БИОХИМИЯ, 2021, том 86, вып. 6, с. 917 - 932

УДК 612.824:616.8:577.1

ПОВРЕЖДЕНИЕ ГЕМАТОЭНЦЕФАЛИЧЕСКОГО БАРЬЕРА

ПРИ СТРЕССЕ И НЕЙРОДЕГЕНЕРАЦИИ:

БИОХИМИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ И НОВЫЕ МОДЕЛИ

ДЛЯ ТРАНСЛЯЦИОННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Обзор

А.Б. Салмина^1,2*, Ю.К. Комлева², Н.А. Малиновская², А.В. Моргун²,

Е.А. Тепляшина², О.Л. Лопатина², Я.В. Горина²,

Е.В. Харитонова², Е.Д. Хилажева², А.Н. Шуваев²

¹ Отдел исследований мозга, ФГБНУ «Научный центр неврологии», 125367 Москва, Россия

² НИИ молекулярной медицины и патобиохимии, ФГБОУ ВО «Красноярский государственный

медицинский университет им. проф. В.Ф. Войно*Ясенецкого» Минздрава России,

660022 Красноярск, Россия; электронная почта: allasalmina@mail.ru

Поступила в редакцию 16.02.2021

После доработки 31.03.2021

Принята к публикации 23.04.2021

Гематоэнцефалический барьер (ГЭБ) является структурно функциональным элементом нейроваскулярной

единицы (НВЕ), включающей в себя клетки нейрональной, глиальной и эндотелиальной природы. В числе

основных задач функционирования НВЕ - поддержание контроля метаболизма и химического гомеостаза

в ткани головного мозга, обеспечение адекватного кровотока в активных регионах, регуляция процессов

нейропластичности, что находит свое отражение в реализации сложного комплекса межклеточных взаимо

действий. Современные варианты моделей ГЭБ и НВЕ, статические и динамические, существенно расши

рили исследовательские возможности, однако ряд вопросов, в частности персонификация модели, остает

ся не решенным. Кроме того, применение любых моделей связано со сложностью в воспроизведении пато

физиологических механизмов, обусловливающих нарушение целостности барьера при заболеваниях цент

ральной нервной системы. В обзоре рассмотрены современные представления о клеточно молекулярных

механизмах и метаболических процессах, контролирующих проницаемость ГЭБ, а также патобиохимичес

кие механизмы и проявления повреждения ГЭБ при стрессе и нейродегенеративных заболеваниях, включая

проблемы и перспективы создания in vitro моделей ГЭБ и НВЕ для трансляционных исследований в невро

логии и нейрофармакологии. Работы в области изучения ГЭБ формируют новые возможности для развития

смежных направлений - регенеративной медицины, нейрофармакологии и нейрореабилитации.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: головной мозг, гематоэнцефалический барьер, стресс, нейродегенерация.

DOI: 10.31857/S0320972521060130

ВВЕДЕНИЕ

стаза в ткани головного мозга, обеспечение

адекватного кровотока в активных регионах, ре

Гематоэнцефалический барьер (ГЭБ) явля

гуляция процессов нейропластичности, что на

ется структурно функциональным элементом

ходит свое отражение в реализации сложного

нейроваскулярной единицы (НВЕ), включаю

комплекса межклеточных взаимодействий в

щей в себя клетки нейрональной, глиальной и

норме, при стрессе, нейродегенерации, нейро

эндотелиальной природы. В число основных за

инфекции, нарушениях развития головного

дач функционирования НВЕ входит поддержа

мозга [1-5].

ние контроля метаболизма и химического гомео

Селективная трансцеллюлярная и парацел

люлярная проницаемость ГЭБ становится пре

Принятые сокращения: ГЭБ - гематоэнцефаличес

пятствием для использования многих препара

кий барьер; НВЕ - нейроваскулярная единица; иПСК - тов с нейротропной активностью: значительная

индуцированные плюрипотентные стволовые клетки; часть лекарственных средств и/или их носите

ЦНС - центральная нервная система; Aβ - бета амилоид;

APP - предшественник бета амилоида; P gp - P глико

лей не достигают своих мишеней в клетках го

протеин; TEER - трансэндотелиальное электрическое

ловного мозга, что создает серьезную проблему

сопротивление (transendothelial electric resistance).

для лечения психических, неврологических, он

* Адресат для корреспонденции.

кологических заболеваний. Кроме того, патоло

917

918

САЛМИНА и др.

гически повышенная неконтролируемая прони

Критическим фактором, определяющим

цаемость ГЭБ характерна практически для всех

возможности формирования модели ГЭБ

видов патологии центральной нервной системы

in vitro, является достижение клетками эндоте

(ЦНС), что способствует развитию альтерации

лия свойств, характерных для эндотелиоцитов

ткани (например, вследствие отека головного

церебральных микрососудов; даже полученные

мозга, геморрагических осложнений) и невро

из индуцированных плюрипотентных стволо

логического дефицита [1-3]. Следует отметить,

вых клеток (иПСК) церебральные эндотелиоци

что изучение клеточно молекулярных механиз

ты не обладают экспрессионным профилем, ха

мов повреждения и восстановления НВЕ и ГЭБ

рактерным для реального церебрального эндо

является большим самостоятельным направле

телия в составе ГЭБ [11]. Это, фактически, явля

нием в современных экспериментальных и кли

ется препятствием для создания полноценных

нических нейронауках, прогресс которого во

персонифицированных моделей ГЭБ, сформи

многом определяется качеством реконструируе

рованных из клеток потомков иПСК. Различия

мых in vitro моделей ГЭБ и НВЕ.

структурных и функциональных параметров

Для исследования механизмов функциони

клеток эндотелия, полученных из иПСК разных

рования НВЕ и ГЭБ, оценки проницаемости ле

людей, существенно снижают информативность

карств кандидатов и носителей через ГЭБ, раз

такой модели, в частности в контексте оценки

работки новых методов управления проницае

индивидуальной чувствительности к действию

мостью барьера применяют разнообразные мо

фармакологических препаратов. Кроме того,

дели in vitro. Модели ГЭБ in vitro могут быть соз

оценка и (при возможности) коррекция метабо

даны из разных типов клеток (например, цереб

лического статуса и экспрессионного профиля

ральный эндотелий, перициты, астроглия) чело

клеток компонентов ГЭБ важны для достиже

веческого и животного происхождения. Обычно

ния функциональной компетентности клеток в

для «сборки» модели in vitro используют клетки

составе in vitro модели, применения технологий

эндотелия сосудов, но при этом необходимо

направленного открытия барьера или подавле

принимать во внимание существенные отличия в

ния его патологической проницаемости при

проницаемости и метаболизме клеток цереб

стрессе и нейродегенерации [9, 11].

рального эндотелия от клеток эндотелия сосудов

Современные варианты моделей ГЭБ и

других тканей. В частности, среди этих различий

НВЕ, статические и динамические, существен

следует упомянуть высокий уровень митохонд

но расширили исследовательские возможности,

риальной активности, уникальный экспрессион

однако ряд вопросов остается не решенным, в

ный профиль, низкий уровень фенестрации кле

частности, как было указано выше, персонифи

ток церебрального эндотелия, поэтому предпоч

кация моделей для конкретного пациента. Кро

тительным является применение клеток эндоте

ме того, в применении и статических, и динами

лия микрососудов головного мозга [4, 5]. Ис

ческих моделей существует важная проблема,

пользование в составе модели клеток других ти

связанная со сложностью в воспроизведении

пов опционально, например, валидированы мо

патофизиологических и биохимических меха

дели, включающие эндотелий, перициты и аст

низмов, обусловливающих нарушение структур

роглию, либо эндотелий, астроциты и нейроны

но функциональной целостности барьера при

[6, 7]. Статические варианты моделей включают:

заболеваниях ЦНС, в результате чего тестирова

1) transwell модели, где эндотелиоциты распо

ние лекарств кандидатов на «здоровых» моде

лагаются на полупроницаемой мембране, как

лях может дать результаты, не соответствующие

правило, дистанцированной от остальных клеток;

ситуации с патологически измененным барье

2) модели с клетками в составе аналога вне

ром. Преодоление этой проблемы возможно

клеточного матрикса, например, в гидрогеле;

только за счет использования новых знаний о

3) сфероидные модели, «собранные» по прин

клеточно молекулярных механизмах поврежде

ципу самоорганизации (смешивание эндотелио

ния ГЭБ и НВЕ при патологии.

цитов, перицитов и астроглии в культуре при оп

ределенных условиях обеспечивает формирова

ние сфероидов с эндотелиоцитами, располагаю

СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ

щимися по периферии конгломерата) [8, 9].

О КЛЕТОЧНО;МОЛЕКУЛЯРНЫХ

Динамические (микропотоковые) модели

МЕХАНИЗМАХ, КОНТРОЛИРУЮЩИХ

ГЭБ являются очень разнообразными, что опре

ПРОНИЦАЕМОСТЬ ГЭБ

деляется микроархитектурой чипа и материа

лом, из которого он изготовлен [10]. Схемати

Селективная и контролируемая проницае

ческое изображение всех перечисленных форма

мость ГЭБ in vivo обеспечивается тесным функ

тов in vitro моделей ГЭБ представлено на рис. 1.

циональным сопряжением нескольких видов

БИОХИМИЯ том 86 вып. 6 2021

ГЭБ ПРИ СТРЕССЕ И НЕЙРОДЕГЕНЕРАЦИИ

919

Рис. 1. Модели гематоэнцефалического барьера in vitro: а - модели на культуральных вставках (полупроницаемые мем

браны); б - модели с использованием гидрогеля/матригеля; в - сфероидная самоорганизующаяся модель; г - микрофлю

идная модель

клеток. Клетки эндотелия микрососудов голов

ны) и адгезионных (например, JAM, ZO 1), от

ного мозга формируют монослой и, экспресси

ветственных за парацеллюлярную проницае

руя большое число транспортеров и каналов,

мость;

имеют возможность регулировать перенос хи

2) экспрессия белков транспортеров и кана

мических соединений. Кроме того, межклеточ

лов (например, монокарбоксилатные транспор

ные контакты могут в определенных условиях

теры, транспортеры глюкозы, P гликопротеин

выступать в качестве пути для пассажа клеток

(P gp), RAGE рецепторы, LRP), реализующих

периферической крови в ткань головного мозга.

трансцеллюлярную проницаемость;

Перициты, окружающие эндотелий, поддержи

3) структурно функциональная целостность

вают (метаболически, секреторно) функцио

церебральных эндотелиоцитов (метаболичес

нальную активность эндотелиоцитов, а также

кий статус, в том числе сохранность функции

участвуют в формировании ГЭБ. Периваскуляр

митохондрий, которыми чрезвычайно богаты

ная астроглия, контактирующая с базальной

эти клетки), а также экспрессия в них белков

мембраной клеток эндотелия, регулирует струк

компонентов клеточных сигнальных путей (ре

турную целостность и метаболическую актив

цепторы, G белки, ферменты, транскрипцион

ность монослоя эндотелиоцитов. Кроме того,

ные факторы);

другие клетки компоненты НВЕ (нейроны,

4) широкий спектр межклеточных взаимо

олигодендроциты, микроглия) оказывают влия

действий (астроцит эндотелиальных, перицит

ние на проницаемость барьера [4].

эндотелиальных), продукция и действие цито

В целом, результаты экспериментальных и

кинов, нейро и глиотрансмиттеров, факторов

клинических исследований последних двух де

роста;

сятилетий убедительно демонстрируют, что ос

5) состояние базальной мембраны, состоя

новными факторами, определяющими прони

щей из белков внеклеточного матрикса, которая

цаемость ГЭБ, являются:

окружает слой эндотелиоцитов и обладает свое

1) экспрессия белков межклеточных контак

образной микроархитектурой и порозностью;

тов: плотных (например, клаудины, окклюди

6) степень зрелости ГЭБ [12-15].

БИОХИМИЯ том 86 вып. 6 2021

920

САЛМИНА и др.

