Preview

Хирургия позвоночника

Расширенный поиск

Гематоспинно-мозговой барьер при травме спинного мозга: научный обзор с учетом собственного экспериментального опыта

https://doi.org/10.14531/ss2024.3.25-35

Аннотация

Цель исследования. Анализ механизмов нарушения проницаемости гематоспинно-мозгового барьера после травмы спинного мозга и оценка его влияния на развитие вторичных повреждений, в том числе в областях, отдаленных от эпицентра повреждения.

Материал и методы. Статья представляет собой анализ 45 публикаций, дополненный собственными экспериментальными данными. Поиск статей проведен в научных базах данных PubMed, Scopus и Web of Science по исследуемой теме. Экспериментальные данные получены с использованием конфокальной микроскопии и детекции биолюминесценции на модели контузионной травмы спинного мозга крысы.

Результаты. Рассмотрена проблема дезинтеграции барьера в отдаленной от эпицентра повреждения области. Показано, что травма спинного мозга значительно увеличивает проницаемость гематоспинно-мозгового барьера, что способствует усиленной трансмиграции иммунных клеток и высвобождению цитотоксических молекул. Результаты собственных исследований на модели дозированной контузионной травмы в торакальном отделе спинного мозга крысы иллюстрируют увеличение проницаемости барьера не только в эпицентре повреждения, но и практически по всей длине органа. Это обстоятельство особенно значимо для поясничного отдела спинного мозга, где локализуются нейронные сети, критически важные для поддержания и восстановления двигательной функции.

Заключение. Обсуждены потенциальные причины дистантного нарушения барьера, включая возможное влияние молекул-биомаркеров повреждения, которые из эпицентра травмы поступают в отдаленные области спинного мозга через кровоток или спинно-мозговую жидкость. Освещены перспективность клинического приложения эффективных экспериментальных подходов для сдерживания нарушения и восстановления гематоспинно-мозгового барьера и отсутствие трансляционных исследований в этом направлении.

Об авторах

Юрий Александрович Челышев
Казанский государственный медицинский университет
Россия

д-р мед. наук, проф. кафедры гистологии, цитологии и эмбриологии



Ильяс Муратулы Кабдеш
Казанский (Приволжский) федеральный университет Россия, 420008, Казань, Кремлевская, 18
Россия

канд. биол. наук, научный сотрудник



Яна Олеговна Мухамедшина
Казанский государственный медицинский университет; Казанский (Приволжский) федеральный университет; Республиканская клиническая больница Россия, 420012, Казань, ул. Бутлерова, 49; Россия, 420008, Казань, Кремлевская, 18; Россия, 420064, Казань, Оренбургский тракт, 138
Россия

д-р мед. наук, доцент кафедры гистологии, цитологии и эмбриологии;
ведущий научный сотрудник;
главный научный сотрудник



Список литературы

1. Maikos JT, Shreiber DI. Immediate damage to the blood-spinal cord barrier due to mechanical trauma. J Neurotrauma. 2007;24:492–507. DOI: 10.1089/neu.2006.0149.

2. Whetstone WD, Hsu JYC, Eisenberg M, Werb Z, Noble-Haeusslein LJ. Blood-spinal cord barrier after spinal cord injury: relation to revascularization and wound healing. J Neurosci Res. 2003;74:227–239. DOI: 10.1002/jnr.10759.

3. Chelyshev Y. More attention on segments remote from the primary spinal cord lesion site. Front Biosci (Landmark Ed). 2022;27:235. DOI: 10.31083/j.fbl2708235.

4. Челышев Ю.А. Отдаленное повреждение при травме спинного мозга // Неврологический вестник. 2023. Том LV, № 1. С. 54–64. [Chelyshev YuA. Remote damage after spinal cord injury. Neurol Bull. 2023;LV(1):54–64]. DOI: 10.17816/nb134117.

5. Viscomi MT, Molinari M. Remote neurodegeneration: multiple actors for one play. Mol Neurobiol. 2014;50:368–389. DOI: 10.1007/s12035-013-8629-x.

6. Weishaupt N, Zhang A, Deziel RA, Tasker RA, Whitehead SN. Prefrontal ischemia in the rat leads to secondary damage and inflammation in remote gray and white matter regions. Front Neurosci. 2016;10:81. DOI: 10.3389/fnins.2016.00081.

