كيف يحمي الدماغ نفسه من التهديدات المنقولة بالدم مجلة كوانتا

يمكن أن تجعلك باينتات كافية من البيرة تسقط من على كرسي البار أو تلاوة كلمات بصوت عالٍ لمربى أوائل القرن الحادي والعشرين أمام غرباء تمامًا ، لأن الكحول يمكن أن يتخطى أحد أقوى الدفاعات في الجسم. إذا كنت في أي وقت من الأوقات في حالة سكر أو النعاس أو النعاس من أدوية الحساسية ، فقد اختبرت ما يحدث عندما تهزم بعض الجزيئات نظام الدفاع المسمى الحاجز الدموي الدماغي وتصل إلى الدماغ.

يندمج الحاجز في جدران مئات الأميال من الشعيرات الدموية التي تمر عبر الدماغ ، ويمنع معظم الجزيئات في الدم من الوصول إلى الخلايا العصبية الحساسة. بقدر ما تحمي الجمجمة الدماغ من التهديدات الجسدية الخارجية ، فإن الحاجز الدموي الدماغي يحميها من العوامل الكيميائية والممرضة.

في حين أنه إنجاز رائع للتطور ، فإن الحاجز يمثل إزعاجًا كبيرًا لمطوري الأدوية ، الذين أمضوا عقودًا في محاولة التغلب عليه بشكل انتقائي لتقديم العلاجات إلى الدماغ. يريد باحثو الطب الحيوي فهم الحاجز بشكل أفضل لأن إخفاقاته تبدو مفتاحًا لبعض الأمراض ولأن التلاعب بالحاجز يمكن أن يساعد في تحسين علاج حالات معينة.

قال "لقد تعلمنا الكثير خلال العقد الماضي" إليزابيث ريا، عالم أحياء باحث في مركز الذاكرة وصحة الدماغ بجامعة واشنطن. لكن "نحن بالتأكيد لا نزال نواجه تحديات في توصيل الركائز والعلاجات."

حماية وليست قلعة

مثل باقي الجسم ، يحتاج الدماغ إلى الدورة الدموية لتوصيل العناصر الغذائية الأساسية والأكسجين وللتخلص من الفضلات. لكن كيمياء الدم تتقلب باستمرار ، وأنسجة المخ حساسة للغاية لبيئتها الكيميائية. تعتمد الخلايا العصبية على الإطلاق الدقيق للأيونات للتواصل - إذا كانت الأيونات يمكن أن تتدفق بحرية من الدم ، فستفقد هذه الدقة. يمكن للأنواع الأخرى من الجزيئات النشطة بيولوجيًا أن تشنج الخلايا العصبية الحساسة ، وتتداخل مع الأفكار والذكريات والسلوكيات.

قال "إنه حقًا موجود للتحكم في البيئة من أجل وظيفة الدماغ المناسبة" ريتشارد دانيمان، أستاذ مشارك في علم العقاقير في جامعة كاليفورنيا ، سان دييغو.

لذا فإن الحاجز الدموي الدماغي يوفر الحماية ، لكنه ليس بنية منفصلة مثل الجدران حول القلعة. بدلاً من ذلك ، يشير المصطلح إلى الخصائص الفريدة للأوعية الدموية في الدماغ وتلك الخاصة بخلايا الدماغ المجاورة التي تلتف بشكل وثيق حول تلك الأوعية.

معظم الشعيرات الدموية في الجسم "متسربة" على المستوى الجزيئي للسماح بالتدفق الحر للمغذيات والمواد الأخرى. نفاذية لها أمر بالغ الأهمية لوظيفة أعضاء مثل الكلى والكبد.

لكن الأوعية الدموية في الدماغ مبنية على مستوى أعلى وأقل تسريبًا. يتم تثبيت الخلايا البطانية التي تشكل جدران الشعيرات الدموية بإحكام بواسطة هياكل تسمى الوصلات الضيقة. قالت خيوط بروتينية رفيعة متوازية تلتصق الخلايا ببعضها البعض مثل "أسلاك عبر اللبنات" إليسا كونوفاغو، أستاذ الهندسة الطبية الحيوية والأشعة في جامعة كولومبيا. يمكن أن تمر أنواع قليلة من الجزيئات ، ولكن بكميات صغيرة. وهي في الغالب صغيرة جدًا وقابلة للذوبان في الماء.

