چگونه مغز از خود در برابر تهدیدات خونی محافظت می کند | مجله کوانتا

مقدار کافی آبجو باعث می‌شود از روی چهارپایه‌تان بیفتید یا با صدای بلند آهنگ‌های مربای دهه 2000 را برای غریبه‌ها بخوانید، زیرا الکل می‌تواند یکی از قوی‌ترین دفاع‌های بدن را پشت سر بگذارد. اگر تا به حال به دلیل مصرف داروهای آلرژی مست، زیاد یا خواب‌آلود بوده‌اید، تجربه کرده‌اید که وقتی برخی از مولکول‌ها سیستم دفاعی به نام سد خونی مغزی را شکست داده و وارد مغز می‌شوند، چه اتفاقی می‌افتد.

این سد که در دیواره‌های صدها مایل مویرگ‌هایی که در مغز می‌پیچند، تعبیه شده است، مانع از رسیدن بیشتر مولکول‌های خون به نورون‌های حساس می‌شود. همانطور که جمجمه از مغز در برابر تهدیدات فیزیکی خارجی محافظت می کند، سد خونی مغزی نیز از آن در برابر عوامل شیمیایی و بیماری زا محافظت می کند.

در حالی که این یک شاهکار فوق العاده تکاملی است، مانع بسیار آزاردهنده برای توسعه دهندگان دارو است، که دهه ها تلاش کرده اند تا به طور انتخابی بر آن غلبه کنند تا داروها را به مغز برسانند. محققان زیست‌پزشکی می‌خواهند این مانع را بهتر درک کنند، زیرا به نظر می‌رسد شکست‌های آن کلید برخی از بیماری‌ها است و به این دلیل که دستکاری مانع می‌تواند به بهبود درمان برخی شرایط کمک کند.

گفت: "ما در دهه گذشته چیزهای زیادی یاد گرفته ایم." الیزابت رئا، زیست شناس محقق در مرکز حافظه و سلامت مغز دانشگاه واشنگتن. اما "ما قطعا هنوز با چالش هایی در انتقال بسترها و درمان ها روبرو هستیم."

حفاظت، اما نه یک قلعه

مانند بقیه بدن، مغز برای رساندن مواد مغذی و اکسیژن ضروری و دفع مواد زائد به خون در گردش نیاز دارد. اما شیمی خون دائماً در نوسان است و بافت مغز به شدت به محیط شیمیایی آن حساس است. نورون‌ها برای برقراری ارتباط به آزادسازی دقیق یون‌ها متکی هستند - اگر یون‌ها بتوانند آزادانه از خون خارج شوند، این دقت از بین می‌رود. انواع دیگری از مولکول‌های فعال بیولوژیکی نیز می‌توانند نورون‌های ظریف را به هم بریزند و در افکار، خاطرات و رفتارها تداخل ایجاد کنند.

گفت: "این واقعاً برای کنترل محیط برای عملکرد صحیح مغز وجود دارد." ریچارد دنمن، دانشیار فارماکولوژی در دانشگاه کالیفرنیا، سن دیگو.

بنابراین، سد خونی-مغزی محافظتی را فراهم می کند، اما این یک ساختار مجزا مانند دیوارهای اطراف یک قلعه نیست. در عوض، این اصطلاح به ویژگی‌های منحصربه‌فرد رگ‌های خونی در مغز و سلول‌های مغزی همسایه‌ای اشاره دارد که از نزدیک دور آن رگ‌ها می‌پیچند.

بیشتر مویرگ های بدن در سطح مولکولی "نشتی" دارند تا اجازه جریان آزاد مواد مغذی و سایر مواد را بدهند. نفوذپذیری آنها برای عملکرد اندام هایی مانند کلیه و کبد بسیار مهم است.

اما رگ‌های خونی مغز با استانداردی بالاتر و کمتر ساخته شده‌اند. سلول‌های اندوتلیال که دیواره‌های مویرگی را تشکیل می‌دهند، توسط ساختارهایی به نام اتصالات محکم به هم چسبیده شده‌اند. گفت: رشته‌های پروتئینی موازی نازک، سلول‌ها را مانند «سیم‌هایی از میان آجرها» به هم می‌چسبانند الیزا کونوفاگو، استاد مهندسی زیست پزشکی و رادیولوژی در دانشگاه کلمبیا. چند نوع مولکول می توانند از بین بروند، اما در مقادیر کم. و اکثراً بسیار کوچک و محلول در آب هستند.

