Blut-Hirn-Schranke

Transmissions-elektronenmikroskopischeAufnahme einesDünnschnittesdurch dasTelencephalon(Endhirn) eines 11,5 Tage alten Mäuseembryos. In der oberen Bildhälfte in Weiß, das Lumen des Kapillargefäßes. Die Endothelzellen sind über Tight Junctions miteinander verbunden (dunklere „Kanäle “). Weiter unten befinden sich die Adherens Junctions. Die Bildbreite entspricht etwa 4,2 µm.

Schematische Darstellung des Nervengewebes: 1)Ependym,2)Neuron,3)Axon,4)Oligodendrozyt,5)Astrozyt,6)Myelin,7)Mikroglia,8)Kapillargefäß

Ein Netzwerk von Kapillaren versorgt Gehirnzellen mit Nährstoffen.

AlsBlut-Hirn-Schranke,auchBlut-Gehirn-SchrankeoderBlut-Hirn-Barrieregenannt, wird die selektivephysiologischeBarriere zwischen denFlüssigkeitsräumendesBlutkreislaufsund demZentralnervensystembezeichnet.

Diese besondere Abgrenzung desBluts(intravasal) vomextravasalenRaum inGehirnundRückenmarkist bei allenLandwirbeltieren(Tetrapoda) ausgebildet und ermöglicht es, für dasNervengewebeeigene Milieubedingungen aufrechtzuerhalten (Homöostase). Im Wesentlichen wird diese Barriere vonEndothelzellengebildet, die hier in denkapillaren BlutgefäßenüberTight Junctionseng miteinander verknüpft sind.

Die Blut-Hirn-Schranke schützt das Gehirn vor im Blut zirkulierendenKrankheitserregern,ToxinenundBotenstoffen.Sie stellt einen hochselektivenFilterdar, über den die vom Gehirn benötigtenNährstoffezugeführt und die entstandenenStoffwechselprodukteabgeführt werden. Die Ver- und Entsorgung wird durch eine Reihe speziellerTransportprozessegewährleistet.

Andererseits erschwert diese Schutzfunktion des Gehirns diemedikamentöseBehandlung einer Vielzahlneurologischer Erkrankungen,da auch sehr viele Wirkstoffe die Blut-Hirn-Schranke nicht passieren können. DieÜberwindung der Blut-Hirn-Schrankeist ein aktuelles Forschungsgebiet, um auch diese Krankheiten behandeln zu können. Nur sehr wenige – ausgesprochen seltene – Erkrankungen stehen in unmittelbarem Zusammenhang mit der Blut-Hirn-Schranke, während sie selbst von einer deutlich höheren Anzahl weitverbreiteter Erkrankungen betroffen sein kann. Eine so hervorgerufene Störung oder Schädigung der Blut-Hirn-Schranke ist eine sehr ernst zu nehmendeKomplikation.

Die ersten Versuche, die auf die Existenz dieser Barriere hindeuteten, führtePaul Ehrlich1885 durch. Er interpretierte seine Versuchsergebnisse allerdings falsch. Der endgültige Nachweis der Blut-Hirn-Schranke erfolgte 1967 durchelektronenmikroskopischeUntersuchungen.

Aufgaben der Blut-Hirn-Schranke

Das Gehirn hat beim Menschen einen Anteil von etwa 2 % an der Körpermasse. Der Anteil am Nährstoffbedarf liegt aber bei ungefähr 20 %. Im Gegensatz zu anderen Organen im Körper verfügt das Gehirn über äußerst geringe Nährstoff- oderSauerstoff-Reserven. Auch sind die Nervenzellen nicht in der Lage, den Energiebedarfanaerob,das heißt ohneelementarenSauerstoff, zu decken. So führt eine Unterbrechung der Blutzufuhr zum Gehirn nach zehn Sekunden zurBewusstlosigkeitund bereits wenige Minuten später sterben die Nervenzellen ab.Je nach Aktivität eines Hirnareals können dessen Energiebedarf und -reserven sehr unterschiedlich sein. Um die Versorgung dem jeweiligen Bedarf anpassen zu können, regeln diese Areale ihre Blutversorgung selbsttätig.

Die komplexen Funktionen des Gehirns sind an hochempfindliche elektrochemische und biochemische Vorgänge gebunden, die nur in einem konstanten inneren Milieu, demHomöostat,weitgehend störungsfrei ablaufen können. So dürfen beispielsweise Schwankungen des Blut-pH-Wertesnicht an das Gehirn weitergegeben werden. Schwankungen der Kalium-Konzentration würden das Membranpotenzial der Nervenzellen verändern. Die in den Blutgefäßen zirkulierenden Neurotransmitter dürfen nicht in das Zentralnervensystem gelangen, da sie den Informationsfluss der dort vorhandenenSynapsenerheblich stören würden. Zudem sind dieNeuronenbei einer durch eine Milieuschwankung hervorgerufenen Schädigung nicht regenerationsfähig.Letztlich muss das Gehirn, als zentral steuerndes Organ, auch vor der Einwirkung körperfremder Stoffe, wie beispielsweiseXenobiotikaundKrankheitserregern,geschützt werden. Die weitgehende Undurchlässigkeit der Blut-Hirn-Schranke für im Blut befindlichePathogene,AntikörperundLeukozytenmacht sie zu einerimmunologischen Barriere.

Andererseits entstehen durch den hohen Energiebedarf des Gehirns – im Vergleich zu anderen Organen – überdurchschnittlich große Mengen von Stoffwechsel-Abbauprodukten, die über die Blut-Hirn-Schranke auch wieder abgeführt werden müssen.

Um all diese Funktionen (Versorgung, Entsorgung und Homöostase) zu gewährleisten, weist das zerebraleBlutgefäßsystemderWirbeltiere,im Vergleich zum peripheren Blutgefäßsystem, eine Reihe von strukturellen und funktionellen Unterschieden auf. Diese Differenzierung bewirkt eine weitgehende Abtrennung des Gehirns vom umgebenden extrazellularen Raum und ist für den Schutz des empfindlichen neuronalen Gewebes sowie für den Erhalt eines konstanten inneren Milieus von essenzieller Bedeutung.

Veränderungen der Funktion der Blut-Hirn-Schranke bewirken Änderungen des Zustands des Zentralnervensystems(ZNS), was wiederum zu Funktionsstörungen oder Erkrankungen im ZNS führen kann.Dementsprechend steht eine Reihe neurologischer Erkrankungen mittelbar oder unmittelbar mit der Blut-Hirn-Schranke in Verbindung.

Anatomie der Blut-Hirn-Schranke

Die Blut-Hirn-Schranke, vom Gehirn bis zu den Tight Junctions

Vergleich zwischen peripheren und zerebralen Kapillaren

Schematischer Aufbau der Blutgefäße im Gehirn von der Pia-Arterie über Arteriolen zu Kapillaren.

Das wesentliche Element der Blut-Hirn-Schranke bilden dieEndothelzellenmit ihrenTight Junctions.Für Funktion sowie Aufbau und Entwicklung der Blut-Hirn-Schranke sind jedoch noch zwei andere Zelltypen, diePerizytenund dieAstrozyten,von großer Bedeutung.Die Zell-Zell-Interaktionen zwischen Endothelzellen, Perizyten und Astrozyten sind so eng wie bei sonst keinen anderen Zellen. Diese drei Zelltypen zusammen bilden die Blut-Hirn-Schranke der meisten Wirbeltiere, dieendotheliale Blut-Hirn-Schranke.Die nachfolgenden anatomischen Angaben beziehen sich auf die endotheliale Blut-Hirn-Schranke der Wirbeltiere. Die bei einigen Wirbeltieren und vielenWirbellosenausgebildetegliale Blut-Hirn-Schrankewird am Ende dieses Kapitels gesondert aufgeführt.

Das Endothel

Elektronenmikroskopische Aufnahme eines Querschnittes eines peripheren Blutgefäßes. Der Durchmesser der Kapillare beträgt 7 bis 8 µm. In der Mitte in schwarz einErythrozyt.

Die Kapillargefäße werden – wie in den peripheren Blutgefäßen auch – von Endothelzellen gebildet. Das Endothel periphererKapillarenhat, für den Austausch von Wasser und daringelöstenodersuspendiertenStoffen zwischen dem Blut und der extrazellulären Flüssigkeit des umliegenden Gewebes, Öffnungen (Fenestrierungen) von ca. 50 nm Durchmesser und Zwischenzellspalten von 0,1 bis 1 µm Weite. Zwischen den Endothelzellen im Gehirn gibt es dagegen keine Fenestrierungen und keine Intrazellularspalten,weshalb man auch von einemkontinuierlichen Endothelspricht.Die dem Innenraum der Kapillare zugewandte (luminale)Membranunterscheidet sich bezüglich der Art derMembranproteineerheblich von der demInterstitiumzugewandtenapikalenSeite.

Die Anzahl anpinozytotischenVesikeln,die eineEndozytosevon gelösten Substanzen ermöglichen, ist im Endothel des Gehirns sehr gering.

Vergleich desPermeabilitätsoberflächenproduktesvon Kapillargefäßen verschiedener Organe. Die Durchlässigkeit der Kapillaren für fünf verschiedene Modellsubstanzen unterschiedlicher Größe (halblogarithmische Darstellung).

Im Gegensatz dazu ist die Anzahl anMitochondrienetwa 5- bis 10-mal höher als in den peripheren Kapillaren. Dies ist ein Hinweis auf einen hohen Energiebedarf der Endothelien – unter anderem für aktive Transportprozesse – und eine hoheStoffwechselaktivität.Die Blut-Hirn-Schranke ist nicht nur eine physikalische, sondern auch eine metabolische beziehungsweiseenzymatischeBarriere. In der Zellmembran der Endothelien befindet sich eine Reihe von Enzymen in deutlich höherer Anzahl als beispielsweise bei den Zellen desParenchyms.Dazu gehören unter anderemγ-Glutamyltransferase,alkalische PhosphataseundGlucose-6-Phosphatase.Metabolisierende Enzyme wieCatechol-O-Methyltransferase,MonoaminooxidaseoderCytochrom P450sind ebenfalls in einer relativ hohen Konzentration in den Endothelien aktiv. Auf diese Weise werden viele Substanzen bereits vor oder während ihres intrazellulären Transportes metabolisiert. Die Endothelzellen sind mit 0,3 bis 0,5 µm äußerst dünn.Enterozyten,dieEpithelzellendesDarmes,sind im Vergleich dazu mit 17 bis 30 µm erheblich dicker. Das Verhältnis vonCholesterinzuPhospholipidenliegt, wie bei anderen Endothelzellen auch, bei 0,7.Reine Diffusionsprozesse durch die Zellmembran sind daher über die Blut-Hirn-Schranke ähnlich schnell wie bei anderen Endothelzellen.Die Endothelzellen weisen auf ihrer Zellmembran für die Regulation des Wasserhaushaltes des Gehirnes eine Vielzahl vonAquaporinenauf. Diese Kanäle ermöglichen Wassermolekülen die freie Diffusion sowohl in Richtung Gehirn als auch zum Blut.

Die nicht vorhandenen Fenestrierungen und der Mangel an pinozytotischen Vesikeln stellen die passive Barriere der Blut-Hirn-Schranke dar. Diese Barrierewirkung ist physikalisch über ihrenelektrischen Widerstandquantifizierbar. Bei einer gesunden adultenFarbratteliegt der Widerstand bei ungefähr 1500 bis 2000 Ω cm². Dagegen liegt der Wert für die Kapillaren im Muskelgewebe bei etwa 30 Ω cm².

Die später noch ausführlicher beschriebenen aktiven Transportersysteme des Endothels bilden die aktive Barriere der Blut-Hirn-Schranke.

