Что такое гематоэнцефалический барьер? Уникальная система самозащиты или причина неизлечимости заболеваний? или Что такое гематоэнцефалический барьер головного мозга? Через гематоэнцефалический барьер не проникают

Гематоэнцефалический барьер присутствует у всех позвоночных. Он проходит между центральной нервной и кровеносной системами. Далее рассмотрим подробнее такой термин, как "гематоэнцефалический барьер": что это такое, какие задачи он выполняет.

Исторические сведения

Первые свидетельства о том, что существует гематоэнцефалический барьер, были получены Паулем Эрлихом в 1885 году. Он выяснил, что краситель, введенный в кровоток крысы, попал во все ткани и органы, за исключением головного мозга. Эрлих высказал предположение, что вещество не распространилось на мозговые ткани в процессе внутривенного введения из-за того, что не имело с ними родства. Этот вывод оказался неверным. В 1909 году ученик Эрлиха, Гольдман, определил, что краситель синий трипановый не проникает при внутривенном введении в мозг, но окрашивает сплетение сосудов желудочков. В 1913 году он продемонстрировал, что введенное контрастное вещество в спинномозговую жидкость лошади либо собаки распределяется по тканям спинного и головного мозга, но не затрагивает при этом периферические органы и системы. Основываясь на результатах опытов, Гольдман выдвинул предположение о том, что между кровью и мозгом существует препятствие, предотвращающее проникновение нейротоксических соединений.

Физиология человека

Головной мозг имеет вес, примерно равный 2% от массы всего тела. Потребление кислорода ЦНС находится в пределах 20% от общего объема, поступающего в организм. От прочих органов головной мозг отличается наименьшим запасом питательных соединений. При помощи только анаэробного гликолиза обеспечивать свои энергетические потребности нервные клетки не в состоянии. При прекращении поступления крови в мозг через несколько секунд происходит потеря сознания, а спустя 10 минут гибнут нейроны. Физиология человека устроена таким образом, что энергетические потребности мозговых структур обеспечиваются благодаря активному транспорту питательных соединений и кислорода сквозь ГЭБ. Кровеносные сосуды ЦНС обладают некоторыми структурно-функциональными особенностями. Это отличает их от кровеносных сетей прочих систем и органов. Данные отличительные черты обеспечивают питание, поддержание гомеостаза и выведение продуктов жизнедеятельности.

Гематоэнцефалический барьер: физиология

Нормальная деятельность мозга возможна только в условиях биохимического и электролитного гомеостаза. Колебания содержания кальция в крови, рН и прочих показателей не должны оказывать влияние на состояние ткани нервов. Она также должна быть защищена от проникновения нейромедиаторов, циркулирующих в крови и способных изменить активность нейронов. В мозг не должны попадать чужеродные агенты: патогенные микроорганизмы и ксенобиотики. Особенности строения ГЭБ способствуют тому, что он является и иммунологическим препятствием, поскольку непроницаем для большого количества антител, микроорганизмов и лейкоцитов. Нарушения в гематоэнцефалическом барьере могут спровоцировать поражения ЦНС. Множество неврологических патологий косвенно либо напрямую связано с повреждением ГЭБ.

Структура

Каково строение гематоэнцефалического барьера? В качестве основного элемента выступают эндотелиальные клетки. Гематоэнцефалический барьер включает в себя также астроциты и перициты. В церебральных сосудах присутствуют плотные контакты между эндотелиальными клетками. Промежутки между элементами ГЭБ меньше, чем в прочих тканях организма. Эндотелиальные клетки, астроциты и перициты выступают в качестве структурной основы гематоэнцефалического барьера не только у людей, но и у большинства позвоночных.

Формирование

До конца ХХ века существовало мнение, что у новорожденных и эмбриона гематоэнцефалический барьер и его функции не развиты в полной мере. Такое достаточно широко распространенное мнение было обусловлено несколькими неудачными опытами. В ходе экспериментов эмбрионам и взрослым животным вводились красители, связанные с белками, или прочие маркеры. Первые такие опыты были проведены в 1920 году. Вводимые эмбрионам маркеры распространялись по ткани головного и жидкости спинного мозга. У взрослых животных этого не наблюдалось. В процессе проведения экспериментов были допущены некоторые ошибки. В частности, в одних опытах использовался слишком большой объем красителя, в других - было повышено осмотическое давление. В результате этого происходило частичное повреждение в сосудистой стенке, вследствие чего маркер распространялся по ткани мозга. При правильной постановке опыта прохождения сквозь гематоэнцефалический барьер не отмечалось. В крови эмбриона в большом объеме присутствуют молекулы таких соединений, как трансферрин, альфа1-фетопротеин, альбумин. Эти вещества не обнаруживаются, однако в межклеточном пространстве мозговой ткани, в эмбриональном эндотелии, выявлен транспортер Р-гликопротеин. Это, в свою очередь, свидетельствует о присутствии гематоэнцефалического барьера в пренатальном периоде.

Проницаемость

В процессе развития организма отмечается совершенствование ГЭБ. Для поляризованных небольших молекул, к примеру, сахарозы и инулина, проницаемость гематоэнцефалического барьера у новорожденного и эмбриона существенно выше, чем у взрослых. Аналогичный эффект обнаружен и для ионов. Прохождение инсулина и аминокислот сквозь гематоэнцефалический барьер значительно ускорено. Это, вероятно, связано с большой потребностью растущего мозга. Вместе с этим у эмбриона присутствует барьер между тканью и ликвором - "ремневые контакты" между элементами эпендимы.

Механизмы прохождения сквозь ГЭБ

Основных путей преодоления барьера существует два:

Легче всего сквозь гематоэнцефалический барьер проникнуть молекулам небольшого размера (кислороду, например) либо элементам, легко растворимым в липидных мембранных компонентах, располагающихся в глиальных клетках (этанол, к примеру). За счет использования высокоспециализированных механизмов для преодоления гематоэнцефалического барьера через него проникают грибки, бактерии, вирусы. К примеру, возбудители герпеса проходят через нервные клетки слабого организма и попадают в ЦНС.

