Bariéry nervového systému za fyziologických a patologických stavů

Centrální a periferní nervový systém jsou odděleny od krevního řečiště bariérami, které brání volnému přechodu ve vodě rozpustných molekul prostřednictvím těsných spojů, jež propojují endoteliální buňky a epiteliální buňky plexus chorioideus. Tyto bariéry též hrají roli v influxu esenciálních molekul a odstraňování xenobio­­tik. V posledních letech jsou objasňovány rozdíly a společné rysy jednotlivých bariérových systémů. Jejich poruchy hrají klíčovou roli v celé řadě chorob nervového systému. Článek objasňuje strukturu a funkci bariérových systémů za fyziologických a patologických okolností.

Klíčová slova:
hematoencefalická bariéra – hematoneurální bariéra – endoteliální buňky – astrocyty – pericyty

Úvod

Centrální i periferní nervový systém (CNS, PNS) je extrémně vulnerabilní vůči noxám zevního i vnitřního prostředí. Nepřekvapuje, že se vyvinuly specializované struktury izolující neurony od krevního řečiště a likvoru. Bariéry CNS a PNS chrání nervovou tkáň před toxickými a patogenními látkami, regulují iontovou rovnováhu, facilitují nutriční transport a blokují potenciálně škodlivé molekuly. Buněčné bariéry reprezentují hranici mezi kapilárním cévním řečištěm a extracelulární matrix neuronů a gliových buněk. Lze diferencovat hematoencefalickou bariéru (HEB), hematolikvorovou bariéru (HLB), hematomíšní bariéru (HMB) a hematoneurální bariéru (HNB) [1].

Je zřejmé, že poškození těchto bariér hraje klíčovou roli v rozvoji celé řady onemocnění CNS a PNS. Jde zejména o cévní onemocnění mozku, traumata, zánětlivé a autoimunitní onemocnění, epilepsie, neurodegenerativní choroby a polyneuropatie. V poslední době byly popsány nové poznatky týkající se funkce bariérových systémů na buněčné a molekulární úrovni.

Struktura a funkce hematoencefalické bariéry

V roce 1885 publikoval Paul Ehrlich zjištění, že různé, ve vodě rozpustné barvy aplikované do krevního oběhu, nabarvily všechny orgány kromě mozku a míchy. Předpokládal, že CNS má nižší afinitu k těmto barvivům. O tři roky později Biedl a Kraus demonstrovali, že žlučové kyseliny, které v experimentu při přímé aplikaci do mozku vyvolávají epileptické záchvaty a kóma, nebyly toxické, pokud byly aplikovány do krve. V roce 1967 Reese a Karnovsky pomocí elektronové mikroskopie prokázali při pokusech s křenovou peroxidázou, že existují mezibuněčné těsné spoje (Tight Junction, TJ), které jsou lokalizovány na úrovni cévního endotelu [2].

HEB je tvořena komplexním systémem skládajícím se z vysoce specializovaných mozkových mikrovaskulárních endoteliálních buněk (MEB) a bazální membrány obsahující velké množství pericytů. Na bazální membránu, jež je tvořena kolagenem, lamininem, heparinem a sulfát proteoglykanem, nasedají vlákna hladkého svalstva [3]. Kromě vrstvy endoteliálních buněk se na HEB podílí zakončení astrocytů. Astrocyty zprostředkují kontakt mezi MEB a nervovými synapsemi. Celý tento komplex tvoří neurovaskulární jednotku (obr. 1) [4]. Perivaskulární makrofágy jsou odpovědné za imunitní dohled [5].

V ně­kte­rých oblastech mozku, tzv. cirkumventrikulárních orgánech, se HEB nevyskytuje. Jsou charakteristické svou malou velikostí, vysokou propustností, perforací kapilár a výskytem specializovaných ependymálních buněk, tzv. tanycitů, z nichž ně­kte­ré jsou vybaveny chemoreceptory předávajícími podněty z krve do CNS. Patří sem area postrema, eminentia mediana se sousedící neurohypofýzou, subkomisurální a subfornikální orgán a lamina terminalis (resp. její organum vasculosum) [6].

