Development of Blood-Brain Barrier Tight Junctions

  • Uwe Kniesel
  • Werner Risau
  • Hartwig Wolburg
Part of the Advances in Behavioral Biology book series (ABBI, volume 46)


The development of blood-brain barrier tight junctions (TJs) in situ was investigated on the electron microscopic level by means of quantitative freeze fracture techniques. The structural parameters for morphological analysis were the complexity of the TJ-network as characterized by fractal dimension, the overall particle density and the degree of association of TJ-particles with the protoplasmic fracture face (PFA). Capillaries from rat cortices of embryonic day (E) 13, E15, E17, postnatal day (P) 1 and from adult brains were observed. Additionally, structural properties of cultured TJs from bovine brain endothelial cells, bovine brain capillary fragments and rat brain capillary fragments were compared with the in situ data.

Between freshly isolated capillary fragments and TJs in situ no significant differences could be observed. The complexity of Tjs in situ increases steadily from El3 with a most dramatic enhancement between stages E 18 and Pl. Particle insertion starts between E 13 and E 15 and shows predominant association to the extracellular fracture face until stage E18. At E13 almost no particles can be observed, neither on P-, nor on E-faces. Analogue results were obtained from Ca2+-depleted cultures of bovine brain endothelial cells, which may give an additional hint on the involvement of cadherins in TJ-formation and maintainance. From E18 particle insertion is completed and particle densities between 95% and 100% were obtained. The development of particle distribution shows a major alteration between stages E 18 and P 1, where predominance of particle association switches from E- to P-face. Furthermore predominant P-face association of TJ-particles is maintained on a quite low level (approx. 60%) compared to TJs in epithelial cells (approx. 95%). All cultured and peripheral non-barrier endothelial cells show almost complete E-face association of TJ-particles.


Tight Junction Nous Avons Fracture Face Transendothelial Electrical Resistance Tight Junction Structure 
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Nous avons étudié, par microscopie électronique en cryofracture quantitative, le développement des jonctions serrées (JS) de la BHE in situ Les paramètres structuraux de l’analyse morphologique étaient la complexité du réseau de JS, caractérisée par la dimension fractale, la densité particulaire totale, et le degré d’association des particules et des JS avec la face protoplasmique de la fracture (FPF). Nous avons observé des capillaires de cortex de rat embryonnaire (jour E13, E15, E17), postnatal (P 1) et adulte. De plus, nous avons comparé les propriétés structurales des JS de cerveau de boeuf en culture, des fragments de capillaire de cerveau de boeuf et de rat, avec les données obtenues in situ

Nous n’avons pas observé de différence significative entre les fragments de capillaires fraîchement isolés et les JS in situ La complexité des JS in situ augmente régulièrement à partir de E13, avec un rythme nettement plus élevé entre E 18 et P 1. L’ insertion des oarticules commence entre E13 et E15, et présente une association prédominante à la face extracellulaire de la fracture jusqu’au stade E18. A E13, on n’observe pratiquement pas de particules, ni sur la face P- ni sur la face E. Nous avons obtenu des résultats analogues avec les cellules endothéliales de cerveau de boeuf carencées en calcium, ce qui peut donner plus d’informations sur l’implication des cadhérines dans la formation et la maintenance des JS. A partir de E18, l’insertion des particules est achevée, avec des densités particulaires de 95 et 100%. Le développement de la distribution des particules présente une importante altération entre les stades El8 et P1, où l’association prédominante passe de la face E à la face P. De plus, l’association prédominante à la face P des particules et des JS se maintient à un niveau relativement bas (environ 60%) par rapport à celle des JS et des cellules épithéliales (environ 95%).


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  1. I, Wolburg H., Neuhaus J., Kniesel U., Krauss B., Schmid E., Öcalan M. and Risau W. (1994). Modulation of tight junction structure in blood-brain barrier endothelial cells: effects of tissue culture, second messengers and cocultured astrocytes. J. Cell Sci, 107, 1347–1357.Google Scholar
  2. 2.
    Butt A.M., Jones H.C. and Abbott N.J. (1990). Electrical resistance across the blood-brain barrier in anaesthetized rats: a developmental study. J. Physiol 429, 47–62.PubMedGoogle Scholar
  3. 3.
    Stewart P.A. and Hayakawa K. (1994). Early ultrastuctural changes in blood-brain barrier vessels of the rat embryo. Develop. Brain Res 78, 25–34.CrossRefGoogle Scholar
  4. 4.
    Kniesel U., Reichenbach A., Risau W. and Wolburg H. (1994). Quantification of tight junction complexity by means of fractal analysis. Tiss. Cell 26, 901–912.CrossRefGoogle Scholar
  5. 5.
    Furuse M., Hirase T., Itoh M., Nagafuchi A., Yonemura S., Tsukita S. and Tsukita S. (1993). Occludin: a novel integral membrane protein localizing at tight junctions. J. Cell Biol 123, 1777–1788.PubMedCrossRefGoogle Scholar

Copyright information

© Springer Science+Business Media New York 1996

Authors and Affiliations

  • Uwe Kniesel
    • 1
    • 2
  • Werner Risau
    • 1
  • Hartwig Wolburg
    • 2
  1. 1.MPI für Physiologische und Klinische ForschungW.G. Kerckhoff-InstitutBad NauheimGermany
  2. 2.Institut für PathologieUniversität TübingenTübingenGermany

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