Anatomia e fisiologia della barriera emato-encefalica Enrico Fainardi Struttura Organizzativa Dipartimentale di Neuroradiologia Dipartimento di Scienze Biomediche, Sperimentali e Cliniche “Mario Serio” Università degli Studi di Firenze Ospedale Universitario Careggi Firenze

Barriera emato-encefalica è una unità morfo-funzionale: • mantiene la delicata omeostasi chimico-fisica del liquido cerebro-spinale (CSF) Liddelow SA. Fluids Barriers CNS 2011; 8: 2 • isola il CSF ed il tessuto nervoso dalla circolazione ematica regolando attivamente ed in modo selettivo gli scambi di sostanze e cellule fra sangue e parenchima cerebrale e fra sangue e CSF

Diversi tipi di barriera esistono tre tipi di B-B-B: Engelhardt B, Ransohoff RM. Trends Immunol 2012; 33: 579-589 Shechter R et al. Nat Rev Immunol 2013; 13: 206-218 • Barriera Emato-encefalica (B-B-B) = disposta fra sangue e cervello • Barriera Emato-Liquorale (B-CSF-B) = localizzata fra sangue e CSF a livello dei plessi coriodei • Barriera Emato-Leptomeningea (B-LM-B) = situata fra sangue e CSF in corrispondenza degli spazi subaracnoidei (specie spazi perivascolari)

Barriera emato-encefalica Benarroch EE. Neurology 2012; 78: 1268-1276 • endotelio dei capillari cerebrali = provvisto di giunzioni serrate (a differenza dei capillari sistemici che sono fenestrati) che impediscono la libera diffusione dei soluti insieme alla membrana basale • periciti = cellule contrattili separate dalla membrana basale mediante una matrice extracellulare di collagene che regolano il diametro del lume vasale dei capillari cerebrali (cellule associate) • piedi perivascolari degli astrociti (glia limitans) = espansioni degli astrociti, cellule di supporto strutturale del tessuto nervoso

Barriera emato-liquorale è situata a livello dei plessi corioidei formati da villi corioidei, ciascuno dei quali è costituito da: • un asse vascolare che origina dai rami terminali delle arterie corioidee = capillare corioideo • un monostrato di cellule cilindriche che deriva dall’ependima (l’epitelio che riveste l’interno delle pareti ventricolari) = epitelio corioideo Nakada T, Kwee IL. Neuroscientist 2019; 25: 155-166

Barriera emato-liquorale Abbott NJ et al. Nat Rev Neurosci 2006; 7: 41-53 • epitelio corioideo = dotato di giunzioni serrate che impediscono la libera diffusione dei soluti insieme alla membrana basale • endotelio dei capillari corioidei = è fenestrato per cui non fa parte della barriera

Barriera emato-leptomeningea Ransohoff RM, Engelhardt B. Nat Rev Immunol 2012; 12: 623-635 • endotelio dei capillari leptomeningei = caratterizzato giunzioni strette che impediscono la libera diffusione dei soluti insieme alla membrana basale

Unità neuro-vascolare Neuwelt EA et al. Nat Rev Neurosci 2011; 12: 169-182 Jessen NA et al. Neurochem Res 2015; 40 :2583-2599 • le diverse strutture della barriera emato-encefalica sono anatomicamente e funzionalmente integrate con cellule microgliali e neuroni con cui formano l’unità neuro-vascolare (NVU) • la NVU permette la comunicazione fra microcircolo e neuroni attraverso gli astrociti

Giunzioni serrate come barriera Neuwelt EA et al. Nat Rev Neurosci 2011; 12: 169-182 Nakada T, Kwee IL. Neuroscientist 2019; 25: 155-166 tutte e tre le barriere (B-B-B, B-CSF-B e B-LM-B) sono rappresentate dalle giunzioni serrate