7. Wilhelm I, Nyul-Toth A, Suciu M, Hermenean A, Krizbai IA. Heterogeneity of the blood-brain barrier. Tissue Barriers. 2016;4:e1143544. DOI: 10.1080/21688370.2016.1143544.

8. Reinhold AK, Rittner HL. Barrier function in the peripheral and central nervous system -a review. Pflugers Arch. 2017;469:123–134. DOI: 10.1007/s00424-016-1920-8.

9. Wilhelm I, Krizbai IA. In vitro models of the blood-brain barrier for the study of drug delivery to the brain. Mol Pharm .2014;11:1949–1963. DOI: 10.1021/mp500046f.

10. Winkler EA, Sengillo JD, Bell RD, Wang J, Zlokovic BV. Blood-spinal cord barrier pericyte reductions contribute to increased capillary permeability. J Cereb Blood Flow Metab. 2012;32:1841–1852. DOI: 10.1038/jcbfm.2012.113.

11. Yao F, Luo Y, Liu YC, Chen YH, Li YT, Hu XY, You XY, Yu SS, Li ZY, Chen L, Tian DS, Zheng MG, Cheng L, Jing JH. Imatinib inhibits pericyte-fibroblast transition and inflammation and promotes axon regeneration by blocking the PDGF-BB/PDGFRβ pathway in spinal cord injury. Inflamm Regen. 2022;42:44. DOI: 10.1186/s41232-022-00223-9.

12. Chopra N, Menounos S, Choi JP, Hansbro PM, Diwan AD, Das A. Blood-spinal cord barrier: its role in spinal disorders and emerging therapeutic strategies. NeuroSci. 2021;3:1–27. DOI: 10.3390/neurosci3010001.

13. Garbuzova-Davis S, Saporta S, Haller E, Kolomey I, Bennett SP, Potter H, Sanberg PR. Evidence of compromised blood-spinal cord barrier in early and late symptomatic SOD1 mice modeling ALS. PLoS One. 2007;2:e1205. DOI: 10.1371/journal.pone.0001205.

14. Bartanusz V, Jezova D, Alajajian B, Digicaylioglu M. The blood-spinal cord barrier: morphology and clinical implications. Ann Neurol. 2011;70:194–206. DOI: 10.1002/ana.22421.

15. Xie C, Wang Y, Wang J, Xu Y, Liu H, Guo J, Zhu L. Perlecan improves blood spinal cord barrier repair through the integrin β1/ROCK/MLC pathway after spinal cord injury. Mol Neurobiol. 2023;60:51–67. DOI: 10.1007/s12035-022-03041-9.

16. Abbott NJ, Ronnback L, Hansson E. Astrocyte-endothelial interactions at the blood-brain barrier. Nat Rev Neurosci. 2006;7:41–53. DOI: 10.1038/nrn1824.

17. Montague-Cardoso K, Malcangio M. Changes in blood-spinal cord barrier permeability and neuroimmune interactions in the underlying mechanisms of chronic pain. Pain Rep. 2021;6:e879. DOI: 10.1097/PR9.0000000000000879.

18. Han S, Arnold SA, Sithu SD, Mahoney ET, Geralds JT, Tran P, Benton RL, Maddie MA, D’Souza SE, Whittemore SR, Hagg T. Rescuing vasculature with intravenous angiopoietin-1 and avß3 integrin peptide is protective after spinal cord injury. Brain. 2010;133:(Pt 4):1026–1042. DOI:10.1093/brain/awq034. Erratum in: Brain. 2011;134(Pt 5):1575.

19. Uchida Y, Yagi Y, Takao M, Takao M, Tano M, Umetsu M, Hirano S, Usui T, Tachikawa M, Terasaki T. Comparison of absolute protein abundances of transporters and receptors among blood-brain barriers at different cerebral regions and the blood-spinal cord barrier in humans and rats. Mol Pharm. 2020;17:2006–2020. DOI: 10.1021/acs.molpharmaceut.0c00178.

20. Jin LY, Li J, Wang KF, Xia WW, Zhu ZQ, Wang CR, Li XF, Liu HY. Blood-spinal cord barrier in spinal cord injury: a review. J Neurotrauma. 2021;38:1203–1224. DOI: 10.1089/neu.2020.7413.

21. Liu LR, Liu JC, Bao JS, Bai QQ, Wang GQ. Interaction of microglia and astrocytes in the neurovascular unit. Front Immunol. 2020;11:1024. DOI: 10.3389/fimmu.2020.01024.

