Гэб состав функции. Гематоэнцефалический барьер — безопасность метаболизма

Гематоэнцефалический барьер (ГЭБ) — это физиологический барьер, отделяющую кровь от цереброспинальной жидкости и внутренней среды центральной нервной системы, для того чтобы сохранить постоянство последнего. Концентрация многих веществ, таких как аминокислоты, гормоны, ионы металлов, в крови постоянно меняется особенно резко после приема пищи или физических нагрузок. Большинство органов могут терпеть такие изменения, однако на функционирование ЦНС они могли бы иметь пагубный характер приводя к хаотическому генерирования нервных импульсов отдельными нейронами, поскольку многие из веществ крови (например аминокислота глицин и гормон норадреналин) выполняют функцию нейромедиаторов, а некоторые ионы (например K +) могут изменять возбудимость нервных клеток.

Структура гематоэнцефалического барьера

В создании гематоэнцефалического барьера задействованы следующие структуры:

Эндотелий капилляров, клетки которого надежно и близко соединены между собой с помощью плотных контактов, в результате чего капилляры ЦНС менее проницаемые во всем теле. Эта составляющая является важнейшим в создании ГЭБ.
Сравнительно толстая базальная мембрана, окружающая снаружи каждый капилляр.
Цибулиноподибни «ножки» астроцитов, которые плотно облепляют капилляры. Хотя эти структуры делают вклад в создание ГЭБ, их роль заключается не столько в непосредственном обеспечении непроницаемости, сколько в том, что они стимулируют эндотелиоциты к образованию плотных контактов.

Проницаемость гематоэнцефалического барьера

Гематоэнцефалический барьер имеет избирательную проницаемость: из него путем облегченной диффузии могут транспортироваться вещества необходимы для питания нервной системы: глюкоза (при участии транспортера GLUT 1), незаменимые аминокислоты и некоторые электролиты. Липиды (жиры, жирные кислоты) и низкомолекулярные жирорастворимые вещества (кислород, углекислый газ, этанол, никотин, анестетики) могут пассивно диффундировать через мембраны ГЭБ. Такие вещества как белки, большинство токсинов и продуктов метаболизма не могут его преодолеть, а низкомолекулярные заменимые аминокислоты и ионы калия даже активно скачиваются с мозга в кровь. В частности для поддержания низкой концентрации K + используется уникальный Na + -K + -2Cl — котранспортер.

Прохождение веществ в обратном направлении — с мозга в кровь — контролируется значительно меньше, потому что цереброспинальная вещество оттекает в венозное русло через ворсинки паутинной оболочки.

Распределение гематоэнцефалического барьера

ГЭБ не одинаков в разных участках центральной нервной системы, например в соединениях сплетениях (лат. Plexus choroideus) желудочков мозга капилляры хорошо пропускающие, однако они окружены клетками эпендимой, которые уже соединены между собой плотными контактами. Иногда барьер в соединениях сплетениях отличают от гематоэнцефалического и называют гемато-спинномозковоридинним, хотя они имеют много общего.

Некоторым функциональным структурам мозга гематоэнцефалический барьер препятствует выполнять их работу, поэтому они его лишены, эти участки объединены под названием навколошлуночкови органы, поскольку расположены вблизи желудочков мозга. Например центр рвоты у продолговатом мозге у четвертого желудочка, должен следить за наличием в крови ядовитых веществ. А гипоталамус, что находится на дне третьего желудочка, должен постоянно чувствовать химический состав крови чтобы регулировать водно-солевой баланс, температуру тела и многие другие физиологических показателей. В частности он проявляет активность в ответ на действие таких белков крови как ангиотензин II, что стимулирует питья, и интерлейкин-1, который вызывает лихорадку.

Гематоэнцефалический барьер также недоразвитый у новорожденных и младенцев, из-за чего они особенно чувствительны к токсическим веществам.

