Гематоэнцефалический барьер (ГЭБ) — это сложная гетерогенная система головного мозга с несколькими уровнями избирательного транспорта, регуляции и защиты, способная поддерживать гомеостаз центральной нервной системы (ЦНС) и защищать головной мозг от потенциально вредных эндогенных и экзогенных веществ. ГЭБ представляет собой физический и метаболический барьер между мозгом и большим кругом кровообращения, который служит для регулирования и защиты микроокружения мозга [28]. Структурные единицы, из которых складывается ГЭБ, выполняют не только защитную, но регуляторную, питательную и выделительную функцию. Основными функциональными и анатомическими элементами ГЭБ являются эндотелиоциты капилляров мозга, астроциты, нейроны и перициты, представляющие собой «нейроваскулярную единицу» [7].
ГЭБ состоит из монослоя эндотелиальных клеток капилляров головного мозга. Ограничение охвата мозгом ГЭБ возникает из-за наличия плотных контактов (окклюзионные зоны) между соседними эндотелиальными клетками и относительно небольшого количества фенестр и пиноцитозных пузырьков в эндотелии церебральных артериол, капилляров и венул [17]. Из-за наличия ГЭБ циркулирующие молекулы не имеют свободного доступа к головному мозгу. Трансцеллюлярный транспорт биологически активных веществ через ГЭБ может осуществляться следующими путями [7, 16]:
- простая диффузия;
- облегченная диффузия;
- эндоцитоз посредством рецептор-опосредованного трансцитоза;
- эффлюксный транспорт.
Простая диффузия осуществляется в направлении градиента концентраций. Она представляет собой самопроизвольный процесс, зависящий от величины градиента концентрации. Необходимым условием для нее является высокая липофильность вещества. Жирорастворимые молекулы могут проникать через клеточную мембрану и пассивно диффундировать через эндотелий в головной мозг. Существует корреляция между повышенной растворимостью липидов и скоростью и степенью проникновения в головной мозг. В целом, чем более жирорастворима молекула или лекарство, тем легче они будут проникать в ткани головного мозга. Так, быстро проникают через ГЭБ неорганические молекулы O2, CO2, H2O. Также некоторые психотропные лекарственные препараты, анестетики и опиаты (героин) попадают в мозг данным образом [7, 16].
Облегченная диффузия, опосредованная белком-переносчиком, также осуществляется в направлении градиента концентраций. Но молекулы, самостоятельно не способные проникнуть через мембрану, связываются с белками-переносчиками и транспортируются посредством эндоцитоза. Переносчики растворенных веществ (англ. Solute carrier family — SLC) составляют надсемейство мембранных транспортных белков, которые облегчают двунаправленное перемещение растворенных веществ через клеточную мембрану. Полярные молекулы могут транспортироваться через мембрану эндотелиальных клеток. В отличие от их аналога переносчика аденозинтрифосфат (АТФ) -связывающей кассеты (англ. ATP Binding Cassette — ABC), транспорт SLC не требует АТФ, поскольку он управляется либо электрохимическими градиентами (т. е. градиентом Na+ или H+), либо градиентами концентрации, устанавливаемыми транспортируемыми растворенными веществами. Поэтому SLC классифицируются либо как облегченные транспортеры, либо как вторичные активные транспортеры. Как правило, SLC опосредует поступление в мозг основных питательных веществ, таких как глюкоза, аминокислоты, нуклеозиды, монокарбоксилаты, органические анионы и катионы, а также отток некоторых метаболитов. Некоторые лекарства (например, L-ДОФА) также транспортируются в мозг этими транспортерами [7, 16].
Эндоцитоз посредством рецептор-опосредованного трансцитоза — движение молекул и ионов через клеточную мембрану против любого из градиентов (электрохимических, осмотических и т. д.) с использованием энергии АТФ. Рецептор-опосредованный трансцитоз представляет собой класс транспортных систем, которые используют везикулярную транспортную систему эндотелиальных клеток для транспорта субстратов на мозговой стороне барьера. Данный транспорт обычно индуцируется связыванием больших молекул, таких как пептиды и белки, с рецепторами (рецептором инсулина, рецептором трансферрина, рецептором липопротеинов низкой плотности и родственным белком и т. д.), которые в высокой степени экспрессируются на эндотелиальной клеточной мембране. Как правило, питательные вещества, такие как железо, инсулин и лептин, транспортируются в мозг с помощью эндоцитарного события, также известного как трансцитоз [7, 16].