Část sítě kapilár zásobujících mozkové buňky
Astrocyty typu 1 obklopující kapiláry v mozku
Kortikální mikrocéva obarvená na protein hematoencefalické bariéry ZO-1
Krevně-mozková bariéra (BBB) je oddělení cirkulující krve od extracelulární tekutiny mozku (BECF) v centrálním nervovém systému (CNS). Vyskytuje se podél všech kapilár a skládá se z těsných spojů kolem kapilár, které v normálním krevním oběhu neexistují. Endoteliální buňky omezují difúzi mikroskopických objektů (např. bakterií) a velkých nebo hydrofilních molekul do mozkomíšního moku (CSF) a zároveň umožňují difúzi malých hydrofobních molekul (O2, CO2, hormony). Buňky bariéry aktivně transportují přes bariéru metabolické produkty, jako je glukóza se specifickými proteiny.[citace nutná] Tato bariéra zahrnuje také tlustou sklepní membránu a astrocytární koncovky.
Paul Ehrlich byl bakteriolog studující barvení, postup, který se používá v mnoha mikroskopických studiích k zviditelnění jemných biologických struktur pomocí chemických barviv. Když Ehrlich aplikoval některá z těchto barviv (zejména anilinová barviva, která byla tehdy široce používána), barvivo obarvilo všechny orgány některých druhů zvířat kromě jejich mozku. V té době Ehrlich připisoval tento nedostatek barvení mozku, který prostě nezachytil tolik barviva.[citace nutná]
Nicméně v pozdějším experimentu v roce 1913 Edwin Goldmann (jeden z Ehrlichových studentů) vpravil barvivo přímo do mozkomíšních tekutin zvířecích mozků. Zjistil, že v tomto případě se mozky obarvily, ale zbytek těla ne. To jasně prokázalo existenci jakési kompartmentalizace mezi oběma. V té době se mělo za to, že za bariéru jsou zodpovědné samotné cévy, protože žádná zjevná membrána nebyla nalezena. Koncept hematoencefalické bariéry (tehdy nazývané hematoencefalická bariéra) navrhl berlínský lékař Lewandowsky v roce 1900. Skutečnou membránu bylo možné pozorovat a prokázat až zavedením skenovacího elektronového mikroskopu do lékařských výzkumných oborů v šedesátých letech.
Schematický nákres znázorňující konstituci krevních cév uvnitř mozku
Tato „bariéra“ vyplývá ze selektivity těsných spojů mezi endoteliálními buňkami v cévách CNS, která omezuje průchod rozpuštěných látek.[citace nutná] Na rozhraní mezi krví a mozkem jsou endoteliální buňky sešity těmito těsnými spoji, které se skládají z menších podjednotek, často biochemických dimerů, což jsou transmembránové proteiny jako okludin, klaudiny, spojovací adhezní molekula (JAM) nebo například ESAM.[citace nutná] Každá z těchto transmembránových proteinů je ukotvena do endoteliálních buněk jiným proteinovým komplexem, který zahrnuje zo-1 a přidružené proteiny.[citace nutná]
Krevně-mozková bariéra se skládá z buněk s vysokou hustotou, které omezují průchod látek z krevního řečiště mnohem více než endoteliální buňky v kapilárách jinde v těle.[nutná citace] Projekce astrocytárních buněk zvané astrocytární nohy (také známé jako „glia limitans“) obklopují endoteliální buňky BBB a poskytují těmto buňkám biochemickou podporu.[nutná citace] BBB se odlišuje od dosti podobné hematospinálně-fluidní bariéry, která je funkcí choroidálních buněk choroidálního plexu, a od hematoretinální bariéry, kterou lze považovat za součást celé sféry takových bariér.
Experimenty z dvacátých let 20. století původně ukázaly, že hematoencefalická bariéra (BBB) je u novorozenců ještě nezralá. Důvodem tohoto omylu byla metodická chyba (osmotický tlak byl příliš vysoký a choulostivé embryonální kapilární cévy byly částečně poškozeny). Později se při experimentech se sníženým objemem injekčně podávaných tekutin ukázalo, že zkoumané markery nemohly projít BBB. Uvádělo se, že přírodní látky jako albumin, α-1-fetoprotein nebo transferrin se zvýšenou plazmatickou koncentrací u novorozenců nemohly být detekovány mimo buňky v mozku. Transportér P-glykoprotein existuje již v embryonálním endotelu.[citace nutná]
Měření vychytávání acetamidu, antipyrinu, benzylalkoholu, butanolu, kofeinu, cytosinu, difenylhydantoinu, ethanolu, ethylenglykolu, heroinu, mannitolu, methanolu, fenobarbitalu, propylenglykolu, thiomočoviny a močoviny v ether-anestezii u novorozenců oproti dospělým králíkům ukazuje, že novorozený králík a endotelie mozku dospělého králíka jsou funkčně podobné, pokud jde o lipidy zprostředkovanou permeabilitu.[nutná citace] Tyto údaje potvrdily, že nebyly zjištěny žádné rozdíly v permeabilitě mezi novorozenými a dospělými BBB kapilárami. Mezi dospělými a novorozenými králíky nebyl pozorován žádný rozdíl v vychytávání glukózy, aminokyselin, organických kyselin, purinů, nukleosidů nebo cholinu mozkem.[nutná citace] Tyto experimenty ukazují, že novorozený BBB má omezující vlastnosti podobné vlastnostem dospělého. Na rozdíl od domněnek o nedospělé bariéře u mladých zvířat tyto studie ukazují, že sofistikovaný selektivní BBB působí při narození.