MEB se liší od jiných endoteliálních buněk malým množstvím fenestrací, tvorbou TJ, omezením pasivní difuze mezi buňkami, minimální endocytózou, existencí specifických transportních systémů a zvýšenou aktivitou enzymů, které metabolizují xenobio­­tika (cizorodé látky, např. léky, toxiny apod.) [7– 9].

Důležitá složka mozkových kapilár a postkapilárních venul jsou pericyty. Poměr pericytů k endoteliálním buňkám je v mozku a sítnici 1 : 1, zatímco v plicích 1 : 10, což naznačuje jejich důležitou roli v bariérových systémech. Regulují angiogenezi, formaci HEB v průběhu embryogeneze, cévní stabilitu, regulaci kapilárního průtoku krve a eliminaci toxických buněčných produktů. Jejich nedostatek zvyšuje propustnost HEB pro řadu stopových látek [10,11].

Astrocyty patří mezi nejdůležitější gliové buňky CNS, které kromě jiného ovlivňují mozkovou mikrocirkulaci v závislosti na neuronální aktivitě a zpětně regulují aktivitu neuronální sítě [12,13]. Astrocyty ovlivňují junkční a transportní vlastnosti HEB, ale není jasné, zda jsou tyto pochody pod neuronální kontrolou [14]. Indukční vlivy astrocytů se podílejí na diferenciaci a funkci endotelu HEB [15].

Akvaporin‑4 (AQP4) je v mozku a míše jednou z nejrozšířenějších molekul. Vyskytuje se zejména v membránách astrocytů v HEB a HLB. AQP4 je zapojen v řadě patofyziologických procesů, jeho fyziologická role není zcela jasná. Nedávné poznatky svědčí o jeho vlivu na regulaci objemu extracelulárních prostor, cirkulaci likvoru a resorpci mezibuněčných tekutin. Podílí se na zánětu, buněčné migraci a dalších buněčných funkcích.

Řada imunitních buněk je v interakci s HEB. Nejdůležitější je vliv perivaskulárních makrofágů, jejichž úloha je kromě imunitního dohledu i fagocytóza buněčných fragmentů [17]. V perivaskulárních regionech se vyskytují žírné buňky, jejichž role nebyla plně objasněna [18]. V parenchymu CNS je hojně zastoupena mikroglie pocházející z monocytární buněčné linie. Ta vstupuje do CNS během embryogeneze a podílí se na neuronálním zrání a přirozené imunitní odpovědi. Může se chovat jako antigen prezentující buňka v rámci přirozené i adaptivní imunitní odpovědi [19].

Interendoteliální TJ v CNS tvoří složitý komplex transmebránových a cytoplazmatických proteinů ukotvených k cytoskeletu aktinem (obr. 1). Bylo referováno o celé řadě proteinů, které se zde nacházejí. Jedná se o okludin, klaudin‑3, klaudin‑5, klaudin-12, zona occludens (ZO)- 1, ZO‑2 a junkční adhezivní molekuly (JAM)- A [20– 25]. Klaudin‑5 je nezbytný pro udržování bariérových vlastností HEB za fyziologických podmínek, úroveň jeho exprese se zhoršuje při ně­kte­rých patologických stavech. Klaudin‑3 je zvýšeně exprimován při zrání HEB [26].

MEB exprimují různé influxní a exfluxní transportní systémy, které ovlivňují nejen poskytování živin, ale s výjimkou léků i prostupnost excesivních neurotoxických látek, např. neurotransmiterů a jejich metabolitů (obr. 2). Mezi nejvýznamnější exfluxní transportéry patří P‑glykoprotein (P‑gp), „multidrug resistance associated protein“ (MRP) a adenozin trifosfát (ATP), přičemž se u všech předpokládá, že zabraňují vstupu xenobio­­tik do CNS [27– 29]. MEB také podporují influx různých nutričních faktorů, které využívají specifické transportní systémy, jako jsou glukózový transpotér 1 (glu1), transportér monokarboxylové kyseliny 1 (MCT1) a přenašeč kreatininu [30– 32]. Přestup látek z krve do mozku se uskutečňuje na podkladě jejich rozpustnosti v tucích nebo pomocí přenašečových systémů. Snadno prostupuje voda a látky dobře rozpustné v lipidech, např. etanol, nikotin, plyny (O₂, CO₂, N₂O). Nezbytné hydrofilní látky jsou do mozku transportovány pomocí specifických transportních systémů (glukóza, neutrální aminokyseliny). Vezikulární transport je velmi omezený. Neporušená hematoencefalická bariéra prakticky znemožňuje prostup makromolekul do mozkové tkáně. Průniku těchto látek do mozku zabraňuje také enzymatická bariéra, na níž se podílejí enzymové systémy, lokalizované ve stěnách mozkových cév, např. monoaminooxydázy (enzymy degradující monoaminy) a aminopeptidázy (enzymy rozkládající enkefaliny).

