Санкт-Петербургский государственный университет НЕЙРОИММУНОЛОГИЯ NEUROIMMUNOLOGY Проф д б

Санкт-Петербургский государственный университет НЕЙРОИММУНОЛОГИЯ NEUROIMMUNOLOGY Проф. д. б. н. Обухов Д. К. Академик Российской и Европейской Академии Естествознания Санкт-Петербург

Санкт-Петербургский государственный университет Биологический факультет НЕЙРОИММУНОЛОГИЯ Лекция 1 Барьеры мозга. Гемато-энцефалический барьер

ГЕМАТО-ЭНЦЕФАЛИЧЕСКИЙ БАРЬЕР ГЭБ – это специализированная структура, разграничивающая кровеносную систему и ткань мозга. ГЭБ, обеспечивает гомеостаз нервной ткани. Основными компонентами ГЭБ являются: - ЭНДОТЕЛИОЦИТЫ КАПИЛЛЯРОВ МОЗГА - БАЗАЛЬНАЯ МЕМБРАНА - ПЕРИЦИТЫ - ГЛАДКОМЫШЕЧНЫЕ КЛЕТКИ - АСТРОЦИТАРНАЯ ОБОЛОЧКА КАПИЛЛЯРА

Гладко-мышечные клетки в оболочке мелкого сосуда мозга

Глиальная оболочка (астроцитарная) вокруг капилляра в мозге млекопитающих. С – просвет капилляра, синяя стрелка – базальная мембрана, красная (толстая) – отросток астроцитарной ножки с пучками глиофиламентов

Перициты (фибробласты) в оболочке артериоллы в коре головного мозга крысы. Р – перицит, А – астроцитарная оболочка вокруг сосуда, звездочка – базальная мембрана

Контакт двух гладкомышечных клеток (М) оболочки сосуда. В – базальная мембрана, А – астроцитарные отростки, С – коллаген периваскулярного пространства,

. Микроглиальная клетка под поверхностью мелкого капилляра мозга. Микроглия – это АПК мозга, принимающая активное участие в защитных реакциях мозга.

ГЭБ – это специализированная структура, разграничивающая кровеносную систему и ткань мозга. ГЭБ и обеспечивает гомеостаз нервной ткани. Основными компонентами ГЭБ являются: эндотелиоциты капилляров мозга. Они обладают рядом морфологических и функциональных особенностей. достаточно тонкие мало пиноцитозных пузырьков (слабо развита жидкая фаза трансцеллюлярного транспорта). Это связано с отсутствием сиалогликопротеина gp 60, обеспечивающего пиноцитоз и присутствующего во всех других сосудах. наличие плотных контактов (tight junction) высокая электрическое сопротивление, в результате чего создаются препятствия для проникновения гидрофильных соединений и ионов. высокий уровень ферментативной активности, необходимой для инактивации токсинов. Ферментативная активность осуществляется благодаря присутствию в/или на эндотелии моноаминоксидазы, Lаминоациддекарбоксилазы, катехоламинтрансферазы, аминобутиратрансферазы. базальная мембрана особого типа она толстая (до 40 -80 нм) имеет трехслойное строение перициты и отдельные гладкомышечные клетки. они располагаются либо с внутренней стороне (по отношению к просвету капилляра) от базальной мембраны (перибазальное пространство), либо в расширениях БМ

астроцитарная глиальная оболочка - она не сплошная (примерно 40%) между отростками астроцитов находятся плотные (tight junction) и/или щелевые (gap junction) контакты - оболочка всегда однослойная - астроцитарная оболочка оказывает индуцирующее воздействие на клетки эндотелия, поддерживая их в определенном функциональном и структурном состоянии, формируя фенотип эндотелия мозга. В опытах по культивированию астроцитов мозга и подсадки их в хорио-аллантоисную мембрану с нормальными (периферическими) капиллярами было зафиксировано изменение свойств их эндотелия, в частности изменилась проницаемость для крупных молекул (что характерно для капилляров мозгового типа) Важно отметить, что в ПНС вокруг капилляров нет астроцитарной оболочки, и поэтому ГЭБ в этой части нервной системы менее изолирующий, чем в ЦНС/ основной преградой между кровью и остростками и телами нейронов являются клетки эндотелия, и миелиновые оболочки вокруг аксонов и олигодендроциты- спутники вокруг тел нейронов в вегетативных и соматических ганглиях ПНС. В связи с изучением ГЭБ важным вопросом оказалась проблема наличия в мозге свободного межклеточного пространства. Существовавшие крайние точки зрения - от практически полного отсутствия межклеточных пространств до его большого объема в настоящее время разрешился в пользу умеренной гипотезы: - признается наличие в мозговом веществе от 5 до 20% свободных межклеточных пространств, причем в сером веществе их больше, чем в белом. Эти пространства дают достаточный простор для перемещения веществ и даже клеток по мозговому пространству. С подобной ситуацией мы встретимся при описании нейроиммунных заболеваний мозга.

