CIRCULACIRCULAŢŢIA IA ŞŞI I METABOLISMUL CEREBRALMETABOLISMUL CEREBRAL

azagrean@univermed-cdgm.roAna-Maria Zăgrean,

Laborator Neuroştiinţe, Catedra Fiziologie, UMF “Carol Davila” Bucureşti

Premise• Oxigenul, ingredientul din aer fără de care nu

putem supravieţui

• Substratul oxidabil, consumat pentru producerea de energie

• Energie – viabilitate celulară

• Oxigenul şi substratul oxidabil depind de perfuzia sanguină

De ce avem nevoie de oxigen?• Suntem aclimatizaţi la paO2 a atmosferei în care trăim:

O2 O2 O2

• Metabolism aerob :95% din ATP-ul cerebral este derivat din fosforilarea oxidativă cerebrală

• Nu există practic rezerve energetice cerebrale• Oprirea fluxului sanguin cerebral:

- pierderea stării de conştienţă în 10-20 sec- modificări ireversibile cerebrale în 3-5 min

De când “ştim” că avem nevoie de oxigenul din aer?

• 1660 Robert Boyle: deprivarea de aer duce la moartea animalului John Mayow: 1/5 din aerul ventilat este folosit pentru combustie

• 1772Joseph Priestley şi Carl Scheele: izolarea unui gaz în care şoarecii pot supravieţui mai multAntoine Lavoisier denumeşte acest gaz oxigen şi îi intuieşte semnificaţia fiziologică

• 1878Paul Bert: hipoxemia cauzează “rău de înălţime” şi oxigenul este toxic la presiuni crescute

Ions in the brain, George Somjen, 2004

CREIERUL= unul din organele cele mai active metabolic

38-48 mmoli ATP/min

doardoar 2%2% din greutatea corpului din greutatea corpului ddebit sanguin: ebit sanguin: 15%15% din debitul cardiacdin debitul cardiaccconsum de Oonsum de O22: : 20%20% din consumul total de 250 ml Odin consumul total de 250 ml O22/min/mincconsum de glucozonsum de glucozăă: : 25%25% din consumul totaldin consumul total

250 cal/min

1275 cal/min

ATP ATP $$3,5 ml O2/100g/min~ constant în stări de veghe sau

somn

O2 utilizat preferenţial pentru oxidarea glucozei

1. Menţinerea gradientelor ionice şi a potenţialului membranar de repaus = menţinerea excitabilităţii.

2. Sinteza de noi molecule 2. Sinteza de noi molecule cu rol structural sau cu rol structural sau funcfuncţţionalional

perfuzie perfuzie sanguinsanguinăă

metabolism metabolism cerebralcerebral

OO22, glucoz, glucozăă

CCuplareauplarea metabolismuluimetabolismului neuronalneuronalcu cu fluxulfluxul sanguin cerebralsanguin cerebral

Cuplarea metabolismului neuronalcu fluxul sanguin cerebral

- metabolismuluimetabolismului → conc. interstiţiale a H+, CO2, K+

adenozinei- PaO2 < 50 mmHg ( pH perivascular, adenozinei)

relaxarea muşchiului neted vascular extracţiei de O2

rezistenţei vasculare cerebrale disponibilului de O2

perfuziei sanguineperfuziei sanguine

Corelarea nivelului hipoxic cu disfuncţii ale SNC

Altitudine (m) O2 (%) PaO2 (mm Hg) Status neurologicNivelul mării 21 90 Normal1.500 17 80 Afectarea vederii nocturne2.500-3.000 15–14 55–45 Afectarea memoriei de scurtă

durată şi a proces. de învăţare4.500-6.000 11–9 40–30 Lipsă de discernământ,

euforie, obnubilare>6.000 <9 <25 Comă

La PaO2 = 25-40 mmHg, creşte FSC de până la 2x

< 20 mmHg, scade FSC

Ce consumă creierul?

• GLUCOZĂ• surse alternative...

