Curso SBNec - Barreira Hematoencefálica

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Barreira Hematoencefálica: estrutura, 
função e implicações sobre o 
neurodesenvolvimento
Julho de 2017 
1
Monique Culturato Padilha Mendonça
1ª aula: Estrutura e Função da Barreira Hematoencefálica (BHE)
Monique Culturato Padilha Mendonça
2ª Aula: Métodos de Investigação e Modelos Experimentais que ajudam a entender a
Estrutura e Função da Barreira Hematoencefálica
Maria Alice da Cruz-Höfling
3ª Aula: Função e Disfunção da Barreira Hematoencefálica no Neurodesenvolvimento
Lenir Orlandi Pereira Silva
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Barreira Hematoencefálica: estrutura, 
função e implicações sobre o 
neurodesenvolvimento
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Sumário 1ª aula
 Definição
 Componentes 
 Funções 
 Tipos de transporte através da BHE
 Estratégias para entrega de fármacos através da BHE
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Paul Erlich (1885)
“Fenômeno” BHE 
Injected dyes into the peritoneum of animals. Practically all
of the organs of the animal were stained, except for the
brain.
Saunders et al.The rights and wrongs of blood-brain barrier permeability studies: a walk through 100 years of history. Front. Neurosci.,2014
5
“Fenômeno” BHE 
Saunders et al.The rights and wrongs of blood-brain barrier permeability studies: a walk through 100 years of history. Front. Neurosci.,2014
Ehrlich presumed that the difference was due to the different binding affinities 
of different tissues to different dyes.
6
Max Lewandowsky (1900)
Saunders et al.The rights and wrongs of blood-brain barrier permeability studies: a walk through 100 years of history. Front. Neurosci.,2014
Lewandowsky proposed that cerebral capillaries have specific restrictive 
properties with respect to some compounds. The bluthirnschranke
Injected strychnine and sodium ferrocyanide, and
described that they had no pharmacological effects on
the nervous system, even after injection directly into the
ventricles of the brain.
Termo “BHE”
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e.g. Brain
 Basement membrane
“no fenestrae”
 Highly electrical resistant tight junction
 Restricts passage of most
substances across endothelium
Continuous Fenestrated Sinusoid
e.g. Kidney
 Basement membrane
 Presence of circular pores of fenestrae 
that penetrate the endothelium
 Allow passage of small 
macromolecules through endothelium
e.g. Liver
 Gaps between adjacent ECs
 Discontinous/absent basement 
membrane
 Poses no barrier to blood 
constituents
Basement membrane
Endothelial layer 
(tunica intima)
Intercellular cleft
Fenestrations
Intercellular gap
Incomplete 
basement 
membrane
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BLOOD BRAIN
Zlokovic. The Blood-Brain Barrier in Health and Chronic Neurodegenerative Disorders. Neuron. 2008
We need 
glucose !
We need 
aminoacids !
Definição
9Jonathan C.H. Choi Research Group. http://www.bme.cuhk.edu.hk/jchchoi/r_SHIAE14-16.php
BHE: barreira seletiva altamente especializada localizada na interface entre o 
sangue e o cérebro destinada a manter a homeostasia do SNC. 
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Composição
Astrocytes
Endothelial
cells
Basal
Lamina
Pericyte Neurons
Neuron
11Weiss et al. The blood-brain barrier in brain homeostasis and neurological diseases. Biochim Biophys Acta. 2009
Composição
12
Célula endotelial
Weiss et al. The blood-brain barrier in brain homeostasis and neurological diseases. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – Biomembranes. 2009
13
Junções intercelulares
Wallez Y, Huber P. Endothelial adherens and tight junctions in vascular homeostasis,inflammation and angiogenesis. Biochim Biophys Acta. 2008.
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Junções comunicantes
(Gap junctions)
15
Junções comunicantes
(Gap junctions)
Neuron Astrocyte
Microglia Oligodendrocyte
Orellana et al. Role of Connexin Hemichannels in Neurodegeneration. InTech, DOI: 10.5772/28054. 2011
Cx26
Cx29
Cx30
Cx32
Cx36
Cx43
Cx45
Panx1
Cx47
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Pericitos
Wrinkler et al. Central nervous system pericytes in health and disease. Nature Neuroscience. 2011.