Die Tight Junctions

Schematische Darstellung Membranproteine der Tight Junctions

Schematische Darstellung der Tight Junctions

ALumen (Biologie) Bapikale Seite Cbasale Seite aMucus bapikale Seite cbasolaterale Oberfläche dTight Junctions fparazellulärer Raum gZellmembran

eProteinkomplex 1Occludin 2Claudin-1 3E-Cadherin 4ZO-1 5JAM-1 6Catenine 7Cingulin 8Aktin

ElektronenmikroskopischeGefrierbruchaufnahmeder Tight junctions der Blut-Hirn-Schranke einer Ratte

Die Endothelzellen sind über feste Zell-Zell-Verbindungen, die sogenanntenTight Junctions,miteinander verbunden. Diese Tight Junctions stellen dichte Verbindungen zwischen benachbarten Zellen dar und liefern einen wesentlichen Beitrag für die Schrankenfunktion der Blut-Hirn-Schranke. Denn sie dichten den Raum zwischen den Zellen ab und schließen so einenparazellulären Transport,die Passage von Stoffen längs des interzellulären Spaltraums zwischen benachbarten Endothelzellen an diesen vorbei, praktisch aus.

MehrereTransmembranproteine,wieOccludin,verschiedeneClaudineundJunctional Adhesion Molecules(JAM), verknüpfen die Endothelien im apikalen Bereich der lateralen Zellwände durch umlaufende Proteinbänder inTight junctions,und unterbinden damit die parazelluläre Passage via Zwischenzellspalt zweier Endothelzellen für größere Moleküle weitgehend.Die einzelnen Protein-Protein-Verbindungen wirken wie parallel verschaltete Sicherungen. Die Endothelzellen der Blut-Hirn-Schrankeexprimierenvon den 24 bekannten Claudinen nur Claudin-5 und Claudin-12. Claudin-5 wird dabei als wichtigstesZelladhäsionsproteinder Blut-Hirn-Schranke angesehen.Das Ausschalten (Gen-Knockout) desCLDN5-Gens, das für Claudin-5codiert,führt beiMäusendazu, dass die Blut-Hirn-Schranke für Moleküle mit einer molaren Masse von bis zu 800 g·mol⁻¹durchlässig wird. Die so genetisch veränderten Tiere verstarben innerhalb weniger Stunden nach ihrer Geburt.

Durch die Fixierung der Endothelien wird zugleich deren Ausrichtung in zwei sehr unterschiedliche Seiten gewährleistet: in die luminale, dem Blut entgegengerichtete Seite und die abluminale, dem Gehirn zugewandte Seite.

Die Basallamina

Die Basallamina einer Epithelzelle

→Hauptartikel:Basallamina

Die Endothelzellen sind von einer Proteinschicht, der Basallamina, vollständig umgeben.Diese Doppelschicht ist ungefähr 40 bis 50 nm stark und nur im Elektronenmikroskop sichtbar. Sie besteht im Wesentlichen aus demKollagenTyp IV,Heparinsulfat-Proteoglykanen,Laminin,Fibronektinund anderenextrazellulären Matrixproteinen.Die Basallamina grenzt an die Plasmamembran der Endfüßchen der Astrozyten.

Die Perizyten

Elektronenmikroskopische Aufnahme eines Perizyten (rechts), das Kapillargefäß mit drei Erythrozyten (links)

Adherens Junction

Perizyten, vor allem in der älteren Literatur nach ihrem EntdeckerCharles Marie Benjamin Rouget(1824–1904) alsRouget-Zellenbezeichnet, sind ein wichtiger Bestandteil der Blut-Hirn-Schranke.Drei wesentliche Eigenschaften stehen dabei im Vordergrund: ihre Fähigkeit zur Kontraktion, die Regulierung der Endothelien und ihre Makrophagen-Aktivität.

Etwa 20 % der äußeren Endotheloberfläche der zerebralen Kapillaren ist von den relativ kleinen, oval geformten Perizyten bedeckt und jede zweite bis vierte Endothelzelle ist mit einem Perizyten verbunden. Bevorzugt befinden sich die Perizyten dabei an der Kontaktstelle zweier Endothelzellen. Perizyten finden sich auf nahezu allen Arteriolen, Venolen und Kapillaren – nicht nur im zerebralen Endothel. Der Bedeckungsgrad des Endothels mit Perizyten korreliert unmittelbar mit der Undurchlässigkeit derTight Junctions.Bei fenestrierten Kapillaren, beispielsweise in derSkelettmuskulatur,liegt das Verhältnis von Endothelien zu Perizyten bei 100:1.

Wie die Endothelien sind auch die Perizyten von einer kontinuierlichen Basallamina umgeben.

Der Zellkontakt Perizyt-Endothel

Schematische Darstellung der Gap Junctions.
Diese kanalbildenden Proteinkomplexe sind ein Verbindungstyp, über den die Perizyten mit den Endothelzellen verbunden sind.

Die Perizyten sind fest mit den Endothelzellen verankert. Mindestens drei Arten vonPerizyt-Endothel-Kontaktenbilden dabei die Verbindung zwischen diesen beiden Zelltypen. Dies sindGap Junctions(kanalbildende Proteinkomplexe),fokale Adhäsion(Adhesion Plaques) und Peg-and-Socket-Invaginationen.Die Gap Junctions verbinden dabei die beidenZytoplasmendirekt miteinander und ermöglichen über Kanäle den Austausch von Ionen und kleineren Molekülen zwischen den beiden Zelltypen.Über die fokale Adhäsion sind die Perizyten mit den Endothelien mechanisch fest verankert. Die Peg-and-Socket-Invaginationen bestehen aus wechselseitig verflochtenen Ausstülpungen der beiden miteinander verbundenen Zellen.Auch dieser Zellkontakttyp trägt offensichtlich zur mechanischen Verankerung der Perizyten auf den Endothelien bei.

Beide Zelltypen beeinflussen sich wechselseitig bezüglich ihrer Mitose und vermutlich auch bezüglich ihrerphänotypischenExpressionen.

Kontraktion

Perizyten haben einen hohen Anteil des kontraktilenStrukturproteinsAktin.Sie können dadurch über ihre Fortsätze den Kapillardurchmesser verändern und so den Blutdruck lokal regulieren.

Makrozytische Eigenschaften

Eine spezielle Eigenschaft weisen offensichtlich nur die auf den zerebralen Kapillaren liegenden Perizyten auf. Sie fungieren dort alsMakrophagen.So befinden sich im Zytoplasma der Perizyten vieleLysosomenundin vivozeigen sie die Fähigkeit zur Aufnahme von löslichen Tracern, die intravenös oder intraventrikular verabreicht werden und sonst nur von Makrophagen aufgenommen werden. In Gewebekulturen wurde bei Perizyten die Fähigkeit zurPhagozytoseund derAntigen-Präsentationnachgewiesen.

Diese makrozytischen Eigenschaften sind eine „zweite Abwehrfront “(second line of defense) gegen neurotoxische Moleküle, die die Endothelschicht in Richtung Gehirn bereits passiert haben.Perizyten tragen daher wesentlich zum Immunsystem des Zentralnervensystems bei. Andererseits sind sie durch diese Eigenschaften auch bei der Entwicklung verschiedener Erkrankungen, speziellAutoimmunerkrankungen,beteiligt. Auch eine mittelbare Beteiligung an derAlzheimer-Krankheitwird diskutiert.

Weitere Eigenschaften der zerebralen Perizyten

Die Perizyten regulieren dieZellteilungund dieDifferenzierungder Endothelien. Zudem sind sie auspluripotentenadultenStammzellengebildete Vorläuferzellen (Progenitorzellen), die sich inOsteoblasten,Adipozyten,ChondrozytenundfibroblastähnlicheZellen differenzieren können.Einige Autoren bezeichnen Perizyten daher als pluripotent.

Perizyten synthetisieren eine Reihe von vasoaktivenAgonistenund spielen bei der Neubildung von Blutgefäßen (Angiogenese) eine wichtige Rolle.

Die Astrozyten

Ein Astrozyt (grün) in einer Zellkultur

Interleukin-6, ein Botenstoff der Endothelien

Astrozyten sind sternförmig verzweigte, im Vergleich zu den Perizyten deutlich größere Zellen aus der Familie derMakroglia.Sie werden dem Zentralen Nervensystem zugerechnet und sind nach der Geburt noch teilungsfähig. Bei höheren Wirbeltieren haben sie keine direkte Schrankenfunktion, auch wenn sie die Kapillargefäße im Gehirn zu etwa 99 % mit ihren Endfüßchen bedecken.Sie stehen allerdings in unmittelbarer Wechselwirkung mit den Endothelien.Astrozyten induzieren in den Endothelien der zerebralen Blutgefäße die Funktion der Blut-Hirn-Schranke. Dies wurde durchTransplantationsversuchenachgewiesen. Zerebrale Blutgefäße, die in periphere Organe verpflanzt wurden, verhielten sich wie die dort vorhandenen „normalen “Kapillaren und bildeten beispielsweise Fenestrierungen aus. Im umgekehrten Versuch nahmen periphere Kapillaren, die in das Zentralnervensystem verpflanzt wurden, den dortigen Phänotyp mit Tight Junctions an.Auch in In-vitro-Versuchen zeigt sich der Einfluss der Astrozyten auf die Phänotypausprägung der Endothelien. InCo-Kulturenaus Astrozyten und Endothelzellen weisen die Endothelien eine höhere Dichtigkeit auf als in reinen Endothelkulturen.

Astrozyten schütten eine Reihe von Botenstoffen aus, die die Durchlässigkeit des Endothels im Sekunden- bis Minutenbereich modulieren können.Umgekehrt schütten die Endothelzellen denLeukämieinhibierenden Faktor(LIF), einZytokinderInterleukin-6-Klasse, aus, der die Differenzierung der Astrozyten induziert. Der Abstand der Astrozytenfüßchen zu den Endothelzellen und den Perizyten beträgt nur 20 nm.

Die Hauptaufgabe der Astrozyten sind jedoch die selektive Versorgung der Neuronen mit Nährstoffen sowie die Regulation der extrazellulären Ionenkonzentrationen.Ein Großteil des im Gehirn vorhandenenCholesterolswird von Astrozyten produziert. Cholesterol kann die Blut-Hirn-Schranke nicht passieren, weshalb es lokal innerhalb des Gehirns synthetisiert werden muss. Im Gehirn befinden sich etwa 25 % des Cholesterols des gesamten Körpers; im Wesentlichen imMyelin,das die Axone der Neuronen ummantelt.

Darstellung der Endfüßchen der Astrozyten auf den Endothelzellen

Die Endfüßchen der Astrozyten bilden einen filigranen rosettenartigen Kontakt zu den Endothelzellen. Diese Anordnung ist für die wechselseitige Beeinflussung und Kommunikation der beiden Zelltypen wichtig. So ist zudem eine freie Diffusion zwischen dem Endothel und demParenchymdes Gehirns möglich.

Erkrankungen, die direkt oder indirekt die Astrozyten betreffen, wie beispielsweise dieAlzheimer-Krankheitoder beiAstrozytomen,können durch die enge Wechselwirkung zwischen Astrozyten und Endothel die Blut-Hirn-Schranke in ihrer Funktion erheblich beeinträchtigen.

Bereiche des Gehirns ohne Blut-Hirn-Schranke

Lateraler Schnitt durch das Gehirn

Das Ventrikelsystem des Gehirns beim Menschen

Nicht alle Kapillaren des Gehirns sind als Blut-Hirn-Schranke aufgebaut. So sind Hirnareale, dieneuroendokrineVerbindungen (Hormone) an das Blut abgeben oder eine sensorische Funktion – beispielsweise für bestimmte Peptid-Hormone – haben, notwendigerweise ohne Blut-Hirn-Schranke. Dies ist bei sechszirkumventrikulären Organender Fall. DieZirbeldrüse,dieEminentia mediana,dieNeurohypophyse,dieArea postrema,dasOrganum vasculosum laminae terminalisund dasOrganum subfornicaleweisen fenestrierte Kapillaren auf. Beispielsweise können so die Neuronen derArea postremafür den Körper toxische Substanzen detektieren und imBrechzentrumeinenBrechreizstimulieren. BeimOrganum subcommissuraleist als einzigem der zirkumventrikulären Organe die Blut-Hirn-Schranke vorhanden. Um das umliegende Hirngewebe zu schützen, sind die zirkumventrikulären Organe vonTanyzytenumgeben. Dies sind spezielleEpendymzellenmit sehr dichten Tight Junctions.