Парацеллюлярная проницаемость ГЭБ in vivo

парацеллюлярной проницаемости ГЭБ является

минимальна в физиологических условиях, в ре

роль коннексинов (Cx), формирующих межкле

зультаты чего т.н. трансэндотелиальное электри

точные каналы - коннексоны, или щелевые

ческое сопротивление (transendothelial electric

контакты (gap junctions, GJs). Коннексоны

resistance, TEER) может достигать

1500-

участвуют в пассаже достаточно крупных моле

2000 Ом/см² [16] и даже 8000 Ом/см² [17]. К со

кул (НАД⁺, ATP, лактат) и ионов (кальций), а

жалению, в условиях in vitro моделей ГЭБ дости

также быстро реагируют на изменения метабо

жение таких значений практически невозможно,

лизма клеток [5]. Еще сравнительно недавно

поэтому для исследовательских целей достаточ

экспрессия Cx в головном мозге считалась пре

ным считается сопротивление порядка 150-200

рогативой астроцитов, которые используют

Ом/см² [4, 6]. В основе механизмов поддержания

коннексоны для формирования астроглиально

минимальной парацеллюлярной проницаемости

го синцития [5], микроокружения в нейроген

лежит экспрессия белков плотных и адгезион

ных нишах головного мозга или для взаимодей

ных контактов. Плотные контакты (tight junc

ствия астроцитов с олигодендроглией [21], од

tions, TJs) сформированы в участках контакта

нако новые данные указывают на то, что кон

клеток церебрального эндотелия из белков се

нексины не менее актуальны для взаимодей

мейства клаудинов (CLDN) и окклудинов

ствия клеток эндотелия в пределах ГЭБ, причем

(OCLN), обладающих способностью взаимодей

они могут оказывать и негативное влияние на

ствовать с аналогичными белками контактирую

целостность барьера: подавление активности

щих клеток, что обеспечивает естественную (ме

Cx43 способно снижать патологически повы

ханическую) преграду для пассажа молекул и

шенную проницаемость ГЭБ [22]. Показано,

клеток [18]. Вторым важным компонентом регу

что подавление межклеточной коммуникации

ляторного механизма парацеллюлярной прони

при участии Cx43 является результатом гипок

цаемости являются адгезионные контакты

сически ишемического повреждения астроци

(adherens junctions, AJs), сформированные бел

тов, что сопровождается активацией полукана

ками клеточной адгезии - ZO 1, JAM белками

лов Cx43, высвобождающих лактат, НАД⁺, ATP

суперсемейства иммуноглобулинов, кадгерина

во внеклеточное пространство, способствуя тем

ми [16]. Одной из важных функций белков адге

самым паракринной и аутокринной сигнализа

зионных контактов является образование внут

ции в ткани [23], поэтому логично предполо

риклеточных мультибелковых платформ (скаф

жить, что аналогичные события в клетках эндо

фолдов), что важно для скоординированного от

телия могут приводить к увеличению пассивной

вета эндотелиальных клеток на действие факто

парацеллюлярной проницаемости ГЭБ.

ров, способных привести к нарушению струк

Молекулы тромбоцитарно эндотелиальной

турно функциональной целостности барьера

клеточной адгезии (PECAM 1, или CD31)

(механических воздействий, активированных

участвуют в контроле парацеллюлярной прони

лейкоцитов или бактериальных агентов). В этой

цаемости ГЭБ, однако они локализованы вне

связи интересной представляется роль скаф

мультибелкового комплекса плотных и адгези

фолд образующего белка ZO 1, который коор

онных контактов. CD31 является несубстрат

динирует межмолекулярные взаимодействия

ным лигандом лейкоцитарного CD38, трансмем

трансмембранных и цитозольных белков, в част

бранного гликопротеина, конвертирующего

ности окклудинов, клаудинов и белков цитоске

НАД⁺ в циклическую ADP рибозу, индуцирую

лета, а также коннексинов [16, 19]. Важно отме

щую мобилизацию кальция из внутриклеточных

тить, что экспрессия белков плотных контактов

кальциевых депо в цитозоль [24, 25], что являет

весьма чувствительна к действию разнообразных

ся необходимым для реализации клеточных ме

по природе повреждающих факторов: например,

ханизмов адгезии активированных лейкоцитов

депривация кислорода и глюкозы или даже

к эндотелию. CD31 также участвует в регуляции

обычная смена питательной среды в условиях

ремоделирования сосудов и ангиогенеза, может

культивирования клеток церебрального эндоте

выступать в качестве молекулы механосенсора,

лия in vitro вызывают увеличение парацеллюляр

при этом недостаточность его экспрессии в

ной проницаемости, сопровождающееся сниже

клетках эндотелия церебральных микрососудов

нием экспрессии CLDN1, CLDN5, ZO 1, окклу

ассоциирована с повышенной проницаемостью

дина [20]. Насколько это может влиять на вос

ГЭБ, например, при нейровоспалении [13].

производимость результатов, полученных с ис

Наиболее распространенным методом оцен

пользованием in vitro моделей ГЭБ и НВЕ, оста

ки парацеллюлярной проницаемости ГЭБ in vivo

ется не выясненным.

является инфузия в кровь молекул, проникнове

Примечательно, что наименее изученной,

ние которых между клетками церебрального эн

как ни парадоксально, в контексте регуляции

дотелия лимитировано размером. Например, от

БИОХИМИЯ том 86 вып. 6 2021

ГЭБ ПРИ СТРЕССЕ И НЕЙРОДЕГЕНЕРАЦИИ

921

рицательно заряженная гидрофильная молекула

well), и в микропотоковых (микрофлюидных)

флуоресцеина натрия (0,365 кДа) может прони

моделях ГЭБ, причем существует достаточно

кать через ГЭБ парацеллюлярно, поэтому на

много вариантов регистрации TEER, например,

копление этого зонда в ткани мозга свидетель

с использованием интегрированных в микро

ствует о минимальном повреждении плотных

флюидные чипы платиновых электродов [32]. В

или адгезионных контактов. При более выра

целом, в условиях in vitro парацеллюлярная про

женном повреждении целостности эндотелиаль

ницаемость является одним из наиболее часто

ного слоя в ткань из крови начинают проникать

регистрируемых параметров. Отсутствие сфор

молекулы красителя Эванса синего (Evans blue),

мированного in vitro монослоя эндотелиоцитов

связанного с альбумином (69 кДа), или высоко

препятствует достижению высоких значений

молекулярные декстраны (10-70 кДа) [26, 27].

TEER, является причиной высокой порозности

В последние годы появились новые методы,

барьера, поэтому в таких условиях изучение ме

позволяющие регистрировать парацеллюляр

ханизмов проницаемости барьера становится

ную проницаемость ГЭБ у животных и человека

некорректным.

in vivo:

Следует отметить, что преодоление парацел

1) инфракрасная спектроскопия (NIRS,

люлярного барьера представляет собой одну из

near infrared spectroscopy) с индоцианином зеле

задач доставки лекарственных препаратов или

ным, обладающим быстрым клиренсом из тка

диагностических средств в ткань головного моз

ни, например, для оценки состояния ГЭБ у па

га (в том числе и в виде неклассических форм,

циентов с травмой головного мозга; NIRS обес

например, наночастиц) [33], тогда как патологи

печивает возможность проведения перманент

чески повышенная парацеллюлярная проницае

ного нейромониторинга и последовательной ре

мость ответственна за развитие отека головного

гистрации перфузии головного мозга и прони

мозга и миграцию лейкоцитов в ткань с последу

цаемости ГЭБ [28];

ющим развитием нейровоспаления [34, 35]. Дос

2) магнитно резонансная томография (МРТ)

тавка лекарственных соединений и их носителей

высокого разрешения с контрастированием: на

может считаться успешной в том случае, если все

копление контрастного агента на основе гадо

компоненты барьера преодолены (эндотелий,

линия (гадопентенат димеглюмина, гадодиа

перициты, базальная мембрана, астроциты), и

мид, гадотерат меглюмина, гадобутрол, гадоте

соединение в неизмененном виде поступило во

ридол) во внеклеточном периваскулярном

внеклеточное периваскулярное пространство.

пространстве приводит к увеличению времени

Для достижения этой цели обычно используют

продольной релаксации и интенсивности сиг

ся методы обратимого и контролируемого «от

нала на Т1 взвешенных изображениях, однако

крытия» барьера, например, ультразвуком или за

результаты применения таких протоколов, как

счет стимуляции рецепторов, обеспечивающих

правило, трудно сопоставимы ввиду различий в

локальную вазодилятацию (например, аденози

методиках анализа изображений [29, 30];

новых рецепторов) [36, 37]. В этом контексте

3) позитронно эмиссионная томография

применение in vitro моделей является очень вост

(ПЭТ) с радиолигандами (например, с 2 амино

ребованным, так как оно позволяет осущест

³С изобутиратом), позволяющими оценить про

влять скрининговые исследования новых прото

ницаемость ГЭБ, кинетика накопления которых

колов и персонифицировать терапевтические

в периваскулярном пространстве в участках

подходы в обозримом будущем [38].

повреждения головного мозга более информа

С другой стороны, очевидна и доказана роль

тивна, чем в случае применения МРТ с контрас

повреждения белков межклеточных контактов

тированием [31].

церебральных эндотелиоцитов в патогенезе

Для тестирования парацеллюлярной прони

большого круга нейродегенеративных заболева

цаемости in vitro обычно используют измерение

ний, травмы и ишемии головного мозга [39, 40],

TEER (вольтметрия) либо определение концен

а новые данные свидетельствуют о вовлеченнос

трации зондов (например, FITC декстранов,

ти аналогичных механизмов в прогрессирова

липосом, наночастиц) по обе стороны барьера.

ние депрессии и шизофрении [41]. В таком слу

Кроме того, вовлеченность Cx43 в поддержание

чае возникает необходимость снижения избы

целостности плотных контактов эндотелиаль

точной проницаемости ГЭБ для купирования

ного слоя может быть визуализирована с по

реакции нейровоспаления либо интенсифика

мощью гидрофильного красителя Люцифера

ции процессов клиренса токсических соедине

желтого (Lucifer yellow), который может прони

ний с использованием функциональных воз

кать через сформированные Cx43 полуканалы

можностей периваскулярных астроцитов [42].

[6]. Примечательно, что сходные методические

Трансцеллюлярная проницаемость ГЭБ оп

подходы реализуются и в статических (trans

ределяется активностью большого числа кана

БИОХИМИЯ том 86 вып. 6 2021

922

САЛМИНА и др.

лов и транспортеров, обладающих субстратной

Клетки церебрального эндотелия экспресси

специфичностью, а также кавеолин опосредо

руют широкий спектр (более 300) транспорте

ванных механизмов. Считают, что за счет кавео

ров, относящихся к семейству SLC (solute carrier

лина 1 (CAV1), взаимодействующего с белками

transporter), чье функционирование необходимо

плотных контактов, трансцеллюлярная и пара

для трансфера аминокислот, глюкозы, лактата,

целлюлярная проницаемости ГЭБ тесно связа

ионов, витаминов, жирных кислот [48]. Оценка

ны друг с другом [12]. Например, повышение

их экспрессии, а также экспрессии белков плот

проницаемости ГЭБ при острой ишемии связы

ных контактов и определение уровня TEER яв

вают не столько с разрушением структуры плот

ляется обязательным этапом валидации целост

ных контактов, сколько с усилением эндотели

ности монослоя эндотелия in vitro. Например,

ального кавеолин и клатрин зависимого транс

такой комплексный подход применяется для

цитоза, подразумевающего формирование боль

подтверждения функциональной компетент

шого числа эндотелиальных везикул, транспор

ности клеток эндотелия церебральных микросо

тирующих молекулы через клетку эндотелия в

судов, полученных из иПСК [49]. Экспрессион

ткань головного мозга или в кровь [43].

