Ако изпием достатъчно бира, може да паднем от бар стола или да запеем с пълен глас пред непознати, защото алкохолът е способен да премине през една от най-мощните защитни линии на организма. Всеки, който някога се е напивал, бил е под въздействието на наркотик или просто е изпитвал силна сънливост от лекарство срещу алергия, е усетил какво се случва, когато определени молекули преодолеят защитната система, наречена кръвно-мозъчна бариера, и проникнат в мозъка.
Вградена в стените на капилярната мрежа, която се извива на стотици километри из мозъка, тази бариера не позволява на повечето молекули в кръвта да достигнат чувствителните нервни клетки. Както черепът пази мозъка от външни физически заплахи, така кръвно-мозъчната бариера го защитава от опасни химични вещества и болестотворни организми.
Макар тази система да е едно от големите постижения на еволюцията, бариерата създава сериозни затруднения на разработчиците на лекарства. От десетилетия те се опитват да я преодоляват избирателно, за да доставят медикаменти в мозъка. Медицинските изследователи искат също да разберат по-добре как работи тя, защото нарушенията във функцията ѝ изглежда играят ключова роля за развитието на някои заболявания, а въздействието върху нея може да помогне за подобряване на лечението на определени състояния.
„През последното десетилетие научихме много, но пренасянето на субстрати и лекарства през бариерата все още ни изправя пред сериозни предизвикателства“
– казва Елизабет Реа, биолог изследовател в Центъра за памет и мозъчно здраве към Вашингтонския университет.
Деликатно равновесие
Подобно на останалата част от тялото, мозъкът се нуждае от циркулиращата кръв, за да доставя на клетките необходимите хранителни вещества и кислород и да отвежда отпадните продукти. Химичният състав на кръвта обаче непрекъснато се променя, а мозъчната тъкан е изключително чувствителна към химичната си среда. Комуникацията между нервните клетки разчита на прецизно освобождаване на йони. Ако те можеха свободно да преминават от кръвта в мозъка, тази прецизност би се загубила. Други видове биологично активни молекули също могат да нарушат работата на чувствителните нервни клетки, като повлияят на мислите, спомените и поведението.
Кръвно-мозъчната бариера регулира средата, необходима за правилното функциониране на мозъка, обяснява Ричард Дейнеман, доцент в катедрата по фармакология на Калифорнийския университет. Тя осигурява защита, но не е самостоятелна структура като стените на крепост. Бариерната ѝ функция произтича по-скоро от уникалните свойства на кръвоносните съдове в мозъка и на съседните мозъчни клетки, които плътно ги обгръщат.
Повечето капиляри в тялото са „пропускливи“ на молекулярно ниво, за да позволяват свободното преминаване на хранителни и други вещества. Тази пропускливост е жизненоважна за работата на органи като бъбреците и черния дроб. Кръвоносните съдове в мозъка обаче са изградени по по-строг „стандарт“ и са по-слабо пропускливи. Ендотелните клетки, които образуват стените на капилярите, са плътно свързани чрез така наречените плътни междуклетъчни контакти.
„Тънки, успоредни белтъчни нишки свързват клетките, подобно на телове между тухли“
– казва Елиза Конофагу, изследовател в областта на биоинженерството и радиологията в Колумбийския университет. Между тези нишки могат да преминат някои видове молекули, но само в малки количества. При това става дума предимно за много малки, водоразтворими молекули.
Мозъкът обаче се нуждае и от множество други молекули, например глюкоза и инсулин, които не могат да се промъкнат през плътните контакти. Затова бариерата разполага и с помпи и рецептори, които, подобно на охраната на елитен нощен клуб, допускат само определени молекули, а повечето нежелани посетители бързо биват изхвърляни. Зад стените на капилярите има слоеве поддържащи клетки, включително перицити и астроцити, които също помагат за поддържането на бариерата и регулирането на нейната пропускливост.
Озоновият слой на нервната система
Въпреки защитните слоеве някои нежелани вещества все пак успяват да проникнат в мозъка. Етанолът, основната съставка на алкохолните напитки, просто преминава през клетъчните мембрани чрез дифузия. Други молекули пък приличат твърде много на необходимите вещества, за да бъдат задържани отвън. Такива са традиционните антихистамини и именно затова лекарствата срещу алергия могат да предизвикат сънливост: те преминават през кръвно-мозъчната бариера и достигат нервните клетки. (За да се избегне този ефект, вече има и по-нови антихистамини, които не причиняват сънливост. Те не преминават през бариерата и действат само върху имунните клетки в кръвта.)
