Cum se protejează creierul de amenințările transmise de sânge | Revista Quanta

Suficiente halbe de bere te pot face să cazi de pe scaunul de la bar sau să reciți cu voce tare versuri la gemurile de la începutul anilor 2000 unor străini, deoarece alcoolul poate trece de una dintre cele mai puternice apărări ale corpului. Dacă ați fost vreodată beat, mare sau somnolent din cauza medicamentelor pentru alergii, ați experimentat ce se întâmplă atunci când unele molecule înfrâng sistemul de apărare numit bariera hemato-encefalică și ajung în creier.

Încorporată în pereții sutelor de mile de capilare care șerpuiesc prin creier, bariera împiedică majoritatea moleculelor din sânge să ajungă vreodată la neuronii sensibili. La fel cum craniul protejează creierul de amenințările fizice externe, bariera hemato-encefalică îl protejează de cele chimice și patogene.

Deși este o performanță fantastică a evoluției, bariera este foarte mult o pacoste pentru dezvoltatorii de medicamente, care au petrecut decenii încercând să o depășească selectiv pentru a oferi terapii creierului. Cercetătorii biomedicali doresc să înțeleagă mai bine bariera, deoarece eșecurile acesteia par a fi cheia unor boli și pentru că manipularea barierei ar putea ajuta la îmbunătățirea tratamentului anumitor afecțiuni.

„Am învățat multe în ultimul deceniu”, a spus Elizabeth Rhea, un cercetător biolog la Centrul de memorie și sănătate a creierului de la Universitatea din Washington. Dar „cu siguranță ne confruntăm în continuare cu provocări în obținerea substraturilor și a terapiei”.

Protecție, dar nu o fortăreață

Ca și restul corpului, creierul are nevoie de sânge circulant pentru a furniza nutrienți esențiali și oxigen și pentru a elimina deșeurile. Dar chimia sângelui fluctuează constant, iar țesutul creierului este extrem de sensibil la mediul său chimic. Neuronii se bazează pe eliberări precise de ioni pentru a comunica - dacă ionii ar putea curge liber din sânge, acea precizie s-ar pierde. Alte tipuri de molecule biologic active pot, de asemenea, vibra neuronii delicati, interferând cu gândurile, amintirile și comportamentele.

„Este într-adevăr acolo pentru a controla mediul pentru o funcționare adecvată a creierului”, a spus Richard Daneman, profesor asociat de farmacologie la Universitatea din California, San Diego.

Deci bariera hematoencefalică oferă protecție, dar nu este o structură discretă precum zidurile din jurul unei cetăți. În schimb, termenul se referă la proprietățile unice ale vaselor de sânge din creier și cele ale celulelor creierului vecine care se înfășoară strâns în jurul acelor vase.

Majoritatea capilarelor corpului sunt „cu scurgeri” la nivel molecular pentru a permite circulația liberă a nutrienților și a altor substanțe. Permeabilitatea lor este crucială pentru funcționarea organelor precum rinichii și ficatul.

Dar vasele de sânge ale creierului sunt construite la un standard mai înalt, mai puțin permeabil. Celulele endoteliale care alcătuiesc pereții capilari sunt prinse strâns împreună prin structuri numite joncțiuni strânse. Șuvițele subțiri paralele de proteine ​​lipesc celulele împreună ca „sârme prin cărămizi”, a spus Elisa Konofago, profesor de inginerie biomedicală și radiologie la Universitatea Columbia. Câteva tipuri de molecule pot trece, dar în cantități mici. Și sunt în mare parte foarte mici și solubile în apă.

Dar creierul are nevoie și de multe alte molecule, cum ar fi glucoza și insulina, care nu se pot strânge între joncțiunile strânse. Prin urmare, bariera este, de asemenea, căptușită cu pompe și receptori care, la fel ca săritorii pentru un club de elită, permit doar anumite molecule să intre - și ejectează rapid pe majoritatea infractorilor. Dincolo de peretele capilar în sine sunt straturi de celule de susținere, inclusiv pericite și astrocite, care ajută, de asemenea, la menținerea barierei și la ajustarea permeabilității acesteia.

Cu toate acestea, în ciuda tuturor acestor straturi de protecție, unele substanțe nedorite ajung în mod fiabil la creier. Etanolul, ingredientul principal al băuturilor alcoolice, poate difuza pur și simplu prin membranele celulare. Unele molecule seamănă prea mult cu cele necesare pentru a fi ținute afară. Dacă v-ați întrebat vreodată de ce antihistaminicele fără prescripție medicală pentru alergii vă fac somnoros, este pentru că trec prin barieră și ajung la neuroni. (Antihistaminicele mai noi, care nu sunt somnolente, nu penetrează bariera și acționează numai asupra celulelor imune din sânge.)

Bariera hemato-encefalică este „acolo pentru a oferi ceea ce are nevoie creierul”, a spus Daneman. Dar nu fiecare parte a creierului are nevoie de aceleași molecule, așa că bariera nu este aceeași peste tot. Bariera din bulbul olfactiv, de exemplu, acționează diferit și are o compoziție proteică diferită de bariera din hipocamp, a spus Rhea.

