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18.4: Die Blut-Hirn-Schranke
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The Blood-brain Barrier
 
PROTOKOLLE

18.4: The Blood-brain Barrier

18.4: Die Blut-Hirn-Schranke

Overview

The blood-brain barrier (BBB) refers to the specialized vasculature that provides the brain with nutrients in the blood while strictly regulating the movement of ions, molecules, pathogens, and other substances. It is composed of tightly linked endothelial cells on one side and astrocyte projections on the other. Together they provide a semipermeable barrier that protects the brain and poses unique challenges to the delivery of therapeutics.

Cellular Components

The BBB is made up of a variety of cellular components, including endothelial cells and astrocytes. These cells share a common basement membrane and together regulate the passage of components between the circulation and the interstitial fluid surrounding the brain.

The first type of cellular component, specialized endothelial cells, make up the walls of the cerebral capillaries. They are connected by extremely tight and complex intercellular junctions. These junctions create a selective physical barrier, preventing simple diffusion of most substances, including average to large-sized molecules such as glucose and insulin.

A second cell type, astrocytes, are a type of glial cell of the central nervous system which influences endothelial cell function, blood flow, and ion balance in the brain through interaction and close association with cerebral vasculature. They provide a direct link between the vasculature and neurons: they extend processes—called endfeet—that wrap around blood vessels on one end while making intimate contact with neurons at synapses on the other end.

Chemical Exchange

The ability of a substance to cross the BBB and the efficiency with which this exchange occurs depends on the chemical and molecular properties of each molecule or ion. In general, small lipid-soluble components, such as oxygen and carbon dioxide, undergo rapid, simple diffusion through the endothelial layer. In contrast, larger or water-soluble components often require a more selective process that may involve passive or active transport through an endothelial cell. The exchange of these substances generally occurs more slowly or may not occur at all, depending on the relative abundance and efficiency of molecule-specific receptors and transport proteins on the surface of endothelial cells, among other factors.

The BBB Protects the Brain

The neural protection facilitated by the BBB is critical to proper brain health and function. Dysregulation of the BBB can lead to severe neurological disease including multiple sclerosis, infection, and ischemia due to an inadequate blood supply. Conversely, the activity of the BBB may be detrimental to the treatment of some neurologic diseases by preventing or substantially reducing the passage of neuroactive pharmaceutical drugs into the central nervous system. For this reason, drugs with neurological targets must be designed in a way that facilitates passage through the BBB.

Überblick

Die Blut-Hirn-Schranke (BHS) bezeichnet das spezialisierte Gefäßsystem, welches das Gehirn mit Nährstoffen im Blut versorgt. Gleichzeitig reguliert es die Bewegung von Ionen, Molekülen, Krankheitserregern und anderen Substanzen streng. Sie besteht aus eng miteinander verbundenen Endothelzellen auf der einen Seite und Astrozytenvorsprüngen auf der anderen Seite. Zusammen bilden sie eine semipermeable Schranke, die das Gehirn schützt. Daher stellt sie auch eine einzigartige Herausforderungen bei der Verabreichung von Medikamenten dar.

Zelluläre Komponente

Die BHS besteht aus einer Vielzahl von zellulären Komponenten, wozu auch die erwähnten Endothelzellen und Astrozyten gehören. Diese Zellen teilen sich eine gemeinsame Basalmembran und regulieren gemeinsam den Durchgang der Komponenten zwischen dem Kreislauf und der das Gehirn umgebenden interstitiellen Flüssigkeit.

Die Endothelzellen bilden die Wände der Hirnkapillaren. Sie sind durch extrem enge und komplexe interzelluläre Verbindungen miteinander verbunden. Diese Verbindungen bilden eine selektive physikalische Barriere, die eine einfache Diffusion der meisten Substanzen, einschließlich mittelgroßer bis großer Moleküle wie Glucose und Insulin, verhindert.

Ein zweiter Zelltyp, die Astrozyten, sind ein Typ von Gliazellen des Zentralnervensystems, der die Endothelzellfunktion, den Blutfluss und den Ionenausgleich im Gehirn durch Interaktion und enge Verbindung mit der zerebralen Gefäßversorgung beeinflussen kann. Astrozyten stellen eine direkte Verbindung zwischen dem Gefäßsystem und den Neuronen her. Sie verlängern Prozesse,so genannte Endfüße, die sich an einem Ende um die Blutgefäße wickeln, während sie am anderen Ende in engen Kontakt mit den Neuronen an den Synapsen treten.

Chemischer Austausch

Die Fähigkeit einer Substanz, die BHS zu durchqueren und die Effizienz, mit der dieser Austausch stattfindet, hängt von den chemischen und molekularen Eigenschaften jedes Moleküls oder Ions ab. Im Allgemeinen werden kleine lipidlösliche Bestandteile wie Sauerstoff und Kohlendioxid schnell und einfach durch die Endothelschicht diffundiert. Im Gegensatz dazu erfordern größere oder wasserlösliche Komponenten oft einen selektiveren Prozess, der einen passiven oder aktiven Transport durch eine Endothelzelle beinhalten kann. Der Austausch dieser Substanzen erfolgt in der Regel langsamer oder gar nicht, abhängig u.a. von der relativen Häufigkeit und Effizienz der molekularen Rezeptoren und Transportproteine auf der Oberfläche der Endothelzellen.

Die BHS schützt das Gehirn

Der durch die BHS ermöglichte neurale Schutz ist für die Gesundheit und Funktion des Gehirns von entscheidender Bedeutung. Eine Dysregulation der BHS kann zu schweren neurologischen Erkrankungen wie Multipler Sklerose, Infektionen und Ischämie aufgrund einer unzureichenden Blutversorgung führen. Umgekehrt kann sich die Aktivität der BHS nachteilig auf die Behandlung einiger neurologischer Erkrankungen auswirken. So kann die Aktivität der BHS die Passage von neuroaktiven Arzneimitteln in das zentrale Nervensystem verhindern oder erheblich reduzieren. Aus diesem Grund müssen Medikamente mit neurologischen Zielstrukturen so konzipiert sein, dass die Durchwanderung der BHS erleichtert wird.


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