سد خونی-مغزی و سد خونی-مایع مغزی-نخاعی

BLOOD-BRAIN AND BLOOD- CEREBROSPINAL FLUID BARRIERS

The CNS requires a very stable environment in order to function normally. This stability is provided by isolating the nervous system from the blood by the existence of the so-called blood-brain barrier (BBB) and the blood- cerebrospinal fluid barrier.

سدهای خونی-مغزی و خونی-مایع مغزی-نخاعی

سیستم عصبی مرکزی برای عملکرد طبیعی خود به محیطی بسیار پایدار نیاز دارد. این پایداری با جداسازی سیستم عصبی از خون به وسیله‌ی وجود سد خونی-مغزی (BBB) ​​و سد خونی-مایع مغزی-نخاعی تأمین می‌شود.

Blood-Brain Barrier

The experiments of Paul Ehrlich in 1882 showed that living animals injected intravascularly with vital dyes, such as trypan blue, demonstrated staining of all the tissues of the body except the brain and spinal cord. Later, researchers demonstrated that although most of the brain is not stained after the intravenous injection of trypan blue, the following areas do become stained: the pineal gland, the posterior lobe of the pituitary, the tuber cinereum, the wall of the optic recess, and the vascular area postrema (area of the medulla on the floor of the fourth ventricle just rostral to the opening into the central canal). These observations led to the concept of a BBB (for which blood-brain-spinal cord barrier would be a more accurate name).

سد خونی-مغزی

آزمایش‌های پاول ارلیش در سال ۱۸۸۲ نشان داد که حیوانات زنده‌ای که به صورت داخل عروقی با رنگ‌های حیاتی مانند تریپان بلو تزریق می‌شوند، رنگ‌آمیزی تمام بافت‌های بدن به جز مغز و نخاع را نشان می‌دهند. بعدها، محققان نشان دادند که اگرچه بیشتر مغز پس از تزریق داخل وریدی تریپان بلو رنگ نمی‌گیرد، اما نواحی زیر رنگ می‌گیرند: غده پینه‌آل، لوب خلفی هیپوفیز، غده سینروم، دیواره فرورفتگی بینایی و ناحیه عروقی پوسترما (ناحیه‌ای از بصل‌النخاع در کف بطن چهارم، درست در قسمت قدامی دهانه کانال مرکزی). این مشاهدات منجر به مفهوم سد خونی-مغزی-نخاعی (BBB) ​​شد (که سد خونی-مغزی-نخاعی نام دقیق‌تری برای آن خواهد بود).

BBB permeability is inversely related to the size of the molecules and directly related to their lipid solubility. Gases and water pass readily through the barrier, whereas glucose and electrolytes pass more slowly. The barrier is almost impermeable to plasma proteins and other large organic molecules. Compounds with molecular weights of about 60,000 and higher remain within the blood circulatory system. This would explain why in the early experiments with trypan blue, which quickly binds to the plasma protein albumin, the dye did not pass into the neural tissue in the greater part of the brain.

نفوذپذیری سد خونی مغزی (BBB) ​​با اندازه مولکول‌ها رابطه معکوس و با حلالیت آنها در چربی رابطه مستقیم دارد. گازها و آب به راحتی از این سد عبور می‌کنند، در حالی که گلوکز و الکترولیت‌ها کندتر عبور می‌کنند. این سد تقریباً نسبت به پروتئین‌های پلاسما و سایر مولکول‌های آلی بزرگ نفوذناپذیر است. ترکیباتی با وزن مولکولی حدود ۶۰۰۰۰ و بالاتر در سیستم گردش خون باقی می‌مانند. این امر توضیح می‌دهد که چرا در آزمایش‌های اولیه با تریپان بلو، که به سرعت به پروتئین پلاسما، آلبومین، متصل می‌شود، این رنگ در بخش بیشتری از مغز به بافت عصبی نفوذ نکرد.

Structure

Examination of a CNS electron micrograph shows that the lumen of a blood capillary is separated from the extracellular spaces around the neurons and neuroglia by the following structures: (1) the endothelial cells in the wall of the capillary, (2) a continuous basement membrane surrounding the capillary outside the endothelial cells, and (3) the foot processes of the astrocytes that adhere to the outer surface of the capillary wall (Fig. 16-20).

