Barrera hematoencefàlica

Representació esquemàtica de la barrera hematoencefàlica

Diferents tipus de transport de substàncies a través de la barrera hematoencefàlica

La barrera hematoencefàlica (BHE) és un sistema cel·lular especialitzat present al cervell de tots els tetràpodes (vertebrats terrestres), que separa la sang sistèmica circulant del fluid extracel·lular cerebral en el sistema nerviós central (SNC). Serveix per mantenir l'homeòstasi del cervell, gràcies a la seva permeabilitat, altament selectiva, que permet el pas dels nutrients necessaris i l’expulsió dels residus. Aquest procés de subministrament i d'eliminació es produeix mitjançant una varietat de mecanismes de transport actiu. Les cèl·lules endotelials, que estan connectades entre si per unions estretes –amb una resistivitat elèctrica extremadament alta, de com a mínim 0.1 Ω⋅m– i que recobreixen l'interior dels capil·lars cerebrals són components essencials d'aquesta barrera. Els astròcits, els pericits, els macròfags perivasculars i una gruixuda membrana basal també són elements necessaris per a formar-la.

La barrera hematoencefàlica protegeix el cervell dels agents patògens, de toxines i de substàncies de gran pes molecular presents a la sang. D'altra banda, aquesta funció de protecció cerebral complica el tractament farmacològic de moltes malalties neurològiques perquè nombroses molècules actives no poden creuar la barrera hematoencefàlica. La investigació sobre la manera de superar la barrera hematoencefàlica és molt actual. Poques malalties són específiques de la barrera hematoencefàlica, si bé pot ser afectada per moltes malalties generals. Un dany de la barrera hematoencefàlica és una complicació molt seriosa.

Les primeres investigacions que identificaren l'existència d'aquesta barrera les va fer Paul Ehrlich el 1885. El concepte "barrera" com impediment del pas de substàncies des de la sang circulant al líquid cefaloraquidi i els primers ets i uts sobre la seva permeabilitat es deuen a Lisa Stern i als seus treballs dels anys 1920-1921. La prova definitiva de la seva existència no es va obtenir fins al 1967 mitjançant estudis de microscòpia electrònica de transmissió.

Funcions

Visió per microscopi electrònic de transmissió d'un tall del telencèfal d'un embrió de ratolí de 11,5 díes. En la part superior, en blanc, la llum d'un capil·lar. Les cèl·lules endotelials estan connectades per unions estretes (línies fosques). Més avall es veuen les unions adherents. L'amplada de l'image es d'uns 4,2 µm

Representació esquemàtica d'un teixit nerviós: 1) Conducte ependimari, 2) Neurona, 3) Axó, 4) Cèl·lula de Schwann, 5) Astròcit, 6) Mielina, 7) Micròglia, 8) Capil·lar

En els éssers humans, el cervell representa aproximadament el 2% del pes corporal. No obstant això, els seus requisits d'energia són aproximadament el 20% del total. A diferència d'altres òrgans del cos, el cervell té molt poques reserves d'aliments i oxigen. Les cèl·lules nervioses no poden satisfer les seves necessitats d'energia de manera anaeròbica, és a dir, sense cap tipus de subministrament primari d'oxigen. Per tant, una interrupció del subministrament de sang al cervell provoca, després de 10 segons, una síncope (pèrdua de consciència) i -uns minuts més tard- les cèl·lules nervioses comencen a morir. Depenent de l'activitat en cada àrea del cervell, les diferències entre les seves necessitats d'energia i les reserves disponibles poden ser molt grans. Per ajustar les entrades a les necessitats, cada àrea és capaç de regular per si mateixa el subministrament essencial de sang. Les funcions cerebrals complexes estan relacionades amb processos electroquímics i bioquímics molt sensibles, que han de desenvolupar-se en un medi intern homeostàtic, lliure de qualsevol pertorbació. Per exemple: les oscil·lacions de pH de la sang no han d'afectar el cervell. De la mateixa manera, canvis en la concentració de potassi canviarien el potencial de membrana de les cèl·lules nervioses. Els neurotransmissors transportats per la sang dels vasos no han d'entrar en el sistema nerviós central, ja que alteren greument el funcionament de les seves sinapsis. A més, les neurones són incapaces de regenerar-se en cas de dany a causa de variacions del medi. En última instància, el cervell -com a òrgan de control central- ha de ser protegit de la influència de substàncies estranyes al cos, com ara xenobiòtics o agents patògens. La gran impermeabilitat de la barrera hematoencefàlica contra patògens, anticossos i leucòcits fa que sigui una "barrera immunològica".

D'altra banda, a causa del fort consum energètic del cervell -en comparació amb altres òrgans- les quantitats de residus bioquímics són molt elevades i s'han d'eliminar a través de la barrera hematoencefàlica.

Per dur a terme totes aquestes funcions (alimentació, eliminació i homeòstasi), el circuit dels vasos sanguinis cerebrals dels vertebrats presenta –en comparació amb els vasos perifèrics– tota una sèrie de diferències estructurals i funcionals. Aquestes diferències comporten una separació entre el cervell i l'espai extracel·lular que l'envolta, fet essencial per a la protecció del sensible teixit neuronal i per obtenir un medi intern estable.

Els canvis en el funcionament de la barrera hematoencefàlica causen alteracions del sistema nerviós central i poden provocar disfuncionalitats o malalties. Com a resultat, un cert nombre de trastorns neurològics està més o menys directament relacionat amb la barrera hematoencefàlica.

Anatomia

L'element primordial de la barrera hematoencefàlica està format per cèl·lules endotelials i les seves unions estretes. Si bé, dos tipus més de cèl·lules també són rellevants tant des del punt de vista funcional com des del seu desenvolupament embrionari: els perícits i els astròcits. Les interaccions entre les cèl·lules endotelials, els perícits i els astròcits són més amples que les que tenen tots els altres tipus de cèl·lules. Aquests tres grups de cèl·lules junts formen la barrera hematoencefàlica de la majoria dels vertebrats, altrament anomenada barrera hematoencefàlica cel·lular. Molts invertebrats no tenen aquesta barrera. Alguns d'ells (insectes, crustacis, cefalòpodes) posseeixen mecanismes de protecció del teixit nerviós més primitius, coneguts com a "barrera hematoencefàlica glial".

Endoteli

Els capil·lars estan coberts - com tots els vasos perifèrics - de cèl·lules endotelials. En el cervell, tenen una estructura segellada particular. El nombre de mitocondris és d'aproximadament 5 a 10 vegades més gran que en els capil·lars perifèrics, a causa de l'energia requerida per dur a terme el transport actiu de nutrients a través de les cèl·lules. Les cèl·lules endotelials presenten a les seves membranes unes proteïnes especialitzades (certes aquaporines) que regulen i canalitzen el flux d'aigua, controlant la quantitat d'aquesta en el cervell. El nivell de segellat de la barrera pot ser quantificat per la seva resistència elèctrica. En una rata adulta, la resistència dels microvasos cerebrals s'eleva a aproximadament 2000 Ω⋅cm². En els capil·lars musculars, és només al voltant de 30 Ω⋅cm².

Les unions estretes

De dalt a baix: sang, cèl·lules endotelials amb unions estretes i unions adherents, i cervell. No es mostren els perícits i els astròcits

Les cèl·lules endotelials estan unides per forts enllaços anomenats unions estretes que fan gairebé impermeable l'espai entre cadascuna d'elles i redueixen al màxim el pas de la barrera per via paracel·lular. Les formen diverses varietats de proteïnes de membrana, amb la finalitat d'assegurar-ne el segellat: ocludines, claudines, proteïnes JAM (en anglès: Junctional Adhesion Molecules) i proteïnes Tjp-ZO (en anglès: Tight junction protein-Zonula Occludens).

Làmina basal

Les cèl·lules endotelials estan totalment envoltades per una doble capa proteïnica, la làmina basal. Aquesta capa doble és resistent, d’uns 40 a 50 nm. de gruix i només visible amb microscopi electrònic.