Creierul este dependent de glucoză

GLUCOZA:GLUCOZA:

- metabolizare aerobă obligatorieobligatorie pentru menţinerea funcţiilor cerebrale

- utilizată pentru: producere de ATP (38 ATP/molec. de G)sinteză de aminoacizi, proteine, lipide şi glicogen

neurotransm. (glutamat, aspartat, GABA, Ach)

- utilizarea rapidă a glucozei din sânge (25% din consumul total de G)

- captare în exces cu 7% faţă de necesarul energetic, depozitare foarte scăzută sub formă de glicogen

- [G]i ~ 0

Transportori ai glucozei la nivel cerebral

Transport facilitat al glucozei, mediat de transportori specifici:

GLUT1 – GLUT7

În creier: GLUT1, 3 şi 5

BHE, astrocite, neuroni: GLUT1

Neuroni: GLUT3

Microglii: GLUT5

CCăăi prefereni preferenţţiale iale de metabolizare a glucozei de metabolizare a glucozei îîn creiern creier

• Glucoză – Glucoză-6-fosfat

1. Glicoliza = calea preferenţială în creier→ ciclul acizilor tricarboxilici

2. Calea pentozo-fosfaţilor

3. Glicogeneza

• În mică măsură are loc metabolizarea glucozei şi prin gluconeogeneză

Suferinţa hipoglicemică cerebrală

• Hipoglicemia → creştere tranzitorie & susţinută a concentraţiilor extracelulare ale glutamatului, GABA şidopaminei

• Utilizarea aminoacizilor (glutamat şi glutamină) ca substraturi energetice alternative

→ “insuficienţă a neurotransmisiei” glutamatergice, acetilcolinergice sau GABA-ergice însoţită de apariţia undelor lente pe EEG

MEC: substraturi alternative la glucoză

• Corpi cetonici (acetoacetat, β-hidroxibutirat)

• Acizi graşi

• Aminoacizi (disponibilitate scăzută)

• Lactat şi piruvat (în cond. de activitate neuronală crescută)

Utilizarea cerebrală a corpilor cetonici

• Corpii cetonici: - substrat normal utilizat la NN şi sugari (30-70% din MEC)- “substrat de supravieţuire” în absenţa glucozei, în condiţii de cetonemie, la adulţi

• Utilizarea corpilor cetonici decurge cu un consum > de O2 la o rată dependentă de disponibilitatea lor sistemică

Rezerve energetice cerebrale

• ATP: 3 µmoli/g în absenţa glucozei, ATP se consumă în 66 sec... prin regenerarea din 2 ADP, ATP se consumă în 99 sec...

• Fosfocreatinina (PCr): 3-5 µmoli/gformă labilă de depozitare a energieila pH fiziologic funcţionează ca regenerator al ATP-ului

PCr + ADP + H+ → creatinină + ATP⇒ consumul ATP în 20 20 sec...

• Glucoza şi glicogenul ...

Procese consumatoare de energie în SNC

• Menţinerea gradientelor electrochimice transmembranare şi a potenţialului membranar prin transportul ionic activ (50% din consumul energetic este utilizat de pompe: Na+/K+-ATPaza, pompa de Ca2+)

• Sinteza de neurotransmiţători şi macromolecule • Activitatea sinaptică şi recaptarea neurotransmiţătorilor• Transportul axonal• Menţinerea integrităţii structurale, celulare şi tisulare• …

Sinteza cerebralSinteza cerebrală ă a glutamatului a glutamatului şşi aspartatuluii aspartatuluiGlutamatul şi aspartatul: - nu trec BHE- sintetizaţi cerebral din glucoză şi alţi precursori- sinteză şi metabolizare: în astrocite şi neuroni

α-KGDH = α-ketoglutarat-dehidrogenazăGAD = decarboxilaza ac. glutamic

Metabolismul glutamatului

A

Transportori ai glutamatului:

EAAC1 – transportor pentru AAE

GLT-1 – transportor al glutamatului

GLAST – transportor al glutamatului şi aspartatului

1 - transaminază

2 - glutamin sintetază

3 - glutaminază

Neurotransmisia glutamatergică: corelaţii neuron - astroglie

Rolul astrocitelor în metabolismul cerebral

• Astrocitele perivasculare: rol în fluxul de substrat energetic către neuroni

• Astrocitele perisinaptice: tampon pentru K+, H+

recaptare neurotransmiţători• Rezerve de glicogen (conţin glicogen-sintetază)• Număr scăzut de mitocondrii, rezistenţă mai bună la

hipoxie/ischemie• ...