Схема строения ГЭБ в ЦНС и клетки, принимающие участие в его структуре и работе A – астроциты, Mi – микроглия, О –олигодендроциты, ЕСМ – молекулы межклеточного матрикса, Ах - аксоны

Изменение структуры мозговых капилляров в процессе старения. Капилляры головного мозга являются основным функциональным элементом ГЭБ, реализующие главную функцию кровообращенияч мозга – доставку к клеткам мозга питательных веществ, кислорода и удаление продуктов метаболизма нервной ткани. Одним из важнейших факторов, влияющих на состояние и функционирование капилляров мозга человека и животных является фактор возраста. Показано, что в период второго зрелого возраста человека (35 -55 лет) начинаются процессы дезорганизации элементов ГЭБ. - среди эндотелиоцитов стенки капилляров, наряду с нормальными светлымси клетками, появляются гиперхромные (темные) клетки. - в цитоплазме эндотелиоцитов обнаруживаются признаки дезорганизации : набухание митохондрий, появление в цитоплазме ламеллярных тел, расширение цистерн Гр. ЭР , снижение количества свободных и прикрепленных рибосом - происходят серьезные изменения в базальной мембране и астроцитарной выстилки капилляра - утолщение и разреженность базальной мембраны, с одной стороны, и утоншение мембраны, окружающей перициты , с другой. В пожилом (60 -74) и старческом (75 -90) возрасте деструктивные процессы в капиллярной сети мозга человека нарастают - появляется большое количество темных, гиперхромных (практически неработающих) эндотелиоцитов - в ряде капилляров они могут отсутствовать вообще - большая часть капилляров запустевает и практически не работает - наблюдается фрагментация базальной мембраны - увеличение микропиноцитоза, что может свидетельствовать об увеличении проницаемости ГЭБ уменьшается зона покрытия астроцитарными ножками стенки капилляра, что резко изменяет функционирование ГЭБ (Бредбери, 1993, Загребина, 2003) В старом и пожилом возрасте наблюдаются процессы частичной морфо-функциональной компенсации (адаптации), способствующие поддержанию кровообращения в мозге: - зафиксировано появление незрелых капилляров (образующихся de novo) - появление парных капилляров, находящихся под одной баз. мембраной и окруженных одним перицитом, что, как полагают, улучшает кровоснабжение участка мозга. - в ряде случаев наблюдается замещение ножки астроцита либо телом самой глиальной клетки, либо отростками олигодендроцита

Интересным, фактом является наличие глиальных мембран вокруг крупных сосудов в мозге, не только со стенками капилляров, но также и артериол (с позиций возможности контроля сосудистого тонуса) и венул (в плане контроля воспалительной реакции и дренажной функции в поддержании водного гомеостаза в мозге). Астроциты способны вызывать вазодилятацию и усиление микроциркуляции в регионе повышенной нейрональной активности. Это обусловлено реализацией, как минимум, двух механизмов. Первый – обусловлен прямым действием на гладкие миоциты сосудистой стенки. При этом медиаторами взаимодействий между ножками астроцитов и гладкими миоцитами стенок сосудов являются простагландины, эпоксиэйкозотетраены (ЕЕТ), арахидоновая кислота и ионы калия. In vivo доказана также роль метаболитов ЦОГ-2, EETs, аденозина и нейронального оксида азота во взаимоотношениях клеточной пары: астроцит – гладкий миоцит сосудистой стенки и формировании адекватного кровотока при повышении нейрональной активности Второй механизм связан с опосредованными эффектами, через стимуляцию продукции эндотелиальными клетками вазоконстрикторов, например, эндотелина 1, ангиотензина II и широкого спектра вазодилятаторов (ПГЕ 2, ПГI 2, ЕЕТ, оксид азота, эндотелиальный гиперполяризующий фактор)

Схема строения ГЭБ в ПНС и клеток, принимающих участие в его структуре и работе.

