Blut-Liquor-Schranke, Ependym: Aufbau und Funktion im Detail

Das zentrale Nervensystem (ZNS), bestehend aus Gehirn und Rückenmark, ist von entscheidender Bedeutung für die Steuerung nahezu aller lebenswichtigen Körperfunktionen, das Denken und das emotionale Erleben. Um diese komplexen Aufgaben erfüllen zu können, bedarf es eines hochspezialisierten Schutzes und einer präzisen Regulation der Umgebung, in der die Nervenzellen (Neurone) agieren. Hierbei spielen die Blut-Hirn-Schranke (BHS), die Blut-Liquor-Schranke und das Ventrikelsystem mit seinen Ependymzellen eine zentrale Rolle.

Die Bedeutung der Gliazellen

Gliazellen, auch als Stützzellen des Nervensystems bekannt, sind für die Aufrechterhaltung der neuronalen Funktion unerlässlich. Sie bilden das Stütz-, Hüll- und ernährende Gewebe des Nervensystems. Zu den Haupttypen von Gliazellen gehören:

• Astrozyten: Diese sternförmigen Zellen sind die häufigsten Gliazellen im Gehirn und spielen eine entscheidende Rolle bei der Erregungsübertragung im Bereich der Synapsen. Sie beeinflussen die Weiterleitungsgeschwindigkeit von Erregungen und steuern die Aufnahme von Neurotransmittern. Zudem grenzen sie das Hirngewebe gegen die Hirnhäute und die Blutgefäße ab und ermöglichen so die Blut-Hirn-Schranke.
• Oligodendrozyten: Diese Zellen sind für die Bildung der Myelinscheiden um die Nervenzellfortsätze im ZNS verantwortlich, was eine schnelle und effiziente Erregungsleitung ermöglicht.
• Mikroglia: Diese kleinen, beweglichen Zellen fungieren als Immunzellen des Gehirns und spielen eine wichtige Rolle bei der Abwehr von Krankheitserregern und der Beseitigung von Zelltrümmern.
• Ependymzellen: Diese spezialisierten Gliazellen kleiden die Innenwände der Hirnkammern (Ventrikel) und des Rückenmarkkanals aus und sind an der Produktion und Zirkulation des Liquors beteiligt.

Das Ventrikelsystem: Ein Netzwerk von Hohlräumen

Das Ventrikelsystem des Gehirns ist ein komplexes Netzwerk von miteinander verbundenen Hohlräumen, die mit Liquor cerebrospinalis gefüllt sind. Es besteht aus vier Hirnventrikeln:

• Seitenventrikel (1. und 2. Ventrikel): Diese paarig angelegten Ventrikel befinden sich in den Großhirnhemisphären und sind über das Foramen Monroi mit dem dritten Ventrikel verbunden.
• Dritter Ventrikel: Dieser unpaare Ventrikel liegt zentral im Diencephalon und ist über den Aquädukt mit dem vierten Ventrikel verbunden.
• Vierter Ventrikel: Dieser Ventrikel liegt im Rhombencephalon und steht über die Apertura lateralis (Foramen Luschkae) und die Apertura mediana (Foramen Magendi) mit den äußeren Liquorräumen in Verbindung.

Das Ventrikelsystem spielt eine zentrale Rolle für die Funktion des ZNS, indem es:

• Liquor cerebrospinalis produziert: Der Plexus choroideus, ein spezialisiertes Gewebe in den Ventrikeln, produziert täglich etwa 500 Milliliter Liquor.
• Liquor zirkuliert: Der Liquor fließt durch das Ventrikelsystem und den Subarachnoidalraum, um das Gehirn und das Rückenmark zu umspülen.
• Das Gehirn schützt: Der Liquor wirkt als Stoßdämpfer und schützt das Gehirn vor Verletzungen.
• Das Gehirn versorgt: Der Liquor transportiert Nährstoffe und entfernt Stoffwechselabfälle aus dem Gehirn.
• Die Kommunikation zwischen Hirnstrukturen ermöglicht: Das Ventrikelsystem ermöglicht die Kommunikation zwischen verschiedenen Hirnstrukturen und trägt zur Stabilität des intrakraniellen Drucks bei.

Die Ependymzellen: Auskleidung und Funktion

Ependymzellen sind spezialisierte Gliazellen, die die Innenwände der Hirnventrikel und des Rückenmarkkanals auskleiden. Sie bilden eine einschichtige Zellschicht, die durch Kinozilien und Mikrovilli an ihrer Oberfläche charakterisiert ist. Diese Zellen spielen eine entscheidende Rolle bei der Produktion, Zirkulation und Regulation des Liquors cerebrospinalis.

