama kaikkialla. Esimerkiksi hajusipulin este toimii eri tavalla ja sillä on erilainen proteiinikoostumus kuin hippokampuksen este, Rhea sanoi.

Itse asiassa joillakin aivojen osilla ei ole perinteistä veri-aivoestettä ollenkaan. Suonipunoksessa, aivojen suurissa onteloissa olevassa kudoksessa, joka tuottaa aivo-selkäydinnestettä (CSF), verisuonten seinämät ovat paljon vuotavampia. Niiden täytyy johtua siitä, että suonipunoksen "veri-CSF"-esteen on eritettävä puoli litraa CSF:tä aivoihin joka päivä, ja tällainen tuotanto vaatii verestä suuria määriä vettä, ioneja ja ravinteita.

Vaikka tämä suojaava toiminto ei ole täydellinen, se on niin yleisesti hyödyllinen, että jokaisella organismilla, jolla on monimutkainen hermosto, on jotain, joka muistuttaa veri-aivoestettä, Daneman sanoi.

Jopa kärpäsillä ja muilla hyönteisillä, joilla ei ole verisuonia, on sellainen. Niiden verta yksinkertaisesti valuu niiden ulkopuolisen luuston sisällä olevien elinten läpi, mutta niiden aivojen vastine on suojattu gliasoluilla.

"otsonikerros"

Kun este hajoaa, se tuo vaikeuksien aallon aivoihin. Veri-aivoeste "on kuin otsonikerros maapallolle", sanoi Berislav Zlokovic, Etelä-Kalifornian yliopiston Keckin lääketieteellisen koulun fysiologian ja neurotieteen osaston puheenjohtaja. Aivan kuten reiän avaaminen tuohon ohueen ilmakehän kerrokseen sai haitallisen säteilyn tulvimaan planeetan, veri-aivoesteen avaaminen voi aiheuttaa haitallisten molekyylien tulvimisen aivoihin.

Monet ryhmät tutkivat, kuinka este muuttuu sairauden tai vamman aikana. Veri-aivoesteen hajoaminen on esimerkiksi Alzheimerin taudin tunnusmerkki. Tuore tutkimus lehdessä Luonto Neuroscience kartoitti merkittäviä muutoksia geenien ilmentymiseen veri-aivoestesoluissa Alzheimerin potilaiden aivoissa. Multippeliskleroosissa veri-aivoeste hajoaa, mikä johtaa immuunijärjestelmän solujen ylivuotoon aivoissa, jotka sitten hyökkäävät hermosolujen ympärillä olevaa suojaavaa eristystä vastaan. Traumaattiset aivovammat ja aivohalvaukset voivat myös avata esteen ja aiheuttaa mahdollisesti peruuttamattomia vahinkoja.

Veri-aivoesteen valikoiva avaaminen tai sulkeminen voi kuitenkin olla hyödyllistä. Monet mahdollisesti hyödylliset lääkkeet eivät pääse esteen yli. Tämä johtuu osittain siitä, että suurta osaa veri-aivoesteen tutkimuksen edistymisestä estivät tekniset rajoitukset, joista monet on sittemmin voitettu uusilla teknologioilla. Maria Lehtinen, lasten patologian tutkimuksen puheenjohtaja Bostonin lastensairaalassa. "Mielestäni tämä on todella jännittävää aikaa alalle."

Viime vuosina monet ryhmät ovat ottaneet käyttöön "Troijan hevosen" -lähestymistavan, jossa lääkkeet tunkeutuvat aivoihin pitämällä kiinni molekyyleistä, jotka voivat luonnollisesti kulkea esteen läpi. Toisessa työssä on tarkasteltu kohdistettujen ultraäänien käyttöä esteen osien avaamiseen ja lääkkeiden toimittamiseen Parkinsonin taudin ja muiden vaivojen hoitoon. Tuoreessa tutkimuksessa vuonna Tiede ennakotEsimerkiksi tutkijat toimittivat onnistuneesti fluoresoivia proteiineja makakien aivoihin avaamalla veri-aivoesteen ultraäänellä. He työskentelevät nyt mukauttaakseen tätä lähestymistapaa geeniterapialääkkeiden toimittamiseen, jotka voisivat taistella Parkinsonin tautia vastaan.

Kun ennen veri-aivoestettä pidettiin staattisena, muuttumattomana seinämänä, tiedemiehet pitävät sitä nyt dynaamisena ja "elävänä", Lehtinen sanoi. Se todennäköisesti "kasvaa ja kehittyy eri tavoin hermoston eri osissa". Se avautuu tilapäisesti luonnollisesti, kun olemme syvässä REM-unessa tai kun harjoittelemme. Se muuttuu altistuessaan hormoneille ja huumeille, sulkemalla vanhat sisäänpääsymahdollisuudet tai avaamalla uusia. Kun jotkin molekyylit sitoutuvat esteeseen, sen solut voivat joskus antaa aivoille signaalin, kuinka toimia ilman, että molekyyliä koskaan päästään läpi, Rhea sanoi.

Joten keskiaikaisen linnoituksen ympärillä olevan kivivallin sijaan veri-aivoeste on kuin maaginen muuri, jossa ovet ilmestyvät ja katoavat ja ikkunat kasvavat ja pienenevät. Jotkut osat murenevat, jotkut rakentuvat takaisin - ja se muuttuu jatkuvasti.

Veri-aivoeste "ei ole koskaan staattinen", Rhea sanoi. "Koskaan ei tarvitse voittaa vain tämä muuri."

Toimittajan huomautus: Maria Lehtinen on Simons Foundationin Autism Research Initiativen (SFARI) tutkija ja Richard Daneman on aiemmin saanut rahoitusta Simons Foundationilta. Myös Simons Foundation rahoittaa Quanta toimituksellisesti riippumattomana aikakauslehtenä. Rahoituspäätökset eivät vaikuta kattavuutemme.