Es compon principalment de col·lagen tipus IV, proteoglicans, laminina, fibronectina i altres proteïnes de la matriu extracel·lular. La làmina basal està vorejada per la membrana plasmàtica dels peus terminals dels astròcits.

Perícits

Els perícits (antigament anomenats cèl·lules de Rouget) són petites cèl·lules ovals, que cobreixen un total d'un 20% de la superfície exterior dels capil·lars, fermament ancorades a les cèl·lules endotelials. Hi ha, almenys, tres formes de connexió entre aquests dos tipus de cèl·lules: canals comunicants (que comuniquen directament els citoplasmes cel·lulars i permeten l’intercanvi iònic i de petites molècules), adherències focals i invaginacions (plecs a les membranes semblants a un endoll mascle-femella). Els perícits tenen tres funcions principals:

• Modular la secció capil·lar segons sigui necessari, acció permesa pel seu alt contingut en actina, fet que fa possible als perícits exercir una força motriu sobre la paret dels capil·lars (vasoconstricció/vasodilatació).
• Actuar com a elements fagocitaris, ja que són considerats una forma precursora dels macròfags cerebrals, propietat especial que els permet intervenir com a segona línia de defensa contra els atacs que provenen de la circulació sanguínia. A més, actuen com moduladors de la resposta neuroinflamatòria.
• Regular la divisió i la diferenciació cel·lular de les cèl·lules endotelials. En particular, tenen un paper important en la formació de nous vasos sanguinis (angiogènesi).

Astròcits

Un astrocit (en verd) en un cultiu cel·lular

Els astròcits són cèl·lules estrellades, significativament més grans que els pericits. Cobreixen els capil·lars cerebrals en un 99%, amb els seus peus (prolongacions terminals) entrecreuats formant una filigrana característica (en roseta). Les interaccions entre les cèl·lules endotelials i els astròcits tenen lloc en ambdues direccions. Les hormones alliberades des dels astròcits modulen la permeabilitat endotelial. En sentit contrari, les citoquines secretades per les cèl·lules endotelials indueixen la diferenciació astrocitària. La distància entre els peus astrocitaris, les cèl·lules endotelials i els perícits és només de 20 nm.

Les seves funcions més importants són:

• La modulació ràpida de la permeabilitat de les cèl·lules endotelials.
• L'alimentació de les neurones.
• La regulació del medi extracel·lular.
• La síntesi de colesterol que no pot creuar la barrera hematoencefàlica, que és necessari per a formar la mielina de les beines dels axons neuronals i que ha de sintetitzar-se in situ.

Zones sense barrera hematoencefàlica

Tots els capil·lars cerebrals no formen part de la barrera hematoencefàlica. Les zones del cervell que secreten hormones i aquelles que tenen funcions sensorials -per exemple, les àrees receptores de certes hormones peptídiques- han de romandre en comunicació amb el torrent sanguini. Hi ha sis òrgans circumventriculars privats de barrera hematoencefàlica. L'epífisi, la neurohipòfisi, l'eminència mediana hipotalàmica, l'área postrema, l'òrgan subfornical i l'òrgan vascular de la làmina terminal hipotalàmica. Aquestes regions estan envoltades per tanícits, cèl·lules semblants als ependimòcits que tapissen el conducte ependimari i separen el cervell del líquid cefaloraquidi, però amb unions estretes molt estanques.

Barrera hemato-líquid cefaloraquidi

A més de la barrera hematoencefàlica, hi ha una segona barrera entre la sang i el sistema nerviós central: la barrera hemato-líquid cefaloraquidi (LCR, a vegades anomenat líquid cerebroespinal per influència del terme en anglès). Aquesta barrera està formada per les cèl·lules epitelials i les unions estretes dels plexes coroides. La barrera hemato-LCR també té una participació en l'homeòstasi del cervell. Permet el subministrament de vitamines, nucleòtids i glucosa, encara que la seva contribució al transport de substàncies en el cervell és molt baixa i totalment insuficient per cobrir les necessitats de nutrients i d'oxigen. La superfície d'intercanvi dels capil·lars intracerebrals de la barrera hematoencefàlica és 5000 vegades més gran que la dels plexes coroides. A més d'aquestes dues barreres, tan importants per al sistema nerviós central, es troben en el cos altres barreres ultrasélectives similars que controlen l'intercanvi de substàncies amb la sang. Per exemple:

• La barrera hemato-placentària
• La barrera entre la sang i els túbuls seminífers, assegurada per les unions estretes entre les cèl·lules de Sertoli
• La barrera entre la sang i l'orina (barrera de filtratge glomerular).
• La barrera entre la sang i el tim, destinada a protegir les cèl·lules T de qualsevol contacte amb els antígens durant la seva maduració.
• La barrera alveolo-capil·lar dels pulmons, que controla l'intercanvi gasós.

Processos de transport a la barrera hematoencefàlica

La barrera hematoencefàlica ha de garantir -malgrat les seves condicions d'estanquitat- la protecció del cervell, el transport d'aliments i oxigen i l'eliminació dels residus.

Transport paracel·lular

Als capil·lars perifèrics, el transport de substàncies cap als òrgans i els músculs té lloc a través de les fenestracions i els espais intercel·lulars. En un endoteli cerebral sà, les unions estretes tanquen les cèl·lules entre elles d'una forma quasi hermètica. Els capil·lars cerebrals només permeten el transport transmembrana, que pot ésser regulat millor que el transport paracel·lular. Tan sols molècules petites i polars (com les d'aigua, glicerina o urea) poden passar a través de les esmentades unions estretes.

Difusió lliure

Representació esquemàtica del procés de difusió a la membrana cel·lular. Amb el pas del temps, la concentració tendeix a igualar-se

La forma més simple és la difusió lliure o passiva, que tendeix a equilibrar la concentració o el potencial químic de substàncies. No requereix energia. El cabal és proporcional a la diferència de potencial i no és controlable per les cèl·lules. Les molècules petites (de baixa massa molecular/molar) poden travessar la membrana a través de forats corresponents a deformacions locals en les cadenes de fosfolípids que constitueixen la membrana. Els forats són mòbils, i poden així acompanyar a la molècula en el seu camí a través de la membrana. També cal que la molècula en qüestió tingui una afinitat raonable per als lípids. Aquest procés, doncs, està relacionat essencialment amb les petites molècules lipòfiles (hidròfobes).

Permeabilitat per canals

Representació esquemàtica del transport facilitat (les tres figures de la dreta). A l'esquerra, comparació amb el transport per canal

Les petites molècules polars com ara l'aigua, no es poden difondre pràcticament a través de les membranes mitjançant el procés abans descrit. A la membrana cel·lular es troben un gran nombre de proteïnes que exerceixen el paper de canals especialitzats per al pas de l'aigua: les aquaporines. Elles ofereixen una gran permeabilitat a l'aigua en ambdues direccions, segons la diferència de pressió osmòtica. Hi ha molts altres tipus de canals, més o menys especialitzats, que poden ser oberts o tancats sota la influència dels agents físics. Però tots aquests canals són passius: quan estan oberts, deixen passar les molècules apropiades en la direcció de les concentracions d'equilibri.

La difusió facilitada

Molècules vitals, com la glucosa i alguns aminoàcids no poden passar a través dels canals. És per això que els transportadors proteïcs de membrana -adaptats a les diferents molècules necessàries- traspassen la membrana cel·lular. Aquest és el cas dels transportadors GLUT1, MCT1 (en anglès: Monocarboxylic acid transporter 1) o CHT1 (en anglès: Choline transporter 1), pertanyents a la família de transportadors de solut. Les proteïnes de transport de membrana poden funcionar com uniportadores (una molècula alhora), com simportadores (dos o més molècules en la mateixa direcció) o com antiportadores (dos o més molècules en direccions oposades).

