Наше здоровье защищает целая слаженная система - иммунитет. Без перерыва многочисленные иммунные клетки борются с чужеродными веществами и микроорганизмами, но ... только не в мозге. Наш мозг и нервная система отделены от иммунитета всего остального тела. Но как же тогда мозг справляется без него?
Автономность мозга и ЦНС
Еще с конца 19в искали причину того, что мешает веществам проникать из общего кровотока в мозг. В опытах с красителем в венах замечали, что окрашивается все ткани организма, кроме мозга. То же самое происходило с красителем, введенным в спинномозговую жидкость: мозговые ткани окрашивались, в то время как другие органы - нет.
А в 1921г впервые было выдвинуто название предполагаемого барьера.
«Между кровью, с одной стороны, и спинномозговой жидкостью, с другой, есть особый аппарат или механизм, способный просеивать вещества, обыкновенно присутствующие в крови или случайно проникшие в неё...Мы предлагаем называть гематоэнцефалическим барьером"
Лина Штерн, профессор Университета Женевы, из сообщения в Женевском медицинском сообществе.
Гематоэнцефалический барьер
Наша нервная система в структуре головного мозга отделена от кровеносных сосудов гематоэнцефалическим барьером (ГЭБ). Он представляет собой трехслойный "чехол" капилляров из эндотелия, перицитов и астроцитов.
Схематическое изображение строения гематоэнцефалического барьера. Источник: И.Мартынов. "Мозг. Как он устроен и что с ним делать".
Эндотелиальные клетки, образующие первую защиту, имеют плотный контакт друг с другом, намного меньший, чем между такими же клетками в других частях организма. Соседние клетки черепицеобразно накладываются друг на друга, а в местах стыка их закрепляют пластины.
Но эндотелиальный слой не является полностью непроницаемым. В нем есть открытые участки (50нанометров) и межклеточные щели (от 100 до 1000нм). Только некоторые вещества и микроорганизмы могут проникнуть сквозь них. А те, которые преодолеют первый слой, остановятся перицитами, составляющими второй, и астроцитами звездообразной формы. Последние соединяются своими отростками и закрепляют структуру.
Таким образом капилляры в головном мозге окружены своеобразным футляром. Этот защитный механизм возник в процессе эволюции для предотвращения проникновения микроорганизмов, патогенов и токсинов в мозг и нервную систему.
Что и как может преодолевать ГЭБ
У здорового человека мозг стерилен. Но некоторые микроорганизмы и вещества могут проникать через ГЭБ. Это многие бактерии (менингококки, пневмококки и др), вирусы, опухолевые клетки, ядовитые и сильнодействующие вещества (например, алкоголь, морфий и др.)
Для того, чтобы преодолеть ГЭБ, веществам необходимо соединиться со специальными белками-транспортерами, осуществляющими их перенос сквозь отверстия и мембраны барьера.
При повреждении ГЭБ в мозг могут проникать те клетки, вещества и патогены, которые при его целостности не смогли бы. Многие патогены провоцируют воспаление ГЭБ, чтоб нарушить его непроницаемость и проникнуть внутрь. Так, например, коронавирус с помощью спайкового S-белка (т.н. шип) вызывает провоспалительную реакцию эндотелиальных клеток, а раковые клетки выделяют ферменты или микроРНК для нарушения структуры плотных контактов.
Но, задерживая многие патогены и токсины, барьер не пропускает также иммуные клетки. иммунная система, контролирующая весь остальной организм, в головном мозге и нервной системе не действует.
Как же мозгу и нервной системе без иммунитета организма справляться со всеми патогенами и токсинами?
Микроглия: на страже мозга
Долгое время считалось, что в мозге нет ничего, что могло бы выполнять функции отсутствующих в нем иммунной и лимфатической системы (лимфа тоже не распространяется на мозг). При этом велись поиски собственной защиты мозга и системы выведения продуктов метаболизма.
Функции иммунной системы в мозге выполняет микроглия. Связь в названии с глией – вспомогательной тканью мозга – сложилась исторически, когда считали микроглию ее производной. Но позже выяснилось, что микроглиоциты имеют иное строение, а название так и осталось закрепленным.
Микроглия не только формирует и поддерживает связи между нейронами, но и распознает микроорганизмы, проявляя качества макрофага: т.е. поглощает и уничтожает патогены. Помимо них, клетки микроглии удаляют отмершие клетки и слабые синапсы (контакты нейронов).
Иллюстрация нейробиолога-художника Эммы Воуn ( Emma Vought, Medical University of South Carolina). Изображен микроглиальный фагоцитоз: клетка микроглии уничтожает нейрон, поврежденный стрессом.
Кроме уничтожения патогенов, защитная функция микроглии проявляется в поддержании целостности ГЭБ. Если в структуре барьера возникают повреждения, микроглия запускает его восстановление.
Клетки микроглии приостанавливают также процесс прионных болезней - заболеваний, вызванных особыми инфекционными патогенами, которые представляют собой белки с аномальной структурой.
