Jak mózg chroni się przed zagrożeniami przenoszonymi przez krew | Magazyn Quanta

Wypicie wystarczającej ilości piwa może sprawić, że spadniesz ze stołka barowego lub głośno recytujesz teksty piosenek z początku XXI wieku dla zupełnie obcych osób, ponieważ alkohol może pokonać jedną z najsilniejszych mechanizmów obronnych organizmu. Jeśli kiedykolwiek byłeś pijany, naćpany lub senny z powodu leków przeciwalergicznych, doświadczyłeś tego, co się dzieje, gdy niektóre cząsteczki pokonują system obronny zwany barierą krew-mózg i przedostają się do mózgu.

Wbudowana w ściany setek kilometrów naczyń włosowatych, które wiją się w mózgu, bariera uniemożliwia większości cząsteczek we krwi dotarcie do wrażliwych neuronów. Tak jak czaszka chroni mózg przed zewnętrznymi zagrożeniami fizycznymi, tak bariera krew-mózg chroni go przed zagrożeniami chemicznymi i patogennymi.

Chociaż jest to fantastyczne osiągnięcie ewolucji, bariera jest bardzo uciążliwa dla twórców leków, którzy spędzili dziesięciolecia próbując selektywnie ją pokonać, aby dostarczyć leki do mózgu. Badacze biomedyczni chcą lepiej zrozumieć barierę, ponieważ jej awarie wydają się być kluczem do niektórych chorób, a manipulowanie barierą może pomóc w poprawie leczenia niektórych schorzeń.

„Wiele się nauczyliśmy w ciągu ostatniej dekady” — powiedział Elżbieta Reja, biolog naukowy z University of Washington Medicine Memory and Brain Wellness Center. Ale „zdecydowanie wciąż stoimy przed wyzwaniami związanymi z dostarczaniem substratów i środków terapeutycznych”.

Ochrona, ale nie forteca

Podobnie jak reszta ciała, mózg potrzebuje krążącej krwi, aby dostarczać niezbędne składniki odżywcze i tlen oraz odprowadzać odpady. Ale chemia krwi stale się zmienia, a tkanka mózgowa jest niezwykle wrażliwa na środowisko chemiczne. Neurony polegają na precyzyjnym uwalnianiu jonów do komunikacji – gdyby jony mogły swobodnie wypływać z krwi, ta precyzja zostałaby utracona. Inne rodzaje biologicznie aktywnych molekuł mogą również zakłócać delikatne neurony, zakłócając myśli, wspomnienia i zachowania.

„Naprawdę służy do kontrolowania środowiska w celu prawidłowego funkcjonowania mózgu” – powiedział Richarda Danemana, profesor nadzwyczajny farmakologii na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego.

Tak więc bariera krew-mózg zapewnia ochronę, ale nie jest to dyskretna struktura, jak mury otaczające fortecę. Zamiast tego termin ten odnosi się do unikalnych właściwości naczyń krwionośnych w mózgu i sąsiednich komórek mózgowych, które otaczają te naczynia.

Większość naczyń włosowatych organizmu jest „nieszczelna” na poziomie molekularnym, aby umożliwić swobodny przepływ składników odżywczych i innych substancji. Ich przepuszczalność ma kluczowe znaczenie dla funkcjonowania narządów, takich jak nerki i wątroba.

Ale naczynia krwionośne mózgu są zbudowane zgodnie z wyższym, mniej nieszczelnym standardem. Komórki śródbłonka tworzące ściany naczyń włosowatych są ściśle połączone ze sobą za pomocą struktur zwanych ciasnymi połączeniami. Cienkie równoległe pasma białek sklejają komórki razem jak „przewody przechodzące przez cegły”. Eliza Konofagou, profesor inżynierii biomedycznej i radiologii na Uniwersytecie Columbia. Kilka rodzajów cząsteczek może się przedostać, ale w niewielkich ilościach. I są one w większości bardzo małe i rozpuszczalne w wodzie.

Ale mózg potrzebuje również wielu innych cząsteczek, takich jak glukoza i insulina, które nie mogą przecisnąć się między ciasnymi połączeniami. W związku z tym bariera jest również wyłożona pompami i receptorami, które podobnie jak bramkarze w elitarnym klubie przepuszczają tylko określone cząsteczki — i szybko wyrzucają większość intruzów. Poza samą ścianą naczyń włosowatych znajdują się warstwy komórek podporowych, w tym perycytów i astrocytów, które również pomagają utrzymać barierę i dostosować jej przepuszczalność.

Niemniej jednak, pomimo tych wszystkich warstw ochrony, niektóre niepożądane substancje niezawodnie przedostają się do mózgu. Etanol, główny składnik napojów alkoholowych, może po prostu dyfundować przez błony komórkowe. Niektóre cząsteczki są zbyt podobne do tych, które są potrzebne, aby trzymać je z dala. Jeśli kiedykolwiek zastanawiałeś się, dlaczego dostępne bez recepty leki przeciwhistaminowe na alergie powodują senność, to dlatego, że prześlizgują się przez barierę i docierają do twoich neuronów. (Nowe, nie powodujące senności leki przeciwhistaminowe nie przenikają przez barierę i działają tylko na komórki odpornościowe we krwi).

Bariera krew-mózg „jest po to, by dostarczać mózgowi to, czego potrzebuje” – powiedział Daneman. Ale nie każda część mózgu potrzebuje tych samych cząsteczek, więc bariera nie jest wszędzie taka sama. Na przykład bariera w opuszce węchowej działa inaczej i ma inny skład białek niż bariera w hipokampie, powiedziała Rhea.

