Изучение гематоэнцефалического барьера поможет в борьбе с раком

// // Научно-популярные материалы //

Представление о гематоэнцефалическом барьере как о живом изменчивом органе может способствовать прогрессу в лечении таких заболеваний, как рак и болезнь Альцгеймера.

Основные положения:

  • Более века ученые верили, что гематоэнцефалический барьер — непроницаемая, нерушимая стена. На самом деле он образован обычными кровеносными сосудами с необычным свойством: клетки, выстилающие их, соединены друг с другом настолько плотно, что пропускают в мозг ограниченное количество веществ.
  • Гематоэнцефалический барьер — жизненно важный орган, в котором клетки активно взаимодействуют друг с другом и решают, какие молекулы пропустить, а какие нет. Оказывается, сквозь барьер может проходить гораздо больше веществ, чем считалось ранее.
  • Термин «нервно-сосудистый блок» отражает новое представление о работе гематоэнцефалического барьера.
  • Многие ученые уверены, что, поняв, как открывается и закрывается этот барьер, они найдут ключ к лечению большого количества заболеваний.

В конце XIX в. во время проведения одного из своих знаменитых экспериментов с окрашиванием тканей, благодаря которым он открыл лекарство от сифилиса и стал обладателем Нобелевской премии, Пауль Эрлих столкнулся с загадкой, которая сохранила свою актуальность и сегодня. Когда он ввел краситель в кровоток мыши, краситель прошел во все органы кроме мозга. Почки, печень и сердце целиком и полностью окрасились в темно-пурпурный цвет, но мозг оставался бледно-желтым. Его ученик ввел тот же краситель напрямую в мозг и получил обратную картину: мозг стал синим, а другие органы цвет не поменяли. Тогда решили, что между мозгом и кровью должен существовать барьер. Потребовались около полувека и микроскоп в 5 тыс. раз мощнее того, который был у Эрлиха, чтобы определить, что этот барьер расположен в стенках кровеносных сосудов мозга. В среднем в мозге человека около 650 км таких сосудов. Они изгибаются и извиваются в бесконечном множестве запутанных петель, оплетая в итоге все 100 млрд нейронов. Стенки всех этих сосудов устланы эндотелиальными клетками. Разумеется, такие клетки выстилают внутреннюю поверхность всех кровеносных сосудов в теле человека, но в сосудах мозга они соединены друг с другом гораздо плотнее, чем в остальных частях тела, что объясняет, почему ни красители Эрлиха, ни многие лекарства не попадают из кровеносной системы в мозг.

Но задолго до того, как этот барьер удалось увидеть, врачи знали о его существовании и избегали его трогать. «Мы длительное время считали, что он похож на кирпичную стену, — говорит биолог Лестер Дрюс (Lester Drewes) из Миннесотского университета, специалист по сосудам и гематоэнцефалическому барьеру. — И все думали, что так и нужно и что не стоит туда лезть».

Времена изменились. Ученым известно, что в этой стене идут активные процессы. Клетки с обеих сторон барьера непрерывно взаимодействуют и влияют друг на друга. Широкий спектр каналов в мембране эндотелия регулирует транспортировку, задерживает одни вещества и пропускает другие. Даже белые кровяные клетки, о которых 
 заболеваний, состоящий из клеток разных типов, в том числе таких, которые окружают сосуды. Благодаря революции в микроскопии его удалось увидеть четче и подробнее, чем когда-либо ранее.

Дыры в барьерах

В Рочестерском университете Майкен Недергард (Maiken Nedergaard) при помощи двухфотонного лазерного микроскопа наблюдает потрясающую картину, которую Эрлих даже представить себе не мог. Еще бы, ведь она смотрит на мозг живой мыши. Недергард удалила кусочек черепа, ввела краситель в кровоток и сейчас наблюдает работу гематоэнцефалического барьера в реальном времени: отдельные клетки выходят из кровотока сквозь капиллярные стенки, состоящие из однослойного эндотелия. Это ошеломляющее зрелище, особенно если учесть, каким непроницаемым считался барьер 20 лет назад, когда Недергард еще только начинала работать. До появления двухфотонного микроскопа— современного способа визуализации, позволяющего рассмотреть верхние 300 мкм коры, — исследователи не могли продвинуться принципиально дальше Эрлиха: они изучали мертвую ткань в виде обычных срезов для микроскопии. По мнению Майкен Недергард, эксперименты такого рода мало что могли сказать о реальной работе гематоэнцефалического барьера. Дело в том, что для нормального функционирования барьера и мозга необходим постоянный ток крови, причем ученые даже и не подозревали, насколько это важно.