Hematoencefalická bariéra za patologických stavů

Poškození HEB je patrné u různých neurologických afekcí, ať již traumatických, ischemických, zánětlivých či degenerativních. Porucha bariérových systémů může být prospěšná (umožňuje vstup imunokompetentních buněk do CNS a jejich podíl na reparativním zánětu), nebo poškozující. Protrahovaná porucha HEB vede k vazogennímu edému se zvýšeným influxem vody a proteinů do CNS, což může způsobit zvýšení nitrolebního tlaku s fatálními důsledky. Na buněčné úrovni dochází k narušení myelinových obalů, zvýšené astrocytární reaktivitě a to má za následek neuronální dysfunkci či ireverzibilní axonální ztrátu [33].

Dysfunkce HEB během patologických stavů je podmíněna narušením TJ, zvýšením transcytózy, změnou transportních systémů a zvýšenou leukocytární infiltrací. Na poruše HEB se účastní řada molekul –  vazoaktivní bílkoviny (Vascular Endothelial cell Growth Factor, VEGF, Reactive Oxygen Species, ROS) zánětlivé cytokiny (interleukin 1- IL‑1, IL‑6, tumor nekrotizující faktor alfa,  TNF‑alfa), matrix metaloproteinázy a jejich inhibitory (MMP‑9, MMP‑2, MMP‑7) a leukocytární adhezní molekuly (P‑selektin, E‑selektin, Intercellular adhesion molecule 1 –  Icam1, Vascular cell adhesion molecule 1 –  Vcam1) [34]. Nedávné studie ukazují důležitou roli chemokinů a jejich receptorů (CXCL12, CCL19, CCL20 a CCL21) v udržování homeostatických funkcí. Zatímco endoteliální exprese těchto chemokinů reguluje průnik leukocytů do CNS, kde vykonávají imunitní kontrolu, nová data svědčí o tom, že CXCL12 je též zapojen do neurogeneze a přežívání neuronů [35]. Přehled onemocnění, u kterých se v patogenezi uplatňuje porucha HEB, je uveden v tab. 1.

Roztroušení skleróza

Roztroušená skleróza (RS) je autoimunitní onemocnění s prvky neurodegenerace. Relaps remitující forma RS je charakterizována poruchou HEB s masivní perivaskulární infiltrací makrofágy a neutrofily [36]. V imunopatogenezi RS hrají důležitou roli MMP.

U relaps remitující formy se MMP podílejí na porušení HEB, perivaskulární infiltraci lymfocyty a zesílení chemotaktického gradientu. MMP se účastní i na ložiskovém poškození myelinu vedoucím ke vzniku typických demyelinizačních lézí a na přerušení axonů. Významné je i jejich působení neurotoxické [37,38].

Porucha HEB je dobře patrná na magnetické rezonanci mozku (MR), kdy u longitudinálních studií, ale i v klinické praxi po aplikaci gadolinia dochází u čerstvých aktivních lézí k akumulaci kontrastní látky, zatímco u lézí starších tomu tak není [39– 41]. Mnohé důkazy svědčí pro to, že i počáteční fáze progresivní RS jsou zprostředkovány autoimunitním zánětem imunokompetentními buňkami usídlenými za HEB [42]. Zajímavé jsou studie, které prokazují redukci proteinů asociovaných s TJ v místech normálně vypadající bílé hmoty (Normal Appearing White Matter, NAWM, To podporuje předpoklad, že dysfunkce HEB se vykytuje i v místech, kde se nevyskytují aktivní léze [43,44].