Contribuţia astrocitară la metabolismul cerebral al glucozei

• rata bazală de utilizare a glucozei (determinare PET, cu 2-DG radioacticvă)în astrocite: 10-20 nmol/mg/min în neuroni: 6 nmol/mg/min

• numărul mai mare al astrocitelor comparativ cu cel al neuronilor

• creştere semnificativă a metabolizării G în astrocite în timpul activităţii neuronale

Astrocitele asigurAstrocitele asigură ă substratul energetic necesar substratul energetic necesar neuronilor, neuronilor, îîn funcn funcţţie de starea de activitateie de starea de activitate

Activitatea neuronală

recapt. astrocitară a glutamat

[Na+]i

activarea Na+, K+-ATPazei

[ATP]i astrocitar

(+) activitatea fosfofructokinazei

rata captării şi a metabolizăriiglucozei la nivel astrocitar

Intermediari metabolici eliberaIntermediari metabolici eliberaţţi de astrocitei de astrocite

• Lactat:- sistem de transport specific,saturabil, prin membrana neuronală- 18 molec ATP/1 molec piruvat

• Piruvat• α-ketoglutarat• Citrat malat

Rolul astrocitelor Rolul astrocitelor îîn metabolismul glicogenului n metabolismul glicogenului

• Glicogenul - „tampon metabolic” în timpul activităţilor fiziologice cerebrale.

• Rata de consum/reînnoire a glicogenului cerebral este foarte rapidă, dependentă de activitatea sinaptică.

• Glicogenoliza în ariile cerebrale activate este declanşată prin acţiunea receptor-mediată a unor neurotransmiţători:

monoaminele (noradrenalină, serotonină, histamină), peptide (VIP - vasoactive intestinal peptide, PACAP –pituitary adenylate cyclase activating peptide), adenozina

CIRCULAŢIA CEREBRALĂ

• Aport sanguin cerebral:- artere carotidiene- sistem vertebrobazilar

• Flux sanguin cerebral = 750 - 1000 ml/min

• Capacitatea complexă de adaptare a circulaţiei cerebrale:- anatomic, prin prezenţa multiplelor vase colaterale de comunicare şi a unor modele de organizare regională a distribuţiei microvascularizaţiei cerebrale- funcţional, prin modularea fină a perfuziei sanguine în funcţie de rata metabolică cerebrală

ORGANIZAREA MACROSCOPICĂ A CIRCULAŢIEI CEREBRALE ARTERIALE

POLIGONUL WILLIS

RAMURI PRINCIPALE CORTICALE ŞI RELAŢIILE LOR SPAŢIALE

SSA - spaţiu subarahnoidian, A - artere, P - pia mater, SSP - spaţiu subpial, C - creier

UNITATEA NEURO-VASCULARĂ

CĂI DE COMUNICARE ÎNTRE SNC ŞI CIRCULAŢIA SISTEMICĂ

capilar sanguin din organele circumventriculare (absenţa BHE, transport neuropeptide)

SÂNGE ARTERIALCEREBRAL ŞI SPINAL

INTERSTIŢIU CEREBRAL

capilar cerebral: barieră hematoencefalică (BHE)

capilar coroidian: barieră hematolichidiană (BHL)

LCR ependim

COMPARTIMENT INTRACELULARAL CREIERULUI:

neuroni neuroglie

CAPILARELE CEREBRALE

• formează o reţea anastomotică 3D

• distanţa intercapilară variază cu cererea locală de oxigen, funcţie de numărul de neuroni şi de densitatea sinaptică

• de 3x mai > în cortexul cerebral decât în substanţa albă

• sunt “sediul” barierei hematoencefalice

BARIERA HEMATOENCEFALICĂ (BHE) ISTORIC

• 1885: Paul Ehrlich – inj. i.v. a coloranţilor vitali marchează toate organele, nu şi creierul

• 1901: Edwin Goldmann – adm. albastru trypan direct în LCR colorarea exclusivă a creierului şi a măduvei spinăriiBHE şi BHL limitează bidirecţional transportul

compuşilor polari

• 1950: ME dezvăluie ultrastructura microvascularizaţiei cerebrale şi a plexurilor coroide.

CE ESTE BHE ?

• Endoteliul capilarului cerebral

• Interfaţă între ţesutul nervos şi sânge

• Barieră selectivă, bidirecţională integritatea BHE este esenţială pentru menţinerea homeostaziei SNC

ALTE CAPILARE CEREBRALE,ÎN AFARA BHE

• Bariera hemato-lichidiană (BHL), mai permisivă comparativ cu BHE: - comunicare sânge - lichid cefalorahidian (LCR) - mediu intracerebral- la nivelul capilarului plexurilor coroide, sediul şi locul de formare a 70% din LCR.