لكن الدماغ يحتاج أيضًا إلى العديد من الجزيئات الأخرى مثل الجلوكوز والأنسولين ، والتي لا يمكنها الضغط بين التقاطعات الضيقة. وبالتالي ، فإن الحاجز مبطن أيضًا بالمضخات والمستقبلات التي ، مثل الحراس في نادي النخبة ، تسمح فقط لجزيئات معينة بالدخول - وتخرج بسرعة معظم المتسللين. يوجد خلف جدار الشعيرات الدموية نفسه طبقات من الخلايا الداعمة بما في ذلك الخلايا المحيطة والخلايا النجمية ، والتي تساعد أيضًا في الحفاظ على الحاجز وتعديل نفاذه.

ومع ذلك ، على الرغم من كل طبقات الحماية هذه ، فإن بعض المواد غير المرغوب فيها تصل إلى الدماغ بشكل موثوق. يمكن أن ينتشر الإيثانول ، وهو المكون الرئيسي في المشروبات الكحولية ، ببساطة من خلال أغشية الخلايا. بعض الجزيئات تشبه إلى حد كبير الجزيئات التي يجب إبعادها. إذا كنت قد تساءلت يومًا لماذا تجعلك مضادات الهيستامين التي تصرف دون وصفة طبية تشعر بالنعاس ، فذلك لأنها تنزلق عبر الحاجز وتصل إلى خلاياك العصبية. (مضادات الهيستامين الأحدث التي لا تسبب النعاس لا تخترق الحاجز وتعمل فقط على الخلايا المناعية في الدم).

قال دانيمان إن الحاجز الدموي الدماغي "موجود لتوصيل ما يحتاجه الدماغ". لكن ليس كل جزء من الدماغ يحتاج إلى نفس الجزيئات ، وبالتالي فإن الحاجز ليس هو نفسه في كل مكان. قال ريا إن الحاجز الموجود في البصلة الشمية ، على سبيل المثال ، يعمل بشكل مختلف وله تركيبة بروتين مختلفة عن الحاجز الموجود في الحُصين.

في الواقع ، لا تحتوي بعض أجزاء الدماغ على حاجز دموي دماغي تقليدي على الإطلاق. في الضفيرة المشيمية ، وهي نسيج في التجاويف الكبيرة للدماغ ينتج السائل النخاعي (CSF) ، تكون جدران الأوعية الدموية أكثر تسريبًا. يجب أن تكون لأن حاجز "الدم - السائل الدماغي النخاعي" للضفيرة المشيمية يحتاج إلى إفراز نصف لتر من السائل النخاعي في الدماغ كل يوم ، وهذا النوع من المخرجات يتطلب كميات كبيرة من الماء والأيونات والمواد المغذية من الدم.

على الرغم من أن هذه الوظيفة الوقائية ليست مثالية ، إلا أنها مفيدة عالميًا بحيث يكون لكل كائن حي به نظام عصبي معقد شيئًا يشبه حاجز الدم في الدماغ.

حتى الذباب والحشرات الأخرى ، التي ليس لديها أوعية دموية ، لديها واحدة. ما يعادله من الدم يخترق ببساطة من خلال أعضاء داخل هيكلها الخارجي ، لكن ما يعادله من الدماغ مُغلف بخلايا دبقية واقية.

طبقة الأوزون

عندما ينكسر الحاجز ، فإنه يجلب موجة من المتاعب للدماغ. قال الحاجز الدموي الدماغي "يشبه طبقة الأوزون للأرض" بيريسلاف زلوكوفيتش، رئيس قسم علم وظائف الأعضاء وعلم الأعصاب في مدرسة كيك للطب بجامعة جنوب كاليفورنيا. مثلما تسبب فتح ثقب في تلك الطبقة الرقيقة من الغلاف الجوي في إحداث إشعاع ضار لإغراق الكوكب ، فإن فتح الحاجز الدموي الدماغي يمكن أن يتسبب في إغراق الجزيئات الضارة بالدماغ.

