Comment le cerveau se protège des menaces transmissibles par le sang | Quanta Magazine

Suffisamment de pintes de bière peuvent vous faire tomber de votre tabouret de bar ou réciter à haute voix les paroles de jams du début des années 2000 à de parfaits inconnus, car l'alcool peut franchir l'une des défenses les plus solides du corps. Si vous avez déjà été ivre, défoncé ou somnolent à cause de médicaments contre les allergies, vous avez vu ce qui se passe lorsque certaines molécules détruisent le système de défense appelé barrière hémato-encéphalique et pénètrent dans le cerveau.

Intégrée dans les parois des centaines de kilomètres de capillaires qui serpentent à travers le cerveau, la barrière empêche la plupart des molécules du sang d'atteindre les neurones sensibles. Tout comme le crâne protège le cerveau des menaces physiques externes, la barrière hémato-encéphalique le protège des menaces chimiques et pathogènes.

Bien qu'il s'agisse d'un exploit fantastique de l'évolution, la barrière est très gênante pour les développeurs de médicaments, qui ont passé des décennies à essayer de la surmonter de manière sélective pour administrer des thérapies au cerveau. Les chercheurs biomédicaux veulent mieux comprendre la barrière parce que ses défaillances semblent être la clé de certaines maladies et parce que la manipulation de la barrière pourrait aider à améliorer le traitement de certaines conditions.

"Nous avons beaucoup appris au cours de la dernière décennie", a déclaré Elizabeth Rhéa, biologiste chercheur au Centre de bien-être de la mémoire et du cerveau en médecine de l'Université de Washington. Mais "nous sommes toujours confrontés à des défis pour faire passer les substrats et les thérapeutiques".

Une protection, mais pas une forteresse

Comme le reste du corps, le cerveau a besoin de sang circulant pour fournir les nutriments essentiels et l'oxygène et pour évacuer les déchets. Mais la chimie du sang fluctue constamment et le tissu cérébral est extrêmement sensible à son environnement chimique. Les neurones dépendent de la libération précise d'ions pour communiquer - si les ions pouvaient s'écouler librement du sang, cette précision serait perdue. D'autres types de molécules biologiquement actives peuvent également tordre les neurones délicats, interférant avec les pensées, les souvenirs et les comportements.

"C'est vraiment là pour contrôler l'environnement pour le bon fonctionnement du cerveau", a déclaré Richard Daneman, professeur agrégé de pharmacologie à l'Université de Californie à San Diego.

Ainsi, la barrière hémato-encéphalique fournit une protection, mais ce n'est pas une structure discrète comme les murs autour d'une forteresse. Au lieu de cela, le terme fait référence aux propriétés uniques des vaisseaux sanguins dans le cerveau et à celles des cellules cérébrales voisines qui s'enroulent étroitement autour de ces vaisseaux.

La plupart des capillaires du corps sont « non étanches » au niveau moléculaire pour permettre la libre circulation des nutriments et d'autres substances. Leur perméabilité est cruciale pour le fonctionnement d'organes tels que les reins et le foie.

Mais les vaisseaux sanguins du cerveau sont construits selon une norme plus élevée et moins perméable. Les cellules endothéliales qui composent les parois capillaires sont étroitement liées par des structures appelées jonctions serrées. De minces brins de protéines parallèles collent les cellules ensemble comme des "fils à travers les briques", a déclaré Élisa Konofagou, professeur de génie biomédical et de radiologie à l'Université de Columbia. Quelques types de molécules peuvent passer, mais en petites quantités. Et ils sont pour la plupart très petits et solubles dans l'eau.

Mais le cerveau a également besoin de nombreuses autres molécules telles que le glucose et l'insuline, qui ne peuvent pas se faufiler entre les jonctions serrées. La barrière est donc également bordée de pompes et de récepteurs qui, comme les videurs d'un club d'élite, ne laissent entrer que certaines molécules et éjectent rapidement la plupart des intrus. Au-delà de la paroi capillaire elle-même se trouvent des couches de cellules de soutien, notamment des péricytes et des astrocytes, qui aident également à maintenir la barrière et à ajuster sa perméabilité.

Néanmoins, malgré toutes ces couches de protection, certaines substances indésirables parviennent au cerveau de manière fiable. L'éthanol, ingrédient principal des boissons alcoolisées, peut simplement diffuser à travers les membranes cellulaires. Certaines molécules ressemblent trop à celles qui sont nécessaires pour être exclues. Si vous vous êtes déjà demandé pourquoi les antihistaminiques en vente libre pour les allergies vous rendent somnolent, c'est parce qu'ils passent à travers la barrière et atteignent vos neurones. (Les nouveaux antihistaminiques non somnolents ne pénètrent pas la barrière et n'agissent que sur les cellules immunitaires dans le sang.)

La barrière hémato-encéphalique est "là pour fournir ce dont le cerveau a besoin", a déclaré Daneman. Mais toutes les parties du cerveau n'ont pas besoin des mêmes molécules, donc la barrière n'est pas la même partout. La barrière dans le bulbe olfactif, par exemple, agit différemment et a une composition protéique différente de celle de la barrière dans l'hippocampe, a déclaré Rhea.