Daten der Blut-Hirn-Schranke

Ein Netz von über 100 Milliarden Kapillargefäßen, deren Gesamtlänge bei einem Erwachsenen ungefähr 600 km beträgt, durchzieht das gesamte Gehirn.Der durchschnittliche Abstand dieser Blutgefäße beträgt 40 µm.Die unterschiedlichen Hirnregionen werden unterschiedlich stark versorgt. Die Dichte an Kapillargefäßen ist in derGroßhirnrinde(Cortex cerebri) mit 300 bis 800 Kapillarquerschnitten pro mm² Gewebe am höchsten.

Die Gesamtfläche der Blutgefäße im Gehirn liegt zwischen 12und 20 m².Etwa 610 ml Blut fließen pro Minute durch diese Gefäße, wobei die mittlereStrömungsgeschwindigkeitbei 1 mm/s liegt. Der mittlere Blutdruck ist dabei im Bereich von 15 bis 35mmHg. Die mittlerePassagezeit(mean transit timeMTT) beträgt 5 Sekunden. Im Vergleich dazu liegt sie im Darm, dessen Blutgefäße eine Oberfläche von 180 m² aufweisen, bei etwa 40 Stundenund in der Leber – mit 70 m² – bei 30 Sekunden.

Die Entwicklung der Blut-Hirn-Schranke

Bis zum Ende des 20. Jahrhunderts ging man davon aus, dass inFetenundNeugeborenendie Blut-Hirn-Schranke noch nicht vollständig ausgebildet („unreif “) sei oder gar fehle. Die Ursache für diese auch heute noch weitverbreitete Meinung sind methodische Unzulänglichkeiten in früheren physiologischen Versuchen. Dabei wurden meist proteinbindende Farbstoffe oder Proteine selbst als Marker in Tierfeten injiziert. Die ersten Versuche dazu wurden bereits 1920 durchgeführt.In diesen Versuchen wurden die Marker im Gehirn oder imLiquorbei den Feten nachgewiesen, während sie bei den adulten Tieren nicht nachweisbar waren. Dabei wurden allerdings entweder Volumina injiziert, die teilweise bis an dasBlutvolumender Versuchstiere reichtenoder das Bindungsvermögen der Plasmaproteine um den Faktor zwei übertrafen.In beiden Fällen ist der osmotische Druck so hoch, dass die empfindlichen embryonalen Kapillargefäßepartiell reißen können. In Versuchen mit reduzierten Markervolumina wird keine Passage der Marker in das Gehirn festgestellt.

Betrachtet man körpereigene Markermoleküle, wie beispielsweiseAlbumin,α-1-FetoproteinoderTransferrin,die auch in einem sehr frühen embryonalen Stadium in einer hohen Konzentration im Plasma zu finden sind, so lassen sich diese Moleküle zu keinem Zeitpunkt im extrazellulären Raum des Gehirns nachweisen. Auch der Efflux-TransporterP-Glykoproteinist schon in den embryonalen Endothelien vorhanden.Die Blut-Hirn-Schranke ist folglich schon im pränatalen Stadium vorhanden. Dies schließt jedoch Veränderungen, speziell an den Tight Junctions, im Laufe der embryonalen Entwicklung nicht aus. Die Tight Junctions selbst sind schon in einem äußerst frühen Stadium zwischen den Endothelzellen vorhanden, unterliegen aber einer progressiven Entwicklung.

Für kleine polare Moleküle, wie beispielsweiseInulinoderSaccharose,ist die Durchlässigkeit der pränatalen und neonatalen Blut-Hirn-Schranke signifikant höher als bei der adulten.Der gleiche Effekt ist auch bei Ionen zu beobachten.Der Transport von Aminosäuren über die embryonale Blut-Hirn-Schranke ist – offensichtlich bedingt durch den großen Bedarf zur weiteren Entwicklung des Gehirnes – ebenfalls deutlich erhöht.Gleiches gilt für das Hormon Insulin.

Andererseits bildet das embryonale Gehirn zusätzliche morphologische Barrieren aus, die im adulten Gehirn nicht mehr vorhanden sind. So finden sich im embryonalen Gehirn beispielsweise an der Grenzfläche zwischenLiquorundHirngewebesogenannteStrap Junctionsauf dem innerenEpendym.

Die Blut-Hirn-Schranke im Tierreich und im Lauf der Evolution

Phylogenetische Beziehungen derKiefermäuler(Gnathostomata)

Im Laufe der Evolution wurde das neurale Gewebe von Wirbellosen und Wirbeltieren größer, komplexer und nahm eine immer zentralere Rolle im jeweiligen Organismus ein. Dadurch konnte die Koordination der Körperfunktionen ständig weiter verbessert werden. Dies wiederum führt zu einem Vorteil bei der Selektion. Andererseits muss eine größer und komplexer werdende Hirnmasse auch besser mit Nährstoffen versorgt und von Stoffwechselprodukten wieder befreit werden. Dies wird bei höher entwickelten Wirbellosen, beispielsweise aus der Ordnung derZehnfußkrebseoder derKlassederKopffüßer,und allen Wirbeltieren durch ein weit verzweigtes Kapillarnetzwerk im Gehirn gewährleistet. Die Ausbildung einer Schutzbarriere gegen Xenobiotika, Toxine und andere für das neuronale System schädlicher Stoffe ist dabei ein weiterer evolutionärer Vorteil.

Viele Wirbellose haben keine Blut-Hirn-Schranke. Das heißt, die Endothelien sind meist nur unvollständig ausgekleidet oder lückenhaft. Bei den Wirbellosen, bei denen eine Blut-Hirn-Schranke vorhanden ist, so beispielsweise beiInsekten,Krebsen(Crustacea) und Kopffüßern (Cephalopoda),ist sie ausschließlich glialer Natur.Man spricht in diesen Fällen von einerglialen Blut-Hirn-Schranke.

Der ModellorganismusDrosophilabildet beispielsweise eine gliale Blut-Hirn-Schranke aus.

Alle Wirbeltiere haben eine Blut-Hirn-Schranke, und fast alle bilden die endotheliale Blut-Hirn-Schranke aus, bei der die Tight Junctions der Endothelien den wesentlichen Beitrag zur Barrierewirkung leisten. Lediglich bei der Unterklasse derPlattenkiemer(Elasmobranchii), zu der unter anderem dieHaieundRochengehören, sowie der Familie derStörewird die Barrierewirkung der Blut-Hirn-Schranke durch die perivaskulären Astrozyten gewährleistet. Es wird davon ausgegangen, dass im Verlauf der Evolution das Endothel, wenn es dicht genug ausgebildet war, die Barrierewirkung übernahm. Die gliale Blut-Hirn-Schranke wird deshalb auch als die Ur-Form der Blut-Hirn-Schranke angesehen. Bei der Familie derFlösselhechte(Polypteridae) und derOrdnungderLungenfischewird die Blut-Hirn-Schranke durch die Tight Junctions der Endothelien ausgebildet. Dagegen wird sie bei den Echten Stören durch eine komplexe Umhüllung von Gliazellen ohne erkennbare Tight Junctions geformt.

Noch heute finden sich in einigen Wirbeltieren Elemente der glialen Barriere, so beispielsweise in derGlia limitansdes gefäßlosen (avaskulären)RückenmarksderNeunaugensowie bei Säugetieren in bestimmtenependymialenStrukturen wie den Tanyzyten, letztere speziell in den zirkumventrikulären Organen, imPlexus choroideusund imPigmentepithel der Netzhaut(RPE).Astrozyten sind auch bei Säugetieren prinzipiell in der Lage, untereinander Tight Junctions auszubilden. Dies lässt sich unter anderem an den olfaktorischen Hüllzellen (OEC, engl.olfactory ensheathing cells) nachweisen, die wachsende Axone umschließen.

Aus den strukturellen Unterschieden im Phänotyp der glialen Blut-Hirn-Schranke bei Wirbellosen lässt sich des Weiteren ableiten, dass solche Barrieren im Laufe derEvolutionmehrfach und unabhängig voneinander aufkamen. Die endothelialen Barrieren bieten dabei einen signifikanten Vorteil bei derSelektion– vermutlich durch die striktere Trennung der Funktion von Endothel und Astrozyten. Der wesentlicheSelektionsdruckkam dabei vermutlich durch die Notwendigkeit der Homöostase.Es wird vermutet, dass die endotheliale Blut-Hirn-Schranke im Laufe der Evolution sich mindestens sechsmal entwickelte und dass alle Wirbeltiere vor 400 bis 500 Millionen Jahren mit einer glialen Blut-Hirn-Schranke versehen waren.

Blut-Liquor-Schranke

Neben der Blut-Hirn-Schranke besteht als zweite Grenze zwischen Blutkreislauf und Zentralnervensystem dieBlut-Liquor-Schranke.Diese Blut-Liquor-Schranke wird durch Epithelzellen und Tight Junctions derPlexus choroideigebildet. Auch die Blut-Liquor-Schranke sichert die Homöostase des Zentralnervensystems. Durch sie können nur niedermolekulare Stoffe als Ultrafiltrat vom intravasalen Raum der Blutgefäße in den Liquorraum übertreten oder solche, die von denEpendymzelleneines Plexus choroideus aktiv aufgenommen und sezerniert werden. Der Beitrag zum Stoffaustausch ist allerdings gering und kann den Bedarf des Gehirns bei weitem nicht decken. Die Austauschfläche der Plexusepithelien ist etwa 5000-mal geringer als die des die Blut-Hirn-Schranke bildenden intrazerebralen Kapillarnetzes.

Außer diesen beiden für das Zentralnervensystem so wichtigen Barrieren sind im Körper des Menschen weitere ähnliche hochselektive Schranken zu finden, die den Stoffaustausch über das Blut kontrollieren. Dies sind unter anderem dieBlut-Plazenta-Schranke,dieBlut-Hoden-Schranke,dieBlut-Harn-Schranke,dieBlut-Augen-Schranke,dieBlut-Thymus-Schrankeund dieBlut-Luft-Schranke.

Transportprozesse der Blut-Hirn-Schranke

Die Transportprozesse an der Blut-Hirn-Schranke

Die Blut-Hirn-Schranke muss trotz ihrer Funktion als Schutzbarriere auch den Transport von Nährstoffen zum Gehirn, beziehungsweise den Abtransport von Stoffwechselprodukten aus dem Gehirn, gewährleisten. Wasserlösliche Nährstoffe und Peptide überwinden die Blut-Hirn-Schranke im Wesentlichen durch spezifische Transporter oder spezielle Kanäle in der Zellmembran. Die meisten anderen löslichen Verbindungen passieren – wenn überhaupt – diese Barriere durch Diffusion.

Parazellulärer Transport

Bei peripheren Kapillaren findet der Stofftransport zu Organen und Muskeln im Wesentlichen durch Fenestrierungen und Intrazellularspalten statt. Bei einem gesunden und intakten zerebralen Endothel sind die einzelnen Endothelzellen untereinander über die Tight Junctions dicht verbunden. Die Kapillargefäße des Gehirns lassen daher hauptsächlich nur einen transmembranen Stofftransport zu, der zudem von den Zellen besser als der parazelluläre Transport geregelt werden kann.Wasser,GlycerinundHarnstoffsind Beispiele für kleine polare Verbindungen, die durch die Tight Junctions der Blut-Hirn-Schranke hindurchdiffundieren können.