W rzeczywistości niektóre części mózgu w ogóle nie mają tradycyjnej bariery krew-mózg. W splocie naczyniówkowym, tkance w dużych jamach mózgu, która wytwarza płyn mózgowo-rdzeniowy (CSF), ściany naczyń krwionośnych są znacznie bardziej nieszczelne. Muszą być, ponieważ bariera „krew-CSF” splotu naczyniówkowego musi codziennie wydzielać do mózgu pół litra płynu mózgowo-rdzeniowego, a tego rodzaju produkcja wymaga ogromnych ilości wody, jonów i składników odżywczych z krwi.

Chociaż ta funkcja ochronna nie jest doskonała, jest tak wszechstronnie użyteczna, że ​​każdy organizm ze złożonym układem nerwowym ma coś na kształt bariery krew-mózg, powiedział Daneman.

Nawet muchy i inne owady, które nie mają naczyń krwionośnych, mają je. Ich odpowiednik krwi po prostu przelewa się przez narządy wewnątrz ich egzoszkieletu, ale ich odpowiednik mózgu jest osłonięty ochronnymi komórkami glejowymi.

„Warstwa ozonowa”

Kiedy bariera pęka, w mózgu pojawia się fala kłopotów. Bariera krew-mózg „jest jak warstwa ozonowa dla Ziemi”, powiedział Berislav Zloković, kierownik wydziału fizjologii i neurologii w Keck School of Medicine na Uniwersytecie Południowej Kalifornii. Tak jak otwarcie dziury w tej cienkiej warstwie atmosfery spowodowało zalanie planety szkodliwym promieniowaniem, tak otwarcie bariery krew-mózg może spowodować zalanie mózgu szkodliwymi cząsteczkami.

Wiele grup bada, jak zmienia się bariera podczas choroby lub urazu. Na przykład uszkodzenie bariery krew-mózg jest cechą charakterystyczną choroby Alzheimera. Najnowsze badanie w czasopiśmie Nature Neuroscience zmapowali znaczące zmiany w ekspresji genów w komórkach bariery krew-mózg w mózgach pacjentów z chorobą Alzheimera. W stwardnieniu rozsianym bariera krew-mózg pęka, co prowadzi do przepełnienia komórek układu odpornościowego w mózgu, które następnie atakują ochronną izolację wokół neuronów. Urazy mózgu i udary mogą również otworzyć barierę i spowodować potencjalnie nieodwracalne uszkodzenia.

Selektywne otwieranie lub zamykanie bariery krew-mózg może jednak być korzystne. Wiele potencjalnie użytecznych leków nie może przedostać się przez barierę. Częściowo dzieje się tak dlatego, że postęp w badaniu bariery krew-mózg był hamowany przez ograniczenia techniczne, z których wiele zostało już przezwyciężonych dzięki nowym technologiom. Marii Lehtinen, kierownik badań nad patologią dziecięcą w Szpitalu Dziecięcym w Bostonie. „Myślę, że to naprawdę ekscytujący czas dla pola”.

W ostatnich latach wiele grup skupiło się na podejściu „konia trojańskiego”, w którym narkotyki wpadają do mózgu, trzymając cząsteczki, które mogą naturalnie przejść przez barierę. Inne prace dotyczyły wykorzystania ukierunkowanych ultradźwięków do otwierania części bariery i dostarczania leków do leczenia choroby Parkinsona i innych dolegliwości. W niedawnym badaniu w Postępy naukina przykład naukowcy z powodzeniem dostarczyli białka fluorescencyjne do mózgów makaków, otwierając barierę krew-mózg za pomocą ultradźwięków. Obecnie pracują nad dostosowaniem tego podejścia do dostarczania leków do terapii genowej, które mogłyby zwalczać chorobę Parkinsona.

Tam, gdzie kiedyś uważano barierę krew-mózg za statyczną, niezmienną ścianę, naukowcy postrzegają ją teraz jako dynamiczną i „żywą” – powiedział Lehtinen. Prawdopodobnie „rośnie i rozwija się na różne sposoby w różnych częściach układu nerwowego”. Chwilowo skrzypi i otwiera się naturalnie, gdy jesteśmy w głębokim śnie REM lub kiedy ćwiczymy. Zmienia się wraz z ekspozycją na hormony i narkotyki, zamykając stare drogi wejścia lub otwierając nowe. Rhea powiedziała, że ​​kiedy niektóre cząsteczki wiążą się z barierą, jej komórki mogą czasami sygnalizować mózgowi, jak działać, nie przepuszczając cząsteczki.

Więc zamiast kamiennego wału otaczającego średniowieczną fortecę, bariera krew-mózg przypomina magiczną ścianę, w której pojawiają się i znikają drzwi, a okna stają się coraz większe i mniejsze. Niektóre części się kruszą, inne odbudowują — i to ciągle się zmienia.

Bariera krew-mózg „nigdy nie jest statyczna” – powiedziała Rhea. „Nigdy nie chodzi tylko o ten mur, który trzeba pokonać”.

Nota redaktora: Maria Lehtinen jest badaczem w Autism Research Initiative (SFARI) Fundacji Simonsa, a Richard Daneman wcześniej otrzymał fundusze z Fundacji Simonsa. Fundacja Simonsa również finansuje Quanta jako niezależny redakcyjnie magazyn. Decyzje o finansowaniu nie mają wpływu na nasz zasięg.