Влияние глии на состав межклеточной среды. Гематоэнцефалический барьер.

Обновлено: 14.05.2024

Гематоэнцефалический барьер (ГЭБ) — барьер между кровью и нервной тканью. Это сложная анатомическая, физиологическая и биохимическая система, от которой зависит, какие вещества и с какой скоростью проникают в центральную нервную систему из крови. Существование ГЭБ связано с тем, что нейроны очень чувствительны к воздействию на них различных химических соединений, а их популяция почти не восполняется в течение жизни. Первые свидетельства существования ГЭБ были найдены немецким ученым Паулем Эрлихом, который обнаружил, что при введении в кровь краситель пигментирует различные ткани организма, но не проникает в ткань мозга.

Капилляры, которые пронизывают нервную ткань, принципиально отличаются от всех остальных: в них нет щелей между клетками эндотелия (клеточной оболочки капилляров), а края эндотелиальных клеток сшиты друг с другом специальными белковыми молекулами, образуя плотные контакты. В результате проницаемость таких капилляров минимальна. Свободно путем диффузии из крови в межклеточную жидкость мозга проходят только кислород, углекислый газ, вода и мочевина, и их путь из полости капилляра проходит через клетку эндотелия. Также в передаче питательных веществ из крови нейронам активно участвуют астроциты — специальные клетки нейроглии.

Нейроглия

Помимо нейронов к нервной ткани относятся клетки нейроглии - нейроглиоциты. Они были открыты в XIX в. немецким цитологом Р.Вирховым, который определил их, как клетки, соединяющие нейроны (греч. glia - клей), заполняющие пространства между ними. В дальнейшем было выявлено, что нейроглиоциты - очень обширная группа клеточных элементов, отличающихся своими строением, происхождением и выполняемыми функциями. Стало понятно, что нейроглия функционирует в мозгу не только как трофическая (питающая) или опорная ткань. Глиальные клетки принимают также участие и в специфических нервных процессах, активно влияя на деятельность нейронов.

Клетки нейроглии имеют ряд общих черт строения с нейронами. Так, в цитоплазме глиоцитов найден тигроид (вещество Ниссля), глиальные клетки, как и нейроны, имеют отростки.

Вместе с тем, глиоциты значительно меньше по размеру, чем нейроны (в 3-4 раза), и их в 5-10 раз больше, чем нервных клеток. Отростки глиальных клеток не дифференцированы ни по строению, ни по функциям. Глиальные клетки сохраняют способность к делению в течение всей жизни организма. Благодаря этой особенности они (когда такое деление приобретает патологический характер) могут являться основой образования опухолей - глиом в нервной системе. Увеличение массы мозга после рождения также идет, в первую очередь, за счет деления и развития клеток нейроглии.

Выделяют несколько типов глиальных клеток. Основные из них - это астроциты, олигодендроциты, эпендимоциты и микроглия (рис. 10). К глиоцитам относят также клетки, находящиеся в периферической нервной системе - шванновские клетки (леммоциты) и клетки-сателлиты в нервных ганглиях.

Эпендимная глия. Эпендимоциты образуют одинарный слой клеток эпендиму, которая выстилает полости нервной системы - спинномозговой канал, желудочки головного мозга, мозговой водопровод). Эпендимоциты имеют кубическую или цилиндрическую форму. На ранних стадиях развития у них есть реснички, обращенные в мозговые полости. Они способствуют проталкиванию цереброспинальной жидкости (ликвора). Позже реснички исчезают, сохраняясь лишь в некоторых участках, например в водопроводе.

Клетки эпендимы активно регулируют обмен веществами между мозгом и кровью, с одной стороны, и ликвором и кровью с другой. Например, эпендимоциты, находящиеся в области сосудистых сплетений и покрывающие выпячивания мягкой мозговой оболочки (см. 4.1), принимают участие в фильтрации химических соединений из кровеносных капилляров в ликвор. Некоторые эпендимные клетки имеют длинные цитоплазматические отростки, глубоко вдающиеся в ткань мозга. У таких эпендимоцитов в III желудочке (полости промежуточного мозга) отростки заканчиваются пластинчатым расширением на кровеносных капиллярах гипофиза. В этом случае эпендимоциты участвуют в транспорте веществ из ликвора в кровеносную сеть гипофиза.

Астроцитарная глия. Астроциты расположены во всех отделах нервной системы. Это самые крупные и многочисленные из глиальных клеток. Имеется две разновидности астроцитов - волокнистые (фиброзные) и протоплазматические. Волокнистые астроциты имеют длинные прямые неветвящиеся отростки. Эти клетки расположены главным образом в белом веществе между волокнами. У протоплазматических астроцитов много коротких сильно ветвящихся отростков, и они в основном лежат в сером веществе.

