Blod/hjerne barrieren

BLOD-HJERNE BARRIEREN (BBB eller BHB).
Nedenstående er meget simplificerede beskrivelser af de måder hvorpå forskellige molekyler transporteres gennem BBB.
Det er en attentiondeficithyperactivitydisorder-digression fra min undersøgelse af neurotransmittere, da jeg simpelthen var nødt til at finde ud af, hvordan alle disse stoffer kommer ind og ud af hjernen.
Før jeg kigger mere specifikt på, hvordan stoffer trænger gennem BBB, er jeg nødt til lige at kigge på de grundlæggende mekanismer for intracellulær kommunikation.
TRANSPORT MELLEM CELLEMEMBRANERENE.
Den største del af cellemembranen består af fosfolipider og en lille del af kolesterol.
Fosfolipiderne er opbygget af et glycerolmolekyle hvortil der er bundet et fosfatmolekyle og to fedtsyremolekyler.
Det betyder, at fedtsiden på fosfolipidet er vandskyende og fosfatsiden er vandopløselig.
Fosfolipidmolekylerne sidder tæt sammen i to spejlvendte lag med de vandskyende fedtsyrer vendt mod hinanden og de vandopløselige fosfatmolekyler vendt mod ydersiden og indersiden af membranen.
Denne dobbeltlipidmembran er fyldt med forskellige proteinstrukturer som ionkanaler, receptorer, enzymer, vævstypeantigener mm.
PASSIV TRANSPORT GENNEM MEMBRANEN.
Der er flere former for passiv transport:
1) Diffusion (koncentrationsgradient).
Små molekyler uden ladning bevæger sig fra områder med høj koncentration til lavere (MED koncentrationsgradienten).
Lipofile (fedtopløselige) stoffer som fx kønshormoner, alkohol ilt og kuldioxid passerer gennem membranen ved at molekylerne "opløses" i membranen og passerer gennem fosfolipidmolekylerne.
Hydrofile (vandopløselige) molekyler som fx vand, uorganiske ioner og urinstof, passerer gennem membranens porelignende strukturer dannet af proteiner (kanaler, transportører).
Vand, H2O, anvender særlige proteingrupper kaldet aquaporiner eller vandkanaler.
2) Faciliteret diffusion (transportør, mætningskinetik)
Her anvendes transportproteiner indlejret i membranen som binder sig til stoffet (fx glukose og kalium-, natrium- og kloridioner) og transporterer det gennem membranen.
Systemet arbejder MED gradienten indtil der opnås en maksimal værdi, altså en mætning med ligevægt (mætningskinetik).
Faciliteret passiv transport virker ved at molekylet binder sig til transportproteinet, hvorved dette ændrer sin form, afhængig af, om molekylet kommer ekstracellulært (endofacialt) eller intracellulært exofacialt).
Et eksempel på denne transportform er GLUT1 som jeg beskriver nedenfor.
Udover disse to passive transportmetoder, anvender cellerne også konvektion ("bulk flow") som jeg ikke omtaler nærmere her.
AKTIV TRANSPORT
1) Med den primære aktive transport kan stoffet ("Stoffet" kan både være et molekyle eller et ion) transporteres MOD den kemiske eller/og elektriske gradient ved brug af cellens ATP som udnyttes af transportmolekylets ATP-spaltende enzymer ATPase.
Eksempler på aktive transportører der bruger ATP til at omdanne energien til potentiel energi i form af en koncentrationsgradient:
P-type ATPaser der overfører Na+, K+ og Ca2+ ioner ved fosforylering (overføring af fosfat fra ATP til proteinet).
A-type ATPaser der overfører anioner (negativt ladede ioner)
ABC-transportører (ATP-bindende kasettetransportører) anvender energi frigivet fra ATP hydrolyse (Fraspaltning af en eller flere fosfatgrupper, hvorved der dannes ADP og AMP)
Bedst kendt er nok Natrium-Kalium-pumpen (Na+/K+-ATPase enzymet).