Клиническое значение

Способность определенных препаратов проникать через ГЭБ является важной характеристикой их фармакокинетики. В частности, ее важно учитывать при лечении органов нервной системы. Например некоторые антибиотики фактически не способны проникать в ткани головного и спинного мозга, тогда как другие делают это достаточно легко. ГЭБ задерживает амины дофамин и серотонин, но пропускает их кислотные предшественники — L-ДОФА и 5-гидрокситриптофан.

Важным клиническим наблюдением является то, что гематоэнцефалический барьер нарушается в зонах опухолевого роста — вновь капилляры не имеют нормальных контактов с астроцитами. Это помогает в диагностике новообразований в ЦНС: если использовать альбумин меченый 131 I, он будет проникать в первую очередь в ткань опухоли, благодаря чему ее можно будет локализовать.

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.

Гематоэнцефалический барьер (от латинского слова - Repagula haematoencephalica и греческого слова - Haima - кровь и encephalon; en - в + kephale - голова) представляет собой комплексный физиологический механизм, который содержится в центральной нервной системе на границе между нервной тканью и кровью и регулирует поступление из крови в спинномозговую жидкость и нервную ткань циркулирующих в крови веществ.

Термин гематоэнцефалический барьер мозга предложил Л. Штерн в 1921 году.

Гематоэнцефалический барьер мозга и гипоталамуса принадлежит к внутренним, или гистогематическим барьерам, которые отделяют среду органов от универсальной внутренней среды - крови. Особые условия, в которых находится центральная нервная система относительно доступа к ней различных веществ, которые поступают в общую циркуляцию, отмечали отдельные исследователи. Они отмечали, что вещества, которые не вызывают никакого эффекта при введении их в общую циркуляцию, обусловливают появление различных церебральных симптомов при введении непосредственно в цереброспинальную жидкость.

До последнего времени основным методом изучения функций гематоэнцефалического барьера головного мозга и гипоталамуса было применение трипановой сини или других веществ, наличие которых в центральной нервной системе могла быть обнаружена по цветной реакции (фероцианистый натрий, йодистый калий и т.д.) или физиологическим эффектом (например, кураре).

В последние годы для изучения гематоэнцефалического барьера широко применяют новые методы исследования:

изотопный анализ
гистологическая химия
спектрофотометрия

Эти методы дают возможность количественно оценить проницаемость гематоэнцефалического барьера для различных химических веществ и его изменение в зависимости от состояния организма и влияния на него химических, физических и биологических, а также патологических факторов.

Гематоэнцефалический барьер гипоталамуса и головного мозга имеет две основные функции :

защитную, которая заключается в задержке доступа крови к нервной ткани различных веществ, которые могут повредить центральную нервную систему
регулирующую, которая заключается в регулировании состава цереброспинальной жидкости и сохранении ее устойчивости

Защитная роль гематоэнцефалического барьера мозга и гипоталамуса оказывается как в эксперименте, так и в клинической физиологии и патологии и обеспечивает особое положение, в котором находится центральная нервная система по сравнению с другими органами по отношению доступа к ней различных циркулирующих в крови веществ.

При введении в кровь кислых красок происходит окрашивание всех органов, за исключением спинного и головного мозга (окрашиваются только некоторые участки мозга, лишенные гематоэнцефалического барьера).

Введение трипановой сини в кровь обычно не сопровождается никакими явлениями со стороны центральной нервной системы благодаря защитной функции мозгового и гипоталамического гематоэнцефалического барьера.

Введение этих красителей, даже в небольших количествах, непосредственно в мозг или его желудочки, то есть в обход гематоэнцефалическому барьеру, вызывает немедленную появление симптомов тяжелого токсического поражения центральной нервной системы, нередко приводит к смерти. Те же закономерности проявляются и в отношении присущих организму веществ. При желтухе различного происхождения окрашиваются все органы и ткани, за исключением органов центральной нервной системы. Единственным случаем желтоватого окрашивания нервной ткани с тяжелыми клиническими симптомами являются ядерная желтуха новорожденных, при которой происходит окраска подкорковых ядер, что обусловлено неполным развитием гематоэнцефалического барьера гипоталамуса. Регуляторной функцией гематоэнцефалического барьера головного мозга определяется состав цереброспинальной жидкости - всей жидкости, образующейся в центральной нервной системы и циркулирует в ее пределах.