Transport actiu

Els transports descrits anteriorment no requereixen la despesa de cap reserva energètica per part de la cèl·lula. Però hi ha substàncies que han de ser transportades contra un gradient de concentració. Aquest fet necessita un consum d'energia (de trifosfat d'adenosina o ATP) que impulsi un sistema de transport actiu o "bomba". El transport des de la sang cap al cervell es denomina "flux d'entrada" i en sentit invers, "flux de sortida". La glicoproteïna P -codificada pel gen ABCB1- fou el primer transportador de "flux de sortida" identificat a la barrera. S'ha observat una sobrexpressió de la glicoproteïna P a la barrera en algunes malalties neurodegeneratives. Dintre de la superfamília dels transportadors ABC (en anglès: ATP-Binding Cassette) s'han identificat, per exemple, els MRP1, MRP3, MRP4, MRP5 (en anglès: Multidrug resistance protein 1, 3, 4 i 5) i BCRP (en anglès: Breast cancer resistance protein). Aquesta família té un paper important a l'hora de limitar el pas per la BHE dels fàrmacs de molècula petita. De la família dels transportadors de soluts es poden destacar els OAT3 (en anglès: Organic anion transporter 3), OATP-A (en anglès: Organic anion transporter polypeptide A) o TAUT (en anglès: Taurine transporter). Alguns d'aquests mecanismes de transport són molt específics i identifiquen les molècules per la seva forma, distingint així entre les formes enantiòmeres esquerra i dreta. Per exemple, la D-asparagina és un element necessari per a la formació de certes hormones i compta amb un sistema de transport actiu de flux d'entrada. Per contra, la L-asparagina és un aminoàcid estimulant i una acumulació en el cervell seria perjudicial, eliminant-se per un sistema de transport actiu de flux de sortida.

Els sistemes actius de flux de sortida solen ser poc específics, ja que la seva funció és eliminar deixalles a vegades impredictibles. Encara no han estat clarament identificats totes les modalitats d'aquests tipus de transports.

Transport vesicular

Comparació entre la fagocitosi, pinocitosi i l'endocitosi del receptor

Les molècules grans o -fins i tot- agregats de molècules, que no poden usar les proteïnes de transport de membrana, s'incorporen a la cèl·lula endotelial per endocitosi: la membrana plasmàtica es deforma formant una concavitat que envolta l'objecte a incorporar. A continuació, se solden les vores de la deformació i la membrana recupera la seva integritat, quedant l'objecte tancat dintre d'una vesícula. La vesícula pot passar a través de la cèl·lula, obrir-se en el costat oposat per un mecanisme invers i alliberar el seu contingut. Aquest procés s'anomena transcitosi.

• Transcitosi de recepció.

Hi pot haver receptors específics a la membrana que s'uneixen a una molècula diana; aquest mecanisme de transcitosi per mitjà de receptors permet que la vesícula sigui identificada, transportada i descarregada. És el cas d'algunes macromolècules –com ara les lipoproteïnes de baixa densitat (LDL), necessàries per al transport de colesterol–, la insulina i altres hormones peptídiques.

• Transcitosi per adsorció

En aquest model de transport (en anglès: Adsorptive-Mediated Transcytosis o AMT), la selecció es realitza per la càrrega elèctrica: les concavitats de la membrana de les cèl·lules endotelials -carregada negativament- absorbeixen les molècules carregades positivament (cations), com pèptids o proteïnes amb un punt isoelèctric superior al pH del medi, i les transporten a través del citoplasma. D'aquí que aquest tipus de transport rebi el nom alternatiu de "portador catiònic". Permet un rendiment més gran que la transcitosi de recepció.

Taula amb els principals transportadors a la barrera hematoencefàlica:

Transportador	Nom anglès	Gen	Locus gen	Família	Ref.
Difusió facilitada
GLUT1	glucose transporter 1	SLC2A1	1 p35-p31.3	Transportadors de soluts (SLC)
LAT1	large neutral amino acid transporter 1	SLC7A5	16 q24.3	SLC
CAT1	cationic amino acid transporter 1	SLC7A1	13 q12.3	SLC
MCT1	monocarboxylic acid transporter 1	SLC16A1	1 p13.2-p12	SLC
CNT2	concentrative nucleoside transporter 2	SLC28A2	15 q15	SLC
CHT1	choline transporter 1	SLC5A7	2 q12	SLC
NBTX	nucleobase transporter	?	?
Transport actiu
MDR1	P-Glycoprotein	ABCB1	1 q21.1	Transportadors ABC
MRP1	multidrug resistance protein 1	ABCC1	16 p13.1	ABC
MRP3	multidrug resistance protein 3	ABCC3	17 q22	ABC
MRP4	multidrug resistance protein 4	ABCC4	13 q32	ABC
MRP5	multidrug resistance protein 5	ABCC5	3 q27	ABC
BCRP	breast cancer resistance protein	ABCG2	4 q22	ABC
OAT3	organic anion transporter 3	SLC22A8	11	SLC
OATP-A	organic anion transporter polypeptide A	SLC21A3	12 p12	SLC
OATP3A1	organic anion transporter polypeptide 3	SLCO1A2	15 q26	SLC
EAAT1	excitatory amino acid transporter 5	SLC1A3	5 p13	SLC
TAUT	taurin transporter	SLC6A6	3 p25-q24	SLC
Transport per mitjà de receptors
INSR	Insulin receptor	INSR	19 p13.2
TFR1	transferrin receptor	TFRC	3 q29
IGF1R	insulin-like growth factor 1 receptor	IGF1R	15 q25-q26
LEPR	leptin receptor	LEPR	1 p31
FCGRT	Fc fragment of IgC, receptor transporter	FCGRT	19 q13.3
SCARB1	scavenger receptor class B 1	SCARB1	12 q24.31

La interacció entre els transportadors SLC i els ABC és primordial per protegir el cervell de les substàncies xenobiòtiques.

Mesura i representació de la permeabilitat de la barrera hematoencefàlica

Com s'indica a la secció anterior, els processos de transport de substàncies a través de la barrera hematoencefàlica són variats, tant com per la naturalesa de la substància a transportar com per la direcció en la qual s'efectua el transport. No obstant això, és essencial per a la medicina i la farmàcia introduir a l'organisme fàrmacs cerebrals (psicotròpics), o evitar l'entrada de tòxics destinats, per exemple, a altres òrgans. La forma d'estudi més tradicional és fer proves in vivo en animals i després en humans ("assaigs clínics"), però es poden realitzar experiments in vitro o in silico (simulacions d'ordinador), més senzills de fer.

Base física

Un model teòric simplificat, basat en un únic capil·lar, fou desenvolupat per Renkin (1959) i Crone (1965) i modificat després per altres investigadors. El resultat s'expressa com "el producte permeabilitat-superfície (PS)" de la mostra capil·lar. Aquest valor també es coneix com “índex de Crone-Renkin”. Determina la fracció E d’una substància extreta al pas d'una quantitat de sang Q:

$\scriptstyle E=1-e^{-{\frac {PS}{Q}}}$

Per principi, el valor E és sempre inferior a 1, ja que el flux Q no pot ser major que la quantitat de substància transportada. Els valors entre 0,2 i 0,8 indiquen una permeabilitat moderada. Per sota de 0,2, es baixa. La permeabilitat, doncs, és el factor que limita el transport de substàncies al cervell.

Procediments in vitro

El procediment més simple i realista és l'ús de vasos aïllats, que es mantenen amb vida durant algun temps. Amb cèl·lules endotelials "immortalitzades" i cultivades en monocapes, es poden fer assaigs quantitatius. La qualitat de les capes, que es correspon amb les seves unions estretes i hauria de ser la més alta possible, es mesura per resistència elèctrica. En el cos viu, pot ser de l'ordre de 2000 Ω⋅cm 2. En un cultiu mixt d'astròcits i cèl·lules epitelials pot arribar a 800 Ω⋅cm 2.

Procediments in vivo

Les rates de laboratori són animals molt utilitzats en experiments in vivo de la barrera hematoencefàlica

El primer procediment de recerca orientat a la demostració de l'existència de la barrera, fet per Paul Ehrlich, va ser la injecció d'un colorant en un animal de laboratori. Els colorants que creuen la barrera hematoencefàlica la tenyeixen de forma persistent. Això permet estudiar lesions induïdes de la barrera.

