CC BY
16
УДК 615.2/.3.032.
Белых Д.А., Вафина А.И., Ветрова М. А., Аверина Ю.М.
КЛЕТОЧНАЯ МОДЕЛЬ ГЕМАТО - ЭНЦЕФАЛИЧЕСКОГО БАРЬЕРА ЧЕЛОВЕКА В МИКРОФЛЮИДНОМ УСТРОЙСТВЕ
Белых Дарья Анатольевна, студент 1 курса магистратуры факультета инженерной химии;
Вафина Алина Ирековна, студент 1 курса магистратуры факультета инженерной химии;
Ветрова Маграрита Александровна, студент 1 курса магистратуры факультета инженерной химии;
Аверина Юлия Михайловна, к.т.н., доцент кафедры инновационных материалов и защиты от коррозии РХТУ им.
Д.И. Менделеева;
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская пл., д.9
Статья посвящена клеточной модели, которая транспортирует лекарственные препараты и биологически активные соединения через гемато - энцефалический барьер. Приводятся современные представления о структуре и функциях гемато - энцефалического барьера. Рассмотрены основные способы доставки лекарственных препаратов.
Ключевые слова: гемато - энцефалический барьер, клеточная модель, механизмы транспорта, центральная нервная система
CELLULAR MODEL OF THE HEMATO - ENCEPHALIC BARRIER OF A PERSON IN A MICROFLUID DEVICE
Belykh D.A., Vafina A.I., Vetrova M.A., Averina Yu.M.
Russian University of Chemical Technology DI. Mendeleev, Moscow, Russia
The article is devoted to a cellular model that transports drugs and biologically active compounds through the hemato-encephalic barrier. The modern ideas about the structure and functions of the hemato-encephalic barrier are given. The main methods of drug delivery are considered.
Keywords: hemato-encephalic barrier, cell model, transport mechanisms, central nervous system
Существование гемато - энцефалического барьера (ГЭБ) впервые было обнаружено Паулем Эрлихом в 1885 году. В исследованиях на животных он показал, что введение красителя трипанового синего в кровь приводит к окрашиванию периферические ткани, но не мозг. В 1913 году Эдвин Голдманн доказал обратное. При введении красителя в ликвор, окрашивается мозг, но не ткани. Голдманном был сделан вывод о наличии барьера между ликвором и кровью. Много лет сохранялась и противоположная точка зрения: барьера нет, красители не проходят в мозг потому, что мозг не содержит соединительной ткани. В 60-е годы ХХ столетия мнение о существовании ГЭБ стало общепринятым.
Гемато - энцефалический барьер — образован эндотелиальными клетками капилляров головного мозга. Барьер формирует особый шлюз, который обеспечивает клетки мозга необходимыми питательными веществами и защищает их от опасных соединений.
Главная функция ГЭБ — это поддержание гомеостаза мозга. Он защищает нервную ткань от циркулирующих в крови микроорганизмов, токсинов, клеточных и гуморальных факторов иммунной системы, которые воспринимают ткань мозга как чужеродную [1]. ГЭБ выполняет функцию фильтра, через который из артериального русла в мозг поступают питательные, биоактивные
вещества; в направлении венозного русла с лимфатическим потоком выводятся продукты жизнедеятельности нервной ткани.
Повреждения ГЭБ у человека наблюдаются при ряде заболеваний: синдром дефицита белка GLUT-1, болезнь Альцгеймера, сахарный диабет, ишемический инсульт, бактериальная инфекция
ЦНС.
Затруднено проникновение некоторых веществ через гематоэнцефалический барьер. Причиной являются особенности строения капилляров мозга. Их эндотелий не имеет пор, через которые в обычных капиллярах проходят многие вещества. В капиллярах мозга практически отсутствует пиноцитоз [2]. Через гематоэнцефалический барьер трудно проходят полярные соединения -гидрофильные молекулы. Липофильные молекулы проникают в ткани мозга легко.
