Происхождение мозга Савельев Сергей Вячеславович

§ 7. Гематоэнцефалический барьер

Нервная ткань - это объединение специализированных клеток, которые воспринимают, обрабатывают, хранят и используют информацию о внешней среде и внутреннем состоянии организма. Этим функциям подчинено строение нервных клеток - нейронов. Нервные клетки имеют особенности, которые отличают их от других клеток организма (рис. I-9). Нейроны неодинаковы. Они различаются по размеру, форме ветвления дендритов и аксонов, выделению различных химических веществ и физиологической активности.

Рис. I-9. Строение нейронов и глиальных клеток.

а - импрегнированные нейроны коры головного мозга человека. При такой окраске виден примерно 1 нейрон из 1000, что позволяет рассмотреть его отростки; б - глиальные клетки из мозга человека; в - строение нейрона и его аксона, закрытого глиальными клетками.

Нейроны - характерные структурные элементы нервной системы объединены в сети и в специализированные структуры ганглии или мозг, а их отростки образуют периферические нервы.

В нервных клетках - нейронах - обычно можно выделить клеточное тело, дендриты и аксон (см. рис. I-9). Тело содержит ядро и биохимический аппарат синтеза молекул, необходимых для жизнедеятельности клетки. Обычно тело нейрона имеет округлую, веретеновидную или пирамидальную форму. Дендриты представляют собой тонкие отростки, которые многократно ветвятся в непосредственной близости от тела клетки. Вокруг него образуется ветвистое дерево. Дендриты формируют ту основную физическую поверхность, на которую поступают идущие к данному нейрону сигналы. Аксоны распространяются далеко от тела клетки. Их длина варьирует от 1 мм до 1,5 м, что позволяет аксонам выполнять функции линий связи между телом клетки и далеко расположенным органом-мишенью или отделом мозга. По аксону проходят сигналы, генерируемые в теле данной клетки. Аксон отличается от дендритов как по строению, так и по свойствам наружной мембраны. Большинство аксонов длиннее и тоньше дендритов и имеют отличный от них характер ветвления. Отростки дендритов в основном группируются вокруг клеточного тела, тогда как отростки аксонов располагаются на конце волокна, в том месте, где аксон взаимодействует с другими нейронами или органами-мишенями.

Кроме нейронов, в нервной системе есть и другие специализированные клетки, которые не выполняют перечисленных нервных функций. Это клетки глии. Глиальные клетки не могут генерировать или обрабатывать информационные сигналы. В их задачу входят снабжение нейронов соединениями, необходимыми для нормального метаболизма, отведение продуктов катаболизма и обеспечение барьерных функций между мозгом и кровеносной системой. Кроме этого, глиальные клетки выполняют функции макрофагов, лимфоцитов и других клеток кровеносной и лимфоидной систем. Нейроглия выполняет механическую функцию и изолирует электрохимически активные волокна отдельных нервных волокон внутри мозга. Оболочки вокруг отростков нейронов состоят из клеток нейроглии, что позволяет стабилизировать ионную среду и увеличивать скорость проведения нервного сигнала (рис. I-10; I-11).

В головном мозге изолирующие функции выполняет олигодендроглия. Она происходит из нейроэктодермы, но отличается от нейронов тем, что не генерирует никаких сигналов, а специализируется на изолирующих функциях. Каждая клетка олигодендроглии охватывает сразу несколько отростков нейронов (см. рис. I-9). Олигодендроглия окружает отростки нейронов, тогда как другие глиальные клетки изолируют тела нейронов.

Рис. I-10. Основные компоненты гематоэнцефалического барьера головного мозга и периферической нервной системы.

Головной мозг изолирован от кровеносной системы трофическими глиальными клетками (зелёные), олигодендроглией и шванновскими клетками. Спинномозговая жидкость фильтруется через эпендимные клетки нейрального происхождения.

Глиальные клетки выполняют несколько функций. Одна из барьерных функций - это изоляция нейронов и их отростков от соприкосновения с кровеносным руслом. Между кровеносными капиллярами и нейронами находятся изолирующие клетки глии. В их функции входят как поддержание целостности гематоэнцефалического барьера, так и питание нейронов. Через эти клетки проходит основной поток веществ и кислорода, необходимого для сохранения активности мозга. Этот глиальный барьер непроницаем для большинства органических соединений. Их перенос к нейронам осуществляется под контролем рецепторных белков мембран глиальных клеток и нейронов. Такой активный фильтр препятствует случайному движению любых соединений как в мозг, так и из него. Через глиальные клетки осуществляется перенос веществ, подвергшихся катаболизму внутри нейронов, поэтому поток соединений через глиальную часть гематоэнцефалического барьера двунаправленный. В мозг поступают кислород и питательные вещества, а из него отводятся продукты катаболизма. Этот поток крайне интенсивен, поскольку у млекопитающих может достигать 25 % общего метаболизма организма. Столь высокий уровень обмена предусматривает высокую проницаемость барьера при невероятно эффективной избирательности. Эти функции структурно обеспечены соотношением количества глиальных клеток и нейронов. Как правило, каждый нейрон обслуживает примерно 15–50 глиальных клеток, которые и обеспечивают необходимый и избирательный поток компонентов, необходимых для поддержания жизни нервной клетки.

Надо отметить, что изолированность нервной системы двунаправленная. Глиальные клетки препятствуют попаданию продуктов, появляющихся при гибели нейронов, и в мозг, и в кровеносную систему. После гибели нейрона такие продукты формируют вокруг него своеобразный саркофаг из своих тел. Это препятствует попаданию продуктов аутолиза в межклеточное пространство. После окончательного распада нейрона остаётся только контур из тел глиальных клеток, формировавших саркофаг, а затем исчезает и он. Появляются своеобразные «тени» - пустые межклеточные участки, напоминающие форму погибших клеток. Гематоэнцефалический барьер мозга построен не только из глиальные клеток. Его функции выполняют и эпендимные клетки, выстилающие поверхность желудочков и сосудистое сплетение (см. рис. I-10; I-11). Эти клетки в зоне сосудистого сплетения образуют плотный слой, который препятствует проникновению через межклеточное пространство любых веществ и соединений.

Рис. I-11. Срезы мозга и сосудистого сплетения (стрелки), расположенного в желудочках мозга различных позвоночных. Микрофотографии.

Спинномозговая жидкость фильтруется через эпендимные клетки нейрального происхождения. При низком кровотоке проницаемость стенок сосудистого сплетения невысока, но его площадь очень большая. У млекопитающих при высоком давлении крови сосудистое сплетение имеет крайне небольшие размеры.