Freie Diffusion

Schematische Darstellung der Diffusionsvorgänge an der Zellmembran

Kalottenmodell der Plasmamembran mit einemKink,der freien Raum (grün) für einEthanol-Molekül schafft

Die einfachste Form des Transportes durch die Blut-Hirn-Schranke stellt die freieDiffusiondar. Dieser auch als passiver Transport bezeichnete Austausch kann prinzipiell sowohl durch die Zellmembran der Endothelien als auch durch dieTight Junctionsstattfinden. Dabei wird – wie bei jeder Diffusion – ein Konzentrationsausgleich oder der Ausgleich eines elektrochemischen Gradienten angestrebt. Bei der freien Diffusion wird für den Membrantransport keine Energie aus der Zelle benötigt. Der Materialfluss ist proportional zur Konzentration und kann von der Zelle nicht reguliert werden.

Dielipophilen(„fettfreundlichen “) Eigenschaften der Zellmembran und ihre dichte Verknüpfung über die Tight Junctions reduzieren die Zahl der Substanzen, die durch Diffusion die Blut-Hirn-Schranke überwinden können, allerdings erheblich. Die Durchlässigkeit der Blut-Hirn-Schranke für ein bestimmtes Molekül steht in direktem Verhältnis zu seiner Lipophilie.Bezüglich dermolaren Masseverhält es sich umgekehrt proportional. Das heißt, je lipophiler und kleiner eine Verbindung ist, umso leichter kann sie durch das Endothel hindurch diffundieren.Für die molare Masse eines Moleküls wird als Grenzwert eine maximale Größe von 400 bis 500 g·mol⁻¹bei einer intakten Blut-Hirn-Schranke angegeben. Moleküle oberhalb dieses Grenzwertes können nicht durch die Blut-Hirn-Schranke diffundieren. Man darf die Blut-Hirn-Schranke allerdings nicht als diskrete Barriere verstehen, die eine bestimmte Molekülgröße komplett zurückhält und einer kleineren vollständig die Diffusion in das Gehirn ermöglicht. Die Diffusionsprozesse an der Blut-Hirn-Schranke sind dynamische Gleichgewichte. Für ein Molekül mit einer Querschnittsfläche von 0,52 nm², was einer molaren Masse von etwa 200 g·mol⁻¹entspricht, ist die Blut-Hirn-Schranke um den Faktor 100 durchlässiger als für ein Molekül mit einer Fläche von 1,05 nm² (= 450 g·mol⁻¹).

Diagramm zur Darstellung von log P (Oktanol/Wasser) auf der x-Achse gegen log Pc (den Permeabilitätkoeffizienten von Kapillaren in Rattengehirnen in cm/s) für verschiedene Substanzen. Oberhalb der Diagonalen befinden sich Substanzen, die entweder kanal-/transportervermittelt oder aufgrund ihres kleinen Moleküldurchmessers überproportional die Blut-Hirn-Schranke passieren. Unterhalb der Diagonalen liegen die Verbindungen, die mittels Efflux an der Diffusion zum Gehirn gehindert werden.

Der Göttinger BiophysikerHermann Träubleentwickelte 1971 eine Theorie über den Transport von kleinen Molekülen durch die Zellmembran. Danach sind kleine, zwischen den Fettsäureketten der Lipiddoppelschichten befindliche Hohlräume für den diffusen Transport verantwortlich. Die Hohlräume entstehen durch Übergänge deranti- zurgauche-Konformation(trans-gauche-trans Kinks) in den Fettsäureresten der Phospholipide der Zellmembran. Zwischen diesenKonformationsübergängenliegen nur sehr niedrige Energieschwellen. DieKinks(engl.kink‚Knick‘) sind beweglich und wandern mit dem zu transportierenden Molekül durch die Membran.Träubles Theorie wurde 1974 vonAnnaundJoachim SeeligNMR-spektroskopischbestätigt.

Bezüglich der Lipophilie ist derVerteilungskoeffizient in Oktanol/Wasserein wichtiger Indikator für die Fähigkeit einer Substanz, durch die Blut-Hirn-Schranke diffundieren zu können.Der Verteilungskoeffizient wird üblicherweise in logarithmischer Form alslog Pangegeben. Ein log P-Wert einer Substanz von beispielsweise 3,8 bedeutet dabei, dass diese Substanz sich in einer um den Faktor 10^3,8höheren Konzentration in Oktanol (lipophil) als in Wasser (hydrophil) verteilt. Liegt der log P-Wert bei 0, so verteilt sich die Substanz in beiden Phasen gleich, ist er negativ, so ist die Substanz hydrophil. Lipophile Substanzen können prinzipiell am leichtesten die aus Fettsäuren aufgebaute Plasmamembran der Zellen passieren. Liegt der log P-Wert oberhalb von 3, so nimmt dieser Effekt meist wieder ab, da solche Moleküle eine hoheBindungsaffinität zu Plasmaproteinenhaben.

Die Vorhersage über das Penetrationsvermögen einer Substanz in das Gehirn ist über verschiedene Modelle und Simulationenex vivobeziehungsweisein silicomöglich.An isolierten Endothelzellkulturen sind verlässlichein-vitro-Untersuchungendurchführbar.

Lipophilie und kleine Molekülgröße sind keine Garantie für eine mögliche Diffusion zum Gehirn. So sind beispielsweise über 98 % allerniedermolekularenPharmaka(small molecules) nicht in der Lage, die Blut-Hirn-Schranke zu passieren. Hochmolekulare Substanzen, wie beispielsweisemonoklonale Antikörper,rekombinante Proteine,Antisense-RNAoderAptamere,werden per se von der Blut-Hirn-Schranke zurückgehalten.

Kanalvermittelte Permeabilität

Schematische Darstellung eines Kanalproteins in der Zellmembran

Seitenansicht eines Aquaporinmodells. Wassermoleküle können durch die Mitte des Proteins in das Endothel ein- und ausdiffundieren.

Kleine polare Moleküle, wie beispielsweise Wasser, können nur sehr eingeschränkt über die hydrophobenKinksdurch das Endothel diffundieren. Dennoch weist die Blut-Hirn-Schranke eine sehr hohePermeabilitätfür Wasser auf. Dies wurde vonWilliam Henry Oldendorf(1925–1992) 1970 in Versuchen mitTritium-markiertem Wasser nachgewiesen.

Für die Diffusion von Wasser befinden sich in der Zellmembran spezielle hydrophile Kanal-Proteine, dieAquaporine.Während nicht-zerebrale Endothelien sehr oft Aquaporin-1 (AQP1) exprimieren, ist dieses Gen an der Blut-Hirn-Schranke inaktiviert. Die Anwesenheit der Astrozyten inhibiert die AQP1-Expression.Die spezialisierten zerebralen Endothelien exprimieren im Wesentlichen Aquaporin-4 (AQP4)und Aquaporin-9 (AQP9).

Über die Aquaporine wird der Wasserhaushalt des Gehirns reguliert. Sie ermöglichen eine hohe Kapazität für die Diffusion von Wasser in beide Richtungen, jeweils dem osmotischen Gradienten folgend.Für Glycerin, Harnstoff und Monocarboxylatebilden dieAquaglyceroporineeigene Kanäle in der Plasmamembran. An der Blut-Hirn-Schranke ist dies im Wesentlichen das auch für den Wassertransport zuständige Aquaporin-9.

Kanäle sind für den Molekültransport wesentlich schneller als Transporter. Durch Spannungsimpulse oder interagierende Hormone und andere Einflussfaktoren können die Ionenkanäle aktiviert oder deaktiviert werden (Gating).

Erleichterte Diffusion

Schematische Darstellung des erleichterten Transportes (die drei rechten Darstellungen). Links im Vergleich dazu ein Kanaltransport.

Schematische Darstellung der Energiewege und Energiespeicher des Zentralnervensystems.

Eine spezielle Form der Diffusion durch die Zellmembran der Endothelien ist dieerleichterte Diffusion(engl.facilitated diffusion). Lebenswichtige Nährstoffe wieGlucoseund vieleAminosäurensind zu polar und zu groß, um auf den bisher geschilderten Transportwegen in ausreichender Menge dem Gehirn über die Blut-Hirn-Schranke zur Verfügung gestellt zu werden. Für diese Moleküle gibt es in der Zellmembran ein spezielles Transportsystem: den sogenanntenCarrier-vermittelten Transport.Beispielsweise wird dieD-Glucose über denGLUT-1-Transporter in das Gehirn transportiert. Die Dichte der GLUT-1-Transporter ist auf der abluminalen Seite der Endothelien viermal höher als auf der luminalen, das heißt der zum Blut hin gerichteten, Seite.Der Transport wird nur durch ein Konzentrationsgefälle ermöglicht und benötigt selbst keine Energie.

Neben der in relativ großen Mengen vom Gehirn benötigtenD-Glucose gibt es außer GLUT-1 eine Reihe von weiteren speziellen Transportern. Sehr viele dieser Transporter sind aus der Familie derSolute Carrier(SLC), darunter beispielsweiseMCT-1und MCT-2, die eine Reihe von kurzkettigenMonocarbonsäuren– unter anderemLactat,Pyruvat,Mevalonat,verschiedeneButyrateundAcetat– transportieren. SLC7 transportiertkationischeAminosäuren (Arginin,LysinundOrnithin). VomModellorganismusMaus sind bisher 307 SLC-Gene bekannt. Davon werden über 200 imChoroid plexusund in anderen Gehirnbereichen exprimiert. An der Blut-Hirn-Schranke der gleichenArtwurden bisher allerdings nur 36 nachgewiesen. Etwa 70 % von den 36 habenGenprodukte,die am Transport von Nährstoffen, Vitaminen, Hormonen und Spurenelementen beteiligt sind. Besonders stark sind an der Blut-Hirn-Schranke die Thyroid-Transporter SLC16a2 und SLCO1c1, der Sulfat-Transporter SLC13a4, derL-Ascorbinsäure-Transporter SLC23a2, der Aminosäure-Transporter SLC 38a3 und der Folat-Transporter SLC19a1 exprimiert. Ascorbinsäure(Vitamin C) wird inoxidierterForm über die Glukosetransporter dem Gehirn zugeführt.

DieTransporterkönnen als Uniporter (nur in eine Richtung), als Symporter in zwei Richtungen und als Antiporter in entgegengesetzter Richtung arbeiten.

Aktiver Transport

→Hauptartikel:Aktiver Transport

Bei den zuvor beschriebenen passiven Arten des Transportes durch das Endothel gelangen die Moleküle ohne zusätzlichen Bedarf an Energie zum Gehirn, beziehungsweise vom Gehirn weg. Sie folgen dabei dem jeweiligen Konzentrationsgefälle. Mit aktiven Transportern, sogenannten „Pumpen “, ist ein Transport auch gegen einen Konzentrationsgradienten möglich. Dabei wird allerdings direkt oder indirekt Energie in Form von Adenosintriphosphat benötigt.Findet der aktive Transport vom Blut zum Gehirn statt, so spricht man vonInflux(„Einströmen “). In umgekehrter Richtung spricht man vonEfflux(„Abfluss “).

An der Blut-Hirn-Schranke befinden sich aktive Influx-Transporter fürLeu-Enkephalin,Arginin-Vasopressin(AVP)und [D-Penicillamin2,D-Penicillamin5]-Enkephalin (DPDPE).

Schematische Darstellung der Efflux-Transporte am Endothel der Blut-Hirn-Schranke.

P-Glykoprotein– das Genprodukt desMDR1-Gens– war der erste Efflux-Transporter, der an der Blut-Hirn-Schranke identifiziert wurde.Dazu kamen später dieMultidrug Resistance-Related Proteine,beispielsweise MRP1,die ebenfalls zu der Klasse derABC-Transportergehören. DasBrustkrebs-Resistenz-Protein(Breast Cancer Resistance Proteine,BCRP)befindet sich zusammen mit dem P-Glykoprotein im Wesentlichen auf der zum Blut hin gerichteten luminalen Seite des Endothels.