Благодаря регуляторной функции гематоэнцефалический барьер состав цереброспинальной жидкости остается постоянным даже при изменении состава крови. Регуляторная и защитная функции гематоэнцефалического барьера гипоталамуса имеют исключительное значение для нормального протекания физиологических процессов, так как высокая степень развития нервных элементов, их большая чувствительность к изменениям цереброспинальной жидкости (химического или биологического характера) требуют особенно тщательной защиты относительного постоянства состава этой жидкости.

Характерным свойством гематоэнцефалического барьера гипоталамуса есть своеобразная селективная проницаемость не только по отношению сложных веществ, которые вводятся в кровь, но и по веществ, образующихся в самом организме (например. метаболитов - гормонов и гормоноподобных веществ, медиаторов, ферментов). Эта селективность более выражена по переходу веществ из крови в цереброспинальную жидкость и органов центральной нервной системы, чем обратного перехода с цереброспинальной жидкости в кровь.

Гематоэнцефалический барьер головного мозга действует подобно селективному фильтру в направлении кровь - цереброспинальная жидкость и вроде своеобразного предохранительного клапана - в направлении цереброспинальная жидкость - кровь. Функция гематоэнцефалического барьера приобретает особое значение при наличии патологии. Его селективная проницаемость, которая сохраняется и при развитии общих заболеваний, защищает центральную нервную систему от воздействия различных токсических веществ, циркулирующих в крови. С нарушением функции гематоэнцефалического барьера связывают механизм развития некоторых патологических синдромов.

Локализация различных поражений центральной нервной системы в определенной степени зависит от проницаемости гематоэнцефалического барьера мозга для соответствующих патогенных агентов. Так, локализация поражений при различных нейроинфекциях, в частности при полиомиелите, определяется проницаемостью гематоэнцефалического барьера для патогенных агентов. В то же время сохранение нормальной непроницаемости гематоэнцефалического барьера для ряда лекарств имеет отрицательное значение при лечении некоторых заболеваний. В частности, различные антитела, существующих в норме и образуются при различных инфекционных заболеваниях, через гематоэнцефалический барьер гипоталамуса не проходят. Не проходят сквозь него много лекарственных веществ, поэтому иногда нужно вводить лекарственного препарата непосредственно в цереброспинальной жидкости. Эти обстоятельства обусловили необходимость поиска методов воздействия на гематоэнцефалический барьер с целью повышения его проницаемости для лекарственных веществ.

Гематоэнцефалический барьер исключительно важен для обеспечения гомеостаза головного мозга, однако многие вопросы, касающиеся его формирования, все еще окончательно не выяснены. Но уже сейчас совершенно ясно, что ГЭБ представляет собой максимально выраженный по дифференцированности, сложности и плотности гистогематический барьер. Основная структурная и функциональная его единица - эндотелиальные клетки капилляров мозга.

Метаболизм мозга, как никакого другого органа, зависит от веществ, поступающих с кровотоком. Многочисленные кровеносные сосуды, обеспечивающие работу нервной системы, отличаются тем, что процесс проникновения веществ через их стенки является избирательным. Эндотелиальные клетки капилляров головного мозга соединены между собой непрерывными плотными контактами, поэтому вещества могут проходить только через сами клетки, но не между ними. К наружной поверхности капилляров прилегают клетки глии - второго компонента гематоэнцефалического барьера. В сосудистых сплетениях желудочков мозга анатомической основой барьера являются эпителиальные клетки, также плотно соединенные между собой. В настоящее время гематоэнцефалический барьер рассматривается не как анатомо-морфологическое, а как функциональное образование, способное избирательно пропускать, а в ряде случаев и доставлять к нервным клеткам с помощью активных механизмов транспорта различные молекулы. Таким образом, барьер выполняет регуляторную и защитную функции

В головном мозге есть структуры, в которых гематоэнцефалический барьер ослаблен. Это, прежде всего, гипоталамус, а также ряд образований на дне 3-го и 4-го желудочков - самое заднее поле (area postrema), субфорникальный и субкомиссуральный органы, а также шишковидное тело. Целостность ГЭБ нарушается при ишемических и воспалительных поражениях мозга.