Через слой этих клеток в сосудистом сплетении головного мозга происходит ультрафильтрация воды и ионов кальция, натрия, хлора, марганца, калия и магния. Вода и растворы электролитов извлекаются из плазмы крови. В результате кровь лишается части воды и повышает свою вязкость. Накапливающийся в желудочках фильтрат обычно называют спинномозговой жидкостью. Она проходит через желудочки, стенки мозга и спускается по дорсальной поверхности вдоль спинного мозга, затем поднимается вверх и собирается под мозговыми оболочками в зонах особых расширений. Из них спинномозговая жидкость поступает в специальные зоны мозговых оболочек, которые называются пахионовыми грануляциями. Через грануляции спинномозговая жидкость возвращается в венозное русло. Надо отметить, что спинномозговая жидкость поступает в головной мозг активно, поскольку артериальное давление в приносящих мозговых сосудах довольно велико, а возвращается в венозное русло уже пассивно - по градиенту концентрации. Осмотические силы, действующие в момент извлечения спинномозговой жидкости из-под оболочек мозга, не всегда могут уравновесить непрерывный приток этой жидкости через сосудистые сплетения желудочков. Это приводит к динамическим нарушениям и повышению давления жидкости в желудочках мозга.

Спинномозговая жидкость меняется в головном мозге с высокой скоростью. У человека, исследованного лучше других животных, при пассивном образе жизни вся вода организма проходит через сосудистое сплетение за 10–12 ч, а при физической нагрузке - за 7 ч. Этот достаточно большой поток жидкости обеспечивает нейроны одним из важнейших факторов жизнедеятельности - растворами электролитов. Они необходимы при кодировке, генерации и передаче электрохимических сигналов между отдельными нервными клетками. Нарушения электролитного баланса мозга ставят больше проблем, чем недостаток питания нервных клеток. Для контроля за электролитным балансом мозга в эволюции сложилась специальная система, начинающаяся с осморецепторов, расположенных в прижелудочковых стенках промежуточного мозга. Эти клетки реагируют на изменение осмотического баланса в спинномозговой жидкости. Они вызывают фантомные ощущения сухости во рту, стимулируют выработку антидиуретического гормона, стимулирующего адсорбцию воды в почках, и запускают питьевое поведение. Возникновение этого сложного механизма автономной регуляции осмотического баланса только подчёркивает его функциональную важность для мозга. В этой системе снабжения мозга растворами электролитов нет никаких прямых контактов между нейронами и клетками иммунной системы. Граница непроницаема для органических соединений всего организма.

Следует отметить, что у позвоночных сосудистое сплетение различается по размерам (см. рис. I-11). У рыб и амфибий оно выглядит непропорционально большим, а у млекопитающих - чрезвычайно маленьким. В контексте рассуждений о скорости обмена спинномозговой жидкости такие различия кажутся необъяснимыми (Савельев, 2001). На самом деле причины таких морфологических различий вполне понятны. Скорость кровотока в сосудистом сплетении у птиц и млекопитающих намного выше, чем у рептилий, амфибий, хрящевых и костистых рыб, поэтому достаточный уровень обмена спинномозговой жидкости у холоднокровных обеспечивается большей площадью поверхности сосудистого сплетения. Отношение площадь поверхности сосудистого сплетения/объём мозга у низших позвоночных в несколько раз больше, чем у птиц или млекопитающих. Известны и «гипертрофированные» исключения из этого правила, например у бурого протоптера (Protopterus annectens) сосудистое сплетение закрывает собой почти всю дорсальную поверхность мозга.

Таким образом, изолированность и высокий уровень метаболизма нейронов головного мозга обеспечены двумя относительно независимыми системами. Одна из них представляет собой глиальные клетки, обеспечивающие метаболизм питательных веществ и кислорода, другая - эпендимные клетки сосудистого сплетения, фильтрующие через своё тело поток воды и электролитов из плазмы крови. Процессы разделены, поскольку даже при значительном недостатке пищи электрохимическая активность мозга поддерживается независимо. Это происходит благодаря эффективному и относительно независимому обмену спинномозговой жидкости и электролитов нервной системы (см. рис I-8; I-10; I-11).

Дополнительное внимание следует уделить изоляции периферической части нервной системы. Она является таким же забарьерным органом, как головной и спинной мозг. Все периферические нервы, ганглии, рецепторные и эффекторные окончания изолированы от иммунной системы организма. Нервы и ганглии окружает оболочка из особых клеток, которые называются шванновскими (см. рис. I-9; I-10). У позвоночных они происходят из клеток нервного гребня, как и большая часть периферической нервной системы. Обычный размер этих клеток, окружающих аксоны и дендриты нейронов, составляет около 1 мм. Шванновские клетки формируют изоляционный слой вокруг отростка нейрона при помощи своей мембраны, которая может образовывать множество витков. В сечении эта структура напоминает плотный рулет (рис. I-12). В случае особо скоростного проведения сигналов миелинизация может стать «матрёшечной»: внутри общей миелиновой оболочки может лежать высокоскоростной нерв, окружённый собственной многослойной миелиновой оболочкой. Обычно скорость проведения сигналов по таким нервам более 130 м/с. Зоны контактов отдельных шванновских клеток называются перехватами Ранвье.

Рис. I-12. Оболочки отростков нервных клеток (а, в) и синапсов (б).

Электронные фотографии. Схема основных типов синаптических контактов нервных клеток (г). Синапсы и контакты увеличены.

Оболочки отростков нервных клеток изолируют зоны проведения сигналов и увеличивают скорость их передачи. Синапсы обозначены зелёными стрелками.

В этих зонах часто располагаются складки мембраны аксонов, которые выходят наружу и формируют эффективно работающие соединения, синапсы. Места контакта нейронов с органами-мишенями также изолированы специализированными гомологами шванновских клеток. Отдельно необходимо пояснить ситуацию с миелинизированными и немиелинизированными (безмиелиновыми) волокнами. Под этим названием обычно понимают волокна, «лишённые» оболочек. Это название укрепилось в учебниках с конца XIX в., но не отражает реальной ситуации. Безмиелиновыми нервными волокнами микроскописты, использовавшие световой микроскоп, считали волокна без явных следов оболочек или миелина. Однако с помощью электронного микроскопа показано, что даже обонятельные нервы обладают небольшой оболочкой, состоящей из шванновских клеток.

Обычно одна шванновская клетка делает 1–2 оборота вокруг группы обонятельных волокон. Тем не менее нервные волокна изолированы на всём протяжении. Вполне понятно, что обновляющиеся обонятельные клетки не могут иметь развитой изолирующей оболочки, хотя в упрощённом виде она всегда присутствует. В периферической нервной системе нет неизолированных участков ганглиев, нейронов или их отростков и концевых разветвлений. Различия сводятся к степени миелинизации, а не к разным принципам строения. Следовательно, в головном и спинном мозге барьерные функции выполняют глиальные клетки, система сосудистых сплетений и олигодендроглия, в периферической нервной системе - шванновские клетки. Нервная система изолирована от остального организма, а нарушение этого барьера приводит к тяжелым аутоиммунным заболеваниям и гибели животного.