Una sola barriera tutte e tre le barriere (B-B-B, B-CSF-B e B-LM-B) sono: • in equilibrio chimico-fisico fra loro per quanto riguarda la componente fluida: CSF e liquido interstiziale (ISF) che si trova negli spazi intercellulari del parenchima cerebrale • funzionalmente sovrapponibili per cui nel loro insieme costituiscono una entità unica esiste una sola B-B-B Engelhardt B et al. Nat Immunol 2017; 18: 123-113 Abbott NJ et al. Acta Neuropathol 2018; 135: 387-407

B-B-B come filtro immulogico la B-B-B agisce come un "filtro immunologico" • regola il transito intratecale di anticorpi (meccanismo effettore della risposta immunitaria umorale) • controlla il passaggio intratecale dei macrofagi e dei linfociti T e B (reazioni immunitarie cellulare e umorale) • limita l’ingresso di macromolecole e cellule coinvolte nelle risposte immunitarie in sede intratecale • in condizioni normali impedisce lo svolgimento di risposte immunitarie all’interno del Sistema Nervoso Centrale (SNC) Banerjee S, Bhat MA. Annu Rev Neurosci 2007; 30: 235-258

SNC come sito immunologicamente privilegiato queste caratteristiche della B-B-B sono la base del concetto di privilegio immunologico del SNC che è stato rappresentato come un castello medioevale: • muro esterno = endotelio e membrana basale dei capillari cerebrali • muro interno= glia limitans • fossato = CSF • castello = neuroni (famiglia reale) e cellule gliali (servi) Muldoon LL et al. J Cereb Blood Flow Metab 2013; 33: 13-21

Altre basi del privilegio immunologico del SNC esistono altre caratteristiche anatomo-funzionali del SNC che ostacolano lo sviluppo di una reazione immunitaria a livello intratecale: • assenza di una circolazione linfatica • assenza di cellule presentanti l’antigene (APC) • assenza di un’espressione costitutiva di molecole MHC I e II (complesso maggiore di istocompatibilità o HLA di classe I e di classe II) indispensabili per la presentazione dell’antigene Engelhardt B et al. Nat Immunol 2017; 18: 123-113 Louveau A et al. Trends Immunol 2015; 36: 569-577

Circolazione linfatica Abbas AK, Lichtman AH, Pillai S (Eds). Basic Immunology. 5th ed. Elsevier: St. Louis: 2016 Abbas AK, Lichtman AH, Pillai S (Eds). Cellular and Molecular Immunology. 7th ed. Elsevier: Philadelphia: 2018 • trasporto degli antigeni peptidici (proteine) nei linfonodi dove avviene la presentazione dell’antigene da parte delle cellule dendritiche (APC professionali) e l’attivazione dei linfociti T (braccio afferente della risposta immunitaria) • ricircolo dei linfociti T attivati a livello dell’organo bersaglio sede dell’infiammazione (braccio efferente della risposta immunitaria)

Presentazione dell’antigene alle cellule T • nel sito di infiammazione le APC professionali presentano l’antigene ai linfociti T attivati i linfociti B ai linfociti T CD4+ helper = immunità umorale (anticorpi) macrofagi ai linfociti T CD4+ helper e ai linfociti T CD8+ = immunità cellulo-mediata • necessita l’espressione di molecole MHC da parte delle APC che interagiscono con il recettore delle cellule T (TCR) del linfocita T molecola MHC di classe I per i linfociti T CD8+ citotossici molecola MHC di classe II per i linfociti T CD4+ helper Abbas AK, Lichtman AH, Pillai S (Eds). Basic Immunology. 5th ed. Elsevier: St. Louis: 2016

Assenza di circolazione linfatica Ghersi-Egea JF et al. Acta Neuropathol 2018; 135: 337-361 impedisce il trasporto degli antigeni nei linfonodi e il ricircolo di linfociti T attivati a livello del SNC

Assenza di APC e molecole MHC Muldoon LL et al. J Cereb Blood Flow Metab 2013; 33: 13-21 non permette ai linfociti T attivati di riconoscere l’antigene specifico nel sito di flogosi = SNC

