3.27. ГЕМАТОЭНЦЕФАЛИЧЕСКИЙ БАРЬЕР

Из пищеварительного тракта в кровь поступают продукты расщепления пищи, и некоторые из них в случае проникновения в мозг могли бы нарушить его функции. Например, переваривание белков приводит к повышению уровня в плазме крови аминокислот глицина и глутамата, которые в мозге играют роль медиаторов. Высокая двигательная активность также нарушает постоянство внутренней среды организма. Поведение низших животных, не имеющих гематоэнцефалического барьера (ГЭБ), сильно зависит от состава пищи и равномерности ее поступления в организм, что привязывает каждый вид к конкретному источнику питания и делает невозможными активные перемещения в пространстве для эффективного поиска пищи или половых партнеров.

Возникновение в ходе эволюции способности к зоосоциальному поведению и простейшим формам научения было связано с усложнением структуры и функций мозга, что потребовало поддержания в нем более строгого постоянства внутренней среды. Поскольку достичь такой степени гомеостатирования во всем организме невозможно, у высокоорганизованных животных вокруг ЦНС выделилось особое пространство, окруженное барьером, непроницаемым для большей части веществ, содержащихся в крови (гемолимфе) и тканевой жидкости. К двум хорошо известным пространствам — внутриклеточному и внеклеточному — добавилось третье пространство, содержащее цереброспинальную (спинномозговую) жидкость, или ликвор. Так эволюция сделала шаг сопоставимый по значению с появлением внутренней среды организма.

Создание особой внутренней среды мозга, во—первых, защитило его нейроны от колебаний внутренней среды организма, связанных с потреблением пищи и двигательной активностью, и обеспечило стандартные условия для интегративной деятельности нейронов и синаптической передачи; во—вторых, позволило нейронам мозга при передаче друг другу сообщений гуморальным путем экономно использовать запасы нейросекретов и уменьшило искажение передаваемой информации.

Потребность в барьере была настолько сильной, что он независимо возник не менее чем в трех ветвях эволюции, выделившихся 500—600 млн. лет назад, и имеется у всех таксонов, способных к сложному поведению: у позвоночных головоногих моллюсков и членистоногих (у насекомых, некоторых паукообразных и отчасти у ракообразных).

Структура барьера. Мысль о существовании барьера между кровью и мозгом впервые высказал Пауль Эрлих в 1885 г. К этому времени накопились данные о том, что красители (например, трипановый синий) после введения их в кровь не обнаруживаются в мозге. В 1913 г. Голдманн показал, что если краситель вводить не в вену, а в ликвор, то мозг окрашивается. Тем не менее долгое время существовала и противоположная точка зрения: барьера нет, красители не проходят в мозг потому, что мозг не содержит соединительной ткани т. е. для красителя в мозге просто нет места. Только в 60—е годы мнение о существовании ГЭБ стало общепринятым.

Термин «гистогематические барьеры» предложила наша соотечественница Л. С. Штерн в 1929 г. Сейчас он понимается как общее название для барьеров: гематоэнцефалического (ГЭБ), —ликворного (ГЛБ), —неврального, —офталъмического, —тестикулярного, —лабиринтного, —плеврального, —синовиального и др. В 1933 г. Вальтер и Шпац ввели понятие «гематоэнцефалический барьер».

Как известно, капилляры мозга принципиально отличаются от капилляров всех других областей тела отсутствием в их стенке водных каналов, пор, или фенестр. Под электронным микроскопом отчетливо видно, что эндотелиоциты мозговых капилляров соединены между собой так называемыми плотными контактами, которые не позволяют водорастворимым веществам проходить из крови в головной мозг (и обратно). На электронограммах также видны и отростки астроцитов, охватывающие всю (или почти всю) наружную поверхность мозговых капилляров (рис. 3.72).