Praktický důsledek ovlivnění role HEB u RS je zavedení monoklonální protilátky natalizumabu do léčebné praxe. V současné době je to nejefektivnější léčba u vysoce aktivní RS. Natalizumab je antago­nista a4- integrinu. Jeho hlavní nežádoucí účinek je možnost reaktivace JCV (John Cunningham viru) u predisponovaných jedinců. Tento vir je odpovědný za rozvoj progresivní multifokální leukoencefalopatie (PML). Blokádou HEB je totiž výrazně omezena možnost rozpoznání JCV T lymfocyty, jež prostupují HEB a dohlížejí na potenciální možnost výskytu infekce [45].

Vysoké dávky metylprednizolonu redukují hladiny MMP‑9 v likvoru blokádou aktivátoru proteinu‑1 pro MMP‑9 gen. Tím dochází k uzavření HEB, což se využívá k léčbě akutního relapsu [46].

Neuromyelitis optica

Porucha HEB je daleko výraznější u neuromyelitis optica (NMO) a může napomáhat v diferenciální dia­gnostice oproti RS [47]. V imunopatogenezi NMO hrají důležitou roli protilátky proti AQP4, které jsou snadno detekovatelné v séru. Sérum pacientů s NMO má selektivní patologický vliv na buněčné membrány astrocytů exprimující AQP4, zejména v oblasti Ranvierových zářezů s možnou inicializací demyelinizace [48].

Traumatické postižení CNS

Pro poruchy HEB při mozkových traumatech je typický rozvoj mozkového edému, zánět a smrt neuronů. Aktivuje se hypoxii indukující faktor‑1a (HIF‑1a), AQ‑4 a MMP‑9, které se podílejí na rozvoji mozkového edému a zvýšené permeabilitě HEB. Na poruše HEB se v experimentu podílí i oxidativní stres a aktivace mikroglie [49].

Mozkové ischemie

Cerebrální ischemie vede k dvoufázovému poškození HEB [50]. Její počáteční otevření je reverzibilní, zprostředkované MMP‑2. V podmínkách akutní hypoxie dochází k akumulaci HIF‑1a, který má neuroprotektivní efekt. Stimuluje endoteliální růstový faktor a transformující růstový faktor‑b, jež jsou důležité v angiogenezi a neurogenezi [51].

K dalšímu otevření HEB dochází 24– 48 hod po reperfuzi v závislosti na délce ischemie. Zánětlivé cytokiny indukují tvorbu MMP‑3 a MMP‑9 a také cyklooxygenázy 2 (COX‑2), přičemž nastává větší destrukce HEB. Důsledkem toho je vstup neutrofilů a monocytů, které jsou zdrojem MMP a toxických krevních produktů. Oxidativní stres poškozuje endoteliální buňky HEB a přispívá k vazogennímu edému [52]. MMP‑7 ovlivňuje stabilitu aterorosklerotických plátů prostřednictvím makrofágů [53].

Epilepsie

Patologické změny HEB s extravazáty albuminu v mozkovém parenchymu byly pozorovány u akutních epileptických záchvatů [54]. Ačkoliv není zcela jasné, zda dysfunkce HEB je příčina nebo následek této poruchy, je zřejmé, že dochází k iontové dysbalanci a změnám energetického metabolizmu. Nedostatek glukózového transportéru 1 (GLUT1) vede k rozvoji epileptického syndromu, který může být pozitivně ovlivněn ketogenní dietou [55].

Epileptický syndrom je často provázen zánětlivými změnami CNS. Dochází ke zvýšené expresi zánětlivých mediátorů, např. interleukinu‑1b (IL‑1b), tumor nekrotizujícího faktoru alfa (TNFa), cyklooxygenázy 2 (COX‑2) a chemokinu CXCL 10 (CXCL10), které mohou v postparoxyzmálním období poškozovat mozkovou tkáň a zvyšovat záchvatovou pohotovost [56]. HEB je kritické místo v léčbě epilepsie. Zvýšená exprese P‑gp je asociována s farmakorezistentní epilepsií [57].

Alzheimerova nemoc

Zvýšená propustnost HEB u Alzheimerovy nemoci (AD) úzce koreluje s progresí nemoci [58]. Intracerebrální arterie a kapiláry mají ztenčenou vrstvu hladkých svalů, obsahují amyloidní plaky, dochází k degeneraci endotelu se ztluštěním bazální membrány [59]. Otevření HEB na základě hypoxických inzultů vede k akumulaci plazmatického beta amyloidu v mozkovém parenchymu nebo vaskulárním endotelu. Důležitou roli v buněčném transportu beta amyloidu hraje nízkodenzitní lipoproteinu příbuzný protein 1 (LRP1) [60].