اما مغز به بسیاری از مولکول های دیگر مانند گلوکز و انسولین نیز نیاز دارد که نمی توانند بین اتصالات محکم فشار بیاورند. بنابراین، این سد با پمپ‌ها و گیرنده‌هایی پوشانده شده است که مانند پرنده‌های یک باشگاه نخبه، فقط به مولکول‌های خاصی اجازه ورود می‌دهند - و به سرعت اکثر متجاوزان را بیرون می‌کنند. فراتر از دیواره مویرگی، لایه‌هایی از سلول‌های حمایتی شامل پری‌سیت‌ها و آستروسیت‌ها وجود دارد که به حفظ سد و تنظیم نفوذپذیری آن نیز کمک می‌کنند.

با این وجود، علیرغم تمام این لایه های محافظتی، برخی از مواد ناخواسته به طور قابل اعتمادی به مغز راه می یابند. اتانول، ماده اصلی نوشیدنی های الکلی، می تواند به سادگی از طریق غشای سلولی پخش شود. برخی از مولکول ها بیش از حد شبیه به مولکول های مورد نیاز به نظر می رسند. اگر تا به حال فکر کرده اید که چرا آنتی هیستامین های بدون نسخه برای آلرژی شما را خواب آلود می کنند، دلیلش این است که از سد عبور کرده و به نورون های شما می رسند. (آنتی هیستامین های جدیدتر و غیر خواب آور به سد نفوذ نمی کنند و فقط روی سلول های ایمنی در خون عمل می کنند.)

دانمن گفت، سد خونی مغزی «آنجا برای رساندن آنچه که مغز به آن نیاز دارد وجود دارد». اما همه قسمت‌های مغز به مولکول‌های یکسانی نیاز ندارند، بنابراین مانع در همه جا یکسان نیست. رئا گفت، برای مثال، سد موجود در پیاز بویایی متفاوت عمل می‌کند و ترکیب پروتئینی متفاوتی نسبت به سد هیپوکامپ دارد.

در واقع، برخی از قسمت های مغز به هیچ وجه سد خونی مغزی سنتی ندارند. در شبکه مشیمیه، بافتی در حفره‌های بزرگ مغز که مایع مغزی نخاعی (CSF) تولید می‌کند، دیواره‌های رگ‌های خونی بسیار نشتی دارند. آنها باید به این دلیل باشند که سد "خونی-CSF" شبکه مشیمیه باید هر روز نیم لیتر CSF را به مغز ترشح کند و این نوع خروجی به مقادیر زیادی آب، یون ها و مواد مغذی از خون نیاز دارد.

به گفته دانمن، اگرچه این عملکرد محافظتی کامل نیست، اما به قدری جهانی مفید است که هر ارگانیسمی با سیستم عصبی پیچیده چیزی شبیه یک سد خونی مغزی دارد.

حتی مگس‌ها و سایر حشرات که رگ‌های خونی ندارند، دارای رگ‌های خونی هستند. معادل خون آنها به سادگی از طریق اندام های داخل اسکلت بیرونی آنها عبور می کند، اما معادل آنها از یک مغز در سلول های گلیال محافظ پوشانده شده است.

یک "لایه اوزون"

هنگامی که سد شکسته می شود، موجی از دردسر را به مغز وارد می کند. سد خونی مغزی "مثل لایه اوزون برای زمین است." بریسلاو زلوکوویچ، رئیس بخش فیزیولوژی و علوم اعصاب در دانشکده پزشکی کک دانشگاه کالیفرنیای جنوبی. همانطور که باز کردن یک سوراخ در آن لایه نازک اتمسفر باعث شد تا تشعشعات مضر سیاره را سیلاب کند، باز کردن سد خونی-مغزی می تواند باعث سیل مولکول های مضر به مغز شود.

