1.
Какую основную функцию реализует в организме гемато-энцефалический барьер?
Чтобы реализовать самую важную функцию гемато-энцефалического барьера, его система блокирует проникновение нежелательных молекул в мозг, таким образом выступая в качестве привратника для поддержания нормальной физиологии ( гомеостаза) мозга.
Какая структура гемато-энцефалического барьера?
Для достижения своей основной функции данный барьер имеет уникальную структуру. Во-первых, эндотелиальные клетки мозга создают сосудистую стенку, чтобы разделить сторону просвета крови и паренхиму мозга. Промежутки между эндотелиальными клетками мозга запечатаны плотными и адгезивными белками соединения; к ним относятся клаудины, окклюдин и вспомогательные белки, такие как Zonula occludens (ZO) (Luissint, A., et.al., 2012). Эти соединительные белки синергически увеличивают физическое сопротивление гемато-энцефалического барьера, блокируя прохождение через него крупных молекул. Традиционно считалось, что молекулярный проход через межклеточное соединение невозможен из-за существования белков плотного контакта.
Какие клетки мозга принимают участие в формировании гемато-энцефалического барьера?
Клеточные компоненты, включая перициты и астроциты, также включены в сосудистую стенку и могут значительно повысить сопротивление этого барьера, так что оно достигает мегаангстремных уровней. Эндотелиальные клетки мозга могут ингибировать транспорт периферических молекул в мозг. Обычно считается, что транспорт опосредован через блокаду входа молекул путем образования межклеточных соединений.
Как функционирует трансцеллюлярный путь гемато-энцефалического барьера?
Последние исследования продемонстрировали, что помимо описанного выше парацеллюлярного пути , образования межклеточных соединений опосредовано активацией эндолизосомального пути деградации, который избирательно распознает молекулы, способные пересекать гемато-энцефалический барьер, и молекулы, которые должны быть деградированы перед их попаданием в мозг. Это путь обозначается как трансцеллюлярный. Было показано, что молекулы, которые попадают в ранний эндосомальный путь транспортировки, расходятся в ранний эндосомальный путь транспортировки или поздний эндосомально-лизосомальный путь деградации, где несущественные молекулы легко деградируют.
Какие известны транспортеры гемато-энцефалического барьера?
В то время как широкий спектр жирорастворимых молекул может пассивно диффундировать через гемато-энцефалический барьер, такие молекулы, как ксенобиотики и эндогенные метаболиты, полагаются на активный отток для транспортировки через этот барьер в мозг. Данный процесс включает работу оттокных насосов со специфическими транспортерами, которые активно перемещают субстраты в мозг. Особенно, важными являются "оттокные транспортеры", а именно транспортеры аденозинтрифосфат -связывающей кассеты и транспортеры растворенных веществ гемато-энцефалического барьера. Транспортеры аденозинтрифосфат -связывающей кассеты состоят из молекулярного насоса на клеточной мембране с двумя трансмембранными доменами и двумя цитозольными доменами, существующими в месте связывания аденозинтрифосфата (Rees D. et.al., 2009).
2.
Какие молекулы при патологических состояниях проникают через гемато-энцефалический барьер?
Известно, что гемато-энцефалический барьер не позволяет проникать малым молекулам, которые являются полярными, или молекулам, которые больше 500 Да (Pulgar V., 2018). Некоторые молекулы с меньшим молекулярным весом могут пересекать барьер через плотные контакты, но даже в таких случаях многие небольшие молекулы являются субстратами для переносчиков лекарств. Для регулирования этого процесса существование белков плотного контакта блокирует проникновение молекул через парацеллюлярный путь. Этот процесс более заметен в случае патологических состояний, когда молекулы доставляются через парацеллюлярный путь, где гемато-энцефалический барьер может обеспечить защиту от токсичных молекул и периферических факторов, таких как фибриноген, иммуноглобулин и комплементы, которые, как известно, являются иммуногенными в мозге. Кроме того, в случаях тяжелых патологических состояний проникновение периферических молекул, которые могут вызывать иммунные реакции, было подтверждено в нескольких исследованиях. Например, в случаях рассеянного склероза повреждение парацеллюлярного пути, которое опосредовано активацией иммунных реакций, вызывает проникновение периферических иммунных клеток, включая Т-клетки CD-4 и макрофаги, в мозг. Постоянное проникновение периферических молекул, таких как фибриноген, усугубляет повреждение плотных контактов (Frischer J. et.al., 2009). Эти процессы опосредованы активацией матриксных металлопротеиназ, которые разрушают молекулы контактов, и секрецией цитокинов, которые приводят к нарушению контактов путем активации Rho-GTPase. Также хорошо известно, что активация Rho-GTPase посредством высвобождения цитокинов может нарушить целостность барьера посредством активации Rho-GTPase, тем самым усиливая повреждение межклеточных контактов (Gopalakrishnan S., et.al., 1998). После того, как межклеточные соединения нарушены, задействуется несколько механизмов для смягчения повреждения посредством устранения щелей в соединениях путем индукции образования кортикального актина (например, восстановление межклеточных соединений под действием сфингомиелина).