Amyotrofická laterální skleróza

U amyotrofické laterální sklerózy (ALS) byly nalezeny zvýšené hladiny albuminu, IgG a lymfocytární infiltráty indikující poškození HEB. U experimentálních myších modelů ALS při využití SOD1 (superoxid dismutáza 1) mutací docházelo k redukci endoteliálního GLUT1, klaudinu-5, ZO1 a okludinu. Patologické změny astrocytárních zakončení byly pozorovány již v časných fázích onemocnění. Tyto nálezy by mohly mít zásadní význam pro vývoj účinných terapeutických postupů [61].

Ně­kte­ré studie prokázaly, že degeneraci motoneuronu v předních rozích míšních předchází poškození neurovaskulární jednotky, což by mohlo mít též terapeutický význam [62].

Parkinsonova nemoc

Polymorfizmus MDR1 genu (Multidrug Resistence 1gen) kódujícího P‑gp je asociován s narůstajícím rizikem rozvoje Parkinsonovy nemoci (PD) u jedinců exponovaných pesticidům pronikajícím do CNS narušenou HEB [63]. Recentní studie prokázala, že MMP‑3 se podílí na ztrátě dopaminergních neuronů nigrostriatální dráhy u 1- metyl‑4- fenyl‑1,2,3,6- tetrahydropyridin (MPTP) myšího modelu PD u poškozené HEB infitrované periferijními imunitními buňkami [64].

Hematolikvorová bariéra

Bohatě vaskularizovaný chorioideální plexus (CHP) je poměrně netěsný. Existuje zde velmi rychlý krevní průtok (10krát vyšší než v mozku) a vysoký obrat tekutin (cca 400 000 µL/ den) s obsahem stopových prvků, peptidů a hormonů [65]. Místo fenestrovaného endotelu funkci HEB přebírá vrstva epiteliálních buněk vytvářejících TJ. Jeho apikální ventrikulární membrána tvoří HLB [66]. Klaudin‑1, - 2, a - 3 je lokalizován v oblasti epiteliálních spojů a selektivně exprimován v CHP. Zde jsou též exprimovány jiné, s TJ asociované proteiny, např. okludin, ZO‑1 a ZO‑2 [67]. Klaudin‑11 se vyskytuje výhradně v CHP a je součástí paralelních TJ [68].

CHP není jen jednoduchá difuzní bariéra, ale zásobuje CNS nutričními látkami, např. vitaminy a glukózou. Podílí se ale i na eliminaci xenobio­­tik a metabolických produktů. Transcelulární epiteliální aktivní transport a sekrece jsou energeticky náročné procesy, na kterých se podílí mitochondrie, endoplazmatické retikulum a Golgiho aparát [65]. Vyšetření likvoru představuje unikátní možnost získání informací o fyziologických i patologických procesech CNS. Intratékální aplikace medikamentů představuje jednu z možností, jak „obejít“ HEB u léčiv, které by touto bariérou obtížně pronikaly. HLB se podílí na homeostáze CNS společně s HEB [69].

Hematomíšní bariéra

Hematomíšní bariéra (HMB) je funkční ekvivalent HEB ve smyslu existence specializovaného mikroprostředí pro buněčné složky míchy. Nedávno získané poznatky svědčí o tom, že mezi HEB a HMB existují funkční rozdíly. HMB je prostupná pro cytokiny mnohem více než HEB [70]. V in vitro studii Ge a Pachter ukázali, že v kulturách MEB izolovaných z myší míchy je nižší exprese ZO‑1 a okludinu v porovnání s kulturami mozkových MEB [71].

Poruchy HMB jsou zřejmé u celé řady onemocnění, např. u neuromyelitis optica, ALS, radiačního poškození míchy, míšní ischemie a traumat. Ve všech případech, stejně jako u poruch HEB, jsou terapeuticky účinné vysoké dávky metylprednizolonu.

Hematoneurální bariéra

Poruchy hematoneurální bariéry (HNB) jsou iniciálně přítomny u mnoha autoimunitních onemocnění PNS. Jde např. o Guillainův‑Barrého syndrom, chronickou zánětlivou demyelinizační polyradikuloneuritidu (CIDP) a paraproteinemické polyneuropatie [72].

