Проницаемость гематоэнцефалического барьера в норме, при нарушении развития головного мозга и нейродегенерации

Гематоэнцефалический барьер (ГЭБ) осуществляет активное взаимодействие между кровотоком и ЦНС. Наличие такого барьера, с одной стороны, ограничивает транспорт из крови в мозг потенциально токсичных и опасных веществ, с другой - обеспечивает транспорт газов, питательных веществ к мозгу и удаление метаболитов. Изучение механизмов функционирования ГЭБ - одна из ключевых задач, решение которой имеет не только фундаментальное, но и прикладное значение. Известно, что физиологическая проницаемость ГЭБ уступает место патологической при различных видах патологии ЦНС (ишемия, гипоксия головного мозга, травмы и опухоли, нейродегенеративные заболевания), причем изменения проницаемости носят избирательный характер и зачастую являются причиной неэффективности фармакотерапии [9].

Анатомические элементы, из которых складывается структура барьера, не только защищают мозг, но и регулируют его жизнедеятельность, питание, выведение продуктов обмена веществ. Этими элементами являются функционально и анатомически связанные между собой эндотелиоциты капилляров головного мозга, астроциты, нейроны и перициты, в последнее время объединяемые понятием «нейроваскулярная единица» [23].

Эндотелиоциты. Эндотелиоциты капилляров головного мозга значительно отличаются от аналогичных клеток других органов и тканей организма. Именно им отводится основная роль непосредственной регуляции проницаемости ГЭБ. Основные отличия эндотелиоцитов ГЭБ и периферических сосудов представлены в табл. 1.

Эндотелиоциты формируют и так называемое трансэндотелиальное электрическое сопротивление (transendothelial electrical resistance - TEER) - барьер для полярных веществ и ионов [21].

Перициты. Перициты являются удлиненными клетками, расположенными вдоль продольной оси капилляра, которые своими многочисленными отростками охватывают капилляры и посткапиллярные венулы, контактируют с эндотелиальными клетками, а также аксонами нейронов. Перициты передают нервный импульс от нейрона на эндотелиоциты, что приводит к накоплению или потере клеткой жидкости и, как следствие, изменению просвета сосудов [29]. В настоящее время перициты считаются малодифференцированными клеточными элементами, участвующими в ангиогенезе, эндотелиальной пролиферации и воспалительных реакциях [20]. Они оказывают стабилизирующий эффект на новые сформировавшиеся сосуды и приостанавливают их рост, влияют на пролиферацию и миграцию эндотелиальных клеток.

Астроциты. Работа всех транспортных систем ГЭБ контролируется астроцитами [6]. Эти клетки окутывают своими окончаниями сосуды и контактируют непосредственно с эндотелиоцитами [16], оказывают существенное влияние на формирование плотных контактов между эндотелиоцитами и определяют свойства эндотелиоцитов ГЭБ [4, 36]. При этом эндотелиоциты приобретают способность к повышенной экструзии ксенобиотиков из ткани мозга [24]. Астроциты, так же как и перициты, являются посредниками в передаче регулирующих сигналов от нейронов к эндотелиоцитам сосудов [8, 45] через кальций-опосредованные и пуринергические взаимодействия [44].

Нейроны. Капилляры головного мозга иннервируются норадрен-, серотонин-, холин- и ГАМКергическими нейронами [23]. При этом нейроны входят в состав нейровас­кулярной единицы и оказывают существенное влияние на функции ГЭБ. Они индуцируют экспрессию ГЭБ-ассоциированных белков в эндотелиоцитах головного мозга, регулируют просвет сосудов головного мозга, проницаемость ГЭБ [39].

Таким образом, все клетки-компоненты ГЭБ находятся в тесной анатомической и функциональной связи между собой, что и обеспечивает уникальность данного биологического барьера.