Cellule T con memoria nel CSF Ransohoff RM, Engelhardt B. Nat Rev Immunol 2012; 12: 623-635 Hemmer B et al. Lancet Neurol 2015; 14: 406-419 Dendrou CA et al. Nat Rev Immunol 2015; 15: 545-558 Engelhardt B et al. Nat Immunol 2017; 18: 123-113 nel CSF di soggetti sani sono presenti cellule T con memoria che esprimono la molecola CD45RO (linfociti T CD45RO+) • vengono generate dalle cellule T effettrici attivate dopo la presentazione dell’antigene da parte delle APC • riconoscono specificamente un determinato antigene, persistono per anni e rispondono più rapidamente all’antigene rispetto alle cellule T naive

Traffico linfocitario nel CSF Hickey WF. Glia 2001; 36: 118-124 Ransohoff RM, Engelhardt B. Nat Rev Immunol 2012; 12: 623-635 Engelhardt B, Ransohoff RM. Trends Immunol 2012; 33: 579-589 • in condizioni normali (assenza di infiammazione) i linfociti T con memoria attivati sono in grado di migrare attraverso B-CSF-B e B-LM-B • il transito all’interno del CSF è consentito esclusivamente ai linfociti T attivati precedentemente sensibilizzati in modo aspecifico dalla presentazione di un antigene a livello linfonodale

Infiammazione nel SNC un’intensa reazione infiammatoria si verifica in diverse malattie del SNC: • sclerosi multipla e altri disordini infiammatori del SNC • tumori cerebrali • ictus ischemico acuto • ematomi intraparenchimali Fainardi E, Castellazzi M. In: Maiese K (Ed.). 1st ed. Oxford University Press: New York; 2009: 291-318 Kros JM et al. Neuro-Oncology 2015 ;17: 343-360 Esenwa CC et al. Nat Rev Nurol 2016: 12: 594-604 Brunswick AS et al. J Neurol Sci 2012; 321: 1-10

Drenaggio linfatico del CSF Louveau A et al. Trends Immunol 2015; 36: 569-577 Raper D et al. Trends Neurosci 2016; 39: 581-586 Engelhardt B et al. Nat Immunol 2017; 18: 123-113 Louveau A et al. Clin Invest 2017; 127: 3210-3219 esistono vasi linfatici localizzati a livello della dura madre vasi linfatici meningei

Sistema glinfatico durante la circolazione liquorale il CSF drena all’interno dei vasi linfatici meningei attraverso il sistema glio-linfatico o glinfatico dove scorre lungo: • spazi periarteriosi delle arteriole che decorrono all’interno degli spazi subaracnoidei perivascolari • spazi perivasali di capillari e venule post-capillari • spazi perivenosi delle venule Louveau A et al. Clin Invest 2017; 127: 3210-3219 Da Mesquita S et al. Neuron 2018;100: 375-388 Plog BA, Nedergaard M. Annu Rev Pathol 2018; 13: 379-394 Verheggen ICM et al. Neurosci Biobehav Rev 2018; 90: 26-33

La rotta olfattorio-nasale Ransohoff RM, Engelhardt B. Nat Rev Immunol 2012; 12: 623-635 Dendrou CA et al. Nat Rev Immunol 2015; 15: 545-558 Engelhardt B et al. Nat Immunol 2017; 18: 123-113 Sun BL et al. Prog Neurobiol 2018; 163-164: 118-143. durante la circolazione liquorale il CSF entra in contatto con il circolo linfatico anche a livello spazi subaracnoidei perineurali disposti attorno al bulbo olfattorio per poi drenare nei vasi linfatici della mucosa nasale attraverso la lamina cribrosa dell’etmoide

La rotta aracnoido-sinusale Ransohoff RM, Engelhardt B. Nat Rev Immunol 2012; 12: 623-635 Dendrou CA et al. Nat Rev Immunol 2015; 15: 545-558 Louveau A et al. Clin Invest 2017; 127: 3210-3219 Engelhardt B et al. Nat Immunol 2017; 18: 123-113 Sun BL et al. Prog Neurobiol 2018; 163-164: 118-143. durante la circolazione liquorale il CSF entra in contatto con il circolo linfatico pure a livello granulazioni aracnoidee situate attorno ai seni venosi durali attraverso i quali drena nel circolo venoso intracranico e quindi nei vasi linfatici extracranici

