อุปสรรคเลือดสมอง

กำแพงกั้นเลือด-สมองมีความสำคัญอย่างยิ่งในการรักษาสมดุลของสมอง แต่คำถามมากมายเกี่ยวกับการก่อตัวของกำแพงกั้นเลือด-สมองยังไม่ได้รับการชี้แจงอย่างชัดเจน แต่ชัดเจนแล้วว่า BBB เป็นกำแพงกั้นทางฮีสโทฮีมาติกที่แยกความแตกต่างได้มากที่สุด ซับซ้อนที่สุด และหนาแน่นที่สุด หน่วยโครงสร้างและหน้าที่หลักคือเซลล์เยื่อบุผนังหลอดเลือดของหลอดเลือดฝอยในสมอง

การเผาผลาญของสมองนั้นไม่เหมือนกับอวัยวะอื่น ๆ ที่ต้องอาศัยสารที่เข้าสู่กระแสเลือด หลอดเลือดจำนวนมากที่ทำหน้าที่ควบคุมการทำงานของระบบประสาทนั้นมีความโดดเด่นตรงที่กระบวนการแทรกซึมของสารผ่านผนังหลอดเลือดนั้นมีลักษณะเฉพาะ เซลล์เยื่อบุผิวของหลอดเลือดฝอยในสมองเชื่อมต่อถึงกันด้วยการสัมผัสกันอย่างต่อเนื่องและแน่นหนา ดังนั้นสารจึงสามารถผ่านเฉพาะเซลล์เท่านั้น แต่ไม่สามารถผ่านระหว่างเซลล์ได้ เซลล์เกลียซึ่งเป็นองค์ประกอบที่สองของกำแพงกั้นเลือด-สมองนั้นอยู่ติดกับผิวด้านนอกของหลอดเลือดฝอย ในกลุ่มเส้นเลือดของโพรงสมอง พื้นฐานทางกายวิภาคของกำแพงกั้นนี้คือเซลล์เยื่อบุผิวซึ่งเชื่อมต่อกันอย่างแน่นหนาเช่นกัน ปัจจุบัน กำแพงกั้นเลือด-สมองไม่ได้ถูกมองว่าเป็นโครงสร้างการทำงานที่มีความสามารถในการผ่านอย่างเลือกสรร และในบางกรณีก็ส่งโมเลกุลต่างๆ ไปยังเซลล์ประสาทโดยใช้กลไกการขนส่งที่ทำงานอยู่ ดังนั้น กำแพงกั้นจึงทำหน้าที่ควบคุมและป้องกัน

ในสมองมีโครงสร้างที่กั้นเลือดระหว่างสมองอ่อนแอลง โครงสร้างเหล่านี้ได้แก่ ไฮโปทาลามัสเป็นหลัก รวมทั้งโครงสร้างอื่นๆ อีกหลายโครงสร้างที่ด้านล่างของโพรงสมองที่ 3 และ 4 ได้แก่ ลานด้านหลังสุด (แอเรียโพสเทรมา) อวัยวะใต้ฟอร์นิคัลและใต้คอมมิสซูรัล และไพเนียลบอดี ความสมบูรณ์ของ BBB จะถูกทำลายในโรคสมองขาดเลือดและอักเสบ

กำแพงกั้นเลือด-สมองจะถือว่าเกิดขึ้นอย่างสมบูรณ์เมื่อคุณสมบัติของเซลล์เหล่านี้เป็นไปตามเงื่อนไขสองประการ ประการแรก อัตราของเอ็นโดไซโทซิสในเฟสของเหลว (pinocytosis) ในเซลล์จะต้องต่ำมาก ประการที่สอง จะต้องเกิดรอยต่อแน่นเฉพาะระหว่างเซลล์ ซึ่งมีลักษณะความต้านทานไฟฟ้าสูงมาก โดยมีค่าความต้านทานไฟฟ้าอยู่ที่ 1,000-3,000 โอห์ม/ซม.2 ^{สำหรับ}หลอดเลือดฝอยของเยื่อเพียมาเทอร์ และ 2,000-8,000 0 ม./ซม.2 สำหรับหลอดเลือดฝอยในเนื้อสมอง เพื่อเปรียบเทียบ: ค่าเฉลี่ยของความต้านทานไฟฟ้าข้ามเอ็นโดทีเลียมของหลอดเลือดฝอยของกล้ามเนื้อโครงร่างคือ 20 โอห์ม/ซม.2 เท่านั้น

