Kraujo ir smegenų barjeras

Kraujo ir smegenų barjeras yra nepaprastai svarbus smegenų homeostazei užtikrinti, tačiau daugelis klausimų dėl jo formavimosi dar nėra iki galo išaiškinti. Tačiau jau aišku, kad kraujo ir smegenų barjeras yra labiausiai diferencijuotas, sudėtingiausias ir tankiausias histohematinis barjeras. Jo pagrindinis struktūrinis ir funkcinis vienetas yra smegenų kapiliarų endotelio ląstelės.

Smegenų medžiagų apykaita, kaip ir joks kitas organas, priklauso nuo medžiagų, patenkančių su krauju. Daugybė kraujagyslių, užtikrinančių nervų sistemos funkcionavimą, pasižymi tuo, kad medžiagų prasiskverbimo per jų sieneles procesas yra selektyvus. Smegenų kapiliarų endotelio ląstelės yra sujungtos viena su kita ištisiniais sandariais kontaktais, todėl medžiagos gali praeiti tik per pačias ląsteles, bet ne tarp jų. Glia ląstelės, antrasis kraujo ir smegenų barjero komponentas, yra greta kapiliarų išorinio paviršiaus. Smegenų skilvelių kraujagyslių rezginiuose anatominį barjero pagrindą sudaro epitelio ląstelės, taip pat sandariai sujungtos viena su kita. Šiuo metu kraujo ir smegenų barjeras laikomas ne anatominiu ir morfologiniu, o funkciniu dariniu, galinčiu selektyviai praeiti, o kai kuriais atvejais ir pristatyti įvairias molekules į nervų ląsteles, naudojant aktyvius pernašos mechanizmus. Taigi, barjeras atlieka reguliavimo ir apsaugos funkcijas.

Smegenyse yra struktūrų, kuriose kraujo ir smegenų barjeras yra susilpnėjęs. Tai pirmiausia pagumburis, taip pat nemažai struktūrų trečiojo ir ketvirtojo skilvelių apačioje – labiausiai užpakaliniame lauke (area postrema), subforniniuose ir subkomisuraliniuose organuose bei kankorėžinėje liaukoje. Esant išeminiams ir uždegiminiams smegenų pažeidimams, sutrinka kraujo ir smegenų barjero vientisumas.

Kraujo ir smegenų barjeras laikomas visiškai susiformavusiu, kai šių ląstelių savybės atitinka dvi sąlygas. Pirma, skystosios fazės endocitozės (pinocitozės) greitis jose turi būti itin mažas. Antra, tarp ląstelių turi susidaryti specifinės sandarios jungtys, kurioms būdinga labai didelė elektrinė varža. Pia mater kapiliarams ji siekia 1000–3000 omų/cm2, ^o intraparenchiminiams smegenų kapiliarams – nuo 2000 iki 8000 m/cm2. Palyginimui: vidutinė skeleto raumenų kapiliarų transendotelinė elektrinė varža yra tik 20 omų/cm2.

Daugumai medžiagų kraujo ir smegenų barjero pralaidumas daugiausia priklauso nuo jų savybių, taip pat nuo neuronų gebėjimo savarankiškai sintetinti šias medžiagas. Medžiagos, kurios gali įveikti šį barjerą, visų pirma yra deguonis ir anglies dioksidas, taip pat įvairūs metalų jonai, gliukozė, nepakeičiamos aminorūgštys ir riebalų rūgštys, būtinos normaliai smegenų funkcijai. Gliukozė ir vitaminai transportuojami naudojant nešiklius. Tuo pačiu metu D- ir L-gliukozės prasiskverbimo per barjerą greitis skiriasi – pirmosios yra daugiau nei 100 kartų didesnis. Gliukozė vaidina svarbų vaidmenį tiek smegenų energijos apykaitoje, tiek daugelio aminorūgščių ir baltymų sintezėje.

Pagrindinis veiksnys, lemiantis kraujo ir smegenų barjero funkcionavimą, yra nervinių ląstelių metabolizmo lygis.

Neuronų aprūpinimas reikalingomis medžiagomis atliekamas ne tik per prie jų artėjančius kraujo kapiliarus, bet ir dėl minkštųjų bei voratinklinio audinio ataugų, per kurias cirkuliuoja smegenų skystis. Smegenų skystis yra kaukolės ertmėje, smegenų skilveliuose ir tarp smegenų membranų esančiose erdvėse. Žmonėms jo tūris yra apie 100–150 ml. Smegenų skysčio dėka palaikoma nervinių ląstelių osmosinė pusiausvyra ir pašalinami nerviniam audiniui toksiški medžiagų apykaitos produktai.