Et transportmolekyle der kun transporterer ét stof kaldes for uniport.
2) Sekundær aktiv transport (koblet).
Bruger ikke direkte energi fra ATP, men udnytter den gradient der er skabt (og lagret) af den primære aktive transport, som fx Na+/K+ pumpen.
Der findes to former for sekundær aktiv transport.
A) Når et transportmolekyle transporterer to eller flere stoffer i samme retning kaldes dette for symport.
Et eksempel på symport transport er natriums bevægelser ind i cellen (som følge af natrium-kaliumpumpens aktivitet) hvor glukose samtidig transporteres ind mod dets koncentrationsgradient.
B) Et transportmolekyle der transporterer et eller flere stoffer i modsat retning af hinanden kaldes en antiport.
Et eksempel her er en Natrium-calcium.antiport, hvor natriumioner bevæger sig ind i cellen, mens calciumioner transporteres ud. hermed reguleres calciumniveauet i cellen.
BLOD-HJERNEBARRIEREN.
BBB omgiver alle kapillærer i centralnervesystemet på nær 7 områder der har med hormonal udveksling at gøre, særligt:
Hypofysen, dele af hypothalamus, area postrema i hjernestammen, epifysen og i dele af hjernens arterier der tillader transport af vand og små molekyler (Choroid plexus' endothelium).
Blodkarrene i hjernen er langt mere "solide" end blodkarrene i resten af kroppen, hvor permeabiliteten i karrene tillader næringsstoffer, ilt og andre molekyler en let interaktion mellem blod og det omgivende væv og samtidig fjerner affaldsstoffer.
Større molekyler som proteiner og peptider bruger normalt transportører gennem BBB, men andre metoder anvendes også.
Det største molekyle man indtil nu har observeret krydse BBB er et cytokin med en molekylvægt på 7800 Dalton og dette skete ikke gennem passiv diffusion, men med aktiv eller receptormedieret transport.
BBB opbygning.
1. Endotelcellerne, der sidder meget tæt i BBB, er sammenhæftede med "tight junctions", der begrænser diffusionen af store og små molekyler.
2. Den basale membran understøtter, sammen med astrocyt-foden karvæggen og har muligvis en indflydelse på de endotele cellers funktion.
3. Astrocyt-foden. Astrocytter er en type gliaceller (nervesystemets støtteceller).
Astrocyt-foden er dels med til at understøtte karvæggen, men astrocytter har flere funktioner:
De transporterer næringsstoffer ind og ud, fjerner affaldsstoffer mm. og kommunikerer både med endotelcellerne og andre hjerneceller.
Tight junctions mellem endotelcellerne polariserer disse. Dette medfører således en luminal side (mod blodbanen) og en abluminal side (mod hjernen) der indeholder forskellige lipider og proteiner (f.eks. transportører).
Endotelcellerne indeholder et større antal mitokondrier end andre kapillærer. Disse producerer et højt antal ATP molekyler til at drive de iongradienter der er vigtige for mange af transportsystemerne.
Afhængig af de fysiske og kemiske egenskaber af de stoffer der skal transporteres gennem BBB anvendes forskellige metoder som aktiv og passiv transport.
Små molekyler der har tilstrækkelig lipidopløselighed (fx gasformige ilt- og kuldioxidmolekyler) anvender passiv transport.
Stoffer der ikke kan passere BBB gennem passiv transport kræver et aktivt transportsystem.
Her spaltes ATP til ADP og uorganisk fosfat.
Begge systemer kan anvende koblet transport, hvor transporten af et stof foregår samtidig med transporten af et eller flere andre stoffer.
BBB indeholder fire grundlæggende mekanismer hvorved opløste molekyler bevæger sig over membranen. Kapillærerne endothelceller anvender stort set de samme metoder som er generelt gældende for celletransport, hvorfor jeg her gentager mig selv lidt.
