Informație

Ce animale au o barieră hematoencefalică?


Sunt curios despre cât de vechi este BBB, în ceea ce privește evoluția. Este prezent la toate vertebratele? sau doar mamifere? sau ce?


Se pare că toate sunt vertebrate.

„Toate vertebratele au început cu o barieră glial hematoencefalică în urmă cu 4-500 de milioane de ani”

Toate vertebratele existente au o barieră hematoencefalică (BBB), un strat specializat de celule care controlează traficul molecular între sânge și creier și contribuie la reglarea (homeostazia) microambientului creierului ... Bariera este formată de celule endoteliale vasculare în majoritatea grupuri, dar de celule gliale perivasculară (astrocite) la peștii elasmobranh (rechini, patine și raze). Nu a fost clar care este forma ancestrală, ... concluzionăm că vertebratele ancestrale aveau un BBB glial. Aceasta înseamnă că o barieră endotelială ar fi apărut independent de mai multe ori în timpul evoluției și implică faptul că o barieră endotelială a oferit un puternic avantaj selectiv.

Deci, toate vertebratele au una; la unii pești, este compus din celule gliale mai degrabă decât celule endoteliale.

Cu toate acestea, insectele au ceva similar:

„Conservarea evolutivă a mecanismelor chemoprotectoare ale barierei hematoencefalice la vertebrate în Drosophila”

De asemenea, insectele posedă bariere neuronale de protecție, dar diferă anatomic de vertebrate (Figura 1). Drosophila melanogaster (Dm) are un sistem circulator deschis care este separat de SNC printr-un strat subțire de celule epiteliale derivate glial (Treherne JE, 1972; Carlson și colab., 2000; Stork și colab., 2008), realizând Dm interfața umorală / SNC topologic mult mai simplă decât vertebratele BBB. Cu toate acestea, la nivel celular, vertebratele și insectele BBB au multe caracteristici comune.


Bariera creierului sanguin

Evaluarea scurgerilor BBB direct în modelele preclinice se bazează de obicei pe extravazarea colorantului albastru al lui Evan, care se leagă de albumina serică. Cu toate acestea, această metodă nu este suficient de sensibilă pentru a detecta scurgeri minore, ceea ce duce la utilizarea propusă a imaginii optice pentru cartografierea scurgerilor BBB într-un model de cursă tromboembolică de șobolan. 26 Într-un articol recent din ziar, există studii care investighează prezența amiloidului în retina ochiului și a primilor 40 de pacienți dintr-un studiu cu 200 de participanți, modificările retinei sunt puternic corelate cu dezvoltarea plăcii amiloide în creier. 27 Este interesant de văzut că alții consideră ochiul ca o „fereastră în AD”, dar pentru mine, așa cum s-a menționat anterior, consider integritatea retinei ca un vestitor al integrității BBB și acest studiu pare să susțină indirect că amiloidul din ochi este un indicator al amiloidului din creier. Cu toate acestea, prezența unui BBB disfuncțional este observată în BRB.

Cu siguranță există oportunități de a utiliza imagistica retiniană pentru a evalua indirect BBB-ul pacienților ca factor de risc pentru AD. Rămâne de văzut dacă există o asociere între sănătatea sistemului vascular retinal și BBB și dacă integritatea BBB este corelată cu AD. Vom cunoaște aceste informații numai atunci când clinicienii încep să includă scanări longitudinale ale retinei în studiile lor clinice, deoarece rezoluția unei astfel de imagini continuă să se îmbunătățească pentru a oferi în continuare mai multe și mai multe date.


Căutând secretul modului în care tânărul sânge întinerește creierul

Cercetătorii știu că sângele de la animalele tinere inversează declinul cognitiv, cel puțin la șoareci. Dar pentru a transforma acest lucru într-un tratament, trebuie mai întâi să înțeleagă de ce.

Bariera hematoencefalică ar putea oferi o țintă pentru terapii de încetinire a îmbătrânirii cognitive. Celulele gliale, care înconjoară vasele de sânge, sunt prezentate în verde. Neuronii sunt afișați în roșu. C.J. Guerin, dr., Unitatea de toxicologie MRC / Sursa științifică

Legendele vampirilor afirmă că sângele unui tânăr poate readuce tinerețea la bătrâni, un tratament care a adus la seniori bogați de la papi medievali la dictatorul coreean Kim Il-Sung. Dar puterea legendară a sângelui tânăr nu este o simplă ficțiune. De asemenea, se pare că are o bază puternică în biologie.

Dovezi în creștere în ultimii 20 de ani dezvăluie numeroase beneficii. Folosind o procedură numită parabioză, în care doi șoareci sunt uniți astfel încât să împartă sistemul circulator, oamenii de știință au arătat că șoarecii bătrâni care primesc sânge de la animale mai tinere pot alerga mai repede și mai mult pe o bandă de alergat decât omologii lor netratați. Șoarecii tratați, de asemenea, învață mai repede cum să evite un șoc electric și își amintesc mai bine cum să înoate printr-un labirint de apă. Creierul lor generează noi neuroni în hipocampus - regiunea creierului care controlează învățarea și memoria. Sângele tânăr, se pare, este unul dintre cele mai puternice tratamente anti-îmbătrânire - cel puțin la șoareci.

Totuși, traducerea acestor descoperiri în oameni este o provocare. Pur și simplu transfuzarea sângelui de la donatorii tineri în persoanele în vârstă nu este o opțiune terapeutică viabilă: procesul prezintă un risc ridicat de infecție și este imposibil de standardizat de la pacient la pacient.

Într-o lume ideală, oamenii de știință ar izola un factor specific al sângelui tânăr care inversează declinul cognitiv și pierderea memoriei care apare odată cu îmbătrânirea. În ultimul deceniu, cercetătorii au găsit o mână de potențiali candidați. Dar, de asemenea, a devenit clar că nici o proteină nu este responsabilă de beneficiile sângelui tânăr - niciunul dintre acești factori individuali nu este la fel de puternic în inversarea îmbătrânirii ca parabioza însăși. „Cred că avem o înțelegere foarte rudimentară în acest moment a modului în care funcționează [parabioza]”, spune Tony Wyss-Coray, neurolog la Universitatea Stanford și investigator la Simons Collaboration on Plasticity and the Aging Brain (SCPAB).

Într-adevăr, procesul poate implica mai mult decât simpla adăugare a unui ingredient cheie. Unele cercetări sugerează că eliminarea factorilor din sângele vechi poate fi la fel de importantă ca adăugarea factorilor din sângele tânăr. Modificările legate de vârstă ale sistemului imunitar al creierului și bariera care reglementează ce proteine ​​intră și ies din creier complică și mai mult imaginea. „Chiar cred că nu vom găsi vreo genă magică în care dacă rezolvați acest sistem și puneți un Band-Aid pe el, va face diferența”, spune Jennifer Garrison, biolog molecular la Institutul Buck pentru Cercetări privind îmbătrânirea în Novato, California. În schimb, soluția va necesita mai multe proteine ​​și alți factori sanguini, precum și o mai bună înțelegere a fiziologiei corpului.