Функции астроцитов очень разнообразны. Они заполняют пространство между телами нейронов и их волокнами, выполняя таким образом опорную и изолирующую функции. Во время эмбрионального развития вдоль отростков астроцитов осуществляется движение нейронов. Астроциты также образуют рубец при разрушении нервной ткани.

Астроциты активно участвуют в метаболизме нервной системы. Они регулируют водно-солевой обмен, являясь своеобразной губкой, которая поглощает избыточную воду и быстро ее отдает. При оттоке воды из нервной системы объем астроцитов резко уменьшается. Явления отека мозга часто связаны с изменением структуры этих клеток. Астроциты могут, кроме того, регулировать концентрацию ионов в межклеточной среде. Например, при быстром выделении туда ионов К + при генерации потенциала действия, часть калия поглощается астроцитарной глией. Участвуют астроциты также в метаболизме нейромедиаторов, которые они могут захватывать из синаптической щели. В целом можно сказать, что этот вид нейроглии поддерживает постоянство межклеточной среды мозга.

Еще одна функция астроцитов состоит в том, что они принимают участие в работе гемато-энцефалического барьера (ГЭБ) - барьера между кровью (греч. haimatos, кровь) и мозгом. ГЭБ - сложная анатомическая, физиологическая и биохимическая система, от которой зависит, какие вещества и с какой скоростью проникают в ЦНС из крови. Существование ГЭБ связано с тем, что нейроны очень чувствительны к воздействию на них различных химических соединений, а если нейрон погибает, то его уже не может заменить новая клетка. ГЭБ возникает, в первую очередь, благодаря особенностям стенок капилляров, проницаемость которых в нервной системе гораздо ниже, чем в других частях организма. Кроме того, между капиллярами и нейронами находится слой астроцитов, которые образуют специальные выросты - ножки, обхватывающие наподобие манжеты кровеносный капилляр. Таким образом астроциты могут задерживать часть вредных веществ, пытающихся проникнуть из крови в мозг.

Благодаря ГЭБ проникновение химических веществ из крови в нервную ткань очень ограничено. ГЭБ не пропускает к нейронам целый ряд соединений - в первую очередь, это токсины (яды, вырабатываемые микроорганизмами, растениями и животными) и отходы обмена веществ. ГЭБ не пропускает и некоторые вещества, поступающие с пищей, если они могут оказывать вредное влияние на нервную систему. Он же ограничивает прохождение в мозг некоторых лечебных препаратов. В связи с этим фармакологи при разработке новых лекарств обращают специальное внимание на создание молекул, которые могли бы преодолевать ГЭБ. Нарушения в работе ГЭБ могут привести к различным заболеваниям. Например, при повышении температуры тела нарушаются контакты между глиальными ножками и кровеносным сосудом, что повышает вероятность проникновения инфекционных агентов в мозг.

Олигодендроглия. Олигодендроцитыгораздо мельче, чем астроциты. Их отростки немногочисленны. Эти клетки находятся и в сером, и в белом веществе, являясь спутниками нейронов и нервных волокон.

Также как и астроциты олигодендроциты выполняют трофическую функцию, и ряд питательных веществ поступает к нейронам через них. Предполагается, что олигодендроциты участвуют в регенерации нервных волокон. Но у олигодендроглии есть и специфическая функция: при помощи этих клеток образуются оболочки вокруг нервных волокон (см. выше). В безмиелиновых волокнах цепочки олигодендроцитов расположены вдоль всего волокна. Отдельные клетки обхватывают небольшие участки волокна, изолируя его от других волокон. Это способствует тому, что нервный импульс проводится по каждому волокну изолированно, не влияя на процессы, происходящие в соседних волокнах.

В периферической нервной системе аналогами олигодендроцитов являются шванновские клетки, которые также образуют оболочки (как миелиновые, так и безмиелиновые) вокруг волокон.

Микроглия. Микроглиоцитысамые мелкие из глиальных клеток. Основная их функция - защитная. Они являются фагоцитами нервной системы, за что их называют еще глиальными макрофагами. Количество этих клеток очень варьирует в зависимости от функционального состояния нервной системы. При различных экзо- и эндогенных вредных влияниях (травма, воспаление и т.п.) они резко увеличиваются в размерах, начинают делиться и устремляются в очаг поражения. Здесь микроглиоциты устраняют чужеродные клетки, например, бактерии, и разного рода тканевые остатки путем фагоцитоза.

Клетки микроглии играют важную роль в развитии поражений нервной системы при СПИДе. Вместе с клетками крови они разносят вирус иммунодефицита по ЦНС.

Нейроглия. Гематоэнцефалический барьер

Нейроглию подразделяют на макроглию и микроглию. Клетки макроглии - астроциты, олигодендроциты и эпендимоциты выполняют в нервной системе важные функции.

