Rev Chil Neuro-Psiquiat 2004; 42(2): 121-130

ARTÍCULO ORIGINAL

La Barrera Hemato-Encefálica en la patología del Sistema Nervioso Central: su importancia en la Respuesta Inflamatoria

The Blood-Brain Barrier and the Pathology of the Central Nervous System: Its importance for the Inflammatory Response

Rommy von Bernhardi

Departamento Neurología, Facultad Medicina, Pontificia Universidad Católica de Chile.
Lab. Neurociencias CIM.

Dirección para correspondencia

Introduction. The blood-brain barrier (BBB) constitutes a well-defined structure which plays a role in the normal homeostasis of the central nervous system (CNS) and in certain disease processes affecting it. Methods. Over 50 reviews and peer-reviewed experimental publications published over the last few years that discussed development, normal morphology and function of the BBB, function defects and its role in the development of CNS pathology were reviewed. The mechanisms determining BBB functional impairment and their effect upon CNS pathology are discussed. Results. The BBB role as a physic and metabolic barrier is to isolate the CNS from the rest of the organism. However, the BBB does not behave as a passive structure. It plays an active role in the maintenance of the normal function of the CNS. Depending on the presence of injury or some systemic signals, the integrity of the BBB can be compromised, increasing its permeability. Conclusions. The morphological and functional characteristics of the BBB are key for certain CNS diseases. It also limits their therapeutic approaches. The possibility to modify the BBB permeability in a controlled way, with spatial and temporal restrictions, potentially could change both prevention and treatment for several diseases of the CNS.

Key words: endothelial cells, tight junctions, glia, leukocyte transmigration, immune response, inflammation, transport

Introducción. La Barrera Hemato-Encefálica (BHE) constituye una estructura histológica bien definida que participa tanto en la homeostasis normal del Sistema Nervioso Central (SNC) como en varios procesos patológicos que lo afectan. Métodos. Se evaluaron más de 50 revisiones y trabajos originales publicados en los últimos años en los que se discuten aspectos del desarrollo, morfología y función normales de la BHE, y alteraciones de su función y su participación en el desarrollo de patologías del SNC. La revisión aborda los mecanismos que pueden determinar la disfunción de la BHE y sus efectos sobre la patología del SNC. Resultados. La función de la BHE como barrera física y metabólica es la de separar al SNC de la periferia. Sin embargo, la BHE, lejos de comportarse como una estructura pasiva, juega un papel activo en la mantención de la función normal del SNC. Dependiendo de la presencia de daño o ciertas señales sistémicas, la integridad de la BHE puede ser comprometida, aumentando su permeabilidad. Conclusiones. Las características morfo-funcionales de la BHE son determinantes en la manifestación de ciertas patologías del SNC, o limitan las aproximaciones terapéuticas para abordarlas. La posibilidad de influir sobre la permeabilidad de la BHE de manera controlada y en forma espacial y temporalmente restringida potencialmente puede modificar tanto la prevención como el tratamiento de muchas enfermedades del SNC.

Palabras clave: células endoteliales, uniones estrechas, glía, transmigración de leucocitos, respuesta inmune, inflamación, transporte.

Introducción

Hace más de un siglo los experimentos de Paul Ehrlich mostraron que los vasos intracerebrales eran impermeables a la albúmina, originando el concepto de la existencia de una barrera para la entrada de proteínas al cerebro. Hoy se sabe que en la Barrera Hemato-Encefálica (BHE) existe un gran número de mecanismos fisiológicos, bioquímicos y enzimáticos que mantienen la homeostasis del sistema nervioso y que participan en ciertas patologías. La existencia de un microambiente constante también es favorecida por el flujo sanguíneo, el cual está en equilibrio con la demanda metabólica del tejido cerebral (1). Para apreciar las consecuencias funcionales que puede tener la alteración de la BHE, se hará una revisión sucinta de su estructura y función normal. Posteriormente se describirán algunos mecanismos de alteración de la BHE, y los cambios fisiopatológicos secundarios a ella.