De fapt, unele părți ale creierului nu au deloc o barieră hemato-encefalică tradițională. În plexul coroid, un țesut din cavitățile mari ale creierului care produce lichid cefalorahidian (LCR), pereții vaselor de sânge sunt mult mai scurți. Ele trebuie să fie pentru că bariera „sânge-LCR” a plexului coroid trebuie să secrete o jumătate de litru de LCR în creier în fiecare zi, iar acest tip de producție necesită cantități mari de apă, ioni și nutrienți din sânge.

Chiar dacă această funcție de protecție nu este perfectă, este atât de utilă la nivel universal încât fiecare organism cu un sistem nervos complex are ceva asemănător cu o barieră hemato-encefalică, a spus Daneman.

Chiar și muștele și alte insecte, care nu au vase de sânge, au unul. Echivalentul lor de sânge pur și simplu pătrunde prin organele din interiorul exoscheletului lor, dar echivalentul lor de creier este învelit în celule gliale protectoare.

Un „strat de ozon”

Când bariera se sparge, aduce un val de probleme creierului. Bariera hematoencefalică „este ca stratul de ozon pentru Pământ”, a spus Berislav Zlokovic, președinte al departamentului de fiziologie și neuroștiință la Keck School of Medicine a Universității din California de Sud. Așa cum deschiderea unei găuri în acel strat subțire atmosferic a provocat ca radiațiile dăunătoare să inunde planeta, deschiderea barierei hemato-encefalice poate face ca moleculele dăunătoare să inunde creierul.

Multe grupuri examinează modul în care bariera se schimbă în timpul bolii sau rănilor. O defalcare a barierei hematoencefalice este un semn distinctiv al bolii Alzheimer, de exemplu. Un studiu recent în jurnal Nature Neuroscience a cartografiat modificări semnificative ale expresiei genelor în celulele barierei hemato-encefalice din creierul pacienților cu Alzheimer. În scleroza multiplă, bariera hemato-encefalică se rupe, ceea ce duce la un debordare de celule ale sistemului imunitar din creier care atacă apoi izolația protectoare din jurul neuronilor. Leziunile traumatice ale creierului și accidentele vasculare cerebrale pot deschide, de asemenea, bariera și pot provoca daune potențial ireversibile.

Deschiderea sau închiderea selectivă a barierei hematoencefalice ar putea fi totuși benefică. Multe medicamente potențial utile nu pot depăși bariera. Acest lucru se datorează, parțial, faptului că o mare parte a progresului în studierea barierei hemato-encefalice a fost împiedicată de limitări tehnice, dintre care multe au fost depășite de atunci cu noile tehnologii, a spus. Maria Lehtinen, catedra de cercetare in patologie pediatrica la Spitalul de Copii din Boston. „Cred că acesta este un moment foarte interesant pentru teren.”

În ultimii ani, multe grupuri s-au concentrat asupra unei abordări „cal troian” în care medicamentele se îndreaptă spre creier, ținându-se de molecule care pot tranzita în mod natural bariera. Alte lucrări au vizat utilizarea ultrasunetelor direcționate pentru a deschide părți ale barierei și a furniza medicamente pentru a trata boala Parkinson și alte afecțiuni. Într-un studiu recent în Avansuri de știință, de exemplu, cercetătorii au livrat cu succes proteine ​​fluorescente în creierul macacilor prin deschiderea barierei hematoencefalice cu ultrasunete. Ei lucrează acum pentru a adapta această abordare la livrarea de medicamente de terapie genică care ar putea lupta împotriva bolii Parkinson.

Acolo unde odată bariera hematoencefalică era considerată un zid static, neschimbător, acum oamenii de știință îl consideră dinamic și „viu”, a spus Lehtinen. Probabil „crește și se dezvoltă în moduri diferite în diferite părți ale sistemului nervos”. Se deschide temporar când suntem în somn REM profund sau când facem exerciții fizice. Se schimbă odată cu expunerea la hormoni și medicamente, închizând căile vechi de intrare sau deschizând altele noi. Când unele molecule se leagă de barieră, celulele sale pot uneori semnale creierului cum să acționeze fără a lăsa moleculei să treacă, a spus Rhea.

Deci, mai degrabă decât un meterez de piatră în jurul unei cetăți medievale, bariera hematoencefalică este ca un zid magic în care ușile apar și dispar, iar ferestrele devin din ce în ce mai mici. Unele părți se prăbușesc, altele sunt reconstruite – și se schimbă constant.

Bariera hematoencefalică „nu este niciodată statică”, a spus Rhea. „Nu este niciodată doar acest zid care trebuie depășit.”

Nota editorului: Maria Lehtinen este anchetator la Initiativa de Cercetare a Autismului a Fundatiei Simons (SFARI), iar Richard Daneman a primit anterior finantare de la Fundatia Simons. Fondurile și Fundația Simons Cuante ca revistă independentă din punct de vedere editorial. Deciziile de finanțare nu au nicio influență asupra acoperirii noastre.