Vânătoare de proteine ​​magice

Pentru un scurt moment din 2014, se pare că cercetătorii ar fi putut găsi proteina magică din sânge care ar putea explica efectele parabiozei. Lee Rubin, biolog al celulelor stem la Universitatea Harvard și investigator SCPAB, și colegii săi au redus la zero o proteină numită GDF11, ceea ce unele dovezi sugerează că este predominant în sângele tânăr, dar scade odată cu vârsta. Injectarea GDF11 în șoareci bătrâni, au descoperit, ar putea îmbunătăți fluxul de sânge în creier și chiar să provoace creșterea de noi neuroni în hipocamp.

Rubin spune că GDF11 este probabil una dintre proteinele multiple din sângele tânăr care duc la întinerire. El și alții au identificat aproximativ o jumătate de duzină de proteine ​​din sânge care sunt crescute în sângele animalelor tinere și par să joace un rol în îmbătrânirea creierului. Acestea includ TIMP2, o proteină care se găsește în sângele din cordonul ombilical și klotho, un hormon produs în rinichi. În unele cazuri, injectarea acestor proteine ​​în șoareci vechi poate spori creșterea noilor neuroni, regenera mușchii și, în general, îi poate face pe șoareci să pară mai tineri decât omologii lor în vârstă.

Între timp, alți cercetători au descoperit o serie de proteine ​​din sânge dăunătoare care cresc odată cu înaintarea în vârstă. Injectarea lor la șoareci tineri provoacă rapid probleme cognitive și degenerescență musculară. Bio-inginerul Irina Conboy de la Universitatea din California, Berkeley, de exemplu, crede că factorii vechi îi copleșesc pe cei mici. Într-o lucrare recentă, grupul ei a îndepărtat jumătate din plasma sanguină a unui șoarece vechi și a înlocuit-o cu soluție salină. Metoda, au descoperit ei, a fost la fel de eficientă în restabilirea funcției creierului și a mușchilor ca înlocuirea cu sânge tânăr. De fapt, unele dintre proteinele predominante în sângele tânăr au reapărut de îndată ce sângele vechi a fost diluat, sugerând că au fost suprimate de sângele vechi.

Acest sistem de diluție plasmatică, cunoscut sub numele de plasmafereză, este deja utilizat pentru tratarea afecțiunilor autoimune, cum ar fi scleroza multiplă și lupusul, iar Conboy crede că o versiune a acestui tratament ar putea fi utilizată și ca terapie anti-îmbătrânire. La începutul acestui an, echipa ei a început un mic studiu clinic în care au diluat sângele bătrânilor cu ser fiziologic și se așteaptă la rezultate la începutul anului viitor. „Nu puteți suprima complet [proteinele vechi din sânge], deoarece nu există o proteină proastă”, spune ea. „Toate proteinele sunt dezvoltate pentru a face unele lucruri importante în corpul nostru. Ce se întâmplă este că devin excesivi. ”

Șoarecii bătrâni injectați cu o proteină asociată cu exercițiul (dreapta) încep să producă mai mulți neuroni noi (verzi) în hipocampus decât șoarecii martor (stânga), sugerând că acest tratament imită efectele cognitive benefice ale exercițiului. Credit: Horowitz și colab. Știința 2020.

Nu numai tineretul conferă sânge puterea anti-îmbătrânire. Exercițiile fizice - un mod bine stabilit de protejare împotriva efectelor cognitive ale îmbătrânirii - par să aibă beneficii similare. Într - o lucrare din iulie publicată în Ştiinţă, Saul Villeda, neurocientific la Universitatea din California, San Francisco și investigator SCPAB, a dat unui grup de șoareci bătrâni sedentari transfuzii de sânge de la șoareci bătrâni care au exercitat în mod regulat. După trei săptămâni, șoarecii sedentari au început să funcționeze semnificativ mai bine la testele de învățare și de memorie și au produs mai mulți neuroni în creier. Cercetătorii au descoperit că șoarecii care exercitau au produs mai mult dintr-o proteină din sânge numită GPLD1, care a oferit același beneficiu ca și exercițiul fizic atunci când a fost injectat la șoareci sedentari.

Constatarea că exercițiile fizice îmbunătățesc cunoașterea, indiferent de îmbătrânire, sugerează că terapiile eficiente cu proteine ​​anti-îmbătrânire ar putea necesita o combinație de tratamente. „Ar putea fi la fel de simplu ca blocarea unui factor de îmbătrânire prin exerciții fizice și promovarea regenerării cu câțiva factori în sângele tânăr”, spune Villeda. „Odată ce puteți ajunge la molecule, le puteți face.”

În cele din urmă, spune Rubin, găsirea unui cocktail potrivit se va reduce la găsirea raportului corect dintre factorii tineri benefici și inhibitorii factorilor vechi dăunători. „Puteți găsi factori individuali care fac lucrurile mai bune Puteți găsi factori unici care înrăutățesc lucrurile”, spune el. „Acum este vorba de a înțelege care sunt acești factori și ce fac și ce funcționează cel mai bine cu cele mai puține efecte secundare.”

Complicații fiziologice

Înțelegerea constelației proteinelor din sânge pro și anti-îmbătrânire s-a dovedit deosebit de supărătoare, deoarece acestea par să funcționeze prin două dintre cele mai complexe sisteme ale corpului: sistemul imunitar și creierul. GDF11, klotho, GPLD1 și alte câteva proteine ​​din sânge candidate promițătoare nu pot trece în creier ele însele - totuși au efecte profunde asupra creierului. De exemplu, par să îmbunătățească învățarea și memoria, stimulând hipocampul să producă noi neuroni. Cercetătorii suspectează că acești factori sanguini activează alte proteine ​​din periferie care pot pătrunde în creier sau pot comunica cu celulele imune neuronale care mențin bariera dintre creier și restul corpului.

Oamenii de știință știu surprinzător de puțin despre bariera hematoencefalică, stratul de celule vasculare și endoteliale care reglează ceea ce intră și iese din creier. Cercetările anterioare au arătat că bariera tinde să se descompună pe măsură ce oamenii îmbătrânesc, sugerând un rol important în îmbătrânire. Noi descoperiri publicate în Natură în iulie ajută la explicarea modului. Folosind o nouă metodă de urmărire a mișcării a sute de proteine ​​în creier, grupul Wyss-Coray a constatat că la șoareci tineri, celulele din bariera hematoencefalică utilizează receptori specializați pentru a recunoaște aceste proteine ​​și pentru a le transporta în mod activ în creier. Cu toate acestea, la șoareci bătrâni, proteinele nedorite au curs în creier din cauza modificărilor barierei hematoencefalice.

La șoareci tineri, proteinele plasmatice (albe) traversează bariera hematoencefalică (roșie) pentru a intra în creier și interacționează cu neuronii din hipocampus, centrul de memorie al creierului. Credit: Yang și colab. Natura 2020.