ساختار

بررسی یک ریزنگار الکترونی سیستم عصبی مرکزی نشان می‌دهد که لومن یک مویرگ خونی توسط ساختارهای زیر از فضاهای خارج سلولی اطراف نورون‌ها و نوروگلیاها جدا می‌شود: (1) سلول‌های اندوتلیال در دیواره مویرگ، (2) یک غشای پایه پیوسته که مویرگ را در خارج از سلول‌های اندوتلیال احاطه کرده است، و (3) زوائد پایی آستروسیت‌ها که به سطح خارجی دیواره مویرگ چسبیده‌اند (شکل 16-20).

The use of electron-dense markers such as lanthanum and horseradish peroxidase has shown that these substances do not penetrate between the endothelial cells of the capillaries because of the presence of tight junctions that form belts around the cells. When the dense markers are introduced into the extracellular spaces of the neuropil, they pass between the perivascular foot processes of the astrocytes as far as the endothelial lining of the capillary. This evidence demonstrates that the tight junctions between the endothelial cells of the blood capillaries are responsible for the BBB. (Peripheral nerves are isolated from the blood in the same manner as those of the CNS. The endothelial cells of the blood capillaries in the endoneurium have tight junctions; thus, there is a blood-nerve barrier.) In molecular terms, the BBB is thus a continuous lipid bilayer that encircles the endothelial cells and isolates the brain tissue from the blood. This explains how lipophilic molecules can readily diffuse through the barrier, whereas hydrophilic molecules are excluded.

استفاده از نشانگرهای الکترون-متراکم مانند لانتانیم و پراکسیداز ترب کوهی نشان داده است که این مواد به دلیل وجود اتصالات محکم که کمربندهایی را در اطراف سلول‌ها تشکیل می‌دهند، بین سلول‌های اندوتلیال مویرگ‌ها نفوذ نمی‌کنند. هنگامی که نشانگرهای متراکم به فضاهای خارج سلولی نوروپیل وارد می‌شوند، از بین زوائد پای اطراف عروقی آستروسیت‌ها تا پوشش اندوتلیال مویرگ عبور می‌کنند. این شواهد نشان می‌دهد که اتصالات محکم بین سلول‌های اندوتلیال مویرگ‌های خونی مسئول سد خونی-مغزی هستند. (اعصاب محیطی به همان روشی که اعصاب سیستم عصبی مرکزی از خون جدا می‌شوند، از خون جدا می‌شوند. سلول‌های اندوتلیال مویرگ‌های خونی در اندونوریوم دارای اتصالات محکم هستند؛ بنابراین، یک سد خونی-عصبی وجود دارد.) از نظر مولکولی، سد خونی-مغزی یک لایه دولایه لیپیدی پیوسته است که سلول‌های اندوتلیال را احاطه کرده و بافت مغز را از خون جدا می‌کند. این توضیح می‌دهد که چگونه مولکول‌های لیپوفیل می‌توانند به راحتی از میان مانع عبور کنند، در حالی که مولکول‌های هیدروفیل از این امر مستثنی هستند.

Although a BBB exists in the newborn, it is likely more permeable to certain substances than it is in the adult.

اگرچه سد خونی مغزی (BBB) ​​در نوزاد وجود دارد، اما احتمالاً نسبت به مواد خاصی نفوذپذیرتر از بزرگسالان است.

BBB structure is not identical in all CNS regions: In those areas where it appears to be absent, the capillary endothelium contains fenestrations across which proteins and small organic molecules may pass from the blood to the nervous tissue (Fig. 16-21). The area postrema of the floor of the fourth ventricle and the hypothalamus may serve as sites at which neuronal receptors may sample the chemical content of the plasma directly. The hypothalamus, which is involved in the regulation of the metabolic activity of the body, might bring about appropriate modifications of activity, thereby protecting the nervous tissue.

ساختار سد خونی مغزی در تمام نواحی سیستم عصبی مرکزی یکسان نیست: در مناطقی که به نظر می‌رسد وجود ندارد، اندوتلیوم مویرگی حاوی روزنه‌هایی است که پروتئین‌ها و مولکول‌های آلی کوچک ممکن است از طریق آنها از خون به بافت عصبی منتقل شوند (شکل 16-21). ناحیه پوسترما در کف بطن چهارم و هیپوتالاموس ممکن است به عنوان مکان‌هایی عمل کند که گیرنده‌های عصبی می‌توانند مستقیماً از محتوای شیمیایی پلاسما نمونه‌برداری کنند. هیپوتالاموس، که در تنظیم فعالیت متابولیک بدن نقش دارد، ممکن است تغییرات مناسبی در فعالیت ایجاد کند و از این طریق از بافت عصبی محافظت کند.