ный профиль SLC в клетках эндотелия микро

Одним из ключевых транспортеров, экс

сосудов меняется в процессе развития организ

прессирующихся в мембране клеток церебраль

ма [50], а в условиях in vitro он чувствителен да

ного эндотелия, является P гликопротеин

же к изменениям состава питательной среды, в

(P gp, MDR белок, продукт экспрессии гена

частности, экспрессия SLC2A1, SLC16A1 и

ABCB1), функционирующий в качестве экстру

SLC7A5 (но не белков плотных контактов) прог

зора для гидрофобных молекул и принадлежа

рессивно снижается при культивировании по

щий к семейству ATP связывающих транспор

сравнению с их экспрессией в клетках эндоте

теров [44]. Избыточная активность P gp обеспе

лия, свежевыделенных из капилляров [51]. Эти

чивает транспорт из ткани головного мозга в

обстоятельства следует учитывать при модели

кровь ксенобиотиков, в том числе лекарствен

ровании ГЭБ и НВЕ in vitro, а также при разра

ных соединений (что может обусловливать фор

ботке других моделей, воспроизводящих харак

мирование мультирезистентности), тогда как

терные для разных периодов онтогенеза особен

недостаточная активность этого транспортера

ности функционирования барьера. Для оценки

ассоциирована со старением [44]. Интересно,

трансцеллюлярной проницаемости барьера

что обеспечение прохождения ряда лекарствен

in vivo могут быть применены методы, регистри

ных соединений через ГЭБ за счет применения

рующие проницаемость барьера для субстратов

сфокусированного ультразвука подавляет

тех или иных транспортеров (например, верапа

экспрессию P gp, что также способствует дости

мил используется в качестве субстрата для P gp).

жению препаратом молекул мишеней в клетках

Существуют различные трейсеры (радиолиган

ЦНС [45].

ды), позволяющие оценить проницаемость ГЭБ

Не менее важна роль P gp в клетках цереб

для лекарственных препаратов in vivo с по

рального эндотелия как транспортера бета ами

мощью ПЭТ, а также для решения предиктив

лоида (Aβ): постоянно образующийся в ткани

ных задач в in vitro моделях [7, 52, 53]. Кроме то

головного мозга из предшественника амилоида

го, in vitro такая исследовательская задача часто

(АРР) Aβ должен быть перемещен в кровь (т.н.

сводится к оценке изменений экспрессии соот

клиренс амилоида) во избежание аккумуляции

ветствующих белков транспортеров и концент

его агрегированных форм и развития нейродеге

рации транспортируемых ими метаболитов в

нерации альцгеймеровского типа [46]. Более то

разных компартментах модели [54]. В условиях

го, экспериментальные данные последних лет

in vivo парацеллюлярная и трансцеллюлярная

свидетельствуют о том, что АРР экспрессирует

проницаемость может быть достаточно эффек

ся в эндотелии микрососудов и выполняет ряд

тивно оценена с помощью протоколов спект

физиологических функций (регуляция ангиоге

ральной визуализации, оптической когерентной

неза, контроль нейрогенеза в обильно васкуля

томографии [55, 56]. Основные механизмы регу

ризованных нейрогенных нишах), что, предпо

ляции парацеллюлярной и трансцеллюлярной

ложительно, характерно и для генерируемого в

проницаемости барьера схематично представле

НВЕ Aβ (проангиогенное действие, восстанов

ны на рисунке 2.

ление поврежденного эндотелиального слоя)

Метаболический статус клеток церебрально

[47]. Таким образом, P gp в клетках эндотелия

го эндотелия имеет существенное значение для

микрососудов головного мозга может выступать

поддержания целостности ГЭБ. В первую оче

и в качестве значимого регулятора биодоступ

редь это связано с активной работой митохонд

ности Aβ, что, в конечном счете, оказывает влия

рий, количество которых в этом типе эндотелио

ние на процессы ангиогенеза и барьерогенеза.

цитов больше, чем в эндотелии капилляров дру

БИОХИМИЯ том 86 вып. 6 2021

ГЭБ ПРИ СТРЕССЕ И НЕЙРОДЕГЕНЕРАЦИИ

923

гой локализации [57]. Именно поэтому развитие

ми в части реализации эффекта Варбурга для

митохондриальной дисфункции при действии

стабильной генерации лактата [62]. Кроме того,

фармакологических ингибиторов работы мито

клетки эндотелия микрососудов головного моз

хондрий или бактериальных токсинов провоци

га обладают не только транспортерами лактата

рует нарушение целостности барьера [58]. Осо

(в частности, МСТ1), но и рецепторами лактата

бое значение этот фактор приобретает при анги

GPR81, причем сниженная экспрессия обоих

огенезе и барьерогенезе, т.к. достижение функ

белков наблюдается при развитии нейровоспа

циональной компетентности клеток эндотелия

ления, индуцированного липополисахаридом

сопряжено с интенсивным биогенезом митохо

in vitro [63].

ндрий, что следует учитывать и при воспроизве

Рецепторы лактата GPR81 принадлежат к

дении in vitro моделей ГЭБ или НВЕ (например,

большой группе белков, GPCRs (G protein cou

при дифференцировке стволовых клеток в клет

pled receptors), которые экспрессируются в клет

ки эндотелия или при культивировании эндоте

ках церебрального эндотелия. Будучи вовлечен

лиальных прогениторных клеток в составе

ными в сигнальную трансдукцию, контролиру

НВЕ) [59].

ющую экспрессию белков плотных, щелевых и

В клетках ГЭБ высок уровень гликолитичес

адгезионных контактов, они тем самым опреде

кой активности, что особенно характерно для

ляют проницаемость барьера. Например, S1P2

периваскулярной астроглии и перицитов. Тем

(представитель группы рецепторов сфинго

не менее подавление гликолиза в эндотелиоци

зин 1 фосфата) является регулятором диффе

тах также существенно влияет на их функцио

ренцировки эндотелиоцитов, активности P gp,

нальное состояние, в частности это приводит к

экспрессии клаудина 5 и окклудина, а рецептор

редуцированию процессов ангиогенеза [59, 60].

лизофосфатидной кислоты, LPAR6, регулирует

Периваскулярные астроциты активно утилизи

проницаемость ГЭБ за счет модуляции Rho за

руют глюкозу, поступающую в НВЕ из крови за

висимых механизмов ремоделирования цито

счет работы транспортеров глюкозы, активно

скелета [64, 65].

экспрессирующихся в клетках эндотелия и астро

Межклеточная коммуникация в пределах

глии. Астроциты конвертируют ее в лактат, ко

НВЕ и ГЭБ очень разнообразна и не может быть

торый затем покидает клетки через монокар

детализирована в пределах одного обзора. Вмес

боксилатные транспортеры MCT1, MCT4 или

те с тем понимание механизмов астроцит эндо

Cx43 полуканалы и захватывается клетками эн

телиальных, перицит эндотелиальных, нейрон

дотелия и нейронами. Так реализуется один из

астроглиальных взаимодействий необходимо не

механизмов глиоваскулярного контроля: увели

только для разработки новых технологий управ

чение локальной концентрации лактата способ

ления проницаемостью ГЭБ, но и для создания

ствует вазодилятации в функционально актив

in vitro моделей ГЭБ, НВЕ и васкуляризованной

ных регионах головного мозга, кроме того, лак

нейрогенной ниши, максимально точно учиты

тат реализует проангиогенное действие [59, 61].

вающих характер такой коммуникации в усло

Примечательно, что особенности энергопро

виях нормы и патологии [1, 5, 60, 66]. В частнос

дукции в клетках церебрального эндотелия поз

ти, коммуникация астроцитов и эндотелия реа

волили некоторым авторам провести аналогию

лизуется в пределах НВЕ/ГЭБ за счет активнос

между эндотелиоцитами и опухолевыми клетка

ти большого числа глиотрансмиттеров (серин,

глутамат), метаболитов (лактат, жирные кисло

ты), цитокинов и хемокинов [67].

Особого внимания заслуживают механизмы

развития нейровоспаления с участием клеток

астроглиальной, микроглиальной и эндотели

альной природы, а также мигрирующих через

барьер в ткань головного мозга лейкоцитов пе

риферической крови. С учетом того, что клетки

церебрального эндотелия экспрессируют рецеп

торы цитокинов и TLR рецепторы, распознаю

щие молекулы патогенов (PAMPs, pathogen asso

ciated molecular pattern molecules) [2], эндотелий

ГЭБ является активным участником индукции и

Рис. 2. Механизмы проницаемости гематоэнцефалическо

го барьера. 1 - Эндотелиальная клетка; 2 - эффлюксные

прогрессирования системного воспаления и ло

транспортеры (P gp, BCRP, MRP); 3 - транспортеры раст

кального нейровоспаления. В частности, недав

воренных веществ (SLC); 4 - пассивная диффузия; 5 - па

рацеллюлярный транспорт; 6 - рецептор опосредованный

но было продемонстрировано, что в физиологи

транспорт; 7 - адсорбционный трансцитоз

ческих условиях микроглия НВЕ необходима

БИОХИМИЯ том 86 вып. 6 2021

924

САЛМИНА и др.

для поддержания адекватной экспрессии белков

делать ее доступной для каталитической актив

плотных контактов (например, CLDN5), тогда

ности протеаз, что определяет ее способность к

как при развитии системного воспаления акти

ремоделированию и деградации, а также пригод

вированные клетки микроглии разрушают кон

ность к применению в in vitro моделях ГЭБ [78].

такты отростков астроцитов с клетками цереб

Степень зрелости ГЭБ к моменту рождения

рального эндотелия, тем самым способствуя раз

до сих пор остается предметом дискуссий: неко

витию патологической проницаемости ГЭБ; со

торые авторы считают, что ГЭБ является зрелым

ответственно, подавление активации микроглии

уже к рождению, другие придерживаются точки

этому препятствует [68].

зрения о том, что требуется не менее 2-3 недель

Не менее актуален вклад перицитов в под

постнатального развития для окончательного

держание целостности ГЭБ: отношение количе

созревания барьера, что, фактически, определя

ства перицитов к количеству эндотелиоцитов в

ется характером церебрального ангиогенеза

церебральных микрососудах в 10-30 раз выше,

[79, 80]. Барьерогенез in vitro регулируется

чем в капиллярах других тканей [69], а наличие

HIF 1 опосредованными событиями [81] и лак

прямых контактов между этими двумя типами

тат продуцирующей активностью периваску

клеток отражает вовлеченность перицитов в ре

лярной астроглии [60], что делает in vitro модели

гуляцию парацеллюлярной проницаемости и

ГЭБ, созданные с использованием церебраль

трансцитоза. Действительно, во многих моделях

ных эндотелиоцитов, полученных от животных

ГЭБ in vitro было показано, что включение пери

на самых ранних стадиях онтогенеза, пригодны

цитов в их состав значительно улучшает показа

ми для изучения молекулярных механизмов

тели TEER [70, 71].

формирования барьера в норме и при патоло

Модуляция механизмов межклеточной ком

гии. С другой стороны, феномен избыточного

муникации в ГЭБ in vivo и in vitro традиционно

церебрального неоангиогенеза, характерный для

достигается применением фармакологических

ряда нейродегенеративных заболеваний, напри

агентов, однако внедрение и развитие протоко

мер, болезни Альцгеймера [82], требует допол

лов прецизионного контроля активности астро

нительного изучения формирования и поддер

цитов дает новые возможности в селективной

жания целостности барьера в стареющем голов

регуляции проницаемости барьера. Например,

ном мозге. Известно, что динамические измене

управление секрецией глиотрансмиттеров осу

ния экспрессии различных белков характеризу

ществляется с использованием методов опто и

ют разные этапы онтогенеза, в том числе физио

хемогенетики [72].