Drenaggio linfatico del CSF attraverso tutte queste tre vie • sistema glinfatico • rotta olfattorio-nasale • rotta aracnoido-sinusale il CSF drena nei linfonodi cervicali Ransohoff RM, Engelhardt B. Nat Rev Immunol 2012; 12: 623-635 Louveau A et al. Trends Immunol 2015; 36: 569-577 Engelhardt B et al. Acta Neuropathol 2016; 132: 317-338 Engelhardt B et al. Nat Immunol 2017; 18: 123-113

APC residenti nel SNC • plessi corioidei cellule dendritiche e macrofagi dei plessi corioidei = fra l’endotelio dei capillari corioidei e l’epitelio corioideo macrofagi dell’epiplesso (cellule di Kolmer) = sull’apice l’epitelio corioideo • meningi macrofagi meningei cellule dendritiche meningee • spazi perivascolari di Virchow-Robin macrofagi perivascolari Engelhardt B, Ransohoff RM. Trends Immunol 2005; 26: 485-495 Ransohoff RM, Engelhardt B. Nat Rev Immunol 2012; 12: 623-635 Engelhardt B et al. Nat Immunol 2017; 18: 123-113

Espressione delle molecole MHC • nel cervello normale: molecole MHC di classe I sono espresse da APC residenti, cellule dell’endotelio capillare cerebrale e microglia molecole MHC di classe II sono espresse solo dalle APC residenti • nel cervello infiammato: molecole MHC di classe I sono espresse da microglia, astrociti e oligodendrociti (macroglia) e neuroni molecole MHC di classe II sono espresse da microglia e astrociti Hemmer B et al. Curr Neurovasc Res 2004; 1: 141-150

Braccio immunitario afferente del SNC • APC residenti (plessi corioidei, meningi e spazi perivascolari) che catturano l’antigene dopo il suo passaggio dal parenchima cerebrale al CSF • vasi linfatici afferenti (meningi, mucosa nasale e seni venosi) che permettono alle cellule dendritiche di trasportare l’antigene sino ai linfonodi cervicali • presentazione dell’antigene ai linfociti T ed attivazione dei linfociti T nei linfonodi cervicali Galea I et al. Trends Immunol 2007; 28: 12-18 Engelhardt B, Ransohoff RM. Trends Immunol 2005; 26: 485-495 Ransohoff RM, Engelhardt B. Nat Rev Immunol 2012; 12: 623-635 Engelhardt B et al. Nat Immunol 2017; 18: 123-113

Braccio immunitario efferente del SNC • vasi linfatici efferenti sistemici che permettono l’ingresso dei linfociti T attivati nel circolo linfatico e da qui in quello sistemico • ricircolo dei linfociti T attivati nel SNC dove le APC residenti presentano l’antigene ai linfociti T Galea I et al. Trends Immunol 2007; 28: 12-18 Engelhardt B, Ransohoff RM. Trends Immunol 2005; 26: 485-495 Ransohoff RM, Engelhardt B. Nat Rev Immunol 2012; 12: 623-635 Engelhardt B et al. Nat Immunol 2017; 18: 123-113

Immunosorveglianza del SNC Hickey WF. Glia 2001; 36: 118-124 Ransohoff RM, Engelhardt B. Nat Rev Immunol 2012; 12: 623-635 Engelhardt B, Ransohoff RM. Trends Immunol 2012; 33: 579-589 Engelhardt B et al. Nat Immunol 2017; 18: 123-113 • in condizioni fisiologiche i linfociti T con memoria attivati in modo aspecifico in periferia migrano nel CSF attraverso B-CSF-B e B-LM-B e "pattugliano" il CSF alla ricerca degli antigeni verso i quali sono stati attivati a livello linfonodale • le cellule T incontrano ed interagiscono con le APC residenti soprattutto in corrispondenza gli spazi perivascolari (macrofagi perivascolari)