Какие аутоиммунные заболевания связаны со структурными изменениями в гемато-энцефалического барьера?
Структурные изменения в гемато-энцефалического барьера связаны с аутоиммунными заболеваниями, такими как рассеянный склероз, и микрососудистыми повреждениями, такими как инсульты (Kadry, H., et.al., 2020) Потеря соединений в этом барьере является маркером его нарушения, что приводит к микрокровотечениям. Так, например, потеря перицитов наблюдалась в мозге с неврологическими заболеваниями, включая рассеянный склероз. Истощение перицитов вызывает ослабление функции гемато-энцефалического барьера, что приводит к увеличению проницаемости крови. Кроме того, астроциты, которые также принимают участие в строительстве гемато-энцефалического барьера, также изменяют свои струкутры и функциим в мозге пациентов с рассеянным склерозом. В частности, экспериментальная модель животных с аутоиммунным энцефаломиелитом показала уменьшение количества астроцитарных окончаний в мозге (Eilam R., et.al., 2018).
От чего зависит проникновение лекарств черех гемато-энцефалический барьер?
Гемато-энцефалический барьер является препятствием для доставки терапевтических средств, направленных на лечение психоневрологических расстройств в ткани мозга. Только молекулы, отобранные эндотелиальными клетками мозга, могут проходить через этот барьер. Судьба доставки лекарств определена транспортной системой на эндотелиальных клетках мозга. Например, рецептор трансферрина доставляет трансферрин из крови в мозг через опосредованный рецепторами трансцитоз (Fishman, J. et.al., 1987). Однако эффлюксные насосы, такие как белок множественной лекарственной устойчивости 1 (MDR1), экспрессируемый в эндотелиальных клетках мозга, способны возвращать лекарство в кровь (Löscher, W., & Potschka, H., 2005). Таким образом, препаратов в мозг представляет собой еще одно препятствие из-за существования транспортеров и/или соединительных белков, которые в высокой степени экспрессируются на эндотелиальных клетках мозга, выстилающих гемато-энцефалический барьер, что значительно снижает доставку лекарств в мозг.
3.
В чем сложность разработки препаратов , проникающих через гемато-энцефалический барьер?
Предложено множество подходов для увеличения проницаемости лекарств, включая манипулирование целостностью гемато-энцефалического барьера посредством использования химических воздействий, модуляции сигнальных путей и модификации лекарств (Achar, A., et.al., 2021). Одни из этих подходов оказались успешными, но большинство продемонстрировали ограниченный успех в улучшении доставки лекарств, в то время как другие даже демонстрируют серьезные побочные эффекты, включая необратимое повреждение целостности этого барьера. Эффективность, с которой лекарственные препараты доставляются в мозг и остальную часть тела, определяется фармакокинетикой и фармакодинамикой. Фармакокинетика описывается как всасывание, метаболизм и выведение лекарственных препаратов в организме, и эти процессы контролируются транспортерами, экспрессируемыми на клеточной мембране. При расстройствах головного мозга поступление лекарственных препаратов в мозг из кровеносной системы является первым препятствием для эффективности лекарственных препаратов.
Какие методы позволяют повысить проницаемость гемато-энцефалического барьера для лекарств?