Например, в недавних экспериментах Недергард с коллегами показали, что при стимуляции определенной группы нейронов увеличивается диаметр ближайших кровеносных сосудов, чтобы доставить больше крови и питательных веществ к нейронам в тот момент, когда они начинают испускать разряды. Если стимуляцию снизить, сосуды сжимаются и доставка питательных веществ уменьшается. Дрюс говорит, что эта система весьма динамична.

Она еще и чрезвычайно сложна. Капилляры оплетены астроцитами и перицитами — клетками, которые окружают всю сосудистую систему и облегчают взаимодействие крови, эндотелия и нейронов. Эти клетки в свою очередь окружены другими клетками. Среди них Недергард больше всего заинтересовали клетки микроглии, макрофаги центральной нервной системы, выполняющие защитную функцию. Микроглия патрулирует головной и спинной мозг в поисках поврежденных клеток или инфекционных агентов и поглощает их. Ненормальная активность микроглии играет роль в развитии многих нейродегенеративных заболеваний, начиная от болезни Альцгеймера и заканчивая болезнью Паркинсона. И Недергард считает, что это каким-то образом связано с нарушением защитных функций гематоэнцефалического барьера.
Исследовательница предполагает, что утрата клеток эндотелия (их гибель по естественным причинам и при травмах), приводит к тому, что барьер временно приоткрывается и соседние клетки не могут закрыть его.

Как это работает

Гематоэнцефалический барьер одновременно защищает мозг от многих вредных веществ и не пропускает при этом те, которые могут быть жизненно важными. Введение лекарств в мозг для лечения опухоли или тестирования средства от болезни Паркинсона — старая медицинская проблема. Сейчас исследователи экспериментируют с набором перспективных методов, которые могли бы сделать возможным то, о чем раньше нельзя было мечтать: ненадолго аккуратно приоткрыть проход для лекарства.

Барьер образован эндотелиальными клетками, выстилающими стенки кровеносных сосудов. В мозге эти клетки сцеплены между собой очень крепко с помощью плотных соединений. Их окружают астроциты и перициты, клетки, которые оплетают кровеносную систему и способствуют передаче сигналов, и микро- глия, которая участвует в починке повреждений.

Раньше нейробиологи думали, что очень опасно пытаться что-то делать с гематоэнцефалическим барьером. Сейчас, чтобы ввести лекарства в мозг, они используют катетеры, пузырьки газа, ультразвук и даже прием, названный в честь знаменитого маневра времен Троянской войны.

Некоторые растворы, такие как, например, раствор маннитола, могут поглощать воду из окружающих тканей. Когда врачи вводят маннитол в сонную артерию, он высасывает воду из клеток эндотелия и клетки сморщиваются. При этом нарушаются плотные контакты между клетками и лекарства могут проскользнуть внутрь.

Врачи вводят тонкий катетер по кровеносным сосудам в мозг и используют маннитол,чтобы сделать проницаемым небольшой участок барьера рядом с тем местом, где планируется лечение. Потом через этот же катетер вводится лекарство. Такая методика уже используется для введения антикоагулянта при инсульте.

Газировка в кровотоке? Врач вводит пациенту физраствор с микроскопическими пузырьками газа. Когда они доходят до мозга, сфокусированный ультразвуковой луч вызывает их вибрацию в определенном месте, гематоэнцефалический барьер приоткрывается и лекарства проникают в мозг.