Поступление определенных эндогенных соединений в мозг осуществляется посредством различных транспортных механизмов (пассивный транспорт - диффузия, активный - требующий энергии). Диффузия соединений через плазматическую мембрану эндотелиальных клеток зависит от физико-химических свойств этих соединений (растворимость в липидах, молекулярная масса, электрический заряд и степень ионизации). S. Rapoport и соавт. [31] описали связь между диффузией через ГЭБ и растворимостью соединений в липидах. Жирорастворимые вещества легко проникают через плазматическую мембрану эндотелиальных клеток и также легко уравновешиваются между тканями мозга и сосудами [12]. В лабораторных исследованиях подтверждена тесная корреляция липидной растворимости соединений и их гематоэнцефалической проницаемости [40].

Однако не все липофильные соединения легко проникают через ГЭБ, как можно было бы ожидать. Идентифицированы специальные комплексы, осуществляющие активный транспорт определенных веществ в мозг и, таким образом, поддерживающие постоянство химического гомеостаза в ЦНС [18] (табл. 2).

При нормальном функционировании ГЭБ не только регулирует поступление лекарственных или эндогенных веществ в мозг, но и контролирует трансбарьерную миграцию клеток. Нормально функционирующий слой клеток эндотелия обеспечивает тромборезистентную поверхность, что предотвращает адгезию лейкоцитов, тромбоцитов и активацию факторов коагуляции, изолирует мозг от контроля иммунной системы и позволяет лишь некоторым мононуклеарным клеткам (например, активированные Т-клетки) мигрировать в ЦНС. Низкая экспрессия основных антигенов комплекса гистосовместимости, небольшое количество антигенпрезентирующих клеток, а также особенности лимфоциркуляции делают ЦНС изолированной от воздействия иммунной системы [22, 43].

Нарушение целостности и проницаемости ГЭБ является неотъемлемым компонентом патогенеза ишемического и инфекционного поражения головного мозга [5], однако в значительно меньшей степени изучены особенности функционирования ГЭБ при нарушениях развития головного мозга и нейродегенеративных заболеваниях. Вместе с тем понимание молекулярных механизмов таких изменений является не только важным шагом в изучении патогенеза заболеваний, но и «ключом» к повышению эффективности фармакотерапии. В последние годы появились убедительные экспериментальные доказательства нарушения структуры тесных контактов и дизрегуляции белков-транспортеров ГЭБ при таких нарушениях развития головного мозга, как аутизм, шизофрения, эпилепсия, а также нейродегенерациях (болезни Альцгеймера и Паркинсона) [14].

Болезнь Альцгеймера (БА) - нейродегенеративное заболевание, характеризующееся прогрессирующим ухудшением когнитивных функций и поведенческими изменениями, что ассоциировано с нарушениями структуры синапсов и потерей нейронов вследствие отложения β-амилоида и т-белка в ткани мозга, развитием митохонд­риальной дисфункции, окислительного стресса, дизрегуляцией ионного гомеостаза. Изменение проницаемости ГЭБ характеризует самые начальные стадии развития БА [35], что связывают с развитием амилоидной васкулопатии [19]. Нарушение целостности ГЭБ при БА, очевидно, вызвано повреждением клеток эндотелия вследствие токсического действия ?-амилоида, однако существует гипотеза об амилоидстимулированных неоангиогенезе и гиперваскуляризации, приводящих к повышению проницаемости ГЭБ [10]. Ключевыми событиями в формировании дисфункции церебрального эндотелия, определяющей развитие патологической проницаемости ГЭБ при БА, считают прямую токсичность ?-амилоида в отношении эндотелиоцитов, развитие воспаления, нарушение процессов восстановления эндотелия, цитокининдуцированное повреждение клеток-компонентов ГЭБ, альтерацию лейкоцит-эндотелиальных взаимодействий. Не менее интересной представляется роль нарушения межклеточной коммуникации (нейроно-астроглиальная и астроглия-эндотелиальная) в рамках нейроваскулярной единицы в изменении проницаемости ГЭБ при БА и нарушении транспорта амилоида через ГЭБ [32].