Estructura de la Barrera Hemato-Encefálica

La BHE es una barrera física y metabólica que aísla al SNC del resto del organismo, constituida por células endoteliales especializadas que recubren el sistema vascular cerebral. Esta barrera tiene importancia tanto porque un aumento de permeabilidad puede originar enfermedades, como porque la impermeabilidad de una BHE intacta puede impedir el acceso de las drogas. Por esta razón, es deseable evaluar su grado de impermeabilidad. La proteína S100b, además de otros marcadores, potencialmente podrían ser marcadores periféricos de la permeabilidad de la BHE (2).

La BHE es una estructura plástica capaz de responder rápidamente a cambios en el cerebro o en la sangre (3). En condiciones normales tiene 4 funciones principales: 1. Separar y proteger al cerebro de compuestos circulantes en el resto del organismo, 2. Transportar en forma selectiva compuestos necesarios para el cerebro, 3. Detectar cambios en la sangre y comunicar estos cambios al cerebro y 4. Metabolizar substancias presentes en el cerebro y en la sangre (4). La BHE radica en las características del endotelio de la microvasculatura. Este endotelio tiene al menos tres tipos de unión célula-célula, las que también se encuentran entre el endotelio y los astrocitos: uniones de hendidura (GAP junctions), uniones adherentes y uniones estrechas. Las GAP junctions están formadas por grupos de proteínas trans-membrana (conexinas) que conectan el citoplasma entre las células endoteliales (5). Las uniones adherentes están formadas por proteínas de la familia de las cadherinas (6). Las uniones estrechas están compuestas de varias proteínas integrales y proteínas periféricas de membrana de la familia de las zonula ocludens. La expresión elevada de uniones estrechas es una característica especial de la BHE; ellas sellan los espacios intercelulares entre las células endoteliales (vía paracelular) y entre el endotelio y los astrocitos, determinando que los capilares de la BHE tengan una resistencia muy elevada y sean impermeables a la mayoría de las macromoléculas (7). Estas uniones forman cinturones intercelulares continuos estableciendo múltiples barreras. Las uniones estrechas ya están presentes durante el desarrollo fetal y son efectivas restringiendo la entrada de proteínas, aunque algunos elementos siguen madurando durante el desarrollo del cerebro (8, 9). En contraste al endotelio de otros territorios, el de la BHE tiene un transporte transcelular masivo (pinocitosis) muy reducido. En cambio, tiene transportadores específicos muy desarrollados para diversos metabolitos (Ej. Transportador de glucosa GLUT-1) (10). La BHE tiene además importancia enzimática. Las moléculas que entran al endotelio quedan expuestas a los sistemas enzimáticos asociados a las numerosas mitocondrias de gran actividad metabólica características de la célula endotelial.

En íntima asociación con la célula endotelial, el podocito (proceso de los astrocitos) cumple un papel de protección de la BHE, ya que favorece la estructuración del endotelio como barrera y también regula su respuesta a la hipoxia o a la hipoglucemia modificando su permeabilidad. Así, la BHE, aunque estructuralmente está constituida por las células endoteliales, funcionalmente está regulada por las neuronas y la glía (11).

Además de la BHE, el LCR también es parte del sistema de defensa del SNC. El LCR contiene proteínas, metabolitos y moléculas de un tamaño mucho mayor al que permite pasar la BHE. Estos compuestos drenan en la medida que el LCR baña las estructuras del SNC y egresan ya sea a través de las granulaciones aracnoideas o a través (al menos en modelos animales) de las raíces nerviosas, la vaina carotídea y los nervios olfatorios (12). Así, si bien la entrada al SNC es muy restringida por las uniones estrechas de la BHE, el fluido que egresa puede contener componentes de gran tamaño, constituyéndose una barrera de flujo unidireccional (13).