логическое старение [83], поэтому моделирова

Базальная мембрана, окружающая клетки

ние ГЭБ in vitro, учитывающего возрастные ас

ГЭБ, по своей структуре соответствует внекле

пекты состояния клеток компонентов барьера,

точному матриксу. Она имеет толщину до

является весьма нетривиальной задачей [4]. Бо

100-200 нм и включает в свой состав такие бел

лее того, простая экстраполяция данных, полу

ки, как коллаген IV, ламинин, нидоген (энтак

ченных на клеточных моделях без учета возраст

тин) и гепарансульфат протеогликаны (перле

ных особенностей организма, может привести к

кан, агрин, коллаген XVIII), а также тромбос

некорректным выводам о механизмах реализа

пондины, фибулин и прочие белки, которые

ции тех или иных процессов, при которых сте

синтезируются клетками эндотелия микрососу

пень зрелости барьера или интенсивность ангио

дов головного мозга и астроцитами [73-75].

генеза/барьерогенеза являются значимыми.

Клетки ГЭБ являются не только продуцентами

белков базальной мембраны, но также могут сек

ретировать матриксные металлопротеиназы,

ПАТОБИОХИМИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ

разрушающие белки, тем самым повышая про

И ПРОЯВЛЕНИЯ ПОВРЕЖДЕНИЯ ГЭБ

ницаемость ГЭБ. Такой механизм наиболее оче

ПРИ СТРЕССЕ И НЕЙРОДЕГЕНЕРАТИВНЫХ

виден при развитии нейровоспаления и гипок

ЗАБОЛЕВАНИЯХ

сии, а при физиологических условиях - в дина

мике барьерогенеза и при ремоделировании це

Развитие патологически повышенной прони

ребральных микрососудов/ангиогенезе [76, 77].

цаемости ГЭБ при остром и хроническом стрессе

Было показано, что добавление указанных бел

является экспериментально и клинически дока

ков в модели ГЭБ в качестве подложки для слоя

занным феноменом, причем характер стрессора,

клеток эндотелия или перицитов существенно

индуцирующего такого рода повреждение, не иг

улучшает показатели TEER [74]. Кроме того, в

рает специфической роли. Например, хроничес

настоящее время разрабатываются новые мате

кий иммобилизационный стресс у крыс вызыва

риалы, способные имитировать структуру и

ет увеличение проницаемости ГЭБ в гиппокам

микроархитектуру базальной мембраны, а также

пе, мозжечке [84], миндалевидном теле, что соот

БИОХИМИЯ том 86 вып. 6 2021

ГЭБ ПРИ СТРЕССЕ И НЕЙРОДЕГЕНЕРАЦИИ

925

ветствует области нарушения экспрессии белков

3) дизрегуляция аквапорина AQP4 в пери

плотных и адгезионных контактов и увеличению

васкулярной астроглии [93];

локальной концентрации провоспалительных

4) ремоделирование микрососудов головно

цитокинов [85]. Примечательно, что хроничес

го мозга, приводящее к усиленному неоангиоге

кий стресс, связанный с ограничением движения

незу с формированием капилляров с патологи

экспериментальных животных, приводит не

чески проницаемой стенкой [82];

только к увеличению проницаемости ГЭБ, но и к

5) изменение продукции энергии в эндоте

ремоделированию сосудов (уменьшению их диа

лиоцитах вследствие повреждения митохондрий

метра и размера) вследствие дизрегуляции

и нарушения митохондриальной динами

экспрессии фактора роста эндотелия сосудов

ки [57, 94];

(VEGF) и CLDN5 [86]. Полученные недавно дан

6) развитие локальной инсулинорезистент

ные свидетельствуют о том, что стресс, обуслов

ности и нейровоспаления [95];

ленный действием интенсивного звука (музыки

7) миграция активированной микроглии в

громкостью 90-100 дБ и частотой до 10 кГц в те

периваскулярное пространство, секреция про

чение 2 ч), индуцирует патологическую проница

воспалительных цитокинов [96];

емость ГЭБ у экспериментальных мышей в

8) дисфункция глимфатической системы го

11 исследованных регионах мозга с нарушением

ловного мозга, препятствующая эффективному

экспрессии окклудина и CLDN5, апоптозом кле

клиренсу продуктов метаболизма и поврежден

ток эндотелия; при этом барьер имеет тенденцию

ных белков [97];

к восстановлению проницаемости через 4 ч пос

9) нарушение экспрессии белков транспор

ле действия острого стрессора [87].

теров в клетках эндотелия (в частности, P gp и

Стресс раннего периода жизни индуцирует

SLC), что способствует нарушению трансцито

ся факторами, действующими пренатально или

за, прогрессированию метаболических наруше

в раннем постнатальном периоде, что приводит

ний, аберрантному ангиогенезу, формированию

к нарушениям развития головного мозга, абер

измененной чувствительности к действию фар

рантному поведению (депрессия) и формирова

макологических препаратов [98-100].

нию т.н. «феномена раннего программирова

Первичные дефекты в транспортных меха

ния» (повышение риска развития нейродегене

низмах клеток церебрального эндотелия или в

рации в отдаленных периодах онтогенеза)

формировании плотных и адгезионных межкле

[88, 89]. Перинатальная гипоксия и сепарация

точных контактов способствуют аккумуляции

от матери вызывает у крыс изменения экспрес

Aβ в ткани головного мозга; существует и обрат

сии MCT1 и MCT4 в клетках эндотелия микро

ная зависимость - прогрессирующая нейроде

сосудов головного мозга, что сопровождается

генерация ответственна за вторичное поврежде

снижением эффективности барьерогенеза в

ние ГЭБ [101]. Дополнительными факторами,

срок до 14 суток постнатального развития [90].

способствующими дисфункции НВЕ и повреж

Эти процессы ассоциированы с изменением

дению ГЭБ при болезни Альцгеймера, являются

экспрессии белков плотных контактов и кавео

локальная инсулинорезистентность, нейровос

лина (CLDN5, ZO 1, JAM1, Cav1), белков

паление и окислительный стресс [70]. Повыше

участников HIF 1 сопряженных клеточных

ние проницаемости ГЭБ является одним из

сигнальных систем (HIF 1, GSK3, Rac1, GLUT,

ключевых компонентов патогенеза когнитив

NFAT), изменением продукции про и антиан

ной дисфункции при болезни мелких сосудов

гиогенных факторов клетками астроглиальной

головного мозга, характеризующейся деменци

природы (VEGF, TS, MMP2, MMP9) и их рецеп

ей [102]. Поврежденный ГЭБ (преимуществен

торов в клетках церебрального эндотелия

но в области гиппокампа) - один из самых ран

(VEGFR2, CD36, CD47), изменением экспрес

них маркеров когнитивного дефицита иной (не

сии белков регуляторов транспорта, рецепции

альцгеймеровской) этиологии [103, 104].

лактата в клетках НВЕ (MCT1, MCT4, CD147,

Повреждение ГЭБ является важным компо

GPR81) в коре, гиппокампе и миндалевидном

нентом патогенеза и других видов хронической

теле модельных животных (данные получены на

нейродегенерации. Аберрантный ангиогенез

7 й и 70 й дни постнатального развития) [91].

сопровождает развитие болезни Паркинсона

При болезни Альцгеймера дисфункция НВЕ

(по типу гиперваскуляризации с патологически

и ГЭБ обусловлена несколькими механизмами:

высокой проницаемостью микрососудов, как

1) церебральная гипоперфузия, нарушение

при болезни Альцгеймера) и болезни Гентингто

клиренса и аккумуляция Aβ в сосудистой стен

на (нарушение ангиогенной активности эндоте

ке, а также в базальной мембране ГЭБ [74, 92];

лия) [105, 106]. ГЭБ при болезни Паркинсона

2) повреждение клеток эндотелия и перици

характеризуется повышенной проницаемостью,

тов [70];

нарушениями экспрессии белков транспорте

БИОХИМИЯ том 86 вып. 6 2021

926

САЛМИНА и др.

ров, в частности P gp [107] и белков плотных

нение протоколов, позволяющих воссоздать

контактов, развитием глиоза и неоангиогенеза в

многомерные межклеточные взаимодействия в

области стриатума [40]. Повреждение ГЭБ при

пределах этих структур [108, 109]. Поэтому наря

болезни Гентингтона связано с нарушением

ду с моделями, выполненными с использовани

структурно функциональной целостности барь

ем технологии transwell (размещение эндотели

ера, что определяется повреждением клеток эн

альных клеток планарно и дистантно от осталь

дотелия церебральных микрососудов, снижени

ных клеток компонентов НВЕ/ГЭБ), все боль

ем их ангиогенной активности и барьерных

шее распространение получают модели с вос

свойств, как впервые было показано на клетках

произведением 3D структуры НВЕ/ГЭБ (разме

эндотелия, полученных из иПСК пациентов с

щение клеток в составе аналога внеклеточного

этим заболеванием [106]. Исследования in vivo

матрикса, например, в гидрогеле) [110]. Кроме

показали, что характерными признаками пов

того, в качестве моделей интерес представляют

реждения ГЭБ при болезни Гентингтона явля

сфероиды, состоящие из астроцитов и нейронов,

ются увеличение плотности микрососудов со

окруженных слоем перицитов и клеток эндоте

снижением их среднего диаметра в стриатуме и

лия церебральных микрососудов [8], а также ор

снижение экспрессии белков плотных контак

ганоиды, полученные из стволовых клеток, в том

тов, причем такие нарушения развиваются на

числе из иПСК [111-113]. Следует отметить, что

самых ранних стадиях нейродегенерации [39].

органоиды в меньшей степени пригодны для

Результатом всех перечисленных изменений

изучения НВЕ и ГЭБ в силу технологических

в структуре и функциональной активности ГЭБ

трудностей с достижением их васкуляризации.

при стрессе и нейродегенерации могут быть сле

Несмотря на определенные технические

дующие патогенетически значимые события:

сложности, необходимость создания новых мо

1) прогрессирование нейровоспаления вслед

делей ГЭБ и НВЕ не вызывает сомнений, так

ствие облегченной миграции лейкоцитов и

как тестирование проницаемости ГЭБ, напри

трансфера молекул с провоспалительной актив

мер, для лекарств кандидатов на лабораторных

ностью в ткань головного мозга;

животных является более дорогостоящим, тру

2) нарушение нейрогенеза вследствие рас

доемким и этически спорным, а также может

стройства функционирования т.н. васкулярного

приводить к ложноположительным или ложно

скаффолда нейрогенных ниш (субвентрикуляр

отрицательным результатам. С использованием

ная зона, субгранулярная зона);

моделей других гистогематических барьеров бы

3) изменение механизмов нейропластичнос

ло показано, что более 3/4 всех прототипов лекар

ти вследствие нарушения процессов ангиогене

ственных средств, которые были успешно испы

за;

таны на животных моделях, потерпели неудачу

4) повреждение механизмов глиоваскуляр

при последующих клинических испытаниях

ного контроля вследствие дизрегуляции продук

[114]. Не менее проблематичным, по крайней

ции, транспорта и рецепции лактата в активных

мере, на настоящий момент, является примене

зонах головного мозга;

ние in silico моделей ГЭБ. Они достаточно эф

5) нарушение фармакокинетики лекарствен

фективны при анализе лекарственной структу

ных препаратов;

ры с хорошо изученным механизмом действия,

6) прогрессирование неврологического, в

однако малопригодны для оценки проницае

том числе когнитивного, дефицита, поведенчес

мости барьера для соединений с ранее не опи

ких расстройств (тревожность, депрессия) (таб

санными структурой и свойствами. Кроме того,

лица).

анализ влияния соединений на сами клетки ГЭБ

Очевидно, что изучение патобиохимических

также является непростой задачей [115]. Разуме

механизмов дисфункции ГЭБ при стрессе и

ется, внедрение технологий машинного обуче

нейродегенерации является актуальной задачей

ния обеспечит существенный прогресс в приме

современной нейрохимии и нейробиологии, а

нении in silico моделей ГЭБ [116].

ее решение существенным образом зависит от

В связи с указанными проблемами примене

прогресса в разработке новых моделей НВЕ и

ния in vivo и in silico моделей ГЭБ, создание но

ГЭБ для трансляционных исследований in vitro.