Els procediments in vivo són insubstituïbles en aquesta mena d'investigacions científiques, per la seva gran sensibilitat en condicions fisiològiques, el llarg temps durant el qual es poden emprar i -per aquest motiu- el bon nombre d'oportunitats de pas a través de la xarxa capil·lar.

Índex d'absorció cerebral

La relació entre la taxa d'absorció d'una substància de prova i la d'una substància coneguda de fàcil absorció (per exemple, el C14-butanol), totes dues marcades radioactivament, dóna l'«índex de captació cerebral» (en anglès: Brain Uptake Index o BUI). Aquest mètode és apropiat només per a substàncies d'absorció ràpida. El BUI s'expressa com a un percentatge.

Índex de flux de sortida del cervell

També és interessant conèixer, per a cada substància, les seves propietats de flux de sortida de la barrera hematoencefàlica. Això s'aconsegueix comparant la substància de prova amb una substància de referència -poc capaç de sortir de la barrera, com la inulina-, totes dues radiomarcades i microinjectades directament dins el cervell. L'índex de flux de sortida del cervell (en anglès: Brain Efflux Index o BEI) es calcula mesurant la radioactivitat del que queda de cadascuna de les substàncies a punts ipsilaterals (del mateix costat) del cervell en relació amb el que s'ha injectat.

Perfusió cerebral

En aquesta tècnica, la substància de prova -també marcada radioactivament-, s'administra dintre de l'arteria caròtide de l'animal de laboratori per perfusió. Després s'extreu i homogeneïtza el cervell, i es quantifica la seva radioactivitat. L'avantatge del mètode és que evita l'eventual degradació de la substància per enzims presents a la sang. Són utilitzats, preferentment, conills d'Índies, ja que les seves caròtides no tenen bifurcació entre el coll i el cervell, fet que permet un temps de perfusió més llarg. És una tècnica complexa, que només és emprada per substàncies de poca estabilitat al plasma o que tenen una gran dificultat de penetració dintre del cervell. Una variant millorada és la de depleció dels capil·lars cerebrals (en anglès: Capillary Depletion Method). Consisteix a separar els capil·lars del teixit nerviós per centrifugació, això permet distingir entre una veritable permeació dintre del cervell i una simple endocitosi de l'endoteli capil·lar.

Tècnica de difusió de l'indicador

En aquesta tècnica (en anglès: Indicator Diffusion Method), la substància de referència ha de ser incapaç de creuar la barrera hematoencefàlica. La substància a assajar i la de referència no estan marcades radioactivament. S'administren via arteria caròtide i es mesuren en la sang de retorn (vena jugular interna), determinant la concentració de les dues substàncies al plasma. Així es pot calcular la permeació de la substància de prova al cervell a partir de la fracció que falta a la sang venosa. La tècnica, per tant, només és adequada per substàncies que creuen fàcilment la barrera.

Autoradiografia quantitativa

Autoradiografia d'un tall de cervell d'embrió de rata

Aquest procediment implica la injecció la substància marcada -normalment- amb carboni-14 per via endovenosa. En un moment donat, el teixit de l'òrgan a estudiar es talla amb un micròtom de congelació o criostàtic i es col·loca a sobre d'una pel·lícula de raigs X o a sobre d'un detector d'escintil·lació d'alta resolució. Segons el grau d'ennegriment observat, o la dosi de radiació detectada, es pot mesurar l'absorció de la substància de prova al cervell després de fer un calibratge (sovint amb albúmina marcada amb iode-125). El mètode tant s'aplica al teixit cerebral com al d'altres òrgans. Si també es mesura, per altres mitjans, la quantitat de sang que irriga la regió examinada, es pot calcular el producte permeabilitat/superfície. La imatge del costat mostra un exemple d'autoradiografia feta a un cervell embrionari de rata. Les zones més radioactives són les més fosques. En aquest cas, les subventriculars (SVZ).

Microdiàlisi intracerebral

S'implanta en el teixit nerviós un microcatèter amb una membrana semipermeable a l'extrem. A través del catèter es poden perfusionar substàncies, i/o recollir mostres de fluid intersticial. És un mètod adequat per a la presa contínua de líquid, fet que permet establir el perfil de la concentració en un lapse de temps de substàncies injectades intravenosa o intraarteralment. En medicina, la microdiàlisi intracerebral s'utilitza per al monitoratge neuroquímic en cas d'accident cerebrovascular.

Procediments d'imatge

TEP cerebral després de la saturació amb ¹⁸F-fluorodesoxiglucosa (FDG). El FDG és transportat al cervell com la D-glucosa normal GLUT-1 (transport passiu). Les àrees amb les necessitats de glucosa més altes estan en vermell

Gràcies a aquests procediments, en part utilitzats a la pràctica clínica, es poden obtenir de forma no invasiva representacions visuals i mesures de la permeabilitat de la barrera hematoencefàlica davant de diverses substàncies. Els principals per aconseguir dit objectiu són: la tomografia per emissió de positrons, la imatgeria per ressonància magnètica i l'espectroscòpia de ressonància magnètica.

• Tomografia per Emissió de Positrons (TEP)

La TEP és fonamental per estudiar a la barrera hematoencefàlica els processos de flux de substàncies potencialment transportables per la P-glicoproteïna. Comprendre la funció de la P-glicoproteïna i les influències exercides sobre aquesta per la barrera és molt important a l'hora de preparar medicaments psicotròpics eficaços i segurs. Aquestes investigacions es realitzen emprant substàncies marcades amb un emissor de positrons (desintegració beta+ – β+). Freqüentment, es fa servir el carboni 11 (11C). Per als compostos fluorats és preferible utilitzar el fluor 18 (18F). Donada la curta vida mitjana d'aquests isòtops (20,39 min. el 11C i 110 min. el 18F), els experiments hi han d'efectuar-se en centres d'investigació propers a un ciclotró. En aquesta línia, s'han marcat i estudiat el verapamil 44, el carazolol 42 o la loperamida 45. El verapamil té un interés farmacològic particular, ja que sembla capaç d'inhibir la P-glicoproteïna. La TEP és un dels pocs mètodes que permeten una comparació directa in vivo entre els organismes usats en fases preclíniques i el pacient, en el que respecte a la interacció de la substància activa amb la P-glicoproteïna.

• Imatgeria de Ressonància Magnètica (IRM)

Espectroscòpia de ressonància magnètica d'una zona determinada del cervell d'un pacient. Les tres imatges de ressonància magnètica mostren l'àrea d'estudi (encerclada en turquesa). S'observen els espectres de RMN, amb el pic de glutatió (GSH). Les superfícies (eix Y) es representen en funció de la concentració de GSH (eix X).

La IRM no té la sensibilitat adequada per representar fefaentment el pas de substàncies actives a través d'una barrera hematoencefàlica sana. Per contra, en cas de lesió, la IRM amb mitjà de contrast té un paper important en el diagnòstic de malalties degeneratives o tumorals al cervell i en el tractament amb cèl·lules mare.

• Espectroscòpia de ressonància magnètica (ERM)

L'ERM té el seu fonament en la ressonància magnètica nuclear, i es pot considerar com una variant de la IRM. Es diferencia d'aquesta en què quantifica la presència d'algunes substàncies al cervell (i dels seus metabòlits o productes de reacció química), sobre la base de les particulars característiques del moment magnètic de certs nuclis (per exemple, fluor-19, carboni-13, fòsfor-31), com també el dels protons de molècules diferents de l'aigua, aplicant el domini de freqüències adient. La IRM utilitza el moment magnètic dels protons de l'aigua del cos. Els nuclis a estudiar estan presents normalment en forma de traces i el senyal que donen és dèbil, fet que limita l'obtenció d'una bona resolució espacial (mesurada en vòxels). La combinació IRM-ERM permet precisar l'estructura anatòmica (IRM) i la composició correlativa (ERM) de zones del cervell. Per exemple, és possible estudiar qualitativament i quantitativament amb ERM la farmacocinètica cerebral de compostos fluorats, com els neurolèptics trifluoperazina i flufenazina. La tècnica permet distingir entre el medicament i els seus metabòlits i diferenciar les seves formes lliures i conjugades. Els seus inconvenients són la manca de resolució espacial i el llarg temps necessari per a dur a terme les observacions, el que dificulta emprar-la experimentalment en animals petits.