Уникальность ГЭБ состоит в обеспечении интенсивного, но высоко селективного транспорта ряда метаболитов. На молекулярном уровне это обусловлено: 1 - гиперполяризацией плазмолеммы эндотелиоцитов, в частности, связанной с продукцией эндотелиального гиперполяризующего фактора 2 - блоком экспрессии в эндотелиоцитах белков, принимающих участие в эндоцитозе 3 - угнетением в физиологических условиях экспрессии коннексинов, формирующих щелевидные соединения 4 - высоким уровнем экспрессии в эндотелиоцитах и астроцитах ZO-1, белков, входящих в состав плотных соединений, формирующих два изолирующих пояска – между соседними эндотелиоцитами и между ножками астроцитов 5 - наличием толстой трехслойной базальной мембраны, в синтезе компонентов которой принимают участие как эндотелиоциты, так и астроциты; 6 - участием астроцитов в рецептор-опосредуемом транспорте веществ, обеспечивающих конечную селекцию транспортируемых к нейрону метаболитов 7 - регулируемой экспрессией мембранных транспортеров для глюкозы (Glu-1) и аминокислот в эндотелиоцитах 8 - ограничением экспрессии и встраивания аквапоринов в плазмолемму астроцитарных ножек на васкулярной поверхности, обеспечивающим контроль водного гомеостаза в мозге

Свойства ГЭБ Свойства барьера во-многом определяются его структурой. ГЭБ предназначен для регуляции потоков веществ в мозге, что он и делает: - относительно непроницаем для белковых молекул, особенно белков плазмы крови - не пропускает отдельные клетки - плохо пропускает отдельные аминокислоты (мало транспортеров). Тем не менее имеются специальные транспортные комплексы –А, - АSC, - L, которые транспортируют определенные типы аминокислот. ограничивает трансцеллюлярный пузырьковый транспорт ряда веществ (например, трансферрина) - хорошо пропускает мелкие гидрофобные молекулы - активно транспортирует глюкозу и ряд ионов (особенно К/Na) - с помощью специального белка транспортера PGP - гликопротеина Р - через барьер в кровь транспортируются продукты метаболизма мозга.

Некоторые факторы, влияющие на проницаемость ГЭБ - На эндотелий сосудов ГЭБ оказывают влияние множество факторов как внешней, так и внутренней природы. Среди важнейших внешних факторов выделяются факторы воспаления. - Ворота для проникновения веществ через ГЭБ лежит либо через плотные контакты (очень плотные) или через трансцитоз эндотелиальных и астроцитарных клеток. Медиаторы воспаления, как было показано в ряде недавних работ, влияют на оба пути, но больше всего на систему плотных контактов. - Среди множества факторов воспаления одним из важнейших является брадикинин. Брадикинин (Bk 2) увеличивает проницаемость ГЭБ посредством связывания с рецепторами В 2 на поверхности эндотелиальных клеток. В конечном итоге это приводит к повышению концентрации Са+2, активации фосфолипазы А, выход арахноидоновой кислоты, продукции свободных радикалов в мозговой ткани. Необходимо помнить, что любое изменение потока ионов Са+2 внутрь или из клеток эндотелия или астоцитарной оболочки приводит к изменению свойств контактов и изменению проницаемости ГЭБ. - Серотонин также увеличивает проницаемость ГЭБ путем активации 5 -НТ 2 рецепторов на мембранах эндотелия. - Гистамин, как один из редких нейромодуляторов и нейромедиаторов, но оказывающих сильное влияние на проницаемость ГЭБ путем связывания с Н 2 рецепторами и усилением потока Са+2 и с рецепторами Н 1, действующими через систему ц. АМФ. - На поверхности эндотелиальных клеток найдены рецепторы к АТФ. ГТФ, АДФ, активация которых увеличивает проницаемость ГЭБ через систему G-белков, причем рецепторы Р 2 u действуют через систему Са+2 , а рецепторы Р 2 y действуют через подавление активности АДциклазы. - Арахноидоновая кислота, чей уровень в мозге повышается при некоторых патологических состояниях, приводит к значительному открытию ГЭБ даже для крупных белковых молекул, а также является генератором свободных радикалов в мозге. (Abbott, 2003) - Среди внешних факторов, влияющих на проницаемость ГЭБ необходимо отметить повреждение мембран эндотелиоцитов и астроцитов токсинами бактерий и токсическими продуктами метаболизма клеток. (например: поражение ГЭБ при тяжелых инфекциях – менингиты, грипп, герпес, перитонит, панкреатит). - Повреждение ГЭБ при ишемии и различного видах гипоксий, вызванных как «внешними» причинами – инсульт, травмы и ушибы мозга, так и «внутренними» - старением организма. (Бабич, Белопасов, 2003).