Название указывает на то, что лекарство спрятано внутри другого вещества, но на самом деле его, как вагон, цепляют к другой молекуле, которая естественным способом проходит сквозь гематоэнцефалический барьер. Корпорация Genentech показала, что этот метод работает на мышах, но пройдет еще несколько лет, прежде чем будут проведены испытания на людях.достаточно быстро, т.к. соединены друг с другом очень плотными контактами. Это значит, что в здоровом мозге закрывать образовавшиеся бреши должны какие-то другие клетки. В одной серии экспериментов Недергард с помощью лазера порвала капилляр в мозге живой мыши. За 10-20 минут клетки микроглии полностью окружили поврежденную область. Исследовательница говорит: «Они зачехлили капилляр с потрясающей скоростью. Это очень красивое зрелище».
В настоящий момент ее группа пытается разобраться, действительно ли клетки микроглии составляют первую линию защиты и функционируют как аварийная бригада, которая временно закрывает барьер, пока не восстановится поврежденный эндотелиальный слой. Майкен Недергард рассказывает: «Можно предположить, что если клетки микроглии не работают должным образом, заткнуть маленькие "дырки" быстро не удается и нейроны гибнут». Это всего лишь одна из многих гипотез, проверкой которых занимаются ученые, пытаясь разобраться в том, какую роль играет гематоэнцефалический барьер при возникновении заболевания. В Амстердамском университете исследователи эпилепсии обнаружили, что искусственное нарушение гематоэнцефалического барьера у крыс стабильно увеличивает у них число припадков, и чем сильнее нарушен барьер, тем больше шансов, что у животного разовьется височная эпилепсия.

Возьмем для примера рассеянный склероз, болезнь, при которой могут наблюдаться приступы изнурительной мышечной боли, онемение и проблемы со зрением. С давних пор врачам известно, что это заболевание возникает из- за разрушения миелиновых оболочек, которые покрывают и изолируют аксоны нейронов («провода», передающие сигнал), подобно резиновым оболочкам телефонных проводов. Но почему происходит разрушение миелина и чем это вызвано, оставалось не ясно. Все больше МРТ-исследований свидетельствуют о связи повреждения гематоэнцефалического барьера с разрушением миелина: большое число белых кровяных клеток проникает в мозг и атакует миелин. Ученые, основываясь на результатах нескольких новых исследований, предполагают, что активные формы кислорода могут повреждать барьер, фактически окисляя его, и что антиоксиданты, блокирующие активные молекулы, могут быть использованы для стабилизации барьера. «Обычно рассеянный склероз считают аутоиммунным заболеванием, — отмечает Дрюс, — но мы начали рассматривать его как заболевание гематоэнцефалического барьера».

То же самое можно сказать и об эпилепсии. Уже некоторое время врачи и ученые знают, что эпилептические приступы сопровождаются временным нарушением гематоэнцефалического барьера, но до настоящего времени считалось, что это нарушение — следствие припадка, а не причина. Но сейчас на этот счет появилось другое мнение. В Амстердамском университете исследователи эпилепсии обнаружили, что искусственное нарушение гематоэнцефалического барьера у крыс стабильно увеличивает у них число припадков, и чем сильнее нарушен барьер, тем больше шансов, что у животного разовьется височная эпилепсия. Проводимые в Кливлендской клинике эксперименты на свиньях и наблюдения над людьми тоже показали, что припадок возникает после, а не до нарушения барьера. Другие исследователи обнаружили два барьерных белка, нарушение в работе которых может играть роль в развитии болезни Альцгеймера. Один из них (RAGE)участвует в транспорте бета-амилоида из кровотока в мозг; другой (LRP1) удаляет его. Если равновесие между ними нарушено, внутрь поступает слишком много бета-амилоида (или удаляется слишком мало) и тогда возникают характерные для болезни Альцгеймера сенильные бляшки. Хотя до клинического применения этого открытия еще далеко, возникает по крайней мере некоторая надежда. В экспериментах на мышах исследователям удалось предотвратить повышение содержания бета-амилоида, заблокировав действие гена, увеличивающего содержание RAGE в эндотелиальных клетках. Есть вероятность, что RAGE-n одав л я ющие лекарственные средства (которые сейчас разрабатываются) дадут такой же эффект у людей.

Конечно, затыкание щелей в барьере — только половина дела. Другое дело — научиться аккуратно его приоткрывать, чтобы нужные лекарства могли проникнуть внутрь. Пока врачи нашли один проверенный способ сделать это, но уже ведутся работы по поиску максимально возможного количества путей.