Hematoencefalická bariéra působí velmi účinně a chrání mozek před mnoha běžnými bakteriálními infekcemi. Infekce mozku jsou tedy velmi vzácné. Infekce mozku, které se vyskytují, jsou často velmi závažné a obtížně léčitelné. Protilátky jsou příliš velké na to, aby mohly projít hematoencefalickou bariérou, a pouze určitá antibiotika jsou schopna projít. V některých případech musí být farmakokinetika podávána přímo do mozkomíšního moku.[nutná citace] Léky dodávané přímo do mozkomíšního moku však účinně nepronikají do samotné mozkové tkáně, pravděpodobně kvůli křivolaké povaze intersticiálního prostoru v mozku. Hematoencefalická bariéra se stává propustnější během zánětu. To umožňuje některým antibiotikům a fagocytům pohybovat se po BBB. To však také umožňuje bakteriím a virům infiltrovat BBB. Výjimkou z bakteriálního vyloučení jsou nemoci způsobené spirochetami, jako je Borrelia, která způsobuje lymskou boreliózu, a Treponema pallidum, která způsobuje syfilis. Zdá se, že tyto škodlivé bakterie porušují hematoencefalickou bariéru fyzickým tunelováním stěn krevních cév.[citace nutná]
Existují také některé biochemické jedy, které se skládají z velkých molekul, které jsou příliš velké na to, aby prošly hematoencefalickou bariérou. To bylo důležité zejména v primitivních nebo středověkých dobách, kdy lidé často jedli kontaminované potraviny. Neurotoxiny, jako je botulotoxin v potravinách, mohou ovlivňovat periferní nervy, ale hematoencefalická bariéra může často zabránit tomu, aby se tyto toxiny dostaly do centrálního nervového systému, kde by mohly způsobit vážné nebo smrtelné poškození.
Překonání obtížnosti podávání terapeutických látek do specifických oblastí mozku představuje velkou výzvu pro léčbu většiny mozkových poruch. Ve své neuroprotektivní roli funguje hematoencefalická bariéra, která brání dodání mnoha potenciálně důležitých diagnostických a terapeutických látek do mozku. Terapeutické molekuly a protilátky, které by jinak mohly být účinné v diagnostice a terapii, neprocházejí BBB v dostatečném množství. Průnik mozkomíšního moku je podíl léku, který projde hematoencefalickou bariérou a dostane se do mozkomíšního moku.
Mechanismy pro cílení léčiv v mozku zahrnují průchod buď „skrz“ nebo „za“ BBB. Modality pro podání léku/lékové formy prostřednictvím BBB znamenají jeho narušení osmotickými prostředky, biochemicky použitím vazoaktivních látek, jako je bradykinin, nebo dokonce lokalizovanou expozicí vysoce intenzivnímu zaměřenému ultrazvuku (HIFU). Jiné metody používané pro průchod BBB mohou zahrnovat použití endogenních transportních systémů, včetně přenašečů zprostředkovaných přenašeči, jako jsou přenašeči glukózy a aminokyselin, receptorem zprostředkovanou transcytózu pro inzulín nebo transferrin a blokování aktivních přenašečů efluxu, jako je p-glykoprotein. Metody pro podání léku za BBB zahrnují intracerebrální implantaci (například pomocí jehel) a distribuci se zvýšenou konvekcí. Mannitol lze použít při obcházení BBB.
Nanotechnologie může také pomoci při přenosu léků přes BBB. V poslední době se výzkumníci snaží sestavit lipozomy naložené nanočásticemi, aby získali přístup přes BBB. Je zapotřebí dalšího výzkumu, aby se zjistilo, které strategie budou nejúčinnější a jak je lze zlepšit pro pacienty s nádory mozku. Potenciál pro využití BBB otevření se cílovým specifickým látkám mozkových nádorů se právě začal zkoumat.