1. Simpel diffusion (Fra høj til lav koncentration).
2. Faciliteret diffusion, hvor molekylet binder sig til specifikke membrantransportere (fra høj til lav koncentration)
3. Simpel diffusion gennem en vandig kanal dannet i membranen.
4. Aktiv transport gennem en proteinbærer med et specifikt bindingssted der ændrer sin form og affinitet (tilbøjelighed til at reagere med andre molekyler).
Denne metode kræver energi i form af ATP leveret af mitokondrierne (ATP-hydrolyse).
Det er vanskeligt at fremstille medicin som BBB tillader at passere, idet fedtopløselig medicin ofte smides ud efter indtrængen gennem BBB (efflux funktionaliteten). Vandopløselig medicin har generelt svært ved at gennemtrænge membranen grundet den tætte forbindelse mellem endotelcellerne.
OVERSIGT TRANSPORTSYSTEMER I BBB.
Solute Carrier Superfamilierne (SLC) er en af de vigtigste transportører i BBB..
hjernens mikrokar (BBB) indeholder 287 gener (tal fra 2022) der udtrykker SLC'er.
TRANSPORT AF NÆRING GENNEM BBB.
Hjernen forbruger ca 20% af energien i kroppen, hvorfor jeg her fokuserer på de to vigtigste makronæringsstoffer glukose og fedt, samt kreatin der medvirker i energiomdannelsen.
1) GLUKOSETRANSPORT I BBB.
Skønt menneskets gener kan udtrykke 14 forskellige GLUT'er er det hovedsageligt GLUT-1 (SLC2A1) der anvendes i BBB
GLUT-1 bruger faciliteret diffusion og arbejder fra et højere tryk mod lavere gennem membranen uden anvendelse af ATP.
Den virker således:
12 "proteinskruer" er fordelt på to områder tæt på hinanden og danner et V med et stort vandelskende (hydrofilt) hulrum i midten af proteinet.
Aminosyrerne inde i hulrummet kan kun binde sig til bestemte stoffer.
Disse stoffer (som glukose) ændrer GLUT'ens form, således at når stoffet indtræder i GLUT'en og opbevares i hulrummet, åbnes for udgang af stoffet på den anden side.
SGLT
Skønt det der hovedsageligt transportere faciliteret transport af glukose i BBB (GLUT), anvendes også i mindre grad natriumafhængige transportører (sodium-dependent glucose cotransporters SGLT).
Disse virker ved at der transporteres natriumioner (Na+) ud af cellen og kaliumioner (K+) ind i cellen.
Denne natrium/kalium proces anvender Na,K-ATPase og kræver altså energi, hvorfor der findes et stort antal mitokondrier i BBB-cellerne.
2) MONOCARBOXYLTRANSPORTERE (MCT).
Monocarboxylsyre er et molekyle der ligesom aminosyrer, har en carboxylgruppe (COOH),
men da aminosyrer har en amingruppe, er de mere komplekse end carboxylsyrer.
Fedtsyrer er carboxylsyrer (interessant her er, at kortkædede fedtsyrer som fx smørsyre og propionsyre (SCFA'er) der metaboliseres af mikrobiomet også er carboxylsyrer. Disse er kendte for bla. at influere på forskellige hjernefunktioner).
Carboxylsyrer bruges i hjernen bla. til syntese af glutamat og GABA.
Desuden har de en beskyttende funktion på neuronerne og er medvirkende i energiproduktionen i Krebs' cyklus. Her kan nævnes carboxylsyren laktat (mælkesyre), som dannes under anaerob glykolyse. Laktat kan bruges som energikilde i andre celler også i hjernen.
Der er identificeret 14 monocarboxyltransportører, men MCT1 er spiller den største rolle i forbindelse med transport af kortkædede monocarboxyler, også i BBB.
Protonafhængige monocarboxylattransportører (MCT'er; SLC16A).