Сезам, откройся

Несмотря на то что сам гематоэнцефалический барьер — сложная структура, обмен между кровяным руслом и мозгом регулируется чрезвычайно простым набором правил. Чтобы пройти, молекула должна быть меньше 500 килодальтон (как большинство антидепрессантов, нейролептиков и снотворных средств) или уметь использовать естественные ворота в барьере (как лекарство от болезни Паркинсона L-дофа), или быть липофильной, т.е. иметь сродство с жирами, и проскользнуть внутрь, связавшись слипидной мембраной (как алкоголь, кокаин и героин). По многочисленным оценкам, 98% лекарств не соответствуют этому критерию, т.е. не проходят через барьер либо проникают в таких мизерных количествах, что их концентрации не позволяют достичь терапевтического эффекта. Предыдущие попытки воспользоваться естественными механизмами были неудачными. Например, повышение жирорастворимости лекарств позволяет им достаточно легко преодолевать гематоэнцефалический барьер, но, как вскоре выяснилось, эта стратегия имеет и свою обратную сторону. Некоторые препараты, проникнув внутрь, быстро выводились обратно, другие залипали в мембране и не могли начать работать. В то же время все они попадали и в другие органы тела с опасным отсутствием избирательности.

30 лет назад врач Эдвард Нойвельт (Edward A. Neuwelt) пошел другим путем. Будучи нейрохирургом и руководителем программы "Гематоэнцефалический барьер" в Орегонском университете здравоохранения и науки, он создал первую хирургическую методику нарушения барьера. Сначала он вводит раствор маннитола в артерию, идущую в мозг. Маннитол повышает осмотическое давление, т.к. в нем содержится значительно больше растворенного вещества, чем в клетках эндотелия в мозге, поэтому вода из клеток вытягивается и они сморщиваются подобно тому, как сморщивается кожа на пальцах, которые продержали в воде слишком долго. Сморщивание разрывает плотные контакты, образуя щели, достаточные для проникновения лекарства (введенного в ту же артерию). В промежутке между 40 минутами и двумя часами после процедуры эндотелиальные клетки возвращаются к своему прежнему размеру, образуют плотные контакты и барьер закрывается.

На протяжении примерно двух десятилетий Нойвельт использовал этот метод для взлома гематоэнцефалического барьера у пациентов с опухолью мозга, предполагая, что опухоль отреагирует на химиотерапию, если удастся доставить лекарство внутрь мозга. Одним из таких пациентов была Джоани Лафферти (Joanie Lafferty), мать троих детей, у которой в 2007 г. нашли лимфому центральной нервной системы (рак, который начинается в лимфатической системе и распространяется в мозг). Доктора обещали ей примерно месяц жизни. Когда она впервые приехала в Орегонский университет здравоохранения и науки, через две недели после первой биопсии мозга, правая сторона ее тела была парализована. Ее страховая компания предостерегала ее против процедуры, которая, по их словам, была еще на экспериментальной стадии и могла вызвать инсульт, непрекращающуюся эпилепсию или еще что-нибудь похуже. Но терять ей было уже нечего.

Она рассказывает: «Это был единственный вариант. И я хотела жить». Всего через несколько недель после постановки диагноза Лафферти позволила Нойвельту с коллегами ввести ей катетер в левую сонную артерию. Катетер использовали для инъецирования гиперосмотического раствора маннитола, а за ним быстро вводили раствор химиотерапевтического мето- трексата. На следующий день процедуру повторили, используя правую сонную артерию. Месяц спустя, а затем ежемесячно в течение года процедуру проводили вновь: сначала через левую артерию, потом через правую, с помощью маннитола приоткрывали гематоэнцефалический барьер, так что метотрексат мог пройти и атаковать опухоль. К концу второго курса лечения пациентка смогла выйти из больницы на своих двоих, а не в инвалидном кресле. Спустя два месяца болезнь полностью затухла. И вот уже пять лет все в порядке.
Выживаемость среди пациентов Нойвельта, которым меньше 60 лет, в среднем составляет 13-14 лет, и когнитивные способности у них сохраняются значительно лучше по сравнению с больными, прошедшими через стандартную лучевую терапию. Конечно, не все лекарства от рака можно провести сквозь барьер и не все опухоли мозга можно вылечить таким способом. К настоящему времени лишь небольшое число лекарств прошли испытания, в ходе которых была доказана безопасность такого способа введения. Поскольку при этой методике маннитол из сонной артерии попадает во все сосуды мозга, барьер открывается во многих местах и возникает опасность отека, проникновения инфекции и отравления.

В то время как группа Нойвельта работает над улучшением своей методики и расширением возможностей ее применения, другие врачи ищут альтернативные пути. Одно из наиболее многообещающих направлений — прямая установка микрокатетера. При этом подходе, как и при разрушающей барьер методике Нойвельта, катетер вводят в кровеносные сосуды и с помощью маннитола приоткрывают барьер. Но катетер вводят не в сонную артерию, а проводят по сосудам мозга выше и раскрывают маленький участок барьера непосредственно рядом с пораженной областью. «Это узконаправленное воздействие», — поясняет Джон Буквар (John Boockvar), нейрохирург, руководящий клиническими испытаниями в Медицинском колледже Корнелла Нью-Йоркского пресвитерианского госпиталя.

