Znajdź zawartość

Nasz mózg składa się z miliardów neuronów, które muszą być chronione przed wpływem niekorzystnych czynników zewnętrznych. Rolę tej ochrony spełnia bariera krew-mózg. Ta mierząca 650 km wyspecjalizowana bariera między naczyniami krwionośnymi a mózgiem decyduje, jakie substancje mogą do mózgu przeniknąć. Bardzo dobrze spełnia swoją rolę, ale z punktu widzenia chorób neurologicznych jest najgorszym wrogiem współczesnej medycyny. Blokuje bowiem również dostęp leków do mózgu. Naukowcy z Yale University poinformowali na łamach Nature Communications, że udało im się opracować molekułę, która na kilka godzin otwiera barierę krew-mózg, umożliwiając dostarczenie leków. Po raz pierwszy udało się kontrolować barierę krew-mózg za pomocą molekuły, mówi profesor Anne Eichmann, jedna z głównych autorek badań. Doktor Kevin Boyé dołączył do zespołu profesor Eichmann w 2017 roku i zaczął badać molekułę Unc5B. To receptor śródbłonka, do którego ekspresji dochodzi w komórkach śródbłonka naczyń włosowatych. Uczony zauważył, że pozbawione tego receptora embriony myszy szybko umierały, gdyż nie tworzył się u nich prawidłowy układ krwionośny. To wskazywało, że Unc5B odgrywa ważną rolę w jego powstawaniu. Ponadto stwierdził, że u takich embrionów doszło do znaczącego spadku poziomu białka Claudin-5, które odpowiada za ścisłe przyleganie do siebie komórek śródbłonka w barierze krew-mózg. Naukowcy doszli więc do wniosku, że Unc5B odgrywa ważną rolę w utrzymaniu bariery krew-mózg. Nie od dzisiaj wiadomo, że rozwój i funkcjonowanie bariery krew-mózg jest uzależnione od szlaku sygnałowego Wnt. Dotychczas nie były znane powiązania pomiędzy Unc5B a tym szlakiem. Dzięki zaś nowym badaniom naukowcy zauważyli, że Unc5B działa jak regulator tego szlaku. Boyé poszedł więc o krok dalej. Pozbawił dorosłe myszy, z już rozwiniętą barierą krew-mózg, receptora Unc5B i okazało się, że gdy go zabrakło, bariera pozostała otwarta. Następnie uczony postanowił sprawdzić, który z ligandów – cząsteczek wiążących się z receptorami i wysyłających sygnały pomiędzy i wewnątrz komórkami – ma wpływ na integralność bariery. Okazało się, że bariera jest otwarta, gdy zabraknie ligandu Netrin-1. Naukowcy opracowali więc przeciwciało, które uniemożliwiało Netrin-1 połączenie się z receptorem. Po wstrzyknięciu przeciwciała dochodziło do zaburzenia szlaku sygnałowego Wnt i bariera krew-mózg była przez jakiś czas otwarta. W najbliższej przyszłości naukowcy chcą skupić się na sprawdzeniu, czy takie otwieranie bariery krew-mózg jest bezpieczne, czy nie niesie ze sobą żadnych ryzyk oraz czy same przeciwciała nie są toksyczne. To otwiera pole do dalszych interesujących badań nad kwestią powstawania samej bariery oraz możliwości manipulowania ją w celu dostarczania leków, mówi Eichmann. « powrót do artykułu

Naukowcy z Columbia University i Weill Cornell Medicine podważyli właśnie wyniki całej dekady badań nad barierą krew-mózg. Donoszą, że komórki wykorzystywane do przeprowadzania tego typu badań nie są tym, czym się wydawało. Jednocześnie jednak uczeni odkryli sposób na poprawienie błędów, co daje nadzieję na stworzenie lepszego modelu bariery krew-mózg, dzięki czemu lepiej można będzie badać powstawanie chorób neurodegeneracyjnych i opracowywać leki zdolne do przekroczenia bariery. Bariera krew-mózg jest trudna do badania na ludziach, a pomiędzy ludźmi i zwierzętami istnieje sporo różnić w jej budowie. Dlatego też bardzo przydaje się możliwość badań tej bariery in