En familie af i alt 14 transportører, hvoraf de fire (MCT1-4) er identificeret som protonafhængige MCT'er.
MCT'er bruger elektrokemisk energi fra protongradienten til at flytte bla. monocarboxyl, men er vidt anvendt til membrantransport af andre elementer samt i forskellige mekanismer som energiproduktion og energifremstilling i mitokondrierne.
Protongradienten virker med to komponenter:
En forskel i koncentrationen af protoner over membranen og
En spændingsforskel over membranen som skyldes at protoner har en ladning.
KREATIN.
Kreatin er ikke et næringsstof i sig selv, men jeg tager det med her alligevel, da det spiller en stor rolle i energiproduktionen, hvor det faciliterer omdannelsen af adenosin difosfat (ADP) tilbage til ATP ved at donere en fosfatgruppe og altså bruges i cellerne til genanvendelse af ATP i musklerne og i hjernen.
Kreatin anvender et system kaldet CRT (creatine transporter, SLC6A8), som er en højaffinitets Na+/Cl- pumpe hvor 2 Na+ ioner og 1 Cl- ionudveksles med et enkelt kreatinmolekyle og virker mod gradienten.3) AMINOSYRE TRANSPORTSYSTEMER (ACT)
AMINOSYRERS HOVEDINDDELING.
Sure (asparaginsyre, glutaminsyre – slutter på COO-)
Basiske (lysin, arginin, histidin – slutter på NH2/3)
Uladet polær (asparagin, glutamin, serin, tyrosin, threonine, cystein– har O i enden)
- Serin, threonine og tyrosin kan fosforyleres, da de har OH.
- Cystein kan danne disulfidbindinger, da den har SH i slutningen.
Ikke-polære (alanin, valin, leucin, isoleusin, prolin, phenylalanin, methionin, trytohan, glycin, cysteine – (ikke noget O i enden)
Histidin, kan både være positiv og negativ ladet, pga af pKa.
(Isra Ameri & Aya Taklas)
Mere end et transportsystem kan bære det samme substrat.
Koncentrationen af aminosyrer i hjernevæsken (cerebral fluid) er mindst ti gange lavere end i blodet (undtaget glutamin der har samme koncentration på begge sider).
Denne gradient, såvel som aminosyre-transport på tværs af BBB, er er tæt reguleret af aminosyretransportører på begge sider af membranerne.
Her har jeg valgt at inddele og beskrive ACT'erne i en faciliterende Na+ uafhængig gruppe og en Na+ afhængig gruppe af transportører
(efter Rosa Zaragoza doi: 10.3389/fphys.2020.00973. Oprindelig kilde: The HUGO Gene Nomenclature Committee.)
FACILITERENDE Na+ UAFHÆNGIGE AMINOSYRETRANSPORTERE.
System L. SLC7A5
LAT-transportørerne, særligt LAT-1 (med 90%), spiller den største rolle i forbindelse med transport af store neutrale aminosyrer gennem BBB.
LAT1 transporterer disse aminosyrer som:
fenylalanin, tryptofan, leucin, isoleucin, methionin, histidin, tyrosin, valin, threonin.
L-systemet består af den "lette kæde" LAT1 (SLC7A6) bundet med en disulfidkæde til en "tung" kæde 4F2 celleoverflade antigen ( 4F2hc/SLC3A2).
Den lette del, SLC7A6, er selve transporteren, mens 4Fhc fungerer som en facilitator af denne.
De to proteinkæder danner et V indover membranen og transporten af de store neutrale aminosyrer sker ved at der udveksles en intracellulær aminosyre som fx glutamin.
Luminal og abluminal.
System y+ SLC7A1
y+ transporterer store kationiske aminosyrer som
lysin, arginin, ornithin.
Luminal og abluminal.