Figure 16-20 Cross section of a blood capillary of the central nervous system in the area where the blood-brain barrier exists.

شکل ۱۶-۲۰ برش عرضی یک مویرگ خونی سیستم عصبی مرکزی در ناحیه‌ای که سد خونی-مغزی وجود دارد.

Figure 16-21 Cross section of a blood capillary of the central nervous system where the blood-brain barrier appears to be absent. Note the presence of fenestrations in the endothelial cells.

شکل۱۶-۲۱ برش عرضی از یک مویرگ خونی سیستم عصبی مرکزی که به نظر می‌رسد سد خونی-مغزی در آن وجود ندارد. به وجود روزنه‌ها در سلول‌های اندوتلیال توجه کنید.

Blood-Cerebrospinal Fluid Barrier

Water, gases, and lipid-soluble substances pass freely from the blood to the CSF. Macromolecules such as proteins and most hexoses other than glucose are unable to enter the CSF. A barrier similar to the BBB may exist in the choroid plexuses.

سد خونی-مایع مغزی-نخاعی

آب، گازها و مواد محلول در چربی آزادانه از خون به مایع مغزی نخاعی (CSF) منتقل می‌شوند. ماکرومولکول‌هایی مانند پروتئین‌ها و بیشتر هگزوزها به غیر از گلوکز قادر به ورود به CSF نیستند. سدی مشابه سد خونی-مغزی ممکن است در شبکه‌های کوروئید وجود داشته باشد.

Structure

Electron-microscopic examination of a villus of a choroid plexus shows that the lumen of a blood capillary is separated from the lumen of the ventricle by the following structures: (1) the endothelial cells, which are fenestrated and have very thin walls (the fenestrations are not true perforations but are filled by a thin diaphragm); (2) a continuous basement membrane surrounding the capillary outside the endothelial cells; (3) scattered pale cells with flattened processes; and (4) a continuous basement membrane, on which rest (5) the choroidal epithelial cells (Fig. 16-22). The use of electron-dense markers has not been entirely successful in localizing the barrier precisely. Horseradish peroxidase injected intravenously appears as a coating on the luminal surface of the endothelial cells and in many areas examined, it did pass between the endothelial cells. Tight junctions between the choroidal epithelial cells probably serve as the barrier.

ساختار

بررسی میکروسکوپ الکترونی پرزهای شبکه مشیمیه نشان می‌دهد که لومن یک مویرگ خونی توسط ساختارهای زیر از لومن بطن جدا می‌شود: (1) سلول‌های اندوتلیال که سوراخ‌دار هستند و دیواره‌های بسیار نازکی دارند (سوراخ‌ها سوراخ‌های واقعی نیستند بلکه توسط یک دیافراگم نازک پر شده‌اند)؛ (2) یک غشای پایه پیوسته که مویرگ را در خارج از سلول‌های اندوتلیال احاطه کرده است؛ (3) سلول‌های رنگ‌پریده پراکنده با زوائد مسطح؛ و (4) یک غشای پایه پیوسته که (5) سلول‌های اپیتلیال مشیمیه روی آن قرار دارند (شکل 16-22). استفاده از نشانگرهای الکترون-متراکم در تعیین دقیق محل سد کاملاً موفق نبوده است. پراکسیداز ترب کوهی که به صورت داخل وریدی تزریق می‌شود، به عنوان پوششی روی سطح لومن سلول‌های اندوتلیال ظاهر می‌شود و در بسیاری از نواحی مورد بررسی، از بین سلول‌های اندوتلیال عبور کرده است. اتصالات محکم بین سلول‌های اپیتلیال مشیمیه احتمالاً به عنوان سد عمل می‌کنند.

Figure 16-22 Section of villus of choroid plexus.

شکل ۱۶-۲۲ برشی از پرزهای شبکه کوروئید.