Эти отростки не составляют механического препятствия проникновению веществ в мозг, как думали прежде, но они секретируют некие пока недостаточно изученные, вещества, повышающие плотность контактов между

Рис. 3.72

Ножки отростков астроцитов (А) окружают мозговой капилляр (К)

Рис. 3.73 «Энзимный барьер»

МАО — моноаминооксидаза, КОМТ — катехол—0—метил—трансфераза, ЭП — эпендима, ЭН — эндотелий.

эндотелиоцитами. Известно, что по крайней мере часть этих веществ имеет молекулярную массу менее 4 кДа и, следовательно, не относится к белкам.

В середине 60—х годов было открыто существование «энзимного барьера», т. е. ферментов в тканях, лежащих между просветом капилляров и нейронами мозга. Эти ферменты расщепляют вещества, которые в противном случае могли бы проникнуть из крови в мозг. Примерами таких «барьерных» энзимов могут служить катехол—0—метилтрансфераза (КОМТ), моноаминоксидаза (МАО), тирозингидроксилаза и аминопеппгидаза. Энзимный барьер в большей степени препятствует проникновению в мозг моноаминов (потенциальных нейротрансмиттеров), чем их непосредственных предшественников (рис. 3.73).

Феномен ГЭБ пытались объяснить еще и тем, что введенный в кровоток краситель связывается с белками плазмы и это делает его неспособным проникнуть сквозь барьер. Однако связывание с белками плазмы не препятствует окрашиванию всех прочих (немозговых) тканей, поэтому сегодня фактору связывания придается небольшое значение.

Итак, ГЭБ состоит, по меньшей мере, из трех главных компонентов: (1) плотных контактов в эндотелии капилляров; (2) веществ, секретируемых отростками астроцитов и поддерживающих функцию плотных контактов; и (3) «барьерных энзимов».

Проницаемость барьера и транспортные системы. В 1902 г. Эрлих заметил, что красители, поглощаемые мозгом, поглощаются и жировой тканью тоже. Значение этого факта было оценено только в 70—е годы, после создания высокоточного метода количественной оценки проницаемости ГЭБ.

Для жирорастворимых веществ ГЭБ барьером вообще не является: они простой диффузией легко проходят сквозь эндотелиоциты: сначала растворяются в липофильных участках люминальной (т. е. обращенной в сторону просвета сосуда) мембраны, затем диффундируют через всю толщу цитоплазмы и, наконец, растворяясь в аблюминальной (расположенной с другой, наружной по отношению к просвету сосуда стороны) мембране, выходят из эндотелиоцита в ткань мозга (рис. 3.74, путь 1А).

Никакие живые клетки не являются препятствием для веществ, обладающих высокой липофильностью (или, что то же самое, гидрофобностью). Наиболее высокой «проходимостью» обладает углекислый газ, легко

Рис. 3.74

Пути проникновения веществ из крови в мозг ГЭБ — гематоэнцефалический барьер; ЦВО — циркумвентрикулярные органы; ВСС — внутрижелудочковое сосудистое сплетение; ЦСЖ — цереброспинальная жидкость (ликвор). 1 — сквозь нефенестрированный эпителии: А — простой диффузией; Б — активным транспортом; 2 — через фенестры эндотелия капилляров в ЦВО и далее: А — внутриаксональным транспортом; Б — сквозь эпендиму простой диффузией в ликвор; В — вдоль наружной границы эпендимы желудочков до ее участков, где нет плотных контактов (гипотетический путь); 3 — сквозь стенки сосудистого сплетения в ликвор (простой диффузией); 4 — со слизистой оболочки полости носа (конкретный путь неясен); 5 — внутриаксональным транспортом (например, по чувствительным нейронам). Для жирорастворимых веществ наибольшее значение имеют пути 1А, 2Б и 3, для водорастворимых — 2А, 2В, 4 и 5. Для водорастворимых веществ, нужных мозгу в значительных количествах (глюкоза, аминокислоты и др.) существуют системы переносчиков.

проникающий из крови в нейроны дыхательного центра. Довольно высокой растворимостью, соответственно, «проходимостью» обладают героин, алкоголь и никотин, что объясняет их быстрое (после попадания в кровь) действие на ЦНС. Следовательно, липофильность — главное из качеств, определяющих возможность простои диффузии вещества сквозь ГЭБ. На «проходимость» вещества диффузией также влияют степень его ионизации, молекулярная масса и некоторые другие факторы.