Procediments in silico

Els treballs in silico, que utilitzen models computacionals bioinformàtics com eines predictives en el disseny de fàrmacs (en especial a les seves primeres fases); han augmentat en els darrers anys a causa del seu baix cost i rapidesa, comparats amb els fets in vivo o in vitro. A partir d’un procés de cribratge virtual -basat en la regla del Cinc de Lipinski-, es poden filtrar les propietats de moltíssimes molècules existents a bases de dades (com la ChEMBL o el MDDR, per exemple) i predir les seves interaccions amb la barrera. Els avenços en robòtica han permès crear tècniques com el cribratge d'alt rendiment (en anglès: High-throughput screening o HTS). Altres models es fonamenten en la relació estructura-activitat quantitativa (en anglès: Quantitative structure–activity relationship o QSAR) i poden avaluar diferents paràmetres descriptors: electrònics, estèrics, lipofílics/hidròfobs, pes molecular, moment dipolar, àrea de superfície polar, constant de dissociació, etc.

Estratègies per a la superació de la barrera hematoencefàlica

Com es va assenyalar anteriorment, hi ha poques substàncies que puguin creuar la barrera hematoencefàlica, raó per la qual el 98% dels medicaments no poden traspassar-la sense ajut.

Des de fa dècades es treballa intensament per trobar fórmules que facin possible obtenir un mitjà de transport actiu de substàncies al cervell, que superi -o millor que creui selectivament- la barrera hematoencefàlica. Amb aquesta finalitat s'han desenvolupat o estan en desenvolupament diferents estratègies: transport mecànic (injectant el medicament sota les meninges -administració intratecal- o dintre dels ventricles cerebrals -administració intraventricular-), lipofilització (adjuntant radicals lipofílics a una molècula d'interés terapèutic), vectorització (lligant el fàrmac a un vector molecular, natural o sintètic, capaç de travessar la barrera), ús de nanopartícules (envoltant el principi actiu amb una càpsula polimèrica biodegradable acceptada per determinats receptors de la barrera), cationització (carregant positivament les molècules de la substància escollida, fet que afavoreix la transcitosi per adsorció), utilització de dissolvents i materials tensioactius (alterant determinades funcions de la membrana endotelial, cosa que facilita el transport per difusió transcel·lular), modificació reversible de certes propietats de les unions estretes (emprant moduladors derivats d'algunes enterotoxines bacterianes). Inclús s'ha aconseguit obrir selectivament la barrera emprant ultrasons focalitzats en conjunció amb microbombolles d'aire. La diversitat d'investigacions dirigides a inserir de forma eficaç compostos terapèutics en el teixit cerebral és molt considerable.

Disfuncions de la barrera hematoencefàlica

Les disfuncions de la barrera hematoencefàlica poden ser causades per tot tipus de patologies. La barrera en si també pot ser la causa d'algunes malalties neurològiques rares, de naturalesa genètica. Dintre d’aquest grup d'alteracions genètiques destaquen: la síndrome de deficiència de GLUT1 (de patró autosòmic recessiu i causada per mutacions en el gen SLC2A1), la malaltia dels ganglis basals sensible a la biotina-tiamina (també autosòmica recessiva i causada per un defecte en el gen SLC19A3) o la malabsorció congènita de folat (autosòmica recessiva i causada per un defecte en el gen SLC46A1). Un defecte en el gen MDR1 (també anomenat ABCB1 perquè pertany a la família dels transportadors ABC) afecta a algunes races de gossos com la Collie i altres relacionades amb aquesta, i -ja que codifica la glicoproteïna-P- provoca en aquests animals greus problemes d'hipersensibilitat a molts medicaments.

Les pertorbacions de la funció protectora de la barrera hematoencefàlica són una complicació de moltes malalties neurodegeneratives i lesions cerebrals. Traumatismes encefàlics de tota mena, com els derivats de l’acció de les ones de xoc, alteren la funcionalitat de la barrera i empitjoren el consegüent grau de degeneració del teixit cerebral. Els accidents cerebrovasculars isquèmics danyen l’endoteli de la barrera en diverses fases, tant per la manca immediata de sang al cervell com per la posterior reperfusió. La lliberació massiva d’oxidants, enzims proteolìtics i citoquines (que estimulen la producció de metal·loproteïnases de matriu) altera la permeabilitat i ocasiona edema cerebral. Aquests efectes són més greus en els adults. Diverses malalties perifèriques, com ara la diabetis o certs processos inflamatoris, tenen un efecte perjudicial sobre el funcionament de la barrera hematoencefàlica.

Les repercussions de l'envelliment sobre les barreres cerebrals poden ser factors importants en la patogènesi de malalties com la d’Alzheimer.

Altres patologies poden interferir el funcionament dels endotelis "de dins a fora", és a dir, que influències originades a la matriu extracel·lular interrompen la integritat de la barrera hematoencefàlica. Així ho fa, com a mostra, el glioblastoma multiforme.

Criptococcosi meníngea. Microscopi òptic, 500X. Tinció: plata metenamina

D'altra banda, una sèrie de malalties afecten el cervell pel fet que alguns agents lesius poden penetrar la barrera hematoencefàlica. Per exemple, virus com el VIH, el retrovirus HTLV (en anglès: Human T-Lymphotropic Virus), el de la ràbia, el virus del Nil occidental o bacteris com els de la meningitis o els del còlera. No són molts els patògens capaços de traspassar la barrera i provocar una meningitis bacteriana. Es poden destacar: el meningococ (Neisseria meningitidis), estreptococs (com el Streptococcus agalactiae -GBS, en anglès: Group B streptococcus- o el Streptococcus pneumoniae–també anomenat pneumococ-), coc-bacils (Haemophilus influenzae), listèries (Listeria monocytogenes) o colibacils (Escherichia coli). Els mecanismes emprats per dits gèrmens alhora de creuar la barrera hematoencefàlica són complexos i variats i encara romanen obscurs alguns d’ells. Se sap que el meningococ provoca escissions a les ocludines (proteïnes de membrana) de les unions estretes induint l’alliberament de la col·lagenasa MMP8 quan infecta les cèl·lules endotelials i que els seus pili tipus IV alteren la polaritat de determinades proteïnes, desorganitzant les unions i obrint una via paracel·lular d’entrada a la barrera que li permet envair les meninges. L'E. coli K1 té la propietat -entre d'altres- de desballestar les caderines (molècules d'adhesió cel·lular) de les unions estretes per trencar la integritat de la barrera i arribar a les meninges. El Streptococcus agalactiae empra un subtil “truc” per traspassar la barrera. Quan és detectat pels receptors del costat sanguini de la barrera, aquests disparen un determinat senyal de perill molecular, que -a més- empeny un gen a produir un factor de transcripció proteïnic, anomenat Snail1, que descompon les unions estretes. És a dir, obliga a la barrera a autodestruir-se. Fongs, com el criptotoc (un llevat oportunista que acostuma a infectar a malalts immunodeprimits), també traspassen la barrera i provoquen meningitis o meningoencefalitis. L’espècie Cryptococcus neoformans fa servir més d’un mecanisme per superar-la: un mecanisme de migració transcel·lular que comporta alteracions dels filaments d’actina del citoesquelet de les cèl·lules endotelials, relacionades amb l'alliberació de metal·loproteases fùngiques, i un mecanisme de penetració a través de macròfags infectats, semblant a l'emprat pels virus. A la forma cerebral de la malària, els eritròcits infectats pel Plasmodium falciparum activen determinades caspases que indueixen l'apoptosi de les cèl·lules endotelials de la barrera.

Aquesta munió de gèrmens patògens capaços de travessar la barrera, gràcies a molts i diferents mecanismes, orienta cap a que podrien ser els responsables d'alguns tipus de demència. Es pensa que alteracions de la microbiota intestinal podrien ocasionar pertorbacions funcionals de la BHE. S'ha demostrat in vitro que la microbiota intestinal materna influeix sobre el desenvolupament de la BHE fetal, i que una microbiota modificada disminueix la permeabilitat de la BHE a nivell de les unions estretes endotelials.

