Гематоэнцефалический барьер (ГЭБ)
Гема́тоэнцефалический барьер (гемато-энцефалический барьер, ГЭБ) (от др.-греч. αἷμα, род. п. αἵματος — «кровь» и др.-греч. ἐγκέφαλος — «головной мозг») — физиологический гистогематический барьер между кровеносной системой и центральной нервной системой. ГЭБ имеют все позвоночные.
Главная функция ГЭБ — поддержание гомеостаза мозга. Он защищает нервную ткань от циркулирующих в крови микроорганизмов, токсинов, клеточных и гуморальных факторов иммунной системы, которые воспринимают ткань мозга как чужеродную.
ГЭБ выполняет функцию высокоселективного фильтра, через который из артериального русла в мозг поступают питательные, биоактивные вещества; в направлении венозного русла с глимфатическим потоком выводятся продукты жизнедеятельности нервной ткани.
Вместе с тем, наличие ГЭБ затрудняет лечение многих заболеваний центральной нервной системы, так как он не пропускает целый ряд лекарственных препаратов.
Нервные клетки очень чувствительны к воздействию многих веществ, циркулирующих у нас в крови. Для защиты мозга от этих опасных для него молекул и клеток существует специальная клеточная структура — гематоэнцефалический барьер (ГЭБ)
Ткань мозга изолирована не только от растворенных веществ, но и от клеток, которые циркулируют в крови
В крови циркулируют вещества, которые могут быть потенциально опасны, если попадут в ткань мозга. Это разнообразные токсины, продукты обмена веществ и ксенобиотики (чужеродные для организма соединения, в том числе многие лекарства).
Нервная ткань очень чувствительна ко всем этим соединениям, поэтому их поступление в мозг должно быть строго ограничено.
Также есть вещества, которые выполняют «двойную» функцию: в центральной нервной системе (ЦНС) являются нейромедиаторами и участвуют в передаче нервного импульса между нейронами, а в остальном организме работают как гормоны, сигнальные или регуляторные молекулы.
К таким соединениям относятся глутамат, адреналин, глицин и другие. Если бы они неконтролируемо попадали из крови в мозг, то вызывали бы хаотичную передачу сигналов между нейронами и нарушение гомеостаза (постоянства внутренней среды) ЦНС, что вело бы к различным заболеваниям .
Ткань мозга изолирована не только от растворенных веществ, но и от клеток, которые циркулируют в крови.
В первую очередь это иммунные клетки.
Ограничение входа иммунных клеток в мозговую ткань — это нейропротекторный механизм, который защищает нейроны от нежелательной воспалительной реакции, которая может вызывать их гибель.
Другие клетки, вход которых также крайне вреден для ЦНС — это патогены (бактерии, грибы, простейшие) и циркулирующие опухолевые клетки, которые могут дать начало метастазам.
Ограничение входа потенциально опасных соединений и клеток, а также доставка питательных веществ в ЦНС и удаление из нее продуктов обмена веществ обеспечивает комплекс структур, который называется «гематоэнцефалический интерфейс» (от др.-греч. αἷματο — «кровь» и εγκεφαλος — «головной мозг»).
История. Гематоэнцефалический барьер
В 1885 году немецкий ученый Пауль Эрлих (тот самый, кому позже совместно с Ильёй Мечниковым дадут Нобелевскую премию за работы в области иммунологии) сделал инъекцию синего красителя в кровь лабораторным животным.
Он увидел, что краситель окрашивает все ткани и органы, за исключением центральной нервной системы. Эдвин Голдман продолжил эксперименты Эрлиха, введя краситель теперь уже в желудочки мозга.
Окрашивалась только ЦНС, остальные органы оставались бесцветными.
Это означало, что между ЦНС и остальным организмом существует некая преграда, которая ограничивает движение веществ в обе стороны .
- С 1918 по 1925 год российский нейрофизиолог Лина Штерн, профессор Второго Московского медицинского университета имени Пирогова, и ее коллега швейцарский врач Раймонд Готье провели серию экспериментов с использованием различных соединений, вводя их в желудочки головного мозга и кровь.