Einige der Efflux-Transporter arbeiten – wie auch ein Teil der Influx-Transporter –stereoselektiv.Das heißt, sie transportieren nur einEnantiomeraus dem Gehirn ins Blutgefäßsystem.D-Asparaginsäureist im Gehirn einPräkursorvonN-Methyl-D-Aspartat(NMDA) und beeinflusst die Sekretion verschiedener Hormone, wie beispielsweiseLuteinisierendes Hormon,TestosteronoderOxytocin.DieL-Asparaginsäure gehört dagegen zusammen mitL-Glutaminsäurezu den stimulierenden Aminosäuren.Der Efflux-Transporter ASCT2 (Alanin-Serin-Cystein-Transporter) der Blut-Hirn-Schranke transportiert nur dasL-Enantiomer der Asparaginsäure, dessenAkkumulationneurotoxische Effekte zur Folge hätte. Das für den Aufbau von NMDA benötigteD-Enantiomer wird dagegen nicht von ASCT2 transportiert.Die EAAT-Transporter (engl.excitatory amino acid transporter) SLC1A3, SLC1A2 und SLC1A6 transportieren dagegen beideIsoformender Asparaginsäure.

InepileptischemGewebe ist P-Glykoprotein in den Endothelien und Astrozyten der Blut-Hirn-Schranke sowie in den Neuronen überexprimiert.

Des Weiteren befinden sich dieorganischen Anionentransporter(OATund OATP) undorganische Kationentransporter(OCT)in der Zellmembran der Endothelien. Speziell die Efflux-Transporter können eine Vielzahl unterschiedlicher Substrate aktiv aus dem Endothel in die Kapillaren transportieren.

Für eine Reihe von Transportprozessen am Endothel ist noch unklar, ob es sich um aktive (ATP-verbrauchende) oder Carrier-vermittelte Prozesse handelt.

Vesikulärer Transport

Rezeptorvermittelte Transzytose

Phagozytose, Pinozytose und rezeptorvermittelte Endozytose im Vergleich

Für den Transport ausgewählter großer Moleküle gibt es die rezeptorvermittelteTranszytose.Spezielle Rezeptoren, die durch die Zellmembran nach außen in das Lumen ragen, sind für die Erkennung der aufzunehmenden Substanzen zuständig.So gelangt beispielsweise das 75,2kDaschwere und aus 679 Aminosäuren bestehendeTransferrinaus dem Blut in die extrazelluläre Flüssigkeit des Gehirns.Die im Lumen befindlichen Rezeptoren werden nach der Anbindung des Transferrins internalisiert, das heißt in das Zellinnere eingeschleust. Übercoated pitswird es dann auf die andere Seite der Zelle (abluminale Seite) transportiert und ausgeschleust. Mit dem gleichen Mechanismus wird über denLDL-Rezeptorder Transport vonLow Density Lipoproteinzum Gehirn ermöglicht, um dort darausCholesterolproduzieren zu können.AuchInsulinund andere Peptidhormone sowieZytokinegelangen auf diesem Weg zum Gehirn.

Adsorptionsvermittelte Transzytose

Bei der adsorptionsvermittelten Transzytose (adsorptive-mediated transcytosis,AMT) bewirken elektrostatische Wechselwirkungen zwischen der durch Glykoproteinen negativ geladenen Zelloberfläche und positiv geladenen Molekülen (Kationen) einen Transport durch das Zytoplasma der Endothelien.Diese Form des Transportes wird auch alskationischer Transportbezeichnet.Eine positive Ladung weisen beispielsweise Peptide und Proteine auf, derenisoelektrischer PunktimBasischenliegt.Die kationische Transzytose durch das Endothel der Blut-Hirn-Schranke ermöglicht einen höheren Grad des Stofftransportes als die rezeptorvermittelte Transzytose.

Die wichtigsten Transporter an der Blut-Hirn-Schranke

Transporter	Bezeichnung (englisch)	Gen	Chromosom, Genlocus	Familie	Quelle
Erleichterte Diffusion
GLUT1	glucose transporter 1	SLC2A1	1p35-p31.3	solute carrier
LAT1	large neutral amino acid transporter 1	SLC7A5	16q24.3	solute carrier
CAT1	cationic amino acid transporter 1	SLC7A1	13q12.3	solute carrier
MCT1	monocarboxylic acid transporter 1	SLC16A1	1p13.2-p12	solute carrier
CNT2	concentrative nucleoside transporter 2	SLC28A2	15q15	solute carrier
CHT1	choline transporter 1	SLC5A7	2q12	solute carrier
NBTX	nucleobase transporter	?	?
Aktiver Efflux
MDR1	P-Glycoprotein	ABCB1	7q21.1	ATP-binding cassette
MRP1	multidrug resistance protein 1	ABCC1	16p13.1	ATP-binding cassette
MRP3	multidrug resistance protein 3	ABCC3	17q22	ATP-binding cassette
MRP4	multidrug resistance protein 4	ABCC4	13q32	ATP-binding cassette
MRP5	multidrug resistance protein 5	ABCC5	3q27	ATP-binding cassette
BCRP	breast cancer resistance protein	ABCG2	4q22	ATP-binding cassette
OAT3	organic anion transporter 3	SLC22A8	11	solute carrier
OATP-A	organic anion transporter polypeptide A	SLC21A3	12p12	solute carrier
OATP3A1	organic anion transporter polypeptide 3	SLCO1A2	15q26	solute carrier
EAAT1	excitatory amino acid transporter 5	SLC1A3	5p13	solute carrier
TAUT	taurine transporter	SLC6A6	3p25-q24	solute carrier
Rezeptorvermittelter Transport
INSR	Insulinrezeptor	INSR	19p13.2
TFR1	transferrin receptor	TFRC	3q29
IGF1R	insuline-like growth factor 1 receptor	IGF1R	15q25-q26
LEPR	leptin receptor	LEPR	1p31
FCGRT	Fc fragment of IgC, receptor transporter	FCGRT	19q13.3
SCARB1	scavenger receptor class B 1	SCARB1	12q24.31

Das Zusammenspiel der vielfältigen Mitglieder derSolute-Carrier-Familie und der ABC-Transporter ist ein äußerst effektiver Schutzmechanismus der Bluthirnschranke, um das Eindringen vonXenobiotikain das Gehirn zu verhindern.

Messung und Darstellung der Durchlässigkeit der Blut-Hirn-Schranke

Bei der Entwicklung von neuen Pharmaka ist das Ausmaß, in welchem eine Substanz die Blut-Hirn-Schranke passieren kann, eine wichtige pharmakologische Größe (engl.brain uptake). Dies gilt sowohl fürNeuropharmaka,die ihre Wirkung im Wesentlichen im Zentralnervensystem entfalten sollen, als auch für Pharmaka, die nur in der Peripherie wirken sollen.Zur Untersuchung ob, in welchem Ausmaß und mit welchem Mechanismus eine Substanz die Blut-Hirn-Schranke überwinden kann, wurden in der Vergangenheit eine Reihe unterschiedliche Methoden entwickelt. Die klassischen Verfahren arbeiten mit Modellorganismenin vivo.Neuere Ansätze nutzen Zellkulturen (in vitro) und ein recht neues Verfahren arbeitet über Computersimulationen (in silico).Durch den bei Säugetieren weitgehend gleichen Aufbau der Blut-Hirn-Schranke sind die In-vivo-Ergebnisse gut auf den Menschen übertragbar.

Physikalische Grundlagen

Ein vereinfachtes, auf einer einzelnen Kapillare basierendes Modell wurde von Renkin (1959) und Crone (1965) für Messungen der Permeabilität der Blut-Hirn-Schranke aufgestellt. Trotz der Vereinfachungen ist dieses Modell die beste Näherung an die realen Verhältnisse. Das sogenanntePermeabilitätsoberflächenprodukt(permeability surface area product) PS ist ein Maß für die Durchlässigkeit des Kapillarbettes. Das auch alsCrone-Renkin-Konstantebezeichnete Permeabilitätsoberflächenprodukt ist das Produkt aus dem Permeabilitätskoeffizienten einer bestimmten Substanz und der zur Verfügung stehenden Transferfläche. DieMaßeinheitist ml·min⁻¹·g⁻¹(g nasses Gewebe) und entspricht der derPerfusion(Blutfluss) Q. Die einseitige (unidirektionale) Extraktionsfraktion E, das ist der Anteil einer Substanz, der bei einer einzelnen Passage in das Gehirn transportiert wird, ergibt sich dann aus:

$E=1-e^{-{\frac {PS}{Q}}}$.

Wenn die Perfusion (Q) größer als das Permeabilitätsoberflächenprodukt (PS) ist, so ist der Stofftransfer perfusionslimitiert. Sind die Verhältnisse umgekehrt, so ist der Stofftransfer durch die Diffusion begrenzt.

Prinzipbedingt ist der Wert von E für alle Substanzen immer kleiner als 1, da der Influx nicht größer als die Zufuhr an Substanz sein kann. Bei Werten kleiner als 0,2 spricht man üblicherweise davon, dass die Permeation der limitierende Faktor für den Stofftransport zum Gehirn ist. Im Bereich von 0,2 bis 0,8 ist die Permeation moderat.

In-silico-Verfahren

Die Simulationsverfahren werden vor allem in der sehr frühen Phase der Wirkstoffentwicklung, demDrug Design,eingesetzt. Die Berechnungsmodelle beschränken sich derzeit auf passiven Transport durch Diffusion und einige molekulareDeskriptoren,wie Lipophilie, Ladung, molare Masse und Anzahl derWasserstoffbrückenbindungen.

In-vitro-Verfahren

Zellkultur-Inkubator.
In kultivierten Endothelzellen lassen sich quantitative Untersuchungen über das Verhalten von Substanzen an der Blut-Hirn-Schranke durchführen.

Das einfachsteIn-vitro-Verfahren ist die Verwendung von isolierten noch lebenden Kapillargefäßen. Damit sind Untersuchungen der Transportmechanismen auf zellulärer Ebene möglich.Dabei werden teilweise auch Kapillaren humanen Ursprungs ausAutopsieneingesetzt. Die Kapillaren sind auch nach der Isolierungmetabolischaktiv, selbst wenn der ATP-Vorrat in den Zellen weitgehend aufgebraucht ist.Bei diesem Verfahren sind allerdings sowohl die luminale als auch die abluminale Seite der Endothelien dem zu untersuchenden Wirkstoff ausgesetzt. Deshalb ist keine Differenzierung beider Seiten bezüglich der Wirkstoffaufnahme möglich. MittelskonfokalerFluoreszenzmikroskopiekann bei inkubierten Kapillaren die räumliche Verteilung analysiert werden. So kann beispielsweise die Aufnahme fluoreszenzmarkiertermonoklonaler AntikörperamTransferrinrezeptoruntersucht werden.Die Methode lässt sich so verfeinern, dass damit auch halbquantitativeAssaysfür den Efflux von Wirkstoffen an der luminalen Seite der Endothelien möglich sind.

MitimmortalisiertenEndothelzelllinien lassen sich quantitative Aussagen über die Durchlässigkeit einer Substanz machen. Dazu gibt es inzwischen eine Vielfalt unterschiedlicher Zelllinien verschiedenerSpezies.Diese Zelllinien werden sowohl für dieGrundlagenforschungals auch für die Wirkstoffentwicklung verwendet.Die Endothelzellen werden dabei, wie in den Kapillargefäßen auch, in einlagigen Schichten (Monolayer) gezüchtet. Die Qualität dieser Schichten lässt sich beispielsweise über den elektrischen Widerstand der Endothelschicht beurteilen. Der transendotheliale elektrische Widerstand (transendothelial electrical resistance= TEER) sollte dabei möglichst hoch sein. Im lebenden Organismus liegt dieser Wert oberhalb von 2000$\mathrm {\Omega }$·cm²und wird im Wesentlichen durch die Qualität der Tight Junctions bestimmt.In vitrowerden meist um eineGrößenordnunggeringere Werte erreicht.Diese Werte verbessern sich erheblich, wenn Ko-Kulturen von Endothelien und Astrozyten verwendet werden. Die Astrozyten beeinflussen die Genexpression der Endothelien zur Bildung von Tight Junctions positiv. Auf diese Weise können Werte von bis zu 800$\mathrm {\Omega }$·cm² erreicht werden.Ähnlich hohe Werte können auch ohne Astrozyten erreicht werden, wenn die ZellkulturCortisolenthält.