• Capilare fenestrate: organe circumventriculare (organ subfornical, organul vascular al laminei terminale, eminenţa mediană, lobul posterior al pituitarei, glanda pineală, organul subcomisural, area postrema)

- importanţă funcţională: semnalizare bidirecţională SNC ↔ circulaţie sistemică

CAPILARUL CEREBRAL AL BHE

- “Grosimea” peretelui capilar: 0,3 µm - Procesele astrocitare acoperă 99% din membrana bazală.

Particularităţi BHE1. absenţa FENESTRAŢIILOR 2. COMPLEXE JONCŢIONALE: Joncţiuni strânse (zonula occludens) & Joncţiuni aderente3. număr scăzut de VEZICULE DE PINOCITOZĂ 4. prezenţa SISTEMELOR DE TRANSPORT specializate, saturabile, stereospecifice (ex. transportul selectiv alD–hexozelor şi L- aminoacizilor)5. distribuţie asimetrică a structurilor proteice membranare şi a sistemelor de transport ionic → POLARIZAREA MEMBRANEI celulelor endoteliale 6. număr crescut de MITOCONDRII7. nivel crescut al enzimelor intracelulare care formează o BARIERĂ ENZIMATICĂ: γ-glutamil transpeptidaza,decarboxilaza L-aminoacizilor aromatici,pseudocolinesteraza → metab subst. plasmatice şi cerebrale8. prezenţa PERICITELOR, celule perivasculare cu rol fagocitic

COMPLEXELE JONCŢIONALE ALE BHETipuri:1. Ocluzive, strânse

proteine asociate: ZO-1, ZO-2, cingulin, 7H6 antigen, occludina (prot. reglatoare a cărei

prezenţă creşte rezist. el. a joncţiunii) 2. Adherens

cadherine (E,P,N)catenine α, β, γ (intracitoplasmatic)

Roluri:creşte rezistenţa electrică transendotelială (1.500 ohmxcm2)

permeabilitate scăzută la compuşii ionici menţine pasajul paracelular al moleculelor de o

parte şi de alta a BHE la un nivel extrem de redus

BARIERA HEMATOLICHIDIANĂ (BHL)Plexurile coroide sunt componenta principală a BHL şi principala cale de acces a substanţelor hidrofile din sânge spre creier.

LCRLCRformat: 70% la nivelul plexurilor coroideformat: 70% la nivelul plexurilor coroide

30% transependimar & prin spa30% transependimar & prin spaţţiile Virchowiile Virchow--RobinRobin0,3 0,3 -- 0,4 ml/min (500 0,4 ml/min (500 –– 600 ml/zi)600 ml/zi)volum total: 140 mlvolum total: 140 mlroluri principale:roluri principale:

menmenţţinerea homeostaziei cerebrale inerea homeostaziei cerebrale asigurasigură ă amortizarea mecanicamortizarea mecanică ă transportul neurohormonilor din LCR transportul neurohormonilor din LCR îîn sângen sânge

CIRCULAŢIA CEREBRALĂ: PARAMETRII

• Debitul sanguin cerebral (DSC) DSC la om 50–55 ml/100 g/min, 700–770 ml/minDSC cortical: 80 ml/100 g/min; DSC substanţă albă: 20 ml/100 g/min

• Volumul sanguin cerebral (VSC) = capacitatea patului vascular cerebral; 100 ml; permite reînnoirea sângelui cerebral de 8-11/ min

• Presiunea de perfuzie cerebralã (PPC): forţa de propulsie a sângelui în patul vascular cerebral = diferenţa dintre presiunea arterialã medie şi presiunea venoasã

intracranianã (pvi = 5–10 mmHg) ~ 80 – 100 mmHg

• Rezistenţa vascularã cerebralã (RVC)= suma factorilor care se opun trecerii fluxului sanguin prin patul

vascular: presiunea intracerebrală, vâscozitatea sângelui, tonusulvaselor cerebrale, calibrul vaselor cerebrale

REGLAREA CIRCULAŢIEI CEREBRALE

• reglarea circulaţiei cerebrale - sistemic & local

- nervos şi umoral

• particularităţi:

intervenţia promptã şi adecvatã a factorilor locali de control, în relaţie cu dependenţa critică a creieruluifaţă de supleerea cu O2 şi glucoză