- В 1921 году Лина Штерн рассказала о своих работах Женевскому медицинскому обществу и впервые использовала термин «гематоэнцефалический барьер» («barrière hémato-encéphalique»)
ГЭБ является не только «физическим», но и «биохимическим» барьером
На поверхности эндотелиоцитов со стороны просвета сосуда находятся ферменты, которые расщепляют нейромедиаторы и другие соединения и не дают им попасть из крови в мозг. Также нужно отметить наличие специальных транспортеров, например, гликопротеина Р. Это транспортер, встроенный в мембрану эндотелиоцитов, «выплевывает» обратно вещества, которые попали в клетку. Как раз из-за наличия этого транспортера многие лекарства не могут преодолеть слой эндотелиоцитов и попасть в мозг.
На поверхности эндотелиоцитов экспрессируются очень мало молекул, необходимых для прикрепления лимфоцитов.
Во многом благодаря этому клеткам иммунной системы в норме очень сложно мигрировать в мозг - им не за что «зацепиться» на поверхности сосудов ГЭБ
ГЭБ выполняет не только барьерную, но и транспортную функцию
ГЭБ выполняет не только барьерную, но и транспортную функцию, обеспечивая попадание в мозг глюкозы, незаменимых аминокислот и питательных веществ.
Глюкоза является основным энергетическим субстратом мозга и поступает в него с помощью транспортного белка (GLUT-1), которого очень много на мембране эндотелиоцитов.
Также с помощью специальных транспортеров в мозг переносятся незаменимые аминокислоты. Фенилаланин, лейцин, тирозин, изолейцин, валин, триптофан, метионин и гистидин, не могут синтезироваться в мозге и, следовательно, должны поступать в него из крови.
Интересно, что незаменимые аминокислоты конкурируют друг с другом за связывание с транспортерами, поэтому повышение концентрации одной из аминокислот в крови будет препятствовать поглощению других.
Так, например, при фенилкетонурии высокий уровень фенилаланина в плазме крови снижает усвоение мозгом других незаменимых аминокислот. В отличие от незаменимых аминокислот, небольшие заменимые аминокислоты, такие как аланин, глицин, пролин и ГАМК (гамма-аминомасляная кислота), заметно ограничены в своем поступлении в мозг.
Из-за того, что глицин крайне плохо проникает через ГЭБ, нет особого смысла употреблять его в качестве БАД. Даже прием 6 грамм глицина в день на протяжении 6 недель не повышал его концентрацию в цереброспинальной жидкости .
Прием глицина действительно может иметь положительный терапевтический эффект, например, в случае шизофрении, но при очень высокой дозировке - 0,8 г на 1 кг массы тела (то есть примерно 60 грамм глицина в день)
Такая дозировка в несколько сот (!) раз больше той, которую рекомендуют производители БАДов (200-300 мг в день), принимать такое количества глицина можно только по назначению врача.
«Ворота в мозг»
Несмотря на всю важность ограничения транспорта веществ из крови в мозг, ГЭБ не является непрерывным.
В некоторых областях мозга необходимо, чтобы между нервной тканью и кровью наоборот происходил активный поток веществ, в таких местах ГЭБ меняет свою структуру и становится больше похож на обычные сосуды В таких областях из крови в мозговую ткань должны попадать сигнальные вещества и метаболиты, которые дают информацию о состоянии организма .
С другой стороны, из мозговой ткани в кровь должны поступать разнообразные гормоны, и регуляторные вещества. Такие места образно называют «воротами в мозг» . Области, в которых ГЭБ прерывается:
- Самое заднее поле (Area postrema) в области IV желудочка - детекция токсинов, провоцирующих рвоту
- Эпифиз (пинеальная, или шишковидная железа) - секреция в кровь мелатонина, гормона, регулирующего циклы сна и бодрствования
- Нейрогипофиз (задний гипофиз) - секреция гормонов
- Гипоталамус (некоторые области) - секреция гормонов, сенсор сигнальных веществ, водно-солевого баланса
Однако тот факт, что ГЭБ в некоторых областях мозга прерывается, не означает, что обмен веществ между кровью и мозгом становится неконтролируемым.
Регуляцию этого обмена берут на себя нейроглиальные клетки питуициты (в районе гипофиза) и танициты (в остальных областях) [15].
Таким образом, ГЭБ является структурой, которая строго регулирует обмен веществ между мозгом и кровью, обеспечивает поддержание гомеостаза ЦНС и защищает чувствительные нервные клетки от вредных воздействий.