Bariera hematoencefalică ar putea fi o țintă bună pentru medicamentele anti-îmbătrânire, spune Wyss-Coray. Grupul său a testat un compus numit levamisol, care este utilizat clinic pentru combaterea viermilor. Levamisolul blochează una dintre enzimele care permit proteinelor să treacă liber bariera hematoencefalică la șoarecii bătrâni. Animalele bătrâne care au primit medicamentul au început să transporte proteinele mai selectiv, așa cum fac șoarecii tineri. Wyss-Coray spune că levamisolul sau un derivat al acestuia ar putea fi folosit într-o zi pentru a restabili buna funcție a barierei hematoencefalice la persoanele în vârstă.

Wyss-Coray și Rubin studiază acum expresia genelor în celule unice din bariera hematoencefalică, precum și în alte tipuri de celule, pentru a vedea cum se schimbă în timpul parabiozei. Orice diferență în expresia genelor ar putea oferi indicii privind efectele secundare ale proteinelor din sânge, dezvăluind în cele din urmă modul în care își primesc instrucțiunile în creier.

Constatări precum cele ale lui Wyss-Coray sugerează că bariera hematoencefalică ar putea fi mai interesantă decât se credea anterior. „Timp de decenii, bariera hematoencefalică a fost doar acest obstacol în calea modului în care se pot introduce medicamente în sistemul nervos central”, spune Daniela Kaufer, biolog molecular la Universitatea din California, Berkeley. Acum este o țintă în sine, spune ea, „un câmp nou-născut”.

Cercetările proprii ale lui Kaufer au arătat că defalcarea barierei hematoencefalice care apare odată cu vârsta permite unei proteine ​​din sânge numită albumină să pătrundă în creier și să declanșeze inflamația. Când grupul ei a injectat șoareci bătrâni cu un medicament pentru a restabili bariera hematoencefalică și a bloca inflamația, au constatat că scorurile animalelor la memorie și testele de învățare s-au îmbunătățit semnificativ.

Aceste rezultate, care au fost publicate în Știință Medicină Translațională în decembrie, sunt incitante, deoarece sugerează că problemele cognitive legate de vârstă pot fi inversate. Aceste probleme ar putea fi cauzate de o „ceață” inflamatorie care împiedică creierul să funcționeze corect, spune Kaufer, mai degrabă decât o moarte masivă a celulelor creierului. „Când îndepărtați acea ceață inflamatorie, capacitatea de plasticitate și funcționalitate este încă acolo”, spune ea.

Traducerea la oameni

Traducerea acestor progrese în tratamente care încetinesc îmbătrânirea la oameni ar putea fi o provocare nu doar din cauza obstacolelor științifice, ci din cauza celor de reglementare. Majoritatea medicamentelor din dezvoltarea clinică sunt concepute pentru a trata tulburări specifice legate de vârstă, cum ar fi Alzheimer sau boala Parkinson, mai degrabă decât pentru a încetini un proces natural. Administrația americană pentru alimente și medicamente (FDA) consideră că îmbătrânirea este normală, nu o boală care poate fi tratată cu terapii aprobate de FDA. Este frustrant pentru unii cercetători. „Sunt fascinat de faptul că toată lumea acceptă pierderea capacității cognitive ca normal”, spune Rubin. „De ce ar trebui să numim asta normal?”

Regulamentele FDA care reglementează transfuziile de sânge sunt oarecum mai neclare. Deoarece transfuziile nu se limitează la tratarea anumitor boli, medicii își pot folosi propria judecată pentru a stabili când să le folosească. În ultimii ani, au apărut o serie de companii care oferă transfuzii de sânge tânăr ca tratament anti-îmbătrânire pentru până la 8.000 de dolari. Aceste terapii nu au fost testate clinic, iar FDA s-a pronunțat împotriva utilizării de sânge și plasmă tinere în acest scop din cauza lipsei de tratamente standardizate și a pericolului de infecție.

Dezvoltatorii de medicamente speră că datele din studiile privind demența și dezvoltarea acestor medicamente vor oferi în cele din urmă o cale pentru aprobarea terapiilor anti-îmbătrânire. Deoarece îmbătrânirea este cel mai mare factor de risc pentru boli precum Alzheimer și cancer, tratamentele care previn aspectele cheie ale îmbătrânirii ar putea preveni și aceste boli, spune Steven Braithwaite, șef șef al companiei de biotehnologie Alkahest. Braithwaite și alții folosesc studii în curs de demență pentru a identifica factorii biologici obișnuiți în timpul îmbătrânirii, pe care apoi pot încerca să îi vizeze.

Alkahest, care a fost cofondat de Wyss-Coray, preia plasma din sânge de la donatori și separă partea care conține sute de proteine ​​de mărimea proteinelor cunoscute anti-îmbătrânire. Apoi infuzează această fracțiune plasmatică pacienților vârstnici cu boală Alzheimer sau Parkinson. Rezultatele timpurii sugerează că transfuziile sunt sigure și că îmbunătățesc unele dintre simptomele acestor boli.

Dar mai există o serie de întrebări înainte ca oricare dintre aceste terapii să devină tratamente practice pentru îmbătrânirea normală. De exemplu, nu este clar cât timp ar dura efectele unei transfuzii de sânge tânăr și dacă există efecte secundare. Și pentru că transfuziile sunt dificile și pentru că sângele fiecărei persoane conține o colecție diferită de proteine, scopul final al Alkahest nu este de a folosi plasma, ci de a dezvolta medicamente care să stimuleze aceste proteine ​​anti-îmbătrânire. „Știm doar că proteinele conduc o mare parte a activității, dar trebuie să ajungem la proteinele specifice și de ce funcționează aceste proteine”, spune Braithwaite. „Pentru a dezvolta efectiv terapeutic profilactic, va dura mai mult de 10 ani.”

Oricât de îndepărtat ar fi tratamentul, Villeda este încurajată de cea mai mare contribuție a parabiozei la cercetarea în vârstă: ideea că pierderea normală a memoriei este reversibilă. „Îmbătrânirea nu este definitivă, există suficientă rezervă în creier pentru a o putea reanima sau revitaliza”, spune Villeda. Funcția cognitivă, spune el, „este doar inhibată sau restricționată și tot ceea ce facem este să deschidem aceste restricții”.


Ce animale au o barieră hematoencefalică? - Biologie

Bariera hematoencefalică a fost numită una dintre cele mai mari provocări ale neurologiei. Membrana subțire, permeabilă selectiv, acționează aproape ca o folie de plastic, protejând țesutul cerebral de agenții patogeni periculoși și toxinele din sânge. Pe scurt, menține integritatea creierului și te ajută să te menții în viață. Dar aceeași barieră, care este formată dintr-o rețea adesea impenetrabilă de celule strâns legate, s-a dovedit, de asemenea, eficientă în eliminarea medicamentelor benefice care ar putea trata boli legate de creier, cum ar fi accident vascular cerebral și demență, și care ar putea ajuta, de asemenea, la repararea creierului traumatic. vătămarea cauzată de accidente sau luptă.

Cercetătorii au petrecut zeci de ani încercând să dezvolte medicamente îmbunătățite capabile să treacă prin bariera hematoencefalică (BBB) ​​și au creat modele animale pentru a imita și a înțelege cum funcționează bariera complicată. Dar aceste eforturi s-au scurtat adesea, lăsând în urma lor o penurie severă de tratamente viabile pentru boli cerebrale și leziuni.