Использование свойств ГЭБ в фармакологии

Современные эффективные медикаменты разрабатываются с учетом проницаемости гематоэнцефалического барьера. К примеру, фармпромышленность выпускает синтетические анальгетики на основе морфина. Но в отличие от него препараты не проходят сквозь ГЭБ. Благодаря этому медикаменты эффективно избавляют от боли, не делая при этом пациента морфинозависимым. Существуют различные антибиотики, проникающие через гематоэнцефалический барьер. Многие из них считаются незаменимыми при лечении тех или иных инфекционных патологий. При этом необходимо помнить, что передозировка препаратами может спровоцировать серьезные осложнения - паралич и гибель нервов. В связи с этим специалисты крайне не рекомендуют самолечение антибиотиками.

Медикаменты, проходящие сквозь ГЭБ

Гематоэнцефалический барьер отличается избирательной проницаемостью. Так, некоторые из биологически активных соединений - катехоламины, к примеру, - не проходят ГЭБ. Тем не менее существуют небольшие области рядом с гипофизом, эпифизом и рядом участков гипоталамуса, где данные вещества могут проникнуть через гематоэнцефалический барьер. Назначая лечение, врач учитывает особенности ГЭБ. К примеру, в практической гастроэнтерологии проницаемость барьера принимается во внимание в процессе оценки интенсивности побочного действия определенных медикаментов на органы пищеварения. В этом случае предпочтение стараются отдавать тем лекарствам, которые хуже проходят сквозь ГЭБ. Что касается антибиотиков, то среди хорошо проникающих через барьер следует отметить препарат "Нифурател". Он известен также под названием "Макмирор". Хорошо преодолевают ГЭБ прокинетики первого поколения. К ним, в частности, относят такие средства, как "Бимарал", "Метоклопрамид". Активным веществом в них выступает бромоприд.

Хорошо проходят ГЭБ и препараты следующих поколений прокинетиков. Среди них можно назвать такие медикаменты, как "Мотилак", "Мотилиум". В них активное вещество - домперидон. Хуже проникают через гематоэнцефалический барьер такие препараты, как "Итомед" и "Ганатон". В них действующее вещество - итоприд. Наилучшая степень прохождения через ГЭБ отмечается у таких медикаментов, как "Ампициллин" и "Цефазолин". Следует также сказать, что способность проникать через гематоэнцефалический барьер у жирорастворимых соединений выше, чем у водорастворимых.

По определению Штерн, (ГЭБ, blood-brain barrier (BBB))- это совокупность физиологических механизмов и соответствующих анатомических образований в центральной нервной системе, участвующих в регулировании состава цереброспинальной жидкости (ЦСЖ). Это определение из книги Покровского и Коротько "Физиология человека" .

Гематоэнцефалический барьер регулирует проникновение из крови в мозг биологически активных веществ, метаболитов, химических веществ, воздействующих на чувствительные структуры мозга, препятствует поступлению в мозг чужеродных веществ, микроорганиз­мов, токсинов.
В представлениях о гематоэнцефалическом барьере в качестве основных положений подчеркивается следующее:
1) проникновение веществ в мозг осуществляется главным образом не через ликворные пути, а через кровеносную систему на уровне капилляр - нервная клетка;
2) гематоэнцефалический барьер является в большей степени не анатомическим образованием, а функциональным понятием, характеризующим определенный физиологический механизм. Как любой существующий в организме физиологический механизм, гематоэнцефалический барьер находится под регулирующим влиянием нервной и гуморальной систем;
3) среди управляющих гематоэнцефалическим барьером факторов ведущим является уровень деятельности и метаболизма нервной ткани.
Основной функцией, характеризующей гематоэнцефалический барьер, является проницаемость клеточной стенки. Необходимый уровень физиологической проницаемости, адекватный функциональному состоянию организма, обусловливает динамику поступления в нервные клетки мозга физиологически активных веществ.
Проницаемость гематоэнцефалического барьера зависит от функционального состояния организма, содержания в крови медиаторов, гормонов, ионов. Повышение их концентрации в крови приводит к снижению проницаемости гематоэнцефалического барьера для этих веществ.

Гистологическая структура

Функциональная схема гематоэнцефалического барьера включает в себя наряду с гистогематическим барьером нейроглию и систему ликворных пространств. Гистогематический барьер имеет двойную функцию: регуляторную и защитную. Регуляторная функция обеспечивает относительное постоянство физических и физико-химических свойств, химического состава, физиологической активности межклеточной среды органа в зависимости от его функционального состояния. Защитная функция гистогематического барьера заключается в защите органов от поступления чужеродных или токсичных веществ эндо- и экзогенной природы.
Ведущим компонентом гематоэнцефалического барьера, обеспечивающим его функции, является стенка капилляра мозга. Существуют два механизма проникновения вещества в клетки мозга:
- через цереброспинальную жидкость, которая служит промежуточным звеном между кровью и нервной или глиальной клеткой, которая выполняет питательную функцию (так называемый ликворный путь)
- через стенку капилляра.
У взрослого организма основным путем движения вещества в нервные клетки является гематогенный (через стенки капилляров); ликворный путь становится вспомогательным, дополнительным.

Морфологическим субстратом ГЭБ являются анатомические элементы, расположенные между кровью и нервными клетками (так называемые межэндотелиальные контакты, охватывающие клетку в виде тесного кольца и препятствующие проникновению веществ из капилляров). Отростки глиальных клеток (концевые ножки астроцитов), окружающие капилляр, стягивают его стенку, что уменьшает фильтрационную поверхность капилляра, препятствует диффузии макромолекул. Согласно другим представлениям, глиальные отростки являются каналами, способными избирательно экстрагировать из кровотока вещества, необходимые для питания нервных клеток, и возвращать в кровь продукты их обмена. Важное значение в функции ГЭБ придается так называемому ферментному барьеру. В стенках микрососудов мозга, окружающей их соединительнотканной стромы, а также в сосудистом сплетении обнаружены ферменты, способствующие нейтрализации и разрушению поступающих из крови веществ. Распределение этих ферментов неодинаково в капиллярах разных структур мозга, их активность изменяется с возрастом, в условиях патологии.