System BAT (y+ LAT2) SLC7A6
Danner heterodimer med SLCA3 og udveksler intracellulære kationiske aminosyrer som arginin med neutrale aminosyrer som leucin, glutamin og isoleucin. Udveksler også arginin med lysin på en natrium-uafhængig måde.
Efflux transporter.
System Xc- (xCT) SLC7A11
Udveksler ekstracellulær anionisk cystin med glutamat gennem membranen.
Luminal
NA+ AFHÆNGIGE AMINOSYRE TRANSPORTERE I BBB.
Mindst ni transportører er NA+ afhængige og bruger natriumpumpen Na+/K+ ATPase til transport af aminosyrer imod gradienten.
System BAT. SLC6A14
System BAT er en natrium- og klorid neutral og basisk aminosyretransporter.
Den transporterer non-alpha-aminosyrer som beta-alanin med lav affinitet (svag tiltrækning) og har en højere affinitet for dipolære og kationiske aminosyrer som leucin og lysin.
(Alpha aminosyrer er de "normale" aminosyrer der der bruges til opbygning af proteiner hvor aminogruppen og carboxylgruppen er bundet til samme kulstofatom (Se 1. og 2. del af beskrivelserne af dopamin).
I non-alpha aminosyrerne er aminogruppen ikke direkte koblet til kulstofmolekylet i carboxylgruppen).
Kan også transportere carnitin, bytirylcarnitin og propionylcarnitin.
Luminal.
System A SLC38A2
En symporter (transporterer to eller flere stoffer i samme retning) der medvirker til transport af små neutrale aminosyrer som
alanin, prolin, histidin, serin, asparagin.
Abluminal.
System ASC SLC1A4/SLC1A5
Transportør af neutrale aminosyrer som
Alanin, serin, cystein
SLC1A4 virker både Luminal og abluminal.
SLC1A5 abluminal.
System N SLC38A3/SLC38A5
Symporter som medvirker til transport af specifikke neutrale aminosyrer og natriumioner koblet til en H+ antiporter aktivitet (H+ antiporter transportproteinet flytter brintioner (H+) over en membran i bytte for natriumioner Na+)
Deltager primært i glutamat-GABA-glutamin-cyklussen i hjernen, hvor den transporterer L-glutamin fra astrocytter i det intercellulære rum for at genopfylde både neurotransmitterne glutamat og gamma-aminosmørsyre (GABA) i neuroner og fungerer også som den primære influx-transportør i ganglieceller, der medierer optagelsen af glutamin.
Transporterer kvælstofrige aminosyrer i BBB:
Glutamin, histidin, asparagin
Luminal og abluminal.
EAAT'er SLC1A3/SLC1A2/SLC1A1
Glutamat transporter lokaliseret i neuroner og gliaceller (særligt astrocytter). Optager hurtigt glutamat ekstracellulært til intracellulært.
Symporter der udveksler et aminosyremolekyle sammen med to eller tre Na+ ioner og en proton med et K+ ion.
Højeste affinitet for glutamat, men transporterer også L-aspartat og D-aspartat.
Luminale.
ENDOKRIN TRANSPORT I BBB.
Cellerne i BBB er også endokrine (hormonudvekslende), idet de både reagerer på cirkulerende stoffer og udskiller stoffer i kredsløbet og i centralnervesystemet.
Overordnet inddeles hormoner i tre forskellige typer:
Steroidhormoner, peptidhormoner og aminhormoner.
STEROIDHORMONER transporteres rundt i kroppen af transportproteiner, nærmere bestemt albumin og specifikke globuliner. Da de er bundet til disse plasmaproteiner, spiller plasmaprotein-medieret transport en dominerende rolle i bestemmelsen af i hvilket omfang steroidhormonerne kan passere BBB.
Dog, plasmaproteinindholdet i blodet adskiller sig ikke væsentligt fra indholdet i hjernen, derfor skal hormonet adskilles fra plasmaproteinet på endotelets plasma-membranoverflade.