Об изменении структуры и проницаемости ГЭБ при другом нейродегенеративном заболевании - болезни Паркинсона (БП) имеются единичные данные [13].

Ранее считалось, что при БП нет изменений барьерной функции в системе кровь-цереброспинальная жидкость, что предполагает неповрежденный ГЭБ. Позднее обнаружили, что проницаемость ГЭБ при БП увеличивается в substantia nigra (SN) и стриатуме. Кроме того, в нигростриальном пути имеются множественные небольшие повреждения сосудов и клеток, а также скопления активированной микроглии. Провоспалительные цитокины (α-ФНО, ИЛ-1β и ИЛ-6), высвобожденные активированной микроглией, индуцируют перегруппировку и изменение экспрессии белков плотных контактов (ZO-1 и окклюдин), что приводит к патологической проницаемости ГЭБ. Другой причиной изменения проницаемости является увеличение экспрессии белков клеточной адгезии (селектин ICAM-1), которые облегчают миграцию иммунных клеток в области воспаления и дегенерации через парацеллюлярные механизмы [17].

У пациентов с БП обнаружено снижение активности одного из транспортных белков (P-гликопротеин - P-gp)), при этом зафиксировано повышенное проникновение [11C]верапамила (субстрат для Р-gp) в средний мозг. При нарушении транспортных систем ГЭБ отмечается накоп­ление продуктов метаболизма и токсинов, что может привести к нейротоксичности, окислительному стрессу, активации микроглии и развитию нейродегенеративных заболеваний [5, 6, 17, 34].

Маркерами нарушения проницаемости ГЭБ при БП могут являться нейроспецифические белки: нейроноспецифическая енолаза (НСЕ), глиофибриллярный кислый белок (GFAP), α-гликопротеид, которые попадают в периферическую кровь при массивном разрушении клеток ЦНС, - так называемый феномен прорыва ГЭБ [1, 3]. Однако эти же маркеры обнаруживаются и при другой патологии, например перинатальном гипоксически-ишемическом поражении головного мозга [2].

Расстройства аутистического спектра представляют собой группу нарушений развития, характеризующихся изменениями в социальном взаимодействии, а также ограниченными, повторяющимися и стереотипными моделями поведения. Сложный характер этих нарушений в сочетании с отсутствием биологических маркеров для диа­гностики создают проблемы в осуществлении контроля за распространенностью аутизма. В настоящее время идентифицированы некоторые гены-кандидаты, ассоциированные с развитием аутизма у части пациентов, что позволяет предположить ключевые пути патогенеза с учетом роли соответствующих белков в регуляции активности клеток головного мозга (убиквитинпротеинлигаза, субъединица рецептора ГАМК, рецептор серотонина 5-HT2A, транспортер серотонина, гамартин, аденилсукцинатлиаза, аденозиндезаминаза, рилин и др.); определен ряд нейрохимических корреляций аутистического поведения (гиперсеротонинемия, гипердофаминемия, гипернорадреналинемия, холинергический дефицит, гипоокситоцинемия, нарушение продукции эндогенных опиоидов); изучается вклад экзогенных факторов (инфекция, интоксикация, в том числе в пренатальном периоде) в патогенез нарушения развития головного мозга [26, 28]. Однако роль нарушения целостности ГЭБ при аутизме ранее не рассматривалась.

Вместе с тем в подтверждение недавно высказанной гипотезы о существенной роли иммунных нарушений в развитии аутизма отмечено изменение проницаемости ГЭБ при этом заболевании, что связывают с активацией процесса трансэндотелиальной миграции лейкоцитов. Интересно, что снижение уровня растворимой формы молекулы CD31 (эндотелиальное происхождение) - sPECAM-1, контролирующей процессы роллинга и миграции лейкоцитов через клетки эндотелия, коррелирует с выраженностью поведенческих нарушений у детей с аутизмом [27].

