La barriera emato-encefalica è una struttura che protegge il cervello da sostanze potenzialmente dannose presenti nel sangue, mantenendo l’ambiente cerebrale stabile, ma rappresenta anche una barriera alla somministrazione di trattamenti terapeutici per le malattie neurologiche.
Anatomia e fisiologia
La barriera emato-encefalica è una struttura altamente selettiva che protegge il cervello dalle sostanze potenzialmente dannose presenti nel sangue. Essa regola l’ambiente cerebrale, mantenendo l’omeostasi e permettendo il corretto funzionamento del sistema nervoso centrale.
È costituita da vari componenti cellulari e molecolari:
- Cellule endoteliali collegate tra loro da giunzioni strette. Queste giunzioni impediscono il passaggio non regolato di molecole e mantengono l’integrità della barriera.
- Una membrana basale (sottile matrice extracellulare) che fornisce supporto strutturale alle cellule endoteliali e agisce come ulteriore barriera fisica contro il passaggio di sostanze.
- Periciti, cellule situate intorno ai capillari e ai piccoli vasi sanguigni, che contribuiscono alla stabilità vascolare, alla regolazione del flusso sanguigno e alla risposta infiammatoria.
- Astrociti, cellule gliali che contribuiscono alla formazione e al mantenimento della barriera emato-encefalica. I loro prolungamenti, chiamati “piedi perivascolari”, avvolgono i vasi sanguigni cerebrali e interagiscono con le cellule endoteliali per supportare la funzione della barriera.
Meccanismi di trasporto attraverso la barriera e permeabilità
La barriera emato-encefalica utilizza diversi meccanismi per il trasporto di molecole tra il sangue e il cervello:
- Diffusione passiva: piccole molecole liposolubili (come l’ossigeno e l’anidride carbonica) possono attraversare la barriera per diffusione passiva. Questo processo non richiede energia e avviene secondo il gradiente di concentrazione (movimento dalla zona di maggiore concentrazione a quella di minore concentrazione).
- Trasporto attivo molecole essenziali come il glucosio e gli aminoacidi vengono trasportate attivamente attraverso la barriera emato-encefalica da proteine carrier (proteine di membrana). Questo processo richiede energia perché le molecole vengono spostate contro il loro gradiente di concentrazione.
- Transcitosi: processo che prevede l’endocitosi (ingresso) della molecola da un lato della cellula e l’esocitosi (uscita) dall’altro lato.
- Sistemi di efflusso: alcuni trasportatori, come la glicoproteina-P, espellono molecole potenzialmente tossiche o farmaci dal cervello verso il sangue, mantenendo così l’ambiente cerebrale protetto.
La permeabilità della barriera emato-encefalica non è statica e può essere influenzata da vari fattori:
- Infiammazione: durante un’infiammazione, le citochine pro-infiammatorie possono aumentare la permeabilità della barriera emato-encefalica, permettendo l’ingresso di cellule immunitarie e altre molecole.
- Età: la barriera emato-encefalica può diventare più permeabile con l’invecchiamento, aumentando la vulnerabilità del cervello alle sostanze tossiche.
- Stress e Malattie: condizioni di stress, traumi e alcune malattie neurologiche possono alterare la funzione della barriera emato-encefalica.
Gli astrociti giocano un ruolo fondamentale nella barriera. Essi non solo forniscono supporto strutturale, ma secernono anche fattori di crescita e altre molecole che influenzano la permeabilità e la funzione delle cellule endoteliali. La loro interazione con i vasi sanguigni è critica per mantenere l’integrità della barriera emato-encefalica e garantire una protezione efficace del cervello.
Sviluppo
La barriera emato-encefalica si forma durante lo sviluppo embrionale e continua a maturare nel periodo postnatale. Nei neonati, la barriera emato-encefalica è più permeabile rispetto agli adulti, il che può influenzare la vulnerabilità a certe infezioni e tossine.