Immunosorveglianza del SNC Uccelli A et al. Trends Immunol 2005; 26: 254-259 • anche i linfociti B attivati sembrano partecipare alla perlustrazione del CSF a cui hanno accesso sempre passando attraverso B-CSF-B e B-LM-B

Immunosorveglianza del SNC Becher B et al. 2006; J Mol Med 84: 532-554 Bechmann I et al.Trends Immunol 2007; 28: 5-11 Ransohoff RM, Engelhardt B. Nat Rev Immunol 2012; 12: 623-635 • se le APC residenti non presentano l’antigene ai linfociti T o i linfociti T non riconoscono come estranei (non-self) gli antigeni presentati dalle APC residenti, le cellule T ritornano nel circolo linfatico che drena il SNC ed escono dal cervello o vanno incontro ad apoptosi (morte cellulare programmata)

Immunosorveglianza del SNC Becher B et al. 2006; J Mol Med 84: 532-554 Bechmann I et al.Trends Immunol 2007; 28: 5-11 Ransohoff RM, Engelhardt B. Nat Rev Immunol 2012; 12: 623-635 • se invece i linfociti T attivati riconoscono come estraneo l’antigene specifico presentato dalle APC residenti (infezione cerebrale), queste cellule T attraversano la glia limitans e invadono il tessuto cerebrale dove promuovono i meccanismi che portano all’eliminazione dell’agente patogeno

Migrazione linfocitaria il transito di linfociti T attivati attraverso la B-B-B avviene mediante un processo multi-fasico legato all’interazione fra molecole di adesione espresse dall’endotelio ed i rispetti ligandi espressi dalla cellule T (soprattutto intergrine): • Selectine E ed L endoteliali-rispettivo ligando leucocitario • VCAM-1 endoteliale-α4β1 integrina VLA-4 leucocitaria • ICAM-1 endoteliale e integrina LFA-1 leucocitaria • PECAM endoteliale Fainardi E, Castellazzi M.. In: Maiese K (Ed.). 1st ed. Oxford University Press: New York; 2009: 291-318

Immunosorveglianza del SNC Bechmann I et al.Trends Immunol 2007; 28: 5-11 Ransohoff RM, Engelhardt B. Nat Rev Immunol 2012; 12: 623-635 il fenomeno della sorveglianza immunologica: • è rappresentano dal continuo traffico di linfociti T attivati a livello del compartimento liquorale e dall’incontro con conseguente comunicazione incrociata fra i linfociti T attivati e le APC residenti • è di natura bifasica perché dipende dal riconoscimento dell’antigene presentato dalle APC ai linfociti T • si svolge prevalentemente all’interno degli spazi perivascolari

Sentinelle immunologiche del SNC l’intenso traffico linfocitario che avviene nell’ambito dell’immunosorveglianza del SNC deve essere controllato per limitare l’ingresso dei linfociti e le reazioni immunitarie che si verificano all’interno del SNC questo compito è svolto da alcune cellule residenti nel SNC = sentinelle immunologiche Becher B et al. 2006; J Mol Med 84: 532-554

Sentinelle immunologiche del SNC • macrofagi perivascolari (in assenza di infiammazione) • astrociti , microglia e cellule dell’endotelio dei capillari cerebrali (in presenza di infiammazione) modulano l’ingresso intratecale di linfociti T per preservare il tessuto nervoso dall’invasione da parte di cellule immunocompetenti attraverso la secrezione di citochine anti-infiammatorie Becher B et al. 2006; J Mol Med 84: 532-554

Microambiente intratecale Hickey WF. Glia 2001; 36: 118-124 Choi C, Benveniste EN. Brain Res Rev 2004; 44: 65-81 Becher B et al. 2006; J Mol Med 84: 532-554 in condizioni fisiologiche, i linfociti T attivati che pattugliano il SNC durante l’immunosorveglianza incontrano un microambiente intratecale ostile ed inospitale di tipo anti-infiammatorio che impedisce l’innesco e lo svolgimento di qualsiasi reazione immunitaria