Algunas regiones del SNC, denominadas órganos circunventriculares, no tienen el endotelio característico de la BHE, sino una microvasculatura similar a la periférica. En esta región se encuentra el plexo coroideo, la neurohipófisis y el órgano subcomisural, entre otros. El plexo coroideo forma el LCR y regula activamente su composición. En estas regiones los capilares son más permeables, pero las células epiteliales del plexo coroideo y los tanicitos tienen uniones estrechas que previenen el transporte desde el espacio periluminal hacia el líquido extracelular del cerebro (14), aunque su resistencia es menor que la generada en el endotelio de la BHE (15). El epitelio del plexo coroideo forma así una segunda barrera, conocida como la barrera sangre-LCR (13).

El transporte a través de la Barrera Hemato-Encefálica

La BHE es impermeable a las macromoléculas (mo-léculas hidrosolubles o moléculas de más de Mr. 200-400). La permeabilidad de la mayoría de las moléculas se puede predecir sobre la base de su coeficiente de partición octanol/agua (16). Las moléculas liposolubles (coeficiente de partición alto) accederán al cerebro con mayor facilidad. En cambio, las moléculas hidrosolubles no cruzarán la BHE y por ende tendrán poco efecto en el SNC, aunque la impermeabilidad no es absoluta y existe un cierto grado de difusión. Así, casi toda la albúmina, y las inmunoglobulinas del LCR provienen de la ultra filtración del suero. Sin embargo, la mayoría de las substancias de coeficiente de partición bajo que penetran al SNC son proteínas que pasan por transporte activo o facilitado. El transporte es diferencial, dependiendo de canales iónicos, transportadores específicos, bombas dependientes de energía y también endocitosis mediada por receptores. La glucosa, amino ácidos y algunos metabolitos intermedios entran al cerebro por transporte facilitado, mientras moléculas de mayor tamaño, como insulina, transferrina y otras proteínas plasmáticas pasan la BHE vía endocitosis absortiva o mediada por receptores.

Dificultando aún más nuestra comprensión de la permeabilidad de la BHE, se ha visto que algunas moléculas altamente permeables de la BHE tienen concentraciones muy bajas en el SNC. Estas moléculas son sacadas del SNC hacia la sangre por transportadores dependientes de energía muy activos, como la P-glicoproteínas (P-gp), ubicadas en la membrana luminal del endotelio, y que contribuyen en forma importante a la salida de xenobióticos desde el cerebro (17). Estos mecanismos, si bien juegan un papel protector, también contribuyen a la resistencia a drogas. Los transportadores de aniones orgánicos y las proteínas de resistencia a multidrogas (MRP) también contribuyen a la salida desde el SNC (15, 18). Estudios recientes han revelado que el bloqueo de estos transportadores (ej. con probenecid), podrían mejorar el acceso a través de la BHE.

Alteración de las propiedades de la Barrera Hemato-Encefálica

La regulación de la permeabilidad de las uniones estrechas depende de varios mecanismos, incluyendo: 1. modificaciones del citoesqueleto, 2. cambios en la expresión de uniones estrechas y 3. cambios cinéticos de su degradación (10). El aumento de la permeabilidad de la BHE también se asocia con la presencia de metaloproteinasas en el líquido cefalorraquídeo (LCR) o en la sangre.

En diversas patologías, incluyendo la encefalitis por el virus de la inmunodeficiencia adquirida (VIH), la isquemia/reperfusión y el shock osmótico, se observan alteraciones de las uniones estrechas y cambios en la permeabilidad de la BHE. Si bien se desconoce el mecanismo del aumento de permeabilidad de la BHE asociado al daño del SNC, hay una correlación estrecha entre el aumento de citoquinas en sangre y LCR inducido por la lesión y la ruptura de la BHE. El factor de necrosis tumoral (TNFa) a menudo es la causa principal de los cambios de permeabilidad, incluso cuando se administra en forma sistémica. En cuadros inflamatorios generalizados, como por ejemplo un shock séptico, TNFa además induce la expresión de IL-1b e IL-6. Ambas citoquinas también aumentan la permeabilidad de la BHE y hay evidencia que al menos IL-1b reduce la expresión de uniones estrechas. Además, el aumento en la expresión de las citoquinas inflamatorias a menudo se asocia a apoptosis neuronal, disfunción neuroglial, o a la promoción del reclutamiento de más células inflamatorias, con la perpetuación de la alteración de permeabilidad de la BHE.