En el cas de l'esclerosi múltiple, els patògens són cèl·lules T del sistema immunitari del mateix individu, que travessen la barrera hematoencefàlica i ataquen la mielina del cervell. De la mateixa manera, en alguns càncers no cerebrals, cèl·lules de la neoplàsia primària poden creuar la barrera hematoencefàlica i donar lloc a metàstasis cerebrals. El carcinoma broncogènic, el de mama i el melanoma són càncers especialment proclius a metastatitzar el cervell. Les cèl·lules tumorals posen en pràctica tot un conjunt de mecanismes per trencar la protecció de la barrera, com la secreció del factor de creixement de l'endoteli vascular (en anglès: Vascular Endothelial Growth Factor o VEGF) i la producció de determinades vesícules extracel·lulars.

Alguns autors senyalen que determinades alteracions de la barrera hematoencefàlica poder ser tant causa com a conseqüència de les crisis convulsives pròpies de l’epilèpsia. S’ha relacionat la inflamació i els canvis de permeabilitat a la barrera amb la gènesi de l’epilèpsia post-traumàtica.

Agressions exògenes de la barrera hematoencefàlica

Alcohol

El consum excessiu d'alcohol és un factor de risc important per al desenvolupament o empitjorament de múltiples problemes de salut, tant físics com psíquics. Altera greument els mecanismes inflamatoris i augmenta la susceptibilitat a les infeccions bacterianes o víriques. A més, els danys crònics a la barrera hematoencefàlica per consum d'alcohol, es consideren un element significatiu en l'aparició de malalties neurodegeneratives. Els danys a la barrera hematoencefàlica han estat demostrats tant per la investigació neuropatològica en alcohòlics com per experiments en animals. Els estudis amb animals van posar de manifest que els metabòlits de l'etanol activen l'enzim MLCK (Myosin light-chain kinase) a l'endoteli i provoquen la fosforilació de moltes proteïnes de les unions estretes i d'altres de naturalesa citoesquelètica, deteriorant la integritat de la barrera hematoencefàlica. A més, l'estrès oxidatiu conseqüència del consum d'alcohol deriva en danys addicionals a la barrera hematoencefàlica.

El damnatge funcional de la barrera hematoencefàlica fomenta la migració dels leucòcits en el cervell, el que facilita la gènesi de malalties neuro-inflamatòries.

Nicotina

L'abús crònic de nicotina (alcaloide present en el tabac comú, fet amb la planta Nicotiana tabacum) no només augmenta el risc de càncer de pulmó, sinó també el de malalties cardiovasculars. A més dels riscos cardiovasculars, s'identifica una correlació directa amb l'aparició de demència. En diversos metanàlisis, es va trobar que els fumadors tenien una incidència significativament major de malaltia d'Alzheimer que els no fumadors. La taxa de demència vascular de o deteriorament cognitiu lleu, només augmenta discretament. En animals, l'exposició diària a la nicotina altera no només la funció, sinó també l'estructura de la barrera hematoencefàlica dels subjectes afectats. La nicotina -i el seu principal metabòlit, la cotinina-, modulen la intregritat de la barrera en obrir la via paracel·lular d'entrada al cervell dels soluts. Addicionalment, la nicotina i la cotinina juntes incrementen -en un model in vitro d'accident vascular cerebral- la permeabilitat de la barrera després de poques hores d'hipòxia. L'exposició a la nicotina i a la cotinina comporta també canvis distributius de les proteïnes ZO-1 de les unions estretes i una reducció temps-dependent de la immunoreactivitat de la claudina-3.

A més, després d'una administració crònica de nicotina, es va trobar en l'endoteli un augment de les microvellositats, així com alteracions en les proteïnes simportadores de Na⁺/K⁺/2Cl^- i en la bomba de sodi i potassi.

Estudis epidemiològics també van demostrar que els fumadors tenen un risc significativament major de contraure una meningitis bacteriana, en comparació amb els no fumadors. La nicotina canvia l'estructura dels filaments d'actina del citoesquelet cel·lular, fet que aparentment facilita el pas de patògens com ara l'E. coli cap al cervell.

En animals, la nicotina dificulta molt el pas de certs compostos de difusió limitada, com la metillicaconitina (antagonista de la nicotina), que s'uneix al receptor nicotínic per a l'acetilcolina (nAChR), al qual se li atribueix la virtut d'afavorir l'abstinencia de nicotina.

Elements no nicotínics del fum del tabac, pertanyents a la família d'espècies reactives de l'oxigen o a la d'espècies reactives del nitrogen (peròxid d'hidrogen, epòxids, monòxid nítric, diòxid de nitrogen, peròxinitrit) i presents al quitrà i a la fase gasosa, danyen les cèl·lules endotelials de la barrera i trenquen la integritat d’aquesta, tant per la seva acció oxidant com pel seu efecte pro-inflamatori. Dits danys també es produeixen per l’acció del fum de cigarrets baixos en nicotina i nitrosamina i per la del fum de cigarrets sense tabac.

S'està treballant en el desenvolupament d'una vacuna basada en una immunoglobulina G amb la qual s'estimularien els anticossos que s'uneixen específicament a la nicotina, i que, per tant, impedirien el seu pas a través de la barrera hematoencefàlica. Per millorar l’eficàcia d’aquest tipus de vacunes s’estan avaluant diferents mecanismes, com enllaçar haptens nicotínics a proteïnes transportadores o a vectors virals.

Ones electromagnètiques (telèfons mòbils)

Són ben coneguts els efectes adversos per a la salut de la radiació electromagnètica ocasionats per les freqüències de MHz a GHz d'alta densitat d'energia. Són la base del funcionament del forn de microones. No obstant això, els efectes d'aquesta radiació amb una densitat molt menor -tal com la utilitzada a la telefonia mòbil o les aplicacions multimèdia-, són controvertits. Els efectes específics sobre la barrera hematoencefàlica són encara una àrea sense evidències concloents.

Amb una alta densitat d'energia de radiació electromagnètica, s'observa un escalfament significatiu dels teixits corporals. En el crani, l'escalfament global podria afectar la barrera hematoencefàlica i fer-la més permeable. Experimentalment, s'ha apreciat aquest efecte en animals, després de patir cremades perifèriques importants. En el terreny de la telefonia, el telèfon mòbil provoca un escalfament del cervell de fins a 0,1 K. (amb 15 minuts de conversa a màxima potència de transmissió). Un bany calent o un treball físic esgotador poden escalfar encara més el cervell, sense lesionar-lo. Diversos estudis, des de principis dels anys 90, en particular els del grup del neurocirurgià suec Leif G. Salford de la universitat de Lund, han obtingut resultats que indiquen una obertura de la barrera hematoencefàlica davant de freqüències GSM a nivells no tèrmics. Altres grups de treball no han aconseguit confirmar els resultats de Salford, qüestionant alguns el mètode d'estudi emprat.

Retardants de flama

Diferents equips científics, entre ells del ICRA, han demostrat la capacitat d'alguns retardants de flama emergents de travessar la barrera hematoencefàlica dels dofins. Actualment, encara no estan clars els possibles efectes nocius d'aquestes substàncies, en particular, sobre la barrera hematoencefàlica i els sistema nerviós de vertebrats superiors com els humans. S'ha comprovat que compostos amb propietats retardadores del foc (ja prohibits al nostre entorn), com els clàssics bifenils policlorats, alteren greument la barrera i faciliten el desenvolupament de metastases cerebrals.

Cristall de "meth".