Попадание питательных веществ из крови в интерстициальную жидкость мозга, а метаболитов обратно в кровь осуществляется избирательно, с участием транспортеров. При этом особенно важные вещества (глюкоза, лактат, аминокислоты) перемещаются облегченной диффузией с высокой скоростью, остальные же вещества транспортируются активным транспортом и, в меньшей степени, эндоцитозом.
В ГЭБ выделяют большое количество транспортных систем (переносчиков), которые
осуществляют двухсторонний обмен веществами между интерстициальной жидкостью и кровью [3].
Различают несколько типов транспорта веществ через ГЭБ:
• с помощью стереоспецифичных переносчиков - carrier-mediated transport (CMT -для низкомолекулярных соединений);
• рецепторно-опосредованный транспорт -receptor-mediated transport (RMT - для крупномолекулярных соединений);
• система захвата-выведения - active efflux transport (AET);
• межклеточный транспорт.
Адсорбционно-опосредственный трансцитоз включает электростатическое связывание поликатионных пептидов или белков, которых выступают в качестве лигандов, с микроанионными фрагментами, присутствующими на люминальной поверхности обращенной к крови эндотелиальных клеток. Например, связывание катионного альбумина с железо-хелатирующим агентом-деферазироксом. Деферазирокс -
комплексообразующий тройной лиганд обладающий высоким сродством к Fe3+ и связывающий его в отношении 2:1.
Опосредованный переносчиком транспорт (CMT)
В церебральных капиллярах ГЭБ найдено примерно 20 белков переносчиков, в том числе для глюкозы, аминокислот, витаминов, нуклеотидов. Перенос веществ, опосредованный транспортером, предполагает взаимодействие субстрата с белком транспортером носителем, обеспечивающим распространение через мембрану по градиенту концентрации растворенного вещества [4].
Транспорт аминокислот
В ГЭБ отобраны транспортеры катионных, анионных, нейтральных аминокислот. Наибольшее значение для транспорта лекарственных средств имеет транспортер больших нейтральных аминокислот (LA-транспортер).
Транспорт производных глюкозы
GLUT системы опосредуют облегченную диффузию, которая обеспечивает концентрационное равновесие, но не накопление глюкозы. За исключением GLUT 1, представленного во всех тканях, наличие остальных транспортёров в ткани более специфично, в мозге представлены не все типы GLUT, а лишь GLUT 1,3,4,5,6,8. GLUT 1 расположен в люминальной (внешней) и аблюминальной (внутренней) мембране.
Рецептор-опосредованный транспорт (RMT)
Рецептор-опосредованный эндоцитоз
представляет взаимодействие субстрата с рецептором, экспрессированным на мембране. Затем пузырьки отделяются от мембраны и интернализируются, после всасывания, содержимое пузырьков освобождается в пределах внутриклеточного пространства, либо сливаются аблюминальной мембраной, освобождая
содержимое прямо в паренхиму мозга. Препарат паклитаксела ковалентно сопряженный с angiopep-2
благодаря способности связываться с расположенными на поверхности ГЭБ рецепторами липопротеинов низкой плотности тип 4 (ЬЯР-1) хорошо проходит в мозг и может эффективно использоваться в противоопухолевой терапии. 1пу1уо и шу1й"о исследования показали, что препарат ОЯ 1005 проникает в мозг в 86 раз лучше, чем препарат паклитаксела. Этот метод для больших молекул.
Активный транспорт
Активный транспорт происходит против градиента концентрации (в сторону большей концентрации) с затратой энергии макроэргов и при участии белков-переносчиков. Активным
транспортом переносятся лекарства-эндобиотики -аналоги метаболитов организма, которые используют обычные системы переноса. Доказано, что йод поступает в фолликулы щитовидной железы против пятидесятикратного градиента
концентрации. Норадреналин подвергается нейрональному захвату нервными окончаниями против двухсоткратного градиента. Активным транспортом при участии естественных систем переноса кислот и оснований происходит секреция веществ в почечных канальцах. Возможна конкуренция лекарств за связь с белками-переносчиками в процессе активного транспорта. Например, пробенецид используют для пролонгирования действия бензилпенициллина. Этот антибиотик подвергается секреции в почечных канальцах при участии белка-переносчика, высоким сродством к которому обладает пробенецид.