„Кръвно-мозъчната бариера съществува, за да доставя на мозъка онова, от което той се нуждае“, казва Дейнеман. Различните части на мозъка обаче не се нуждаят от едни и същи молекули, затова и бариерата не е еднаква навсякъде. Например в обонятелната луковица тя функционира по различен начин и има различен белтъчен състав от тази в хипокампа, обяснява Реа.
В някои части на мозъка изобщо няма традиционна кръвно-мозъчна бариера. В хориоидния плексус – тъканта в големите мозъчни вентрикули, която произвежда цереброспиналната течност (CSF) – стените на кръвоносните съдове са много по-пропускливи. Това е необходимо, защото тази тъкан трябва ежедневно да отделя в мозъка половин литър CSF, за което са ѝ нужни огромни количества вода, йони и хранителни вещества от кръвта.
Макар тази защитна функция да не е съвършена, тя изглежда толкова полезна, че всеки организъм със сложна нервна система притежава нещо подобно на кръвно-мозъчна бариера, казва Дейнеман. Такава имат дори мухите и други насекоми, които нямат кръвоносни съдове. Течността, изпълняваща ролята на кръв при тях, просто обтича органите във външния им скелет, но органът, съответстващ на мозъка, е покрит със защитни глиални клетки.
Увреждането на бариерата създава сериозна опасност за мозъка. „Кръвно-мозъчната бариера е като озоновия слой на Земята“, казва Берислав Злокович, ръководител на катедрата по физиология и невронауки в Медицинския факултет „Кек“ към Университета на Южна Калифорния.
Както дупката в защитния слой на атмосферата позволи на вредното лъчение да залее планетата, така и отварянето на кръвно-мозъчната бариера може да доведе до нахлуване на вредни молекули в мозъка.
Пробив в щита
Множество изследователски групи проучват как се променя бариерата при заболявания или наранявания. Нарушаването на кръвно-мозъчната бариера например е един от характерните признаци на болестта на Алцхаймер. В наскоро публикувано в списание Nature Neuroscience изследване са картографирани значителни промени в генната експресия на клетките на кръвно-мозъчната бариера при пациенти с Алцхаймер. При множествената склероза бариерата също се нарушава. Това позволява на клетки на имунната система да навлязат в мозъка и да атакуват защитните обвивки около нервните клетки. Черепно-мозъчните травми и инсултът също могат да отворят бариерата и да причинят потенциално необратими увреждания.
Избирателното отваряне или затваряне на кръвно-мозъчната бариера обаче може да бъде и полезно.
Много потенциално полезни лекарства не преминават през бариерата. Това отчасти се дължи на техническите ограничения, които са възпрепятствали напредъка в изследването ѝ. Много от тях междувременно са преодолени с помощта на нови технологии, казва Мария Лехтинен, ръководител на катедрата за изследвания в областта на патологията в Бостънската детска болница. Тя добавя, че за тази област може да предстоят наистина вълнуващи времена.
През последните години множество изследователски групи се съсредоточиха върху подходи, наподобяващи „троянски кон“. При тях учените се опитват да доставят лекарства в мозъка, като ги прикрепят към молекули, които естествено преминават през бариерата. Други изследвания проучват използването на фокусиран ултразвук за отваряне на определени участъци от нея и доставяне на лекарства за лечение на болестта на Паркинсон и други заболявания. Например в наскоро публикувано в Science Advances изследване се съобщава, че учени са отворили кръвно-мозъчната бариера в мозъка на макаци с помощта на ултразвук и са потвърдили това чрез флуоресцентни белтъци. Специалистите вече работят върху прилагането на този метод за доставяне на препарати за генна терапия, които биха могли да се използват срещу болестта на Паркинсон.
Докато преди кръвно-мозъчната бариера се възприемаше като статична, еднородна стена, днес специалистите я разглеждат като много по-динамична и „жива“ система, казва Лехтинен. Вероятно тази структура расте и се развива по различен начин в различните части на нервната система. Тя може и естествено да се отваря временно, когато сме в дълбок REM сън или извършваме физическа дейност. Под въздействието на хормони и лекарства се променя: затваря съществуващи пътища за преминаване или отваря нови. Когато определени молекули се свържат с бариерата, клетките ѝ могат да изпращат сигнали до мозъка как да реагира, без да пропускат самата молекула, обяснява Реа.
Следователно кръвно-мозъчната бариера не е каменна стена около средновековна крепост. Тя прилича по-скоро на магическа граница, по която се появяват и изчезват врати, а прозорците непрекъснато се уголемяват или смаляват. Някои нейни части се срутват, други се изграждат отново и цялата структура непрестанно се променя.