SNC come sito immunologicamente specializzato • SNC e sistema immunitario dialogano fra loro attraverso un continuo scambio di informazioni che avviene a livello della B-B-B • il SNC può essere considerato un "sito immunologicamente specializzato" all’interno del quale gli antigeni cerebrali non sono segregati e non un "luogo immunologicamente privilegiato" come si riteneva in precedenza Ransohoff RM, Engelhardt B. Nat Rev Immunol 2012; 12: 623-635 Engelhardt B, Ransohoff RM. Trends Immunol 2012; 33: 579-589 Dendrou CA et al. Nat Rev Immunol 2015; 15: 545-558 Louveau A et al. Trends Immunol 2015; 36: 569-577 Engelhardt B et al. Nat Immunol 2017; 18: 123-113

B-B-B come filtro biologico Engelhardt B, Ransohoff RM. Trends Immunol 2005; 26: 485-495 tutte e tre le barriere (B-B-B, B-CSF-B e B-LM-B) esercitano anche una funzione di "filtro biologico" = restringono selettivamente il trasferimento di sostanze (ioni, glucosio, proteine) dal sangue al CSF e al tessuto nervoso

Proteine liquorali • derivano quasi tutte dal plasma per cui la composizione proteica del CSF assomiglia a quella plasmatica • attraversano la B-B-B mediante un meccanismo di diffusione passiva secondo gradiente di concentrazione = passano dal compartimento in cui sono più concentrate (sangue) a quello in cui sono meno concentrate (CSF): albumina alfa globuline (alfa1 = antitripsina; Alfa2 = eritropoietina) beta globuline (beta1 tranferrina, plasminogeno, complemento) gamma globuline (immunoglobuline: IgG, IgM, IgA) Fishman RA. Saunders, Philadelphia.1980 Thompson EJ. Elsevier, Edinburgh. 1988 sangue B-B-B CSF

Proteine liquorali • fanno eccezione alcune proteine che vengono prodotte unicamente all’interno del SNC sono quindi assenti nel siero in condizioni fisiologiche: beta2 transferrina o proteina tau (neuroni) beta e la gamma traccia (cellule leptomeningee) in condizioni patologiche enolasi neurone-specifica (neuroni) proteina S-100B e proteina gliale acida fibrillare (astrociti) proteina basica della mielina (oligodendrociti) Fishman RA. Saunders, Philadelphia.1980 Thompson EJ. Elsevier, Edinburgh. 1988 sangue B-B-B CSF

Concentrazione liquorale costante la B-B-B controlla il passaggio di proteine dal compartimento sistemico a quello liquorale mediante le giunzioni serrate che limitano il transito di proteine secondo gradiente di concentrazione mantiene costante il gradiente di concentrazione sangue-CSF delle proteine mantiene costante la concentrazione delle proteine liquorali Fishman RA. Saunders, Philadelphia.1980 Thompson EJ. Elsevier, Edinburgh. 1988 sangue B-B-B CSF

Concentrazione proteica la concentrazione delle proteine liquorali dipende da due fattori: • grandezza molecolare = inversamente proporzionale alla loro grandezza molecolare = le proteine più piccole saranno più concentrate nel CSF rispetto a quelle più grandi • velocità del flusso liquorale = inversamente proporzionale alla velocità del flusso liquorale = aumenta se la velocità del flusso liquorale diminuisce e diminuisce se la velocità del flusso liquorale aumenta Fishman RA. Saunders, Philadelphia.1980 Thompson EJ. Elsevier, Edinburgh. 1988 Reiber H. J Neurol Sci 1994; 122; 189-203 sangue B-B-B CSF

Grandezza molecolare IgG Alb • albumina e anticorpi sono le proteine più concentrate nel CSF e di maggior interesse clinico • le proteine di minori dimensioni (albumina ed IgG) passano più facilmente attraverso le giunzioni serrate e sono quindi più concentrate rispetto a quelle di dimensioni maggiori (IgM) • rapporto sangue/CSF è: albumina = 200:1 IgG = 500:1 IgM = 3000:1 IgM IgM IgG Alb Alb IgG IgG IgG IgM Alb Alb Alb IgG IgG Alb IgM Alb Alb Alb IgG Alb IgG Fishman RA. Saunders, Philadelphia.1980 Thompson EJ. Elsevier, Edinburgh. 1988 Giovannoni G. Handb Clin Neurol 2014; 122: 681-702 sangue B-B-B CSF