Cerebrospinal Fluid-Brain Interface

Although vital dyes given by intravenous injection do not gain access to most brain tissues, if the dyes are injected into the subarachnoid space or into the ventricles, they soon enter the extracellular spaces around the neurons and glial cells. Thus, a comparable physiologic barrier between CSF and the CNS extracellular compartment does not exist. However, three structures separate CSF from nervous tissue: (1) the pia-covered surface of the brain and spinal cord, (2) the perivascular extensions of the subarachnoid space into the nervous tissue, and (3) the ependymal surface of the ventricles (Fig. 16-23).

رابط مایع مغزی نخاعی-مغز

اگرچه رنگ‌های حیاتی که از طریق تزریق داخل وریدی داده می‌شوند، به بیشتر بافت‌های مغز دسترسی پیدا نمی‌کنند، اما اگر رنگ‌ها به فضای زیر عنکبوتیه یا بطن‌ها تزریق شوند، به زودی وارد فضاهای خارج سلولی اطراف نورون‌ها و سلول‌های گلیال می‌شوند. بنابراین، یک مانع فیزیولوژیکی قابل مقایسه بین CSF و محفظه خارج سلولی CNS وجود ندارد. با این حال، سه ساختار، CSF را از بافت عصبی جدا می‌کنند: (1) سطح پوشیده از نرم‌شامه مغز و نخاع، (2) امتدادهای دور عروقی فضای زیر عنکبوتیه به داخل بافت عصبی، و (3) سطح اپاندیمی بطن‌ها (شکل 16-23).

The pia-covered surface of the brain consists of a loosely arranged layer of pial cells resting on a base- ment membrane. Beneath the basement membrane are the astrocyte foot processes. No intercellular junctions exist between adjacent pial cells or between adjacent astrocytes; therefore, the extracellular spaces of the nervous tissue are in almost direct continuity with the subarachnoid space.

سطح پوشیده از نرم‌شامه مغز از یک لایه شل و نامنظم از سلول‌های نرم‌شامه تشکیل شده است که بر روی غشای پایه قرار گرفته‌اند. در زیر غشای پایه، زوائد پای آستروسیت قرار دارند. هیچ اتصال بین سلولی بین سلول‌های نرم‌شامه مجاور یا بین آستروسیت‌های مجاور وجود ندارد؛ بنابراین، فضاهای خارج سلولی بافت عصبی تقریباً در امتداد مستقیم با فضای زیر عنکبوتیه قرار دارند.

The prolongation of the subarachnoid space into the central nervous tissue quickly ends below the surface of the brain, where the fusion of the outer covering of the blood vessel with the pial covering of the nervous tissue occurs.

امتداد فضای زیر عنکبوتیه به درون بافت عصبی مرکزی به سرعت در زیر سطح مغز پایان می‌یابد، جایی که ادغام پوشش بیرونی رگ خونی با پوشش پیال بافت عصبی رخ می‌دهد.

The ventricular surface of the brain is covered with columnar ependymal cells with localized tight junctions.

سطح بطنی مغز با سلول‌های اپاندیمی ستونی با اتصالات محکم موضعی پوشیده شده است.

Intercellular channels permit free communication between the ventricular cavity and the extracellular neuronal space. The ependyma does not have a basement membrane, and specialized astrocytic foot processes are absent because the neuroglia cells are loosely arranged.

کانال‌های بین سلولی امکان ارتباط آزاد بین حفره بطنی و فضای نورونی خارج سلولی را فراهم می‌کنند. اپاندیم غشای پایه ندارد و زوائد تخصصی پای آستروسیتی وجود ندارد زیرا سلول‌های نوروگلیا به صورت شل قرار گرفته‌اند.

Figure 16-23 Section of the cerebrospinal fluidbrain interface. A: Outer surface of the brain. B: Ventricular surface of the brain.

شکل ۱۶-۲۳ برشی از سطح مشترک مغز و مایع مغزی نخاعی. الف: سطح بیرونی مغز. ب: سطح بطنی مغز.

Functional Significance of the Barriers

In normal conditions, the BBB and blood-cerebrospinal fluid barrier are two important semipermeable barriers that protect the brain and spinal cord from potentially harmful substances while permitting gases and nutriments to enter the nervous tissue.

اهمیت عملکردی موانع

در شرایط عادی، سد خونی-مغزی-نخاعی و سد خونی-مایع نخاعی دو مانع نیمه‌تراوای مهم هستند که مغز و نخاع را از مواد بالقوه مضر محافظت می‌کنند و در عین حال به گازها و مواد مغذی اجازه ورود به بافت عصبی را می‌دهند.