Функционирование ГЭБ

В основе функционирования ГЭБ лежат процессы диализа, ультрафильтрации, осмоса, а также изменение электрических свойств, растворимости в липидах, тканевого сродства или метаболической активности клеточных элементов. Важное значение в функционирование придается ферментному барьеру, например, в стенках микрососудов мозга и окружающей их соединительнотканной стромы (гематоэнцефалический барьер) - обнаружена высокая активность ферментов - холинэстеразы, карбоангидразы, ДОФА-декарбоксилазы и др. Эти ферменты, расщепляя некоторые биологически активные вещества, препятствуют их проникновению в мозг.
Водорастворимые молекулы не могут свободно диффундировать между кровью и ЦСЖ из-за непроницаемых жестко связанных соединений между эпителиальными клетками сосудистых сплетений, вместо этого эпителиальные клетки переносят определенные молекулы с одной стороны барьера на другую. Как только молекулы попадают в ЦСЖ, они диффундируют через «протекающий» эпителиальный слой и достигают интерстициальной жидкости, окружающей нейроны и глиальные клетки.
1.Эндотелиальная клетка
2.Плотное соединение
3.Церебральный капилляр
4.Нейрон
5.Глюкоза
6.Интерстициальная жидкость
7.Глиальная клетка
8.Эпендимный слой

1.Хориоидальное сплетение, эпителиальная клетка
2.Капилляр
3.Плотное соединение
4.Эпендимный слой

Эпителиальные клетки переносят определенные молекулы из капилляров внутрь желудочков головного мозга. Поток ионов, пересекающий ГЭБ (кровь-ЦСЖ) регулируется несколькими механизмами в сосудистом сплетении:
1.Кровеносный сосуд (плазма)
2.Базолатеральная (нижнебоковая) поверхность
3.Эпителиальная клетка сосудистого сплетения
4.Жесткая связь
5.Желудочки
6.Апикальная (верхняя) поверхность
7.СМЖ в желудочке
8.Ионный обмен

Молекулы воды в эпителиальных клетках диссоциируют на ионы водорода и гидроксильные ионы. Гидроксильные ионы комбинируются с двуокисью углерода, которая является продуктом клеточного метаболизма. На поверхности базолатеральных клеток ионы водорода обмениваются на внеклеточные ионы натрия из плазмы. В желудочках мозга ионы натрия активно переносятся через апикальную поверхность клетки (верхушку). Это сопровождается компенсаторным движением ионов хлорида и бикарбоната в ЦСЖ. Для поддержания осмотического равновесия вода движется в желудочки.

Проницаемость и регуляция ГЭБ

ГЭБ рассматривают в качестве саморегулирующейся системы, состояние
которой зависит от потребностей нервных клеток и уровня метаболических
процессов не только в самом мозге, но и в других органах и тканях
организма. Проницаемость ГЭБ неодинакова в разных отделах мозга,
селективна для разных веществ и регулируется нервными и гуморальными
механизмами. Важная роль в нейрогуморальной регуляции функций ГЭБ
принадлежит изменению интенсивности метаболических процессов в ткани
мозга, что доказывается угнетающим влиянием ингибиторов метаболических
процессов на скорость транспорта аминокислот в мозг и стимуляцией их
поглощения субстратами окисления.
Регуляция функций гематоэнцефалического барьера осуществляется высшими отделами ЦНС и гуморальными факторами. Значительная роль в регуляции отводится гипоталамо-гипофизарной адреналовой системе. При различных видах церебральной патологии, например травмах, различных воспалительных поражениях ткани мозга, возникает необходимость искусственного сниже­ния уровня проницаемости гематоэнцефалического барьера. Фармакологическими воздействиями можно увеличить или уменьшить проникновение в мозг различных веществ, вводимых извне или циркулирующих в крови. Проникновение в мозг в области гипоталамуса, где ГЭБ «прорван», различных патологических агентов сопровождается разнообразной симптоматикой нарушений вегетативной нервной системы. Имеются многочисленные доказательства снижения защитной функции ГЭБ под влиянием алкоголя, в условиях эмоционального стресса, перегревания и переохлаждения организма, воздействия ионизирующего излучения и т. д. В то же время экспериментально установлена способность некоторых препаратов, например пентамина, этаминал-натрия, витамина Р уменьшать проникновение в мозг определенных веществ.

ГЭБ- это система защиты мозга от внешних повреждающих факторов. Как говорилось выше, при травмах, патологических процессах она может нарушаться. Кроме того, у некоторых микробов выработались высокоспециализированные механизмы (пока малоизученные) преодоления этого барьера. Известно, что вирусы бешенства и вирусы простого герпеса (у человека) и реовирус (у экспериментальных животных) попадают в ЦНС, передвигаясь по нервам, а инкапсулированные бактерии и грибы обладают поверхностными компонентами, позволяющими им проходить через гематоэнцефалический барьер.
Таким образом, механизмы преодоления гематоэнцефалического барьера высокоспециализированы. Так, они имеются лишь у определенных серотипов возбудителей, способных вызывать менингит. Менингит новорожденных, например, вызывают только те Streptococcus agalactiae , которые относятся к серотипу III. Другие серотипы тоже патогенны, но вызывают инфекционные процессы вне ЦНС. Такая избирательность, видимо, определяется пространственной структурой капсульного полисахарида серотипа III, так как капсульные полисахариды других серотипов содержат те же компоненты, но имеют иную пространственную структуру.