ความสามารถในการซึมผ่านของเกราะเลือด-สมองสำหรับสารส่วนใหญ่ถูกกำหนดโดยคุณสมบัติของสารเหล่านี้เป็นหลัก รวมถึงความสามารถของเซลล์ประสาทในการสังเคราะห์สารเหล่านี้โดยอิสระ สารที่สามารถเอาชนะเกราะนี้ได้ ได้แก่ ออกซิเจนและคาร์บอนไดออกไซด์ รวมถึงไอออนโลหะต่างๆ กลูโคส กรดอะมิโนที่จำเป็น และกรดไขมันที่จำเป็นต่อการทำงานของสมองตามปกติ กลูโคสและวิตามินจะถูกขนส่งโดยใช้ตัวพา ในขณะเดียวกัน กลูโคส D และ L มีอัตราการซึมผ่านเกราะต่างกัน โดยกลูโคส D มีอัตราการซึมผ่านเกราะสูงกว่า 100 เท่า กลูโคสมีบทบาทสำคัญในการเผาผลาญพลังงานของสมองและการสังเคราะห์กรดอะมิโนและโปรตีนหลายชนิด

ปัจจัยหลักที่กำหนดการทำงานของระบบกั้นเลือดสมองคือระดับการเผาผลาญของเซลล์ประสาท

การจัดหาสารที่จำเป็นให้กับเซลล์ประสาทนั้นไม่ได้เกิดขึ้นเฉพาะโดยเส้นเลือดฝอยที่ไหลเข้าไปเท่านั้น แต่ยังเกิดขึ้นโดยกระบวนการของเยื่ออ่อนและเยื่ออะแร็กนอยด์ที่น้ำไขสันหลังไหลเวียน น้ำไขสันหลังจะอยู่ในโพรงกะโหลกศีรษะ โพรงสมอง และช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้มสมอง ในมนุษย์จะมีปริมาตรประมาณ 100-150 มล. น้ำไขสันหลังช่วยรักษาสมดุลออสโมซิสของเซลล์ประสาท และกำจัดผลิตภัณฑ์เมตาบอลิซึมที่เป็นพิษต่อเนื้อเยื่อประสาท

เส้นทางการแลกเปลี่ยนตัวกลางและบทบาทของอุปสรรคเลือด-สมองในกระบวนการเผาผลาญ (ตาม: Shepherd, 1987) 

การที่สารจะผ่านเข้าไปในชั้นกั้นเลือด-สมองได้นั้น ไม่เพียงแต่ขึ้นอยู่กับการซึมผ่านของผนังหลอดเลือดเท่านั้น (น้ำหนักโมเลกุล ประจุ และความชอบไขมันของสาร) แต่ยังขึ้นอยู่กับการมีอยู่หรือไม่มีอยู่ของระบบขนส่งที่ทำงานอยู่ด้วย

ตัวขนส่งกลูโคสอิสระอินซูลินแบบสเตอริโอสเปกทีฟ (GLUT-1) ซึ่งรับรองการถ่ายโอนสารนี้ผ่านอุปสรรคเลือด-สมอง พบมากในเซลล์เยื่อบุผนังหลอดเลือดฝอยในสมอง กิจกรรมของตัวขนส่งนี้รับประกันการส่งมอบกลูโคสในปริมาณที่มากกว่าที่สมองต้องการ 2-3 เท่าในสภาวะปกติ

ลักษณะของระบบการขนส่งของอุปสรรคเลือด-สมอง (ตาม: Pardridge, Oldendorf, 1977)

การเชื่อมต่อการขนส่ง	พื้นผิวที่ต้องการ	กม., มม.	Vmax nmol/นาที*g
เฮกโซส	กลูโคส	9	1600
กรดโมโนคาร์บอก ซิลิก	แลคเตท	1.9	120
กรดอะมิโนที่เป็นกลาง	ฟีนิลอะลานีน	0.12	30
กรดอะมิโนจำเป็น	ไลซีน	0.10	6
อะมีน	โคลีน	0.22	6
พิวรีน	เอดีนีน	0.027	1
นิวคลีโอไซด์	อะดีโนซีน	0,018	0.7

เด็กที่มีการทำงานของเครื่องลำเลียงนี้บกพร่อง จะมีระดับกลูโคสในน้ำไขสันหลังลดลงอย่างมีนัยสำคัญ และเกิดความผิดปกติในการพัฒนาและการทำงานของสมอง

