Tossicologia

MICROGLIA

ASTROCITA OLIGODENDROCITI

CELLULE

EPENDIMALI

La barriera ematoencefalica

12.2

Il sistema nervoso confina con il resto dell’organismo per mezzo di una serie di barriere, la più importante

delle quali è la barriera ematoencefalica (BEE), che si sviluppa tra il sistema vascolare all’interno del tessuto

cerebrale e il tessuto nervoso stesso. La barriera ematoencefalica è una struttura molto complessa in quanto

costituita da molte popolazioni cellulari, troviamo infatti cellule endoteliali, periciti, astrociti, cellule nervose

e microglia. Una seconda barriera è la barriera ematoliquorale (BEL), che si sviluppa tra il sistema vascolare

e liquido cefalorachidiano nei plessi coroidei. Essa è costituita da cellule epiteliali unite da tight junction nella

parte apicale delle cellule. Le meningi sono considerate una terza barriera in quanto presentano delle tight

junction, esse sono organizzate nella parte periferica dell’encefalo e avvolgono tutto il SNC. Questa terza

barriera è presente solo durante il periodo fetale tra i ventricoli e il tessuto nervoso. Essa viene mantenuta

anche nell’adulto ma non ha più le caratteristiche di barriera perché perde le giunzioni strette che sono

presenti solo nel periodo fetale. Una quarta barriera cerebrale è poi quella presente, sempre nel feto, tra il

tessuto nervoso e il liquido cefalorachidiano, detta neuroependima.

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Osservando più nel dettaglio la barriera ematoencefalica osserviamo che questa struttura è così organizzata

per fa sì che qualunque sostanza giunga dal sangue al SNC debba attraversare una serie di cellule, e quindi

un susseguirsi di strati, prima di entrare in contatto con il cervello. Come già accennato essa è costituita da

elementi cellulari diversi tra cui troviamo endotelio e astrociti (podociti), che avvolgono i vasi sanguigni e le

giunzioni strette. Il trasporto delle sostanze attraverso questa barriera è strettamente controllato e dipende

dalle caratteristiche chimiche della molecola. Le molecole lipofile saranno favorite al passaggio rispetto alle

molecole idrofile, anche se ciò non è sempre vero perché alcune sostanze idrofile ma estremamente piccole

riescono ad arrivare al cervello (grazie ad un trasportatore). La struttura così compatta della BEE che abbiamo

osservato è caratteristica del SNC e non di quello periferico, anche se in esso sono presenti alcuni componenti

simili che però risultano essere più distanti fra loro e non uniti da giunzioni strette. Questo perché a livello

periferico è necessario garantire e favorire il passaggio delle sostanze verso gli organi. A livello del SNC la BEE

è invece così restrittiva perché esso è estremamente delicato e controlla funzioni vitali per l’organismo. Il

SNC è così delicato in quanto i neuroni non si replicano e quindi a seguito di un danno c’è sempre una perdita

neuronale, che senza un riparo aumenterà la vulnerabilità dell’organo.

Delle nuove pubblicazioni si evince che la barriera ematoencefalica si sviluppa in tre fasi, un’angiogenesi, una

differenziazione e una maturazione degli elementi cellulari. L’angiogenesi nell’embrione avviene molto

presto, tra la seconda e la terza settimana di gestazione. Essa prevede il raggiungimento dei vasi sanguigni

che dà origine al tessuto nervoso, già nella fase della strutturazione e differenziazione del tubo neurale. Ad

essa segue la differenziazione dei componenti cellulari della barriera ematoencefalica. Infine si osserva la

maturazione di questi elementi cellulari nella complessità dei contatti che prenderanno. Da dati recenti si

evince inoltre che la BEE è formata e completamente funzionante già durante il periodo gestazionale, risulta

infatti completa al terzo trimestre, quindi prima della nascita del bambino.

» Trasportatori della barriera ematoencefalica

A livello della barriera ematoencefalica sono presenti diversi i trasportatori deputati al trasporto di sostanze

che risultano essere necessarie per la fisiologia e la strutturazione cerebrale. Al cervello, ad esempio, deve

giungere il glucosio, che è essenziale per il funzionamento e per l’attività neuronale, gli amminoacidi e diversi

ormoni quali leptina e insulina. Questi stessi trasportatori possono però essere sfruttati anche da una serie

di xenobiotici e sostanze che esercitano una certa tossicità. Tra le sostanze tossiche che attraversano la BEE

grazie ai trasportatori troviamo erbicidi (acido 2,4-diclorofenossiacetico), farmaci (aspirina e alcuni antibiotici

149

e ibuprofene), intermedi sintetici (tetraetilammonio) che sfruttano i trasportatori di piccoli anioni organici e

alcuni metalli pesanti (piombo) che possono sfruttare il trasportatore degli amminoacidi. I trasportatori sono

importanti per capire la diversa permeabilità della BEE nell’embrione e nel feto rispetto all’adulto. La BEE del

feto è infatti maggiormente permeabile in quanto presenta una maggiore efficienza di trasporto da parte di

questi trasportatori. Questa diversa fisiologia ha una sua logica, un organismo in via di sviluppo ha infatti una

maggiore necessità di elementi rispetto al SNC già sviluppato di un adulto, ma espone maggiormente il feto

alle neurotossine. Una seconda possibilità di penetrazione delle sostanze tossiche nella BEE si può basare su

un danno delle strutture della barriera che allentano le giunzioni strette. Questo meccanismo è sfruttato dal

piombo e dal cadmio che sfruttano danni della BEE per entrare nel cervello dell’adulto e del feto.