In-vivo-Verfahren

Laborrattensind häufig genutzte Modellorganismen für In-vivo-Versuche an der Blut-Hirn-Schranke.

Das erste, vonPaul Ehrlichangewandte Verfahren zur Darstellung der (Un)-Durchlässigkeit der Blut-Hirn-Schranke war die Injektion eines Farbstoffes und die anschließende Sektion des Versuchstieres. Farbstoffe, die in der Lage sind, die Blut-Hirn-Schranke zu überwinden, färben das Interstitium des Gehirns nachhaltig an. Das Verfahren ist auf Farbstoffe beschränkt und erlaubt nur qualitative Betrachtungen. In Untersuchungen zum gezielten Öffnen der Blut-Hirn-Schranke werden noch heute Farbstoffe angewendet. Aus dem gleichen Grund ist die – in der Mikrobiologie sonst sehr häufig angewendete – Methode der Fluoreszenzmarkierung zur Untersuchung von Transportmechanismen kleiner Moleküle an der Blut-Hirn-Schranke gänzlich ungeeignet. Nur bei sehr großen Molekülen, wie Polypeptiden, bei denen das Molekül des Fluoreszenzfarbstoffes im Verhältnis zum Peptid relativ klein ist, kann die Fluoreszenzmarkierung angewendet werden.

Es wurden in der Vergangenheit eine Reihe unterschiedlicher In-vivo-Verfahren entwickelt, die zum Teil noch heute in der Praxis Anwendung finden. Generell sind die In-vivo-Methoden die Referenzverfahren. Die intravenöse oder intraarterielle Applizierung eines Wirkstoffs unter realen physiologischen Bedingungen in einem Modellorganismus und anschließende Analyse des Gehirngewebes kann derzeit durch kein In-vitro-Verfahren oder gar durch Simulationsrechnung ersetzt werden. Es sind die Verfahren mit der höchsten Empfindlichkeit, bei denen die Aufnahme einer Substanz im Gehirn über lange Zeiträume und mehrere Passagen der Blut-Hirn-Schranke bestimmt werden können.

Brain-Uptake-Index

Das erste Verfahren zurQuantifizierungder Aufnahme von Nähr- und Wirkstoffen über die Bluthirnschranke wurde 1970 von William H. Oldendorf entwickelt.Dabei wird eineradioaktiv markierte Substanzzusammen mit einer ebenfalls radioaktiv markiertenReferenzprobedirekt und möglichst schnell in dieäußere Halsschlagadereines Versuchstieres (meist eine Ratte) injiziert. Etwa fünf Sekunden nach der Injektion wird das Tier danndekapitiert,das Gehirn isoliert und über die Radioaktivität die Konzentration der darin enthaltenen markierten Substanzen ermittelt. Über das Verhältnis derDosisder injizierten Substanzen und der im isolierten Gehirn gemessenen Dosis für Testsubstanz und Referenzprobe wird der sogenannteBrain-Uptake-Index(BUI) berechnet.

${\text{BUI}}={\frac {\ {\frac {C_{\text{GehirnT}}}{C_{\text{injiziertT}}}}\ }{\ {\frac {C_{\text{GehirnR}}}{C_{\text{injiziertR}}}}\ }}$

Das Verfahren ist wegen der sehr kurzen Zeit, in der die applizierten Substanzen verabreicht werden und permeieren können, nur für solche Substanzen geeignet, die die Blut-Hirn-Schranke schnell passieren. Hydrophile Verbindungen, wie beispielsweise viele Peptide, werden dagegen nur langsam aufgenommenen. Für solche Substanzen ist die Methode ungeeignet.

Die zu untersuchenden Verbindungen sind meistTritium- oder¹⁴C-markiert. Als Referenzsubstanzen dienen beispielsweise tritiertes Wasser oder¹⁴C-Butanol.Das dem Versuchstier injizierte Volumen wird dabei möglichst klein gehalten. Volumina kleiner als 10 µl sind notwendig, um Strömungs- und Verteilungsartefaktezu vermeiden, da diese den gemessenen BUI beeinflussen.Die Abhängigkeit des BUI von der Konzentration der injizierten Substanz ist dagegen eher gering.

Der Brain-Uptake-Index verschiedener Substanzen

Verbindung	BUI [%]	log P	M[g/mol]
Cytosin	1,2	−1,72	243,2
Harnstoff	1,4	−1,52	60,1
Mannitol	2	−2,11	182,2
Thioharnstoff	5	−0,96	76,12
Ethylenglycol	18	−1,3	62,1
Acetamid	23	−1,1	59,1
Methanol	103	−0,52	32
Propylenglycol	27	−0,92	76,1
Ethanol	107	−0,18	46,1
Butanol	117	0,93	74,1
Benzylalkohol	94	1,1	108,1
Phenobarbital	56	1,42	232,2
Phenazon	83	0,38	188,2
Koffein	103	0,02	194,2
Phenytoin	71	2,4	252,3
Estradiol	94	2,61	272,4
Testosteron	85	3,28	288,4
Heroin	87	1,14	369,4
Morphin	2,6	−0,2	285,3
Nikotin	120	0,7	162,2

nach: , Daten, wenn nicht anders gekennzeichnet, aus:

Brain-Efflux-Index

Bei diesem 1995 entwickelten Verfahren wird der Efflux einer Substanz aus dem Gehirn über die Blut-Hirn-Schranke ins Blut bestimmt.

Wie beim Brain-Uptake-Index wird die radioaktiv markierte Testsubstanz zusammen mit einer ebenfalls radioaktiv markierten Referenzverbindung per Mikroinjektion direkt in das Gehirn des Versuchstiers injiziert. Bei der Referenzverbindung wird allerdings ein nichtpermeabler Tracer – meistInulin– verwendet. Auch hier wird das Versuchstier nach einer bestimmten Zeit dekapitiert und das Gehirn isoliert. Die Radioaktivität wird dann auf der gleichen Seite des Gehirns (ipsilateral) vermessen. Aus dem Anteil der Testsubstanz, der die Blut-Hirn-Schranke passiert und im Blut zirkuliert, und dem im Gehirn verbliebenen Anteil errechnet sich dann der Brain-Efflux-Index (BEI):

${\text{BEI}}=1-{\frac {\ {\frac {C_{\text{TestG}}}{C_{\text{ReferenzG}}}}\ }{\frac {C_{\text{TestI}}}{C_{\text{ReferenzI}}}}}$.

Gehirnperfusion

Bei der Perfusionstechnik wird die zu untersuchende, radioaktiv markierte Substanz in die äußere Halsschlagader des Versuchstiers perfundiert. Danach wird das Tier getötet und das Gehirn entnommen. Das Gehirn wirdhomogenisiertund die darin befindliche Radioaktivität gemessen. Der Vorteil dieser Methode liegt darin, dass ein möglicher Abbau der Testsubstanz im Blut, beispielsweise durch darin enthaltene Enzyme, weitgehend verhindert wird.Als Versuchstiere sindMeerschweinchenbesonders geeignet, da die Halsschlagader nicht zwischen Nacken und Gehirn verzweigt ist, wie dies beispielsweise bei der Ratte der Fall ist. Dies ermöglicht es, die Perfusionsdauer auf bis zu 30 Minuten zu erhöhen, während bei der Ratte nur 20 Sekunden möglich sind.Der operative Aufwand dieser Methode ist ausgesprochen hoch. Deshalb wird sie im Wesentlichen nur bei Substanzen angewendet, die keine ausreichende Stabilität im Plasma haben oder nur ein sehr geringes Perfusionsvermögen zum Gehirn besitzen.

Eine verbesserte Variante ist dasKapillar-Verarmungsverfahren(engl.capillary depletion method). Dabei werden durchZentrifugationdie Kapillaren vom Hirngewebe abgetrennt.Dadurch kann zwischen Transzytose beziehungsweise Diffusion, also der tatsächlichen Permeation ins Gehirn, und einer möglichen Endozytose im Endothel unterschieden werden.

Indikator-Diffusionstechnik

Bei der Indikator-Diffusionstechnik (engl.indicator diffusion technique) wird der zu untersuchende Wirkstoff zusammen mit einer Referenzsubstanz, die kein Permeationsvermögen hat, in die äußere Halsschlagader appliziert. Beide Substanzen müssen dabei nicht radioaktiv markiert sein. Aus dem Blutrückfluss, beispielsweise in derVena jugularis interna,lässt sich die Konzentration beider Substanzen durch Blutentnahme und Analyse des Plasmas bestimmen. Aus der Abnahme der Testsubstanz im Blutrückfluss lässt sich diePermeationder Substanz in das Gehirn berechnen.

Die Indikator-Diffusionstechnik ist beim Gehirn nur für Substanzen geeignet, die ein hohes Permeationsvermögen für dieses Organ besitzen.

Quantitative Autoradiographie

siehe Hauptartikel:Autoradiographie

Autoradiogramm eines Schnitts des Gehirns eines Rattenembryos. Die Markierung erfolgte mit Oligonukleotid-Sequenzen, die mit³⁵S-dATP (Desoxyadenosintriphosphat) konjugiert waren und an GAD67 (Glutamatdecarboxylase67) binden. Die Bereiche mit hoherRadioaktivität(hohe Markerkonzentration) sind schwarz. Dies ist insbesondere in dersubventrikulären Zone(SVZ) der Fall. Die Blut-Hirn-Schranke verhindert hier den Übergang des Markers in das Gehirngewebe. Der schwarze Maßstabsbalken entspricht einer Länge von 2 mm.

Die quantitativeAutoradiografie(QAR) wurde in den 1970er Jahren entwickelt.Dabei wird die – meist mit¹⁴C – radioaktiv markierte Substanz intravenös appliziert. Zu einem bestimmten Zeitpunkt werden die Organe isoliert und die getrocknetenGefrierschnitteauf einen Röntgenfilm oder eine hochauflösendeszintigraphische Detektorplattegelegt. Über den Schwärzungsgrad, beziehungsweise die detektierte Strahlendosis, kann mittels vergleichender Versuche mit Substanzen sehr geringer Permeabilität – beispielsweise mit¹²⁵I-markiertemAlbumin– die Aufnahme der Substanz im Gehirn, aber auch in anderen Organen, gemessen werden. Wird in einer separaten Messung die lokale Perfusion bestimmt, lässt sich das Permeabilitätsoberflächenprodukt berechnen.

Intrazerebrale Mikrodialyse

Bei der intrazerebralenMikrodialysewird einehalbdurchlässige Membranin das Gehirngewebe implantiert. Über einenMikrodialysekatheter,der sich im Inneren der Membran befindet, können Substanzenperfundiertwerden. Anschließend können über den gleichen Katheter Proben des Perfusates entnommen und analysiert werden.

Im Versuchstier können damit vielfältige Untersuchungen und Versuche an der Blut-Hirn-Schranke durchgeführt werden. Ein Beispiel hierfür ist das weiter unten beschriebene Öffnen der Blut-Hirn-Schranke durch hypertonische Lösungen. Die Methode ist für die kontinuierliche Flüssigkeitsentnahme geeignet. So können von intravenös oder oral verabreichten Substanzen Konzentrations-Zeit-Profile erstellt werden.

Verschiedenste Experimente zur Erforschung von Transportmechanismen an der Blut-Hirn-Schranke lassen sich mit der intrazerebralen Mikrodialyse durchführen.

In der Humanmedizin wird die intrazerebrale Mikrodialyse bei Schlaganfällen zumneurochemischenMonitoringangewendet.

Bildgebende Verfahren

Mit Hilfe derbildgebenden Verfahrenist einenichtinvasiveDarstellung und Messung der Durchlässigkeit der Blut-Hirn-Schranke mit verschiedenen Substanzen möglich. Diese Verfahren werden zum Teil in der klinischen Praxis in der Humanmedizin angewendet. Zur Anwendung kommen dabei diePositronen-Emissions-Tomographie(PET), dieMagnetresonanzspektroskopie(MRS) und dieMagnetresonanztomographie(MRT).