Metamfetamina

El clorhidrat de metamfetamina o meth (abreviació de N-methyl-alpha-methylphenethylamine) és una substància estimulant molt addictiva que pertany al grup de les denominades drogues de síntesi. A causa del seu baix pes molecular i la seva lipofília travessa amb molta facilitat la barrera hematoencefàlica. A més dels canvis inherents a la hipertèrmia que provoca, la metamfetamina ocasiona un fort estrès oxidatiu que trenca la barrera per activació de les metal·loproteinases (que degraden la matriu extracel·lular), danya els astròcits i les cèl·lules endotelials a nivell mitocondrial i modifica significativament l'homeòstasi cerebral. Paradoxalment, la transitorietat de certes disfuncions degudes a la meth podria ser aprofitada per lliurar compostos quimioteràpics en el sistema nerviós central. La forma com la meth altera les molècules de miR-143 (uns MicroARNs) pot ser útil per desenvolupar noves tècniques de reparació de la BHE.

Diagnòstic en medicina humana

Ressonància magnètica amb contrast

El Gd-DTPA no pot passar una barrera hematoencefàlica sana, ja què és molt hidrofila

RM coronal amb 20 ml de Gd-DTPA sobre un glioblastoma. L'àmbit del tumor esdevé visible per l'entrada de l'agent de contrast a través de la part lesionada de la barrera hematoencefàlica de l'hemisferi cerebral dret (regions clares, a la part esquerra)

Mateix pacient amb una vista sagital del cervell

El primer agent de contrast desenvolupat per a la RM va ser el gadolini (Gd). A causa de la seva toxicitat, ha de ser embolcallat (quelació) amb una molècula de DTPA (en anglès: Diethylene Triamine Pentaacetic Acid). Així es va obtenir el Gd-DTPA el 1984, que tenia el potencial d'obtenir ressonàncies magnètiques reforçades, amb adequats nivells de sensibilitat i especificitat per al diagnòstic de lesions locals en la barrera hematoencefàlica. La molècula de Gd-DTPA és molt polar i -en consecuència- massa hidròfila per a poder creuar una barrera hematoencefàlica sana. Les modificacions de les unions estretes, com poden ser les causades per un glioblastoma, permeten el transport paracel·lular del mitjà de contrast en el teixit cerebral. Una vegada aquí, el contrast s'enforteix per la seva interactió amb els protons de l'aigua circumdant, fent possible l'avaluació dels defectes de la barrera hematoencefàlica. Atès que són els vasos responsables d'alimentar el tumor els que es veuen afectats per raó de la seva proximitat immediata, es pot apreciar l'extensió tumoral.

Mitjançant la determinació del temps de relaxació en la RM es pot quantificar la quantitat de Gd-DTPA en el teixit cerebral.

En cas d'un accident cerebrovascular agut, el dany a la barrera hematoencefàlica pot ser diagnosticat igualment amb una RM millorada amb un agent de contrast. Una variant d'aquest mètode, anomenada en anglès DCE-MRI (Dynamic Contrast-enhanced Magnetic Resonance Imaging) és molt útil per l'estudi de les subtils alteracions de la BHE, com les relacionades amb el accident isquèmic transitori cerebral, inclús del tipus silent. Aquesta tècnica permet apreciar també els canvis en la BHE provocats experimentalment per refredament focal de zones cerebrals.

Altres mètodes d'imatgeria

Gràcies a l'ús de traçadors marcats amb un element radioactiu, que normalment no passen a través de la barrera hematoencefàlica, també es poden dur a terme investigacions sobre el seu funcionament en els humans. Les tècniques a emprar poden ser la tomografia computada per emissió de fotó simple o Single Photon Emission Computed Tomography (SPECT), o bé la tomografia per emissió de positrons o Positron Emission Tomography (PET), en anglès, abans comentada.

Per exemple, en pacients que pateixen un accident cerebrovascular agut es pot demostrar i mesurar un augment en la captació de ^99mTc quelatat per l'hexa-metil-propilè-amina-oxima (HMPAO), substància coneguda com a exametazina de tecneci.

A través d'una tomografia computada, també és possible quantificar els defectes de la barrera hematoencefàlica mitjançant la difusió de líquids de contrast apropiats fora dels capil·lars.

Història del descobriment de la barrera hematoencefàlica

Max Lewandowsky

La primera prova de l'existència de la barrera hematoencefàlica l'obtingué el químic alemany Paul Ehrlich. El 1885, va descobrir que després de la injecció de colorants vitals solubles en aigua -com el blau de metilé- en el torrent sanguini de rates, tots els seus òrgans s'havien acolorit, excepte el cervell i la medul·la espinal.

El 1904, Ehrlich va arribar a una conclusió falsa, pensant que la causa d'aquest descobriment era una baixa afinitat del teixit cerebral pel contrast injectat.

El 1909, Edwin Goldmann, un excol·laborador de Paul Ehrlich, va injectar per via intravenosa un tint sintetitzat cinc anys abans per Ehrlich, el blau de tripan -un colorant azoic-, partint dels primers experiments de Franke. Llavors es va observar que els plexes coroides, a diferència del teixit cerebral que els envolta, s'acolorien intensament. El 1913, va injectar la substància directament en el líquid cefaloraquidi de gossos i conills. Goldmann va concloure que el líquid cefaloraquidi i els plexes coroides tenien una funció important en el transport de nutrients en el sistema nerviós central. A més, va sospitar que existia una barrera contra les substàncies neurotòxiques.

El 1898, Arthur Biedl i Rudolf Kraus varen dur a terme experiments amb l'àcid gàl·lic. Aquest compost va resultar no tòxic administrat en la circulació general. Però la seva injecció en el cervell era neurotòxica, amb reaccions adverses que podien conduir al coma.

El 1900, Max Lewandowsky va fer servir en experiments similars, el ferrocianur de potassi i va arribar a conclusions semblants a les de Biedl i Kraus. Lewandowsky va encunyar en aquesta ocasió i per primera vegada, el concepte de "barrera hematoencefàlica".

Charles Smart Roy i Charles Scott Sherrington en 1893 a Cambridge

El 1890, Charles Smart Roy i el futur Premi Nobel de Medicina, Charles Scott Sherrington, varen teoritzar que el cervell tenia un mecanisme intern per a fer coincidir el reg vascular amb les variacions locals de l'activitat:

«

El cervell té un mecanisme intrínsec pel qual el subministrament vascular pot variar localment en correspondència amb les variacions locals de l'activitat funcional.

»

Lina Stern (26 d'agost de 1878 - 7 de març de 1968), la primera dona membre de l'Acadèmia de Ciències de Rússia, va fer destacables contribucions a la investigació sobre la barrera hematoencefàlica, anomenada com a tal per ella l'any 1921.

La diferència entre la barrera hematoencefàlica i la barrera sang-líquid cefaloraquidi va ser apreciada en 1930 per Friedrich Karl Walter i Hugo Spatz. Van proposar que el flux de líquid cefaloraquidi era per si mateix insuficient per garantir l'intercanvi de gasos en el sistema nerviós central.

Si bé els experiments de Goldmann i Ehrlich havien apuntat cap a la presència d'una barrera entre la circulació sanguínia i el sistema nerviós central, no fou fins a la dècada dels anys 60 del segle XX que es dissiparen els darrers dubtes sobre la seva existència. Un punt feble dels experiments de Goldmann era perquè la sang i el líquid cefalorraquidi -els dos líquids en els quals havia injectat els colorants- tenen diferències considerables, fet que podria haver influït sobre el comportament de la difusió del colorant i l'afinitat pel teixit nerviós. La comprensió d'aquest punt encara es va tornar més difícil en constatar experimentalment que els colorants azoics bàsics acolorien el teixit nerviós -travessant per tant la barrera-, mentre que els colorants àcids no la podien creuar. Ulrich Friedemann va proposar l'any 1942 que les propietats electroquímiques dels colorants eren les responsables d'aquest fenomen: els capil·lars cerebrals eren permeables a les substàncies neutres o de pH superior al de la sang, i impermeables a les altres.

Aquesta hipòtesi es va demostrar insuficient quan, posteriorment, varen fer-se assaigs sobre la capacitat de penetració de la barrera d'un gran nombre de substàncies. Els models d'explicació més recents han introduït i sotmès a discussió tota una sèrie de nous paràmetres: la massa molar, la grandària de la molècula, les afinitats d'enllaç, les constants de dissociació, el caràcter lipòfil, la càrrega elèctrica, i les seves diverses combinacions.