» Impermeabilità della barriera ematoencefalica

L’impermeabilità della BEE, oltre che dalla presenza di giunzioni strette e trasportatori specifici, è garantita

da un suo metabolismo specifico. A livello della barriera ematoencefalica sono infatti messe in atto una serie

di reazioni di ossoriduzione, idrolisi, alchilazione... che rendono più idrofile le sostanze e si oppongono quindi

alla penetrazione della barriera. Possono avvenire anche reazioni di glucuronidazione mediate dall’UDP-

glucoroniltransferasi, che contribuiscono a rendere le molecole ancora più idrofile. Ci sono anche reazioni di

detossificazione come quelle mediate dell’epossido idrolasi.

Enzima Reazioni

Citocromo P450 Idrolisi e dealchilazioni

Epossido idrolasi Eliminazione degli epossidi

Coniugazione con acido

UDP-glucuroniltransferasi glucuronico

L’impermeabilità è garantita, non solo dal metabolismo, ma anche dall’eliminazione dei metaboliti da esso

derivanti. Questi metaboliti vengono eliminati dalle cellule endoteliali e immessi nel circolo sanguigno grazie

a trasportatori quali il multidrug e la glicoproteina P. Questo è un altro punto che è indagato per spiegare la

minore restrizione dalla BEE nel periodo dello sviluppo. Si suppone infatti che nel periodo embrionale e fetale

ci sia una minor espressione dei trasportatori di efflusso degli xenobiotici a livello delle cellule endoteliali.

Allo stesso modo si ipotizza che l’efficienza metabolica nel periodo dello sviluppo sia inferiore, questo quindi,

insieme alla minor espressione dei trasportatori di efflusso e alla maggiore efficienza dei trasportatori per i

nutrienti, favorirebbe un più facile passaggio attraverso la BEE in età embrio fetale.

150

La BEE è quindi un ottimo sistema di protezione del SNC, anche se esistono alcune sostanze che la riescono

a passare. Un esempio è rappresentato dalla MPTP (1-metil-4-fenil-1,2,3,6-tetraidropiridina), un prodotto di

scarto della sintesi della piridina usato come droga di abuso negli anni ’70. Negli utilizzatori di questa droga,

qualche anno dopo l’assunzione, si verificava una sindrome simile al Parkinson. Questa molecola infatti sa

passare la BEE in quanto non presenta cariche e una volta arrivata al SNC viene ossidato dalle MAO-B delle

+

cellule gliali. Il metabolismo determina quindi la formazione di una forma ionica MPP che non è più in grado

+

di attraversare la BEE, e rimane quindi intrappolata nel SNC. La MPP strutturalmente è simile alla dopamina

e viene quindi riconosciuta dai recettori dopaminergici che la introducono nei neuroni dopaminergici, che

+

risultano quindi sensibili ed esposti. Gli effetti della MPP sono un disaccoppiamento a livello dei citocromi

che blocca la fosforilazione ossidativa, più precisamente il complesso I. Bloccando questa via si vengono a

formare delle specie reattive dell’ossigeno e si blocca la sintesi di ATP. Tutto ciò porta la morte dei neuroni

+

dopaminergici, proprio come avviene anche nel Parkinson. La MPP inoltre viene caricata all’interno delle

vescicole al posto della dopamina instaurando un depauperamento del neurotrasmettitore stesso.

Manifestazioni neurotossiche

12.3

Come abbiamo già potuto capire, per la manifestazione di un evento neurotossico, è necessario che la tossina

raggiunga il sistema nervoso, e quindi che attraversi la barriera ematoencefalica. Successivamente essa deve

interagire con bersagli cellulari che devono essere rilevanti per il sistema nervoso centrale, come i recettori

dei neurotrasmettitori. La manifestazione neurotossica può poi essere di diversa entità in base alla funzione

cerebrale che viene interessata. Se viene coinvolta la funzione sensoriale si avrà infatti parestesia, deficit

visivo e allucinazioni, se viene coinvolta la funzione motoria si avrà debolezza, paralisi, affaticamento

muscolare, tremori, convulsioni e iperattività, se viene coinvolto l’umore e la personalità si avrà irritabilità,

agitazione, euforia, psicosi, apatia, letargia e depressione, se vengono coinvolte le funzioni cognitive e

associative si avranno disturbi della memoria e confusione e se viene coinvolta la funzione omeostatica si

avrà ipo e ipertermia, alterazioni dell’appetito, del peso corporeo e dei ritmi circadiani.

Oltre a questa sintomatologia esteriore, a livello anatomopatologico, la manifestazione neurotossica si può

manifestare con diversi disordini, tra i quali possiamo trovare:

- Neuropatia, ovvero la degenerazione di tutta la cellula nervosa, essa è un danno irreversibile che si

ha in condizioni gravi, è un danno sia funzionale che neurologico.

151

- Assonopatia, ovvero la degenerazione di una singola porzione del neurone e in particolare l’assone

e la sinapsi (la parte metabolicamente attiva rimane funzionante). In questo caso il danno può anche

essere reversibile se non è troppo grave, visto che il pirenoforo funziona ancora.

- Tossicità funzionale, un danno che non cambia la struttura del neurone ma ne altra la funzionalità,

un esempio sono le alterazioni della neurotrasmissione del potenziale di membrana.

- Mielopatia, ovvero u