Daño de la BHE: isquemia y trauma

La integridad de la BHE durante una injuria dependerá de su mecanismo, gravedad y duración. La apertura de la BHE en y alrededor de la injuria es diferente según el tamaño de las moléculas. En isquemias moderadas, sólo atraviesan moléculas muy pequeñas; en cambio, infartos más graves también permitirán el paso de moléculas grandes. La isquemia transitoria puede tener efectos peores que la oclusión permanente, debido al daño por reperfusión (19). El daño será más grave en la medida que el insulto inicial sea mayor (20). Durante la isquemia, la disminución de los nutrientes o el aumento de especies reactivas como el óxido nítrico puede generar daño endotelial. Además, tanto la isquemia como el trauma se acompañan de efectos inflamatorios (ver sección correspondiente), con la activación de citoquinas como el TNFa e IL-1 y la inducción de moléculas de adhesión celular, constituyéndose en un mecanismo de injuria secundario (21). La entrada de leucocitos a través de la BHE puede acompañarse de la liberación de proteasas, generándose edema citotóxico y vasogénico. La isquemia además puede comprometer la BHE aumentando el transporte vesicular transcelular y abriendo las uniones estrechas. Uno de los mecanismos recientemente propuestos para entender las alteraciones de permeabilidad asociadas a la isquemia involucra al calcio como regulador de las uniones adherentes y uniones estrechas (22).

En la injuria cerebral (sea isquémica o traumática) hay una ruptura de la BHE inicial que puede ser letal (por edema cerebral). Una segunda fase de ruptura acompaña a la angiogénesis que ocurre en los márgenes de la lesión. Estudios utilizando un modelo de daño-por-frío (23) han permitido entender algunos de los eventos post daño. Junto a la ruptura de la BHE hay activación microglial inmediata. En la fase temprana hay un aumento de pinocitosis. La persistencia del estado patológico resulta en la ruptura de las uniones estrechas, y en injuria severa se puede producir la destrucción celular. La expresión de moléculas angiogénicas como el óxido nítrico, radicales de oxígeno, bradicinina y factores de crecimiento precede y acompaña la angiogénesis (23). En ella hay proliferación de las células endoteliales. La activación de metaloproteinasas degrada la matriz extracelular, permitiendo la migración de las células endoteliales. En la medida que el endotelio se ensambla en un lecho capilar nuevo hay hiper-permeabilidad microvascular (23).

La Barrera Hemato-Encefálica y la Inflamación en el Sistema Nervioso Central

La BHE es una interfase crítica entre las células sanguíneas circulantes y el SNC. La célula endotelial regula la transmigración leucocitaria hacia el parénquima cerebral y por ende regula la respuesta inflamatoria. La transmigración depende de la interacción leucocito-endotelio. La adhesión de los leucocitos al endotelio es mediada por varias moléculas de adhesión en el endotelio y el leucocito y también por moléculas solubles, como citoquinas y quimioquinas secretadas por el leucocito, la BHE y las células residentes del cerebro.

En condiciones patológicas, la expresión elevada de citoquinas en el cerebro disminuye la expresión de uniones estrechas en la BHE, produciendo un aumento de permeabilidad y transmigración celular (24). El aumento de transmigración también podría contribuir al deterioro progresivo de la BHE.

Las quimioquinas son uno de los factores solubles principales en la inducción del reclutamiento celular. Las quimioquinas son un grupo de proteínas de bajo peso molecular que producen quimiotaxis y activación celular. Ellas juegan un papel importante en la inflamación del SNC. Se han observado niveles elevados de algunas, como MCP-1, RANTES e IP-10 en tejido cerebral y LCR de pacientes con encefalitis por VIH-1 o demencia asociada al Síndrome de Inmunodeficiencia Adquirida y en animales con Encéfalomielitis Alérgica Experimental (EAE, el modelo animal de la Esclerosis Múltiple) (25, 26). El uso de anticuerpos neutralizantes contra esas quimioquinas reduce la inflamación en la EAE. Además del reclutamiento de leucocitos, las quimioquinas inducen una serie de respuestas celulares, incluyendo la producción de citoquinas y quimioquinas, proliferación celular e incluso cambios neuronales (26).