PET

→Hauptartikel:Positronen-Emissions-Tomographie

PET des Gehirns nach Verabreichung von¹⁸F-Fluordesoxyglucose(FDG). FDG wird über GLUT-1 wie normale Glucose zum Gehirn transportiert (passiver Transport). Die Bereiche mit dem höchsten Glukosebedarf (= höchste Aufnahme von FDG) sind rot dargestellt.

Mit der Positronen-Emissions-Tomographie werden zur Untersuchung der Blut-Hirn-Schranke im Wesentlichen die Efflux-Prozesse von potenziellen Wirkstoffen mit P-Glykoprotein dargestellt.Das Verständnis der Funktion und der Beeinflussung von P-Glykoprotein an der Blut-Hirn-Schranke ist für die Entwicklung von Neuropharmaka von großer Bedeutung.Diese rein wissenschaftlichen Untersuchungen werden mit Substanzen durchgeführt, die mit einemPositronen-Emitter (Beta-Plus-Zerfall (β+)) markiert sind. Dafür wird hauptsächlich das Isotop¹¹C verwendet. Bei fluorhaltigen Verbindungen wird bevorzugt das kurzlebige Isotop¹⁸F eingesetzt. Wegen der sehr kurzen Halbwertszeit von 20,39 für¹¹C beziehungsweise 110 Minuten bei¹⁸F können solche Versuche nur an Forschungseinrichtungen durchgeführt werden, in deren Nähe einZyklotronsteht. Beispiele für entsprechend markierte und untersuchte Verbindungen sindVerapamil,Carazolol,LoperamidundCarvedilol.Verapamil ist dabei von besonderem pharmakologischen Interesse, da es in der Lage ist, P-Glykoprotein zuinhibieren.

Die PET ist eine der wenigen Methoden, die einen direkten In-vivo-Vergleich zwischen den in der präklinischen Phase verwendeten Modellorganismen und dem Menschen bezüglich der Wechselwirkung zwischen Wirkstoff und P-Glykoprotein ermöglicht.

Magnetresonanztomographie

Die Magnetresonanztomographie (MRT) ist als bildgebendes Verfahren zu unempfindlich, um die Passage von Wirkstoffen in das Gehirn darzustellen. Völlig anders ist die Situation bei einer geschädigten Blut-Hirn-Schranke. In diesen Fällen spielt diekontrastmittelunterstützteMRT alsdiagnostischesVerfahren bei verschiedenen neurodegenerativen Erkrankungen und Krebserkrankungen im Bereich des Gehirns eine wichtige Rolle. Dies wird im Kapitel dermittelbar mit der Blut-Hirn-Schranke assoziierten Erkrankungenausführlicher beschrieben.

Magnetresonanzspektroskopie

→Hauptartikel:Magnetresonanzspektroskopie

Magnetresonanzspektroskopie eines ausgewählten Bereiches im Gehirn eines Patienten. Die drei MRT-Aufnahmen zeigen das türkisumrahmte Messgebiet an. Darunter die dazugehörigenNMR-Spektrenmit dem Peak vonGlutathion(GSH). Rechts oben das daraus abgeleitete Signal-Konzentrations-Diagramm. Dabei sind die Flächeninhalte (y-Achse) des entsprechenden GSH-Peaks gegen die GSH-Konzentration (x-Achse) aufgetragen.

DieMagnetresonanzspektroskopie(MRS) ist ein auf derKernspinresonanzbasierendes Verfahren, das in einem Magnetresonanztomographen die Durchführung einerKernspinresonanzspektroskopieermöglicht. Dabei können bestimmte Substanzen, beziehungsweise deren Stoffwechselprodukte, im Gehirn spektroskopisch nachgewiesen und quantifiziert werden. Gegenüber der auf demProtonenspindes Wassers basierenden Magnetresonanztomographie sind hier andere Atomkerne von Interesse. Dies sind insbesondere¹⁹F,¹³C,³¹P und nichtwässrige Protonen. Im Vergleich zu den in wesentlich größeren Mengen vorhandenen Protonen des Wassers liefern diese meist nur in Spuren vorhandenen Kerne entsprechend schwache Signale. Die räumliche Auflösung entspricht einemVolumenelementvon ungefähr 1 cm³. MRS und MRT lassen sich leicht miteinander kombinieren. Die MRT liefert dabei die anatomische Struktur und die MRS die entsprechende räumlich aufgelöste Analytik zur Anatomie. Mit der MRS lässt sich beispielsweise die PharmakokinetikFluor-haltiger Wirkstoffe, wie derNeuroleptikaTrifluoperazinundFluphenazin,im Gehirn eines Menschen beobachten und messen.Dabei lässt sich mit der Magnetresonanzspektroskopie quantitativ zwischen dem Wirkstoff und seinen Metaboliten unterscheiden. Ebenso kann zwischen freiem und gebundenem Wirkstoff differenziert werden.

Nachteilig bei der MRS sind die durch die geringe Empfindlichkeit der Methode notwendigen langen Messzeiten und die geringe räumliche Auflösung. Letztere ist insbesondere bei Kleintierversuchen problematisch.

Konzepte zur Überwindung der Blut-Hirn-Schranke

siehe Hauptartikel:Konzepte zur Überwindung der Blut-Hirn-Schranke

Wie im Kapitel derTransportprozessegezeigt wurde, sind nur wenige Substanzen in der Lage, die Blut-Hirn-Schranke zu überwinden, weshalb viele potenzielle Neuropharmaka letztlich an der Blut-Hirn-Schranke scheitern. 98 % dieser Substanzen können die Blut-Hirn-Schranke nicht überwinden.

Es wird daher seit Jahrzehnten intensiv an Methoden geforscht, die einen Wirkstofftransport in das Gehirn unter Umgehung oder – idealerweise selektiver – Öffnung der Blut-Hirn-Schranke ermöglichen sollen.Eine Reihe von Strategien zur Überwindung der Blut-Hirn-Schranke wurden dabei entwickelt oder befinden sich noch im Entwicklungsstadium.

Störungen der Blut-Hirn-Schranke

Hauptartikel:Störung der Blut-Hirn-Schranke

Störungen der Blut-Hirn-Schranke können durch eine Reihe von verschiedenen Erkrankungen hervorgerufen werden. Die Blut-Hirn-Schranke kann aber auch selbst der Ausgangspunkt für einige sehr selteneneurologischeErkrankungen sein, diegenetischbedingt sind.

Die Störung der Schutzwirkung der Blut-Hirn-Schranke ist eineKomplikationvieler neurodegenerativer Erkrankungen und Gehirnverletzungen. Auch einige Erkrankungen in der Peripherie, wie beispielsweiseDiabetes mellitusoderEntzündungen,wirken sich schädlich auf die Funktion der Blut-Hirn-Schranke aus.

Andere Erkrankungen wiederum stören die Funktion der Endothelien von „innen heraus “, das heißt, die Integrität der Blut-Hirn-Schranke wird durch Einflüsse, die aus der extrazellulären Matrix herauskommen, beeinträchtigt. Ein Beispiel hierfür ist dasGlioblastom.

Dagegen manifestiert sich eine Reihe von Erkrankungen im Gehirn dadurch, dass bestimmte Erreger die Blut-Hirn-Schranke überwinden können. Dazu gehören beispielsweise das HI-Virus, dasHumane T-lymphotrope Virus 1,dasWest-Nil-Virusund Bakterien, wieNeisseria meningitidisoderVibrio cholerae.

Im Fall der Multiplen Sklerose sind die „Erreger “Zellen der körpereigenenImmunabwehr,die die Blut-Hirn-Schranke überwinden. Ebenso überwinden bei einigen nicht-zerebralen Tumoren metastasierende Zellen die Blut-Hirn-Schranke und können zuMetastasenim Gehirn führen.

Exogene Einwirkungen auf die Blut-Hirn-Schranke

Alkohol

Alkoholmissbrauchist ein Hauptrisikofaktor fürneuroethologischeErkrankungen, Entzündungserkrankungen und für die Anfälligkeit gegenüber bakteriellen Infektionen. Darüber hinaus schädigt der chronische Alkoholkonsum die Blut-Hirn-Schranke,worin ein wesentlicher Einflussfaktor für die Entstehung einiger neurodegenerativer Erkrankungen gesehen wird.Die Schädigung der Blut-Hirn-Schranke ist sowohl durchneuropathologischeUntersuchungen von Alkoholabhängigen als auch durch Tierversuche belegt.

Im Tierversuch wurde festgestellt, dass das durch den Alkoholkonsum aktivierte EnzymMyosin-leichte-Ketten-Kinase(MLCK) in den Endothelien zu einerPhosphorylierungmehrerer Tight-Junction- beziehungsweise Zytoskelett-Proteine führt, wodurch die Integrität der Blut-Hirn-Schranke in Mitleidenschaft gezogen wird.Darüber hinaus führt der durch den Alkohol hervorgerufeneoxidative Stresszu einer weiteren Schädigung der Blut-Hirn-Schranke.

Nicht der Alkohol selbst, sondern seineMetabolitenaktivieren das MLCK-Enzym in den Endothelien. Die Funktionsstörung der Blut-Hirn-Schranke erleichtert die Migration von Leukozyten in das Gehirn, wodurch neuroinflammatorische Erkrankungen begünstigt werden.

Nikotin

ChronischerNikotinmissbraucherhöht nicht nur das Risiko eines Bronchialkarzinoms, sondern auch das Risiko einerkardiovaskulären Erkrankung.Zwischen kardiovaskulären Risikofaktoren besteht wiederum ein direkter Zusammenhang mit einem erhöhten Risiko einerDemenz.In mehreren Metastudien wurde festgestellt, dass Raucher ein signifikant höheres Risiko für eine Demenz durch Alzheimer-Krankheit haben als Nichtraucher. Das Risiko für einevaskuläre Demenzundleichte kognitive Beeinträchtigungenist nicht oder nur geringfügig erhöht.Die chronische Gabe von Nikotin verändert im Tierversuch sowohl die Funktion als auch den Aufbau der Blut-Hirn-Schranke der Versuchstiere.Die ModellsubstanzSucrosekann die Endothelien signifikant leichter passieren, was im Wesentlichen auf eine veränderte Verteilung des Tight-Junction-Proteins ZO-1und eine reduzierte Aktivität von Claudin-3 zurückzuführen ist. Des Weiteren wurden im Endothel der Blut-Hirn-Schranke nach der chronischen Gabe von Nikotin eine verstärkte Bildung vonMikrovilli,abgeregelteNa⁺K⁺2Cl⁻-Symporterund abgeregelteNatrium-Kalium-Pumpenbeobachtet.

InepidemiologischenStudien wurde für Raucher ein signifikant höheres Risiko für die Erkrankung an einer bakteriellen Meningitis im Vergleich zu Nichtrauchern festgestellt. Nikotin verändert die Aktinfilamente desZytoskelettsder Endothelien, wodurch offensichtlich die Passage von Pathogenen wie beispielsweiseE. colizum Gehirn erleichtert wird.

Für einige diffusionsbegrenzte Verbindungen wie beispielsweise den NikotinantagonistenMethyllycaconitin(MLA), der an denNikotinacetylcholinrezeptor(nAChrs) bindet, wird die Blut-Hirn-Passage dagegen bei chronischer Nikotineinnahme verschlechtert.

Ein Impfstoff auf der Basis eines nikotinspezifischenImmunglobulin Gist in der Entwicklung. Mit diesem Impfstoff soll die Bildung von Antikörpern stimuliert werden, die gezielt Nikotin binden und so die Passage durch die BHS vereiteln.

Elektromagnetische Wellen (Mobilfunk)

Die gesundheitlich negativen Wirkungenelektromagnetischer Strahlungim Mega- bis Gigahertz-Bereich bei hoher Energiedichte sind belegt. Demgegenüber werden Wirkungen derselben mit geringerer Energiedichte, wie sie hauptsächlich im Mobil- und Datenfunk benutzt wird, kontrovers diskutiert. Die Auswirkungen auf die Blut-Hirn-Schranke sind dabei auch ein Thema.