22. Deng L, Lv JQ, Sun L. Experimental treatments to attenuate blood spinal cord barrier rupture in rats with traumatic spinal cord injury: A meta-analysis and systematic review. Front Pharmacol. 2022;13:950368. DOI: 10.3389/fphar.2022.950368.

23. Zhou R, Li J, Chen Z, Wang R, Shen Y, Zhang R, Zhou F, Zhang Y. Pathological hemodynamic changes and leukocyte transmigration disrupt the blood–spinal cord barrier after spinal cord injury. J Neuroinflammation. 2023;20:118. DOI: 10.1186/s12974-023-02787-w.

24. Donnelly DJ, Popovich PG. Inflammation and its role in neuroprotection, axonal regeneration and functional recovery after spinal cord injury. Exp Neurol. 2008;209:378–388. DOI: 10.1016/j.expneurol.2007.06.009.

25. Ng MTL, Stammers AT, Kwon BK. Vascular disruption and the role of angiogenic proteins after spinal cord injury. Transl Stroke Res. 2011;2:474–491. DOI: 10.1007/s12975-011-0109-x.

26. Younis A, Hardowar L, Barker S, Hulse RP. The consequence of endothelial remodelling on the blood spinal cord barrier and nociception. Curr Res Physiol. 2022;5:184–192. DOI: 10.1016/j.crphys.2022.03.005.

27. Block F, Dihne M, Loos M. Inflammation in areas of remote changes following focal brain lesion. Prog Neurobiol. 2005;75:342–365. DOI: 10.1016/j.pneurobio.2005.03.004.

28. Viscomi MT. The plasticity of plasticity: lesson from remote microglia induced by focal central nervous system injury. Neural Regen Res. 2020;15:57–58. DOI: 10.4103/1673-5374.264448.

29. Anjum A, Yazid MD, Daud MF, Idris J, Hwei Ng AMH, Selvi Naicker A, Ismail OHR, Athi Kumar RK, Lokanathan Y. Spinal cord injury: Pathophysiology, multimolecular interactions, and underlying recovery mechanisms. Int J Mol Sci. 2020;21:7533. DOI: 10.3390/ijms21207533.

30. Sharma A, Feng L, Muresanu DF, Tian ZR, Lafuente JV, Buzoianu AD, Nozari A, Wiklund L, Sharma HS. Spinal cord injury induced exacerbation of Alzheimer’s disease like pathophysiology is reduced by topical application of nanowired cerebrolysin with monoclonal antibodies to amyloid beta peptide, p-tau and tumor necrosis factor alpha. Int Rev Neurobiol. 2023;172:3–35. DOI: 10.1016/bs.irn.2023.05.011.

31. Park CS, Lee JY, Choi HY, Ju BG, Youn I, Yune TY. Protocatechuic acid improves functional recovery after spinal cord injury by attenuating blood-spinal cord barrier disruption and hemorrhage in rats. Neurochem Int. 2019;124:181–192. DOI: 10.1016/j.neuint.2019.01.013.

32. Yao Y, Xu J, Yu T, Chen Z, Xiao Z, Wang J, Hu Y, Wu Y, Zhu D. Flufenamic acid inhibits secondary hemorrhage and BSCB disruption after spinal cord injury. Theranostics. 2018;8:4181–4198. DOI: 10.7150/thno.25707.

33. Chen S, Ye J, Chen X, Shi J, Wu W, Lin W, Lin W, Li Y, Fu H, Li S. Valproic acid attenuates traumatic spinal cord injury-induced inflammation via STAT1 and NF-ΚB pathway dependent of HDAC3. J Neuroinflammation. 2018;15:150. DOI: 10.1186/s12974-018-1193-6.

34. Lee JY, Choi HY, Yune TY. Fluoxetine and vitamin C synergistically inhibits blood-spinal cord barrier disruption and improves functional recovery after spinal cord injury. Neuropharmacology. 2016;109:78–87. DOI: 10.1016/j.neuropharm.2016.05.018.

35. Lee JY, Kim HS, Choi HY, Oh TH, Yune TY. Fluoxetine inhibits matrix metalloprotease activation and prevents disruption of blood-spinal cord barrier after spinal cord injury. Brain. 2012;135:2375–2389. DOI: 10.1093/brain/aws171.

36. Wang J, Ji C, Ye W, Rong Y, Ge X, Wang Z, Tang P, Zhou Z, Luo Y, Cai W. Deubiquitinase UCHL1 promotes angiogenesis and blood–spinal cord barrier function recovery after spinal cord injury by stabilizing Sox17. Cell Mol Life Sci. 2024; 81:137. DOI: 10.1007/s00018-024-05186-3.