Взаимодействия между клетками

Нервные клетки взаимодействуют между собой и с остальными тканями организма. Обычно это прямой контакт. Нервное окончание получает информацию или передаёт её клеткам органа, но это не обязательно. Нервные клетки могут синтезировать гормоны, нейропептиды или другие соединения. Они выделяются в кровеносное русло и распространяются по гуморальным законам. Гормоны используются как генерализованные носители информации для управления всем организмом. Иногда они специфичны только для определённого органа-мишени, но в целом гормональная регуляция очень неспецифична и определяет только общую тенденцию в поведении. Выброс половых гормонов происходит под влиянием нервной системы, но их присутствие в организме в конечном счёте подчиняет себе и работу мозга. Мозг «вызывает их к жизни» и сам подчиняется им. Так, в период гона у копытных стратегически меняется поведенческая активность. Половые гормоны оказывают столь заметное влияние на мозг, что все другие формы поведения отходят на второй план или становятся подчинёнными. Достаточно попробовать плоды блестящей дрессировки любимого домашнего пса в присутствии течной суки.

В человеческом (приматном) сообществе действуют похожие законы. Весенняя гормональная активность преждевременно снимает шапки у мальчиков и оголяет коленки у девочек. Как правило, никакие «негормональные» доводы не действуют. Гормональная подчинённость нервной системы - это интеллектуальное горе человечества и гарантия его воспроизведения как биологического вида.

Размножаться, драться и добывать пищу лучше с использованием гормональной поддержки организма. Древние викинги грызли край щита, доводя до нужного уровень адреналина перед боем. Словесная перепалка на кухне вызывает выброс мобилизирующих гормонов, а через 10 мин становится ясно, как много веских слов и аргументов ещё не высказано. Следовательно, гормональные межклеточные взаимодействия, запускаемые нервной системой, хороши, но инертны, неадаптивны и не поддаются динамическому контролю. Трудно представить, что, собираясь отчаянно спорить, человек будет колоть себя шилом для гормональной мобилизации. Ещё менее вероятен волк, грызущий свой хвост для охотничьего возбуждения.

Для многих других видов гормональный контроль поведения позволяет просто статистически решать проблемы выживания. Для животных с выраженными генетическими программами поведения гормональная регуляция является одним из средств реализации врождённых форм поведения. Это свойственно беспозвоночным, первичноводным позвоночным, амфибиям, значительной части рептилий, птиц и специализированных млекопитающих. Такая распространённость генетико-гормональных форм поведения показывает их эффективность, но основана на вероятностном принципе. У таких видов обычно достаточно много потомков, чтобы хотя бы один из них смог выжить, просто перебирая стандартный набор поведенческих программ.

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

В этом процессе значительным препятствием для перехода веществ из крови в нервную ткань является слой эндотелиальных клеток капилляров мозга. Капилляры мозга имеют специфическое строение, отличающее их от капилляров других органов. Имеет значение также плотность распределения капилляров на единицу площади в различных тканях мозга.

Rrontoft (1955), используя изотопы фосфора (Р32) и полуколлоидного золота (Аи198), в эксперименте на кроликах показал, что количество проникшего в мозг вещества пропорционально площади капиллярного русла, т. е. основной мембраны, разграничивающей кровь и нервную ткань.

Гипоталамическая область мозга имеет наиболее богатую и наиболее протяженную капиллярную сеть. Так, по Н. И. Гращенкову, ядра глазодвигательного нерва имеют 875 капилляров на 1 мм, область шпорной борозды затылочной доли коры больших полушарий - 900, ядра подбуторья - 1100-1150, паравентрикулярные ядра- 1650, супраоптическое - 2600. Проницаемость гематоэнцефалического барьера в гипоталамической области несколько выше, чем в других отделах мозга. Большая плотность капилляров и повышенная их проницаемость в области мозга, связанные со зрительными функциями, создает благоприятные условия для обмена веществ в нервной ткани зрительного пути.

Об интенсивности функционирования ГЭБ можно судить по соотношению содержания различных веществ в тканях мозга и ликворе. Многие данные о ГЭБ были получены в результате изучения проникновения различных веществ из крови в ликвор. Известно, что ликвор образуется как за счет функционирования сосудистых сплетений, так и за счет эпендимы желудочков мозга. Н. Davson и соавт. (1962) показали, что ионный состав ликвора идентичен таковому водного пространства мозга. Также было показано, что некоторые вещества, введенные в ликвор, поступают и распределяются в тканях мозга не диффузно, а по определенным анатомическим путям в большой зависимости от густоты (плотности) капиллярной сети и особенностей обмена в отдельных функциональных зонах мозга.

Барьерными структурами мозга являются также сосудистые и клеточные мембраны, образованные двумя липидными слоями адсорбированных белков. В связи с этим определяющее значение в прохождении через ГЭБ имеет коэффициент растворимости веществ в жирах-липидах. Быстрота наркотического действия общих анестетиков прямо пропорциональна коэффициенту растворимости в липидах (закон Мейера-Овертона). Недиссоциированные молекулы проникают через ГЭБ быстрее, чем высокотонизированные вещества и ионы с низким коэффициентом растворимости в липидах. Например, калий проходит через ГЭБ медленнее, чем натрий и бром.

Оригинальные исследования по изучению функциональной морфологии гематоэнцефалического барьера были проведены Г. Г. Автандиловым (1961) в эксперименте на собаках. Применяя метод двойных солевых инъекций в общую сонную артерию и боковые желудочки мозга, он показал, что введенные в кровь электролиты уже через несколько минут обнаруживались в межклеточных промежутках и базальной мембране эпителия сосудистых сплетений мозга. Электролиты обнаруживались также в основном веществе стромы сосудистых сплетений.

S. Rapoport (2001) в эксперименте определял состояние ГЭБ путем введения в сонную артерию гипертонического раствора арабинозы или маннитола. После введения в течение 10 мин отмечалось 10-кратное увеличение проницаемости барьера. Продолжительность повышенной проницаемости барьера можно увеличить до 30 мин, если проводить предварительное лечение веществами, блокирующими Ка + /Са 2+ -каналы.

Эндотелиальные клетки кровеносных капилляров мозга при участии астроцитов образуют плотные контакты, которые препятствуют прохождению веществ, растворенных в крови (электролиты, белки), или клеток. ГЭБ отсутствует в задней доле гипофиза, самом заднем поле ромбовидной ямки, сосудистом сплетении и околожелудочковых органах. ГЭБ отделяет внеклеточную среду мозга от крови и защищает нервные клетки от изменений концентрации электролитов, нейромедиаторов, гормонов, факторов роста и иммунных реакций. При ряде заболеваний нарушается образование плотных контактов между клетками ГЭБ. Это происходит, например, при опухолях головного мозга, которые не содержат функциональных астроцитов. Проницаемость ГЭБ повышается при гиперосмолярности, вызванной внутривенным введением гипертонических растворов маннита, или при бактериальном менингите.