Køns- og steroidhormoner er hydrofobe og derfor fedtopløselige (de er dannet af kolesterol), hvorfor de undergår en passiv transport i form af diffusion, hvor bindingsstedet undergår en konformationsændring, proteinerne i hormonet "opløses" i membranen og transporteres ind i cytoplasmaet eller cellekernen hvor de reagerer med kernereceptorer.
PEPTIDHORMONER.
Peptider er aminosyresekvenser med mindre kæder end egentlige proteiner.
Skønt de er mindre end proteiner, kan de fleste peptider ikke krydse BBB, da denne helst tillader små molekyler (under 500 Dalton) at passere.
Desuden er aminosyrernes molekylære struktur ikke umidelbart befordrende for transport over BBB og endelig bærer mange peptider en elektrisk ladning, hvilket øger deres interaktion på endotelcellerne i BBB og gør det sværere at passere denne.
Dog er mange peptider fedtopløselige, hvilket netop gør, at de kan krydse BBB.
Afhængig af strukturen, ladningen og størrelsen af peptidhormonet, kan det krydse BBB på forskellige måder:
Peptider synes primært at krydse BBB ved adsorptiv transcytose hvor positiv ladede peptider (og proteiner), binder sig til negativt ladede overflader (fx Na+/K+ pumpen). Dette forårsager en udbulning på indersiden af membranen som danner en vesikel der afsnøres og bevæger sig over cytoplasmaet til den anden side af membranen hvor peptidet frigives.
Peptider kan også krydse BBB ved receptormedieret trancytose, med en lignende proces. Her bindes peptidet dog til en specifik receptor.
Et eksempel er insulin som binder sig til insulinreceptoren (INSR).
Specialiserede transportører (carrier-mediated transporters) kan også anvendes til transport af peptider ganske som de anvendes af store neutrale aminosyrer og glukose:
LAT1 og GLUT1 (se ovenfor).
For de mindste peptider kan anvendes simpel diffusion og faciliteret diffusion (se ovenfor)
ENDOCYTOSE
Endocytose sker ved at membranen kommer i kontakt med et relevant molekyle, hvorved et enzym kaldet dynamin medvirker til at der dannes et hulrum i membranen indeholdende molekylet, som derefter afsnøres fra membranen. Det er nu en vesikel der kan transporteres til videre proces i cellen eller, i celler med polariserede membraner som endotelcellerne, transporteres til den anden side af membranen (transcytose) hvor de undergår en exocytose, altså samme proces med modsat fortegn.
Endocytose af partikler større end 500 nm, som visse patogener og cellerester, anvender fagocytose, hvor vesiklen dannes i membranen uden at der er en receptor tilstede.
Molekyler mindre end 500 nm anvender særligt de receptormedierede clathrin-afhængige processer på membranens overflade, eller de forskellige clathrin-uafhængige veje.
Clathrin-medieret endocytose.
Clathrin er et protein bestående af tre clathrin "tunge" kæder der er bundet til en "let" kæde.
Clathrinen er gennem et adapterprotein forbundet til en receptor på membranen.
I det øjeblik et relevant molekyle binder sig til denne og et hulrum opstår, danner clathrinen en polyhedron omkring dette.
Når vesiklet er inde i cytoplasmaet opløses clathrinen.
(Denne proces er interessant, da den også spiller også en rolle i neuronerne).
Clathrin anvendes fx til endocytose af jern (transferrin) og LDL.
Det anvendes desuden til integration af transmembrane receptorer og andre proteiner i membranen.
Caveolin medieret endocytose.
Caveoliner er en familie af proteiner integrerede i membranen.
De er medvirkende til dannelsen af den indvendige "udbulning" af membranen ved
oligomerisering (små molekyler (oligomerer) der binder sig sammen til et molekyle
indeholdende mellem 2-10 oligomerer) og indsættelse af proteinspiraler (helical hairpins) i membranen.