กรดโมโนคาร์บอกซิลิก (L-lactate, acetate, pyruvate) และคีโตนบอดีจะถูกขนส่งโดยระบบสเตอริโอจำเพาะที่แยกจากกัน แม้ว่าความเข้มข้นในการขนส่งจะต่ำกว่ากลูโคส แต่กรดเหล่านี้ก็เป็นสารตั้งต้นที่สำคัญในการเผาผลาญในทารกแรกเกิดและในช่วงที่อดอาหาร

การขนส่งโคลีนเข้าสู่ระบบประสาทส่วนกลางยังเกิดขึ้นโดยตัวขนส่งและสามารถควบคุมได้โดยอัตราการสังเคราะห์อะเซทิลโคลีนในระบบประสาท

วิตามินไม่ได้สังเคราะห์โดยสมองและมาจากเลือดโดยใช้ระบบขนส่งพิเศษ แม้ว่าระบบเหล่านี้จะมีกิจกรรมการขนส่งที่ค่อนข้างต่ำ แต่ภายใต้สภาวะปกติ ระบบเหล่านี้สามารถรับประกันการขนส่งวิตามินที่จำเป็นต่อสมองได้ แต่การขาดวิตามินในอาหารอาจนำไปสู่ความผิดปกติทางระบบประสาท โปรตีนในพลาสมาบางชนิดสามารถทะลุผ่านอุปสรรคเลือด-สมองได้ วิธีหนึ่งในการทะลุผ่านคือการถ่ายโอนไซโทซิสที่เกิดจากตัวรับ ซึ่งเป็นวิธีที่อินซูลิน ทรานสเฟอร์ริน วาโซเพรสซิน และอินซูลินไลค์โกรทแฟกเตอร์ทะลุผ่านอุปสรรค เซลล์เยื่อบุผนังหลอดเลือดของหลอดเลือดฝอยในสมองมีตัวรับเฉพาะสำหรับโปรตีนเหล่านี้และสามารถเอ็นโดไซโทซิสของคอมเพล็กซ์โปรตีน-ตัวรับได้ สิ่งสำคัญคือเนื่องจากเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นในภายหลัง คอมเพล็กซ์จะสลายตัว โปรตีนที่สมบูรณ์สามารถถูกปล่อยออกมาที่ด้านตรงข้ามของเซลล์ และตัวรับสามารถรวมเข้ากับเยื่อหุ้มเซลล์ได้อีกครั้ง สำหรับโปรตีนโพลีเคชั่นและเลกติน การถ่ายโอนไซโทซิสยังเป็นวิธีการทะลุผ่าน BBB แต่ไม่ได้เกี่ยวข้องกับการทำงานของตัวรับเฉพาะ

สารสื่อประสาทหลายชนิดที่มีอยู่ในเลือดไม่สามารถทะลุผ่าน BBB ได้ ดังนั้น โดพามีนจึงไม่มีความสามารถนี้ ในขณะที่ L-DOPA ทะลุผ่าน BBB โดยใช้ระบบขนส่งกรดอะมิโนที่เป็นกลาง นอกจากนี้ เซลล์หลอดเลือดฝอยยังมีเอนไซม์ที่เผาผลาญสารสื่อประสาท (โคลีนเอสเทอเรส GABA ทรานสอะมิเนส อะมิโนเปปไทเดส ฯลฯ) ยา และสารพิษ ซึ่งรับประกันการปกป้องสมองไม่เพียงแค่จากสารสื่อประสาทที่หมุนเวียนอยู่ในเลือดเท่านั้น แต่ยังรวมถึงจากสารพิษด้วย

หน้าที่ของ BBB ยังเกี่ยวข้องกับโปรตีนตัวพาที่ขนส่งสารจากเซลล์เยื่อบุผนังหลอดเลือดของหลอดเลือดฝอยในสมองเข้าไปในเลือด โดยป้องกันไม่ให้สารเหล่านั้นแทรกซึมเข้าไปในสมอง เช่น เบต้า-ไกลโคโปรตีน

ในระหว่างช่วงพัฒนาการ อัตราการขนส่งสารต่างๆ ผ่าน BBB จะเปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญ ดังนั้น อัตราการขนส่งของเบตาไฮดรอกซีบิวทิเรต ทริปโตเฟน อะดีนีน โคลีน และกลูโคสในทารกแรกเกิดจึงสูงกว่าผู้ใหญ่อย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งสะท้อนให้เห็นถึงความต้องการพลังงานและสารตั้งต้นโมเลกุลขนาดใหญ่ของสมองที่กำลังพัฒนาที่ค่อนข้างสูงกว่า

[ 1 ], [ 2 ], [ 3 ], [ 4 ], [ 5 ]