Barriera emato-encefalica

Che cos’è la barriera emato-encefalica?

La barriera emato-encefalica è formata da cellule endoteliali cerebrali, che sono collegate da giunzioni strette, con un’elevatissima resistenza elettrica, di almeno 0,1 Ω⋅m. La barriera emato-encefalica permette il passaggio dell'acqua, alcuni gas e le molecole liposolubili per diffusione passiva, nonché il trasporto selettivo di molecole come glucosio e gli aminoacidi, che sono cruciali per la funzione neuronale. D'altra parte, la barriera emato-encefalica può impedire l'ingresso di lipofile, potenziali neurotossine, per mezzo di un meccanismo di trasporto attivo mediato dalla P-glicoproteina. Gli astrociti sono necessari per creare la barriera emato-encefalica. Un piccolo numero di regioni del cervello, compresi gli organi circumventricolari, non hanno una barriera emato-encefalica.

Come agisce?

La barriera emato-encefalica si snoda lungo tutti i capillari e consiste in giunzioni strette attorno ai capillari che non esistono nella circolazione normale. Le cellule endoteliali limitano la diffusione di oggetti microscopici (ad esempio, i batteri) e grandi, nel liquido cerebrospinale, pur consentendo la diffusione di piccole molecole idrofobe.

Le cellule della barriera trasportano attivamente i prodotti metabolici, come il glucosio, attraverso la barriera con specifiche proteine. Questa barriera include anche una spessa membrana basale.

Qual è la sua struttura?

Questa barriera risulta dalla selettività delle giunzioni strette tra le cellule endoteliali dei vasi del sistema nervoso centrale, che restringe il passaggio dei soluti. All'interfaccia tra sangue e cervello, le cellule endoteliali sono cucite insieme da queste giunzioni strette, che sono composte da subunità più piccole, spesso dimeri biochimici, che sono proteine ​​della trans membrana, come l’occludina, la claudina, la molecola di adesione giunzionale. Ciascuna di queste proteine ​​della transmembrana è ancorata nelle cellule endoteliali, da un altro complesso proteico che include le proteine ​​ZO-1.  

La barriera emato-encefalica è composta da cellule ad alta densità, che limitano il passaggio di sostanze dal flusso sanguigno molto più di quanto non facciano le cellule endoteliali ai capillari in altre parti del corpo. Gli astrociti hanno delle proiezioni cellulari chiamate piedi astrocitari, le quali circondano le cellule endoteliali della barriera emato-encefalica, fornendo un supporto biochimico a tali cellule. La barriera emato-encefalica è distinta da una simile barriera emato-cerebro-fluida e dalla barriera emato-retinica. Diverse aree del cervello umano non sono sul lato del cervello della barriera emato-encefalica. Per esempio, gli organi circumventricolari, il tetto del terzo e del quarto ventricolo, i capillari nella ghiandola pineale sul tetto del diencefalo e la ghiandola pineale. La ghiandola pineale secerne l'ormone della melatonina direttamente nella circolazione sistemica, in tal modo la melatonina non è influenzata dalla barriera emato-encefalica.

Come si sviluppa?

In origine, gli esperimenti effettuati nel 1920 sembravano dimostrare che la barriera emato-encefalica fosse ancora immatura nei neonati.

La ragione di questa svista era data da un errore nel metodo (la pressione osmotica era troppo alta ed i delicati vasi capillari embrionali erano stati parzialmente danneggiati). E' stato poi dimostrato, in esperimenti con una ridotta quantità di liquidi iniettati, che i marcatori sotto inchiesta non potevano oltrepassare la barriera emato-encefalica.

Tali sostanze naturali, come l’albumina, l’α-1-fetoproteina o la transferrina con concentrazione plasmatica elevata in un neonato, non potevano essere rilevate dalle cellule del cervello. Il trasportatore della P-glicoproteina esisteva già nell’endotelio embrionale.  
Le differenze nella permeabilità potrebbero essere rilevate tra i neonati. Nessuna differenza nella captazione cerebrale di glucosio e di amminoacidi è stata osservata.

Alcuni esperimenti hanno dimostrato che la barriera emato-encefalica del neonato ha proprietà restrittive analoghe a quella dell'adulto. Questi studi indicano che una sofisticata e selettiva barriera emato-encefalica è operativa già al momento della nascita.

Qual è la sua funzione?

La barriera emato-encefalica agisce in modo molto efficace per proteggere il cervello da molti batteri comuni che possono portare le infezioni.

Così, le infezioni del cervello sono molto rare, però quelle che si verificano sono spesso molto gravi e difficili da trattare. Gli anticorpi sono troppo grandi per attraversare la barriera emato-encefalica, e solo alcuni antibiotici sono in grado di passare. In alcuni casi, un farmaco deve venire somministrato direttamente nel liquido cerebrospinale.

Tuttavia, i farmaci forniti direttamente al liquido cerebrospinale non penetrano efficacemente nel tessuto cerebrale stesso, a causa della natura tortuosa dello spazio interstiziale nel cervello. La barriera emato-encefalica diventa più permeabile durante l'infiammazione. Questo permette ad alcuni antibiotici e fagociti di muoversi attraverso la barriera emato-encefalica. Tuttavia, questo permette anche a batteri e virus di infiltrarsi nella stessa. Un'eccezione si ha con alcune malattie causate da spirochete, come la Borrelia, che causa la malattia di Lyme, o il Gruppo B degli streptococchi che provoca la meningite nei neonati e il Treponema pallidum, che causa la sifilide. Questi batteri nocivi accedono attraverso il rilascio di cytotoxins che ha un effetto tossico diretto sull’endotelio microvascolare cerebrale e sulle giunzioni strette.

Ci sono anche alcuni veleni biochimici che sono costituiti da grandi molecole e che sono troppo grandi per passare attraverso la barriera emato-encefalica. Questo era particolarmente importante in tempi più primitivi in cui la gente spesso mangiava cibo contaminato. Le neurotossine, come il botulino nel cibo, potrebbero danneggiare i nervi periferici, ma la barriera emato-encefalica può spesso evitare che tali tossine raggiungano il sistema nervoso centrale, dove potrebbero causare gravi danni.

Che significato clinico ha?

La barriera emato-encefalica ​​è formata dall’endotelio cerebrale ed esclude dal cervello il 100% delle grandi molecole e più del 98% di tutti i farmaci con piccole molecole.  

Superare la difficoltà di diffondere gli agenti terapeutici a regioni specifiche del cervello, presenta una sfida importante per il trattamento della maggior parte dei disturbi cerebrali. Nel suo ruolo neuroprotettivo, le funzioni della barriera sono quelle di ostacolare la diffusione di molti agenti diagnostici e terapeutici verso il cervello. Le molecole terapeutiche e gli anticorpi, che potrebbero altrimenti essere efficaci nella diagnosi e nella terapia, non attraversano la barriera emato-encefalica in quantità adeguate.