vitro, mówi jeden z autorów najnowszych badań, profesor Dritan Agalliu z Columbia University. Model bariery in vitro został stworzony w 2012 roku. Wykorzystano w tym celu indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste. Mają one zdolność do przekształcania się w niemal każdy typ komórek, w tym komórki wyścielające naczynia krwionośne w mózgu i rdzeniu kręgowym, które zapobiegają przedostawaniu się do centralnego układu nerwowego potencjalnie niebezpiecznych substancji Agalliu już wcześniej zauważył, że komórki wykorzystywane in vitro jako model bariery mózg-krew nie zachowują się jak normalne komórki śródbłonka obecne w mózgu. To wzbudziło moje podejrzenia. Zacząłem przypuszczać, że protokół wytwarzania komórek na potrzeby badań in vitro prowadzi do powstania nie takich komórek, jakie potrzebujemy, mówi uczony. Okazało się, że w tym samym czasie koledzy z Weill Cornell Medicine nabrali podobnych podejrzeń, więc połączyliśmy siły, by zbadać tę kwestię. Szczegółowa analiza wykazała, że komórkom produkowanym na potrzeby badań in vitro brakuje wielu kluczowych białek obecnych w naturalnych komórkach śródbłonka. Bardziej przypominały one tkankę nabłonkową, która w mózgu nie występuje. Naukowcy zidentyfikowali też trzy geny, które po aktywacji prowadzą do pojawienia się komórek bardziej przypominających komórki śródbłonka. Obecnie naukowcy pracują nad uzyskaniem komórek jak najbardziej podobnych do komórek śródbłonka obecnych w mózgu. Błędna identyfikacja komórek śródbłonka ludzkiego mózgu może być problemem również w przypadku innych typów komórek wytwarzanych z komórek pluripotencjalnych, takich jak astrocyty czy perycyty, mówi Agalliu. Uczony przypomina, że protokoły wytwarzania takich komórek zostały opracowane zanim jeszcze pojawiły się technologie pozwalające na badania i identyfikację pojedynczych komórek. Błędy w identyfikacji komórek bo duży problem, z którym społeczność naukowa musi sobie poradzić, by móc prowadzić badania nad takimi komórkami, jakie występują w ludzkim mózgu. To pozwoli nam wykorzystywać takie komórki do oceny genetycznych czynników ryzyka rozwoju chorób neurologicznych i opracowania leków poprawiających funkcjonowanie bariery krew-mózg, stwierdza Agalliu. « powrót do artykułu

Bariera krew-mózg chroni układ nerwowy przed szkodliwymi wpływami. Do teraz nie wiedziano jednak, że pomaga także utrzymać delikatną równowagę kwasu glutaminowego. Kwas L-glutaminowy jest ważnym neuroprzekaźnikiem pobudzającym, ale w nadmiarze działa neurotoksycznie. Przed badaniami naukowców z Uniwersytetu w Kopenhadze uważano, że za podtrzymywanie równowagi kwasu glutaminowego odpowiadają oddziaływania między różnymi typami komórek w mózgu. Bariera krew-mózg odgrywa ważną rolę w tym procesie, odkurzając płyn mózgowo-rdzeniowy z nadmiaru kwasu glutaminowego i pompując go do krwioobiegu, gdzie nie działa toksycznie. Nakreśliliśmy mechanizm biologiczny, na który inni naukowcy mogą się starać wpłynąć chemicznie, np. za pomocą lekarstwa ograniczającego śmierć komórkową po udarze [uszkodzone lub pozbawione tlenu neurony wydzielają kwas glutaminowy, który może nadmiernie stymulować i zabijać sąsiednie komórki] - tłumaczy prof. Birger Brodin. Doktorant Hans Christian Helms chwali się, że choć inni badacze podejrzewali, że bariera krew-mózg odgrywa pewną rolę w utrzymywaniu zdrowej równowagi kwasu glutaminowego, to dopiero zespół z Kopenhagi opracował model laboratoryjny pozwalający na przetestowanie tej hipotezy.