ГЭБ работает как селективный фильтр, пропускающий в цереброспинальную жидкость одни вещества и не пропускающий другие, которые могут циркулировать в крови, но чужды мозговой ткани. Так, не проходят через ГЭБ адреналин, норадреналин, ацетилхолин, дофамин, серотонин, гамма-аминомасляная кислота (ГАМК), пенициллин, стрептомицин.

Билирубин всегда находится в крови, но никогда, даже при желтухе, он не проходит в мозг, оставляя неокрашенной лишь нервную ткань. Поэтому трудно получить эффективную концентрацию какого-либо лекарственного препарата, чтобы оно достигло паренхимы мозга. Проходят через ГЭБ морфий, атропин, бром, стрихнин, кофеин, эфир, уретан, алкоголь и гамма-оксимасляная кислота (ГОМК). При лечении, например, туберкулезного менингита стрептомицин вводят непосредственно в цереброспинальную жидкость, минуя барьер с помощью люмбальной пункции.

Необходимо учесть необычность действия многих веществ, введенных непосредственно в цереброспинальную жидкость. Трипановый синий при введении в цереброспинальную жидкость вызывает судороги и смерть, аналогичное действие оказывает желчь. Ацетилхолин, введенный непосредственно в мозг, действует как адреномиметик (аналогично адреналину), а адреналин, наоборот, - как холиномиметик (аналогично ацетилхолину) : артериальное давление понижается, возникает брадикардия, температура тела вначале снижается, а потом повышается.
Он вызывает наркотический сон, заторможенность и аналгезию. Ионы К+ выступают в качестве симпатомиметика, а Са2+ - парасимпатомиметика . Лобелин - рефлекторный стимулятор дыхания, проникая через ГЭБ, вызывает ряд побочных реакций (головокружение, рвоту, судороги). Инсулин при внутримышечных инъекциях снижает содержание сахара крови, а при непосредственном введении в цереброспинальную жидкость - повышает.

Все лекарства, выпускающиеся в мире, делятся на проникаюшие и не проникающие через ГЭБ. Это является большой проблемой- некоторые лекарства не должны проникать (но проникают), а некоторые наоборот- должны проникать для достижения терапевтического эффекта, но не могут в силу своих свойств. Факмакологи занимаются разрешением этой проблемы с помощью компьютерного моделирования и экспериментальных исследований.

ГЭБ и старение

Как говорилось выше, одна из важнейших частей ГЭБ- астроциты. Формирование ГЭБ и является их основной функцией в мозге.
Проблема трансформации клеток (РГ) в звездчатые астроциты в
постнатальный период развития лежит в основе астроцитной теории
старения млекопитающих.
Имеет место исчезновение эмбриональных радиальных путей миграции клеток
от места их пролиферации к местам их конечной локализации в мозгу
взрослой особи, что является причиной постмитотичности мозга
млекопитающих. Исчезновение РГ индуцирует целый каскад системных
процессов, которые названы как механизм возрастзависимого
самоуничтожения млекопитающих (МВСМ). Исчезновение клеток РГ делает
невозможной замену исчерпавших свой жизненный ресурс нейронов
(Бойко,2007).
Возрастные изменения ГЭБ еще не изучены полностью.В повреждении ГЭБ несомненную роль играют атеросклероз, алкоголизм и др. заболевания. При недостаточном функционировании ГЭБ начинается проникновение холестерина и аполипопротеина в ткань мозга, что ведет к большему повреждению ГЭБ.
Возможно, изучив возрастные изменения ГЭБ, ученые смогут приблизится к разгадке проблемы старения.

ГЭБ и болезнь Альцгеймера

Старение мозга и нейродегенеративные заболевания связаны с оксидативным стрессом, нарушением содержания металлов и воспалением, и далеко не последнюю роль в этом играет ГЭБ. Например, рецепторы гликозилированных белков (РГБ) и протеин-1, связанный с рецепторами липопротеина низкой плотности (П1-РЛП), встроенные в структуру ГЭБ, играют основную роль в регуляции обмена бета-амилоида в ЦНС, и изменение активности этих двух рецепторов может способствовать накоплению бета-амилоида в ЦНС с последующим развитием воспаления, нарушением баланса между мозговым кровообращением и метаболизмом, изменением синаптической передачи, повреждением нейронов и отложением амилоида в паренхиме и сосудах головного мозга. А в результате- болезнь Альцгеймера. Накопление аполипопротеина в периваскулярном (околососудистом) пространстве- ключевой момент в развитии этого страшного заболевания, которое распространяется все с большей скоростью и уже поражает лиц моложе 40 лет. О роли аполипопротеина и повреждении астроцитов ГЭБ пишут немецкие авторы под руководством Dr. Dietmar R. Thal из Department of Neuropathology , University of Bonn .
Кроме того, некоторые исследователи считают, что болезнь Альцгеймера может носить и аутоиммунную природу- проникновение церебрального протеина в кровоток через дефицитарный ГЭБ. В сосудистой системе образуются антитела, атакующие мозг при повторном переходе через барьер.

Многие ученые связывают развитие нейродегенеративных заболеваний и поддержание нервных стволовых клеток с активностью ABC transporters- АТФ-связывающих транспортеров. ABCB-семейство этих транспортеров обнаружено в ГЭБ. В недавней статье исследовательской группы под руководством профессора Jens Pahnke из Neurodegeneration Research Laboratory (NRL) , Department of Neurology, University of Rostock обсуждаются накопленные данные. Ученые полагают, что благодаря изучению роли и функционирования ABC transporters можно будет глубже понять патогенез болезни Альцгеймера, создать новые подходы в терапии и математические методы для расчета риска.
В апреле 2008 года в BBC News появилось сообщение Джонатана Гейгера из University of North Dakota о том, что ежедневное употребление одной чашки кофе в день укрепляет гематоэнцефалический барьер, защищая мозг от вредного воздействия холестерина. Исследователи под руководством Джонатана Гейгера кормили кроликов пищей с высоким содержанием холестерина. Кроме того, некоторые животные ежедневно получали воду, содержащую 3 мг кофеина (что эквивалентно одной чашке кофе). Спустя 12 недель, у кроликов, получавших кофеин, гематоэнцефалический барьер оказался значительно прочнее, чем у их собратьев, употреблявших обычную воду, сообщил Гейгер. Гистологическое исследование мозга кроликов показало повышение активности астроцитов – клеток микроглии мозга, а также снижение проницаемости ГЭБ. Новые данные могу помочь в борьбе с болезнью Альцгеймера, при которой происходит повышение уровня холестерина в крови пациентов и, как следствие разрушение ГЭБ, полагают ученые.