Ilustrația arată sângele care curge prin peisajul barierei sângelui-creierului. Amabilitatea lui Edward Neuwelt, M.D. Oregon Health & amp Science University.

Acest lucru s-ar putea schimba odată cu lansarea recentă a Programului de interfață sânge-creier trans-agenție, un program de cercetare dezvoltat de Institutul Național pentru Inimă, Plămân și Sânge (NHLBI), în colaborare cu Comitetul mixt al Departamentului Apărării-6 (JPC) -6), Programul de cercetare pentru combaterea accidentelor.

Cercetătorii din noul program au un obiectiv mare: doresc să dezvolte modele minuscule, bioinginerate, ale BBB, care imită omologul uman mai îndeaproape decât modelele actuale de animale sau de laborator. Și vor să folosească aceste versiuni noi, mai sofisticate, pentru a înțelege mai bine diafragma dintre BBB și sânge - ceva ce nu a fost încercat până acum pe scară largă.

„Componenta sanguină a fost o piesă lipsă din puzzle-ul cercetării barierelor hematoencefalice”, a declarat Margaret Ochocinska, Ph.D., directorul programului de la Direcția Translațională a Științei și Resurselor Sângelui din cadrul NHLBI din Divizia de Boli și Resurse ale Sângelui. „Din punct de vedere istoric, accentul pus pe cercetarea barierei hematoencefalice s-a pus pe creier sau barieră, dar nu și pe sânge.”

Acest lucru se datorează în principal faptului că sângele este un sistem complex, greu de modelat. Acesta conține o gamă variată de substanțe chimice și celule care joacă un rol larg în organism, inclusiv nutriție, îndepărtarea deșeurilor, combaterea bolilor, vindecarea rănilor și comunicații de la celulă la celulă. De asemenea, fluxul sanguin și tensiunea arterială au impact asupra creierului și organelor și trebuie să fie bine controlate pentru o sănătate optimă.

„Sângele nu este doar un fluid pasiv care trece prin venele noastre, ci mai degrabă un participant activ la reglarea barierei hematoencefalice sau a„ interfeței ”, așa cum este descris mai exact, a spus Ochocinska. „Este esențial să înțelegem această barieră de protecție.”

Cu toate acestea, rolul precis al sângelui în interfața sânge-creier, în special în dezvoltarea tulburărilor neurologice și a stărilor de leziuni cerebrale, este în mare parte necunoscut și sub-cercetat, așa cum a fost subliniat de un grup de experți în bariera hematoencefalică care s-au întâlnit în 2016, în cadrul unui atelier special al Institutelor Naționale de Sănătate, organizat pentru a aborda provocările și oportunitățile din acest domeniu. Intenția noului program este de a face lumină asupra rolului său prin combinarea studiului sângelui cu cercetarea neurovasculară într-o nouă zonă a științei neuro-vasculare a sângelui, a spus Ochocinska.

Programul se va baza pe expertiza unor echipe multidisciplinare de oameni de știință - experți în sânge, experți vasculari, neurologi, cercetători în ritm circadian și dezvoltatori de cipuri de țesut BBB.

Împreună, a spus ea, vor contribui la construirea unei generații viitoare de modele BBB care ar putea ajuta la dezvăluirea mecanismelor bolii și la identificarea de noi tratamente.

Programul de 30 de milioane de dolari a finanțat deja proiecte de patru echipe de cercetare și intenționează să finanțeze încă șase până în septembrie 2021. Fiecare proiect va avea două faze - în primii 1 - 2 ani, cercetătorii vor dezvolta modele pentru a studia rolul sângelui și componentele vasculare din BBB în următorii 3 ani, cercetătorii vor încerca să caracterizeze rolul componentelor individuale ale sângelui, inclusiv celulele și moleculele, asupra funcției BBB.

Modelul BBB reprezintă cele mai noi tehnologii cu cipuri de țesut sau organe pe cip, care au fost sărbătorite în cercurile de cercetare în ultimul deceniu. Aceste mici dispozitive iau de obicei forma așchilor de plastic sau a cutiilor miniaturale, unele mici de două baterii AA. Acestea sunt bioinginerate pentru a susține țesuturile și celulele umane și imită funcțiile biologice complexe ale organelor și sistemelor. Din acest motiv, ele sunt numite și platforme de sisteme microfiziologice (MPS). Acest mediu mic, controlat, permite cercetătorilor să studieze mai ușor și mai eficient componentele bolii decât modelele animale mai mari, mai complexe și, foarte important, toate cu celule umane. Astfel, platformele MPS se pot completa și extinde pe modelele animale existente.

O placă cu 96 de godeuri - un vas de laborator dreptunghiular care conține mai multe godeuri care funcționează ca eprubete - pe care cercetătorii o dezvoltă într-un model nou și îmbunătățit al barierei hematoencefalice.

Într-unul dintre proiectele finanțate, cercetătorii vor dezvolta un model MPS pentru a studia boala Huntington, o tulburare moștenită a creierului care face ca celulele nervoase din creier să se descompună în timp, ducând la mișcări necontrolate, probleme emoționale și pierderea capacității de gândire. Simptomele apar de obicei în anii treizeci sau patruzeci și o afecțiune nu are leac.

„Dovezile sugerează că boala Huntington implică o defecțiune a barierei hematoencefalice și ne-ar plăcea să vedem cum se întâmplă acest lucru prin recrearea acestei defecțiuni pe o platformă MPS”, a declarat Christopher CW Hughes, Ph.D., cercetător în Departamentul Biologie moleculară și biochimie la Universitatea din California la Irvine și investigator principal în program, împreună cu expertul în boala Huntington și profesorul UC Irvine, Leslie Thompson, Ph.D. Modelul nostru va imita foarte atent fiziologia naturala a barierei hematoencefalice, inclusiv fluxul sanguin, pentru a ne ajuta sa intelegem aceasta boala devastatoare.

Modelul lui Hughes este o cutie de plastic de dimensiunea palmei pe care o numește „platformă de microorgane vascularizate”. Se compune din trei straturi. Un strat de microfluid, care conține țesutul, este intercalat între o placă de cultură a țesutului și un strat protector de fund transparent. „Arterele” și „venele” microfluidice din stratul mediu sunt conectate între ele printr-o rețea capilară umană vie, care are toate caracteristicile vaselor de sânge de tip BBB din creier. Vasele poartă o imitație de sânge care hrănește celulele nervoase care cresc în jurul vaselor, la fel ca într-un creier propriu-zis.

„Vom începe cu celulele cerebrale normale și vom vedea cum interacționează cu bariera hematoencefalică, iar mai târziu vom adăuga celule cerebrale care conțin defectul genetic al Huntington pentru a vedea ce defecțiuni ar putea apărea în celulele barieră”, Hughes spus. „Ne vom uita, de asemenea, la modul în care aceste celule barieră comunică sau se„ comunică ”între ele, ceea ce este esențial pentru structura și funcția BBB. Și, cel mai important, vom analiza și rolul sângelui în acest proces. ”

Modelul asemănător vieții ar putea duce la dezvoltarea de medicamente care vizează în mod eficient modelul lui Huntington. De asemenea, ar putea face lumină asupra rolului interfeței sânge-creier în alte boli neurologice, inclusiv Alzheimer, boala Parkinson, accident vascular cerebral, scleroză multiplă și leziuni traumatice ale creierului, a spus Hughes.