Гематоэнцефалический барьер считается окончательно сформировавшимся, когда свойства этих клеток будут удовлетворять двум условиям. Во-первых, скорость жидкофазного эндоцитоза (пиноцитоза) в них должна быть крайне низкой. Во-вторых, между клетками должны формироваться специфические плотные контакты, для которых характерно очень высокое электрическое сопротивление. Оно достигает величин 1000-3000 Ом/см 2 для капилляров мягкой мозговой оболочки и от 2000 до 8000 0м/см2 для интрапаренхимальных мозговых капилляров. Для сравнения: средняя величина трансэндотелиального электрического сопротивления капилляров скелетной мышцы составляет всего 20 Ом/см2.

Проницаемость гематоэнцефалического барьера для большинства веществ в значительной степени определяется их свойствами, а также способностью нейронов синтезировать эти вещества самостоятельно. К веществам, которые могут преодолевать этот барьер, относятся, прежде всего, кислород и углекислый газ, а также различные ионы металлов, глюкоза, незаменимые аминокислоты и жирные кислоты, необходимые для нормального функционирования мозга. Транспорт глюкозы и витаминов осуществляется с использованием переносчиков. Вместе с тем D- и L-глюкоза обладают различной скоростью проникновения через барьер - у первой она более чем в 100 раз выше. Глюкоза играет главную роль как в энергетическом обмене мозга, так и в синтезе ряда аминокислот и белков.

Ведущим фактором, определяющим функционирование гематоэнцефалического барьера, является уровень метаболизма нервных клеток.

Обеспечение нейронов необходимыми веществами осуществляется не только с помощью подходящих к ним кровеносных капилляров, но и благодаря отросткам мягкой и паутинной оболочек, по которым циркулирует цереброспинальная жидкость. Цереброспинальная жидкость находится в полости черепа, в желудочках мозга и пространствах между оболочками мозга. У человека ее объем составляет около 100-150 мл. Благодаря цереброспинальной жидкости поддерживается осмотическое равновесие нервных клеток и удаляются продукты метаболизма, токсичные для нервной ткани.

Прохождение веществ через гематоэнцефалический барьер зависит не только от проницаемости для них сосудистой стенки (молекулярной массы, заряда и липофильности вещества), но также и от наличия или отсутствия системы активного транспорта.

Стереоспецифичным инсулиннезависимым транспортером глюкозы (GLUT-1), обеспечивающим перенос этого вещества через гематоэнцефалический барьер, богаты эндотелиальные клетки капилляров мозга. Активность данного транспортера может обеспечить доставку глюкозы в количестве, в 2-3 раза превышающем то, которое требуется мозгу в нормальных условиях.

Характеристика транспортных систем гематоэнцефалического барьера (по: Pardridge, Oldendorf, 1977)

Транспортируемые соединения	Преимущественный субстрат	Vmax нмоль/мин*г

Монокарбоновые кислоты
Нейтральные аминокислоты	Фенилаланин
Основные аминокислоты


Нуклеозиды	Аденозин

У детей с нарушением функционирования этого транспортера отмечается значительное снижение уровня глюкозы в цереброспинальной жидкости и нарушения в развитии и работе мозга.

Монокарбоновые кислоты (L-лактат, ацетат, пируват), а также кетоновые тела транспортируются отдельными стереоспецифичными системами. Хотя интенсивность их транспорта ниже, чем транспорта глюкозы, они являются важным метаболическим субстратом у новорожденных и при голодании.

Транспорт холина в центральную нервную систему также опосредуется переносчиком и может регулироваться скоростью синтеза ацетилхолина в нервной системе.