вых in vitro моделей остается ключевой задачей

нейробиоинженерии, химии и биологии. Мо

дель ГЭБ in vitro должна соответствовать ряду

ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ

критериев, выполнение которых необходимо

СОЗДАНИЯ in vitro МОДЕЛЕЙ ГЭБ И НВЕ

для ее применения в трансляционных исследо

ваниях, в частности это определенная проница

В настоящее время основным подходом к

емость, экспрессия транспортных молекул и

моделированию НВЕ и ГЭБ становится приме

белков тесных контактов, геометрия модели,

БИОХИМИЯ том 86 вып. 6 2021

ГЭБ ПРИ СТРЕССЕ И НЕЙРОДЕГЕНЕРАЦИИ

927

Основные механизмы и последствия нарушений структурно функциональной целостности ГЭБ при стрессе и

нейродегенерации

Вид патологии

Характеристика повреждения ГЭБ

Патогенетически значимые последствия

повреждения ГЭБ

Стресс раннего

нарушение экспрессии белков плотных контак

аберрантный барьерогенез и ангиогенез в

периода жизни

тов, транспортеров лактата; изменение локаль

раннем постнатальном периоде; нарушения

ной продукции и рецепции молекул с про и ан

нейропластичности - подавление нейрогене

тиангиогенной активностью

за вследствие повреждения васкулярного

скаффолда нейрогенных ниш; формирование

«феномена раннего программирования»

Болезнь Альцгеймера

нарушение клиренса и отложение амилоида в

развитие церебральной амилоидной ангиопа

сосудистой стенке; развитие локального нейро

тии с ремоделированием сосудов, приводя

воспаления; амилоид индуцированная митохон

щей к нарушению микроциркуляции, в том

дриальная дисфункция в клетках эндотелия; ги

числе в гиппокампе, и способствующее гибе

пометаболизм глюкозы и нарушение метаболи

ли нейронов и нарастанию когнитивного де

ческого сопряжения нейронов, астроцитов и эн

фицита; развитие нейровоспаления и локаль

дотелиоцитов; избыточный ангиогенез с форми

ной инсулинорезистентности в ткани мозга

рованием сосудов с высокой проницаемостью;

изменения экспрессии белков транспортеров,

повреждение перицитов

Болезнь Паркинсона

ремоделирование сосудов - гиперваскуляриза

нарушение микроциркуляции в стриатуме,

ция с патологически высокой проницаемостью

приводящее к энергодефициту и гибели ней

сосудистой стенки; развитие глиоза; нарушение

ронов; прогрессирование нейровоспаления и

экспрессии белков плотных контактов и белков

неврологического дефицита

транспортеров

Болезнь Гентингтона

аккумуляция агрегированного хантингтина; по

редуцирование диаметра микрососудов стриа

давление ангиогенеза; нарушение экспрессии

тума; прогрессирование нейровоспаления; реа

белков плотных контактов; повреждение клеток

лизация сосудистого компонента патогенеза

церебрального эндотелия; активация перицитов

заболевания

присутствие внеклеточного матрикса, возмож

Применительно к микрофлюидным моделям

ность совместного культивирования с другими

дополнительными преимуществами являются

клетками ГЭБ и НВЕ (например, астроцитами,

минимальные размеры и, соответственно, мини

перицитами) [117]. В исследовательской прак

мальные расходы клеток, реактивов, питатель

тике и на рынке в настоящее время представле

ных сред, а также воспроизведение некоторых

ны разнообразные модели ГЭБ in vitro: статичес

механизмов активации и/или повреждения кле

кие, динамические, моно и мультиклеточные,

ток эндотелия, которые возникают в результате

причем зачастую они предлагаются в виде «кле

движения крови в микрососуде [4, 38, 119]. В кон

точных конструкторов», элементы которых сое

тексте валидности модели ГЭБ это означает воз

диняются в микропланшетах ex tempore [80, 118].

можность достижения большего уровня TEER,

В целом, основные преимущества клеточных

характеризующего структурную и функциональ

моделей ГЭБ in vitro включают следующие пара

ную целостность барьера, по сравнению со стати

метры:

ческими моделями. В динамической модели

1) стандартизированный подход к оценке

TEER достигает 2000-4000 Ом/см², а в аналогич

проницаемости барьера, высокая воспроизво

ной статической модели - всего 120-150 Ом/см²

димость полученных результатов;

[80, 118]. Интересно, что культивирование кле

2) возможность оценки метаболических и

ток эндотелия церебральных микрососудов из

функциональных изменений, происходящих в

иПСК позволило получить монослой с TEER

ГЭБ, с оценкой межклеточных взаимодействий

более 5000 Ом/см², что обусловлено адекватной

в норме и при патологии;

экспрессией белков компонентов плотных и ад

3) имитация транспортных свойств ГЭБ,

гезионных контактов, а также трансмембранных

критичных для оценки эффективности новых

транспортеров [49]. В целом, новое поколение

способов управления проницаемостью ГЭБ;

in vitro моделей ГЭБ хорошо зарекомендовало се

4) легкость в применении, сокращение вре

бя для изучения молекулярного патогенеза ней

мени при проведении фармакологических ис

родегенеративных заболеваний и тестирования

следований [119].

лекарств кандидатов. Тем не менее нерешенным

12 БИОХИМИЯ том 86 вып. 6 2021

928

САЛМИНА и др.

остался достаточно широкий круг методологи

ГЭБ не только маркирует развитие нейродегене

ческих вопросов, в частности, связанных с функ

рации, нейровоспаления или гипоксии головно

циональной компетентностью клеток церебраль

го мозга, но и вносит существенный вклад в

ного эндотелия (например, «эндотелиоциты»,

прогрессирование патологии, является ранним

полученные из индуцированных плюрипотент

(вполне возможно, досимптоматическим) приз

ных клеток, не демонстрируют соответствующий

наком заболевания, может быть «мишенью» для

экспрессионный профиль и являются более

разработки современных технологий коррекции

приближенными к эпителию), разработкой но

неврологического дефицита.

вых (био)скаффолдов для создания 3D моделей с

Для решения этих задач и обеспечения мак

контролируемой проницаемостью и сопостави

симально быстрого и эффективного трансфера

мыми с реальными межклеточными взаимодей

результатов в практическую деятельность требу

ствиями, с воспроизведением в моделях «естест

ется создание новых моделей ГЭБ, НВЕ и го

венных» механизмов движения жидкости вдоль

ловного мозга in vitro, которые могут быть ус

эндотелиального слоя [9, 71, 120, 121], поэтому

пешно валидированы для их применения в

создание новых in vitro моделей ГЭБ является

трансляционных исследованиях. Прогресс в

важной задачей современной нейроинженерии и

этом направлении обеспечивается достижения

нейрохимии. Решение этих вопросов обеспечит

ми в области биохимии, клеточной биологии,

прогресс в разработке и клиническом примене

молекулярной биологии, биоинженерии, био

нии персонифицированных моделей ГЭБ, при

фотоники, визуализации. Несомненно, разви

годных для индивидуальной оценки проницае

тие таких исследований сформирует и новые

мости барьера для нейротропных препаратов, а

возможности для смежных направлений - реге

также в развитии технологий «brain on chip».

неративной медицины, нейрофармакологии и

нейрореабилитации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Финансирование. Работа выполнена при под

Механизмы функционирования ГЭБ в физи

держке гранта Президента РФ для государствен

ологических условиях, а также при заболеваниях

ной поддержки ведущих научных школ РФ

ЦНС переместились в фокус нейрохимиков и

(НШ 2547.2020.7).

нейробиологов в течение последних двух десят

Конфликт интересов. Авторы заявляют об от

ков лет, что связано с необходимостью решения

сутствии конфликта интересов.

не только фундаментальных, но и прикладных

Соблюдение этических норм. Настоящая

задач. Действительно, в настоящее время накап

статья не содержит описания каких либо вы

ливается все больше экспериментальных и кли

полненных авторами исследований с участием

нических доказательств того, что повреждение

людей или животных в качестве объектов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Khilazheva, E. D., Boytsova, E. B., Pozhilenkova, E. A.,

43 story, Rev. Neurosci., 25, 1 15, doi: 10.1515/revneuro

Solonchuk, Y. R., and Salmina, A. B. (2015) Obtaining a

2013 0044.

three cell model of a neurovascular unit in vitro, Cell Tissue

6. Sharma, B., Luhach, K., and Kulkarni, G. T. (2019) 4 -

Biol., 9, 447 451, doi: 10.1134/s1990519x15060048.

In vitro and in vivo models of BBB to evaluate brain targeting

Tohidpour, A., Morgun, A. V., Boitsova, E. B.,

drug delivery. in Brain Targeted Drug Delivery System

Malinovskaya, N. A., Martynova, G. P., et al. (2017)

(Gao, H., and Gao, X., eds.) Academic Press, pp. 53 101.

Neuroinflammation and infection: molecular mechanisms

7. Mabondzo, A., Bottlaender, M., Guyot, A. C., Tsaouin,

associated with dysfunction of neurovascular unit, Front. Cell

K., Deverre, J. R., and Balimane, P. V. (2010) Validation of

Infect. Microbiol., 7, 276, doi: 10.3389/fcimb.2017.00276.

in vitro cell based human blood brain barrier model using

Моргун А. В., Кувачева Н. В., Таранушенко Т. Е., Хи

clinical positron emission tomography radioligands to pre

лажева Е. Д., Малиновская Н. А., и др. (2013) Совре

dict in vivo human brain penetration, Mol. Pharm., 7,

менные представления о патогенезе перинатального

1805 1815, doi: 10.1021/mp1002366.

ишемического повреждения клеток нейроваскуляр

8. Cho, C. F., Wolfe, J. M., Fadzen, C. M., Calligaris, D.,

ной единицы головного мозга: молекулы мишени для

Hornburg, K., et al. (2017) Blood brain barrier spheroids as

нейропротекции, Вестник Российской академии меди*

an in vitro screening platform for brain penetrating agents,

цинских наук, 68, 26 35, doi: 10.15690/vramn.v68i12.856.

Nat. Commun., 8, 15623, doi: 10.1038/ncomms15623.

Osipova, E. D., Komleva, Y. K., Morgun, A. V., Lopatina,

9. Appelt Menzel, A., Cubukova, A., Günther, K.,

O. L., Panina, Y. A., et al. (2018) Designing in vitro blood

Edenhofer, F., Piontek, J., et al. (2017) Establishment of a

brain barrier models reproducing alterations in brain aging,

human blood brain barrier co culture model mimicking

Front. Aging Neurosci., 10, 234 234, doi: 10.3389/fnagi.

the neurovascular unit using induced pluri and multipo

2018.00234.

tent stem cells, Stem Cell Rep., 8, 894 906, doi: 10.1016/

Salmina, A., Morgun, A., Kuvacheva, N., Lopatina, O.,

j.stemcr.2017.02.021.

Komleva, Y., et al. (2014) Establishment of neurogenic

10. Bonakdar, M., Graybill, P. M., and Davalos, R. V. (2017) A

microenvironment in the neurovascular unit: the connexin

microfluidic model of the blood-brain barrier to study per

БИОХИМИЯ том 86 вып. 6 2021

ГЭБ ПРИ СТРЕССЕ И НЕЙРОДЕГЕНЕРАЦИИ

929

meabilization by pulsed electric fields, RSC Adv., 7, 42811

26.

Yao, L., Xue, X., Yu, P., Ni, Y., and Chen, F. (2018) Evans

42818, doi: 10.1039/c7ra07603g.

blue dye: a revisit of its applications in biomedicine,

11.

Lu, T. M., Houghton, S., Magdeldin, T., Durán, J. G. B.,

Contrast Media Mol. Imaging, 73, 1 10, doi: 10.1155/

Minotti, A. P., et al. (2021) Pluripotent stem cell derived

2018/7628037.

epithelium misidentified as brain microvascular endotheli

27.

Mathiesen Janiurek, M., Soylu Kucharz, R.,

um requires ETS factors to acquire vascular fate, Proc.

Christoffersen, C., Kucharz, K., and Lauritzen, M. (2019)

Natl. Acad. Sci. USA, 118, e2016950118, doi: 10.1073/

Apolipoprotein M bound sphingosine 1 phosphate regu

pnas.2016950118.

lates blood-brain barrier paracellular permeability and

12.