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Aufbau der Ependymzellen

• Zilien: Die Zilien sind kleine, haarähnliche Strukturen, die auf der Oberfläche der Ependymzellen sitzen und durch ihre Bewegung den Liquorfluss in den Ventrikeln unterstützen.
• Mikrovilli: Die Mikrovilli sind kleine, fingerartige Ausstülpungen der Zellmembran, die die Oberfläche der Ependymzellen vergrößern und so den Stoffaustausch zwischen dem Liquor und dem umliegenden Nervengewebe erleichtern.
• Transportproteine: Die Ependymzellen besitzen Transportproteine auf ihrer Oberfläche, die es ihnen ermöglichen, überschüssige Neurotransmitter und andere Substanzen aus dem Liquor zu entfernen und so die Zusammensetzung des Liquors zu regulieren.
• Subependymale Zone: Unterhalb des Ependyms befindet sich die subependymale Zone, die Astrozyten und spezialisierte Liquorkontaktneurone enthält. Diese Neurone könnten als Chemosensoren fungieren und Informationen über die Zusammensetzung des Liquors an das Gehirn weiterleiten.

Funktionen der Ependymzellen

• Produktion und Regulation des Liquors cerebrospinalis: Ependymzellen tragen zur Produktion des Liquors bei, indem sie Wasser und Elektrolyte aus dem Blutplasma filtern und in den Liquor abgeben. Sie regulieren auch die Zusammensetzung des Liquors, indem sie Substanzen aus dem Liquor entfernen oder in ihn abgeben.
• Barrierefunktion: Ependymzellen bilden eine Barriere zwischen dem Liquor und dem Nervengewebe und schützen so das Gehirn vor schädlichen Substanzen.
• Zirkulation des Liquors: Die Zilien der Ependymzellen helfen, den Liquorfluss in den Ventrikeln aufrechtzuerhalten und so eine gleichmäßige Verteilung von Nährstoffen und den Abtransport von Abfallprodukten im ZNS zu gewährleisten.
• Regeneration von Nervengewebe: In bestimmten Situationen können sich Ependymzellen in neuronale Vorläuferzellen verwandeln, die das Potenzial haben, beschädigte Neuronen zu ersetzen. Dies macht sie zu einem interessanten Forschungsobjekt in der medizinischen Wissenschaft.

Spezialisierte Ependymzellen: Tanyzyten

Eine besondere Art von Ependymzellen sind die Tanyzyten, die sich in der Wand des dritten Ventrikels befinden. Sie spielen eine Rolle bei der Regulation des Energiehaushalts und der Kontrolle der Freisetzung einiger Hormone.

Die Blut-Liquor-Schranke: Schutz des Gehirns

Die Blut-Liquor-Schranke ist eine physiologische Barriere, die den Übertritt von Substanzen aus dem Blut in den Liquor cerebrospinalis reguliert. Sie befindet sich im Plexus choroideus und wird von den Ependymzellen gebildet, die das Plexusepithel bilden.

Aufbau der Blut-Liquor-Schranke

Die Blut-Liquor-Schranke besteht aus:

• Plexusepithel: Die Ependymzellen des Plexusepithels sind durch Tight Junctions miteinander verbunden, die eine dichte Barriere bilden.
• Basalmembran: Unterhalb des Plexusepithels befindet sich eine Basalmembran, die eine zusätzliche Barriere darstellt.
• Endothelzellen der Kapillaren: Die Kapillaren im Plexus choroideus sind fenestriert, das heißt, sie besitzen kleine Poren, die den Durchtritt von Substanzen erleichtern. Allerdings wird der Übertritt in den Liquor durch die Blut-Liquor-Schranke verhindert.

Funktion der Blut-Liquor-Schranke

Die Blut-Liquor-Schranke schützt das Gehirn vor schädlichen Substanzen, indem sie den Übertritt von:

• Toxinen: Die Blut-Liquor-Schranke verhindert den Übertritt von Toxinen aus dem Blut in den Liquor und schützt so das Gehirn vor Schäden.
• Krankheitserregern: Die Blut-Liquor-Schranke verhindert den Übertritt von Bakterien, Viren und anderen Krankheitserregern aus dem Blut in den Liquor und schützt so das Gehirn vor Infektionen.
• Bestimmten Medikamenten: Die Blut-Liquor-Schranke kann den Übertritt bestimmter Medikamente aus dem Blut in den Liquor verhindern, was die Behandlung von Hirnerkrankungen erschweren kann.