Мозг нуждается в некоторых веществах, не обладающих способностью растворяться в жирах, например, в глюкозе — для обеспечения своих энергетических потребностей, и в аминокислотах — для синтеза белков. Поскольку гидрофильные вещества простой диффузией пройти в мозг не могут, для их доставки существуют транспортные системы со специфическими белками—переносчиками (рис. 3.74, путь 1Б). Сейчас известны транспортные системы для: (а) D—глюкозьг; (б) крупных нейтральных аминокислот; (в) основных и кислых аминокислот; (г) электролитов (K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, I^— и др.); (д) водорастворимых витаминов; (е) нуклеозидов и др. Все эти системы обладают общими свойствами: селективностью, стереоспецифичностью, конкурентным ингибированием и насыщаемостью,

Мелкие нейтральные аминокислоты не транспортируются, так как мозг синтезирует их сам. Транспортная система, переносящая глюкозу, не требует для своей работы присутствия инсулина. Необычно то, что в ГЭБ инсулин регулирует транспорт не глюкозы, а аминокислот.

«Дефекты» в барьере и пути в обход барьера. В головном мозгу есть области, в которые, в отличие от основной его массы, краситель легко проходит из крови. Впервые это обнаружил Шульманн в 1912г.: трипановый синий, введенный мышам внутривенно, проникал в нейрогипофиз. Количество областей, обладающих такими особенностями, постепенно росло, и сейчас включает:

нейрогипофиз, медиальное возвышение, самое заднее поле, субфорникальный орган, шишковидное тело, зрительное углубление, сосудистое сплетение и сосудистый орган конечной пластинки. Поскольку все эти структуры расположены по периферии желудочковой системы, было предложено называть их циркумвентрикулярными органами (рис. 3.75). Только один из них не обладает названными особенностями: в субкомиссуральном органе эндотелиоциты соединены плотными контактами.

Рис. 3.75 Циркумвентрикулярные органы

Э — шишковидное тело (эпифиз), ВСС — сосудистое сплетение, СКО — субкомиссуральный орган, СФО — субфорникальный орган, MB — медиальное возвышение, СОКП — сосудистый орган конечной пластинки, НГ — нейрогипофиз, СЗП — самое заднее поле.

Рис. 3.76 Принципиальное различие устройства гематоликворного (А) и гематоэнцефалического (Б) барьеров

Плотные контакты (ПК) соединяют либо клетки эндотелия капилляров (К), либо клетки эпендимы (Э), выстилающей стенки желудочков мозга. ИП — интерстициальное пространство; Н — нейрон; Г — глия; Ф — поры (фенестры); ЦСЖ — цереброспинальная жидкость (ликвор); S — площадь барьера. Стрелками показано проникновение водорастворимых веществ.

В циркумвентрикулярных органах переносимые кровью вещества относительно свободно покидают просвет капилляров (рис. 3.74., путь 2) и доходят до наружной границы желудочков мозга, где их задерживают плотные контакты, которыми соединены клетки выстилающей желудочки эпендимы. Эту особую организацию барьера в циркумвентрикулярных органах часто ошибочно принимают за «дефекты» в барьере. В действительности, барьер в этих областях не менее эффективен, только разделительную функцию выполняет не эндотелий капилляров, а эпендима желудочков мозга. Таким образом, барьер здесь просто отнесен чуть далее вглубь мозговой ткани и носит название гематоликворного (ГЛБ). Площадь ГЛБ составляет 1/5000 общей площади ГЭБ (рис. 3.76).

Полагают, что некоторая часть молекул веществ, оказавшихся в циркумвентрикулярных органах, может проникнуть в собственно мозг:

— через нервные окончания и далее внутриаксональным транспортом (см. рис. 3.74, 2А);

— сквозь клетки эпендимы — в ликвор, в соответствии с растворимостью данного вещества в липидах (рис. 3.74, 2Б);

— перемещением вдоль наружной границы эпендимы до тех участков, где между ее клетками есть водные каналы, и по ним — в ликвор (рис. 3.74, 2В).