Naukowcy z Uniwersytetu w Birmingham zademonstrowali po raz pierwszy, że komórki ludzkiego mózgu ulegają zakażeniu wirusem zapalenia wątroby typu C (HCV). Wirusolodzy odkryli, że w komórkach śródbłonka mózgu występują 4 główne receptory białkowe, konieczne do sforsowania przez HCV bariery krew-mózg. Współpracując z Manhatańskim Bankiem Mózgu, zespół doktor Nicoli Fletcher wykrył materiał genetyczny wirusa zapalenia wątroby typu C w mózgach 4 z 10 zakażonych pacjentów, którzy oddali do pośmiertnych badań tkanki mózgu i wątroby. Później naukowcy wyizolowali komórki bariery krew-mózg i zademonstrowali, że można je zainfekować HCV. To pierwszy raport, który pokazuje, że komórki ośrodkowego układu nerwowego wspierają replikację HCV. Te obserwacje mają spore znaczenie kliniczne, ponieważ dostarczają informacji o rezerwuarze wirusa, który ostaje się mimo terapii antywirusowej - wyjaśnia prof. Jane McKeating. Komórki śródbłonka stanowią system zabezpieczający mózgu, rodzaj ochroniarza w drzwiach, który zatrzymuje niepożądane obiekty. Jeśli działanie bariery zostaje upośledzone, do mózgu może się dostać praktycznie wszystko, co wyjaśnia zmęczenie i inne objawy, o których wspominają chorzy zakażeni HCV - dodaje Fletcher.

By w czasie rozwoju mózgu muszek owocowych utrzymać barierę krew-mózg w nietkniętym stanie, tworzące ją komórki gleju zwielokrotniają liczbę chromosomów w jądrze, czyli przechodzą poliploidyzację (Genes and Development). Naukowcy z Instytutu Badań Biomedycznych Whiteheada stwierdzili, że gdy mózg larw owocówek rośnie, instruuje komórki gleju okołoneuronalnego, by tworzyły kopie genomów. Sądzimy, że może to być taka sama strategia rozwojowa jak w innych kontekstach, gdy trzeba szczelnej warstwy zewnętrznej, a organ musi urosnąć [jak ma to np. miejsce w przypadku ludzkiego łożyska czy skóry] - podkreśla Terry Orr-Weaver. Poliploidyzacja to doskonały sposób, bo pozwala na zwiększenie rozmiarów tworzących barierę komórek bez pełnego podziału. Podział mógłby rozerwać ścisłe połączenia między komórkami, a to, jak można się domyślić, byłoby prawdziwą katastrofą. Kiedy Yingdee Unhavaithaya, jeden z członków zespołu, blokował tworzenie kopii chromosomów w gleju larw muszek owocowych, podczas wzrostu mózgu dochodziło do rozpadu bariery krew-mózg. Glej nie był w stanie dostosować się do wzrostu ochranianego narządu. Poliploidyzacja jest na tyle elastyczna, że może się zaadaptować nawet do nietypowego wzrostu mózgu, np. w związku z nowotworami, i bariera krew-mózg zachowuje swoją integralność. Amerykanie podkreślają, że w jakiś sposób rosnąca masa mózgu informuje glej, że należy zwiększać ploidię, ale tylko w stopniu koniecznym do utrzymania ścisłych połączeń między komórkami. Unhavaithaya uważa, że przeprowadzone eksperymenty rzucają nieco światła na organogenezę. Widzimy, jak różne tkanki próbują wspólnie stworzyć narząd właściwej wielkości. Jednym ze sposobów jest otrzymanie instrukcji z rosnącej tkanki, aby pozostałe mogły odpowiednio przeskalować własną wielkość, dostosowując się do proporcji tkanek w organizmie.