Другим средством от болезни Альцгеймера могут стать ионофоры- аналоги 8- гидрокси- хинолина (PBT2), которые действуют на метал-индуцированную агрегацию амилоида. Об этом В 2006 году ученые из Department of Chemical and Biological Engineering , University of Wisconsin-Madison под руководством Eric V. Shusta продемонстрировали способность нервных стволовых клеток эмбрионального мозга крыс стимулировать приобретение клетками кровеносных сосудов свойств гематоэнцефалического барьера .
В работе использовались стволовые клетки мозга, выращиваемые в виде нейросфер. Такие клетки синтезируют факторы, воздействие которых на эндотелиальные клетки, выстилающие внутреннюю поверхность сосудов мозга, заставляет их формировать плотный барьер, не пропускающий малые молекулы, обычно свободно проникающие через сосудистую стенку.
Авторы отмечают, что формирование такого зачаточного гематоэнцефалического барьера происходит даже при полном отсутствии астроцитов – клеток, обеспечивающих поддержание структуры и функционирования структур мозга, в том числе гематоэнцефалического барьера, но появляющихся в больших количествах только после рождения.
Тот факт, что развивающиеся клетки мозга стимулируют превращение эндотелиальных клеток в клетки гематоэнцефалического барьера, не только проливает свет на механизмы, обеспечивающие безопасность мозга. Авторы планируют создать аналогичную модель гематоэнцефалического барьера с использованием человеческих эндотелиальных и нервных стволовых клеток. Если их попытки увенчаются успехом, то в распоряжении исследователей-фармакологов в скором будущем появится функционирующая модель человеческого гематоэнцефалического барьера, помогающая в преодолении препятствий, стоящих на пути нейробиологов, врачей и разработчиков лекарственных средств, пытающихся найти способы доставки в мозг тех или иных препаратов.

В заключение

В заключение хотелось бы сказать, что гематоэнцефалический барьер- удивительная структура, которая защищает наш мозг. Сейчас ведется множество исследований ГЭБ, в основном их ведут фармакологические компании и эти исследования имеют своей целью определение проницаемости ГЭБ для различных веществ, в основном кандидатов на роль лекарств от тех или иных заболеваний. Но этого недостаточно. С проницаемостью ГЭБ связано страшное возраст-ассоциированное заболевание- болезнь Альцгеймера. С проницаемостью ГЭБ связано старение мозга. Старение ГЭБ ведет за собой старение других структур мозга, а метаболические изменения в стареющем мозге ведут за собой изменения функционирования ГЭБ.
Можно выделить несколько задач для исследователей:
1) Определение проницаемости ГЭБ для различных веществ и анализ накопленных экспериментальных данных -необходимо для создания новых лекарств.

2) Исследование возрастных изменений ГЭБ.

3) Изучение возможностей регуляции функционирования ГЭБ.

4) Изучение роли изменений ГЭБ в возникновении нейродегенеративных заболеваний

Сейчас необходимы исследования этих вопросов, потому что болезнь Альцгеймера "молодеет". Может быть, научившись правильно регулировать функциональное состояние ГЭБ, научившись укреплять его, научившись понимать глубинные метаболические процессы в мозге ученые наконец-то найдут средства от возраст-ассоциированных заболеваний мозга и
старения...

Гематоэнцефалический барьер (от др.-греч. αἷμα , родительный падеж от αἷματο — кровь и др.-греч. εγκεφαλος — головной мозг) — полупроницаемый барьер между кровью и нервной тканью, препятствующий проникновению в мозг крупных или полярных молекул, а также клеток крови, в том числе иммунной системы. В физиологии и фармацевтике часто употребляется сокращение-аббревиатура ГЭБ .

Гематоэнцефалический барьер (ГЭБ) защищает центральную нервную систему от проникновения химических соединений и разнообразных вредных агентов как за счёт обеспечения физического барьера, так и благодаря наличию в мембранах формирующих её клеток молекулярных насосов, направляющих нежелательные вещества из спинномозговой жидкости обратно в кровеносную систему.

Гематоэнцефалический барьер (ГЭБ) регулирует транспорт из кро­ви в мозг биологически активных веществ, метаболитов, химических веществ, препятствуя проникновению в ЦНС переносимых кровью чужеродных веществ, микроорганиз­мов, токсинов, нейромедиаторов, гормонов, антибиотиков.

У взрослого человека имеется два способа проникновения веще­ства через ГЭБ: основной, гематогенный, — через стенку капилляра и дополнительный, ликворный, — через цереброспинальную жидкость, служащей промежуточным звеном между кровью и нервной или глиальной клеткой. Через гематоэнцефалический барьер проникают либо молекулы небольшого размера (пример — кислород), либо растворимые в липидных компонентах мембран глиальных клеток (пример — молекулы спирта этанола), используя высокоспециализированные механизмы преодоления этого барьера. Например, вирусы бешенства и герпеса человека попадают в ЦНС, перемещаясь по нервным клеткам, а инкапсулированные бактерии и грибы имеют позволяющие проникать сквозь ГЭБ поверхностные компоненты. Некоторые вещества могут переноситься через гематоэнцефалический барьер путём активного транспорта.