Knowland, D., Arac, A., Sekiguchi, K. J., Hsu, M., Lutz,

transcytosis, eLife, 8, e49405, doi: 10.7554/eLife.49405.

S. E., et al. (2014) Stepwise recruitment of transcellular

28.

Forcione, M., Chiarelli, A. M., Davies, D. J., Perpetuini,

and paracellular pathways underlies blood brain barrier

D., Sawosz, P., et al. (2020) Cerebral perfusion and blood

breakdown in stroke, Neuron, 82, 603 617, doi: 10.1016/

brain barrier assessment in brain trauma using contrast

j.neuron.2014.03.003.

enhanced near infrared spectroscopy with indocyanine

13.

Wimmer, I., Tietz, S., Nishihara, H., Deutsch, U.,

green: a review, J. Cereb. Blood Flow Metab., 40, 1586

Sallusto, F., et al. (2019) PECAM 1 stabilizes blood brain

1598, doi: 10.1177/0271678x20921973.

barrier integrity and favors paracellular t cell diapedesis

29.

Israeli, D., Tanne, D., Daniels, D., Last, D., Shneor, R.,

across the blood brain barrier during neuroinflammation,

et al. (2011) The Application of MRI for depiction of sub

Front. Immunol., 10, doi: 10.3389/fimmu.2019.00711.

tle blood brain barrier disruption in stroke, Int. J. Biol. Sci.,

14.

De Bock, M., Van Haver, V., Vandenbroucke, R. E.,

7, 1 8, doi: 10.7150/ijbs.7.1.

Decrock, E., Wang, N., and Leybaert, L. (2016) Into rather

30.

Heye, A. K., Culling, R. D., Valdés Hernández, M. D. C.,

unexplored terrain transcellular transport across the blood

Thrippleton, M. J., and Wardlaw, J. M. (2014) Assessment

brain barrier, Glia, 64, 1097 1123, doi: 10.1002/glia.22960.

of blood-brain barrier disruption using dynamic contrast

15.

Kaplan, L., Chow, B. W., and Gu, C. (2020) Neuronal reg

enhanced MRI. A systematic review, NeuroImage: Clin., 6,

ulation of the blood brain barrier and neurovascular cou

262 274, doi: 10.1016/j.nicl.2014.09.002.

pling, Nat. Rev. Neurosci., 21, 416 432, doi: 10.1038/

31.

Okada, M., Kikuchi, T., Okamura, T., Ikoma, Y., Tsuji, A.

s41583 020 0322 2.

B., et al. (2015) In vivo imaging of blood brain barrier per

16.

Stamatovic, S. M., Keep, R. F., and Andjelkovic, A. V.

meability using positron emission tomography with

(2008) Brain endothelial cell-cell junctions: how to

amino [3 11C]isobutyric acid, Nucl. Med. Commun., 36,

“open” the blood brain barrier, Curr. Neuropharmacol., 6,

1239 1248, doi: 10.1097/mnm.0000000000000385.

179 192, doi: 10.2174/157015908785777210.

32.

Liang, Y., and Yoon, J. Y. (2021) In situ sensors for blood

17.

Erickson, M. A., Wilson, M. L., and Banks, W. A. (2020)

brain barrier (BBB) on a chip, Sensors Actuators Rep., 3,

In vitro modeling of blood brain barrier and interface func

100031, doi: 10.1016/j.snr.2021.100031.

tions in neuroimmune communication, Fluids Barr. CNS,

33.

Azarmi, M., Maleki, H., Nikkam, N., and

17, 26 26, doi: 10.1186/s12987 020 00187 3.

Malekinejad, H. (2020) Transcellular brain drug delivery: A

18.

González Mariscal, L., Betanzos, A., Nava, P., and

review on recent advancements, Int. J. Pharm., 586,

Jaramillo, B. E. (2003) Tight junction proteins, Prog. Biophys.

119582, doi: 10.1016/j.ijpharm.2020.119582.

Mol. Biol., 81, 1 44, doi: 10.1016/s0079 6107(02)00037 8.

34.

Winger, R. C., Koblinski, J. E., Kanda, T., Ransohoff,

19.

Rhett, J. M., Jourdan, J., and Gourdie, R. G. (2011)

R. M., and Muller, W. A. (2014) Rapid remodeling of tight

Connexin 43 connexon to gap junction transition is regu

junctions during paracellular diapedesis in a human model

lated by zonula occludens 1, Mol. Biol. Cell, 22, 1516

of the blood brain barrier, J. Immunol., 193, 2427 2437,

1528, doi: 10.1091/mbc.E10 06 0548.

doi: 10.4049/jimmunol.1400700.

20.

Tornabene, E., Helms, H. C. C., Pedersen, S. F., and

35.

Winkler, L., Blasig, R., Breitkreuz Korff, O., Berndt, P.,

Brodin, B. (2019) Effects of oxygen glucose deprivation

Dithmer, S., et al. (2021) Tight junctions in the blood

(OGD) on barrier properties and mRNA transcript levels

brain barrier promote edema formation and infarct size in

of selected marker proteins in brain endothelial cells/astro

stroke - ambivalent effects of sealing proteins, J. Cereb.

cyte co cultures, PLoS One, 14, e0221103, doi: 10.1371/

Blood Flow Metab.,

41,

132145, doi:

10.1177/

journal.pone.0221103.

0271678x20904687.

21.

Basu, R., and Das Sarma, J. (2018) Connexin 43/47 chan

36.

Gao, X., Qian, J., Zheng, S., Changyi, Y., Zhang, J., et al.

nels are important for astrocyte/oligodendrocyte cross talk

(2014) Overcoming the blood brain barrier for delivering

in myelination and demyelination, J. Biosci., 43, 1055

drugs into the brain by using adenosine receptor nanoago

1068, doi: 10.1007/s12038 018 9811 0.

nist, ACS Nano, 8, 3678 3689, doi: 10.1021/nn5003375.

22.

Johnson, A. M., Roach, J. P., Hu, A., Stamatovic, S. M.,

37.

Burgess, A., Shah, K., Hough, O., and Hynynen, K.

Zochowski, M. R., et al. (2018) Connexin 43 gap junctions

(2015) Focused ultrasound mediated drug delivery through

contribute to brain endothelial barrier hyperpermeability in

the blood brain barrier, Expert Rev. Neurother., 15, 477

familial cerebral cavernous malformations type III by

491, doi: 10.1586/14737175.2015.1028369.

modulating tight junction structure, FASEB J., 32, 2615

38.

Ahn, S. I., Sei, Y. J., Park, H. J., Kim, J., Ryu, Y., et al.

2629, doi: 10.1096/fj.201700699R.

(2020) Microengineered human blood brain barrier plat

23.

Contreras, J. E., Sánchez, H. A., Eugenin, E. A.,

form for understanding nanoparticle transport mecha

Speidel, D., Theis, M., et al. (2002) Metabolic inhibition

nisms, Nat. Commun., 11, 175, doi: 10.1038/s41467 019

induces opening of unapposed connexin 43 gap junction

13896 7.

hemichannels and reduces gap junctional communication

39.

Di Pardo, A., Amico, E., Scalabr , F., Pepe, G.,

in cortical astrocytes in culture, Proc. Natl. Acad. Sci. USA,

Castaldo, S., et al. (2017) Impairment of blood brain bar

99, 495 500, doi: 10.1073/pnas.012589799.

rier is an early event in R6/2 mouse model of Huntington

24.

Salmina, A., Inzhutova, A., Morgun, A., Okuneva, O.,

disease, Sci. Rep., 7, 41316, doi: 10.1038/srep41316.

Malinovskaia, N., et al. (2012) NAD⁺ converting enzymes

40.

Gray, M. T., and Woulfe, J. M. (2015) Striatal blood brain

in neuronal and glial cells: CD38 as a novel target for neu

barrier permeability in Parkinson’s disease, J. Cereb. Blood

roprotection, Vestnik Rossi sko Akademii Meditsinskikh

Flow Metab., 35, 747 750, doi: 10.1038/jcbfm.2015.32.

Nauk/Rossi skaia Akademiia Meditsinskikh Nauk, 67, 29

41.

Greene, C., Hanley, N., and Campbell, M. (2020) Blood

37, doi: 10.15690/vramn.v67i10.413.

brain barrier associated tight junction disruption is a hall

25.

Alla, B. S., Raissa Ya, O., Mami, N., and Haruhiro, H.

mark feature of major psychiatric disorders, Translat.

(2006) ADP ribosyl cyclase as a therapeutic target for central

Psychiatry, 10, 373, doi: 10.1038/s41398 020 01054 3.

nervous system diseases, Central Nervous System Agents Med.

42.

Cockerill, I., Oliver, J. A., Xu, H., Fu, B. M., and Zhu, D.

Chem., 6, 193 210, doi: 10.2174/187152406778226699.

(2018) Blood*Brain Barrier Integrity and Clearance of

12 БИОХИМИЯ том 86 вып. 6 2021

930

САЛМИНА и др.

Amyloid*β from the BBB. in Molecular, Cellular, and Tissue

pathways of brain clearing, J. Biophotonics,

11,

Engineering of the Vascular System (Fu, B. M., and Wright,

e201700287, doi: 10.1002/jbio.201700287.

N. T., eds.) Springer International Publishing, Cham,

57.

Kluge, M. A., Fetterman, J. L., and Vita, J. A. (2013)

pp. 261 278.

Mitochondria and endothelial function, Circ. Res., 112,

43.

Xu, X., Zhu, L., Xue, K., Liu, J., Wang, J., et al. (2021)

1171 1188, doi: 10.1161/circresaha.111.300233.

Ultrastructural studies of the neurovascular unit reveal

58.

Doll, D. N., Hu, H., Sun, J., Lewis, S. E., Simpkins, J. W.,

enhanced endothelial transcytosis in hyperglycemia

and Ren, X. (2015) Mitochondrial crisis in cerebrovascular

enhanced hemorrhagic transformation after stroke, CNS

endothelial cells opens the blood brain barrier, Stroke, 46,

Neurosci. Ther., 27, 123 133, doi: 10.1111/cns.13571.

1681 1689, doi: 10.1161/strokeaha.115.009099.

44.

Van Assema, D. M. E., Lubberink, M., Boellaard, R.,

59.

Malinovskaya, N. A., Komleva, Y. K., Salmin, V. V.,

Schuit, R. C., Windhorst, A. D., et al. (2012) P glycopro

Morgun, A. V., Shuvaev, A. N., et al. (2016) Endothelial

tein function at the blood brain barrier: effects of age and

progenitor cells physiology and metabolic plasticity in

gender, Mol. Imaging Biol., 14, 771 776, doi: 10.1007/

brain angiogenesis and blood brain barrier modeling,

s11307 012 0556 0.

Front. Physiol., 7, doi: 10.3389/fphys.2016.00599.

45.

Aryal, M., Fischer, K., Gentile, C., Gitto, S., Zhang, Y.

60.

Salmina, A. B., Kuvacheva, N. V., Morgun, A. V.,

Z., and McDannold, N. (2017) Effects on P glycoprotein

Komleva, Y. K., Pozhilenkova, E. A., et al.

(2015)

expression after blood brain barrier disruption using

Glycolysis mediated control of blood brain barrier devel

focused ultrasound and microbubbles, PLoS One, 12,

opment and function, Int. J. Biochem. Cell Biol., 64, 174

e0166061, doi: 10.1371/journal.pone.0166061.

184, doi: 10.1016/j.biocel.2015.04.005.

46.

Wang, W., Bodles Brakhop, A. M., and Barger, S. W.

61.

Khilazheva, E. D., Kuvacheva, N. V., Morgun, A. V.,

(2016) A role for P glycoprotein in clearance of Alzheimer

Boitsova, E. B., Malinovskaya, N. A., et al.

(2016)

amyloid β peptide from the brain, Curr. Alzheimer Res., 13,

Modulation of lactate production, transport and reception

615 620, doi: 10.2174/1567205013666160314151012.

by cells in the model of brain neurovascular unit, Eksp.