Гематоэнцефалический барьер у новорожденных не сформирован. Поэтому при гипербилирубинемии новорожденного билирубин поступает в мозг и повреждает ядра ствола головного мозга (ядерная желтуха). Повреждение базальных ганглиев приводит к гиперкинезам.

Система периферических нервов не защищена гематоэнцефалическим барьером. При аутоиммунных заболеваниях поражаются корешки спинномозговых нервов (синдром Гийена-Барре) и нервно-мышечные синапсы (миастения, миастенический синдром).

Центральная регуляция кровоснабжения головного мозга

Почти все отделы ЦНС участвуют в регуляции работы сердечно-сосудистой системы.

Выделяют три основных уровня такой регуляции.

1. Стволовые «центры».
2. «Центры» гипоталамуса.
3. Влияние некоторых областей коры головного мозга.

1. «Стволовые центры». В продолговатом мозге в области ретикулярной формации и в бульбарных отделах моста имеются образования, которые в совокупности составляют стволовые (медуллярные) и ромбоэнцефальные циркуляторные центры.

2. «Центры» гипоталамуса. Раздражение ретикулярной формации в области среднего и промежуточного мозга (район гипоталамуса) может оказывать как стимулирующее, так и тормозящее влияние на сердечно-сосудистую систему. Эти эффекты оказываются опосредованными через стволовые центры.

3. Влияние некоторых областей коры головного мозга. На кровообращение оказывают влияние участки коры двух областей: а) неокортекс; б) палеокортекс.
Ткани мозга чрезвычайно чувствительны к уменьшению мозгового кровотока. Если полностью прекращается мозговой кровоток, то уже через 4 с определяются отдельные нарушения функции мозга, а через 8-12 с возникает полная утрата его функций, сопровождающаяся потерей сознания. На ЭЭГ уже первые нарушения фиксируются через 4-6 с, через 20-30 с спонтанная электрическая активность мозга исчезает совсем. При офтальмоскопии в венах сетчатки определяются участки с агрегациями эритроцитов. Это признак прекращения мозгового кровотока.

Ауторегуляция мозгового кровообращения

Постоянство мозгового кровотока обеспечивает его ауторегуляция при изменениях перфузионного давления. В случаях повышения артериального давления - мелкие артериальные сосуды мозга суживаются, при снижении давления, наоборот, расширяются. Если артериальное системное давление имеет тенденцию к ступенеобразному повышению - мозговой кровоток вначале усиливается. Однако затем имеет место его уменьшение почти до исходной величины, несмотря на то обстоятельство, что артериальное давление продолжает оставаться высоким. Такая ауторегуляция и постоянство мозгового кровотока при колебаниях артериального давления в определенных пределах осуществляются в основном миогенными механизмами, в частности эффектом Бейлиса. Этот эффект заключается в непосредственных сократительных реакциях гладких мышечных волокон мозговых артерий в ответ на разную степень их растяжения артериальным внутрисосудистым давлением. Ауторегуляторная реакция присуща также и сосудам венозной системы головного мозга.

При различной патологии может наблюдаться нарушение ауторегуляции мозгового кровообращения. Выраженные стенозы внутренней сонной артерии при быстром падении системного артериального давления на 20-40 мм рт. ст. приводят к уменьшению скорости кровотока в средней мозговой артерии на 20-25 %. При этом возвращение скорости кровотока к исходному уровню происходит только через 20-60 с. При нормальных условиях это возвращение происходит уже через 5-8 с.

Таким образом, ауторегуляция мозгового кровотока является одной из важнейших особенностей мозгового кровообращения.Благодаря феномену ауторегуляции мозг, как сложнейший целостный орган, может функционировать на наиболее благоприятном, оптимальном уровне.

Регуляция мозгового кровообращения при колебаниях газового состава крови

Существует четкая корреляция между мозговым кровотоком и изменениями газового состава крови (кислорода и углекислоты). Стабильность поддержания нормального содержания газов в мозговой ткани имеет большое значение. При избытке углекислоты и снижении содержания кислорода в крови возникает усиление мозгового кровотока. При гипокапнии и (гипероксии) увеличении содержания кислорода в крови наблюдается ослабление мозгового кровотока. Широко используется в клинике как функциональная проба вдыхание смеси кислорода с 5 % С02. Установлено, что максимальное усиление скорости кровотока в средней мозговой артерии при гиперкапнии (повышенное содержание двуокиси углерода крови) может достигать 50 % по сравнению с исходным уровнем. Максимальное снижение скорости кровотока (до 35 %) по сравнению с исходным уровнем достигается при гипервентиляции и снижении напряжения углекислоты в крови. Существует ряд методов определения локального мозгового кровотока (радиологические методы, методики водородного клиренса с применением имплантированных в мозг электродов). После того как в 1987 г. R. Aaslid впервые применил транскраниальную допплерографию для изучения изменений церебральной гемодинамики в магистральных сосудах мозга, этот метод нашел широкое применение для определения кровотока в сосудах.
При недостатке кислорода, снижении его парциального давления в крови происходит расширение сосудов, в частности артериол. Расширение сосудов мозга наступает и при местном повышении содержания углекислоты и(или) концентрации ионов водорода. Сосудорасширяющим эффектом обладает также молочная кислота. Слабым сосудорасширяющим эффектом обладают пируват, а сильным - АТФ, АДФ, АМФ и аденозин.

Метаболическая регуляция мозгового кровообращения

Многочисленными исследованиями установлено, что чем выше и интенсивнее обмен веществ в том или ином органе, тем больше расход крови в его сосудах. Это осуществляется за счет изменений сопротивления току крови путем расширения просвета сосудов. В таком жизненно важном органе, как головной мозг, потребность которого в кислороде чрезвычайно высока, кровоток поддерживается почти на постоянном уровне.

Основные положения метаболической регуляции мозгового кровотока были сформулированы Roy и Sherrinton еще в 1890 г. В дальнейшем было доказано, что в нормальных условиях существует тесная связь и корреляция между активностью нейронов и локальным мозговым кровотоком этой области. В настоящее время установлена четкая зависимость мозгового кровотока от изменений функциональной активности мозга и психической деятельности человека.

Нервная регуляция мозгового кровообращения

Нервная регуляция просвета кровеносных сосудов проводится при помощи вегетативной нервной системы.