КОНТАКТЫ МЕЖДУ ЭНДОТЕЛИАЛЬНЫМИ КЛЕТКАМИ как основной компонент гемато-энцефалического барьера

Конечным результатом стимуляции ответа астроцитов считается выделение БАВ (глутамата, АТФ, простагландинов, NO), мишенями для которых являются: - гладкие миоциты сосудов; помимо внутрицеребральных артериол, астроциты способны передавать сигнал к артериям мягкой мозговой оболочки на поверхности мозга, регулируя интенсивность подачи крови в систему коммуникативных артериол внутри мозга - эндотелий капилляров и венул, для которых глутамат, АТФ, простагландины, NO и факторы роста, продуцируемые астроцитами, являются регуляторами проницаемости, пролиферации и активности аутокоидных ферментов, а также экспрессии молекул клеточной адгезии, определяющих взаимодействие с лейкоцитами и тромбоцитами - синапсы, поскольку глутамат и АТФ, выделяемые астроцитами при активации синаптической передачи, могут оказывать модулирующее действие на синаптическую трансмиссию как в месте формирования возбуждения, так и в удаленных участках (за счет вовлечения нейроастроцитарной сети) - нейроны, учитывая, что астроциты формируют ГНБ в зоне расположения перикариона, а выделяемые ими БАВ модулируют метаболическую активность и генную экспрессию, а, следовательно, изменение функционального состояния нейрона в целом - олигодендроциты, с которыми астроциты связаны как посредством отношений лигандрецептор, так и через информационные щелевидные соединения. Активация олигодендроцитов может вести к изменению продукции нейротрофических факторов и факторов роста глиального происхождения (GDGF), усилению пролиферациии изолирующей функции клеток - клетки микроглии, для которых АТФ, простагландины и цитокины, секретируемые астроцитами, являются регуляторами метаболизма и функции

РАЗВИТИЕ И ПАТОЛОГИЯ гемато-энцефалического барьера

Schematic representation of the steps of BBB differentiation. Starting from brainangiogenesis, vascular sprouts radially invadethe embryonic neuroectoderm guided by a concentration gradient of VEGF-A. Following brain angiogenesis, we assist to the barriergenesis or the formation and maturation of the BBB. During the barriergenesis TJ complexes are formed and the endothelial cells develop polarized transport systems which endows the characteristic transport specificity of BBB endothelium. Maturation of the BBB endothelium is modulated by its close interaction with astrocytes, pericytes and neurons which also play a primary role for the maintenance of the BBB

Эндотелий Транспортные пузырьки ( с ПХ) Гл. мыш. клетки Усиление транцитозного транспорта через эндотелей при гипертензии

ЛИКВОР-ГЕМАТИЧЕСКИЙ БАРЬЕР

Клетки эпендимы Система межклеточных контактов в эпендиме Реснички на клетках эпендимы

НАРУЖНАЯ ГЛИАЛЬНАЯ ОБОЛОЧКА

Наружная глиальная оболочка мозга. Образована тонкими отростками астроцитов (А), стрелка – базальная мембрана, Р – клетки мягкой мозговой оболочки.

Многослойная система астроцитарных отростков (L), формиру. щих наружную глиальную мембрану мозга. F – астроцитарные ножки, Р – клетки мягкой мозговой оболочки, стрелки – базальная мембрана, L – межклеточные пространства мозга.

Циркумвентрикулярная система мозга 1 2 3 4 5 6 Subfornikalorgan Organum vasculosum laminae terminalis Neurohypophyse Zirbeldrüse s. Epiphyse Subkommissuralorgan Area postrema

Особенности организации барьеров в органах циркумвентрикулярной системы Барьермежду кровью и нейронами в этой зоне имеет ряд структурных особенностей. Во-первых, капилляры относятся к фенестрированному типу. Изучение ультраструктуры их эндотелия показало, что фенестры эндотелия закрыты тонкой диафрагмой с точечным отверстием в центре Во-вторых, эндотелиальные клетки в этой зоне осуществляют эндо-, экзо- и трансцитоз, морфологическим отражением которого являются пузырьки в цитоплазме, которые обеспечивают транспорт не только метаболитов, но и регуляторных молекул эндокринной и иммунной систем В-третьих, снаружи от эндотелиальной БМ, включающей светлую, темную и ретикулярную пластинки, расположено широкое периваскулярное пространство, заполненное рыхлой волокнистой соединительной тканью. В-четвертых, вторая БМ отделяет периваскулярное пространство от прилегающих астроцитарных отростков. В-пятых, возможен прямой контакт между окончаниями аксонов и стенкой капилляров в зонах аксо-вазальных синапсов, типичных для нейрогемальных органов (медиальное возвышение, нейрогипофиз, эпифиз и пр. )

Типичный для участков циркумвентрикулярной системы фенестрированный капилляр (стрелки), Р – периваскулярной пространство, F – перицит (фибробласт) оболочки сосуда.

Фенестрированный эндотелий сосуда в зоне area postrema IV мозгового желудочка.

. Микроглиальная клетка под поверхностью мелкого капилляра мозга. Микроглия – это АПК мозга, принимающая активное участие в защитных реакциях мозга. Обратить внимание на непосредственный, тесный контакт микроглии с сосудом. В месте этого контакта даже нет астроцитарной оболочки.

Схема взаимодействия молекул межклеточной адгезии при миграции лимфоидных клеток через ГЭБ ( на примере рассеянного склероза)