47.

Ristori, E., Donnini, S., and Ziche, M. (2020) New

Klin. Farmakol., 79, 7 12.

insights into blood brain barrier maintenance: the homeo

62.

Verdegem, D., Moens, S., Stapor, P., and Carmeliet, P.

static role of β amyloid precursor protein in cerebral vas

(2014) Endothelial cell metabolism: parallels and diver

culature, Front. Physiol., 11, 1056 1056, doi: 10.3389/

gences with cancer cell metabolism, Cancer Metab., 2, 19,

fphys.2020.01056.

doi: 10.1186/2049 3002 2 19.

48.

Geier, E. G., Chen, E. C., Webb, A., Papp, A. C., Yee,

63.

Boitsova, E. B., Morgun, A. V., Osipova, E. D.,

S. W., et al. (2013) Profiling solute carrier transporters in

Pozhilenkova, E. A., Martinova, G. P., et al. (2018) The

the human blood brain barrier, Clin. Pharmacol. Ther., 94,

inhibitory effect of LPS on the expression of GPR81 lac

636 639, doi: 10.1038/clpt.2013.175.

tate receptor in blood brain barrier model in vitro,

49.

Goldeman, C., Andersen, M., Al Robai, A.,

J. Neuroinflammation, 15, 196 196, doi: 10.1186/s12974

Buchholtz, T., Svane, N., et al. (2021) Human induced

018 1233 2.

pluripotent stem cells (BIONi010 C) generate tight cell

64.

Pluimer, B. R., Colt, M., and Zhao, Z. (2020) G protein

monolayers with blood brain barrier traits and functional

coupled receptors in the mammalian blood brain barrier,

expression of large neutral amino acid transporter

Front. Cell Neurosci., 14, 139 139, doi: 10.3389/fncel.

(SLC7A5), Eur. J. Pharm. Sci., 156, 105577, doi: 10.1016/

2020.00139.

j.ejps.2020.105577.

65.

Kim, D. G., Jang, M., Choi, S. H., Kim, H. J., Jhun, H.,

50.

Omori, K., Tachikawa, M., Hirose, S., Taii, A., Akanuma,

et al. (2018) Gintonin, a ginseng derived exogenous

S. I., et al. (2020) Developmental changes in transporter

lysophosphatidic acid receptor ligand, enhances blood

and receptor protein expression levels at the rat blood

brain barrier permeability and brain delivery, Int. J. Biol.

brain barrier based on quantitative targeted absolute pro

Macromol., 114, 13251337, doi: 10.1016/j.ijbiomac.

teomics, Drug Metab. Pharmacokinet., 35, 117123,

2018.03.158.

doi: 10.1016/j.dmpk.2019.09.003.

66.

Pozhilenkova, E. A., Lopatina, O. L., Komleva, Y. K.,

51.

Goldeman, C., Ozgür, B., and Brodin, B. (2020) Culture

Salmin, V. V., and Salmina, A. B. (2017) Blood brain barri

induced changes in mRNA expression levels of efflux and

er supported neurogenesis in healthy and diseased brain, Rev.

SLC transporters in brain endothelial cells, Fluids Barriers

Neurosci., 28, 397 415, doi: 10.1515/revneuro 2016 0071.

CNS, 17, 32, doi: 10.1186/s12987 020 00193 5.

67.

Osipova, E. D., Semyachkina Glushkovskaya, O. V.,

52.

Josserand, V., Pélerin, H., de Bruin, B., Jego, B.,

Morgun, A. V., Pisareva, N. V., Malinovskaya, N. A., et al.

Kuhnast, B., et al. (2006) Evaluation of drug penetration

(2018) Gliotransmitters and cytokines in the control of

into the brain: a double study by in vivo imaging with

blood brain barrier permeability, Rev. Neurosci., 29, 567

positron emission tomography and using an in vitro model

591, doi: 10.1515/revneuro 2017 0092.

of the human blood brain barrier, J. Pharmacol. Exp.

68.

Haruwaka, K., Ikegami, A., Tachibana, Y., Ohno, N.,

Ther., 316, 79 86, doi: 10.1124/jpet.105.089102.

Konishi, H., et al. (2019) Dual microglia effects on blood

53.

Roux, G. L., Jarray, R., Guyot, A. C., Pavoni, S.,

brain barrier permeability induced by systemic inflamma

Costa, N., et al. (2019) Proof of concept study of drug

tion, Nat. Commun., 10, 5816, doi: 10.1038/s41467 019

brain permeability between in vivo human brain and an

13812 z.

in vitro iPSCs human blood brain barrier model, Sci. Rep.,

69.

Winkler, E. A., Sagare, A. P., and Zlokovic, B. V. (2014)

9, 16310, doi: 10.1038/s41598 019 52213 6.

The pericyte: a forgotten cell type with important implica

54.

Li, Y., Sun, X., Liu, H., Huang, L., Meng, G., et al. (2019)

tions for Alzheimer’s disease? Brain Pathol., 24, 371 386,

Development of human in vitro brain blood barrier model

doi: 10.1111/bpa.12152.

from induced pluripotent stem cell derived endothelial

70.

Salmina, A. B., Komleva, Y. K., Lopatina, O. L., and

cells to predict the in vivo permeability of drugs, Neurosci.

Birbrair, A. (2019) Pericytes in Alzheimer’s disease: novel

Bull., 35, 996 1010, doi: 10.1007/s12264 019 00384 7.

clues to cerebral amyloid angiopathy pathogenesis, Adv.

55.

Feng, W., Zhang, C., Yu, T., Semyachkina

Exp. Med. Biol., 1147, 147 166, doi: 10.1007/978 3 030

Glushkovskaya, O., and Zhu, D. (2019) In vivo monitoring

16908 4_7.

blood brain barrier permeability using spectral imaging

71.

Stone, N. L., England, T. J., and O’Sullivan, S. E. (2019)

through optical clearing skull window, J. Biophotonics, 12,

A novel transwell blood brain barrier model using primary

e201800330, doi: 10.1002/jbio.201800330.

human cells, Front. Cell Neurosci., 13, doi: 10.3389/fncel.

56.

Semyachkina Glushkovskaya, O., Chehonin, V.,

2019.00230.

Borisova, E., Fedosov, I., Namykin, A., et al.

(2018)

72.

Salmina, A. B., Gorina, Y. V., Erofeev, A. I., Balaban,

Photodynamic opening of the blood brain barrier and

P. M., Bezprozvanny, I. B., and Vlasova, O. L. (2021)

БИОХИМИЯ том 86 вып. 6 2021

ГЭБ ПРИ СТРЕССЕ И НЕЙРОДЕГЕНЕРАЦИИ

931

Optogenetic and chemogenetic modulation of astroglial

89. Lopatina, O. L., Panina, Y. A., Malinovskaya, N. A., and

secretory phenotype, Rev. Neurosci., doi: 10.1515/revneu

Salmina, A. B. (2021) Early life stress and brain plasticity:

ro 2020 0119.

from molecular alterations to aberrant memory and behav

73.

Xu, L., Nirwane, A., and Yao, Y. (2018) Basement mem

ior, Rev. Neurosci., 32, 131 142, doi: 10.1515/revneuro

brane and blood brain barrier, Stroke Vasc. Neurol., 4, 78

2020 0077.

82, doi: 10.1136/svn 2018 000198.

90. Morgun, A. V., Kuvacheva, N. V., Khilazheva, E. D.,

74.

Thomsen, M. S., Routhe, L. J., and Moos, T. (2017) The

Pozhilenkova, E. A., Gorina, Y. V., et al. (2016) Perinatal

vascular basement membrane in the healthy and patholog

brain injury is accompanied by disturbances in expression

ical brain, J. Cereb. Blood Flow Metab., 37, 3300 3317,

of SLC protein superfamily in endotheliocytes of hip

doi: 10.1177/0271678x17722436.

pocampal microvessels, Bull. Exp. Biol. Med., 161, 770

75.

Thomsen, M. S., Birkelund, S., Burkhart, A.,

774, doi: 10.1007/s10517 016 3506 z.

Stensballe, A., and Moos, T. (2017) Synthesis and deposi

91. Kuvacheva, N. V., Morgun, A. V., Malinovskaya, N. A.,

tion of basement membrane proteins by primary brain cap

Gorina, Y. V., Khilazheva, E. D., et al. (2016) Tight junc

illary endothelial cells in a murine model of the blood

tion proteins of cerebral endothelial cells in early postnatal

brain barrier, J. Neurochem., 140, 741 754, doi: 10.1111/

development, Cell Tissue Biol.,

10,

372377,

jnc.13747.

doi: 10.1134/s1990519x16050084.

76.

Kanda, H., Shimamura, R., Koizumi Kitajima, M., and

92. Sweeney, M. D., Sagare, A. P., and Zlokovic, B. V. (2018)

Okano, H. (2019) Degradation of extracellular matrix by

Blood brain barrier breakdown in Alzheimer disease and

matrix metalloproteinase 2 is essential for the establish

other neurodegenerative disorders, Nat. Rev. Neurol., 14,

ment of the blood brain barrier in Drosophila, iScience,

133 150, doi: 10.1038/nrneurol. 2017.188.

16, 218 229, doi: 10.1016/j.isci.2019.05.027.

93. Zeppenfeld, D. M., Simon, M., Haswell, J. D., D’Abreo,

77.

Muri, L., Leppert, D., Grandgirard, D., and Leib, S. L.

D., Murchison, C., et al. (2017) Association of perivascu

(2019) MMPs and ADAMs in neurological infectious dis

lar localization of aquaporin 4 with cognition and

eases and multiple sclerosis, Cell. Mol. Life Sci., 76, 3097

Alzheimer’s disease in aging brains, JAMA Neurol., 74, 91

3116, doi: 10.1007/s00018 019 03174 6.

99, doi: 10.1001/jamaneurol. 2016.4370.

78.

Ferro, M. P., Heilshorn, S. C., and Owens, R. M. (2020)

94. Parodi Rullán, R., Sone, J. Y., and Fossati, S. (2019)

Materials for blood brain barrier modeling in vitro, Mater.

Endothelial mitochondrial dysfunction in cerebral amyloid

Sci. Eng. R Rep., 140, 100522, doi: 10.1016/j.mser.2019.

angiopathy and Alzheimer’s disease, J. Alzheimer’s Disease,

100522.

72, 1019 1039, doi: 10.3233/jad 190357.

79.

Blanchette, M., and Daneman, R. (2015) Formation and

95. Gorina, Y., Salmina, A., Kuvacheva, N., Komleva, Y.,

maintenance of the BBB, Mech. Dev.,

138,

8 16,

Fedyukovich, L., et al. (2014) Neuroinflammation and

doi: 10.1016/j.mod.2015.07.007.

insulin resistance in Alzheimer’s disease, Sib. Med. Rev.,

80.

Saili, K. S., Zurlinden, T. J., Schwab, A. J., Silvin, A.,

11 19, doi: 10.20333/25000136 2014 4 11 19.

Baker, N. C., et al. (2017) Blood brain barrier develop

96. Thériault, P., ElAli, A., and Rivest, S. (2015) The dynamics

ment: Systems modeling and predictive toxicology, Birth

of monocytes and microglia in Alzheimer’s disease,

Defects Res., 109, 1680 1710, doi: 10.1002/bdr2.1180.

Alzheimer’s Res. Ther., 7, 41, doi: 10.1186/s13195 015 0125 2.

81.

Ruzaeva, V. A., Morgun, A. V., Khilazheva, E. D.,

97. Kyrtsos, C. R., and Baras, J. S. (2015) Modeling the role of

Kuvacheva, N. V., Pozhilenkova, E. A., et al. (2016)

the glymphatic pathway and cerebral blood vessel proper

Development of blood brain barrier under the modulation of

ties in Alzheimer’s disease pathogenesis, PLoS One, 10,

HIF activity in astroglialand neuronal cells in vitro, Biomed.

e0139574, doi: 10.1371/journal.pone.0139574.