Гематоэнцефалический барьер и выбор лекарств

В практической гастроэнтерологии проницаемость гематоэнцефалического барьера (ГЭБ) важна при оценке побочных эффектов от применения конкретных препаратов при лечении заболеваний пищевода , желудка , двенадцатиперстной кишки и других органов. Предпочтение отдается препаратам, хуже преодалевающим гематоэнцефалический барьер.

Так, прокинетики I поколения церукал , реглан и другие (активное вещество метоклопрамид) и бимарал (активное вещество бромоприд) хорошо проникают через гематоэнцефалический барьер, а следующие поколения прокинетиков: мотилиум и мотилак (активное вещество домперидон) и ганатон и итомед (активное вещество итоприд) проникают через ГЭБ плохо. Поэтому последние со значительно меньшей вероятностью могут быть причиной экстрапирамидальных расстройств, таких как: спазмы лицевой мускулатуры, тризмы, ритмическая протрузия языка, бульбарный тип речи, спазмы экстраокулярных мышц, спастическая кривошея, опистотонус, мышечный гипертонус и другие.

Другие лекарства, проникающие и не проникающие через гематоэнцефалический барьер

Не проникают: антибактериальное средство (антибиотик) амоксициллин (торговые наименования: Амоксисар, Амоксициллин, Амоксициллин в капсулах 0,25 г, Амоксициллин Ватхэм, Амоксициллин ДС, Амоксициллин натрия стерильный, Амоксициллин Сандоз, Амоксициллин-ратиофарм, Амоксициллин-ратиофарм 250 ТС, Амоксициллина порошок для суспензии 5 г, Амоксициллина таблетки, Амоксициллина тригидрат, Амоксициллина тригидрат (Пуримокс), Амосин Гоноформ, Грамокс-Д, Грюнамокс, Данемокс, Оспамокс, Флемоксин Солютаб , Хиконцил , Экобол) и другие.

Гематоэнцефалический барьер – это своего рода преграда, которая препятствует прониканию из крови в ткань мозга токсических веществ, микроорганизмов, а также антибиотиков.
Мозговой барьер – это фильтр, сквозь который из артерии в мозг попадают полезные вещества, а в венозное русло выводятся различные отработанные продукты. Барьер на пути к мозгу является механизмом, защищающим ткани от посторонних элементов и регулирующим неизменность состава межклеточной жидкости.

Общая информация о гематоэнцефалическом барьере

Естественный заслон способствует защите ткани мозга от всевозможных инородных тел и ядовитых шлаков, которые проникли в кровь или образовались непосредственно в организме. Преграда задерживает компоненты, которые могут навредить очень чувствительным клеткам головного, а также спинного мозга.
Функция ГЭБ – это установить некий щит, способствующий избирательной пропускаемости.

Естественный барьер на пути к тканям мозга пропускает одни вещества и является непроницаемым для иных. Правда, непроницаемость данной преграды относительна и зависит от здоровья человека, от длительности пребывания и концентрации различных веществ в его крови, от всякого рода внешних причин. Сам барьер состоит из различных анатомических компонентов. А они не только оберегают мозг, но и следят за его питанием, обеспечивают жизнедеятельность, выводят отработанные продукты.

ГЭБ является механизмом, который налаживает попадание имеющихся в крови полезных компонентов в спинномозговую жидкость и нервную ткань. Это не какая-то совокупность органов, а функциональная концепция. Большинство полезных веществ поступает в ткани мозга не через ликворные маршруты, а благодаря капиллярам.

Физиология — как работает ГЭБ

Мозговой барьер – это не отдельный орган тела, а совокупность различных анатомических составляющих. Эти составляющие исполняют роль преграды и обладают другими полезными свойствами. Мозговые капилляры – первые компоненты, входящие в структуру этого своеобразного преграждения.
Главная задача мозговых капилляров – это доставка крови непосредственно к мозгу человека. Через стенки клеток в мозг проникает всё необходимое питание, а продукты обмена, наоборот, выводятся. Процесс этот происходит непрерывно. Но только не все вещества, находящиеся в крови, могут проникнуть сквозь эти стенки.

Мозговые капилляры – это своего рода первоначальная оборонительная линия. Для некоторых веществ она проходима, а для остальных – полупроницаема или совершенно непроходима. Структура капилляров, точнее, их внутренней прослойки такова, что разнообразные компоненты перемещаются из крови в ликвор сквозь щёлочки между клетками, а также сквозь тончайшие зоны этих клеток.
Причём стенки капилляров не обладают такими порами, как клетки иных органов. Эти элементы попросту нагромождаются друг на дружку. Места стыковок между ними заслонены специальными пластинами. Щёлочки между клетками слишком узенькие. Передвижение жидкости из капилляров в нервную ткань происходит сквозь их стенки.

Структура клеток капилляров имеет некоторые особенности. Клетки состоят из набора митохондрий, а это является признаком о происходящих в них энергетических процессах. В капиллярных клетках слишком мало вакуолей, в особенности в прилегающей к просвету капилляра стороне. Но на рубеже с нервной материей их количество намного выше. А это свидетельствует о том, что пропускаемость капилляра по направлению из кровеносной системы к тканям мозга намного ниже, чем в противоположной направленности.

Важную роль в реализации преграждающей задачи капилляров играет находящаяся под покровом эндотелиальных элементов очень стойкая мембрана с прослойкой гликокаликса. А составляющие эту прослойку компоненты создают своего рода сеть, которая является ещё одним преграждением для молекул разных компонентов. Капилляры мозга имеют ферменты, которые снижают активность некоторых химических компонентов, перемещающихся из крови в ткань человеческого мозга.
Но одних капилляров мало для осуществления заградительной задачи. Вторая черта преграждений располагается между капиллярами и нейронами. В этом месте природой создано переплетение астроцитов с их отростками и образование ещё одного защитного слоя – нейроглии.