Нейрогенные механизмы принимают активное участие в различных видах регуляции мозгового кровотока. Они тесно связаны с ауторегуляцией, метаболической и химической регуляцией. При этом важное значение имеет раздражение соответствующих барорецепторов и хеморецепторов. Идущие к сосудам мозга эфферентные волокна заканчиваются терминалами аксонов. Эти аксоны находятся в непосредственном контакте с клетками гладких мышечных волокон пиальных артерий, которые обеспечивают кровообращение коры головного мозга. В коре большого мозга находятся в чрезвычайно тесной связи кровоснабжение, метаболизм и функции. Сенсорная стимуляция вызывает повышение кровотока в корковых отделах тех анализаторов, куда адресуется афферентная импульсация. Корреляция функции мозга и мозгового кровотока, проявляющаяся на всех уровнях структурной организации коры, реализуется через систему пиальных сосудов. Сильно разветвленная сеть пиальных сосудов является основным звеном, обеспечивающим адекватное локальное кровообращение коры большого мозга.

Тканевое дыхание головного мозга

Нормальная жизнедеятельность мозга человека связана с потреблением значительного количества биологической энергии. Эта энергия возникает в основном за счет окисления глюкозы. Глюкоза - моносахарид из группы альдогексоз, входящих в состав полисахаридов и гликопротеидов. Является одним из основных источников энергии в животном организме. Постоянным источником глюкозы в организме служит гликоген. Гликоген (животный сахар) - высокомолекулярный полисахарид, построенный из молекул глюкозы. Он является резервом углеводов в организме. Глюкоза-продукт полного гидролиза гликогена. Кровь, поступающая в мозг, доставляет тканям необходимое количество глюкозы и кислорода. Нормальное функционирование мозга происходит только при постоянном притоке кислорода.

Гликолиз - сложный ферментативный процесс расщепления глюкозы, протекающий в тканях без потребления кислорода. При этом образуются молочная кислота, АТФ и вода. Гликолиз является источником энергии в анаэробных условиях.

Функциональные нарушения в деятельности мозга возникают и при недостаточном количестве глюкозы в крови. Следует быть осторожными при введении больным инсулина, так как неправильная дозировка при введении препарата может привести к гипогликемии с потерей сознания.

Скорость потребления мозгом кислорода в среднем 3,5 мл/100 г ткани за 1 мин. Скорость потребления глюкозы мозгом составляет 5,5 мл/100 г ткани за 1 мин. Мозг здорового человека получает энергию в основном исключительно за счет окисления глюкозы. Более 90 % утилизированной мозгом глюкозы подвергается аэробному окислению. Глюкоза в конечном счете окисляется до углекислоты, АТФ и воды. При недостатке кислорода в тканях значение анаэробного гликолиза возрастает, его интенсивность может увеличиваться в 4-7 раз.

Анаэробный путь метаболизма мало экономичен по сравнению с аэробным метаболизмом. Одинаковое количество энергии можно получить при анаэробном метаболизме, расщепляя в 15 раз больше глюкозы, чем при аэробном. При аэробном метаболизме распад 1 моля глюкозы дает 689 ккал, что равняется 2883 кДж свободной энергии. При анаэробном метаболизме распад 1 моля глюкозы дает только 50 ккал, что равняется 208 кДж свободной энергии. Однако несмотря на небольшой энергетический выход, анаэробный распад глюкозы играет определенную роль в некоторых тканях, в частности в клетках сетчатки. В состоянии покоя кислород активно поглощается серым веществом головного мозга. Белое вещество мозга потребляет при этом меньше кислорода. Методом позитронной эмиссионной томографии установлено, что серое вещество в 2-3 раза интенсивнее поглощает кислород, чем белое.

В коре головного мозга расстояние между соседними капиллярами равно 40 мкм. Плотность капилляров в коре мозга в пять раз выше, чем в белом веществе полушарий мозга.

В физиологических условиях насыщение гемоглобина кислородом составляет около 97 %. Поэтому при необходимости увеличения потребности органа в кислороде доставка кислорода возможна в основном за счет повышения скорости кровотока. При усиленной мозговой деятельности доставка к нему кислорода возрастает в основном в результате снижения мышечного тонуса сосудистых стенок. Расширению сосудов мозга способствует снижение напряжения кислорода (гипоксия), а также повышение напряжения углекислого газа во внутриклеточном и внеклеточном пространствах и повышение концентрации ионов водорода во внеклеточном пространстве.

Однако влияние всех этих факторов значительно уменьшается при понижении содержания в периваскулярном пространстве ионов кальция, которые играют большую роль в обеспечении тонуса кровеносных сосудов. Снижение концентрации ионов кальция во внеклеточной среде ведет к расширению кровеносных сосудов, а повышение - к их сужению.

Основным компонентом (до 80 %) мембран нейронов и миелина являются липиды. Повреждение клеточных мембран является одним из пусковых механизмов развития многих патологических процессов при различных заболеваниях зрительного пути. При этом свободноапикальное окисление и накопление продуктов перекис-ного окисления липидов наблюдается как в зоне поражения, так и в крови больных. Установлено, что интенсивность процессов перекисного окисления липидов находится в неразрывной связи с состоянием антиоксидантной системы организма. При различных заболеваниях, когда нарушается равновесие между про- и антиоксидантными процессами, развивается деструкция мембраны и вещества клетки. Усиление свободнорадикального окисления липидов обнаруживается в очагах гипоксии, при глаукоме, в сетчатой оболочке глаза при чрезмерном ее освещении и других патологических состояниях зрительного пути.

Микроциркуляция головного мозга

Под микроциркуляцией понимают совокупность процессов протекания крови в сосудах микроциркуляторного (терминального) русла обмена между плазмой крови и межтканевой жидкостью, а также образования лимфы из межтканевой жидкости. Именно в капиллярах (сосудах обмена) происходит обмен питательными веществами и продуктами клеточного метаболизма между тканями и циркулирующей кровью.

Микроциркуляция крови складывается из трех основных компонентов:

1. Микрогемодинамика.
2. Микрореология.
3. Транскапиллярный (гематотканевой) обмен - обмен, происходящий через стенку капилляров и посткапиллярных венул между кровью и интерстициальной тканевой жидкостью.

Лимфатические капилляры пронизывают ткани почти всех органов человеческого организма. Однако в головном и спинном мозге, а также зрительном нерве они отсутствуют. Весь отток из головного и спинного мозга осуществляется через венозную систему. Различные нарушения микроциркуляции играют большую роль в патогенезе и клинике многих заболеваний зрительного пути.