Doručování léků přes hematoencefalickou bariéru je jednou z nejslibnějších aplikací nanotechnologií v klinické neurovědě. Nanočástice by potenciálně mohly vykonávat více úkolů v předem definovaném sledu, což je velmi důležité při doručování léků přes hematoencefalickou bariéru.
Značné množství výzkumu v této oblasti bylo vynaloženo na zkoumání metod nanočásticemi zprostředkovaného podávání antineoplastických léků nádorům v centrálním nervovém systému. Například radioaktivně značený polyethylenglykol potažený hexadecylcyanoacrylát nanosféry zacílil a nahromadil se v gliosarkomu potkanů. Tato metoda však ještě není připravena pro klinické zkoušky, vzhledem k hromadění nanosfér v okolní zdravé tkáni.
Je třeba poznamenat, že cévní endoteliální buňky a přidružené pericyty jsou u nádorů často abnormální a že hematoencefalická bariéra nemusí být u mozkových nádorů vždy neporušená. Také sklepní membrána je někdy neúplná. Další faktory, jako jsou astrocyty, mohou přispívat k odolnosti mozkových nádorů vůči terapii.
Peptidy jsou schopny procházet hematoencefalickou bariérou (BBB) prostřednictvím různých mechanismů a otevírají nové diagnostické a terapeutické cesty. Jejich data o transportu BBB jsou však rozptýlena v literatuře v různých oborech a používají různé metodiky vykazující různé aspekty přílivu nebo efluxu. Proto byla vytvořena obsáhlá databáze peptidů BBB (Brainpeps), která shromažďuje data BBB dostupná v literatuře. Brainpeps v současnosti obsahuje informace o transportu BBB s pozitivními i negativními výsledky. Databáze je užitečným nástrojem pro stanovení priorit volby peptidů pro vyhodnocení různých odpovědí BBB nebo studium kvantitativních vztahů mezi strukturou a vlastnostmi (chování BBB) peptidů. Protože bylo použito množství metod pro vyhodnocení chování BBB sloučenin, klasifikovali jsme tyto metody a jejich odpovědi. Navíc byly vyjasněny a vizualizovány vztahy mezi různými metodami transportu BBB.[citace nutná]
Kasomorfin je heptapeptid a mohl by projít BBB.[citace nutná]
Nemoci spojené s hematoencefalickou bariérou
Meningitida je zánět membrán, které obklopují mozek a míchu (tyto membrány jsou známé jako meninges). Meningitida je nejčastěji způsobena infekcemi různými patogeny, příklady jsou Streptococcus pneumoniae a Haemophilus influenzae. Při zánětu meninges může dojít k narušení hematoencefalické bariéry. Toto narušení může zvýšit průnik různých látek (včetně toxinů nebo antibiotik) do mozku. Antibiotika používaná k léčbě meningitidy mohou zhoršit zánětlivou reakci centrálního nervového systému uvolněním neurotoxinů z buněčných stěn bakterií – jako je lipopolysacharid (LPS). V závislosti na původci patogenu, ať už je bakteriální, houbový nebo protozoální, je obvykle předepsána léčba cefalosporinem třetí generace nebo čtvrté generace nebo amfotericinem B.
Epilepsie je běžné neurologické onemocnění, které je charakterizováno opakujícími se a někdy neléčitelnými záchvaty. Několik klinických a experimentálních údajů naznačuje selhání funkce hematoencefalické bariéry při spouštění chronických nebo akutních záchvatů. Některé studie naznačují interakce mezi běžným krevním proteinem (albuminem) a astrocyty. Tato zjištění naznačují, že akutní záchvaty jsou předvídatelným důsledkem narušení BBB buď umělými, nebo zánětlivými mechanismy. Kromě toho exprese molekul lékové rezistence a transportérů na BBB jsou významným mechanismem rezistence na běžně užívané antiepileptické léky.
Roztroušená skleróza (RS) je považována za autoimunitní a neurodegenerativní poruchu, při které imunitní systém napadá myelin, který chrání a elektricky izoluje neurony centrálního a periferního nervového systému. Za normálních okolností by nervový systém člověka byl nepřístupný bílým krvinkám kvůli hematoencefalické bariéře. Magnetická rezonance však ukázala, že když člověk podstupuje „záchvat“ roztroušené sklerózy, v části mozku nebo míchy se rozpadne hematoencefalická bariéra, což umožní bílým krvinkám zvaným T lymfocyty přejít a napadnout myelin. Někdy bylo naznačeno, že spíše než onemocnění imunitního systému je RS onemocněním hematoencefalické bariéry. Nedávná studie naznačuje, že oslabení hematoencefalické bariéry je důsledkem poruchy endoteliálních buněk na vnitřní straně cévy, kvůli které produkce proteinu P-glykoproteinu nefunguje dobře.[citace nutná]
V současné době probíhají aktivní výzkumy léčby ohrožené hematoencefalické bariéry. Předpokládá se, že oxidační stres hraje důležitou roli při rozpadu bariéry. Antioxidanty, jako je kyselina lipoová, mohou být schopny stabilizovat slábnoucí hematoencefalickou bariéru.