HNB zahrnuje endoneurální mikrocirkulaci a vnitřní vrstvu perineuria. Strukturálním podkladem HNB jsou TJ mezi sousedními MEB periferních nervů (PnMEB) a mezi perineurálními buňkami [73]. Látky pocházející z krevního řečiště se mohou dostat do endoneurálního extracelulárního prostoru buď přes endoneurální vaskulární endotel, nebo perineurium. Řada studií ukazuje, že perineurální permeabilita je mnohem nižší než prostupnost endoneurárálních vlásečnic [73,74]. PnMEB tvoří v perineuriu většinu vlásečnic, a proto je lze považovat za skutečné rozhraní mezi krví a periferními nervy. Ačkoliv vlastnosti HNB jsou podobné jako u HEB, dosud jsou omezené poznatky o molekulárních mechanizmech podílejících se na stavbě HNB. Na izolovaných tkáňových kulturách krysích PnMEB je patrné, že dochází k expresi TJ molekul, jako okludin, klaudin‑5, klaudin‑12, ZO‑1, ZO‑2 a junkčních adhezních molekul (JAM) 1 na úrovni mRNA. Na mezibuněčných spojích byl též detekován klaudin‑5. Krysí PnMEB též exprimovaly influxní transportéry (GLUT‑1) a ně­kte­ré efluxní transportéry [75]. Endoteliální buňky formující HNB exprimují podobné TJ a transportní proteiny, jako je tomu u HEB k ochraně nervových vláken před toxickými a patogenními vlivy v krvi. Dodávají esenciální látky pomocí influxních trasportérů.

Na rozdíl od HEB součástí HNB nejsou astrocyty. Jejich roli vykonávají nejspíše pericyty periferních nervů, což jsou jediné buňky podílející se kromě PnMEB na stavbě endoneurálních vlásečnic. Solubilní faktory, secernované z pericitární buněčné linie, derivované z lidského sedacího nervu, snižují clearance inulinu přes PnMEB. Buněčné linie pericytů lidských periferních nervů exprimují řadu neurotrofických faktorů, jako nervový růstový faktor (NGF), mozkem derivovaný neurotrofní faktor (BDNF) a glií derivovaný neurotrofní faktor (GDNF) [76]. Tyto látky mohou bránit axonálnímu poškození a podílet se na axonální regeneraci PNS. Lze soudit, že mají dosud nedoceněný terapeutický potenciál [77].

Snížená regulace klaudinu‑1 a dislokace ZO‑1, patrná u CIDP, může indikovat poruchu HNB [78]. V imunopatogenezi CIDP a neuropatií asociovaných s vaskulitidou hrají rovněž důležitou roli MMP. MMP‑9 zprostředkuje zánětlivou buněčnou infiltraci T lymfocyty a makrofágy [79].

Závěr

Ačkoliv existují mezi bariérovými systémy odlišnosti, mají mnohé společného. Všechny se podílejí na udržování homeostázy nervového systému. Specifické transportní systémy participují na příjmu esenciálních látek, jiné realizují eliminaci metabolitů a toxických zplodin. Společným rysem je výskyt TJ a jiných molekul, např. ZO. Významný podíl na funkci bariér mají endoteliální, eventuálně epiteliální buňky, pericyty a zejména výběžky astrocytů.

Pokračující výzkum v oblasti modifikace bariérových systémů přináší nové terapeutické možnosti, jak je zřejmé na příkladu RS. V budoucnu lze očekávat vývoj dalších léků, zejména v oblasti neurodegenerativních chorob, cévních, traumatických, nádorových onemocnění a autoimunitních polyneuropatií.

Autor deklaruje, že v souvislosti s předmětem studie nemá žádné komerční zájmy.

Redakční rada potvrzuje, že rukopis práce splnil ICMJE kritéria pro publikace zasílané do bio­medicínských časopisů.

MUDr. Jiří Piťha

Neurologické oddělení

Krajská zdravotní, a.s. – Nemocnice Teplice, o.z.

Duchcovská 53

415 29 Teplice

e-mail: pithaj@seznam.cz

Přijato k recenzi: 10. 4. 2014

Přijato do tisku: 3. 7. 2014