CONTROLUL NERVOS AL CIRCULAŢIEI CEREBRALE

La nivel sistemic, prin reglarea TA:• centri reflecşi cardio-vasculari bulbo-pontini• controlul circulaţiei cerebrale prin modularea TA la valori

care sã asigure un gradient presional adecvat în vaselecerebrale (p.a. medie în limitele autoreglãrii circulaţieicerebrale = 60–140 mmHg la normotensivi)

La nivel local, prin inervaţia vaselor cerebrale de către:• fibre nervoase simpatice• fibre nervoase parasimpatice• fibre nervoase senzitive• posibil de fibre ce provin din căi nervoase centrale:

mediaţie posibilă: neuropeptide (NPY, VIP, SP şi CGRP), NO, etc.

Inervaţia aa. cerebrale de către sistemul nervos autonom(simpatic & parasimpatic) şi de către nervii senzitivi. Endoteliul poate produce oxid nitric (NO), endotelină (ET), EDHF(endothelium derived relaxing factor), care pot influenţa tonusul vascular.

Nervi perivasculari ai arterelor cerebrale la om. Ramuri ale arterei comunicante posterioare: imunohistochimie

pentru (a) NPY, (b) VIP, (c) SP şi (d) CGRP.

Inervaţia simpatică• Originea fibrelor simpatice: ggl. cervical superior

• Distribuţia şi funcţia terminaţiilor nervoase simpaticescade odată cu diminuarea calibrului vascular.

• Receptorii adrenergici din muşchiul neted al vaselorcerebrale de rezistenţă au o densitate mai mică şi suntmai puţin sensibili la stimulare, comparativ cu receptoriiadrenergici din alte segmente vasculare

• Determină vasoconstricţie cerebrală, de 10 ori mai puţin intensă decât cea din alte teritorii vasculare

Inervaţia PS• Originea probabilã a fibrelor PS:

ggl sfenopalatin, otic, miniggl carotidei interne

• Tipuri de neurotransmiţători:- acetilcolinã (Ach), NO- peptidul intestinal vasoactiv (VIP):

acţ > la nivelul arterelor de calibru mic, legându-se de receptorii VIP ai celulelor musculare netede

- peptidul histidină isoleucină (PHI)- neuropeptidul Y

• Determină relaxarea vaselor cerebrale

Inervaţia senzitivă• Originea fibrelor senzitive: ggl. trigeminal

• Mediatori: substanţa P, CGRP, neurokinina A (NKA), CCK, galanina

• Determină vasodilataţie cerebrală

Inervaţia prin fibre de origine corticală

• Origine în neuronii corticali bipolari, ale căror prelungirise distribuie arterelor piale

• Mediatori: VIP

• Rol: corelarea DSC local cu metabolismul neuronal(vasodilataţie în condiţiile creşterii metabolismuluineuronal)

REGLAREA MIOGENĂ A CIRCULAŢIEI CEREBRALE

• Independent de prezenţa endoteliului, vasele sanguine cerebrale sunt miogenic active

• Parametru = tensiunea peretelui vascular

• Finalitate = menţinerea constantã a fluxului sanguin în timpul variaţiilor presiunii de perfuzie cerebralã

• Vasele cerebrale de rezistenţă se dilată cu scăderea p.a.şi se contractã când aceasta creşte

• Răspunsul vascular activ tinde să menţină în limitenormale tensiunea din peretele arterial

CONTROLUL METABOLIC AL CIRCULAŢIEI CEREBRALE

• Cuplarea metabolismului cu fluxul sanguin cerebral:

- creşterea conc interstiţiale a H+, CO2, K+ şi a adenozinei- scăderea PaO2 sau a concentraţiei de Ca2+

produc o relaxare a muşchiului neted vascular, cu scăderea rezistenţei vasculare cerebrale şi creşterea perfuziei sanguine

Vulnerabilitatea selectivă• Creier - cord – rinichi – ficat – intestin• Neuroni – cel. gliale – cel. endoteliale• Neuroni hipocampici (CA1, CA3, DG), cel. Purkinje, neuroni corticali

piramidali...

• Cauze:rata metabolică crescută / nivel de activitatetemperaturăarhitectură vascularăproprietăţi intrinseci celulare: exprimarea diferitelor canale ionice, ca răspuns la expunerea excitotoxică, stres oxidativreglarea calciului intracelularvârsta