Bei hoher Energiedichte elektromagnetischer Strahlung wird in betroffenem Körpergewebe eine signifikante Erwärmung beobachtet. Im Schädel kann diese Erwärmung die Blut-Hirn-Schranke beeinflussen und permeabler machen. Solche Effekte werden auch durch die Einwirkung von Wärmequellen an peripheren Körperstellen nachgewiesen.Bei den im Mobilfunk verwendeten Leistungen lässt sich das Gehirn um maximal 0,1Kerwärmen (15-minütiges Mobilfunkgespräch mit maximaler Sendeleistung). Durch ein warmes Bad oder körperliche Anstrengung kann das Gehirn schadlos stärker erwärmt werden.In wissenschaftlichen Studien seit Beginn der 1990er Jahre,insbesondere aus dem Arbeitskreis des schwedischen NeurochirurgenLeif G. Salfordan derUniversität Lund,wurden Ergebnisse erzielt, die eine Öffnung der Blut-Hirn-Schranke im nicht-thermischen Bereich, nach der Exposition mitGSM-Frequenzen, beschrieben.Später kamenin-vitro-Versuche an Zellkulturen zu ähnlichen Ergebnissen.

Andere Arbeitsgruppen können die Ergebnisse von Salford nicht bestätigen.Auch wird von anderen Arbeitskreisen insbesondere die angewandte Methodik in Frage gestellt.

Humandiagnostik

Kontrastmittelverstärkte Magnetresonanztomographie

Gd-DTPA, kann wegen seiner hohen Hydrophilie die gesunde Blut-Hirn-Schranke nicht passieren.

Coronale MRT mit 20 ml Gd-DTPA eines Glioblastoms. Der Bereich des Tumors wird durch das Einströmen des Kontrastmittels über die defekte Blut-Hirn-Schranke in der rechten Gehirnhälfte (weiße Bereiche, auf dem Bild links dargestellt) sichtbar.

Störung der Blut-Hirn-Schranke nach einem ischämischen Hirninfarkt im Stromgebiet der A. cerebri media links. T1-gewichtete Sequenzen coronar links ohne, rechts mit Kontrastmittel

Bereits kurz nach der Entwicklung von Gadopentetat-Dimeglumin (Gd-DTPA), dem ersten Kontrastmittel für die Kernspintomographie, 1984,wurde das Potenzial der kontrastmittelverstärkten Magnetresonanztomographie für die Diagnose von lokalen Störungen der Blut-Hirn-Schranke erkannt.Gd-DTPA ist als hochpolares Molekül viel zu hydrophil, um die gesunde Blut-Hirn-Schranke passieren zu können. Veränderungen an den Tight Junctions, wie sie beispielsweise durch Glioblastome ausgelöst werden, ermöglichen den parazellulären Transport dieses Kontrastmittels in das Interstitium. Dort verstärkt es durch die Wechselwirkung mit den Protonen des umgebenden Wassers den Kontrast und macht so die defekten Bereiche der Blut-Hirn-Schranke sichtbar. Da diese Blutgefäße für die Versorgung des Tumors zuständig sind und sich zu diesem in unmittelbarer Nachbarschaft befinden, lässt sich so das Ausmaß des Tumors darstellen.

Bei einem akutenischämischen Schlaganfallkann die Störung der Blut-Hirn-Schranke ebenfalls durch kontrastmittelverstärkte MRT zur Diagnosestellung herangezogen werden.

Durch die Bestimmung derRelaxationszeitkann die Menge an Gd-DTPA im Interstitium quantifiziert werden.

Andere bildgebende Verfahren

Mittels radioaktiv markierter Tracer, die die gesunde Blut-Hirn-Schranke normalerweise nicht passieren, können ebenfalls Untersuchungen zur Überprüfung der Funktion der Blut-Hirn-Schranke am Menschen vorgenommen werden. Dabei können prinzipiell sowohl dieSingle-Photon-Emissionscomputertomographie(SPECT) als auch diePositronen-Emissions-Tomographie(PET) angewendet werden. So kann beispielsweise bei Patienten mit einem akuten Schlaganfall eine erhöhte Aufnahme von^99mTc-Hexamethylpropylaminoxim (HMPAO) im Gehirn nachgewiesen werden.

Mit Hilfe derComputertomographie(CT) können Defekte der Blut-Hirn-Schranke durch die Diffusion von geeigneten Kontrastmitteln aus den Kapillaren in das Interstitium quantifiziert werden.

Entdeckungsgeschichte

Paul Ehrlich um 1900 in seinem Frankfurter Arbeitszimmer

Max Lewandowsky

Charles Smart Roy und Charles Scott Sherrington 1893 in Cambridge

Der erste Beweis für die Existenz der Blut-Hirn-Schranke stammt von dem deutschen ChemikerPaul Ehrlich.Er stellte 1885 bei der Injektion von wasserlöslichen saurenVitalfarbstoffenin den Blutkreislauf von Ratten fest, dass alle Organe außer Gehirn und Rückenmark von dem Farbstoff angefärbt waren.

Er zog daraus 1904 den falschen Schluss, dass eine geringe Affinität des Gehirngewebes zu dem injizierten Farbstoff die Ursache für diesen Befund sei.

Edwin Goldmann,ein über viele Jahre enger Mitarbeiter seines Mentors Paul Ehrlich,injizierte 1909 den fünf Jahre zuvor von Paul Ehrlich erstmals synthetisiertenDi-AzofarbstoffTrypanblauintravenös. Dabei bemerkte er, dass derPlexus choroideusim Gegensatz zum umgebenden Gehirngewebe merklich angefärbt war.1913 injizierte er den gleichen Farbstoff direkt in die Rückenmarksflüssigkeit vonHundenundHasen.Dabei wurde das gesamte Zentralnervensystem (Gehirn und Rückenmark) angefärbt, aber sonst kein anderes Organ.Goldmann schloss daraus, dassLiquor cerebrospinalisundPlexus choroideuseine wichtige Funktion für den Nährstofftransport in das Zentralnervensystem haben. Des Weiteren vermutete er für neurotoxische Substanzen eine Schrankenfunktion.

1898 führtenArtur BiedlundRudolf KrausVersuche mitGallensäurendurch. Bei systemischer Applikation in die Blutbahn waren diese Verbindungen untoxisch. Bei der Injektion in das Gehirn waren sie jedochneurotoxisch,mit Reaktionen bis zumKoma.

Max Lewandowskybenutzte 1900 bei vergleichbaren VersuchenKaliumhexacyanidoferrat(II)(gelbes Blutlaugensalz) und kam zu ähnlichen Ergebnissen wie Biedl und Kraus. Lewandowsky verwendete dabei erstmals den Begriff der „Blut-Hirn-Schranke “.

1890 postuliertenCharles Smart Royund der spätereNobelpreisträgerCharles Scott Sherrington,dass das Gehirn einen intrinsischen Mechanismus habe, bei dem die vaskuläre Versorgung mit den lokalen Schwankungen der funktionalen Aktivität korrespondiert.

“The brain possesses an intrinsic mechanism by which its vascular supply can be varied locally in correspondence with local variations of functional activity.”

–C. S. Roy, C. S. Sherrington:On the regulation of the blood supply of the brain. 1890.

Lina Stern,erstes weibliches Mitglied derRussischen Akademie der Wissenschaften,leistete wesentliche Beiträge zur Erforschung der Blut-Hirn-Schranke, welche sie 1921 alshaemato-encephalische Schrankebezeichnete.

Die Differenzierung in Blut-Hirn- und Blut-Liquor-Schranke nahmen in den 1930er JahrenFriedrich Karl WalterundHugo Spatzvor. Sie postulierten, dass der Fluss des Liquors für den Gasaustausch im Zentralnervensystem allein völlig unzureichend sei.

Obwohl die Versuche von Goldmann und Ehrlich die Existenz einer Barriere zwischen Blutkreislauf und Zentralnervensystem nahelegten, gab es bis in die 1960er Zweifel an deren Existenz. Ein Kritikpunkt an Goldmanns Versuch war dabei, dass sich Blut undLiquor,die beiden Flüssigkeiten, in die die Farbstoffe injiziert wurden, erheblich unterscheiden und so das Diffusionsverhalten und die Affinität zumNervengewebebeeinflusst werden. Erschwert wurde das Verständnis noch durch den experimentellen Befund, dass basische Azofarbstoffe das Nervengewebe anfärbten, also die Blut-Hirn-Schranke überwanden, während die sauren Farbstoffe dies nicht taten.Ulrich Friedemannschloss daraus, dass die elektrochemischen Eigenschaften der Farbstoffe dafür verantwortlich seien. Die zerebralen Kapillaren seien für ungeladene oder beim pH-Wert von Blut positive geladene Substanzen durchlässig und für saure undurchlässig.Diese These erwies sich in der Folgezeit, als eine Vielzahl von Substanzen auf ihre Permeabilität an der Blut-Hirn-Schranke untersucht wurden, jedoch als unzureichend. In den nachfolgenden Erklärungsmodellen wurde eine Vielzahl von Parametern, wie molare Masse, Molekülgröße, Bindungsaffinitäten, Dissoziationskonstanten, Fettlöslichkeit, elektrische Ladung und die verschiedensten Kombinationen daraus, diskutiert.

Das heutige Verständnis des Grundaufbaus der Blut-Hirn-Schranke basiert auf elektronenmikroskopischen Aufnahmen von Mäusegehirnen, die am Ende der 1960er Jahre durchgeführt wurden.Thomas S. ReeseundMorris J. Karnovskyinjizierten in ihren VersuchenMeerrettichperoxidaseintravenös in die Versuchstiere. Das Enzym fanden sie bei der elektronenmikroskopischen Betrachtung nur im Lumen der Blutgefäße und in mikropinozytischen Vesikeln innerhalb der Endothelzellen. Außerhalb des Endothels, in der extrazellulären Matrix, fanden sie keine Peroxidase. Sie vermuteten, dassTight Junctionszwischen den Endothelzellen den Übergang zum Gehirn verhindern.

Literatur

• D. Kobiler et al.:Blood-brain Barrier.Verlag Springer, 2001,ISBN 0-306-46708-9.
• A. G. De Boer, W. Sutanto:Drug Transport Across the Blood-brain Barrier.CRC Press, 1997,ISBN 90-5702-032-7.
• W. M. Pardridge:Introduction to the Blood-brain Barrier.Cambridge University Press, 1998,ISBN 0-521-58124-9.
• E. M. Taylor:Efflux Transporters and the Blood-brain Barrier.Nova Publishers, 2005,ISBN 1-59454-625-8.
• D. J. Begley et al.:The Blood-brain Barrier and Drug Delivery to the CNS.Informa Health Care, 2000,ISBN 0-8247-0394-4.
• E. de Vries, A. Prat:The Blood-brain Barrier and Its Microenvironment.Taylor & Francis, 2005,ISBN 0-8493-9892-4.
• M. Bradbury:The Concept of a Blood-Brain Barrier.Wiley-Interscience, 1979,ISBN 0-471-99688-2.
• P. Ramge:Untersuchungen zur Überwindung der Blut-Hirn-Schranke mit Hilfe von Nanopartikeln.Shaker Verlag,1999,ISBN 3-8265-4974-0.
• P. Brenner:Die Struktur der Blut-Hirn- und der Blut-Liquor-Schranke.Dissertation, LMU München, 2006
• Yasunobu Arima et al.:Regional Neural Activation Defines a Gateway for Autoreactive T Cells to Cross the Blood-Brain Barrier.In:Cell.148, 2012, S. 447–457,doi:10.1016/j.cell.2012.01.022.

Weblinks

• Norman R. Saunders et al.:The rights and wrongs of blood-brain barrier permeability studies: a walk through 100 years of history.In:Frontiers in Neuroscience.Band8,16. Dezember 2014,doi:10.3389/fnins.2014.00404,PMID 25565938.

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