Naukowcy z Cornell University bezpiecznie pokonali barierę krew-mózg, co pomoże dostarczyć do mózgu leki na choroby neurodegeneracyjne czy nowotwory. Uczeni odkryli, że produkowana przez organizm adenozyna umożliwia przeniknięcie dużym molekułom przez barierę. Zauważyli, że gdy w komórkach tworzących barierę krew-mózg aktywuje się adenozynę, zostaje otwarta „brama" pozwalająca na przenikanie molekuł. Co prawda pierwsze badania wykonano na myszach, lecz receptory adenozyny odkryto również w komórkach ludzkich. Ponadto naukowcy z Cornell zauważyli, że już zaakceptowany przez FDA bazujący na adenozynie lek o nazwie Lexiscan, który jest wykorzystywany podczas badań obrazowych serca u ciężko chorych pacjentów, może na krótko otwierać barierę krew-mózg. Bariera krew-mózg składa się z wyspecjalizowanych komórek w naczyniach krwionośnych mózgu, które wybiórczo pozwalają niezbędnym molekułom, takim jak aminokwasy, tlen, glukoza czy woda na przenikanie do mózgu. Bariera działa tak dobrze, że dotychczas nie wiedziano, jak można dostarczyć do mózgu lekarstwa. Największym problemem w każdej chorobie neurologicznej jest niemożność jej leczenia, ponieważ nie możemy dostarczyć lekarstw - stwierdziła profesor immunologii Margaret Bynoe. Wielkie firmy farmaceutyczne od 100 lat próbują przekroczyć tę barierę bez szkody dla pacjenta - dodała uczona. Dotychczas próbowano przełamać barierę tak modyfikując lekarstwa, by ich molekuły przyczepiały się do tych molekuł, które mogą wnikać do mózgu. Taka taktyka nie sprawdziła się, gdyż zmodyfikowane lekarstwa nie działały. Wygląda na to, że użycie receptorów adenozyny jest sposobem na otwarcie wejścia. Skorzystamy z tego, by otwierać i zamykać barierę gdy będzie to potrzebne - stwierdziła Bynoe. Podczas testów na myszach do mózgu zwierząt udało się dostarczyć duże molekuły dekstranów oraz przeciwciała beta amyloidu i zaobserwowano, jak wiążą one płytki amyloidowe odpowiedzialne za powstawanie choroby Alzheimera. Podobne testy są prowadzone w kierunku leczenia stwardnienia rozsianego.

Ultradźwięki, czyli fale o tak dużej częstotliwości, że są niesłyszalne przez człowieka, mają wiele zastosowań medycznych. Mogą posłużyć do masażu rozluźniającego mięśnie, do niszczenia komórek tłuszczowych, do rozbijania kamieni nerkowych, do niszczenia tkanki nowotworowej, wreszcie najbardziej znanego zastosowania, czyli USG - techniki pozwalającej zajrzeć do wnętrze ciała, ocenić stan serca, czy zobaczyć na żywo płód w łonie matki. Elisa Konofagou, profesor inżynierii biomedycznej na Columbia University, zamierza dodać jeszcze jedno zastosowanie: otwieranie bariery krew-mózg. Bariera krew-mózg to zespół białkowych struktur oddzielający tkankę mózgową od niosących krew naczyń włosowatych. Chroni ona mózg przed szkodliwymi substancjami i zakażeniami, ale przy okazji przeszkadza również lekarzom. To właśnie przez barierę k-m tak trudne jest leczenie chorób mózgu, w szczególności alzheimera czy parkinsona, nie przepuszcza ona leków, więc nawet mając potencjalne lekarstwo, nie sposób skutecznie podawać go pacjentom. Dlatego leczenie tych chorób jest tak trudne i okupione wieloma skutkami ubocznymi. Zamiast prób sterowania barierą w sposób biologiczny, prof. Konofagou proponuje wykorzystanie ultradźwięków. Technika według jej pomysłu polega na wstrzyknięciu do krwiobiegu miniaturowych bąbelków, które z krwią docierają również do naczyń włosowatych w mózgu. Wiązka ultradźwięków kierowana jest w miejsce powyżej hipokampa - obszaru mózgu odpowiadającego m.in. za pamięć, który jest główną ofiarą chorób neurodegeneracyjnych. Tam pod wpływem fali akustycznej mikroskopijne bąbelki drgają, powodując otwieranie się bariery krew-mózg i przepływ leków, również krążących we krwi. Doświadczenia na zwierzętach wykazały skuteczność metody, jeśli próby kliniczne na ludziach również się powiodą, będzie to przełom w leczeniu wielu chorób.