En fait, certaines parties du cerveau n'ont pas du tout de barrière hémato-encéphalique traditionnelle. Dans le plexus choroïde, un tissu dans les grandes cavités du cerveau qui produit du liquide céphalo-rachidien (LCR), les parois des vaisseaux sanguins sont beaucoup plus perméables. Ils doivent l'être parce que la barrière «sang-LCR» du plexus choroïde doit sécréter un demi-litre de LCR dans le cerveau chaque jour, et ce type de production nécessite de grandes quantités d'eau, d'ions et de nutriments du sang.

Même si cette fonction protectrice n'est pas parfaite, elle est si universellement utile que chaque organisme doté d'un système nerveux complexe possède quelque chose qui ressemble à une barrière hémato-encéphalique, a déclaré Daneman.

Même les mouches et autres insectes, qui n'ont pas de vaisseaux sanguins, en ont un. Leur équivalent de sang coule simplement à travers les organes à l'intérieur de leur exosquelette, mais leur équivalent d'un cerveau est gainé de cellules gliales protectrices.

Une "couche d'ozone"

Lorsque la barrière tombe en panne, cela apporte une vague de troubles au cerveau. La barrière hémato-encéphalique "est comme la couche d'ozone pour la Terre", a déclaré Berislav Zloković, président du département de physiologie et de neurosciences de la Keck School of Medicine de l'Université de Californie du Sud. Tout comme l'ouverture d'un trou dans cette fine couche atmosphérique a provoqué l'inondation de la planète par des rayonnements nocifs, l'ouverture de la barrière hémato-encéphalique peut provoquer l'inondation du cerveau par des molécules nocives.

De nombreux groupes examinent comment la barrière change pendant une maladie ou une blessure. Une rupture de la barrière hémato-encéphalique est une caractéristique de la maladie d'Alzheimer, par exemple. Une étude récente dans la revue Nature Neuroscience cartographié des changements significatifs dans l'expression des gènes dans les cellules de la barrière hémato-encéphalique dans le cerveau des patients atteints de la maladie d'Alzheimer. Dans la sclérose en plaques, la barrière hémato-encéphalique se rompt, entraînant un débordement de cellules du système immunitaire dans le cerveau qui attaquent ensuite l'isolation protectrice autour des neurones. Les lésions cérébrales traumatiques et les accidents vasculaires cérébraux peuvent également ouvrir la barrière et causer des dommages potentiellement irréversibles.

Cependant, l'ouverture ou la fermeture sélective de la barrière hémato-encéphalique pourrait être bénéfique. De nombreux médicaments potentiellement utiles ne peuvent pas franchir la barrière. C'est en partie parce qu'une grande partie des progrès dans l'étude de la barrière hémato-encéphalique a été entravée par des limitations techniques, dont beaucoup ont depuis été surmontées grâce aux nouvelles technologies, a déclaré Maria Lehtinen, chaire de recherche en pathologie pédiatrique au Boston Children's Hospital. "Je pense que c'est une période vraiment excitante pour le terrain."

Ces dernières années, de nombreux groupes se sont concentrés sur une approche de « cheval de Troie » dans laquelle les médicaments se greffent sur le cerveau en retenant des molécules qui peuvent naturellement traverser la barrière. D'autres travaux ont porté sur l'utilisation d'ultrasons ciblés pour ouvrir des parties de la barrière et administrer des médicaments pour traiter la maladie de Parkinson et d'autres affections. Dans une étude récente en Science Advances, par exemple, des chercheurs ont réussi à injecter des protéines fluorescentes dans le cerveau de macaques en ouvrant la barrière hémato-encéphalique par ultrasons. Ils travaillent maintenant à adapter cette approche à l'administration de médicaments de thérapie génique qui pourraient combattre la maladie de Parkinson.

Alors qu'autrefois la barrière hémato-encéphalique était considérée comme une paroi statique et immuable, les scientifiques la considèrent désormais comme dynamique et "vivante", a déclaré Lehtinen. Il « grandit et se développe probablement de différentes manières dans différentes parties du système nerveux ». Il s'ouvre temporairement naturellement lorsque nous sommes en sommeil paradoxal profond ou lorsque nous faisons de l'exercice. Il change avec l'exposition aux hormones et aux médicaments, fermant les anciennes voies d'entrée ou en ouvrant de nouvelles. Lorsque certaines molécules se lient à la barrière, ses cellules peuvent parfois signaler au cerveau comment agir sans jamais laisser passer la molécule, a déclaré Rhea.

Ainsi, plutôt qu'un rempart de pierre autour d'une forteresse médiévale, la barrière hémato-encéphalique est comme un mur magique dans lequel les portes apparaissent et disparaissent, et les fenêtres deviennent de plus en plus petites. Certaines parties s'effondrent, certaines parties sont reconstruites - et cela change constamment.

La barrière hémato-encéphalique n'est "jamais statique", a déclaré Rhea. "Ce n'est jamais seulement ce mur qui doit être surmonté."

Note de l'éditeur : Maria Lehtinen est chercheuse auprès de l'Initiative de recherche sur l'autisme de la Fondation Simons (SFARI) et Richard Daneman a déjà reçu un financement de la Fondation Simons. La Fondation Simons finance également Quanta comme un magazine éditorial indépendant. Les décisions de financement n'ont aucune influence sur notre couverture.