Межклеточный транспорт
В капиллярах органов и тканей транспорт веществ происходит через фенестрамции сосудистой стенки и межклеточные промежутки. Доказано, что такие промежутки не должны присутствовать. Поэтому питательные вещества проникают в мозг лишь через клеточную стенку.
Гидрофобные вещества и пептиды могу также попадать в мозг через каналы клеточной мембраны. Для других веществ возможна пассивная диффузия.
Канальцевая проницаемость
Молекулы воды плохо могут проникать через гидрофобные отделы клеточной мембраны эндотелеоцита.
Аквапоры - это специальные гидрофильные каналы, которые образованы белком аквапорином -1 (Л0Р1).
Аквапоры восстанавливают содержание воды в веществе мозга. Процесс транспорта молекул через каналы осуществляется быстрее активного переноса с помощью специальных белков транспортёров.
Свободная диффузия
Свободная диффузия является самой простой формой транспорта через ГЭБ. Она может осуществляться через клеточные мембраны эндотелеоцитов и через межклеточные контакты.
Облегченная диффузия
Особая форма диффузии через клеточную мембрану. Необходимые для мозга вещества, как например, глюкоза и многие аминокислоты, полярны и слишком велики для диффузии через
клеточную мембрану. На поверхности клеточных мембран имеются особые транспортные системы.
Помимо транспортеров глюкозы на поверхности эндотелия находится много белковых молекул, которые выполняют такую же функцию для других веществ.
Облегченная диффузия проходит по градиенту концентраций и не требует затрат клеточной энергии
[5].
Заключение
Гематоэнцефалический барьер образует сложности при диагностировании и лечении патологических заболеваний, поскольку некоторые препараты и вещества (в том числе антибиотики) не достигают тех структур и тканей, где они должны действовать в терапевтических концентрациях. Несмотря на то, что гематоэнцефалический барьер обладает защитной функцией по отношению к мозгу, возникает необходимость изменения проницаемости гематоэнцефалического барьера для определенного фармакологического вещества. Это делается для того, чтобы увеличить концентрацию вещества до достаточного уровня в тканях головного и спинного мозга, ликворе, мозговых оболочках.
Работа выполнена в рамках соглашения с Министерства образования и науки РФ №14.583.21.0066 о предоставлении субсидии от 18.10.2017г.
ПНИЭР по теме: «Клеточная модель гемато-энцецефалического барьера человека в
микрофлюидном устройстве»
(RFMEFH58317X0066).
Список литературы
1. Моргун, А. В. Основные функции гематоэнцефалического барьера / А. В. Моргун // Сибирский медицинский журнал (г. Иркутск).
- 2012. - Т. 109, № 2. - С. 5-8.
2. Модели гематоэнцефалического барьера in vitro: современное состояние проблемы и перспективы / А. В. Моргун, Н. В. Кувачева, Ю. К. Комлева, Е. А. Пожиленкова, И. А. Кутищева, Е. С. Гагарина, Т. Е. Таранушенко, А. В. Озерская, О. С. Окунева, А. Б. Салмина // Анналы клинической и экспериментальной неврологии. - 2012. - Т. 6, № 4. - С. 42-50.
3. Аляутдин, Р.Н. Транспорт лекарственных веществ через гематоэнцефалический барьер / Р.Н Аляутин. // Вестн. НИИ молекул. Медицины. - 2003. - № 3. - С. 11-29.
4. Oldendorf WH. Lipid solubility and drug penetration of the blood brain barrier // Proc Soc Exp Biol Med. — 1974. — № 147. — С. 813— 815.
5. Bodor N, Buchwald P. Recent advances in the brain targeting of neuropharmaceuticals by chemical delivery systems // Adv Drug Deliv Rev.
— 1999. — № 36. — С. 229—254.