Cuando hay una injuria, la elevación de la citoquina pro-inflamatoria TNFa precede al aumento de casi todas las otras citoquinas. TNFa activa los macrófagos, estimula la producción de moléculas de adhesión celular e induce la producción de factores de crecimiento neural. Además de ser producida por la glía y neuronas, entra desde la circulación a través de la BHE por transporte facilitado (27). En forma experimental se ha mostrado que la exposición de células endoteliales o astrocitos a TNFa, Interferón (IFNg) o Interleuquina (IL-1b), y de astrocitos a Factor de Crecimiento Transformante (TGFb) induce la expresión de la quimioquina MCP-1. Estas citoquinas también están presentes en pacientes con patología inflamatoria del SNC. TNFa no es necesariamente perjudicial dado que la inflamación es esencial para la regeneración del SNC. Si bien grandes dosis de TNFa pueden alterar la función de la BHE, a concentraciones bajas no compromete su integridad (27).

La transmigración leucocitaria mediada por quimioquinas depende de la expresión de receptores para quimioquinas acoplados a Proteína-G en las células sanguíneas. Las células migran siguiendo una gradiente de quimioquinas; interferencia con la gradiente reduce o incluso impide la transmigración. La unión quimioquina-receptor es promiscua: un receptor reconoce varias quimioquinas y éstas se unen a más de un receptor.

Papel de la BHE en la respuesta inmune

Otro aspecto crítico en la respuesta del organismo a una injuria sistémica es la generación de fiebre, anorexia, hiperalgesia, etc., que sirven como respuesta adaptativa en cuadros agudos pero que pueden ser destructivos en cuadros inflamatorios crónicos. Hay evidencias que apoyan la idea que el endotelio de la BHE jugarían un papel central en la transferencia de las señales inflamatorias desde la circulación sistémica hacia el SNC (35), lo que resultaría en la liberación de prostaglandinas hacia el parénquima cerebral (36).

La BHE y la infección del Sistema Nervioso Central

En cambio, algunos virus entran al SNC por los pares craneanos o los nervios espinales (herpes y rabia respectivamente). Otros probablemente atraviesan el endotelio o el plexo coroideo. En el caso del VIH, las células endoteliales carecen de los sitios de unión a CD4 y galactocilseramida que usa el virus para entrar a la mayoría de las células, por lo que su incorporación depende mayoritariamente de la entrada de monocitos infectados (42) o de endocitosis absortiva en respuesta al aumento de citoquinas. Una vez que atravesó la BHE, el VIH prolifera en microglía y otras células parenquimatosas no-neuronales y es liberado a la circulación venosa sistémica vía las granulaciones aracnoideas y al sistema linfático a través de los nervios. De esta manera, el SNC puede funcionar como un reservorio y un replicador del virus que se libera a la circulación sistémica mientras el virus permanece protegido de las drogas antivirales sistémicas por la BHE (43).

Si bien la infección puede facilitar la entrada de antibióticos a través de la BHE, su integridad depende del agente infeccioso. En infecciones bacterianas los niveles de antibióticos en el LCR son hasta 10 veces mayores que en individuos no infectados. En cambio, los virus producen un daño de la BHE mínimo, dificultando el acceso a las drogas antivirales. Puede ser prudente monitorear la concentración de fármaco en el LCR para seleccionar una dosis adecuada y porque la BHE se restablece muy rápidamente al disminuir la infección, reduciendo su permeabilidad a los fármacos. Un tratamiento controvertido para disminuir el daño inflamatorio es el uso de corticosteroides. Debido a que también restablece la integridad de la BHE, disminuye la llegada del antibiótico y la remoción de bacterias. Sin embargo, se acepta que los corticosteroides disminuyen las tasas de morbilidad y de secuelas.

La Barrera Hemato-Encefálica y el desarrollo de nuevas terapéuticas

La misma eficiencia de la BHE para proteger el cerebro dificulta las intervenciones terapéuticas, por su baja permeabilidad a los fármacos (15). Para enfrentar esta limitante se han intentado diferentes formulaciones (15, 44): 1. Aplicar drogas de alta lipofilicidad y unión a proteínas como infusión intra arterial en medios libres de proteínas, aumentando su fracción libre, 2. Para otras drogas, la aproximación es la opuesta; se conjuga la droga a albúmina cationizada ya que se unen a las cargas negativas del endotelio, siendo transportadas a través de la BHE por endocitosis mediada por absorción, 3. Conjugación del fármaco a péptidos (45), como los vectores SynB, que son transportados en forma eficiente a través de la BHE (46) o 4. Conjugar las drogas a compuestos que se unen a proteínas formando quimeras, como el transportador de transferrina o el receptor de la insulina (47). Otro abordaje ha sido mediante 5. La instilación directa del fármaco, pero la difusión en el parénquima es muy limitada. Una alternativa nueva es 6. La permeabilización reversible de la BHE. Se ha intentado una variedad de estrategias, incluyendo agentes químicos como agonistas del receptor de bradicinina (48), estrés mecánico e hipercapnia, pero el más efectivo hasta el momento es la ruptura osmótica de la BHE mediante la inyección intra-arterial de solutos hipertónicos no metabolizables (20, 49).

La posibilidad de realizar una entrega dirigida del fármaco permite minimizar la toxicidad sistémica. La existencia de un sistema de 2 compartimientos definidos por la BHE también permite la utilización de compuestos quelantes de los fármacos que no atraviesan la BHE, de tal manera que el compuesto que no atraviese la BHE será rápidamente atrapado sin que desarrolle efectos sistémicos no deseados.

BHE y Cáncer

La BHE limita las opciones terapéuticas de tratamiento para tumores primarios y metastáticos. A ella se le agrega la barrera sangre-LCR, y una tercera denominada barrera sangre-tumor. Hay muchas variables que afectan la penetración de agentes anticancerosos en un tumor sólido cerebral que tienen que ver con las propiedades estructurales y funcionales de la microvasculatura y con la distribución espacial de los capilares. Para que el tratamiento antitumoral sea efectivo las drogas deben acceder a todas las células tumorales viables en concentración suficiente para ser letal (50). La barrera es muy heterogénea, siendo más permeable en el centro del tumor, mientras los bordes, que son proliferantes e infiltrantes, exhiben una integridad mayor, de manera que la quimioterapia está en concentraciones más bajas en el territorio que presenta el crecimiento rápido. Además, en la medida que el tamaño del tumor se reduce la integridad de la BHE a menudo se recupera, por lo que la terapia debe asociarse a técnicas que modifican la permeabilidad de la BHE (disrupción osmótica) o que facilitan el paso de los fármacos (51). La disrupción osmótica de la BHE ha permitido lograr respuesta terapéuticas durables y, aunque la aproximación es invasiva, se ha observado una toxicidad relativamente baja.

Recapitulación

La homeostasis en el parénquima neuronal es esencial para la función normal del cerebro. La BHE es la estructura responsable de proteger el SNC de las importantes variaciones en la composición de la sangre y en la regulación de su permeabilidad tienen un papel central las uniones estrechas del endotelio. El estudio de la BHE es muy importante por al menos 2 razones principales: la primera, su alteración morfo-funcional es de gran importancia en enfermedades tales como la patología cerebrovascular, tumores, enfermedades autoinmunes y daño traumático. La segunda, la posibilidad de modificar la impermeabilidad de la BHE en forma controlada podría revolucionar la terapéutica disponible para el tratamiento de muchas enfermedades que afectan el SNC.

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Correspondencia:
Rommy von Bernhardi
Depto. Neurología, Facultad de Medicina,
Pontificia Universidad Católica de Chile.
Lab. Neurociencias CIM
Marcoleta 391, Santiago, Chile.
E-mail: rvonb@med.puc.cl

Apoyo Financiero: Se agradece el apoyo del proyecto FONDECYT 1040831 a RvB.

Recibido: enero de 2004
Aceptado: mayo de 2004