Molecular mechanisms of molecular transfer across the blood-brain barrier as a target for pharmacological action. Part 1. Structure, function and pathology of the BBB

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Biological barriers play a key role in maintaining the integrity and functioning of the body at all levels of its organization. The barrier function at the cellular level is based on the hydrophobic properties of the cytoplasmic membrane, which provide selective permeability for various substances, depending on their chemical properties. At higher levels of organization, from tissue to organism, the barrier function is based on intercellular protein complexes of the plasma membrane, which form paracellular diffusion barriers and separate internal and external fluid media, which is a necessary condition for the development and functioning of each organ. The blood-brain barrier (BBB) plays an important role in maintaining the function of the brain. The review reflects the main stages in the embryonic development of the BBB, as well as presents current data on the morphological and functional features of the organization of the BBB, including molecular mechanisms that mediate the barrier function due to the complex participation of vascular cells of cerebral microvessels, as well as gene expression of enzyme complexes, active and passive substance transport mechanisms through the BBB. The high transport selectivity of the BBB is an urgent problem for the delivery of drugs to the brain. At the same time, it is equally important to improve the principles of pharmacotherapy for the correction of impaired BBB functions in various types of pathology of the nervous and other body systems. This review aims to convey to the developers of modern targeted drugs new information about the molecular genetic mechanisms of the transport of substances through the BBB, as well as to draw the attention of specialists in the field of precision medicine to the problem of violations of the barrier function of cerebral vessels in neurological and other diseases of a modern person.

About the authors

Alexander N. Trofimov

Saint Petersburg Chemical and Pharmaceutical University of the Ministry of Health of the Russian Federation; Institute of Experimental Medicine

Author for correspondence.
Email: alexander.n.trofimov@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-6745-6035
SPIN-code: 4935-0744

Ph.D. in Biological Sciences, Senior Researcher at the I.P. Pavlov Department of Physiology, Associate Professor at the Department of Physiology and Pathology

Russian Federation, Saint Petersburg; Saint Petersburg

Mariya V. Litvinova

Saint Petersburg Chemical and Pharmaceutical University of the Ministry of Health of the Russian Federation; Institute of Experimental Medicine

Email: litvinova.mariya@pharminnotech.com
ORCID iD: 0000-0002-2924-7475

Postgraduate Student at the S. V. Anichkov Department of Neuropharmacology; Laboratory Assistant at the Department of Physiology and Pathology

Russian Federation, Saint Petersburg; Saint Petersburg

Alexander P. Schwarz

I. M. Sechenov Institute of Evolutionary Physiology and Biochemistry of the Russian Academy of Sciences

Email: aleksandr.pavlovich.schwarz@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-2707-1397
SPIN-code: 5017-0779

Ph.D. in Biological Sciences, Researcher at the Laboratory of Molecular Mechanisms of Neural Interactions

Russian Federation, Saint Petersburg

Vera V. Kosheverova

Institute of Cytology of the Russian Academy of Sciences

Email: vera77867@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-9221-9362
SPIN-code: 4821-9340

Ph.D. in Biological Sciences, Researcher at the Laboratory of Intracellular Membrane Dynamics

Russian Federation, Saint Petersburg

Andrei A. Lebedev

Institute of Experimental Medicine

Email: aalebedev-iem@rambler.ru
ORCID iD: 0000-0003-0297-0425
SPIN-code: 4998-5204

Doctor of Biological Sciences, Professor, Head of the Laboratory of General Pharmacology, S. V. Anichkov Department of Neuropharmacology

Russian Federation, Saint Petersburg

Nikolai A. Arseniev

Saint Petersburg Chemical and Pharmaceutical University of the Ministry of Health of the Russian Federation

Email: nikolay.arseniev@pharminnotech.com
SPIN-code: 9038-7623

Ph.D. in Biological Sciences, Associate Professor at the Department of Physiology and Pathology