گروه های زیادی در حال بررسی چگونگی تغییر مانع در طول بیماری یا آسیب هستند. به عنوان مثال، شکستن سد خونی-مغزی یکی از مشخصه های بیماری آلزایمر است. مطالعه اخیر در مجله طبیعت اعصاب تغییرات قابل توجهی را در بیان ژن در سلول های سد خونی مغزی در مغز بیماران آلزایمر ترسیم کرد. در مولتیپل اسکلروزیس، سد خونی-مغزی شکسته می شود و منجر به سرریز سلول های سیستم ایمنی در مغز می شود که سپس به عایق محافظ اطراف نورون ها حمله می کند. آسیب های مغزی و سکته های مغزی نیز می توانند سد را باز کنند و باعث آسیب بالقوه جبران ناپذیر شوند.

با این حال، باز کردن یا بستن انتخابی سد خونی مغزی می تواند مفید باشد. بسیاری از داروهای بالقوه مفید نمی توانند از سد عبور کنند. این تا حدودی به این دلیل است که بسیاری از پیشرفت‌ها در مطالعه سد خونی مغزی به دلیل محدودیت‌های فنی، که بسیاری از آنها از آن زمان با فناوری‌های جدید غلبه کرده‌اند، مانع شده است. ماریا لتینن، کرسی تحقیقات پاتولوژی کودکان در بیمارستان کودکان بوستون. "من فکر می کنم این زمان واقعاً هیجان انگیزی برای این رشته است."

در سال‌های اخیر، بسیاری از گروه‌ها رویکرد «اسب تروا» را به کار گرفته‌اند که در آن با نگه داشتن مولکول‌هایی که می‌توانند به طور طبیعی از سد عبور کنند، داروها را به مغز بازمی‌گردانند. کار دیگر به استفاده از اولتراسوند هدفمند برای باز کردن بخش‌هایی از سد و ارائه دارو برای درمان بیماری پارکینسون و سایر بیماری‌ها پرداخته است. در یک مطالعه اخیر در با پیشرفتهای علمیبه عنوان مثال، محققان با باز کردن سد خونی مغزی با سونوگرافی، پروتئین‌های فلورسنت را با موفقیت به مغز ماکاک‌ها رساندند. آنها اکنون در حال کار برای تطبیق این رویکرد با ارائه داروهای ژن درمانی هستند که می توانند با بیماری پارکینسون مبارزه کنند.

لتینن گفت، جایی که زمانی سد خونی-مغزی به عنوان یک دیوار ثابت و تغییرناپذیر تصور می شد، دانشمندان اکنون آن را پویا و "زنده" می دانند. به احتمال زیاد "به روش های مختلف در بخش های مختلف سیستم عصبی رشد و توسعه می یابد." هنگامی که ما در خواب عمیق REM یا زمانی که ورزش می کنیم، به طور موقت به طور طبیعی باز می شود. با قرار گرفتن در معرض هورمون ها و داروها تغییر می کند، راه های قدیمی را برای ورود می بندد یا راه های جدید را باز می کند. رئا گفت وقتی برخی از مولکول‌ها به سد متصل می‌شوند، سلول‌های آن گاهی اوقات می‌توانند به مغز سیگنال دهند که چگونه عمل کند بدون اینکه هرگز اجازه عبور مولکول را ندهند.

بنابراین به جای یک بارو سنگی در اطراف یک قلعه قرون وسطایی، سد خونی-مغزی مانند یک دیوار جادویی است که در آن درها ظاهر می شوند و ناپدید می شوند و پنجره ها بزرگ و کوچکتر می شوند. برخی از قطعات فرو می ریزند، برخی از قطعات دوباره ساخته می شوند - و دائما در حال تغییر است.

ریا گفت که سد خونی-مغزی "هرگز ساکن نیست". هرگز فقط این دیوار نیست که باید غلبه کرد.»

یادداشت سردبیر: ماریا لتینن محقق ابتکار تحقیقات اوتیسم بنیاد سیمونز (SFARI) است و ریچارد دانمن قبلاً از بنیاد سیمونز بودجه دریافت کرده است. بنیاد سیمونز نیز کمک مالی می کند کوانتوم به عنوان یک مجله مستقل از نظر تحریریه. تصمیمات تامین مالی هیچ تاثیری بر پوشش ما ندارد.