Mendonça et al. Reduced graphene oxide induces transient blood-brain barrier opening: an in vivo study. J Nanobiotechnology. 2015 
17
Pericitos
Quaegebeu et al. Pericytes: Blood-Brain Barrier Safeguards against Neurodegeneration? Neuron. 2010
18
Lâmina basal
Banerjee et al. In vitro blood–brain barrier models for drug research: state-of-the-art and new perspectives on reconstituting these models on artificial basement
membrane platforms. Drug Discov Today. 2016
19
Astrócitos
Cabezas et al. Astrocytes Role in Parkinson: A Double-Edged Sword. Intech. 2013. / Junqueira e Carneiro. Histologia básica. 12 ed. 2013.
20
Astrogliose
Masaki. Connexin pathology in acute multiple sclerosis, Baló's disease and neuromyelitis optica. Clinical and Experimental Neuroimmunology. 2013.
 GFAP
Kir 4.1
21
Neurônios
Survival signs
Electrical and
chemical
messages
Regulation
of vascular tone
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Órgãos 
circunventriculares
Gagnon. Fisiologia médica.
OVLT (Organum 
Vasculosum of the 
Lamina Termilanis) -
Osmoreceptor controlling 
vasopressin secretion and 
thirst
Neurohypophysis (NH) or Post. 
Pituitary - Secretes ADH and Oxytocin 
into blood
Area Postrema – A chemorreceptor trigger 
zine that initiates vomiting in reponse to 
chemical changes in the plasma
SCO (subcommissural organ) -
Secretes basic fibroblast growth 
factor into blood
SFO (Subfornical organ) –
Circulatin AngII acts here to  water 
intake
Pineal Body – Secretes 
melatonin into blood
23Hawkins and Davis. The blood-brain barrier/neurovascular unit in health and disease. Pharmacol Rev. 2005.
Resumo
Gap junctions
K+, glutamate, GABA, 
dopamine
Endothelial cells
Basal lamina
Pericyte
Neurons
Astrocytes
Electrical and
chemical messages
Junctional proteins
Transporters
Blood flow
Vascular stability
Regulation TJ and AJ
Cell-matrix interactions
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Tipos de transporte
Hey, we want
in !
I’m sorry, but you are too highly
charged, too large and not lipid
soluble. You cannot enter ! Only
breathing gases, glucose, 
aminoacids, and mood changers.
Peso molecular (< 500 Da)
Lipofilicidade/Hidrofilicidade
Carga/Polaridade
Bombas de efluxo
Fatores que afetam permeabilidade
Idade*
Doenças*
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Tipos de transporte
Paracellular pathway
Transcellular pathway
AJ
TJ
Levendoski. Vocal Fold Epithelial Barrier in Health and Injury: A Research Review. JSLHR. 2014
GJ
Chen Y and Liu L. Modern methods for delivery of drugs across the blood-brain barrier. Adv Drug Deliv Rev. 2012 26
Tipos de transporte
Adherens
junction
Passive 
diffusion
Paracellular
Pathway
Transport 
proteins
Efflux
Pumps
Receptor-
mediated 
transcytosis
Adsortive 
transcytosis
Passive 
diffusion
Small ions and water
Small 
lipophilic 
molecules
Glucose, aa
Nucleosides
Insulin, 
transferrin
Albumin, other 
plasma proteins
Pg-P,
MRPs
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Tipos de transporte
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Estratégias para 
entrega de fármacos
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Administração local
 Maneira mais direta de contornar a BHE
 Infusão direta ou implantes 
 Método muito invasivo
https://www.sec.gov/Archives/edgar/data/1472091/000156761915001318/s000911x11_424b4.htm
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Via intranasal
 Via alternativa: permite o acesso direto ao cérebro sem a participação da BHE
 Fármaco atravessa o epitélio, difunde-se através do nervo olfatório e/ou do trigêmeo,
distribuindo-se por todo o cérebro.
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 Pró-fármacos: compostos que necessitam de biotransformação prévia antes de 
se tornarem um agente farmacológico ativo.
Modulação da BHE: 
abordagem farmacológica
http://medicinespecifics.com/how-can-levodopa-cross-the-blood-brain-barrier-while-dopamine-cannot/LAT-1
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 Lipidização de moléculas: aumento da difusão passiva através da conversão de 
grupos funcionais polares em não polares (lipofílicos).