تقوم مجموعات عديدة بفحص كيفية تغير الحاجز أثناء المرض أو الإصابة. على سبيل المثال ، يعد انهيار الحاجز الدموي الدماغي علامة مميزة لمرض الزهايمر. دراسة حديثة في المجلة طبيعة علم الأعصاب رسم خريطة للتغييرات المهمة في التعبير الجيني داخل خلايا الحاجز الدموي الدماغي في أدمغة مرضى الزهايمر. في التصلب المتعدد ، ينهار الحاجز الدموي الدماغي ، مما يؤدي إلى تدفق خلايا الجهاز المناعي في الدماغ والتي تهاجم بعد ذلك العزل الوقائي حول الخلايا العصبية. يمكن أن تؤدي إصابات الدماغ والسكتات الدماغية الرضحية أيضًا إلى فتح الحاجز والتسبب في أضرار محتملة لا رجعة فيها.

ومع ذلك ، قد يكون فتح أو إغلاق الحاجز الدموي الدماغي مفيدًا. لا يمكن للعديد من الأدوية المفيدة أن تتجاوز الحاجز. ويرجع ذلك جزئيًا إلى أن الكثير من التقدم في دراسة الحاجز الدموي الدماغي قد أعيق بسبب القيود التقنية ، والتي تم التغلب على العديد منها منذ ذلك الحين باستخدام التقنيات الجديدة. ماريا ليتينين، كرسي في أبحاث أمراض الأطفال في مستشفى بوسطن للأطفال. "أعتقد أن هذا وقت مثير حقًا للميدان."

في السنوات الأخيرة ، ركزت العديد من المجموعات على نهج "حصان طروادة" حيث تقوم العقاقير على الظهر في الدماغ عن طريق التمسك بالجزيئات التي يمكنها عبور الحاجز بشكل طبيعي. بحثت أعمال أخرى في استخدام الموجات فوق الصوتية المستهدفة لفتح أجزاء من الحاجز وتوصيل الأدوية لعلاج مرض باركنسون وأمراض أخرى. في دراسة حديثة في علم السلفعلى سبيل المثال ، نجح الباحثون في إدخال البروتينات الفلورية في أدمغة قرود المكاك عن طريق فتح الحاجز الدموي الدماغي بالموجات فوق الصوتية. وهم يعملون الآن على تكييف هذا النهج لتوصيل عقاقير العلاج الجيني التي يمكن أن تقاوم مرض باركنسون.

قال ليتينين إنه حيث كان يُنظر إلى الحاجز الدموي الدماغي ذات يوم على أنه جدار ثابت وثابت ، فإن العلماء ينظرون إليه الآن على أنه ديناميكي و "حي". من المحتمل أن "ينمو ويتطور بطرق مختلفة في أجزاء مختلفة من الجهاز العصبي". ينفتح بشكل مؤقت بشكل طبيعي عندما نكون في نوم الريم العميق أو عندما نمارس الرياضة. يتغير مع التعرض للهرمونات والأدوية ، وإغلاق السبل القديمة للدخول أو فتح آفاق جديدة. قالت ريا إنه عندما ترتبط بعض الجزيئات بالحاجز ، يمكن لخلاياها أحيانًا إرسال إشارات إلى الدماغ عن كيفية التصرف دون السماح للجزيء بالمرور.

لذلك ، بدلاً من سور حجري حول قلعة من العصور الوسطى ، فإن الحاجز الدموي الدماغي يشبه الجدار السحري الذي تظهر فيه الأبواب وتختفي ، وتنمو النوافذ أكبر وأصغر. تنهار بعض الأجزاء ، ويتم إعادة بناء بعض الأجزاء - وهي تتغير باستمرار.

قالت ريا إن الحاجز الدموي الدماغي "لا يكون ثابتًا أبدًا". "ليس هذا الجدار فقط هو الذي يجب التغلب عليه أبدًا."

ملاحظة المحرر: Maria Lehtinen محققة في مبادرة أبحاث التوحد التابعة لمؤسسة Simons Foundation (SFARI) وقد تلقى Richard Daneman تمويلًا سابقًا من مؤسسة Simons Foundation. تمول مؤسسة Simons أيضًا كوانتا كمجلة تحريرية مستقلة. قرارات التمويل ليس لها تأثير على تغطيتنا.