Permeabilità di barriera: analisi liquorale • studia la funzionalità della B-CSF-B mediante l’utilizzo di un rapporto matematico che mette in relazione la concentrazione dell’albumina liquorale con quella dell’albumina sierica, il quoziente dell’albumina (QAlb) QAlb = albumina LCS / albumina siero • si utilizza l’albumina come proteina di riferimento perché è una proteina di completa derivazione plasmatica, altamente concentrata nel CSF e di piccole dimensioni, le cui variazioni liquorali seguono in modo lineare quelle plasmatiche (rapporto 1:1) • il QAlb è età-dipendente perché aumenta progressivamente con l’aumentare dell’età: QAlb = 5.0 (< 15 anni) QAlb = 6.5 (< 40 anni) QAlb = 8.0 (< 60 anni) QAlb = 8-9 (> 60 anni) Thompson EJ. JNNP1995; 59: 349-357 Giovannoni G. Handb Clin Neurol 2014; 122: 681-702 sangue B-B-B CSF

Permeabilità di barriera: aumento del QAlb • un aumento del Qalb al di sopra dei valori soglia corrisponde ad un incremento della frazione proteica liquorale proveniente dal sangue • aumentato passaggio dal compartimento ematico (dove è più concentrata) a quello liquorale (dove è meno concentrata) attraverso la B-CSF-B aumentata permeabilità della B-CSF-B sangue B-B-B CSF Thompson EJ. JNNP1995; 59: 349-357

Permeabilità di barriera: l’ispessimento meningeo l’aumentata permeabilità della B-CSF-B è determinata da: • ispessimento dei foglietti meningei che rivestono gli spazi subaracnoidei in cui scorre il CSF • rallentamento del flusso liquorale • aumento dell’albumina liquorale = aumento del Qalb perché la concentrazione delle proteine liquorali è inversamente proporzionale alla velocità del flusso danno funzionale della B-CSF-B e non danno anatomico della B-CSF-B che interessa le giunzioni serrate Reiber H. Clin Chim Acta 2001; 310; 173-186

Permeabilità di barriera: esami TC e RM Essig M et al. Magn Reson Imaging Clin N Am 2012; 20: 633-648 RM studiano la funzionalità della B-B-B tramite la somministrazione endovenosa di mezzo di contrasto in TC e RM lo stravaso di mezzo di contrasto nel contesto di una lesione = aumento della permeabilità di barriera conseguente a un danno anatomico della B-B-B che interessa soprattutto le giunzioni serrate

Il paradosso radiologico-liquorale Reiber H. J Neurol Sci 1994; 122; 189-203 • indica che analisi liquorale e esame neuroradiologico valutano due aspetti diversi della permeabilità di barriera • è il quadro tipico della sclerosi multipla in fase di attività infiammatoria che è caratterizzata da Qalb normale e dalla presenza di impregnazione contrastografica in RM delle lesioni acute il Qalb è normale perché non vi sono ispessimento meningeo = rallentamento del flusso liquorale = aumento dell’albumina liquorale = danno funzionale della B-CSF-B le lesioni assumono mdc in RM perché vi è un danno anatomico della B-B-B

Permeabilità di barriera: CTP e PWI Eilaghi A et al. Biomark Cancer 2016; 8: 47-59 la perfusione TC (CTP) e RM (PWI) misurano la permeabilità microvascolare con la tecnica DCE (Dynamic Contrast-Enhanced)

Il modello dei due compartimenti Zaharchuk G. Am J Neuroradiol 2007; 28: 1850-1858 CTP e DCE si basano sul modello dei due compartimenti (intravascolare + extravascolare extracellulare) e quindi sul principio che il passaggio di mdc attraverso i vasi nello spazio extracellulare dipende da: • PS (permeability surface) = prodotto dell’area della superficie di permeabilità • Ktrans = costante di trasferimento = coefficiente di passaggio di mdc attraverso i vasi • CBF = flusso ematico cerebrale