Мозг — единственный орган, обладающий собственной системой безопасности
Состояния, влияющие на гематоэнцефалический барьер
Гематоэнцефалический барьер может быть нарушен различными заболеваниями. Более того, его ослабление может увеличить вероятность или ускорить развитие нейродегенеративных заболеваний.
– Гипертония или высокое кровяное давление: могут привести к изменению этого барьера, который станет проницаемым, что может быть опасно для нашего организма.
– Радиация: Длительное воздействие радиации может ослабить гематоэнцефалический барьер.
– Инфекции: воспаление любой части центральной нервной системы ослабляет этот барьер. Примером может служить менингит – заболевание, при котором мозговые оболочки (оболочки, окружающие головной и спинной мозг) воспаляются под воздействием различных вирусов и бактерий.
– Травма, ишемия, инсульт… могут вызвать прямое повреждение мозга, затрагивая гематоэнцефалический барьер.
– Абсцесс мозга. Это воспаление и скопление гноя в мозге. Инфекция обычно возникает в ухе, полости рта, придаточных пазухах носа и т. д., но может также быть результатом травмы или хирургического вмешательства. В большинстве случаев требуется курс антибиотиков продолжительностью от 8 до 12 недель.
-Рассеянный склероз: по-видимому, у людей с этим заболеванием наблюдается нарушение гематоэнцефалического барьера. Из-за этого слишком много лейкоцитов попадают в мозг и по ошибке атакуют миелин.
Миелин — это вещество, покрывающее нервные клетки и обеспечивающее быструю и эффективную передачу нервных импульсов. Его разрушение приводит к когнитивным и двигательным нарушениям.
Патологии
Нарушение деятельности гематоэнцефалического барьера связывают с развитием многих патологий ЦНС, что подтверждает такую его функцию, как защита нервной ткани от повреждений.
Нарушение проницаемости ГЭБ участвует в патогенезе заболеваний:
- Эпилепсия.
- Опухолевые процессы.
- Сосудистые патологии.
- Нейродегенеративные процессы
- . Гипоксически-ишемическое повреждение нервной ткани.
- Демиелинизирующие процессы.
Например, раковые клетки проникают в мозг при помощи молекул микроРНК, которые разрушают плотные контакты между эндотелиоцитами, что приводит к увеличению проницаемости ГЭБ.
Усиление прохождения чужеродных соединений через гистогематический барьер – это фактор интенсивного развития патологического процесса при черепно-мозговых и родовых травмах.
Подводя итог..
Для правильной работы мозга необходимо поддерживать баланс между веществами внутри нейронов и окружающей их внеклеточной жидкостью. Это позволяет корректно передавать сигналы между клетками.
Даже если компоненты внеклеточной жидкости изменятся незначительно, эта передача изменится, что приведет к изменениям в работе мозга.
Таким образом, гематоэнцефалический барьер регулирует состав этой жидкости. Например, многие продукты, которые мы едим, содержат химические вещества, способные нарушать обмен информацией между нейронами. Гематоэнцефалический барьер препятствует проникновению этих веществ в мозг, поддерживая его нормальное функционирование.
Важно отметить, что гематоэнцефалический барьер имеет неоднородную структуру на протяжении всей нервной системы. В некоторых местах он более проницаем, чем в других. Это способствует проникновению веществ, нежелательных для других тканей.
Одним из примеров является ствол мозга. Этот отдел контролирует рвоту и имеет гораздо более проницаемый гематоэнцефалический барьер. Его задача — обеспечить быстрое обнаружение токсичных веществ в крови нейронами этой области.
Таким образом, когда яд, поступающий из желудка, попадает в кровеносную систему, он стимулирует центральную часть головного мозга, вызывая рвоту. Это позволяет организму избавиться от ядовитого содержимого желудка до того, как оно станет опасным.
Подводя итог, можно выделить три основные функции гематоэнцефалического барьера:
– Защищает мозг от потенциально опасных посторонних веществ или веществ, которые могут изменить функцию мозга.
– Защищает и изолирует центральную нервную систему от гормонов и нейротрансмиттеров в остальном организме, предотвращая нежелательные эффекты.
– Поддерживает постоянный химический баланс в нашем мозге.
Механическое повреждение структур ГЭБ происходит при черепно-мозговых и родовых травмах, опухолевых очагах, интенсивно разрастающихся в тканях мозга.
Прорыв целостности ГЭБ всегда сопровождается мозговым отеком, что нередко ассоциируется с угрозой для жизни.