Другим не менее важным фактором, регулирующим проницаемость ГЭБ при аутизме, являются циркулирующие аутоантитела в отношении фетальных белков головного мозга, появлению которых способствуют состояния, ассоциированные с высоким риском развития заболеваний аутистического спектра (перинатальный стресс, воспаление) [7].

В целом иммунологическая дисфункция и воспаления являются основными факторами в нарушении целостности ГЭБ. Примечательно, что усиленная адгезия и миграция лейкоцитов через ГЭБ формируют некоторые звенья патогенеза аутизма, при этом наибольшее внимание уделяют изучению роли тучных клеток в стресс-индуцированном повышении проницаемости ГЭБ, что способствует развитию нейровоспаления, активации и повреждению клеток. В числе механизмов, запускающих такие процессы, - ответ на поврежденные клеточные макромолекулы (DAMPs), например митохондриальные ДНК, секретируемые во внеклеточное пространство в очаге иммунного воспаления и обладающую нейротоксическим действием, проявляющиеся поведенческими изменениями [38].

Воспалительный процесс, затрагивающий микроциркуляторное русло, вызывающий активацию глиальных клеток и секрецию медиаторов воспаления в клетках головного и спинного мозга, наблюдается при различной патологии ЦНС. При этом на эндотелиоцитах увеличивается экспрессия молекул адгезии, что способствует проникновению лейкоцитов в мозговую ткань. Например, увеличение продукции эндотелиоцитами ИЛ-6 и PGE2 предполагает, что эти медиаторы участвуют в передаче воспалительного сигнала на другие клетки головного мозга (астроциты, микроглия, перициты и периваскулярные макрофаги) [4, 25, 30, 41]. Наличие цитокинов в цереброспинальной жидкости было описано при БА и шизофрении [23]. Помимо этого, при прогрессировании этих заболеваний наблюдается увеличение пассивного транспорта веществ через открывшиеся плотные контакты, повышение везикулярного транспорта.

Эти наблюдения формируют доказательную базу концепции о роли нейроиммунных взаимодействий в регуляции развития ЦНС и так называемого барьерогенеза, нарушение которых оказывает существенный эффект не только в раннем постнатальном периоде, но и в отдаленные сроки индивидуального развития [37]. Дисфункция ГЭБ, возникающая в период эмбрионального развития головного мозга, может иметь результатом запуск механизмов, нарушающих процессы нейро-, синаптогенеза и в итоге приводящих к развитию шизофрении, аутизма, БА [33]. В этом контексте не менее интересными представляются данные об изменении проницаемости и структуры ГЭБ при физиологическом старении [11, 15], определяющие характер изменений в стареющем мозге и особенности проявлений острой и хронической нейродегенерации.

Ключевые события, определяющие нарушения проницаемости ГЭБ при дефектах развития головного мозга, острой и хронической нейродегенерации, приведены в табл. 3.

Следует отметить, что до сих пор почти не изучены контролирующие проницаемость ГЭБ клеточно-молекулярные механизмы во взаимосвязи с процессами нейро-, синаптогенеза, апоптоза в ЦНС, а также изменениями сложных форм поведения в (пато)физиологических условиях. Несомненно, такие исследования внесут важный вклад в понимание закономерностей развития и функцио­нирования головного мозга. Кроме того, понимание молекулярных механизмов регуляции фунциональной активности компонентов ГЭБ является обязательным условием для разработки новых эффективных методов фармакотерапии, в том числе с применением средств доставки или препаратов, направленно изменяющих проницаемость ГЭБ [42], что в совокупности с другими нейробиологическими и нейрохимическими данными обеспечит прорыв в терапии заболеваний, связанных с нарушением развития ЦНС или нейродегенерацией.

Работа выполнена при поддержке гранта в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (Соглашение № 8061, 2012-2013 гг.).