Modulação da BHE: 
abordagem farmacológica
https://www.auburn.edu/~rileytn/PDA/solypred.html
Lipophilic structural features
Hydrophilic structural features
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 Modulação das bombas de efluxo: Diminuição do efluxo do fármaco a partir
do cérebro para o sangue.
Modulação da BHE: 
abordagem farmacológica
Osherovich L. Beating the brain's bouncer. SciBX. 2009
Foreign small molecule
(P-gp substrate)
ATP Binding Cassette (ABC) family
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Modulação da BHE: 
abordagem farmacológica
Osherovich L. Beating the brain's bouncer. SciBX. 2009
Modified small molecule
(P-gp nonsubstrate)
Coadministration with
competitive P-gp substrate
Coadministration with
irreversible inhibitor
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Modulação da BHE: 
abordagem biológica
 “Cavalo de Tróia”: moléculas interagem com as proteínas, receptores e/ou
células apresentados na superfície da BHE.
O’Mahonyx. Non-Viral Nanosystems for Gene and Small Interfering RNA Delivery to the Central Nervous System: Formulating the Solution. J Pharm Sci. 2013 
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Modulação da BHE: 
abordagem biológica
 Nanomateriais
Huntington
Parkinson
Tumors
Alzheimer
BBB
38Kanwar et al. Neurological disorders and therapeutics targeted to surmount the blood-brain barrier. Int J Nanomedicine. 2012.
Targeting ligand
attachment
Reduced immunogenicity
Reduced degradation due to enzymes
Reduced kidney clearance
Increased hydrodynamic volume
Increased aqueous solubility
Reduced protein binding and RES uptake
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Therapeutic moiety Water moleculePEG chain Targeting ligands
Modulação da BHE: 
abordagem biológica
 Alteração da farmacocinética: Peguilação
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Modulação da BHE: 
estímulos físicos
 Ultrassom: microbolhas de gás são introduzidas no fluxo sanguíneo antes da
exposição ao ultrassom, permitindo que a BHE seja transientemente aberta no
foco do ultrassom, sem dano neuronal agudo.
Rodriguez et al. Neurosurgical Techniques for Disruption of the Blood–Brain Barrier for Glioblastoma Treatment. Pharmaceutics 2015
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Modulação da BHE: 
abertura temporária
 Soluções hiperosmóticas (Manitol e Arabinose): provocam retração das células
endoteliais por puxar osmoticamente a água para fora da célula, o que resulta no
desacoplamento dos domínios extracelulares das proteínas das junções de
oclusão e, consequentemente, sua abertura temporária.
Rodriguez et al. Neurosurgical Techniques for Disruption of the Blood–Brain Barrier for Glioblastoma Treatment. Pharmaceutics 2015
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Modulação da BHE: 
abertura temporária
 Excipientes farmacêuticos
- Dodecil sulfato de sódio: tensoativo aniônico que pode interagir com os lípidos ou
proteínas na membrana celular.
- Etanol, glicerol e dimetilsulfóxido (DMSO) em concentrações maiores que 1 g/kg são
capazes de induzir abertura da BHE.
- Baixas doses (3 mg/kg) de polissorbato-80 (Tween-80) já são capazes de induzir a
abertura da BHE.
Princípio ativo
Excipiente
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Modulação da BHE: 
abertura temporária
 Compostos vasoativos: Prostaglandinas, leucotrienos, bradicinina e histamina,
podem aumentar seletivamente a permeabilidade de capilares cerebrais.
Labradimil (Cereport®, RMP-7) agonista do receptor B2 da bradicinina
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Muito obrigada!
“Tenho a impressão de ter sido uma criança brincando à beira-mar, 
divertindo-me em descobrir uma pedrinha mais lisa ou uma concha 
mais bonita que as outras, enquanto o imenso oceano da verdade 
continua misterioso diante de meus olhos.” (Issac Newton)
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Barreira Hematoencefálica: estrutura, 
função e implicações sobre o 
neurodesenvolvimento
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Monique Culturato Padilha Mendonça, Ph.D
Post-doctoral Researcher University of Campinas
Department of Biochemistry and Tissue Biology
+55 (19) 3521-6250 (19) 98189-3252
mo_padilha@hotmail.com