Tarpininkų mainų keliai ir kraujo-smegenų barjero vaidmuo metabolizme (pagal: Shepherd, 1987) 

Medžiagų prasiskverbimas per hematoencefalinį barjerą priklauso ne tik nuo kraujagyslių sienelės pralaidumo joms (medžiagos molekulinės masės, krūvio ir lipofilumo), bet ir nuo aktyvios transportavimo sistemos buvimo ar nebuvimo.

Stereospecifinis nuo insulino nepriklausomas gliukozės transporteris (GLUT-1), užtikrinantis šios medžiagos perdavimą per hematoencefalinį barjerą, gausus smegenų kapiliarų endotelio ląstelėse. Šio transporterio aktyvumas gali užtikrinti 2–3 kartus didesnio gliukozės kiekio, nei smegenims reikia normaliomis sąlygomis, pristatymą.

Kraujo ir smegenų barjero transporto sistemų charakteristikos (pagal: Pardridge, Oldendorf, 1977)

Perkeliamos jungtys	Pageidaujamas substratas	Km, mm	Vmax nmol/min*g
Heksozės	Gliukozė	9	1600
Monokarboksirūgštys	Laktatas	1.9	120
Neutralios aminorūgštys	Fenilalaninas	0,12	30
Esminės aminorūgštys	Lizinas	0,10	6
Aminai	Cholinas	0,22	6
Purinai	Adeninas	0,027	1
Nukleozidai	Adenozinas	0,018	0,7

Vaikams, kurių sutrikusi šio transporterio veikla, smegenų skystyje žymiai sumažėja gliukozės kiekis, sutrinka smegenų vystymasis ir veikla.

Monokarboksirūgštys (L-laktatas, acetatas, piruvatas) ir ketoniniai kūnai yra transportuojami atskiromis stereospecifinėmis sistemomis. Nors jų pernašos intensyvumas yra mažesnis nei gliukozės, jos yra svarbus metabolinis substratas naujagimiams ir badavimo metu.

Cholino pernašą į centrinę nervų sistemą taip pat reguliuoja transporteris, o pernašą gali reguliuoti acetilcholino sintezės greitis nervų sistemoje.

Vitaminai nėra sintetinami smegenyse ir yra tiekiami iš kraujo naudojant specialias transporto sistemas. Nepaisant to, kad šios sistemos pasižymi santykinai mažu transporto aktyvumu, normaliomis sąlygomis jos gali užtikrinti smegenims reikalingo vitaminų kiekio transportavimą, tačiau jų trūkumas maiste gali sukelti neurologinius sutrikimus. Kai kurie plazmos baltymai taip pat gali prasiskverbti pro kraujo ir smegenų barjerą. Vienas iš jų prasiskverbimo būdų yra receptorių sukelta transcitozė. Taip insulinas, transferinas, vazopresinas ir insuliną primenantis augimo faktorius prasiskverbia pro barjerą. Smegenų kapiliarų endotelio ląstelės turi specifinius šių baltymų receptorius ir gali endocituoti baltymų-receptorių kompleksą. Svarbu tai, kad dėl vėlesnių įvykių kompleksas suyra, nepažeistas baltymas gali būti atpalaiduotas priešingoje ląstelės pusėje, o receptorius vėl gali būti integruotas į membraną. Polikatijoniniams baltymams ir lektinams transcitozė taip pat yra būdas prasiskverbti pro kraujo ir smegenų barjerą, tačiau ji nėra susijusi su specifinių receptorių darbu.

Daugelis kraujyje esančių neurotransmiterių negali prasiskverbti pro smegenų barjerą (BBB). Taigi, dopaminas šio gebėjimo neturi, o L-DOPA prasiskverbia pro BBB naudodamas neutralią aminorūgščių pernašos sistemą. Be to, kapiliarų ląstelėse yra fermentų, kurie metabolizuoja neurotransmiterius (cholinesterazę, GABA transaminazę, aminopeptidazes ir kt.), vaistus ir toksines medžiagas, o tai užtikrina smegenų apsaugą ne tik nuo kraujyje cirkuliuojančių neurotransmiterių, bet ir nuo toksinų.

BBB darbe taip pat dalyvauja nešiklio baltymai, kurie perneša medžiagas iš smegenų kapiliarų endotelio ląstelių į kraują, neleisdami joms prasiskverbti į smegenis, pavyzdžiui, b-glikoproteinas.

Ontogenezės metu įvairių medžiagų pernašos per smegenų barjerą greitis labai pasikeičia. Taigi, b-hidroksibutirato, triptofano, adenino, cholino ir gliukozės pernašos greitis naujagimiams yra žymiai didesnis nei suaugusiesiems. Tai atspindi santykinai didesnį besivystančių smegenų energijos ir makromolekulinių substratų poreikį.

[ 1 ], [ 2 ], [ 3 ], [ 4 ], [ 5 ]