Khim., 62, 664 669, doi: 10.18097/pbmc20166206664.

98. Jia, Y., Wang, N., Zhang, Y., Xue, D., Lou, H., and Liu, X.

82.

Biron, K. E., Dickstein, D. L., Gopaul, R., and Jefferies,

(2020) Alteration in the function and expression of SLC

W. A. (2011) Amyloid triggers extensive cerebral angiogen

and ABC transporters in the neurovascular unit in

esis causing blood brain barrier permeability and hypervas

Alzheimer’s disease and the clinical significance, Aging

cularity in Alzheimer’s disease, PLoS One, 6, e23789,

Dis., 11, 390 404, doi: 10.14336/ad.2019.0519.

doi: 10.1371/journal.pone.0023789.

99. Sekhar, G. N., Fleckney, A. L., Boyanova, S. T.,

83.

Verheggen, I. C. M., de Jong, J. J. A., van Boxtel, M. P. J.,

Rupawala, H., Lo, R., et al. (2019) Region specific blood

Gronenschild, E. H. B. M., Palm, W. M., et al. (2020)

brain barrier transporter changes leads to increased sensi

Increase in blood-brain barrier leakage in healthy, older

tivity to amisulpride in Alzheimer’s disease, Fluids Barriers

adults, GeroScience, 42, 1183 1193, doi: 10.1007/s11357

CNS, 16, 38, doi: 10.1186/s12987 019 0158 1.

020 00211 2.

100. Zoufal, V., Wanek, T., Krohn, M., Mairinger, S., Filip, T.,

84.

Skultétyová, I., Tokarev, D., and Jezová, D. (1998) Stress

et al. (2020) Age dependency of cerebral P glycoprotein

induced increase in blood brain barrier permeability in

function in wild type and APPPS1 mice measured with

control and monosodium glutamate treated rats, Brain Res.

PET, J. Cereb. Blood Flow Metab.,

40,

150162,

Bull., 45, 175 178, doi: 10.1016/s0361 9230(97)00335 3.

doi: 10.1177/0271678x18806640.

85.

Xu, G., Li, Y., Ma, C., Wang, C., Sun, Z., et al. (2019)

101. Sagare, A. P., Bell, R. D., and Zlokovic, B. V. (2013)

Restraint stress induced hyperpermeability and damage of

Neurovascular defects and faulty amyloid β vascular clear

the blood brain barrier in the amygdala of adult rats, Front.

ance in Alzheimer’s disease, J. Alzheimer’s Dis., 33 Suppl 1,

Mol. Neurosci., 12, 32 32, doi: 10.3389/fnmol.2019.00032.

S87 100, doi: 10.3233/jad 2012 129037.

86.

Lee, S., Kang, B. M., Kim, J., Min, J., Kim, H., et al.

102. Wardlaw, J. M., Makin, S. J., Valdés Hernández, M. C.,

(2018) Real time in vivo two photon imaging study reveals

Armitage, P. A., Heye, A. K., et al. (2017) Blood brain bar

decreased cerebro vascular volume and increased blood

rier failure as a core mechanism in cerebral small vessel dis

brain barrier permeability in chronically stressed mice,

ease and dementia: evidence from a cohort study, Alzheimer’s

Sci. Rep., 8, doi: 10.1038/s41598 018 30875 y.

Dement., 13, 634 643, doi: 10.1016/j.jalz.2016.09.006.

87.

Semyachkina Glushkovskaya, O., Esmat, A., Bragin, D.,

103. Nation, D. A., Sweeney, M. D., Montagne, A., Sagare,

Bragina, O., Shirokov, A. A., et al. (2020) Phenomenon of

A. P., D’Orazio, L. M., et al. (2019) Blood-brain barrier

music induced opening of the blood brain barrier in

breakdown is an early biomarker of human cognitive dys

healthy mice, Proc. Biol. Sci., 287, 20202337 20202337,

function, Nat. Med., 25, 270 276, doi: 10.1038/s41591

doi: 10.1098/rspb.2020.2337.

018 0297 y.

88.

Malinovskaya, N. A., Morgun, A. V., Lopatina, O. L.,

104. Montagne, A., Barnes, S. R., Sweeney, M. D., Halliday,

Panina, Y. A., Volkova, V. V., et al. (2018) Early life stress:

M. R., Sagare, A. P., et al. (2015) Blood brain barrier

consequences for the development of the brain, Neurosci.

breakdown in the aging human hippocampus, Neuron, 85,

Behav. Physiol., 48, 233 250, doi: 10.1007/s11055 018 0557 9.

296 302, doi: 10.1016/j.neuron.2014.12.032.

БИОХИМИЯ том 86 вып. 6 2021

12*

932

САЛМИНА и др.

105. Desai Bradaric, B., Patel, A., Schneider, J. A., Carvey,

barrier models via directed differentiation of human

P. M., and Hendey, B. (2012) Evidence for angiogenesis in

induced pluripotent stem cells, Sci. Rep., 9, 13957 13957,

Parkinson’s disease, incidental Lewy body disease, and

doi: 10.1038/s41598 019 50193 1.

progressive supranuclear palsy, J. Neural Transm. (Vienna),

114. Huh, D., Leslie, D. C., Matthews, B. D., Fraser, J. P.,

119, 59 71, doi: 10.1007/s00702 011 0684 8.

Jurek, S., et al. (2012) A human disease model of drug tox

106. Lim, R. G., Quan, C., Reyes Ortiz, A. M., Lutz, S. E.,

icity induced pulmonary edema in a lung on a chip

Kedaigle, A. J., et al. (2017) Huntington’s disease iPSC

microdevice, Sci. Transl. Med., 4, 159ra147, doi: 10.1126/

derived brain microvascular endothelial cells reveal

scitranslmed.3004249.

WNT mediated angiogenic and blood brain barrier

115. Kortagere, S., Chekmarev, D., Welsh, W. J., and Ekins, S.

deficits, Cell Rep., 19, 1365 1377, doi: 10.1016/j.celrep.

(2008) New predictive models for blood brain barrier per

2017.04.021.

meability of drug like molecules, Pharm. Res., 25, 1836

107. Pan, Y., and Nicolazzo, J. A. (2018) Impact of aging,

1845, doi: 10.1007/s11095 008 9584 5.

Alzheimer’s disease and Parkinson’s disease on the blood

116. Wang, Z., Yang, H., Wu, Z., Wang, T., Li, W., Tang, Y., and

brain barrier transport of therapeutics, Adv. Drug Deliv.

Liu, G. (2018) In silico prediction of blood brain barrier

Rev., 135, 62 74, doi: 10.1016/j.addr.2018.04.009.

permeability of compounds by machine learning and

108. Chaves, C., Do, T. M., Cegarra, C., Roudières, V.,

resampling methods, ChemMedChem, 13, 2189 2201,

Tolou, S., et al. (2020) Non human primate blood brain

doi: 10.1002/cmdc.201800533.

barrier and in vitro brain endothelium: from transcriptome

117. DeStefano, J. G., Jamieson, J. J., Linville, R. M., and

to the establishment of a New model, Pharmaceutics, 12,

Searson, P. C. (2018) Benchmarking in vitro tissue engi

doi: 10.3390/pharmaceutics12100967.

neered blood brain barrier models, Fluids Barriers CNS,

109. Wevers, N. R., Kasi, D. G., Gray, T., Wilschut, K. J.,

15, 32, doi: 10.1186/s12987 018 0117 2.

Smith, B., et al. (2018) A perfused human blood brain bar

118. Elbakary, B., and Badhan, R. K. S. (2020) A dynamic per

rier on a chip for high throughput assessment of barrier

fusion based blood brain barrier model for cytotoxicity

function and antibody transport, Fluids Barriers CNS, 15,

testing and drug permeation, Sci. Rep.,

10,

3788,

23, doi: 10.1186/s12987 018 0108 3.

doi: 10.1038/s41598 020 60689 w.

110. Lee, S., Chung, M., and Li Jeon, N. (2018) 3D brain

119. Buchroithner, B., Mayr, S., Hauser, F., Priglinger, E.,

angiogenesis model to reconstitute maturation of function

Stangl, H., et al. (2021) Dual channel microfluidics for

al human blood brain barrier in vitro, bioRxiv, 471334,

mimicking the blood-brain barrier, ACS Nano,

doi: 10.1101/471334.

doi: 10.1021/acsnano.0c09263.

111.

Qian, T., Maguire, S. E., Canfield, S. G., Bao, X., Olson,

120. Miranda Azpiazu, P., Panagiotou, S., Jose, G., and

W. R., et al. (2017) Directed differentiation of human

Saha, S. (2018) A novel dynamic multicellular co culture

pluripotent stem cells to blood brain barrier endothelial

system for studying individual blood brain barrier cell

cells, Sci. Adv., 3, e1701679, doi: 10.1126/sciadv.1701679.

types in brain diseases and cytotoxicity testing, Sci. Rep., 8,

112. Hartlaub, A. M., McElroy, C. A., Maitre, N. L., and

8784, doi: 10.1038/s41598 018 26480 8.

Hester, M. E. (2019) Modeling human brain circuitry using

121. Campisi, M., Shin, Y., Osaki, T., Hajal, C., Chiono, V.,

pluripotent stem cell platforms, Front. Pediatr.,

and Kamm, R. D. (2018) 3D self organized microvascular

doi: 10.3389/fped.2019.00057.

model of the human blood brain barrier with endothelial

113. Grifno, G. N., Farrell, A. M., Linville, R. M., Arevalo, D.,

cells, pericytes and astrocytes, Biomaterials, 180, 117 129,

Kim, J. H., et al. (2019) Tissue engineered blood brain

doi: 10.1016/j.biomaterials.2018.07.014.

BLOOD-BRAIN BARRIER BREAKDOWN IN STRESS

AND NEURODEGENERATION: BIOCHEMICAL MECHANISMS

AND NEW MODELS FOR TRANSLATIONAL RESEARCH

Review

A. B. Salmina^1,2*, Yu. K. Komleva², N. A. Malinovskaya², A. V. Morgun², E. A. Teplyashina²,

O. L. Lopatina², Ya. V. Gorina², E. V. Kharitonova², E. D. Khilazheva², and A. N. Shuvaev²

¹ Brain Research Department, Scientific Center of Neurology, 125367 Moscow, Russia

² Research Institute of Molecular Medicine and Pathobiochemistry, Krasnoyarsk State Medical University

named after Prof. V. F. Voino*Yasenetsky, 660022 Krasnoyarsk, Russia; E*mail: allasalmina@mail.ru

The blood brain barrier (BBB) is a structural and functional element of the neurovascular unit (NVU), which

includes cells of neuronal, glial and endothelial nature. Among the main tasks of NVU functioning are maintaining

the control of metabolism and chemical homeostasis in the brain tissue, ensuring adequate blood flow in active

regions, regulating neuroplasticity processes, which is reflected in the implementation of intercellular interactions in

normal conditions, under stress, neurodegeneration, neuroinfection, neurodevelopmental diseases. Current versions

of the BBB and NVU models, static and dynamic, have significantly expanded the research capabilities, but a num

ber of issues remain unresolved, in particular, the personification of models for a patient. In addition, the application

of both static and dynamic models has an important problem associated with the difficulty in reproducing the patho

physiological mechanisms responsible for the damage of the structural and functional integrity of the barrier in dis

eases of the central nervous system. Solving the problem requires more knowledge about the cellular and molecular

mechanisms of BBB and NVU damage in pathology. This review discusses the current state of the cellular and mole

cular mechanisms that control the BBB permeability, the pathobiochemical mechanisms and manifestations of BBB

breakdown in stress and neurodegenerative diseases, as well as the problems and prospects of creating in vitro BBB and

NVU models for translational studies in neurology and neuropharmacology. Deciphering BBB (patho)physiology will

give us new opportunities for the development of regenerative medicine, neuropharmacology and neurorehabilitation.

Keywords: brain, blood brain barrier, stress, neurodegeneration

БИОХИМИЯ том 86 вып. 6 2021