Нарушения кровообращения головного мозга (ишемия)

Ишемия - это ослабление кровообращения в органе или участке органа вследствие уменьшения притока крови, приводящее к дефекту кровоснабжения тканей. Реакция центральной нервной системы на ишемию выражается в возбуждении циркуляторных центров продолговатого мозга, сопровождающемся в основном сужением сосудов. Нарушения мозгового кровообращения могут быть общего (болезни сердца и др.) и местного (ишемия и др.) характера. При этом могут возникать обратимые и необратимые изменения в тканях и клетках головного мозга или отдельных его участках. При дефиците кислорода нарушается окислительное фосфорилирование, а следовательно, и синтез АТФ. Происходящее повреждение клеточной мембраны является критическим моментом для развития необратимых (летальных) изменений в клетке. Значительное повышение уровня кальция в цитоплазме является одной из основных причин биохимических и морфологических изменений, приводящих к гибели клетки.

Патологические изменения мякотного нервного волокна белого вещества мозга складывается из изменений двух его основных элементов - миелиновой оболочки и осевого цилиндра. Независимо от причины перерыва нервного волокна в его периферической части развиваются изменения, определяемые как перерождение Валлера.

При выраженной степени ишемии происходит коагуляционный некроз нейрона (нервной клетки). Аноксическое (или гомогенизирующее) изменение нейрона близко к ишемическому, так как в его основе также лежат процессы коагуляции клетки. Гибель нейронов головного мозга часто сопровождает процесс нейронофагии. При этом происходит внедрение в нервную клетку лейкоцитов или глиоцитов, сопровождающееся процессами фагоцитоза.

Циркуляторная ишемическая гипоксия наблюдается при ишемии. Она бывает острой и хронической. Ишемия может приводить к гибели отдельных нейронов или группы нейронов (неполный некроз) или к развитию инфаркта отдельных участков мозговой ткани (полный некроз). Характер и тяжесть этих патологических изменений находится в прямой зависимости от величины, длительности и локализации нарушения мозгового кровообращения.

Компенсаторно-приспособительные процессы в головном мозге слабо выражены. Очень ограничены процессы регенерации различных тканей головного мозга. Эта особенность сильно усугубляет тяжесть, нарушения кровообращения тканей мозга. Нервные клетки и их аксоны не регенерируются. Сепаративные процессы несовершенны, происходят с участием глии и мезенхимальных элементов. Приспособительные и компенсаторные процессы в головном мозге осуществляются не столько за счет восстановления нарушенных структур, сколько при помощи различных компенсаторных функциональных изменений.

Нарушения гематоэнцефалического барьера при некоторых патологических процессах головного мозга и его оболочек

Различные патологические процессы, развивающиеся в тканях и оболочках головного мозга, имеют ряд особенностей своего течения. Неодинаковая чувствительность разных по структуре и химизму отдельных нейронов мозга к различным воздействиям, регионарные особенности кровообращения, многообразие реакции нейроглии, нервных волокон и мезенхимальных элементов объясняют топографию и полиморфизм реакций гематоэнцефалического барьера при различных патологических процессах.

Гематоэнцефалический барьер очень быстро реагирует на патологические процессы развитием локального или распространяющегося отека. Поскольку головной мозг находится в замкнутом пространстве полости черепа, даже небольшое увеличение его объема, в связи с отеком, приводит к морфологическим и функциональным нарушениям гематоэнцефалического барьера. Вследствие этого нарушается кровообращение нейронов и питание их аксонов. При этом также страдает ликвородинамика мозга, что углубляет развитие патологического процесса в нервной ткани. Нарушения микроциркуляции и барьерных механизмов в отдельных зонах поражения могут приводить к изменению функций синаптического аппарата нейронов в зрительном пути, что отражается на зрительных функциях.

Проведение зрительных нервных импульсов также резко нарушается вследствие патологических изменений в мякотных нервных волокнах зрительного пути. Патология мякотного нервного волокна складывается из изменений двух его основных компонентов: осевого цилиндра и миелиновой оболочки. Вне зависимости от причины, вызвавшей повреждение нервного волокна, в его периферической части развивается комплекс изменений, обозначаемых как валлеровское перерождение.

При рассеянном склерозе происходит главным образом деструкция миелина, которая проходит стадии валлеровского перерождения. Осевые цилиндры аксонов при рассеянном склерозе страдают в меньшей степени, что в начальной стадии болезни не вызывает резкого снижения зрительных функций. Ученые проанализировали особенности клинических проявлений, данные МРТ, иммунологических исследований крови и цереброспинальной жидкости у больных рассеянным склерозом с острыми проявлениями болезни в детском возрасте и у взрослых. У детей явно доминировали зрительные расстройства вследствие неврита зрительного нерва и дисфункции ствола мозга (головокружения, нистагм, нарушения глазодвигательной и лицевой иннервации). При раннем дебюте рассеянного склероза у детей чаще, чем у взрослых, отмечалась дисфункция гематоэнцефалического барьера (100 и 50 % соответственно).
В диагностике демиелинизирующих заболеваний центральной нервной системы В. Kalman, F. D. Liblin (2001) придают значение новым клиническим методам исследования, а также иммунологическим данным. Эти клинические исследования наиболее адекватно отражают состояние гематоэнцефалического барьера.

Нарушения функции гематоэнцефалического барьера отмечали также при болезни Бехчета с поражением центральной нервной системы. При исследовании спектра сыворотки крови и цереброспинальной жидкости у пациентов с болезнью Бехчета и поражением ЦНС показатели бета (2) микроглобулинов и альбумина были повышены, в отличие от пациентов с болезнью Бехчета, но без поражения ЦНС.

Вследствие нарушения локальной функции гематоэнцефалического барьера возможно возникновение временной корковой слепоты. L. Coelho и соавт. (2000) описывают состояние 76-летнего пациента, у которого развилась корковая слепота после коронарной ангиографии. Возможные причины - нарушения осмотического равновесия гематоэнцефалического барьера избирательно в области затылочной коры головного мозга или иммунологическая реакция на контрастное вещество. Через 2 сут зрение у пациента восстановилось.

Из заболеваний особенно неблагоприятное воздействие на гематоэнцефалический барьер оказывают опухоли мозга, как первичные, так и метастатические. Результат медикаментозного лечения опухолей мозга сводится к степени проникновения и воздействия лекарственного вещества на пораженные ткани. М. S. Zesniak и соавт. (2001) показали, что биоразрушающие полимеры могут пропускать химиотерапевтические вещества через кровемозговой и цереброспинальный барьеры в глиомы мозга. В новых полимерных технологиях используются также другие не химиотерапевтические вещества, включая средства ангиогенеза и иммунотерапевтические препараты.