Alte modele BBB finanțate de program vor studia modul în care se formează accidente vasculare cerebrale la persoanele cu boală celulară seceră, examinând mecanismele de leziuni cerebrale din spatele infecției spitalice care pun viața în pericol, cunoscute sub numele de sepsis și explorează leziunile traumatice-cerebrale cauzate de căderi, accidente, răni de luptă și altele. surse de traumatism cranian. Lecțiile învățate din aceste modele pot fi aplicate altor boli care sunt afectate de leziuni ale BBB, inclusiv COVID-19 și alte boli pe bază de virus.

„În ultimii ani, cercetătorii au aflat multe despre diafragma dintre celulele sanguine circulante și endoteliul - în special în contextul inflamației după leziuni”, a declarat W. Keith Hoots, MD, director al Diviziei NHLBI pentru Boli de Sânge. Cu toate acestea, se știe mai puțin despre modul în care această diafragmă apare în vasele de sânge de la bariera hematoencefalică și care este impactul din aval asupra creierului în sine. Această nouă inițiativă este concepută pentru a descifra acest mecanism important ca răspuns la leziunile din partea creierului și a sângelui. ”

Și sperăm că va duce la tratamente mai bune pentru bolile creierului și leziunile, spun cercetătorii.


Crearea unui model al barierei creierului sanguin

Bariera hematoencefalică a fost denumită în cercetare drept „Sfântul Graal” în ceea ce privește înțelegerea modului în care funcționează. Scopul acestuia este de a proteja creierul de anumite toxine, cu toate acestea, partea inversă a acestui lucru înseamnă că unele medicamente pentru tratarea afecțiunilor neurologice, cum ar fi Alzheimer, cancerul și traumatismele cerebrale, nu pot trece prin structura sa de tip cetate.

Celulele care cauzează cancer pot trece totuși prin acesta și de aceea cercetătorii sunt atât de concentrați să înțeleagă modul în care funcționează și să încerce să găsească modalități prin care medicamentele benefice să treacă de el pentru a trata tulburările cerebrale.

Până în prezent, cercetările s-au concentrat pe realizarea de modele celulare de BBB în laborator și apoi pe posibilitatea de a le manipula pentru a dezvălui bazele modului în care funcționează. Modelele care utilizează celule animale au fost standardul până acum, dar nu sunt întotdeauna ideale. Obținerea de țesut uman este, de asemenea, dificilă, ceea ce a făcut din încercarea de a dezvolta un model creat de laborator o prioritate de cercetare. Dr. Zaynah Maherally și echipa ei de la Universitatea din Portsmouth ar fi putut veni cu o opțiune bună care se apropie foarte mult de ceea ce este real și, sperăm, ar putea fi calea de urmat în tratarea bolilor neurologice. Modelele sunt, de asemenea, utile în testarea medicamentelor, deoarece nu există niciun risc de rănire sau efecte secundare pentru animale sau oameni. Acestea sunt necesare pentru a simula ce se întâmplă când se administrează un medicament nou. Studiul realizat de Universitatea din Portsmouth este produsul unor ani de muncă intensă, iar rezultatele au fost publicate recent în revista Federația Societăților Americane de Biologie Experimentală.

Dr. Maherally a explicat, într-un comunicat de presă, „bariera hematoencefalică este izbitor de complexă și este notoriu de greu de încălcat pentru oamenii de știință. Rolul său, de a proteja creierul, face dificilă majoritatea medicamentelor să intre în creier pentru a trata tumorile cerebrale. Este o fortificare dinamică structurală, fiziologică și biochimică care, în esență, protejează creierul oferind mai multe straturi de armură, oprind moleculele să pătrundă în creier. Este foarte selectiv în ceea ce permite trecutul. La o persoană cu o boală a creierului, cum ar fi o tumoare pe creier sau alte afecțiuni neurologice, cum ar fi boala Parkinson, demență sau leziuni ale capului, apărarea izbitor de complexă acționează împotriva medicilor și a oamenilor de știință care încearcă să ofere ceea ce ar putea fi salvator sau prelungitor de viață tratamente. & quot

Modelul dezvoltat de echipa de la Portsmouth este primul de acest gen și, sperăm, va fi util pentru cercetătorii în neuroștiințe. Profesorul Geoff Pilkington, de la Universitatea din Portsmouth, a condus cercetarea și a declarat: „Acesta este primul model 3D real, complet uman, de barieră hematoencefalică și este extrem de semnificativ în domeniul nostru.”

Modelul este potrivit în mod unic pentru a afla cancerele care metastazează de la sân sau plămâni la creier. Va fi, de asemenea, un mediu perfect pentru a testa eliberarea de nano-particule de medicamente și pentru a încerca să creeze deschideri temporare în bariera care va lăsa medicamentele să treacă în creier. De asemenea, va scurta timpul necesar testării unui medicament nou, ajungând mai rapid la studiile clinice.


Bariera hematoencefalică

sânge & # x2013barieră cerebrală Funcția principală a barierei sângelui & # x2013brain (BBB) ​​este de a proteja creierul de modificările nivelurilor din sânge ale ionilor, aminoacizilor, peptidelor și altor substanțe. Bariera se află la nivelul capilarelor sanguine ale creierului, care sunt neobișnuite în două moduri. În primul rând, celulele care alcătuiesc pereții acestor vase (endoteliul) sunt sigilate împreună la marginile lor prin joncțiuni strânse care formează o componentă cheie a barierei. Aceste joncțiuni împiedică substanțele solubile în apă din sânge să treacă între celule și, prin urmare, să intre liber în mediul fluid al celulelor creierului. În al doilea rând, aceste capilare sunt închise de & # x2018end-feet & # x2019 celulele astrocitare (un tip de glie), care acționează și ca o barieră parțială, activă. Astfel, singura modalitate prin care substanțele solubile în apă traversează BBB este trecerea directă prin pereții capilarelor cerebrale și, deoarece membranele celulare ale acestora sunt formate dintr-un strat strat lipidic / proteic, ele acționează și ca o parte majoră a BBB .

În schimb, moleculele solubile în grăsimi, inclusiv cele de oxigen și dioxid de carbon, anestezice și alcool pot trece direct prin lipidele din pereții capilarelor și astfel pot avea acces la toate părțile creierului.

Apart from these passive elements of the BBB there are also enzymes on the lining of the cerebral capillaries that destroy unwanted peptides and other small molecules in the blood as it flows through the brain.

Finally, there is another barrier process that acts against lipid-soluble molecules, which may be toxic and can diffuse straight through capillary walls into the brain. In the capillary wall there are three classes of specialized �lux pumps’ which bind to three broad classes of molecules and transport them back into the blood out of the brain.