La comprensió actual de l'estructura bàsica de la barrera hematoencefàlica es fonamenta en l'observació amb microscopi electrònic de cervells de ratolins, feta a la fi dels anys 60. Thomas S. Reese i Morris J. Karnovsky van injectar per via intravenosa peroxidasa de rave rusticà (en anglès: horseradish peroxidase o HRP), als seus animals d'experimentació. Només van trobar l'enzim, utilitzant el microscopi electrònic, dintre de la llum dels capil·lars i dintre de les vesícules micropinocitaries de les cèl·lules endotelials. A l'exterior dels endotelis, dintre de la matriu extracel·lular, no van trobar peroxidasa. Van concloure que les unions estretes entre les cèl·lules endotelials eren les que impedien el pas de l'enzim cap al cervell.

El 1981, Stewart i Wiley, experimentant amb embrions quimèrics d'aus, demostraren que la formació de les unions estretes estava induïda per algun factor en el teixit nerviós del cervell en desenvolupament.

Al començament del segle XXI, un equip de recerca alemany, encapçalat per Rolf Dermietzel, va deixar palès el paper essencial dels perícits i dels astròcits en la funcionalitat de la barrera.. Redzic, també a principis del present segle, va determinar les diferències i semblances biomoleculars entre la BHE i la barrera hemato-LCR.

Darreres investigacions

El 2015, investigadors de l'IRB -amb la participació de científics del Institute for Stroke and Dementia Research de Munic i del Instituto de Nanociencia de Aragón- han publicat els seus treballs sobre el desenvolupament d'una petita proteïna (un pèptid de 12 aminoàcids) capaç de travessar la barrera i resistir les proteases (enzims que trenquen les proteïnes quan intenten creuar la barrera). Van modificar el pèptid -ja conegut- i el van unir a la transferrina, una proteïna que transporta el ferro que el cervell necessita i que travessa la barrera gràcies a receptors específics. Per verificar els seus experiments, fets en ratolins, van unir la molècula "llançadora" a una nanopartícula fluorescent, comprobant per mitjà de tècniques de neuroimatge que creuava la barrera hematoencefàlica. Aquest descobriment obre la porta a afegir eficaçment a dita "llançadora" diferents substàncies adients per tractar malalties neurodegeneratives o tumors. Per exemple s'està treballant a unir-la a un anticòs terapèutic per combatre el glioblastoma.

Un grup de recerca de l’IRB –coordinat pel Prof. Ernest Giralt- ha demostrat la capacitat d’alguns pèptids presents en el verí d’abelles i vespes per creuar la barrera hematoencefàlica i treballa en el seu ús potencial com a transportadors de fàrmacs, amb resultats in vivo molt prometedors. Un peptidomimètic cíclic en particular (MiniAp-4), derivat de l'apitoxina apamina, presenta una gran capacitat per travessar la barrera sense la neurotoxicitat de la substància original.

Científics del Centro de Biología Molecular Severo Ochoa–CSIC i de l’IRB desenvolupen conjuntament un projecte de teràpia gènica per a l'atàxia de Friedreich, consistent en creuar la barrera i introduir al nucli de les cèl·lules nervioses vectors –virals i no virals- amb còpies correctes del gen codificador de la proteïna frataxina, recoberts per pèptids “llançadora”, amb l’objectiu de normalitzar els nivells de frataxina i detenir els símptomes neurodegeneratius.

Els tumors de cèl·lules glials–que tenen una baixa taxa de supervivència-, són actualment l’objectiu de moltes línies de recerca orientades a rodejar, obrir o traspassar la barrera hematoencefàlica.

Els possibles efectes a nivell molecular d'obrir la barrera amb la tècnica d'ultrasons focalitzats i microbombolles, són motiu a hores d'ara d'estudis molt detallats.

Experiments in vitro i in vivo han posat de manifest la capacitat dels nanotubs de carboni de travessar la barrera, passiva i activament. Això fa que se’ls consideri bons nanotransportadors potencials de substàncies terapèutiques. Fins a la data, no s’ha demostrat la posible toxicitat dels nanotubs de carboni sobre el teixit nerviós. Aquests nanotubs especialment dissenyats, anomenats f-MWNTs (en anglès: functionalized Multiwalled Carbon Nanotubes), podrien tenir aplicació clínica en el tractament dels gliomes.

Les nanopartícules mesopopores de silici han demostrat, també in vitro i in vivo, que poden travessar sense efectes indesitjats la barrera hematoencefàlica per la via del transport transcel·lular, fet que fa que siguin valorades com bones plataformes per portar fàrmacs dintre del cervell. L'ús de liposomes modificats com transportadors de substàncies, per la seva potencial capacitat de creuar la BHE, és una estratègia encara per desenvolupar amb eficàcia que podria ser important en el tractament de diferents malalties cerebrals.

Una altra línea de recerca és la utilització de nanopartícules electro-magnètiques (carregades de força electromagnètica i biocompatibles) per superar la barrera i lliurar els fàrmacs desitjats. S'ha comprovat in vitro la capacitat d'aquest tipus de nanopartícules, controlades remotament, per transportar compostos antiretrovirals.

Estudis in vitro indiquen que derivats del grafè podrien ser vehicles útils per creuar, de forma transitòria, la BHE.

L'ús de tècniques amb làser hipertèrmic (en anglès: Laser Interstitial Thermal Therapy o LITT) s'ha demostrat eficaç per tractar certs tumors cerebrals, aconseguint trencar temporalment la BHE peritumoral, fet que fa contemplar el procediment com una possible via quirúrgica poc invasiva per transportar fàrmacs.

Investigadors de la Universitat de Cambridge han publicat treballs in vitro sobre els transportadors iònics presents a les cèl·lules endotelials de la barrera hematoencefàlica, la diferent permeabilitat de la mateixa als fluids segons el gradient osmòtic i la funció dels peus astrocítics, que ajuden a una millor comprensió del seu funcionament en detall.

Bibliografia

A Wikimedia Commons hi ha contingut multimèdia relatiu a: Barrera hematoencefàlica

• Ross, Michael H.; Pawlina, Wojciech. Histología (en castellà). Ed. Médica Panamericana, 2007. ISBN 9789500604352 [Consulta: 22 febrer 2015]. 
• Pardridge, William M. Introduction to the Blood-Brain Barrier. Methodology, Biology and Pathology (en anglès). Ed. Cambridge University Press, 1998. ISBN 9780521581240 [Consulta: 19 maig 2015]. 
• De Vries, Elga; Prat, Alexandre. The Blood-Brain Barrier and Its Microenvironment: Basic Physiology to Neurological Disease (en anglès). Taylor & Francis, 2005. ISBN 9780849398926 [Consulta: 26 maig 2015]. 
• Bradbury, Michael; Begley, David; Kreuter, Jorg. The Blood-Brain Barrier and Drug Delivery to the CNS (en anglès). CRC Press, 2000. ISBN 9780824703943 [Consulta: 27 maig 2015]. 
• Dorovini-Zis, Katerina. The Blood-Brain Barrier in Health and Disease, Volume One: Morphology, Biology and Immune Function (en anglès). CRC Press, Taylor & Francis Group, 2015 Jun. ISBN 9781498727051 [Consulta: 27 agost 2015]. 
• Dorovini-Zis, Katerina. The Blood-Brain Barrier in Health and Disease, Volume Two: Pathophysiology and Pathology (en anglès). CRC Press, Taylor & Francis Group, 2015 Oct. ISBN 9781498727082 [Consulta: 27 agost 2015]. 

Enllaços externs

• Blood Brain Barrier. Portuguese Biochemical Society (en anglès)
• Seminar: In vitro approaches to the blood-brain barrier (Dr. Vincent Berezowski). 2012 (en anglès)
• The Blood-Brain Barrier. (Prof. William Banks) Saint Louis University School of Medicine. 2009 (en anglès)
• Web de l'Institut Català de Nanociència y Nanotecnología (ICN2). (en català, anglès i castellà)
• SENS5-Trans blood-brain barrier exosomes. (Dr. Matthew Wood. University of Oxford) SENS Foundation. 2011. (en anglès)