Учитывая значительную роль ангиогенеза в росте опухолей, включая и неопла-зии ЦНС, для лечения применяют ингибиторы опухолевой неоваскуляризации. Однако терапевтический потенциал этих лекарств при системном введении у больных с опухолями мозга ограничен вследствие наличия в ЦНС анатомических и физиологических барьеров, препятствующих проникновению лекарства в опухоль. Терапевтическая концентрация лекарства в опухоли может быть достигнута путем имплантации релиз-контролирующих полимеров для местного введения непосредственно в паренхиму опухоли, минуя гематоэнцефалический барьер. При этом наблюдается минимальное системное токсическое воздействие. С использованием релиз-контролирующих полимеров был достигнут определенный успех в антиангиогенной терапии злокачественных внутричерепных опухолей мозга. Эту терапию можно сочетать с другими видами лечения: хирургией, лучевыми воздействиями, цитотоксической химиотерапией.

Тяжелые и быстро развивающиеся нарушения функции гематоэнцефалического барьера происходят при травмах головного мозга. По данным В. А. Куксинского и соавт. (1998), при тяжелой черепно-мозговой травме значительно нарушается проницаемость гематоэнцефалического барьера и в спинномозговой жидкости резко повышается содержание альбумина и Ь2-макроглобулина. Было установлено, что чем тяжелее травма, тем выше содержание этих белков в спинномозговой жидкости. Повышенное содержание в спинномозговой жидкости Ь2-макроглобулина, который связан с эндогенными протезами, вероятно, обусловливает вторичное повреждение при этом тканей головного мозга. Данные указанных авторов свидетельствуют о неразрывной, непрерывной взаимосвязи между ликвором желудочковой системы и спинномозговой жидкостью.

Компенсаторно-приспособительные и защитные функции гематоэнцефалического барьера имеют свои особенности. Регенерация тканей головного мозга весьма ограничена, что ухудшает исход любого патологического процесса в мозге. Нервные клетки и их аксоны не регенерируют. Репаративные процессы в нервной ткани несовершенны, происходят с участием глии и мезенхимальных элементов. Обычно они заканчиваются формированием рубцов или кист. Компенсация функций, в том числе и зрительных, осуществляется не столько за счет восстановления структуры, сколько за счет обильных межнейронных связей.

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.

Все большее количество заболеваний ученые объясняют нарушением функций гематоэнцефалического барьера (ГЭБ). Его патологическая проницаемость развивается практически при всех видах патологии ЦНС. С другой же стороны, для обеспечения проникновения некоторых препаратов в мозг преодоление ГЭБ становится первоочередной задачей. Методики, позволяющие целенаправленно преодолевать защитный барьер между кровеносным руслом и мозговыми структурами, могут дать существенный толчок в терапии множества заболеваний.

В одном из своих знаменитых экспериментов с красителями ныне всем известный ученый Пауль Эрлих обнаружил в конце XIX века интересный феномен, который занимает умы ученых и по сей день: после введения в кровь подопытной мыши органического красителя, наблюдая в микроскоп клетки различных органов, в том числе и клетки, относящиеся к органам центральной нервной системы, Эрлих отметил, что краситель проник во все ткани, за исключением головного мозга. После того, как помощник ученого сделал инъекцию красителя непосредственно в мозг, наблюдаемая в микроскоп картина была прямо противоположна: вещество мозга было окрашено красителем в темный фиолетово-синий цвет, тогда как в клетках других органов красителя обнаружено не было. Из своих наблюдений Эрлих заключил, что между мозгом и системным кровотоком должен существовать некий барьер.

Через полвека после открытия Пауля Эрлиха, с появлением более мощных микроскопов, позволяющих наблюдать объекты с увеличением в 5000 раз большим, чем позволял микроскоп, используемый Эрлихом, удалось действительно идентифицировать гематоэнцефалический барьер. Он кроется в стенках многокилометровой сети кровеносных сосудов, снабжающей каждую из сотни миллиардов нервных клеток человеческого мозга. Как и все кровеносные сосуды, сосуды головного мозга выстланы изнутри эндотелиальными клетками. Однако эндотелиоциты, входящие в состав нейроваскулярной единицы головного мозга, прилегают друг к другу плотнее, чем на протяжении остального сосудистого русла. Межклеточные контакты между ними получили название „tight junctions“ (плотные контакты). Возможность формирования компактного нефенестрированного монослоя, экспрессия высокоспециализированных транспортных молекул и белков клеточной адгезии позволяют эндотелиоцитам поддерживать низкий уровень трансцитоза. Также эндотелий находится под действием регуляции со стороны перицитов, астроцитов, нейронов и молекул внеклеточного матрикса, что дает понять, что ГЭБ – это не просто слой эндотелиоцитов, а активный орган, включающий в себя разные типы клеток. Такое взаимодействие клеток, обеспечивающее барьерную функцию, препятствуя свободному перемещению жидкостей, макромолекул, ионов, объясняет, почему же ни краситель Пауля Эрлиха, ни некоторые лекарственные препараты не могут проникнуть из крови в ткани мозга.

Еще до того, как наличие ГЭБ стало явственным, врачи и ученые осознавали его значение. И вмешиваться в функционирование этого барьера считалось плохой идеей. Со временем это представление менялось, поскольку ГЭБ оказался высокоактивной структурой. Клетки с обеих сторон барьера находятся в постоянном контакте, оказывая взаимное влияние друг на друга. Разнообразные внутриклеточные молекулярные сигнальные пути определяют пропускную способность ГЭБ по отношению к разного типа молекулам (тут хотелось бы вспомнить сигнальный путь Wnt, координирующий множество процессов, связанных с дифференцировкой клеток, участвующий и в поддержании целостности ГЭБ). Лейкоциты, например, долгое время считавшиеся слишком крупными клетками для проникновения через ГЭБ, на самом деле преодолевают его, осуществляя «иммунологический надзор». Микроскопическая техника и сами микроскопы и сейчас не останавливаются в развитии, постоянно усложняются и открывают все больше возможностей для визуализации тонко устроенных структур живого организма. Например, использование двухфотонного микроскопа позволяет наблюдать живую ткань коры головного мозга на глубине около 300 мкм, что и было осуществлено доктором медицинских наук Майкен Недергаард из университета Рочестера. Ею были проведены следующие манипуляции: часть черепа мыши была удалена, затем была произведена инъекция красителя в кровеносное русло, что и позволило наблюдать ГЭБ в действии в реальном времени. Исследовательнице удалось отследить, как отдельные клетки перемещались из кровотока через стенку капилляров – через тот самый слой эндотелиальных клеток, который еще буквально 20 лет назад считался для них непроницаемым.