Большинство рецепторов, которые экспрессируются на эндотелиальных клетках мозга, являются рецепторами, сопряженными с G-белком (GPCR). Активация этих рецепторов вызывает приток кальция в эндотелиальные клетки мозга, что может потенциально увеличить щели соединений, что приводит к повышенной проницаемости молекул из периферической системы. Несколько исследований показали, что активация GPCR может вызывать реорганизацию F-актина, тем самым следуя реструктуризации молекул соединений. Например, активация аденозиновых рецепторов продемонстрировала образование полимеризованного актина в эндотелиальных клетках мозга (Kim D.G., Bynoe M.S., 2015). Более того, многочисленные исследования показали разрушительный эффект плотных контактов в эндотелиальных клетках мозга, что приводит к повышенной проницаемости периферически вводимых терапевтических препаратов в мозг. Было также показано, что повышенная проницаемость была опосредована активацией Rho-GTPase и последующей активацией миозин-легкой цепи киназ. Более того, применение одобренного FDA препарата Regadenoson (Lexiscan, Northbrook, IL: Astellas Pharma US, Inc) продемонстрировало перспективность активации рецепторной сигнализации для увеличения проницаемости больших молекул в мозг. Напротив, ингибирование этого рецептора и вышестоящей молекулы, которая генерирует аденозин (CD73), может потенциально блокировать проникновение иммунных клеток в мозг . Активация аденозиновых рецепторов (AR) вызывает подавление экспрессии и активности генов множественной лекарственной устойчивости (MDR), включая P-gp, что приводит к блокированию проникновения противораковых препаратов в мозг. Это показывает, что активация AR может вызывать подавление экспрессии P-gp путем активации убиквитинирования и миграции в нерастворимую фракцию этого белка и впоследствии вызывать повышенное накопление эпирубицина, который является субстратом для P-гликопротеина (Kim D.G., Bynoe M.S, 2015). Таким образом, эти результаты дополнительно указывают на то, что активация AR может вызывать повышение парацеллюлярной и трансцеллюлярной проницаемости. Эндотелиальные клетки мозга также экспрессируют рецепторы для нейротрансмиттеров. Недавние исследования показали, что активация рецепторов NMDA на эндотелиальных клетках мозга может вызывать нарушение целостности барьера клетки в мозге, возможно, предполагая повышенную проницаемость, опосредованную активацией этого рецептора. Более поздние исследования продемонстрировали, что активация рецепторов NMDA в эндотелиальных клетках мозга может вызывать эту повышенную проницаемость посредством активации протеинкиназы C (PKC) и Rho-GTPase, которая подавляет функцию лизосомальной активности и потенциально повышает проницаемость молекул.
Выводы
Эндотелиальные клетки мозга образуют сосудистую стенку, разделяющую сторону просвета крови и паренхиму мозга, промежутки между этими клетками "запечатаны" плотными и адгезивными белками (клаудины, окклюдин и вспомогательные белки, такие как Zonula occludens)
Астроциты и перициты принимают активное участие в формирование гемато-энцефалического барьера
Судьба доставки лекарств определена транспортной системой ( включая рецепторы) на эндотелиальных клетках мозга.
Эффлюксные насосы, такие как белок множественной лекарственной устойчивости 1 (MDR1), экспрессируемый в эндотелиальных клетках мозга, способны возвращать лекарство в кровь
Структурные изменения гемато-энцефалического барьера связаны с аутоиммунными и сосудистыми заболеваниями
Литература
Achar, A., Myers, R., & Ghosh, C. (2021). Drug delivery challenges in brain disorders across the blood–brain barrier: novel methods and future considerations for improved therapy. Biomedicines, 9(12), 1834.
Eilam R., Segal M., Malach R., Sela M., Arnon R., Aharoni R. Astrocyte disruption of neurovascular communication is linked to cortical damage in an animal model of multiple sclerosis. Glia. 2018;66:1098–1117.
Fishman, J. B., Rubin, J. B., Handrahan, J. V., Connor, J. R., & Fine, R. E. (1987). Receptor‐mediated transcytosis of transferrin across the blood‐brain barrier. Journal of neuroscience research, 18(2), 299-304.
Frischer J.M., Bramow S., Dal-Bianco A., Lucchinetti C.F., Rauschka H., Schmidbauer M., Laursen H., Sorensen P.S., Lassmann H. The relation between inflammation and neurodegeneration in multiple sclerosis brains. Brain. 2009;132:1175–1189
Gopalakrishnan S., Raman N., Atkinson S.J., Marrs J.A. Rho GTPase signaling regulates tight junction assembly and protects tight junctions during ATP depletion. Am. J. Physiol. 1998;275:C798–C809
Kadry, H., Noorani, B., & Cucullo, L. (2020). A blood–brain barrier overview on structure, function, impairment, and biomarkers of integrity. Fluids and Barriers of the CNS, 17, 1-24.
Kim D.G., Bynoe M.S. A2A Adenosine Receptor Regulates the Human Blood-Brain Barrier Permeability. Mol. Neurobiol. 2015;52:664–678
Löscher, W., & Potschka, H. (2005). Blood-brain barrier active efflux transporters: ATP-binding cassette gene family. NeuroRx, 2(1), 86-98.
Luissint, A. C., Artus, C., Glacial, F., Ganeshamoorthy, K., & Couraud, P. O. (2012). Tight junctions at the blood brain barrier: physiological architecture and disease-associated dysregulation. Fluids and Barriers of the CNS, 9, 1-12.
Pulgar V.M. Transcytosis to Cross the Blood Brain Barrier, New Advancements and Challenges. Front. Neurosci. 2018;12:1019.
Rees D.C., Johnson E., Lewinson O. ABC transporters: The power to change. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2009;10:218–227.
Добавить комментарий