Mózg, jako najważniejszy organ ciała, jest też najlepiej chroniony przed obcymi substancjami i białkami, dzięki barierze krew-mózg. Jest chroniony tak dobrze, że przeszkadza to w dostarczaniu mu leków. Znalezienie klucza do tej bariery byłoby przełomem. Blisko tego celu jest już profesor Christer Betsholtz, wykładowca biologi naczyniowej na Karolinska Institutet (szwedzkim uniwersytecie, jednej z największych uczelni medycznych na świecie). Terminem bariera krew-mózg określa się mechanizm oddzielający krew od tkanki mózgowej, a opiera się on na zmienionej budowie naczyń krwionośnych, które w tym miejscu są nieprzepuszczalne. Barierę tę pokonać może niewiele, na przykład zamknięta jest on dla białek albuminy i immunoglobuliny, które mogłyby uszkodzić tkankę nerwową. Zrozumienie mechanizmu działania bariery, który ciągle nie jest poznany, pozwoliłoby, jak się uważa, na postęp w leczeniu wielu chorób, w tym takich schorzeń neurodegeneracyjnych, jak alzheimer, parkinson, czy stwardnienie zanikowe boczne. Studium, opublikowane w piśmie Nature, profesor Betsholtz opisuje potencjalne metody i korzyści z wybiórczego otwierania bariery. Jest ona podtrzymywana przez białka perycyty, z pomocą nie znanego jeszcze mechanizmu. Ich brak powoduje otwarcie dostępu w procesie transcytozy dla cząsteczek o różnym rozmiarze, pozwalając na wniknięcie do mózgu na przykład plazmie krwi. Perycyty mają również wpływ na astrocyty - komórki mózgu będące częścią gleju i wspierające barierę krew-mózg. Korzyść z umiejętności wybiórczego sterowania barierą mogą być dwojakiego rodzaju. Pierwsze to wyłączanie bariery celem dostarczenia do mózgu leków, w tym leków potencjalnie leczących choroby neurodegeneracyjne. Druga korzyść to wzmacnianie bariery w stanach zagrożenia, takich jak udar czy stanu zapalne - wówczas bowiem bariera otwiera się, przepuszczając szkodliwe dla tkanki mózgowej substancje. Dodatkowym odkryciem zespołu Karolinska Institutet jest zamykanie dostępu przez barierę przez antynowotworowy lek Imatinib, który osiąga to poprzez hamowanie wybranych sygnałów sterujących wzrostem komórek.