Некоторая часть сосудов мозга выпячивается в желудочковую систему и образует в ней сосудистое сплетение — орган, продуцирующий ликвор. Капилляры этих сплетений имеют фенестры, сквозь которые вещества легко покидают кровь, но в дальнейшем задерживаются хориоидным эпителием, составляющим единое целое с остальной эпендимой. Дальнейшее продвижение (в ликвор) возможно только простой диффузией, в соответствии с липофильностью конкретного вещества (рис. 3.74, путь 3).

Возможно, единственный путь, по которому водорастворимые вещества в значительных количествах без помощи специальных транспортных систем попадают в мозг, начинается на слизистой оболочке полости носа (рис. 3.74, путь 4). Пероксидаза хрена (белок с молекулярной массой 40 кДа), введенная интраназально, за несколько минут достигает пиальной поверхности обонятельных луковиц. Водные растворы нейропептидов вызывают ЦНС—зависимые эффекты (например, интраназальное введение человеку вазопрессина приводит

Рис. 3.77 Пути воздействия веществ на мозг без их проникновения сквозь гематоэнцефалический барьер

1—3 — связывание веществ со специфическими рецепторами в циркумвентрикулярных органах приводит к: увеличению проницаемости ГЭБ для другого вещества (1)—образованию в циркумвентрикулярных органах жирорастворимых веществ, проникающих далее сквозь эпендиму желудочков простои диффузией (2А); образованию в самом мозгу гипотетических водорастворимых веществ—посредников (2Б); передаче возбуждения в виде потенциалов действия (3); 4 — связывание с пресинаптическими рецепторами эфферентов имитирует центральное действие; 5 — воздействие на периферические органы через возбуждение центральных афферентов изменяет состояние ЦНС. Остальные обозначения, что и на рис. 3.74

к отчетливому повышению настроения). В этом случае диффузия происходит либо внутри аксонов обонятельных нейронов, либо через подслизистый слой связанный с подпаутинным пространством в области обонятельных луковиц. Нарушение целостности слизистой оболочки (например, при рините) способствует проникновению веществ в мозг именно этим путем.

Гидрофильные молекулы из крови могут попадать в мозг внутриаксональным транспортом, например, по волокнам чувствительных нейронов (рис. 3.74, путь 5)

Рецепторы наружной поверхности барьера. Есть несколько механизмов посредством которых водорастворимые вещества, находящиеся в плазме крови могут воздействовать на мозг без проникновения в него (рис. 3.77), и часть этих механизмов связана с существованием на «внешней» стороне барьера специфических рецепторов к многочисленным гормонам белково—пептидной природы

В 50—е годы было показано, что если разрушить отдельные циркумвентрикулярные органы, то некоторые гормоны, переносимые плазмой крови теряют способность действовать на мозг. Позднее были открыты расположенные в циркумвентрикулярных органах рецепторы к соматостатину, кортикотропину (адренокортикотропному гормону), пролактину, вазопрессину, окситоцину паратирину (паратгормону), кальцитонину, инсулину и инсулиноподобным факторам роста, эндотелину, панкреатическому полипептиду, ангиотензину II атриальному и мозговому натрийуретическим пептидам, брадикинину, вазоактивному интестинальному полипептиду, субстанции Р и нейропептидам У и YY