CTP-DCE d’Esterre CD et al. Transl Stroke Res 2012; 3: 205-220; Leiva-Salinas C et al. Neuroradiology 2012; 54: 907-918 • è una tecnica dinamica basata sull’acquisizione di una serie ripetuta di immagini TC prima, durante e dopo l’iniezione endovenosa di un bolo di mdc iodato • analizza il transito di mdc iodato che produce un temporaneo aumento della densità all’interno ed attorno ai vasi cerebrali e da cui la deconvoluzione ottiene una curva di funzione residua R(t)

prima fase di acquisizione seconda fase di acquisizione CTP-DCE Dankbaar JW et al. AJNR Am J Neuroradiol 2008 ; 29: 1671-1676 ritardo prima fase di acquisizione seconda fase di acquisizione • il calcolo della permeabilità microvascolare richiede un’acquisizione in due fasi sufficientemente lunga da permettere la formazione di una curva di funzione residua R(t) con le due componenti intra ed extravascolare

Heye AK et al. Neuroimage Clin 2014; 6: 262-274 PWI-DCE Heye AK et al. Neuroimage Clin 2014; 6: 262-274 • tecnica dinamica basata sull’acquisizione di una serie ripetuta di immagini 3D T1 gradient-Echo acquisite prima, durante e dopo l’iniezione endovenosa di mdc per una durata di circa 5-10 minuti • valuta l’aumento del segnale T1 nel tessuto disposto attorno ai vasi prodotto dal passaggio di mdc dal compartimento intravasale a quello extravasale

Permeabilità di barriera con la DCE Ktrans = costante di trasferimento Gaddikeri S et al. AJNR Am J Neuroradiol 2016; 37:588-595 la CTP/PWI DCE calcola vari parametri di permeabilità fra cui il più importante è: Ktrans = costante di trasferimento

Permeabilità di barriera con la DCE Ktrans Paldino, MJ, Barboriak DP. Magn Reson Imaging Clin N Am 2009; 17: 277-289 Ktrans = quota di mezzo di contrasto che si sposta dal compartimento intra a quello extravascolare a causa dell’aumentata permeabilità di barriera è in relazione con il CBF per cui si misura in ml/100gr/min

Aumento della permeabilità microvascolare CTP = tumore ad alto grado CTP = ischemia acuta • ischemia acuta = valore predittivo per la trasformazione emorragica • tumori cerebrali = indicativa di neoangiogenesi nei tumori ad alto grado PWI = tumore ad alto grado

Sviluppi futuri Absinta M et al. eLife 2017; 6: e29738 Abbott NJ et al. Acta Neuropathol 2018; 135 :387-407 Benveniste H et al. Gerontology 2019; 65: 106-119 le tecniche RM sono in grado di identificare i vasi linfatici meningei e quindi forse di chiarire i dettagli del circuito glinfatico che sembra deputato allo smaltimento dei prodotti di scarto delle cellule del SNC (detriti o rifiuti cellulari) grazie ai canali di acqua aquaporina-4 (AQP4) espressi dalla glia limitans CSF (spazi periarteriosi)/CSF+ISF (spazi extracellulari)/ISF+CSF (spazi perivenosi)/linfatici meningei

Sviluppi futuri Gounis MJ et al. Stroke 2015; 46: 2991-2997 Alexander MD et al. J Neurol Neurosurg Psychiatry 2016 ;87: 589-597 Mossa-Basha M et al. J Neurointervent Surg 2016; 8: 1154-1159 le tecniche RM sono anche capaci di riconoscere l’impregnazione contrastografica della parete vasale compatibile con la presenza di un focolaio flogistico che caratterizza le patologie aterosclerotiche ed infiammatorie dei vasi cerebrali

GRAZIE PER L’ATTENZIONE London, Ontario, Canada 2011 GRAZIE PER L’ATTENZIONE