Покрывается почти весь поверхностный слой мозговых капилляров благодаря присосковым ножкам астроцитов. Они также могут расширять просвет капилляра, или, наоборот, его уменьшать. С их помощью происходит питание нейронов. Присосковые ножки вытягивают из крови нужные нейронам питательные компоненты, а обратно выводят отработанные продукты.
Но естественная преграда состоит не только лишь из нейроглии. Препятствующими свойствами характеризуются обволакивающие мозг мягкие оболочки, а также сосудистые переплетения его боковых желудочков. Пропускаемость сосудистых переплетений, вернее, их капилляров, намного выше, чем мозговых капилляров. А щели между их клетками гораздо шире, но они замкнуты очень прочными контактами. Именно здесь и находится третья ступень ГЭБ.

Мозговой заслон не только бережёт мозг от посторонних и ядовитых компонентов, имеющихся в крови, но и стабилизирует состав питательной среды, в которой находятся нервные клетки.

Нужные для жизнедеятельности компоненты мозг получает благодаря присосковым ножкам клеток, а также через ликвор. В мозге имеются внеклеточные участки. А на дне микробороздок мозга есть мельчайшие проходы, которые открываются в межклеточные участки. Благодаря ним питательная жидкость прмщатся в мозг и служит питанием для нейронов.

Есть 2 способа питания мозга:
благодаря спинномозговой жидкости;
сквозь капиллярные стенки.

У здорового человека основным путём попадания компонентов в нервные ткани является гематогенный, а ликворный маршрут – дополнительный. Каким компонентам перемещаться в мозг, а каким нет, решает ГЭБ.

Проницаемость барьера

Мозговая преграда не только останавливает и не допускает к мозгу некоторые вещества, имеющиеся в крови, но и доставляет нужные для метаболизма нервной ткани компоненты. Гидрофобные компоненты, а также пептиды перемещаются в ткани мозга сквозь каналы мембраны клеток, с помощью различных транспортных систем или диффузии.

Существуют такие способы перемещения через ГЭБ:

1. Межклеточный. Суть системы: питательные продукты передвигаются в мозг сквозь стенки клеток.
2. Благодаря каналам. В мембране клеток имеются щели – аквапоры. Через них происходит попадание воды. Для глицерина на поверхности мембран клеток также имеются специальные проходы – акваглицеропорины.
3. Диффузия. Передвижение компонентов может происходить сквозь клеточные мембраны и сквозь межклеточные контакты. Чем липофильнее и меньше проходящее вещество, тем проще оно диффундирует сквозь мембрану клеток.
4. Диффузия (облегчённая). Многие полезные для мозга компоненты (различные аминокислоты) слишком большие, чтобы пройти сквозь клеточную мембрану. Для них на поверхности клеток существуют специальные транспортёры, а также белковые молекулы.
5. Активные транспортёры. Перенос различных веществ требует расходов клеточной энергии и осуществляется благодаря активным транспортёрам.
6. Везикулярный. Происходит связывание полезных для мозга компонентов, перемещение их во внеклеточные участки и высвобождение связанных элементов.

ГЭБ есть во многих участках мозга. Но в шести анатомических образованиях его нет. Отсутствует барьер на дне 4 желудочка, в шишковидном теле, в нейрогипофизе, в прикреплённой пластинке мозга, в субфорникальном и субкомиссуральном органах.
Проницаемость естественного барьера обуславливается состоянием здоровья человека, а также содержанием в крови гормонов. Болезненное состояние приводит к повышению проницаемости.

Повреждения барьерного щита бывают при таких болезнях:

• бактериальная инфекция ЦНС;
• вирусы;
• опухоли мозга;
• сахарный диабет.

Таким образом, у здорового человека мозговой щит работает отлично и служит преградой для прохождения разнообразных компонентов в мозг. Происходит это благодаря капиллярам мозга. Их клетки не имеют пор. Кроме того, роль дополнительной липидной преграды играют и астроглии. Сквозь естественную преграду плохо проходят полярные образования. Но липофильные молекулы проходят к мозгу очень просто. Заслон преодолевается в основном благодаря диффузии или активному передвижению. В организме есть участки мозга, в которых барьер не действует (задняя стенка гипофиза, эпифиз). Если человек болеет, то проходимость становится выше.

Использование ГЭБ в фармакологии

Мозговой барьер избирательно проходим для различных лекарственных средств. Для того чтобы излечить заболевания мозга лекарства должны проникнуть в его ткани. А это не всегда возможно. Но во время воспалительных заболеваний мозга проницаемость барьера несколько повышается, в результате чего сквозь него проходят лекарства, которые при нормальном состоянии не преодолели бы это препятствие.
При воспалительных процессах важно преодолеть преграждающий заслон. Ведь нужно добиться проникновения лекарств в мозг. Но при искусственном преодолении естественного препятствия в мозг порой перемещаются не только лекарства, но и вредные шлаки.

В медицинской практике самым эффективным методом лечения мозга является ввод лекарства в желудочки мозга, другими словами, в обход барьера.

Лекарства, которые плохо проникают сквозь мозговой барьер, могут вводиться под оболочки мозга. Таким образом лечится менингит, а также воспаление мозга.
Медикаменты разрабатываются с учётом проходимости мозгового барьера.

Синтетические анальгетики, имеющие в своём составе морфин, наоборот, обязаны лишь избавлять человека от боли, но не проходить ГЭБ. Существуют антибиотики, лечащие воспалительные процессы, которые отлично проходят мозговой барьер. К ним относятся: «Нифурател», «Макмирор», «Бимарал», «Метоклопрамид». Хорошо проходят барьер медикаменты: «Мотилиум», «Мотилак». Наилучшая степень прохождения мозгового барьера у «Ампицилина» и «Цефазолина». Способность проникать сквозь ГЭБ у жирорастворимых соединений намного выше, чем у водорастворимых веществ.