Возбуждение «внешних» рецепторов молекулами одного вещества может увеличить проницаемость барьера для другого находящегося в плазме крови вещества (рис. 3.77, путь 1). Это может выражаться в стимулировании работы одной из систем активного транспорта (например, внутривенное введение вазопрессина увеличивает транспорт в мозг лейцина, некоторые гормоны регулируют проникновение в мозг моноаминов) или в снижении сопротивления барьера простой диффузии веществ (так, вазопрессин увеличивает проницаемость ГЭБ для молекул воды). Взаимодействие лиганда с рецептором на наружной стороне барьера может также приводить к образованию веществ—посредников, способных воздействовать непосредственно на нейроны мозга (рис. 3.77, путь 2). Место синтеза таких посредников определяется их способностью проникать сквозь барьер. Жирорастворимые вещества—посредники синтезируются на внешней стороне барьера, как правило, в циркумвентрикулярных органах (см. рис. 3.77, путь 2А). Так, образующиеся в периферических тканях интерлейкины — полипептиды с большой молекулярной массой (примерно от 8 до 26 кДа) и низкой растворимостью в жирах, попадая в сосудистый орган конечной пластинки, стимулируют образование в нем липофильных молекул простагландинов, которые проникают в мозг и, воздействуя на центры терморегуляции, вызывают повышение температуры тела — характерное проявление лихорадки.

Водорастворимые вещества—посредники, не обладающие способностью проникать сквозь ГЭБ, могут синтезироваться и высвобождаться только «за барьером», в самом мозге (рис. 3.77, путь 2Б). Иногда в качестве посредника выступает то же самое вещество, которое воздействовало на «внешние» рецепторы. Так, в ответ на поступление пищи в кишку расположенные в ее слизистой оболочке эндокринные клетки высвобождают в кровь холецистокинин (ХЦК). Одновременно возрастает и концентрация ХЦК в мозге. Однако ХЦК, как и большинство других пептидов, не обладает сколько—нибудь заметной растворимостью в жирах, поэтому простой диффузией пройти в мозг он не может. Специальной транспортной системы для ХЦК в барьере также не обнаружено. Полагают, что молекулы ХЦК, не проникая в ЦНС, связываются с холецистокининовыми рецепторами на наружной стороне ГЭБ и активируют неизвестный пока механизм, способствующий высвобождению «по ту сторону барьера» таких же молекул ХЦК, но синтезированных в самом мозге. Этот механизм играет важную роль и в возникновении такого чувства, как насыщение.

Предполагают также, что чувствительные окончания некоторых нейронов мозга выходят на внешнюю сторону ГЭБ и через них возбуждение от перечисленных выше рецепторов может передаваться в мозг виде потенциалов действия (рис. 3.77, путь 3).

Таким образом, с помощью циркумвентрикулярных органов мозг отвечает на колебания концентраций в крови многочисленных биологически активных веществ. При этом циркумвентрикулярные органы могут быть столь же непроницаемы, как и другие части ГЭБ.

Вещества, циркулирующие с кровью, могут воздействовать на ЦНС и опосредованно, через действие на периферические органы (рис. 3.77, путь 4). Например, пептидный гормон бомбезин связывается со специфическими рецепторами в гладких мышцах пилорической части желудка, что приводит к повышению мышечного тонуса привратника и способствует задержке пищи в желудке. Импульсация от механорецепторов стенки заполненного пищей желудка по чувствительным волокнам блуждающего нерва передается в ЦНС, в результате чего частично подавляется пищевое поведение. Так воздействие вещества на периферический орган вызывает поведенческий (т. е. центральный) эффект.

Гидрофильные вещества, растворенные в плазме крови, могут не только действовать на ЦНС, но и имитировать такое действие, усиливая или ослабляя высвобождение медиаторов из периферических нервных окончаний (рис. 3.77, путь 5). Так, тиролиберин и ангиотензин II, связываясь с пресинаптическими рецепторами симпатических нервных окончаний, облегчают высвобождение ими норадреналина, имитируя влияние на тонус симпатических нейронов спинного мозга.

Пути выхода веществ из мозга в кровь. Специальные транспортные системы выносят из мозга в кровь метаболиты самого мозга (их накопление могло бы

Рис. 3.78 Неизбирательный механизм выноса веществ из мозга в кровь. Паутинная оболочка в виде ворсинки (В) проникает сквозь мозговую оболочку в венозный синус (С). Каналы, имеющиеся в ворсинке, позволяют небольшим количествам ликвора проникать из подпаутинного пространства (П) в кровь. Э — эндотелий.