Витамины мозгом не синтезируются и поставляются из крови с помощью специальных транспортных систем. Несмотря на то что эти системы обладают сравнительно низкой транспортной активностью, в нормальных условиях они могут обеспечивать транспорт необходимого для мозга количества витаминов, однако их дефицит в пище способен приводить к неврологическим расстройствам. Некоторые белки плазмы также могут проникать через гематоэнцефалический барьер. Одним из способов их проникновения является трансцитоз, опосредованный рецепторами. Именно так проникают через барьер инсулин, трансферрин, вазопрессин и инсулинподобный фактор роста. Эндотелиальные клетки капилляров мозга имеют специфические рецепторы к этим белкам и способны осуществлять эндоцитоз белок-рецепторного комплекса. Важно, что в результате последующих событий комплекс распадается, интактный белок может выделяться на противоположной стороне клетки, а рецептор вновь встраиваться в мембрану. Для поликатионных белков и лектинов способом проникновения через ГЭБ также является трансцитоз, однако он не связан с работой специфических рецепторов.

Многие нейромедиаторы, присутствующие в крови, не способны проникать через ГЭБ. Так, дофамин не обладает этой способностью, в то время как L-ДОФА проникает через ГЭБ с помощью системы транспорта нейтральных аминокислот. Кроме того, клетки капилляров содержат ферменты, метаболизирующие нейромедиаторы (холинестераза, ГАМК-трансаминаза, аминопептидазы и др.), лекарственные и токсические вещества, что обеспечивает защиту мозга не только от циркулирующих в крови нейромедиаторов, но и от токсинов.

В работе ГЭБ участвуют также белки-переносчики, осуществляющие транспорт веществ из эндотелиальных клеток капилляров головного мозга в кровь, препятствуя их проникновению в мозг, например b-гликопротеид.

В ходе онтогенеза скорость транспорта различных веществ через ГЭБ существенно изменяется. Так, скорость транспорта b-гидроксибутирата, триптофана, аденина, холина, а также глюкозы у новорожденных существенно выше, чем у взрослых. Это отражает относительно более высокую потребность развивающегося мозга в энергии и макромолекулярных субстратах.

Ни для кого не является секретом, что организм должен поддерживать постоянство своей внутренней среды, или гомеостаз, затрачивая для этого энергию, иначе он не будет отличаться от неживой природы. Так, кожа защищает наш организм от внешнего мира на органном уровне.

Но оказывается, значение имеют и другие барьеры, которые образуются между кровью и некоторыми тканями. Они называются гистогематическими. Эти барьеры необходимы по различным причинам. Иногда нужно механически ограничить проникновение крови к тканям. Примерами таких барьеров служат:

гематоартикулярный барьер – между кровью и суставными поверхностями;

гематоофтальмический барьер – между кровью и светопроводящими средами глазного яблока.

Все знают, на своем опыте, что, разделывая мясо видно, что поверхность суставов всегда лишена контакта с кровью. В том случае, если кровь изливается в полость сустава (гемартроз), то она способствует его зарастанию, или анкилозу. Понятно, почему нужен гематоофтальмический барьер: внутри глаза есть прозрачные среды, например, стекловидное тело. Его задача – как можно меньше поглощать проходящий свет. В том случае, если не будет этого барьера, то кровь будет проникать в стекловидное тело, и мы будем лишены возможности видеть.

Что такое ГЭБ?

Один из самых интересных и загадочных гистогематических барьеров – это гематоэнцефалический барьер, или преграда между капиллярной кровью и нейронами центральной нервной системы. Говоря современным, информационным языком, между капиллярами и веществом головного мозга существует полностью «защищенное соединение».

Смысл гематоэнцефалического барьера (аббревиатура – ГЭБ), состоит в том, что нейроны не вступают в непосредственный контакт с капиллярной сетью, а взаимодействуют с питающими капиллярами через «посредников». Этими посредниками являются астроциты, или клетки нейроглии.

Нейроглия – это вспомогательная ткань центральной нервной системы, которая выполняет множество функций, например опорную, поддерживая нейроны, и трофическую, питая их. В данном случае, астроциты непосредственно забирают из капилляра все, что нужно нейронам, и передают им. Одновременно они контролируют, чтобы в головной мозг не попали вредные и чужеродные вещества.