Гистогематический барьер - это совокупность морфологических структур, физиологических и физико-химических механизмов, функционирующих как единое целое и регулирующих потоки веществ между кровью и органами.

Гистогематические барьеры участвуют в поддержании гомеостаза организма и отдельных органов. Благодаря наличию гистогематических барьеров каждый орган живет в своей особой среде, которая может значительно отличаться от по составу отдельных ингредиентов. Особенно мощные барьеры имеются между и мозгом, кровью и тканью половых желез, кровью и влагой камер глаза, кровью матери и плода.

Гистогематические барьеры различных органов имеют как различия, так и ряд общих черт строения. Непосредственный контакт с кровью во всех органах имеет слой барьера, образованный эндотелием кровеносных капилляров. Кроме того, структурами ГГБ являются базальная мембрана (средний слой) и адвентициальные клетки органов и тканей (наружный слой). Гистогематические барьеры, изменяя свою проницаемость для различных веществ, могут ограничивать или же облегчать их доставку к органу. Для ряда токсичных веществ они непроницаемы, в чем проявляется их защитная функция.

Важнейшие механизмы, обеспечивающие функционирование гистогематических барьеров, далее рассматриваются на примере гематоэнцефалического барьера, наличие и свойства которого врачу особенно часто приходится учитывать при применении лекарственных препаратов и различных воздействий на организм.

Гематоэнцефалический барьер

Гематоэнцефалический барьер - это совокупность морфологических структур, физиологических и физико-химических механизмов, функционирующих как единое целое и регулирующих потоки веществ между кровью и тканью мозга.

Морфологической основой гематоэнцефалического барьера являются эндотелий и базальная мембрана мозговых капилляров, интерстициальные элементы и гликокаликс, астроциты нейроглии, охватывающие своими ножками всю поверхность капилляров. В перемещении веществ через гематоэнцефалический барьер участвуют транспортные системы эндотелия капиллярных стенок, включающие везикулярный транспорт веществ (пино- и экзоцитоз), транспорт через каналы с участием или без участия белков-переносчиков, ферментные системы, модифицирующие или разрушающие поступающие вещества. Уже упоминалось, что в нервной ткани функционируют специализированные транспортные системы воды, использующие белки-аквапорины AQP1 и AQP4. Последние формируют водные каналы, регулирующие образование цереброспинальной жидкости и обмен воды между кровью и тканью мозга.

Капилляры мозга отличаются от капилляров других органов тем, что эндотелиальные клетки образуют непрерывную стенку. В местах контакта наружные слои эндотелиальных клеток сливаются, образуя так называемые «плотные контакты».

Гематоэнцефалический барьер выполняет для мозга защитную и регулирующую функции. Он защищает мозг от действия ряда веществ, образующихся в других тканях, чужеродных и токсичных веществ, участвует в транспорте веществ из крови в мозг и является важнейшим участником механизмов гомеостаза межклеточной жидкости мозга и ликвора.

Гематоэнцефалический барьер обладает избирательной проницаемостью для различных веществ. Некоторые биологически активные вещества, например катехоламины, практически не проходят через этот барьер. Исключение составляют лишь небольшие участки барьера на границе с гипофизом, эпифизом и некоторыми участками , где проницаемость гематоэнцефалического барьера для многих веществ высокая. В этих областях обнаружены пронизывающие эндотелий каналы и межэндотелиальные щели, по которым идет проникновение веществ из крови во внеклеточную жидкость мозговой ткани или в сами . Высокая проницаемость гематоэнцефалического барьера в этих областях позволяет биологически активным веществам (цитокинам, ) достигать тех нейронов гипоталамуса и железистых клеток, на которых замыкается регуляторный контур нейроэндокринных систем организма.

Характерной чертой функционирования гематоэнцефалического барьера является возможность изменения его проницаемости для ряда веществ в различных условиях. Тем самым гематоэнцефалический барьер способен, регулируя проницаемость, изменять взаимоотношения между кровью и мозгом. Регуляция осуществляется за счет изменения числа открытых капилляров, скорости кровотока, изменения проницаемости клеточных мембран, состояния межклеточного вещества, активности клеточных ферментных систем, пино- и экзоцитоза. Проницаемость ГЭБ может существенно нарушаться в условиях ишемии мозговой ткани, инфицирования, развития воспалительных процессов в нервной системе, ее травматическом повреждении.

Считается, что гематоэнцефалический барьер, создавая значительное препятствие для проникновения многих веществ из крови в мозг, вместе с тем хорошо пропускает такие же вещества, образовавшиеся в мозге, в обратном направлении — из мозга в кровь.

Проницаемость гематоэнцефалического барьерадля различных веществ сильно отличается. Жирорастворимые вещества, как правило, проникают через ГЭБ легче, чем водорастворимые . Легко проникают кислород, углекислый газ, никотин, этиловый спирт, героин, жирорастворимые антибиотики (хлорамфеникол и др.)

Нерастворимые в липидах глюкоза и некоторые незаменимые аминокислоты не могут проходить в мозг путем простой диффузии. Углеводы узнаются и транспортируются специальными переносчиками GLUT1 и GLUT3. Эта транспортная система настолько специфична, что различает стереоизомеры D- и L-глюкозы: D-глюкоза транспортируется, а L-глюкоза — нет. Транспорт глюкозы в ткань мозга нечувствителен к инсулину, но подавляется цитохалазином В.

Переносчики участвуют в транспорте нейтральных аминокислот (например, фенилаланина). Для переноса ряда веществ используются механизмы активного транспорта. Например, за счет активного транспорта против градиентов концентрации переносятся ионы Na + , К+ , аминокислота глицин, выполняющая функцию тормозного медиатора.

Таким образом, перенос веществ с использованием различных механизмов осуществляется не только через плазматические мембраны, но и через структуры биологических барьеров. Изучение этих механизмов необходимо для понимания сути регуляторных процессов в организме.