нарушить его работу) и токсические вещества, которые все—таки в небольших количествах проникают в мозг сквозь ГЭБ.

Самый простой, неизбирательный механизм выноса состоит в том, что избыток ликвора периодически сбрасывается в кровь через ворсинки паутинной оболочки, выдвинутые в просвет венозных синусов (рис. 3.78).

Ворсинки выполняют роль клапанов, регулирующих отток: быстрое поступление ликвора в венозный синус повышает давление в нем, ворсинка сдавливается, и отток ликвора прекращается. У человека за 1 сут образуется примерно 500 мл ликвора, следовательно, сопоставимое количество его оттекает ежедневно в венозную кровь.

Существуют и специфические транспортные системы, каждая из которых выводит из мозга против градиента концентрации конкретное вещество или группу структурно родственных веществ:

ионы К⁺; мелкие нейтральные аминокислоты; глицин, аспарагиновую и глутаминовую кислоты; пептиды из семейства вазопрессина/окситоцина; меланостатин и энкефалины; нуклеозиды. Эти транспортные системы необходимы для поддержания гомеостаза мозга. Так, например, выведение глицина и K⁺ нормализует уровень возбудимости ЦНС, удаление избытка меланостатина повышает активность опиоидной системы мозга.

Создание в ходе эволюции механизмов, выносящих в кровь пенициллины, цефалоспорины и некоторые цитостатики, в нормальных условиях отсутствующие в мозге и применяемые при лечении воспалительных процессов ЦНС, объясняют тем, что небольшие количества этих веществ синтезируются микрофлорой кишечника, а также попадают в организм с растительной пищей и проникают сквозь ГЭБ в мозг.

Важную роль в системах, выводящих вещества из мозга в кровь, играет особый белок — гликопротеин Р (Pgp). Обычно он присутствует в ГЭБ в небольших количествах. При наличии в мозге очагов воспаления или опухолей проницаемость барьера возрастает, введенные в кровь антибиотики и цитостатики легко проникают в ЦНС. В ответ на это происходит экспрессия гена, ответственного за синтез Pgp, его количество в структуре ГЭБ возрастает и он быстро выводит названные вещества из мозга.

Попытки проведения различных веществ сквозь барьер. Первый из возможных подходов состоит в том, чтобы воздействием на ГЭБ неизбирательно и обратимо повысить его проницаемость для любых веществ. Этого добиваются следующими нефизиологическими мерами: (а) повышением артериального давления (в том числе локальным, в сонной артерии) на 60—90 мм рт. ст. и более, что приводит к резкому расширению сосудов мозга; (б) повышением осмотического давления крови путем введения в сонную артерию маннитола, арабинозы, мочевины или гипертонического раствора NaCI, что вызывает сморщивание эндотелиоцитов; (в) вдыханием газовой смеси, содержащей 25% СО₂, что обусловливает расширение артериол мозга и переполнение капилляров. Во всех перечисленных случаях происходит временное нарушение плотных контактов между эндотелиоцитами и образование водных каналов. Очевидно, что такие способы повышения проницаемости ГЭБ не годятся для проведения лекарств в мозг человека.

Еще один подход — модификация молекул с целью повышения их «проходимости» сквозь неизмененный барьер. Поиск таких форм ведется по следующим направлениям: (а) повышение жирорастворимости вещества, например, соединением его молекулы с молекулой холестерина; (б) повышение устойчивости вещества к воздействию «энзимного барьера», например, для пептидов это создание циклических структур или замещение L—форм аминокислот на D—изомеры; (в) соединение препарата с веществом, для которого в ГЭБ существует транспортная система, например, с глюкозой (создание так называемых химер); и (г) включение изучаемого вещества в липосомы. Пока эти разработки имеют лишь ограниченный успех.

Рассматривая механизм действия на ЦНС любого вещества — эндогенного, присутствующего в крови, или вводимого извне в кровь, необходимо понять, проходит ли оно сквозь ГЭБ или воздействует на мозг иным образом, без проникновения в него.