Клетки микроглии в зародыше развиваются из тех же клеток-предшественников, что и другие иммунные клетки . В процессе эмбрионального развития данные клетки перемещаются в формирующуюся центральную систему и развиваются отдельно там, отличаясь от дальнейшего развития других иммунных клеток организма.
Контакт с периферическими иммунными клетками
Иммунные клетки могут при некоторых обстоятельствах проникать в мозг и взаимодействовать с собственно иммунными клетками мозга. Например, при повреждении сосудов мозга (травма, инсульт и т.п.) микроглия быстро покрывает их собой.
Через некоторое время в поврежденный мозг проникают периферические иммунные клетки (моноциты, нейтрофилы или миеломоноцитарные клетки). Данные клетки нужны для восстановления на этом этапе: моноциты работают вместе с микроглией, восстанавливая поврежденную сосудистую сеть. Но если они быстро в очень большом количестве поступают в мозг, то есть опасность развития отека, т.к. каждая прибывающая клетка открывает отверстие в сосудистой сети, через которое в мозг поступает жидкость.
Когда иммунитет поражает собственный организм
Соединение двух систем иммунитета способно также запустить аутоиммунные реакции, когда иммунные клетки начинают уничтожать клетки своего же организма.
Если имммунные клетки проникнут в мозг, они могут воспринимать белки клеток мозга как чужеродные. Нейроны очень чувствительны к воздействию иммунных факторов и такие проникновения могут вызвать воспалительные заболевания мозга.
Одним из аутоиммунных заболеваний нервной системы является рассеянный склероз - разрушение миелиновой оболочки отростков нейронов.
ГЭБ становится более проницаемым под воздействием воспалительных молекул (цитокинов). Их способны продуцировать все иммунные клетки, в том числе и микроглия. В ответ на цитокины клетки эндотелия производят молекулы сцепления, к которым присоединяются иммунные клетки. Они в большом количестве проникают в ткани мозга и, не умея распознавать и игнорировать белки нервной системы запускают синтез антител, атакующих миелин, вследствие чего разрушается миелиновая оболочка аксонов.
Различается ли микроглия у мужчин и женщин?
По данным из публикации: Нейроиммунология и Нейровоспаление 2020; 7: 13-22., автор Наталья Янгуас-Касас, Группа исследования лимфомы, НИИ здоровья Пуэрта-де-Йерро - Сеговия-де-Арана (IDIPHISA)
Донна Верлинг, нейрогенетик из Калифорнийского университета, и ее коллеги обнаружили, что гены, связанные с микроглией, за несколько месяцев до рождения более активны в мужском мозге, чем в женском.
Глимфатическая система
Описание глимфатической системы ученым М.Недергаардом в 2012г перечеркнуло старое предположение, что каждая клетка мозга справляется с отходами метаболизма своими силами. Название системе дано по аналогии с лимфатической системой и от глии - ткани данной структуры.
Глимфатическая система так же, как и лимфатическая во всем организме, удаляет метаболиты из мозга, а также распределяет в мозге глюкозу, аминокислоты, нейромедиаторы и пр . Она осуществляет это, перекачивая спинномозговую жидкость через ткани головного мозга и вымывая таким образом "отходы".
Спинномозговая жидкость проходит в полость вокруг артерий (периартериальное пространство), продвигаясь вперед за счет пульсации сосудов. Затем через канальцы проходит в астроциты, а из них - сквозь ткань мозга.
Собрав отходы из ткани мозга, жидкость проникает в полость вокруг вен (перивенозное пространство), которые выводят кровь из мозга. Глимфатическая система соединяется с лимфатической системой остальной части тела в твердой мозговой оболочке.
Далее жидкость попадает в лимфатическую систему, а из нее - в кровь.
Глимфатическая система лучше работает во время сна и чем глубже сон, тем лучше. Мозг очищается от токсичных веществ, образующихся и накопленных во время бодрствования. Во сне расширяется межклеточное пространство и жидкость по нему циркулирует свободнее.
Во время бодрствования же из-за активности нейронов ткань мозга замедляет поток жидкости, а, следовательно, и удаление вредных молекул. По результатам многих исследований, лучше система очищалась во время сна на боку.
Несмотря на свое отделение от общего иммунитета, головной мозг и ЦНС имеют собственную систему защиты и очистки. Исследование ГЭБ и микроглии сопряжено со многими трудностями.
В их числе препятствия по изучению данных структур на живых людях. Модели на животных не могут полностью служить подобием человеческих органов и процессов его физиологии. Также используются модели, выращенные на органах-чипах, с использованием человеческих клеток. Дополнением является компьютерное моделирование.
Хотя они и не являются исследованиями непосредственно в живом человеке, но все же дают много информации для расширения наших знаний о работе иммунитета мозга.
Пока еще есть достаточно "белых пятен" в функционировании микроглии и глимфатической системы. Но с возрастанием исследований в данном направлении будут получены ответы, раскрывая тайны мозга и иммунитета.