Пока не ясно, достоинство ли это или недостаток. С одной стороны, если открыть небольшой участок барьера, это снижает риск отека и возникновения припадков, не говоря уж о том, что гораздо меньший объем нервной ткани подвергнется токсичной химиотерапии. С другой стороны, Нойвельт обращает внимание на то, что такое местное воздействие неудобно, если надо лечить заболевание, поразившее весь мозг, например рак или последнюю стадию болезни Альцгеймера. Он говорит, что с помощью микрокатетера можно воздействовать только на ту опухоль, которую уже обнаружили, но при онкологических заболеваниях могут быть незаметные пораженные участки, которые в итоге убьют пациента.

Микрокатетер уже регулярно используют для введения антикоагулянтов при инсульте; сейчас Буквар с коллегами проверяют его эффективность для инъецирования некоторых противоопухолевых лекарств. Они говорят, что в конечном счете эту методику можно будет использовать для лечения болезней Альцгеймера и Паркинсона, или, теоретически, любых заболеваний мозга, если для них существуют лекарственные препараты, которые надо провести через барьер. Другой способ открыть барьер — с помощью фокусированного ультразвука и микропузырьков газа. Исследователи вводят физраствор с микроскопическими пузырьками в кровяное русло. Затем с помощью сфокусированного ультразвукового луча они создают вибрацию пузырьков, и таким образом вскрывают в определенном месте плотные клеточные соединения. После этого лекарства, которые тоже были введены в кровоток, могут проникнуть в мозг. Через некоторое время плотные клеточные соединения восстанавливаются и барьер закрывается. Ученые из Гарвардского и Колумбийского университетов и других институтов развивают это направление. Показано, что данная методика безопасна для обезьян, скоро должны начаться испытания на людях.

Конечно, открыть барьер — не единственный способ ввести лекарства внутрь. Можно транспортировать их через проходы в барьере, прикрепив лекарство к веществам, которые проходят естественным образом. Ученые, разрабатывающие такие средства, называют их «троянскими конями», что не совсем верно. Препарат не прячут внутрь, а прицепляют к концу молекулы, как вагончик. И в некоторых случаях такая методика работает. Так, «троянский конь», разработанный корпорацией Genentech, уменьшил на 47% число сенильных бляшек у грызунов. Это лекарство проникает через барьер в мозг с помощью тех же рецепторов, что и железо. Похожие лекарства (не только от болезни Альцгеймера, но и от других нейродегенеративных заболеваний) разрабатывают в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе и в других местах, и все они постепенно приближаются к общей цели: возможности испытания на людях.

Начало и конец

Тем временем знание о важности гематоэнцефалического барьера быстро переходит от исследования заболеваний к пониманию фундаментальных процессов развития и старения — начала и конца жизни. Эксперименты 1920-х гг. показали, что при рождении барьер недоразвит, и у специалистов по биологии развития эта точка зрения сохранялась до нынешнего дня. Но недавно было продемонстрировано, что плотные клеточные контакты формируются сразу же, как только кровеносные сосуды начинают проникать внутрь мозга эмбриона. Исследователи предполагают, что фактически барьер играет важную роль в процессах развития, обеспечивая в мозге особую внутреннюю среду, без которой нейроны не могут расти и образовывать связи.

Потом, с возрастом, эта специальная среда может начать разрушаться. Возникло предположение, что небольшие изменения в гематоэнцефалическом барьере — перепланировка в сосудистой системе мозга или несущественные утечки через барьер — расчищают путь для старческих нейродегенеративных заболеваний со всеми их страшными последствиями. «Это следующий важный вопрос, в котором надо разобраться, — говорит Дрюс, который занимается изучением барьера уже более двух десятилетий. — Пока наш главный вывод таков: как мало мы на самом деле знаем».

Об авторе: Дженин Интерланди (Jeneen Interlandi)— внештатный научный корреспондент из Нью-Йорка. Получив стипендию Фонда Нимана, в течение последнего года она занималась изучением истории науки и медицины в Гарвардском университете. 

Перевод: М.С. Багоцкая