Таким образом, через гематоэнцефалический барьер не проходят не только различные токсины, но и многие лекарства, и это составляет предмет исследования современной медицины, поскольку с каждым днем количество препаратов, которые регистрируются для лечения заболеваний головного мозга, а также антибактериальных и противовирусных препаратов, все увеличивается.

Немного истории

Известный врач и микробиолог, Пауль Эрлих, стал мировой знаменитостью, благодаря изобретению сальварсана, или препарата № 606, который стал первым, пусть токсичным, но эффективным препаратом для лечения застарелого сифилиса. Это лекарство содержало мышьяк.

Но Эрлих также очень много экспериментировал с красителями. Он был уверен, что точно так же, как краситель плотно пристает к ткани (индиго, пурпур, кармин), он пристанет и к болезнетворному микроорганизму, стоит только найти такое вещество. Конечно, он должен не только прочно фиксироваться на микробной клетке, но и быть смертельным для микробов. Несомненно, «подлил масла в огонь» тот факт, что он женился на дочери известного и зажиточного фабриканта – текстильщика.

И Эрлих начал экспериментировать с различными и очень ядовитыми красками: анилиновыми и трипановыми.

Вскрывая лабораторных животных, он убеждался, что краситель проникает во все органы и ткани, но не имеет возможности диффундировать (проникать) в головной мозг, который оставался бледным.

Вначале его выводы были неверными: он предположил, что просто краситель не окрашивает мозг по причине того, что в нем много жира, и он отталкивает краску.

А затем открытия, предшествующие открытию гематоэнцефалического барьера, посыпались, как из рога изобилия, и сама идея стала постепенно оформляться в умах ученых. Наибольшее значение играли следующие эксперименты :

если ввести краситель внутривенно, то максимум, что он способен окрасить – это хориоидальные сосудистые сплетения желудочков головного мозга. Дальше ему «путь закрыт»;

если принудительно ввести краситель в ликвор, выполнив люмбальную пункцию, то мозг окрашивался. Однако, «наружу» из ликвора краситель не попадал, и остальные ткани оставались бесцветными.

После этого совершенно логично было предположено, что ликвор – это жидкость, которая находится «по ту сторону» преграды, главная задача которой – защитить центральную нервную систему.

Впервые термин ГЭБ появился в 1900 году, сто шестнадцать лет назад. В англоязычной медицинской литературе он именуется «blood-brain barrier», а в русском языке название привилось в виде «гематоэнцефалического барьера».

В дальнейшем этот феномен изучался достаточно подробно. Перед второй мировой войной появились данные о том, что есть гематоэнцефалический и гематоликворный барьер, а также есть гематоневральный вариант, который находится не в ЦНС, а расположен в периферических нервах.

Строение и функции барьера

Именно от бесперебойной работы гематоэнцефалического барьера зависит наша жизнь. Ведь наш головной мозг потребляет пятую часть всего количества кислорода и глюкозы, и при этом его вес составляет не 20% всей массы тела, а около 2%, то есть потребление мозгом питательных веществ и кислорода в 10 раз выше среднего арифметического значения.

В отличие, например, от клеток печени, мозг работает только «на кислороде», и аэробный гликолиз - это единственный возможный вариант существования всех без исключения нейронов . В том случае, если в течение 10-12 секунд питание нейронов прекращается, то человек теряет сознание, а после остановки кровообращения, находясь в состоянии клинической смерти, шансы на полное восстановление функции мозга существуют только на протяжении 5 -6 минут.

Это время увеличивается при сильном охлаждении организма, но при нормальной температуре тела окончательная гибель мозга происходит через 8-10 минут, поэтому только интенсивная деятельность ГЭБ позволяет нам быть «в форме».

Известно, что многие неврологические заболевания развиваются только вследствие того, что нарушена проницаемость гематоэнцефалического барьера, в сторону его повышения.

Мы не будем подробно вдаваться в гистологию и биохимию структур, составляющих барьер. Отметим только лишь, что строение гематоэнцефалического барьера включает в себя особую структуру капилляров. Известны следующие особенности, приводящие к появлению барьера:

плотные контакты между эндотелиальными клетками, выстилающими капилляры изнутри.

В других органах и тканях эндотелий капилляров выполнен «небрежно», и между клетками есть большие промежутки, через которые происходит свободный обмен тканевой жидкостью с периваскулярным пространством. Там, где капилляры формируют гематоэнцефалический барьер, клетки эндотелия расположены очень плотно, и герметичность не нарушается;

энергетические станции – митохондрии в капиллярах превышает физиологическую потребность в таковых в других местах, поскольку гематоэнцефалический барьер требует больших затрат энергии;

высота клеток эндотелия существенно ниже, чем в сосудах другой локализации, а количество транспортных ферментов в цитоплазме клетки значительно выше. Это позволяет отвести большую роль трансмембранному цитоплазматическому транспорту;

эндотелий сосудов в своей глубине содержит плотную, скелетообразующую базальную мембрану, к которой снаружи прилегают отростки астроцитов;

Кроме особенностей эндотелия, снаружи от капилляров существуют особые вспомогательные клетки – перициты. Что такое перицит? Это клетка, которая может снаружи регулировать просвет капилляра, а при необходимости может обладать функциями макрофага, к захвату и уничтожению вредных клеток.

Поэтому, еще не дойдя до нейронов, мы можем отметить две линии защиты гематоэнцефалического барьера : первая – это плотные соединения эндотелиоцитов и активный транспорт, а вторая – это макрофагальная активность перицитов.

Далее гематоэнцефалический барьер включает в себя большое количество астроцитов, которые и составляют наибольшую массу этой гистогематической преграды. Это небольшие клетки, которые окружают нейроны, и, по определению их роли, умеют «почти всё».

Они постоянно обмениваются веществами с эндотелием, контролируют сохранность плотных контактов, активность перицитов и просвет капилляров. Кроме того, головному мозгу нужен холестерин, но он не может проникнуть из крови ни в ликвор, ни пройти сквозь гематоэнцефалический барьер. Поэтому астроциты берут на себя его синтез, помимо основных функций.

Кстати, одним из факторов патогенеза рассеянного склероза является нарушение миелинизации дендритов и аксонов. А для образования миелина нужен холестерин. Поэтому роль дисфункции ГЭБ в развитии демиелинизирующих заболеваний является установленной, и в последнее время изучается.

Там, где нет барьеров

А есть ли такие места в центральной нервной системе, где не существует гематоэнцефалического барьера? Казалось бы, это невозможно: столько трудов было приложено к тому, чтобы создать несколько уровней защиты от внешних вредных веществ. Но, оказывается, в некоторых местах ГЭБ не составляет единую «стену» защиты, а нем имеются отверстия. Они нужны для тех веществ, которые вырабатываются головным мозгом и отправляются на периферию в качестве команд: это гормоны гипофиза. Поэтому есть свободные участки, как раз в зоне гипофиза, и эпифиза. Они существуют, чтобы гормоны и нейротрансмиттеры могли свободно проникать в кровь.

Существует и другая зона, свободная от ГЭБ, которая находится в районе ромбовидной ямки или дна 4 желудочка головного мозга. Там находится рвотный центр. Известно, что рвота может возникать не только вследствие механического раздражения задней стенки глотки, но и при наличии токсинов, попавших в кровь . Поэтому именно в этой области и существуют особые нейроны, которые постоянно производят «мониторинг» качества крови на наличие вредных веществ.

Как только их концентрация достигнет определенной величины, эти нейроны активируются, вызывая чувство тошноты, а затем и рвоту. Справедливости ради нужно сказать, что не всегда рвота связана с концентрацией вредных веществ. Иногда, при значительном повышении внутричерепного давления (при гидроцефалии, менингитах) рвотный центр активируется вследствие прямого избыточного давления при развитии синдрома