Олигодендроциты образуют мякотные (миелиновые) оболочки вокруг нервных волокон (рис. 59). Олигодендроциты также окружают со всех сторон нейроны и обеспечивают для них питание и выделение.

Астроциты осуществляют опорную функцию, заполняя пространство между нейронами, а также замещая погибшие нервные клетки. На нейроне обычно оканчиваются аксоны многих других нервных клеток, и все они изолированы друг от друга астроцитами. Астроциты очень часто заканчиваются своими отростками на кровеносных сосудах, образуя так называемые сосудистые ножки (рис. 60) и участвуя в образовании гематоэнцефалического барьера. Астроциты также способны уничтожать микробы и вредные вещества.

Эпендимоциты - это эпителиальные клетки, выстилающие полости желудочков мозга. Один отросток эпендимоцита доходит до кровеносного сосуда. Полагают, что эпендимоциты являются посредниками между кровеносным сосудом и полостью мозговых желудочков, заполненных спинномозговой жидкостью.

Источником клеток микроглии служат мозговая оболочка, стенка кровеносных сосудов и сосудистая оболочка желудочков мозга. Клетки микроглии способны передвигаться. Они осуществляют захват и последующую переработку попавших в организм микробов, инородных веществ, а также отмерших элементов мозга. Скопления клеток микроглии часто наблюдаются около участков поврежденного мозгового вещества.

Большую роль клетки нейроглии играют в осуществлении барьера между кровью и мозгом, так называемого гематоэнцефалического барьера. Не все вещества, попадающие в кровь, могут проникнуть в мозг. Они задерживаются гематоэнцефалическим барьером, который предохраняет мозг от поступления из крови различных вредных для него веществ, а также многих бактерий. В выполнении барьерных функций наряду с другими структурными образованиями участвуют астроциты. Сосудистые ножки астроцитов со всех сторон окружают кровеносный капилляр, плотно соединяясь между собой.

Если по каким-то причинам гематоэнцефалический барьер нарушается, то микробы или ненужные вещества могут проникнуть в мозг и в первую очередь в цереброспинальную жидкость. Цереброспинальная, или спинномозговая жидкость, или ликвор - это внутренняя среда мозга, поддерживающая его солевой состав, участвующая в питании мозговых клеток и удалении из них продуктов распада. Она также поддерживает внутричерепное давление, является гидравлической подушкой мозга, предохраняющей нервные клетки от повреждений при ходьбе, беге, прыжках и других движениях.

Цереброспинальная жидкость заполняет желудочки головного мозга, центральный канал спинного мозга, пространства между оболочками, как головного, так и спинного мозга. Она постоянно циркулирует. Нарушение ее циркуляции ведет к расстройствам деятельности ЦНС. Количество цереброспинальной жидкости у взрослого человека равно 120-150 мл. Главным местом ее образования являются сосудистые сплетения желудочков мозга. Спинномозговая жидкость обновляется 3-7 раз в сутки. В ней отсутствуют ферменты и иммунные тела, содержится небольшое количество лимфоцитов. В ней меньше, чем в крови, белков и примерно такое же, как в крови, содержание минеральных солей.

Многие вещества, находящиеся в крови или искусственно вводимые в кровь, совсем не попадают в спинномозговую жидкость и соответственно в клетки мозга. Гематоэнцефалический барьер практически непроницаем для многих биологически активных веществ крови: адреналина, ацетилхолина, серотонина, гамма-аминомасляной кислоты, инсулина, тироксина и др. Также он мало проницаем для многих антибиотиков, например пенициллина, тетрациклина, стрептомицина. Поэтому некоторые лекарства, например многие антибиотики, для лечения нейронов спинного или головного мозга приходится вводить непосредственно в цереброспинальную жидкость, прокалывая оболочки спинного мозга. Вместе с тем, такие вещества как алкоголь, хлороформ, морфий, столбнячный токсин легко проникают через гематоэнцефалический барьер в цереброспинальную жидкость и быстро действуют на нейроны мозга.

Проницаемость гематоэнцефалического барьера регулируется центральной нервной системой. Благодаря этому мозг может в определенной мере сам регулировать собственное функциональное состояние. Кроме того, в отдельных областях головного мозга гематоэнцефалический барьер слабо выражен. В этих областях капилляры не полностью окружены астроцитами и нейроны могут непосредственно контактировать с капиллярами. Гематоэнцефалический барьер слабо выражен в гипоталамусе, эпифизе, нейрогипофизе, на границе продолговатого и спинного мозга. Высокая проницаемость барьера в этих областях мозга позволяет ЦНС получить информацию о составе крови и спинномозговой жидкости, а также обеспечить попадание в кровь секретируемых в ЦНС нейрогормонов.