До того же, как был сконструирован двухфотонный микроскоп, исследователи пользовались классическими методами: например, наблюдали через микроскоп мертвые клетки ткани, что давало не много объяснений касательно функционирования ГЭБ. Ценно же наблюдение работы ГЭБ в динамике. В ряде экспериментов Недергаард и ее коллеги стимулировали определенную группу нервных клеток, с помощью чего была обнаружена невероятная динамичность ГЭБ: окружающие нейроны кровеносные сосуды расширялись при стимуляции нервных клеток, обеспечивая усиленный приток крови, поскольку стимулируемые нейроны начинали распространять потенциал действия; при снижении раздражающих импульсов сосуды сразу снова сужались. Также при оценке функций ГЭБ важно уделять внимание не только эндотелиоцитам, но и уже упомянутым астроцитам и перицитам, которые окружают сосуды и облегчают взаимодействие между кровью, эндотелием и нейронами. Не стоит недооценивать и циркулирующие вокруг клетки микроглии, поскольку дефекты их функций могут играть не последнюю роль в возникновении нейродегенеративных заболеваний, т.к. в этом случае ослабляется иммунная защита ГЭБ. При гибели эндотелиоцитов – по естественным причинам или вследствие повреждения – в гематоэнцефалическом барьере образуются «бреши», и эндотелиальные клетки не в состоянии сразу же закрыть данный участок, поскольку формирование плотных контактов требует времени. Значит, эндотелиоциты на этом участке должны быть временно замещены каким-то другим типом клеток. И именно клетки микроглии приходят на помощь, восстанавливая барьер, пока эндотелиальные клетки полностью не восстановятся. Это было показано в эксперименте командой доктора Недергаард, когда через 10-20 минут после повреждения капилляра головного мозга мыши лазерными лучами клетки микроглии заполнили повреждение. По этой причине, одна из гипотез, с помощью которой ученые пробуют объяснить возникновение нейродегенеративных заболеваний, – это нарушение функции микроглиальных клеток. Например, роль нарушений ГЭБ подтверждается в развитии атак рассеянного склероза: иммунные клетки в большом количестве мигрируют в ткани мозга, запуская синтез антител, атакующих миелин, вследствие чего разрушается миелиновая оболочка аксонов.

Патологическая проницаемость ГЭБ также играет роль в возникновении и течении эпилепсии. Уже достаточно давно известно, что эпилептические припадки связаны с преходящим нарушением целостности ГЭБ. Правда, до недавнего времени считалось, что это последствие приступов эпилепсии, а не причина. Но с получением новых результатов исследований эта точка зрения постепенно изменилась. Например, по данным лаборатории университета Амстердама, частота припадков у крыс повышалась соответственно открытию ГЭБ. Чем более выраженным было нарушение барьера, тем более вероятно у животных развивалась височная форма эпилепсии. С этими данными коррелируют также результаты, полученные в Кливлендской клинике (США) при проведении испытаний на свиньях, а также на примере людей: в обоих случаях судорожные припадки происходили после открытия ГЭБ, но никогда — до этого.

Также ученые занимаются и взаимосвязью функционирования ГЭБ с болезнью Альцгеймера. К примеру, удалось идентифицировать два белка ГЭБ, которые, вероятно, играют роль в развитии данного заболевания. Один из этих белков – RAGE – опосредует проникновение молекул бета-амилоида из крови в ткань головного мозга, а другой – LRP1 – транспортирует их наружу. Если равновесие в деятельности этих белков нарушается, формируются характерные амилоидные бляшки. И хотя применение этих знаний для терапии еще только в будущем, есть дающие надежды результаты: на модели мышей удается предотвратить отложение бета-амилоида, заблокировав ген, ответственный за синтез RAGE-белков в эндотелиальных клетках. Возможно, препараты, блокирующие белок RAGE, работа над созданием которых уже ведется, будут иметь сходный эффект и у человека.

Помимо проблемы восстановления целостности ГЭБ, другая проблема, связанная с его функционированием – это, как уже было сказано, переправление лекарственных препаратов через преграду между кровотоком и мозгом. Обмен веществ, осуществляемый через ГЭБ, подчиняется определенным правилам. Чтобы пересечь барьер, вещество должно либо по массе не превышать 500 кДа (этому параметру соответствует большинство антидепрессивных, антипсихотических и снотворных средств), либо использовать естественные механизмы для перехода ГЭБ, как это делает, например, L-дофа, представляющая собой предшественник дофамина и транспортируемая через ГЭБ специальным переносчиком; либо вещество должно быть липофильным, поскольку аффинитет к жиросодержащим соединениям обеспечивает прохождение через базальную мембрану. 98% препаратов не выполняют и по одному из этих трех критериев, а значит, не могут реализовать свой фармакологический эффект в мозге. Вышеперечисленные критерии технологи безуспешно пытаются реализовать в ходе разработки лекарственных форм. Хотя жирорастворимые формы легко проникают через ГЭБ, некоторые из них тут же снова выводятся обратно в кровоток, другие застревают в толще мембраны, не достигая конечной цели. Кроме того, липофильность не является избирательным свойством мембран ГЭБ, а потому такие препараты могут практически без разбора проходить через мембраны клеток любых органов организма, что тоже, безусловно, минус.

Способы преодоления гемато-энцефалического барьера

Настоящим прорывом стало использование хирургического метода преодоления ГЭБ, разработанного нейрохирургом из Техасского университета в Далласе. Метод заключается во введении гиперосмолярного раствора маннита в ведущую к мозгу артерию. За счет осмолярного воздействия (количество растворенного вещества в гиперосмолярном растворе маннита превышает таковое внутри эндотелиальных клеток, поэтому, по закону осмоса, вода перемещается в сторону большей концентрации растворенного вещества) эндотелиоциты теряют воду, сморщиваются, плотные контакты между ними разрываются, и образуется временный дефект в ГЭБ, позволяющий вводимым в ту же артерию препаратам проходить в ткань мозга. Такое временное открытие ГЭБ длится от 40 минут до 2-х часов, после чего происходит восстановление эндотелиоцитов и контактов между ними. Такая методика оказывается спасительной для пациентов с диагностированными опухолями головного мозга, когда опухоль хорошо откликается на химиотерапию, но только в том случае, пока химиотерапевтический препарат достигает ткани мозга и накапливается в зоне инфильтрации злокачественных клеток в необходимой концентрации.

Это только один из способов преодоления ГЭБ. Существуют не менее интересные способы, они обзорно представлены на схеме внизу. Надеюсь, ознакомившись с ними, кто-то захочет углубиться в тему, чтобы разобраться в возможностях манипуляций с гематоэнцефалическим барьером и тем, как именно контроль над его функционированием может помочь в борьбе с различными заболеваниями.

Источники:
Engaging neuroscience to advance translational research in brain barrier biology – полный текст статьи, выдержки из которой использовались в посте, об участии ГЭБ в развитии различных заболеваний и способы его преодоления
J. Interlandi Wege durch die Blut-Hirn-Schranke, Spektrum der Wissenschaft, spezielle Auflage, 2/2016
Blood-Brain Barrier Opening – обзор способов открытия ГЭБ
Эндотелиальные прогениторные клетки в развитии и восстановлении церебрального эндотелия – о формировании и моделировании ГЭБ