37. Li J, Wang Q, Cai H, He Z, Wang H, Chen J, Zheng Z, Yin J, Liao Z, Xu H, Xiao J, Gong F. FGF1 improves functional recovery through inducing PRDX1 to regulate autophagy and anti-ROS after spinal cord injury. J Cell Mol Med. 2018; 22:2727–2738. DOI: 10.1111/jcmm.13566.

38. Pena LA, Fuks Z, Kolesnick RN. Radiation-induced apoptosis of endothelial cells in the murine central nervous system: protection by fibroblast growth factor and sphingomyelinase deficiency. Cancer Res. 2000;60:321–327.

39. Zheng B, Ye L, Zhou Y, Zhu S, Wang Q, Shi H, Chen D, Wei X, Wang Z, Li X, Xiao J, Xu H, Zhang H. Epidermal growth factor attenuates blood-spinal cord barrier disruption via PI3K/Akt/Rac1 pathway after acute spinal cord injury. J Cell Mol Med. 2016;20:1062–1075. DOI: 10.1111/jcmm.12761.

40. Matsushita T, Lankford KL, Arroyo EJ, Sasaki M, Neyazi M, Radtke C, Kocsis JD. Diffuse and persistent blood-spinal cord barrier disruption after contusive spinal cord injury rapidly recovers following intravenous infusion of bone marrow mesenchymal stem cells. Exp Neurol. 2015;267:152–164. DOI: 10.1016/j.expneurol.2015.03.001.

41. Joshi HP, Kumar H, Choi UY, Lim YC, Choi H, Kim J, Kyung JW, Sohn S, Kim KT, Kim JK, Han IB. CORM-2-solid lipid nanoparticles maintain integrity of blood-spinal cord barrier after spinal cord injury in rats. Mol Neurobiol. 2020;57:2671–2689. DOI: 10.1007/s12035-020-01914-5.

42. Zheng G, Zheng F, Luo Z, Ma H, Zheng D, Xiang G, Xu C, Zhou Y, Wu Y, Tian N, Wu Y, Zhang T, Ni W, Wang S, Xu H, Zhang X. CO-releasing molecule (CORM)-3 ameliorates spinal cord-blood barrier disruption following injury to the spinal cord. Front Pharmacol. 2020;11:761. DOI: 10.3389/fphar.2020.00761.

43. Guo S, Perets N, Betzer O, Ben-Shaul S, Sheinin A, Michaelevski I, Popovtzer R, Offen D, Levenberg S. Intranasal delivery of mesenchymal stem cell derived exosomes loaded with phosphatase and tensin homolog siRNA repairs complete spinal cord injury. ACS Nano. 2019;13:10015–10028. DOI: 10.1021/acsnano.9b01892.

44. Yuan X, Wu Q, Wang P, Jing Y, Yao H, Tang Y, Li Z, Zhang H, Xiu R. Exosomes derived from pericytes improve microcirculation and protect blood–spinal cord barrier after spinal cord injury in mice. Front Neurosci. 2019;13:319. DOI: 10.3389/fnins.2019.00319.

45. Xin W, Qiang S, Jianing D, Jiaming L, Fangqi L, Bin C, Yuanyuan C, Guowang Z, Jianguang X, Xiaofeng L. Human bone marrow mesenchymal stem cell-derived exosomes attenuate blood-spinal cord barrier disruption via the TIMP2/MMP pathway after acute spinal cord injury. Mol Neurobiol. 2021;58:6490–6504. DOI: 10.1007/s12035-021-02565-w.


Рецензия

Для цитирования:


Челышев Ю.А., Кабдеш И.М., Мухамедшина Я.О. Гематоспинно-мозговой барьер при травме спинного мозга: научный обзор с учетом собственного экспериментального опыта. Хирургия позвоночника. 2024;21(3):25-35. https://doi.org/10.14531/ss2024.3.25-35

For citation:


Chelyshev Yu.A., Kabdesh I.M., Mukhamedshina Ya.O. Blood-spinal cord barrier in spinal cord injury: a scientific review based on own experimental trial. Russian Journal of Spine Surgery (Khirurgiya Pozvonochnika). 2024;21(3):25-35. https://doi.org/10.14531/ss2024.3.25-35



Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 1810-8997 (Print)
ISSN 2313-1497 (Online)