Największym problemem związanym z farmakoterapią chorób mózgu nie jest, jak mogłoby się wydawać, odnalezienie leków oddziałujących na neurony w przewidziany przez badaczy sposób. Prawdziwą barierą (i to dosłownie) jest warstwa komórek nabłonkowych zwana barierą krew-mózg (ang. blood-brain barrier - BBB), starannie oddzielająca substancje, które mogą przedostać się do centralnego układu nerwowego, od tych, którym przeniknąć na jego obszar nie wolno. Badacze z University of Iowa znaleźli jednak metodę pozwalającą na ominięcie tej przeszkody. Odkrycia dokonano podczas badań nad tzw. chorobami lizosomalnymi - zaburzeniami wynikającymi z niedoboru enzymów odpowiedzialnych za trawienie wewnątrzkomórkowe. Naukowcy, kierowani przez dr. Yong Hong Chena, poszukiwali substancji zdolnej do przeniknięcia do wnętrza komórek tworzących BBB i wprowadzenia ich w stan, w którym byłyby one w stanie przyjąć terapeutyczne DNA kodujące brakujące enzymy. Wytwarzane białka miałyby być wydzielane do wnętrza strefy chronionej przez BBB, a następnie pochłaniane przez komórki glejowe oraz neurony - komórki doznające największych uszkodzeń w przebiegu wielu chorób lizosomalnych. Po długich poszukiwaniach naukowcom udało się odnaleźć epitopy (fragmenty łańcuchów białkowych o określonej strukturze przestrzennej) otwierające drogę do wnętrza BBB u myszy. Co ciekawe, były one zupełnie różne dla dwóch rodzajów analizowanych chorób lizosomalnych, a u zwierząt zdrowych epitop pozwalający na przeniknięcie przez barierę wyglądał jeszcze inaczej. Ostatecznie w każdym z przypadków udało się dostarczyć wirusa przenoszącego terapeutyczne DNA do komórek tworzących BBB, a następnie zredukować objawy schorzenia. Zidentyfikowanie epitopów pozwalających na dostarczenie leczniczego DNA w poprzek bariery krew-mózg oznacza prawdziwy przełom. Dotychczas jedyną drogą podawania leków do mózgu było ich bezpośrednie wstrzykiwanie w miejscu przeznaczenia. Teraz, gdy poznano związki pozwalające na osiągnięcie tego samego efektu przy podaniu dożylnym, leczenie wielu chorób neurologicznych może stać się nieporównywalnie łatwiejsze.

Już niewielka dawka kofeiny przyjmowana każdego dnia może utrudnić rozwój choroby Alzheimera u osób z podwyższonym poziomem cholesterolu we krwi. Dowiedli tego naukowcy z North Dakota School of Medicine and Health Sciences, odpowiednika naszej akademii medycznej. W ramach eksperymentu króliki karmiono pokarmami bogatymi w cholesterol i jednocześnie ordynowano im kofeinę w dawce odpowiadającej filiżance kawy. Po dwunastu tygodniach porównano stan ich zdrowia z grupą kontrolną, w której zwierzęta odżywiały się identycznie, ale nie przyjmowały codziennej dawki używki. Najważniejszą z zaobserwowanych różnic była znacznie lepsza kondycja tzw. bariery krew-mózg w organizmach zwierząt, u których symulowano przyjmowanie czarnego trunku. Bariera krew-mózg jest naturalną bardzo szczelną błoną, oddzielającą przepływającą krew od elementów centralnego układu nerwowego. Pozwala ona na selektywne przenoszenie substancji odżywczych i jednoczesne blokowanie przenikania do mózgu większości toksyn. Niestety, system ten często zawodzi, szczególnie przy diecie obfitującej w cholesterol. Naruszenie tej naturalnej bariery naraża mózg na uszkodzenia, które mogą ostatecznie doprowadzić do rozwoju alzheimeryzmu. Działanie kofeiny polega najprawdopodobniej na zwiększaniu zdolności komórek wchodzących w skład bariery do utrzymywania się w ciasnej sieci. Pozwala to na poprawę szczelności naturalnej blokady i osłonięcie centralnego organu układu nerwowego przed szkodliwymi związkami. Odkrycie to wyjaśnia także przyczynę wcześniejszych doniesień, zgodnie z którymi zawarty w kawie alkaloid spowalnia stopniową utratę pamięci charakterystyczną dla choroby Alzheimera. Dr Jonathan Geiger, główny autor odkrycia, podkreśla praktyczne wnioski płynące z przeprowadzonych badań: Kofeina to bezpieczny i łatwo osiągalny lek. Jego zdolność do stabilizacji bariery krew-mózg oznacza, że może się ona stać ważnym elementem terapii przeciwdziałających rozwojowi chorób neurologicznych. Szczegóły odkrycia opisano w najnowszym numerze czasopisma Journal of Neuroinflammation.