Gleichzeitig ermöglicht die Blut-Liquor-Schranke den Übertritt von:

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• Nährstoffen: Die Blut-Liquor-Schranke ermöglicht den Übertritt von Nährstoffen aus dem Blut in den Liquor, die für die Versorgung des Gehirns unerlässlich sind.
• Hormonen: Die Blut-Liquor-Schranke ermöglicht den Übertritt bestimmter Hormone aus dem Blut in den Liquor, die wichtige Funktionen im Gehirn erfüllen.

Die Blut-Hirn-Schranke: Eine weitere Schutzbarriere

Die Blut-Hirn-Schranke (BHS) ist eine weitere wichtige Schutzbarriere des Gehirns, die den Übertritt von Substanzen aus dem Blut in das Hirngewebe reguliert. Sie wird hauptsächlich von den Endothelzellen der Hirnkapillaren gebildet, die durch Tight Junctions miteinander verbunden sind. Astrozyten spielen ebenfalls eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung der BHS, indem sie die Bildung von Tight Junctions induzieren.

Besonderheiten der Hirngefäße

Die Blutgefäße im Gehirn unterscheiden sich von den Blutgefäßen außerhalb des Gehirns. Das Gehirn übt eine komplexe Kontrolle auf die Gefäße aus. Die Hirngefäß-Endothelien bilden den Sitz der BHS.

Entdeckung der Blut-Hirn-Schranke

Paul Ehrlich entdeckte im Jahre 1885 „so nebenbei“ die BHS, allerdings mit einer falschen Interpretation seines Experimentes. Er interessierte sich für Farbstoffe und ihre Affinität zu Zellen und Geweben und fand heraus, dass, wenn man Trypanblau in das periphere Blutgefäßsystem injiziert, das Gehirn nicht angefärbt wird. Er deutete dieses erstaunliche Ergebnis mit der Annahme, das Gehirn habe keine Affinität zum Farbstoff.

Sein Mitarbeiter Edwin Goldmann machte ein Gegenexperiment und injizierte Trypanblau in den Hirnventrikel und siehe da, das Gehirn und nur dieses färbte sich an. Die Affinitätstheorie war also falsch. Wenn also der Farbstoff von der vaskulären Seite kam, gelangte er nicht in das Hirngewebe (das entsprach der später so genannten Blut-Hirn-Schranke), wenn er von der Seite des Hirnkammerwassers (des sog. Liquors cerebrospinalis) kam, konnte er leicht das Hirn gewebe erreichen (also gibt es keine Liquor-Hirn-Schranke).

Funktion der Blut-Hirn-Schranke

Die BHS schützt das Gehirn vor Schwankungen der Blutzusammensetzung und vor neurotoxischen Substanzen. Sie sorgt dafür, dass sich die Schwankung der Blutzusammensetzung nicht auf das Hirnparenchym überträgt. Die Konzentration von Glutamat im Blut ist 1000-mal höher als im Gehirn, wo Glutamat zwar ein wichtiger erregender Neurotransmitter, aber auch neurotoxisch ist. Das Gehirnparenchym benötigt aber für seine Arbeit ein sehr stabiles Mikromilieu und konstante ionale Bedingungen.

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Die BHS reduziert die Permeabilität der Hirngefäße und sorgt für die Versorgung des Hirnparenchyms mit Energieträgern, an erster Stelle mit Glukose, aber auch vielen Aminosäuren, damit der enorme Energiebedarf des Gehirns gedeckt werden kann. Unser Gehirn stellt etwa 2 % der Körpermasse, aber 20 % der Energie werden im Gehirn verbraucht. Die energiereichen Substrate werden aber als wasserlösliche (hydrophile) Substanzen von den TJs zurückgehalten, sodass das Gefäß-Endothel spezifische Transporter exprimieren muss, um die gewünschten Substrate ins Gehirn zu lassen.

Klinische Bedeutung

Störungen des Ventrikelsystems und der Blut-Hirn-Schranke können zu einer Vielzahl von neurologischen Erkrankungen führen, darunter:

• Hydrocephalus: Eine Erweiterung der Liquorräume im Gehirn, die durch eine Störung der Liquorzirkulation oder -resorption verursacht wird.
• Multiple Sklerose (MS): Eine chronisch-entzündliche Autoimmunerkrankung, die zur Zerstörung der Myelinscheiden im ZNS führt und die Funktion der BHS beeinträchtigen kann.
• Schlaganfall: Eine plötzliche Unterbrechung der Blutversorgung des Gehirns, die zu einer Schädigung des Hirngewebes und einer Beeinträchtigung der BHS führen kann.
• Hirntumoren: Tumoren im Gehirn können die Funktion des Ventrikelsystems und der BHS beeinträchtigen.
• Infektionen des ZNS: Infektionen des Gehirns oder der Hirnhäute können die Funktion der BHS beeinträchtigen.

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