Russian Federation, Saint Petersburg

Alexander I. Tyukavin

Saint Petersburg Chemical and Pharmaceutical University of the Ministry of Health of the Russian Federation

Email: atuykavin@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-5129-4414
SPIN-code: 8476-5366
Scopus Author ID: 6603645369
ResearcherId: V-6699-2017

Doctor of Medical Sciences, Professor, Head of the Department of Physiology and Pathology

Russian Federation, Saint Petersburg

References

  1. Maryanovich A. T, Andreevskaya M. V. Blood-brain barrier: protective function. Russian biomedical research. 2020;5(2):42-48. (In Russ.).
  2. Wardlaw J., Duplaà C., Dabertrand F., et al. Vascular hypotheses for understanding and restoring memory impairments. FENS Forum; July 2022; France; Paris.
  3. Neuwelt E. A. Mechanisms of disease: the blood-brain barrier. Neurosurgery. 2004;54(1):131-142. https://doi.org/10.1227/01.neu.0000097715.11966.8e.
  4. Kugler E. C., Greenwood J., MacDonald R. B. The "Neuro-Glial-Vascular" Unit: The Role of Glia in Neurovascular Unit Formation and Dysfunction. Front Cell Dev Biol. 2021;9:732820. https://doi.org/10.3389/fcell.2021.732820.
  5. Liebner S., Dijkhuizen R. M., Reiss Y., et al. Functional morphology of the blood-brain barrier in health and disease. Acta Neuropathol. 2018;135(3):311-336. https://doi.org/10.1007/s00401-018-1815-1.
  6. Ahn S. I., Kim Y. Human Blood-Brain Barrier on a Chip: Featuring Unique Multicellular Cooperation in Pathophysiology. Trends Biotechnol. 2021;39(8):749-752. https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2021.01.010.
  7. Yuan M., Wang Y., Wang S., et al. Bioenergetic Impairment in the Neuro-Glia-Vascular Unit: An Emerging Physiopathology during Aging. Aging Dis. 2021;12(8):2080-2095. https://doi.org/10.14336/AD.2021.04017.
  8. Neumaier F., Zlatopolskiy B. D., Neumaier B. Drug Penetration into the Central Nervous System: Pharmacokinetic Concepts and In Vitro Model Systems. Pharmaceutics. 2021;13(10):1542. https://doi.org/10.3390/pharmaceutics13101542.
  9. Menaceur C., Gosselet F., Fenart L., et al. The Blood-Brain Barrier, an Evolving Concept Based on Technological Advances and Cell-Cell Communications. Cells. 2021;11(1):133. https://doi.org/10.3390/cells11010133.
  10. Ayloo S., Gu C. Transcytosis at the blood-brain barrier. Curr Opin Neurobiol. 2019;57:32-38. https://doi.org/10.1016/j.conb.2018.12.014.
  11. de Lange E. C. M, Hammarlund Udenaes M. Understanding the Blood-Brain Barrier and Beyond: Challenges and Opportunities for Novel CNS Therapeutics. Clin Pharmacol Ther. 2022;111(4):758-773. https://doi.org/10.1002/cpt.2545.
  12. Abbott N. J., Patabendige A. A., Dolman D. E., et al. Structure and function of the blood-brain barrier. Neurobiol Dis. 2010;37(1):13-25. https://doi.org/10.1016/j.nbd.2009.07.030.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. Main components of the blood-brain barrier (BBB) (adapted from [6])

Download (166KB)
3. Fig. 2. Simplified scheme of intercellular contacts providing integrity and barrier function of the endothelium (adapted from [8]). АК – adherens junction; БМ – basal membrane; ПК – tight junction; ЭЦ – endotheliocyte; ZO – Zonula occludens proteins

Download (63KB)
4. Fig. 3. Simplified scheme of the main types of transcellular transport (adapted from [8])

Download (73KB)

Copyright (c) 2022 Eco-Vector

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
 


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».