Neuromyelitis optica, také známá jako Devicova choroba, je podobná roztroušené skleróze a je s ní často zaměňována. Mezi jinými rozdíly oproti RS byl identifikován jiný cíl autoimunitní odpovědi. Pacienti s neuromyelitis optica mají vysoké hladiny protilátek proti proteinu zvanému aquaporin 4 (složka procesů astrocytární nohy v hematoencefalické bariéře).
Neurologická trypanosomóza v pozdním stadiu (spavá nemoc)
Neurologická trypanosomóza v pozdním stádiu, neboli spavá nemoc, je stav, při kterém se v mozkové tkáni nacházejí trypanozoa prvoci. Zatím není známo, jak parazité infikují mozek z krve, ale existuje podezření, že procházejí choroid plexus, což je cirkumventrikulární orgán.
Progresivní multifokální leukoencefalopatie (PML)
Progresivní multifokální leukoencefalopatie (PML) je demyelinizační onemocnění centrálního nervového systému, které je způsobeno reaktivací latentního papovaviru (JC polyomaviru), který může procházet BBB. Postihuje pacienty se sníženou imunitou a obvykle se vyskytuje u pacientů trpících AIDS.
De Vivova choroba (také známá jako syndrom deficitu GLUT1) je vzácné onemocnění způsobené nedostatečnou přepravou cukru, glukózy, přes hematoencefalickou bariéru, což vede k opožděnému vývoji a dalším neurologickým problémům. Zdá se, že hlavní příčinou De Vivovy choroby jsou genetické vady transportéru glukózy typu 1 (GLUT1).
Některé nové důkazy naznačují, že narušení hematoencefalické bariéry u pacientů s Alzheimerovou chorobou umožňuje vstupu krevní plazmy obsahující amyloid beta (Aβ) do mozku, kde se Aβ přednostně drží povrchu astrocytů. Tato zjištění vedla k hypotézám, že (1) rozpad hematoencefalické bariéry umožňuje přístup autoprotilátek vázajících neurony a rozpustného exogenního Aβ42 k mozkovým neuronům a (2) vázání těchto autoprotilátek k neuronům spouští a/nebo usnadňuje internalizaci a akumulaci Aβ42 vázaného na povrch buněk ve zranitelných neuronech prostřednictvím jejich přirozené tendence čistit povrchově vázané autoprotilátky prostřednictvím endocytózy. Nakonec je astrocyt přemožen, zemře, praskne a rozpadne se a zanechá za sebou nerozpustný Aβ42 plak. U některých pacientů tak může být Alzheimerova choroba způsobena (nebo pravděpodobněji zhoršena) rozpadem hematoencefalické bariéry.
Předpokládá se, že latentní HIV může během prvních 14 dnů infekce projít hematoencefalickou bariérou uvnitř cirkulujících monocytů v krevním řečišti („teorie trojského koně“). Jakmile jsou tyto monocyty uvnitř, aktivují se a jsou přeměněny na makrofágy. Aktivované makrofágy uvolňují viriony do mozkové tkáně, která je blízko mozkových mikrocév. Tyto virové částice pravděpodobně přitahují pozornost sentinelových mozkových mikroglií a perivaskulárních makrofágů, které iniciují zánětlivou kaskádu, která může způsobit sérii intracelulární signalizace v mozkových mikrovaskulárních endoteliálních buňkách a poškodit funkční a strukturální integritu BBB. Tento zánět je HIV encefalitida (HIVE). Případy HIVE se pravděpodobně vyskytují v průběhu AIDS a jsou prekurzorem demence spojené s HIV (HAD). Předním modelem pro studium HIV a HIVE je opičí model.
Během smrtelné infekce myší vzteklinou nedovoluje hematoencefalická bariéra (BBB) antivirovým imunitním buňkám proniknout do mozku, primárního místa replikace viru vztekliny. Tento aspekt přispívá k patogenitě viru a umělé zvýšení prostupnosti BBB podporuje virovou clearance. Otevření BBB během infekce vzteklinou bylo navrženo jako možný nový přístup k léčbě onemocnění, i když dosud nebyly učiněny žádné pokusy určit, zda by tato léčba mohla být úspěšná či nikoliv.