Farmaci e sostanze che possono attraversare o meno la barriera e loro utilizzo terapeutico
La barriera emato-encefalica svolge un ruolo cruciale nella regolazione del passaggio di farmaci e sostanze dal flusso sanguigno al cervello, determinando così la loro efficacia terapeutica o il loro potenziale tossico. Farmaci lipofili di piccole dimensioni, come benzodiazepine e anestetici generali, possono attraversare la barriera emato-encefalica per diffusione passiva grazie alla loro solubilità nei lipidi . Al contrario, molecole idrofile e di grandi dimensioni, come molti antibiotici e chemioterapici, vengono generalmente escluse, limitando così la loro utilità nel trattamento delle infezioni cerebrali e dei tumori.
Il trasporto attivo è un altro meccanismo importante attraverso cui nutrienti essenziali e specifici farmaci vengono trasferiti nel cervello. Ad esempio, il glucosio e gli aminoacidi utilizzano trasportatori specifici per attraversare la barriera emato-encefalica. Farmaci progettati per mimare queste molecole possono sfruttare tali trasportatori per raggiungere il cervello, come nel caso del L-DOPA, usato nel trattamento del Parkinson.
Le glicoproteine di efflusso, come la P-glicoproteina, espellono attivamente molte sostanze, riducendo l’accumulo di farmaci potenzialmente tossici nel cervello. Tuttavia, questa caratteristica rappresenta anche una sfida nell’ottenere concentrazioni terapeutiche efficaci di certi farmaci.
Esistono strategie innovative per superare queste barriere, tra cui nanoparticelle, veicoli liposomiali e l’uso di ultrasuoni focalizzati per aumentare temporaneamente la permeabilità della barriera emato-encefalica. Tuttavia, la ricerca in questo campo è complessa e deve affrontare diverse sfide, come la possibilità di danni tissutali o effetti collaterali sistemici. Nonostante i progressi, la comprensione dei meccanismi specifici e della sicurezza a lungo termine di queste tecniche è ancora oggetto di studio.
Considerazioni cliniche
La barriera emato-encefalica rappresenta un ostacolo nella somministrazione di farmaci al cervello. Molti farmaci potenzialmente efficaci non possono facilmente attraversare la barriera. Per aumentare la permeabilità della barriera emato-encefalica devono quindi venire adottate strategie particolari come l’uso di nanoparticelle, ultrasuoni focalizzati e tecniche iperosmolari.
Le alterazioni della barriera emato-encefalica sono presenti in diverse malattie neurologiche, tra cui la sclerosi multipla, l’Alzheimer e le infezioni del sistema nervoso centrale. Ad esempio in alcuni tumori cerebrali, come i gliomi o gli astrocitomi, la barriera emato-encefalica può essere compromessa, influenzando l’efficacia dei trattamenti farmacologici (potenzialmente migliorando l’efficacia terapeutica, ma anche gli effetti collaterali).
Fonti bibliografiche
Training and Career Development. (n.d.). NHLBI, NIH. Retrieved July 20, 2024, from https://www.nhlbi.nih.gov/grants-and-training/training-and-career-development
Definition of blood-brain barrier – NCI Dictionary of Cancer Terms. (n.d.). Cancer.Gov. Retrieved July 20, 2024, from https://www.cancer.gov/publications/dictionaries/cancer-terms/def/blood-brain-barrier
How cancer vesicles breach the blood-brain barrier. (2019, September 30). National Institutes of Health (NIH). https://www.nih.gov/news-events/nih-research-matters/how-cancer-vesicles-breach-blood-brain-barrier
Banks, W. A. (2016). From blood–brain barrier to blood–brain interface: new opportunities for CNS drug delivery. Nature Reviews Drug Discovery, 15(4), 275–292. https://doi.org/10.1038/nrd.2015.21
Pisano, M. M., Bhattacherjee, V., Wong, L., Finnell, R. H., & Greene, R. M. (2010). Novel folate binding protein-1 interactions in embryonic orofacial tissue. Life Sciences, 86(7–8), 275–280. https://doi.org/10.1016/j.lfs.2009.12.011