However, in order for nourishment to reach the brain, water-soluble compounds must cross the BBB, including the vital glucose for energy production and amino acids for protein synthesis. To achieve this transfer, brain vessels have evolved special carriers on both sides of the cells forming the capillary walls, which transport these substances from blood to brain, and also move waste products and other unwanted molecules in the opposite direction.

The successful evolution of a complex brain depends on the development of the BBB. It exists in all vertebrates, and also in insects and the highly intelligent squid and octopus. In man the BBB is fully formed by the third month of gestation, and errors in this process can lead to defects such as spina bifida.

Although the BBB is an obvious advantage in protecting the brain, it also restricts the entry from the blood of water-soluble drugs which are used to treat brain tumours or infections, such as the AIDS virus, which uses the brain as a sanctuary and ‘hides’ behind the BBB from body defence mechanisms. To overcome these problems drugs are designed to cross the BBB, by making them more fat soluble. But this also means that they might enter most cells in the body and be too toxic. Alternative approaches are to make drug molecules that can ‘ride on’ the natural transporter proteins in the cerebral capillaries, and so be more focused on the brain, or to use drugs that open the BBB.

Since the brain is contained in a rigid, bony skull, its volume has to be kept constant. The BBB plays a key role in this process, by limiting the freedom of movement of water and salts from the blood into the extracellular fluid of the brain. Whereas in other body tissues extracellular fluid is formed by leakage from capillaries, the BBB in fact secretes brain extracellular fluid at a controlled rate and is thus critical in the maintenance of normal brain volume. If the barrier is made leaky by trauma or infection, water and salts cross into the brain, causing it to swell (cerebral oedema), which leads to raised intracranial pressure this can be fatal.

The blood𠄻rain barrier is thus a key element in the normal functioning of the brain, and isolates it from disturbances in the composition of the fluids in the rest of the body.


Breaking through the blood-brain barrier

The bacteria that sneak past the brain's defenses to cause deadly bacterial meningitis are clever adversaries. Brandon Kim would know. The biology graduate student at San Diego State University investigates the molecular tricks bacteria use to convince their host that they are harmless and cause disease.

In a paper published in the Journal of Clinical Investigation, Kim and his lab mentor, SDSU biology professor Kelly Doran, describe their recent discovery that bacteria take advantage of a molecular warning signal and induce the brain's cellular armor to temporarily break down, letting in the bacterial horde.

Their discovery could have far-reaching implications for treating and preventing bacterial meningitis.

The blood-brain barrier is a thin network of blood vessels whose cells abut each other very closely, forming protein junctions too tight for bacteria and viruses to fit through. The barrier's purpose is to prevent unwanted material from crossing over from the surrounding bloodstream into brain tissue.

"You can think of the blood-brain barrier as a brick wall," explained Kim, who is completing his doctorate in Doran's lab. "Each cell of the blood-brain barrier is a brick and these tight junctions are the mortar."

Like castle guards, the cells that form this barrier can selectively let through nutrients and other "approved" molecules needed for normal brain function.

When bacteria or viruses do manage to slip past the blood-brain barrier and infect brain tissue, it can result in bacterial meningitis, a frequently deadly disease caused when the brain becomes dangerously inflamed.

Using cell cultures, zebrafish and mice as models, Kim and Doran investigated how one type of bacteria, group B streptococcus, gets through the brain's defenses.

By observing the bacteria's advance at different points in time and analyzing which molecular processes were active at the time, the researchers discovered an interesting result. When receptors along the blood side of the blood-brain barrier detect group B strep, the system fires off a molecular "danger" signal. However, tied into this protective molecular signal is another detrimental signal.

Stranger danger

When these blood-brain barrier cells fire off their danger signal, it not only induces the brain's molecular "help" response but also induces a gene to produce a transcription factor protein known as Snail1 that contributes the breakdown of the barrier's tight junctions. In doing so, the barrier unwittingly destroys its own integrity and permits the bacteria to enter the brain.

This study is the first to look at Snail1 in the context of meningitis. Previous research has described Snail1 as a factor of invasive cancer.

Understanding this process could allow scientists to develop therapeutics that temporarily control Snail1 expression and prevent the blood-brain barrier from acting on the hijacked self-destruct signal. Additionally, it might also allow researchers to harness the same process for good, designing drugs that tell the blood-brain barrier to let them through so they can fight various brain diseases.

"This finding will change the way that we view bacterial meningitis as a whole and may highlight new ways of treatment in the future," Kim said.


Abstract

Disruptions of the blood–brain barrier (BBB) and edema formation both play key roles in the development of neurological dysfunction in acute and chronic cerebral ischemia. Animal studies have revealed the molecular cascades that are initiated with hypoxia/ischemia in the cells forming the neurovascular unit and that contribute to cell death. Matrix metalloproteinases cause reversible degradation of tight junction proteins early after the onset of ischemia, and a delayed secondary opening during a neuroinflammatory response occurring from 24 to 72 hours after. Cyclooxygenases are important in the delayed opening as the neuroinflammatory response progresses. An early opening of the BBB within the 3-hour therapeutic window for tissue-type plasminogen activator can allow it to enter the brain and increase the risk of hemorrhage. Chronic hypoxic hypoperfusion opens the BBB, which contributes to the cognitive changes seen with lacunar strokes and white matter injury in subcortical ischemic vascular disease. This review will describe the molecular and cellular events associated with BBB disruption and potential therapies directed toward restoring the integrity of the neurovascular unit.

Introducere

Molecular biology methods and advances in magnetic resonance imaging (MRI) have provided novel insights into the cerebral vasculature in acute and chronic stroke. Protection of the neuronal microenvironment is provided by the neuro(glio)vascular unit (NVU) that includes endothelial cells, astrocytes, pericytes, neurons, and extracellular matrix around the vessels. 1 Tight junction proteins form the first defense in the endothelial barrier disruption that leads to vasogenic edema and cell death. In stroke, the ischemic injury induces a molecular cascade that culminates in the formation of toxic proteases and free radicals, which participate in damage to the tissue and the removal of dead cells. However, the same molecules that are damaging in the early stages of the injury perform essential functions in the recovery phase, drastically complicating the therapeutic use of these agents. The best-studied of these dual functioning molecules are the matrix metalloproteinases (MMP), cyclooxygenases (COX), as well as the free radicals, nitric oxide and reactive oxygen species.

Biology of Tight Junctions and the NVU

Tight junction proteins form the initial barrier at the endothelial cells between blood and brain cells. Major tight junction proteins are occludin and claudins close to the blood, and junctional adhesion molecules deeper in the endothelial cell clefts. 2 Surrounding the abluminal surface of the endothelial cell is a basal lamina composed mainly of Type-IV collagen, fibronectin, heparan sulfate, and laminin laminin functions as a charge and molecular weight barrier and interacts in complex ways with integrins to regulate permeability and cellular transport across the blood–brain barrier (BBB). 3 Embedded in the basal lamina are the pericytes, which are hybrid cells with both macrophage and smooth muscle properties. 4 Astrocytes are generally thought to be an essential cell for tight junction formation. However, a recent study in embryos challenges this concept by showing that BBB qualities of the capillary form when endothelial cells invade the central nervous system and pericytes are recruited to the developing vessels this occurs more than a week before astrocyte generation, suggesting that pericytes are critical for tight junction formation. 5 Another interesting study of pericytes showed that they decrease with age, paralleling an increase in BBB permeability. 6

Disruption of the BBB in Ischemia/Hypoxia and Hemorrhage

Proteases, which are the final common pathway for disruption of the NVU, are normally present in a latent form. Some proteases are constitutively expressed and participate in normal processes. This includes 72-kDa gelatinase A (MMP-2), which is normally found in cerebrospinal fluid and in astrocytes. Activation of the latent MMP-2 to the 62-to-64-kDa forms requires the formation of a trimolecular complex with MMP-2, tissue inhibitor of metalloproteinases-2 (TIMP-2), and membrane-type 1 MMP, which confines activity of MMP-2 to the vicinity of the membrane.

Another group of proteases are induced during an injury. The major inducible MMPs are stromelysin-1 (MMP-3) and 92-kDa gelatinase B (MMP-9). When these are released they are unrestrained and act on multiple substrates in the extracellular matrix (Figure 1). Cytokines induce the expression of MMP-3 and MMP-9 through the action of nuclear-factor-κB and the activator protein-1 gene transcription sites. Another source of MMPs is through the influx of white blood cells, such as neutrophils, which can release activated 84-kDa MMP-9. In reperfusion injury, proteases participate in the biphasic opening of the BBB. An initial reversible phase related to activation of latent MMP-2 precedes a later phase at 24 to 48 hours associated with the induction of MMP-3 and MMP-9 (Figure 2).

Figura 1. Mechanism for MMP-mediated blood–brain barrier (BBB) disruption in hypoxia/ischemia. Induction of hypoxia inducible factor-1α by loss of oxygen and ATP leads to activation of MMP-2. The constitutive enzyme pro-membrane-type 1 metalloproteinase-MMP is activated by the convertase, Furin, and it activates proMMP-2. Secondary neuroinflammation with the formation of cytokines (TNF-α and IL-1β) and induction of MMP-9 and MMP-3 occurs. ProMMP-9 is activated by MMP-3 and free radicals. Active MMPs degrade the basal lamina and tight junctions of endothelial cells, thereby opening the BBB. Opening of the BBB leads to vasogenic edema.

Figura 2. Schematic drawing to show theoretical mechanisms leading to the initial reversible opening of the blood–brain barrier (BBB) and later, the more slowly irreversible opening. Reperfusion injury leads to a biphasic opening of the BBB. The early opening occurs several hours after the onset of reperfusion because of activation of the constitutive enzyme gelatinase A (MMP-2). This initial opening is transient and reversible. At 24 to 72 hours later, the inflammatory response leads to the induction of MMP-3 and MMP-9, which induce more intense and irreversible damage to the blood vessel.

COX is another important family of inflammatory enzymes. COX-1 is a constitutive enzyme, whereas COX-2 is inducible and contributes to BBB damage as part of a secondary inflammatory response from 24 to 72 hours after the initial insult. 7 Both MMP and COX-2 inhibitors protect the BBB after an ischemic injury MMP inhibitors act during the early phase, and COX-2 inhibitors block the secondary opening of the BBB, suggesting that a combination of both agents may be able to control better the disruption of the BBB.

Tissue-type plasminogen activator (tPA) breaks fibrin clots and restores blood flow. In a small percentage of patients, tPA leads to a life-threatening hemorrhage. Because the BBB is disrupted early in the injury cascade, a possible mechanism of bleeding is that tPA crosses the BBB. When tPA enters the brain rather than remaining in circulation, it induces cytokines and activates MMP-9. 8 MMP inhibitors prevent early opening of the BBB and can reduce risk of hemorrhage and death when tPA is given in stroke. 9 Low-density lipoprotein receptor-related protein is a serine protease that is a member of the low-density lipoprotein receptor gene family. Low-density lipoprotein receptor-related protein binds tPA and participates in the action of tPA. 10,11

Aquaporins are pore-forming molecules that facilitate the passage of water molecules across the BBB. Deletion of AQP4 reduces edema in models in which cytotoxic edema is the pathophysiological mechanism. However, in conditions under which vasogenic edema is significant, AQP4 deletion exacerbates brain edema, because AQP4 functions as a passive pore it allows water to follow pressure gradients to remove extracellular fluid and resolve vasogenic edema. 12

Oxidative stress damages endothelial cells of the BBB and contributes to vasogenic edema. The superoxide radical O2 ·− has been identified as the primary reactive oxygen species involved in increased vascular permeability and edema formation in global and focal cerebral ischemia, cold brain injury, and brain tumors. Scavenging O2 ·− radicals using recombinant superoxide dismutase or polyethylene glycol-superoxide dismutase reduces ischemia-induced BBB injury and vasogenic edema. Superoxide dismutase1-overexpressing mice also have reduced activation of MMP-9 by reactive oxygen species, which may be involved in early BBB disruption and progressive striatal damage induced by the mitochondrial excitotoxin, 3-nitropropionic acid. 13

Normobaric hyperoxia in the early stages of stroke reduces disruption of the BBB in reperfusion injury. 14 The increased oxygen acts on cells in the penumbra. When hyperoxia is used with tPA, there is reduction in hemorrhagic complications from tPA, probably because of the protection of the BBB. Rats treated with combined normobaric hyperoxia and tPA showed significantly reduced tPA-associated mortality, brain edema, hemorrhage, and MMP-9 induction compared with tPA alone. 15

Blood–Brain Barrier Studies in Humans

In the early stages of an infarct in humans, blood vessels have increased permeability, which can be seen in the meninges over the area of the stroke. Gadolinium (Gd) enhancement on fluid-attenuated inversion recovery (FLAIR) images obtained several hours after injection showed disruption of the BBB, which appeared as enhancement in sulci over the infarct area. This was termed hyperintense acute reperfusion marker, and was found in one third of ischemic stroke patients those with the sign had a higher risk of hemorrhagic transformation and worse clinical outcome compared with those who did not (Figure 3). 16

Figura 3. Evidence of hyperintense acute reperfusion marker for a representative acute stroke patient with early blood–brain barrier (BBB) disruption (woman age 81 years baseline National Institutes of Heath Stroke Scale, 17 no tissue-type plasminogen activator). Left: Fluid-attenuated inversion recovery (FLAIR) pre-Gadolinium (Gd) contrast, Middle: FLAIR post-Gd contrast, Left: isotropic DWI (b=1000). FLAIR enhancement was never seen before Gd contrast. After Gd contrast, FLAIR images were positive for hyperintense acute reperfusion marker (permission obtained). 16

Growth of intracerebral hemorrhage occurs in the first 24 hours. 17 Treatment with Factor VII, which promotes clotting, in an early study reduced the growth, but in a second study failed to show an effect, and there is no proven treatment to reduce lesion growth in intracranial hemorrhage. 18 The extent of hemorrhagic transformation after stroke correlated with MMP-9 elevation in the blood. 19

Blood–Brain Barrier Dysfunction in Chronic Cerebrovascular Disease

BBB abnormalities have been described in patients with small-vessel disease secondary to hypertension and diabetes. Cerebrospinal fluid studies have documented increased albumin, which is an indicator of a disrupted BBB. 20 Dynamic contrast-enhanced MRI provides a quantitative measurement of permeability. 21 Patients with large white matter hyperintensities and symptoms suggestive of subcortical ischemic vascular disease had increased BBB permeability as measured by dynamic contrast-enhanced MRI, which paralleled changes in cerebrospinal fluid albumin index (Figure 4). 22

Figura 4. Two subcortical ischemic vascular disease patients with white matter hyperintensities (WMH). A, Fluid-attenuated inversion recovery (FLAIR) magnetic resonance imaging shows WMHs in the centrum semiovale (arrowhead) without involvement of the cortex. B, The corresponding permeability map has regions of moderately increased permeability (light blue) and high permeability (red). C, FLAIR image from another subcortical ischemic vascular disease patient with larger white matter lesions (arrowhead). D, Permeability map shows increased permeability is limited to 2 small regions within the WMHs.

Blood vessels undergo profound changes with aging. Tortuosity of the vessels and thickening of the vessel walls is found at autopsy in elderly patients, which results in reduced vascular reactivity in the regions of the white matter with hyperintensities on MRI. 23 Hypertension, diabetes, and hyperlipidemia are the major factors besides age that cause changes in the blood vessels responsible for the impairments in cerebral blood flow and oxygenation, along with increase in permeability. 24,25 The vulnerability of white matter is caused by multiple factors because it is the end of arterial circulation to the brain. 26 Large epidemiological studies utilizing MRI and cognitive testing show a high incidence of changes in white matter after age 65 years associated with cognitive decline. 27 There is a gradual growth in white matter lesions over time. 28

Autopsy studies show the presence of hypoxia inducible factor-1α in affected white matter supporting a role of hypoxia in the process that leads to death of the oligodendrocytes and extensive gliosis. 29 Several etiologies are proposed to explain changes in white matter. Silent strokes are suspected in many cases, and may be the initiating event, particularly when hypertension is damaging blood vessels. 30 An alternative mechanism is disruption of the NVU with vasogenic edema. Support of a disturbed BBB comes from autopsy studies of patients with Binswanger's disease that show the presence of serum proteins in the brain. 31 A possible cause of BBB damage is the presence of MMPs in white matter at autopsy in patients with vascular dementia. 32 Reactive astrocytes that are positive for glial fibrillary acidic protein are immunoreactive for MMP-2, whereas microglia/macrophages stain for MMP-3.

Mechanisms to explain the inflammatory process have been revealed by animal studies. Rats with hypoxic hypoperfusion induced by bilateral carotid artery occlusion have increased MMP-2 in white matter and have chronic gliosis MMP-2 knockout mice had less disruption of the BBB and damage to white matter. 33

Translational Aspects of Blood–Brain Barrier Disruption in Stroke

MMP inhibitors (MMPI) block the early opening of the BBB, and COX-2 inhibitors are effective in the delayed phase. Several MMPIs have been tested and shown to have efficacy in animals, including BB-94, BB-1101, and GM6001 along with selective COX-2 inhibitors. 34,35 Joint problems occurred when MMPIs were given chronically to cancer patients, 36 but short-term use of MMPIs may avoid side-effects. 37

Minocycline is an MMPI with multiple actions, including anti-inflammatory effects, and is well-tolerated in low doses over long periods of time. 38 Treatment with minocycline benefits patients with multiple sclerosis, most likely through protection of the BBB. 39 Another potential treatment is the use of COX-2 inhibitors, which block the secondary opening of the BBB in experimental stroke. Concern about cardiac side effects, which were seen with long-term use of these agents in arthritis, is less likely to be present in the short-term use.

Contrary to their deleterious actions in the early stages of an acute stroke, MMPs may aid in the recovery process. Poststroke angiogenesis is the key step for recovery after ischemia and provides critical neurovascular substrates for neuronal remodeling after stroke. 40 In the process of angiogenesis, loss of vascular integrity and degradation of cell matrix are crucial initiating steps. MMPs degrade the extracellular matrix and prepare the stage for growth factors and guidance molecules. MMPs can also cleave many signaling molecules, such as vascular endothelial growth factor, which induces the proliferation of endothelial cells, and promotes their release from matrix-bound compartments or cell surface. 41 Recent studies have shown that long-term inhibition of MMPs decreased migration of neuroblast cells from the subventricular zone, and reduced neuronal plasticity and the number of newly formed vessels, leading to an increase in tissue damage in peri-infarct cortex. 42

An important aspect of the design of treatment protocols for acute and chronic stroke is the dual nature of the molecules targeted for treatment. Many of those molecules that participate in the death of cells in early stages of injury also play a critical role in the recovery period. An example is that the benefit derived from MMPI treatment in the early stages of injury may be lost if the same enzymes are blocked later in angiogensis and neurogenesis. 43 Understanding timing of the expression of each of the agents to be blocked and their actions at each point of the injury cycle is necessary in planning the use of inhibitors. In the future, as multiple cascades are better understood, treatments will be tailored to start when the damaging effects of that agent are maximal and to be stopped as the beneficial effects begin.

In conclusion, we have described some of the major advances in understanding the function of the NVU at the molecular level. Unraveling the proteins that comprise tight junctions provided tools to observe the effects of proteases, such as MMPs, on tight junctions following acute stroke. Agents that block BBB disruption can protect the brain from adverse effects of tPA, extending the therapeutic window. The combined effect of agents that act early, including MMPIs and those that protect delayed opening of the BBB, such as COX-2 inhibitors, need to be tested. Recent studies of chronic effects of hypoperfusion in humans and animals demonstrate a role for MMPs in both disruption of the BBB and the breakdown of myelin, which may contribute to the death of oligodendrocytes. Defining the molecular mechanisms underlying damage to the vasculature provides important information on which to base additional trials of novel therapies to protect the BBB.


Referințe:

Lipsman N, Meng Y, Bethune AJ, Huang Y, Lam B, Masellis M, Herrmann N, Heyn C, Aubert I, Boutet A, Smith GS, Hynynen K, Black SE. Blood-brain barrier opening in Alzheimer's disease using MR-guided focused ultrasound. Nat Commun . 2018 Jul 259(1):2336. PubMed.

Choi JJ, Selert K, Vlachos F, Wong A, Konofagou EE. Noninvasive and localized neuronal delivery using short ultrasonic pulses and microbubbles. Proc Natl Acad Sci U S A . 2011 Oct 4108(40):16539-44. Epub 2011 Sep 19 PubMed.

Excellent work by Tony Wyss-Coray's laboratory. It advances the field with impressive and exciting observations and hypotheses that confirm what several of our BBB colleagues have been discussing in recent years. I agree with Axel Montagne that this work will likely impact our current way of thinking of how BBB functions and dysfunctions in health and disease. So very good to see the excitement, as evidenced by the in-depth comments.


Priveste filmarea: Ce viețuitoare trăiesc în recifele de corali? (Ianuarie 2022).