Структурно-функциональная характеристика глиальных клеток

Нейроны в нервной системе окружены вспомогательными клетками, которые называются глией или нейроглией (греч. «glia» - клей). Термин «нейроглия» ввел Р. Вирхов в 1846 г, считавший, что эти клетки «склеивают» нейроны. Количество глиальных клеток в ЦНС в 9 раз превышает количество нейронов (R. Douglas Fields, 2004). Их размеры в 3-4 раза меньше размеров нейронов. С возрастом их количество в нервной системе увеличивается, так как они сохраняют способность к размножению. В ЦНС млекопитающих их насчитывается до 140 млрд. В настоящее время резко возрос интерес к исследованию глии. Современные исследования показывают, что клетки глии способны изменять нейронные сигналы на уровне синаптических контактов между нейронами и влиять на образование синапсов. Предполагается, что глия может играть решающую роль в процессах обучения и памяти, а также участвовать в восстановлении поврежденных нервов.

Глиальные клетки бывают 4 типов:

Три типа клеток - олигодендроциты,астроциты и эпендимныеклетки - относятся к макроглиальным клеткам, они имеют общее происхождение с нейронами. Клетки 4-го типа - клетки микроглии - являются макрофагами, мигрировавшими во время эмбрионального развития из кровотока в ткани мозга.

1. Олигодендроциты - это поддерживающие и изолирующие клетки, расположенные в ЦНС; аналогичные клетки в периферической нервной системе называются шванновскими клетками.

Олигодендроциты образуют отростки, которые покрывают и изолируют нервные клетки и волокна. Мембрана отростков олигодендроцитов накручивается вокруг соответствующего фрагмента каждого аксона с небольшими межклеточными промежутками между ними (перехватами Ранвье). Затем оболочки наполняются миелином. Миелин образован липидами и мембранными белками.

В периферической нервной системе миелинизацию осуществляют шванновские клетки.

2. Астроциты (от греч. «astron» - звезда) имеют множество отростков, расходящихся от тела клетки во всех направлениях, придавая ей вид звезды (см. рис. в табл. 2). Они встречаются в нервной системе в наибольшем количестве, образуя множество контактов между собой и с нейронами. Астроциты обеспечивают доставку веществ от капилляров к нейронам, участвуют в организации гематоэнцефалического барьера (подробней см. Лекцию 3). Доказано, что при нарушении функционирования мозга именно астроциты накапливают излишнее количество воды, вызывая отек, поэтому считают важным их участие в водно-солевом обмене. Микроскопические исследования показали, что при перерезке аксона астроциты создают цепочку, направляющую прорастание аксона к требуемому синапсу.

3. Эпендимные клеткиобразуют непрерывную выстилку стенок желудочков мозга и центрального канала спинного мозга. Эти клетки похожи на клетки кубического однослойного эпителия, их длинные цитоплазматические отростки глубоко проникают в подлежащую нервную ткань. Эпендимные клетки выполняют транспортную и секреторную функцию, принимая участие в образовании спинномозговой жидкости.

4. Микроглия представлена мелкими клетками с множеством отростков. Они поступают в мозг во время зародышевого развития из кровеносных сосудов. Видимо образуются в красном костном мозге (где образуются все клетки крови), то есть являются клетками-«пришельцами". Клетки микроглии выполняют в ЦНС фагоцитарную функцию, удаляя погибшие нервные и глиальные клетки, вирусы и бактерии.

Функциональная роль нейроглии (по В.И. Козлову, Т.А. Цехмистренко, 2003 с изменениями)

Защитная система мозга

О том, как развивалась история изучения нервных клеток, почему сложно доставлять лекарства напрямую в мозг и как Лина Штерн придумала концепцию защитной системы мозга, рассказывает биолог Наталья Фонсова

Изучая клеточное строение нервной системы, Камилло Гольджи заметил внутри нейронов тонкую сеть из переплетенных нитей — органоид, с которым связано формирование внутриклеточных включений. Эта система получила название комплекса Гольджи и позднее была обнаружена во многих других клетках

В синапсах происходит преобразование электрических сигналов в химические и обратно — химических в электрические. Таким образом, синапс — это место функционального контакта между нейронами, в котором происходит передача информации от одной клетки к другой.

Не стоит забывать о процессе нейрогенеза: все же в мозге взрослого человека способны образовываться новые нейроны, но это возможно только в субвентрикулярной зоне и гиппокампе.

Различают пассивный и активный транспорт веществ внутри клеток. Пассивный транспорт происходит без затрат энергии и осуществляется по электрохимическим градиентам. Активный транспорт требует энергии, которая часто расходуется в результате разрыва химических связей АТФ и происходит вопреки концентрационному или электрическому градиенту.

Читайте также: