Tài liệu Hình thái và chức năng của hàng rào máu - não (blood-brain barrier)

1 ĐẶT VẤN ĐỀ Hàng rào máu não (Blood-Brain Barrier BBB) là một màng sinh học. Chúng có hai chức năng cơ bản: cung cấp các chất dinh dưỡng (sinh học) để nuôi tế bào não và ngăn cản các chất có hại cho tế bào não. + Chức năng dinh dưỡng: cho phép vận chuyển qua hàng rào máu não những chất sinh học giúp quá trình chuyển hóa của tế bào não. + Chức năng bảo vệ: ngăn các chất có hại vận chuyển qua hàng rào máu não. Hàng rào máu não bao gồm các tế bào nội mô (endothelial cell), tế bào hình sao (astroglia), tế bào ngoại mạch (pericyte), các đại thực bào ngoại mạch (perivascular macrophage) và màng đáy (basal lamina), chúng liên kết chặt chẽ với nhau. Với đặc tính đó, chúng hạn chế chặt chẽ sự di chuyển các chất từ máu vào não, trong khi các tế bào nội mô mao mạch ở các bộ phận khác của cơ thể lại không có được đặc tính đó [7]. Một cấu trúc của tế bào hình sao (astrocyte cell) nhô ra, được gọi là chân tế bào hình sao (astrocytic feet) bao bọc xung quanh các tế bào nội mô của hàng rào máu não, tạo nên các đặc tính sinh hóa của chúng. Hàng rào máu não có thể phân biệt với các hàng rào tương tự như chúng là hàng rào dịch não tủy- máu (blood-cerebrospinal fluid barrier: một chức năng của các tế bào màng mạch thuộc đám rối mạch mạc), và hàng rào võng mạc máu (blood- retinal barrier) [11]. Sự phát hiện hàng rào máu não trong một thời gian dài và cũng hết sức tình cờ. Đầu tiên, vào cuối thế kỷ 19 nhà khoa học Paul Ehrlich trong khi tiến hành thí nghiệm đã có sự chú ý đến hàng rào máu não. Paul Ehrlich là một nhà vi trùng học, chuyên nghiên cứu các cấu trúc có thể thấy được bằng phương pháp nhuộm màu. Khi ông tiêm các chất màu vào cơ thể, các chất màu có thể nhuộm tất cả các bộ phận của cơ thể ngoại trừ não bộ. Vào thời điểm đó, Ehrlich đơn giản cho rằng não không nhận các chất nhuộm màu. Sau 2 đó, trong một buổi thí nghiệm vào cuối năm 1913, Edwin Goldmann chích trực tiếp chất nhuộm màu vào dịch não tủy. Ông ta phát hiện rằng, trong trường hợp này não trở nên nhuộm màu, trong khi các bộ phận còn lại của cơ thể thì không bắt màu. Điều này chứng tỏ có sự tồn tại một hàng rào giữa não và các bộ phận còn lại của cơ thể. Vào thời điểm đó người ta cho rằng, chính hệ thống mạch máu đóng vai trò là hàng rào và hiển nhiên hàng rào máu não vẫn chưa được phát hiện. Khái niệm về hàng rào máu não được đề nghị bởi Lina Stern vào năm 1921. Nhưng mãi cho đến năm 1960, khi phát hiện ra kính hiển vi điện tử, hàng rào máu não mới được mô tả một cách đầy đủ. Người ta cho rằng, các tế bào hình sao chứ không phải các tế bào biểu mô, đóng vai trò cơ bản của hàng rào máu não, bởi vì chân tế bào hình sao bao bọc dày đặc quanh các tế bào biểu mô của hàng rào máu não. Năm 1959, Hugh Davson phát hiện ra hàng rào máu- dịch não tủy [16]. Mãi về sau này, nghiên cứu về vai trò và chức năng của hàng rào máu não cho thấy chúng có vai trò rất quan trọng. Chúng không những bão vệ não trong việc ngăn chặn các chất có hại đối với não, cho phép các chất cần thiết cho não đi vào não từ dòng máu. Bảo vệ não một cách hữu hiệu trước các tình trạng nhiễm trùng thông thường. Hàng rào máu não còn là mục tiêu nghiên cứu để đưa thuốc vào não nhằm điều trị các bệnh lý của não...và người ta đã đưa ra khái niệm hàng rào máu não chính là đơn vị mạch máu thần kinh (neurovascular unit) có vai trò thiết yếu không những trong bảo vệ mà còn thực hiện chức năng của hệ thần kinh trung ương. Gần đây, việc phát hiện ra vai trò của hàng rào máu não trong cơ chế hình thành phù não, đặc biệt là phù não do u não, là một tiến bộ vượt bậc. Không những cho phép hiểu được cơ chế phù não ở mức độ phân tử, tìm ra được các biện pháp chống phù não ở mức độ phân tử mà còn kiểm soát tốt tình trạng phù não, hạn chế tăng áp lực nội sọ và các biến chứng có thể đưa đến tử vong 3 cho bệnh nhân, tạo điều kiện thuận lợi để điều trị căn nguyên. Xa hơn, việc nghiên cứu và hiểu rõ về hàng rào máu não là một vấn đề có ý nghĩa quan trọng, nó mở ra nhiều hứa hẹn, không những trong điều trị mà còn phòng ngừa các bệnh lý thần kinh [1]. Hay nói cách khác, hàng rào máu não ngày càng được xem như là “ cửa ngõ” đối với bệnh lý thần kinh. 4 1. KHÁI NIỆM VỀ HÀNG RÀO MÁU NÃO 1.1. Những quan sát đầu tiên về hàng rào máu não Hề thần kinh trung ương là hệ thống dễ bị thương tổn và quan trọng nhất của cơ thể con người. Để chức năng thần kinh được đảm bảo cần thiết phải có một môi trường ngoại bào được điều chỉnh cao, ở đó nồng độ của các ion như Na+, K+ và Ca2+ phải được duy trì trong phạm vi rất hẹp. Hơn nữa, nhu cầu chuyển hóa của mô thần kinh là đáng kể, với hệ thần kinh trung ương thì nó tiêu thụ khoãng 20% lượng oxy của cơ thể. Hệ thần kinh trung ương cực kỳ dễ bị thương tổn bởi các chất hóa học. Các chất hấp thu vào cơ thể từ thức ăn mặc dù đã được chuyển hóa, bài tiết và có thể không nguy hại đối với các cơ quan ngoại biên, nhưng trên thực tế chúng có thể là độc tố của hệ thần kinh. Rõ ràng, bề mặt chung giữa hệ thần kinh trung ương và hệ tuần hoàn ngoại biên chính là hàng rào máu não, nó đóng vai trò rất quan trọng, thực hiện chức năng như một bộ máy điều chỉnh năng động về sự cân bằng các ion, vận chuyển các chất dinh dưỡng, và là hàng rào ngăn chặn các phân tử có hại cho hệ thần kinh. Như trên đã nói, bằng chứng trên thực nghiệm về hàng rào máu não lần đầu tiên do Paul Ehrlich, một nhà khoa học người Đức, tình cờ phát hiện vào năm 1885. Khi ông tiêm các chất màu vào cơ thể qua đường tĩnh mạch, các chất màu có thể nhuộm tất cả các bộ phận của cơ thể ngoại trừ não bộ. Vào thời điểm đó, Ehrlich đơn giản cho rằng não không nhận các chất nhuộm màu. Năm 1900, Lewandowsky nêu lên ý niệm về hàng rào máu não khi nghiên cứu về sự hạn chế vận chuyển ferrocya-nate kali vào não. Những chuỗi thực nghiệm kéo dài trong thời gian sau đó do học trò của Paul Ehrlich là nhà khoa học Edwin Goldmann thực hiện vào năm 1913, đã chích trực tiếp chất nhuộm màu vào dịch não tủy. Ông ta phát hiện rằng, trong trường hợp này não trở nên nhuộm màu, trong khi các bộ phận còn lại của cơ thể thì không bắt màu. Điều này chứng tỏ có sự tồn tại một hàng rào giữa não và các bộ phận còn lại của cơ thể [11],[27]. 5 1.2.Các tranh luận Mặc dù thí nghiệm của Goldmann đã đưa ra sự tồn tại của hàng rào sinh lý giữa hệ thần kinh trung ương và hệ tuần hoàn nhưng đặc tính của hàng rào này vẫn được tranh cải mạnh mẽ nhất vào năm 1960. Có một luận điểm đã phê phán thực nghiệm của Goldmann. Goldmann cho rằng các thành phần của máu và dịch não tủy khác biệt nhau, do đó ảnh hưởng đến khả năng khuếch tán của chất nhuộm màu và hoặc là do ái lực của chúng đối với mô thần kinh. Cách giải thích này sẽ không thích hợp khi so sánh giữa hai cách chích: chích trực tiếp vào dòng máu hay vào dịch não tủy. Năm 1942 Friedemann cho rằng, các chất vận chuyển qua mao mạch của thần kinh trung ương nhờ vào đặc tính điện hóa học của chúng. Nhưng sau đó giả thuyết này cũng không giải thích được đầy đủ hiện tượng trên. Tuy vậy, các nghiên cứu khám phá căn bản của hai nhà khoa học người Đức tại Berlin cách đây 100 năm đã đưa ra được khái niệm quan trọng về hệ thống hàng rào của não được gọi là hàng rào máu não, nhưng người ta vẫn chưa biết rõ chức năng của hàng rào máu não trong trạng thái bình thường và bệnh lý của não. Các nghiên cứu về sau và đặc biệt nhờ sự ra đời của kính hiển vi điện tử vào thập niên 60 của thế kỷ trước, các nhà khoa học ngày càng biết rõ hơn về cấu trúc và chức năng của hàng rào máu não, vai trò của nó trong tình trạng bình thường và bệnh lý của hệ thần kinh [1]. 2. HÌNH THÁI VÀ CHỨC NĂNG HÀNG RÀO MÁU NÃO 2.1.Cấu trúc hàng rào máu não Mặc dù khái niệm về hàng rào máu não đã tiếp tục được hoàn chỉnh trong vài thập kỷ qua, nhưng sự hiểu biết về cấu trúc cơ bản của hàng rào máu não được đầy đủ hơn từ các nghiên cứu của Reese, Karnovsky và Brightman. Theo đó, hàng rào máu não tồn tại chủ yếu dưới dạng một hàng rào lan tỏa và tập trung ở phạm vi tế bào nội mô của vi mạch não, mang đặc điểm là có sự hiện diện của mối liên kết chặt chẽ giữa tế bào với tế bào (tight cell-cell 6 junctions) và không có cửa sổ (fenestration). Đặc tính này không hề có ở hệ thống vi mạch ngoài não. Chân tế bào hình sao Khoảng trống liên bào Tế bào thấm Dãi bịt Ty thể Cửa sổ Mao mạch ngoại biên Mao mạch thần kinh Hình 2.1: Đặc điểm hình thái của mao mạch ngoài não [a] và mao mạch thần kinh [b]. Hệ thống mao mạch thần kinh có dãi bịt, không có cửa sổ và có nhiều ty thể. Các tế bào nội mô thần kinh được bao bọc bởi các màng cơ bản liên tiếp nhau và bên ngoài được bao phủ bởi chân của tế bào hình sao. Các mao mạch ngoài não thì không có đặc tính trên [14],[22]. Hàng rào máu não được tạo thành bởi một hệ thống tế bào phức tạp bao gồm: các tế bào nội mô (endothelial cell), tế bào hình sao (astroglia), tế bào ngoại mạch (pericyte), các đại thực bào ngoại mạch (perivascular macrophage) và màng đáy (basal lamina) (Bradbury, 1985). Gắn vào mỗi khoãng cách không đều đặn ở màng tế bào nội mô là các tế bào ngoại mạch, các tế bào này thường chia làm 2 phân nhóm: nhóm có dạng hình hạt và nhóm có dạng sợi nhỏ (Tagami et al, 1990). Các tế bào ngoại mạch và tế bào nội mô được bao bọc bởi màng đáy, đó là cấu trúc màng dày khoãng 30-40 nm có thành phần bao gồm: collagen tip IV, heparin sulfate proteoglycan, laminin, fibronectin và các protein chất nền ngoại bào khác (extracellular matrix 7 proteins). Màng đáy liên tục với màng của chân tế bào hình sao, các cấu trúc trên bao quanh vi mạch não (hình 2.2). Hình 2.2: Hình ảnh cắt ngang qua mao mạch não. Chu vi của lòng mao mạch gồm các tế bào nội mô (EC), kết dích các màng tế bào nội mô bởi các dãi bịt (TJ). Các tế bào ngoại mạch (PC) được gắn vào bề mặt của các tế bào nội mô và chúng được bao bọc bởi màng đáy (BL), màng đáy thì liên tục với màng của chân tế bào hình sao và màng tế bào của các tế bào nội mô (EC)[1]. Chân của tế bào hình sao (astrocyte end feet) gắn chặt với các tế bào nội mô thông qua màng đáy, chúng có tác dụng và duy trì chức năng của hàng rào máu não. Các tế bào nội mô được gắn chặt vào màng đáy cùng với các tế bào ngoại mạch và các đại thực bào ngoại mạch. Các tế bào ngoại mạch có đặc điểm là có thể co rút lại, chúng bao bọc quanh mao mạch não và có chức năng là điều chỉnh sự phát triển các tế bào nội mô. Do liên kết chặt chẽ với các tế bào nội mô, các tế bào ngoại mạch đảm bảo sự nguyên vẹn của mao mạch não và bảo tồn chức năng của hàng rào máu não. Cuối cùng, lòng mao mạch được bao phủ bởi các tế bào nội mô, đây chính là các thành phần cơ bản tạo nên hình thái và chức năng của hàng rào máu não [14],[22]. 8 Lòng mạch Tế bào hình sao Màng đáy Tế bào ngoại mạch Tế bào nội mô Dãi bịt Dãi bịt Tb nội mô Màng đáy Hàng rào máu não Tế bào hình sao Não Vi tế bào thần kinh đệm Hình 2.3: Hàng rào máu não (hình cắt ngang và cắt dọc phóng đại). Chúng được tạo thành bởi sự kết dích chặt của các tế bào nội mô lót bên trong lòng mao mạch não, tạo nên hàng rào ngăn cách giữa hệ tuần hoàn vào nhu mô não (tế bào hình sao và vi tế bào thần kinh đệm)[2],[22]. 2.2.Cơ chế vận chuyển các chất qua hàng rào máu não Hàng rào máu não có mối liên kết chặt chẽ với sự vận chuyển các hợp chất có tính ưa nước đi vào nhu mô não. Chẳng hạn như các hợp chất nội sinh, các 9 chất dinh dưỡng đi vào nhu mô não có thể bị hạn chế. Các chất dinh dưỡng thiết yếu được vận chuyển vào nhu mô não bằng các chất chuyên chở và có tính chất chọn lọc. Nhiều hệ thống vận chuyển có đặc tính khác nhau từ sự vận chuyển thụ động (chẳng hạn như khuếch tán) đến vận chuyển chủ động và quá trình này đòi hỏi năng lượng. Mao mạch Tb nội mô Tb hình sao Dịch NT Dòng máu Hình 2.4: Hàng rào máu não và sự vận chuyển các chất vào não[27] Sự khuếch tán của các chất xuyên qua màng tế bào nội mô của hàng rào máu não lệ thuộc vào đặc tính lý hóa của các hợp chất này, chẳng hạn khả năng hòa tan của các chất vào mỡ, trọng lượng phân tử, điện thế hoặc mức độ ion hóa. Rapoport và cs (1979) đã mô tả mối tương quan giữa sự khuếch tán qua hàng rào máu não và sự hòa tan của các chất vào mỡ. Các chất hòa tan trong mỡ đi xuyên qua màng tế bào của tế bào nội mô dễ dàng và cũng dễ cân bằng giữa tuần hoàn và mô não (Bradbury, 1985). Trong nghiên cứu thực nghiệm cũng phát hiện ra mối tương quan mật thiết giữa tính tan được của các hợp chất vào mỡ với khả năng thấm qua hàng rào máu não của chúng (Van Bree et al, 1988). Ngược lại, cũng theo các nghiên cứu trên, các hợp chất có chứa chất nền là P-glycoprotein thì khó vận chuyển qua hàng rào máu não. 10 Gần đây, P-glycoprotein (Pgp) thường đi kèm với tình trạng đề kháng nhiều thuốc (multidrug resistance MDR) trong nhiều loại u, cũng đã xác định được vị trí trên hàng rào máu não. Việc khám phá ra sự hiện diện của nó ở hàng rào máu não góp phần hiểu rõ cơ chế xâm nhập của các thuốc vào não. Pgp là một glycoprotein có trọng lượng phân tử 170 kDa và nó thuộc lớp trên của các chất vận chuyển phụ thuộc năng lượng ATP. Hệ thống các chất mang đặc trưng làm trung gian vận chuyển chủ động một số hợp chất vào não đã được nhận diện. Một hệ vận chuyển glucose có tính chất chọn lọc, có tên là GLUT-1 (trong nhóm gen trội, gồm chất vận chuyển đường độc lập với natri) có đặc tính vận chuyển các chất 2deoxyglucose, 3-O-methylglusose, mannose, galactose và glucose với một khả năng rất cao. GLUT-1 có trọng lượng phân tử 55 kDa, hiện diện ở cả lớp màng và dưới màng của màng tế bào nội mạc mao mạch não. Ba hệ chất mang amino acid có ái lực cao đã được mô tả như hệ vận chuyển amino acid hướng thần kinh có kích thước lớn (LNAA system), hệ vận chuyển amino acid có tính kiềm và hệ vận chuyển cho amino acid có tính acid, chúng hoàn toàn riêng biệt nhau. Hơn nữa, hệ vận chuyển cho purine, nucleoside, thiamine, monocarbocylic acid, và hóc môn tuyến giáp cũng đã được phát hiện. Như vậy, hàng rào máu não có chức năng rất quan trọng trong việc duy trì sự hằng định nội môi cho hệ thần kinh trung ương và đảm bảo tối ưu cho chức năng của chúng [9],[14]. 3. ĐƠN VỊ MẠCH MÁU THẦN KINH-SỰ TƢƠNG TÁC GIỮA TẾ BÀO NỘI MÔ MAO MẠCH VỚI MÔ THẦN KINH 3.1.Tế bào hình sao (Astrocyte) Não bộ bao gồm hai loại tế bào chính: + Tế bào thần kinh (neuron): chúng nhận và truyền các tín hiệu đến não. 11 + Tế bào thần kinh đệm (glial cell): thực hiện các vai trò khác nhau nhằm hỗ trợ cho tế bào thần kinh. Tế bào thần kinh đệm bao gồm 4 loại tế bào: tế bào hình sao (astrocyte) với chức năng là hỗ trợ, tế bào lót khoang dịch não tủy (ependymal cell) nằm trong các não thất, vi tế bào thần kinh đệm (microglial cell) chức năng là tế bào dọn dẹp và cuối cùng là tế bào thần kinh đệm ít nhánh (oligodendrocyte) có nhiệm vụ là tạo myelin. Tế bào hình sao Tế bào nội mô Hình 3.1: Chân của tế bào hình sao (astrocytic feet) vây quanh mạch máu, chúng tạo thành cấu trúc giống hình hoa hồng trên bề mặt các mao mạch não. Cấu trúc đặc biệt này sẽ tạo hiệu quả tối ưu giữa các tế bào hình sao và các tế bào nội mô qua hai con đường: cảm ứng và truyền tín hiệu, trong khi lại không tạo thành hàng rào sinh lý, điều này nhằm duy trì sự khuếch tán tự do giữa các tế bào nội mô mạch máu và nhu mô não [17] Hình thái và chức năng độc đáo của tế bào nội mô vi mạch não gợi ý rằng: các tế bào nội mô vi mạch não thực sự đặc biệt, hoặc là môi trường tế bào não bằng cách này hay bằng cách khác tạo nên các đặc tính của hàng rào máu não. Mối liên kết chặt chẽ về mặt mô học đã được mô tả ở phần trên, từ lâu đã cho 12 rằng các tế bào hình sao đóng vai trò chính đối với sự phát triển và duy trì các đặc tính của hàng rào máu não. Các nghiên cứu và thực nghiệm đã ủng hộ ý kiến này. Tuy nhiên, các khám phá gần đây đòi hỏi cần phải xem xét rộng rãi hơn về vai trò của tế bào hình sao đối với hàng rào máu não, cũng như thực nghiệm lại vai trò của các tế bào nhu mô não khác và chất nền ngoại bào. Trong một thí nghiệm quan trọng được thực hiện bởi Stewart và Wiley (1981), một mô não chưa trưởng thành và không có sự phân bố mạch máu của phôi chim cút được cấy ghép vào phôi gà. Tương tự như vậy, lấy phần trung bì sau của phôi chim cút cấy ghép vào não thất của phôi gà. Thực tế là cả hai mẫu ghép chưa có sự phân bố mạch máu với hình thái của tế bào chim cút, có thể làm yếu tố nhằm xác định nguồn gốc của mô mạch máu xâm lấn vào mẫu thí nhiệm. Cả hai thí nghiệm đều thành công và cả hai được phân bố mạch máu từ mô chung quanh của vật chủ. Người ta phát hiện ra rằng, mô não được cấy ghép vào phôi gà đã phát triển các mao mạch có đặc điểm là màng đáy thì mõng, các tế bào nội mô có nhiều ti lạp thể và liên kết với dãi bịt nhưng có ít túi tế bào pinocyte. Trong khi đó, các mao mạch từ mẫu thí nghiệm thứ hai có lượng ti lạp thể thấp nhưng lại có nhiều túi tế bào pinocyte, còn dãi bịt thì không có. Hơn nữa, khi chích trypan xanh vào mẫu thí nghiệm chỉ ra rằng mạch máu xâm nhập vào não ghép có tính thấm bị hạn chế giống như hàng rào máu não, trong khi đó mạch máu não xâm nhập vào mẫu ghép trung bì thì hoàn toàn yếu. Từ đó, các nhà khoa học kết luận rằng “ sự tương tác của mô mạch máu đang phát triển với mô thần kinh là vấn đề then chốt trong sự phát triển của hàng rào máu não”. Thí nghiệm của Holash et al (1993) cho thấy các tế bào hình sao chỉ đơn thuần giúp duy trì hình thái của hàng rào máu não. Các thí nghiệm trong in vivo sau đó chỉ ra rằng vi mạch não có thể sống sót và duy trì tính nguyên vẹn của nó ở vùng não vừa trải qua mất các tế bào hình sao nặng nề, mặc dù kết quả nghiên cứu này mâu thuẩn với các nghiên cứu gần đây và cho thấy sự 13 mất và sự bảo tồn tính nguyên vẹn của hàng rào trong in vivo theo sau mất khu trú các tế bào hình sao tạm thời. Người ta cũng nghiên cứu ra rằng, tế bào hình sao có thể đóng vai trò trung gian hoặc cùng chung với neuron trong sự điều chỉnh tính thấm của vi mạch não, đặc biệt bằng tín hiệu của kênh Ca2+ giữa tế bào hình sao và tế bào nội mô bằng khớp nối và sự lan truyền qua hệ purinergic (Zonta et al, 2003) [1],[8]. 3.2 Các tế bào ngoại mạch (Pericyte) Ít được biết rõ về sự liên quan của tế bào ngoại mạch với hàng rào máu não. Các protein có tính co rút đã được tìm thấy trong các tế bào ngoại mạch ở não, điều này chỉ ra rằng chúng có thể điều chỉnh lưu lượng máu mao mạch não. Khi thêm các tế bào ngoại mạch vào hổn hợp cấy tế bào nội mô và tế bào hình sao thì dường như nó làm ổn định sự tạo thành cấu trúc giống mao mạch. Các tế bào ngoại mạch ở vi mạch não có thể di trú xa khi đáp ứng nhanh với tình trạng giảm oxy máu và tổn thương não do chấn thương, cả hai tình trạng này thường kèm với gia tăng tính thấm hàng rào máu não. Sự di trú các tế bào ngoại mạch có đóng vai trò là nguyên nhân trong suy hàng rào máu não hay không thì vẫn chưa được làm rõ. Tuy nhiên, chất angiopoetin từ tế bào ngoại mạch có thể tạo ra sự hiện diện occludin của tế bào nội mô, một yếu tố chính tạo thành dãi bịt của hàng rào máu não, chỉ ra rằng tế bào ngoại mạch liên quan đến việc tạo nên và hoặc là duy trì đặc tính của hàng rào máu não như phương cách của hệ thần kinh đệm. 3.3 Neuron thần kinh (Neurons) Dựa vào tính năng động của hoạt động thần kinh và nhu cầu chuyển hóa đáng kể của mô thần kinh, vi tuần hoàn não phải đáp ứng cao với các nhu cầu của mô. Thật vậy, nhu cầu chuyển hóa cao của các hoạt động não khu trú đòi hỏi gia tăng lưu lượng máu não là nền tảng của hình ảnh thần kinh chức năng, mặc dù các cơ chế ở mức độ tế bào chưa được biết rõ (Pae-meleire, 2002). 14 Tế bào hình sao Neuron thần kinh Hình 3.2: Neuron thần kinh và các tế bào thần kinh đệm ở não người lớn trong trạng thái sinh lý [25]. Sự phá hủy hàng rào máu não thường đi kèm với các thay đổi bệnh lý của lưu lượng máu não, sự tưới máu não (ví dụ: nhồi máu não, xuất huyết não hoặc chấn thương sọ não...), và đã có các bằng chứng về hiện tượng mở ra của hàng rào máu não (Brain- Blood Barrier opening) có thể là bù trừ và có tính chọn lọc hơn là sự phá hủy về mặt cấu trúc giải phẫu một cách đơn thuần (Lee et al, 1999). Điều này gợi ý rằng sự liên lạc giữa các neuron thần kinh và mạch máu não không chỉ đơn thuần điều chỉnh lưu lượng máu não, mà còn liên quan đến tính thấm của hàng rào máu não. Các bằng chứng về mặt mô học đã phát hiện ra sự phân bố trực tiếp của hệ noradrenergic, cholinergic, neuron GABA-ergic và cũng như các hệ khác vào tế bào nội mô vi mạch não có kết hợp hoặc không kết hợp với chân tế bào hình sao. Mất phân bố thần kinh đáng kể của hệ cholinergic vào vi mạch võ não đã được phát hiện trong bệnh Alzheimer, vì nó có thể dẫn đến rối loạn chức năng mạch não (Tong et al, 1999). Các neuron thần kinh có vai trò chính trong sự phát triển kiểu hình 15 của hàng rào máu não hay không thì chưa được mô tả, nhưng rõ ràng là nó đóng vai trò chính trong điều chỉnh chức năng hàng rào máu não. 3.4 Các chất nền ngoại bào (The Extracellular Matrix) Ngoài tế bào hình sao, tế bào ngoại mạch và neuron thần kinh, chất nền ngoại bào của màng đáy cũng tương tác với các tế bào nội mô vi mạch não. Điều hòa tính thấm vi mạch não Hình 3.3: Đơn vị mạch máu thần kinh. Sơ đồ cho thấy các thành phần trong đơn vị mạch máu thần kinh tham gia vào điều chỉnh đặc tính thấm của vi mạch não (microvascular permeability). Sự phá hủy các chất nền ngoại bào thường kèm với sự gia tăng tính thấm của hàng rào máu não trong tình trạng bệnh lý (Rascher et al, 2002). Các chất nền ngoại bào níu giữ các tế bào nội mô bằng sự tương tác giữa các protein màng đáy và protein nền khác với các thụ thể của tế bào nội mạc. Sự tương tác giữa các chất nền và tế bào như vậy có thể kích thích một số tín hiệu nội bào. Các protein nền có thể tác dụng lên sự hiện diện của các protein dãi bịt (tight junction proteins) của tế bào nội mạc (Savettieri et al, 2000), điều này 16 chỉ ra rằng: mặc dù dãi bịt (Tight junction TJ) tạo nên sự ngăn chặn khuếch tán giữa các tế bào cạnh nhau, nhưng các protein của màng đáy dường như liên quan đến việc duy trì chính bản thân nó hơn. Từ sự khám phá trên, người ta đề nghị rằng: các tế bào nội mô vi mạch, tế bào hình sao, tế bào ngoại mạch, các neuron thần kinh và các chất nền ngoại bào tạo thành một “ đơn vị mạch máu-thần kinh” (the neurovascular unit), việc nghiên cứu hàng rào máu não là vấn đề quan trọng nhằm hiểu rõ hơn về sự phát triển và sinh lý của đơn vị mạch máu thần kinh (Wang et al, 2004). Hơn nữa, khái niệm về “đơn vị mạch máu thần kinh” giúp thiết lập phương pháp nghiên cứu thống nhất để hiểu não đáp ứng như thế nào đối với bệnh lý mạch não (Lo et al, 2004). Cuối cùng khái niệm về “đơn vị mạch máu thần kinh” tạo ra cơ sở về sự hiểu biết các trạng thái bệnh lý, đồng thời chúng ta có thể biết được đặc tính thấm của vi mạch não thay đổi như thế nào trong tình trạng bệnh lý hoặc được điều chỉnh bằng thuốc [1]. 4. SINH LÝ PHÂN TỬ VÀ CHỨC NĂNG CỦA HÀNG RÀO MÁU NÃO 4.1.Chức năng của hàng rào máu não Khoảng trống giữa các tế bào nội mô vi mạch não có đặc điểm là sự hiện diện phức hợp chức năng bao gồm: vùng dính (adherens junction AJ), dãi bịt (tight junction TJ) và có thể có cả thể liên kết khe (gap junction GJ) (Simard et al, 2003). Trong khi đó thể liên kết khe (nếu chúng hiện diện khe liên tế bào nội mô của hàng rào máu não) làm trung gian cho sự liên lạc giữa các tế bào. Cả hai, vùng dính và dãi bịt đều có nhiệm vụ hạn chế tính thấm của các tế bào nội mô (Bazzoni et al, 2004). 17 Đóng Mở Màng tế bào Hình 4.1: Hình thái thể liên kết khe (gap junction GJ). Vùng dính Màng tế bào Hình 4.2: Hình thái và các protein của vùng dính (Adherens Junctions). 18 Vùng dính thường hiện diện trong các tế bào nội mô mạch máu và làm trung gian cho sự kết dính các tế bào nội mô với nhau, xúc tác cho sự ức chế trong quá trình sửa chửa và phát triển mạch máu, khởi đầu cho sự phân cực tế bào và tham gia phần nào vào sự điều chỉnh tính thấm của các tế bào kế cận nhau. Các thành phần chính của vùng dính bao gồm: VE-cadherin thuộc nội mô mạch máu (VE), một protein điều chỉnh Ca2+. Nó làm trung gian cho sự kết dính giữa tế bào với tế bào bằng sự tương tác giữa các protein ở ngoại bào của các tế bào liền kề nhau. Đoạn cuối của VE-cadherin nằm trong tế bào chất gắn với ß-catenin và plakoglobin, đến chu kỳ nó lại gắn α-catenin, α-actinin và vinculin, mục đích là làm ổn định phức hợp vùng dính. Dải bịt Lòng mạch Phức hợp protein Khoảng gian bào Màng tế bào Hình 4.3: Hình thái và các protein của dãi bịt (Tight junction)[10]. 19 Mặc dù sự phá hủy vùng dính có thể dẩn đến gia tăng tính thấm của hàng rào máu não, nhưng chủ yếu dãi bịt có vai trò chính tạo ra tính thấm thấp giữa các tế bào và sự đề kháng cao về mặt điện học. Dãi bịt có cấu tạo là một cấu trúc phức tạp và tinh vi, chúng nối vùng đỉnh của khe liên tế bào biểu mô với hàng rào nội mô (endothelial barrier). Chúng có chức năng như một “dây kéo” (zipper) nhằm liên kết màng tế bào ở vùng đỉnh (apical membrane) và vùng đáy ngoài (basolateral membrane), cho phép hạn chế tính thấm giữa các tế bào cạnh nhau. Cũng như vùng dính (AJ), dãi bịt bao gồm các protein liên màng tế bào, chúng tạo thành các liên kết chính bằng các protein phụ trợ với khung tế bào actin (Vorbrodt et al, 2003). 4.2.Các protein của dãi bịt (Tight Junction) Dãi bịt được cấu tạo gồm 3 loại protein màng có tên là: các phân tử kết dính chức năng, occludin, claudin và một số protein phụ trợ thuộc tế bào chất như ZO-1, ZO-2, ZO3, cingulin và một số protein khác [21]. Khoảng liên tế bào Dải bịt Vùng dính Phân tử kết dính chức năng Hình 4.4: Hình ảnh phân bố các protein của dãi bịt (tight junction) và vùng dính (adherens junction) ở hàng rào máu não. Dãi bịt có: JAM, occludin, claudin là các protein xuyên màng tế bào và ZO-1, ZO-2, cingulin và các protein thuộc tế bào chất khác [22]. 20 4.2.1.Phân tử kết dính chức năng (Junctional Adhesion Molecules JAM) Các phân tử kết dính chức năng hiện nay đã được biết bao gồm: JAM-1, JAM-2 và JAM-3. JAM-1 có trọng lượng phân tử 40 kDa, một thành phần của liên họ IgG và nó đóng vai trò trong khởi đầu gắn kết của màng tế bào cạnh nhau. JAM-2 và JAM-3 cũng hiện diện trong tế bào nội mô và tế bào bạch huyết, nhưng không hiện diện ở biểu mô (Bauer et al, 2004). Trong quá trình phát triển của chúng, JAMs có thể điều chỉnh sự di chuyển xuyên qua tế bào nội mô của bạch cầu, nhưng chức năng của chúng đối với hàng rào máu não thì hầu như vẫn chưa được biết. Màng tế bào MÁU NÃO Hình 4.5: Các thành phần cấu tạo cơ bản (JAM, occludin và claudin) của dãi bịt ở hàng rào máu não (hình ảnh cắt dọc) [1].