สมองป้องกันตัวเองจากภัยคุกคามทางเลือดได้อย่างไร | นิตยสารควอนตั้ม

การดื่มเบียร์ในปริมาณที่เพียงพออาจทำให้คุณตกจากเก้าอี้บาร์หรือท่องเนื้อเพลงช่วงต้นยุค 2000 ดังๆ ให้คนแปลกหน้าฟัง เพราะแอลกอฮอล์สามารถผ่านด่านป้องกันที่แข็งแกร่งที่สุดอย่างหนึ่งในร่างกายได้ หากคุณเคยเมาสุรา เมาสุรา หรือง่วงซึมจากยาแก้แพ้ คุณเคยมีประสบการณ์ว่าจะเกิดอะไรขึ้นเมื่อโมเลกุลบางชนิดทำลายระบบป้องกันที่เรียกว่าสิ่งกีดขวางระหว่างเลือดและสมองและทำให้เข้าสู่สมอง

กำแพงนี้ฝังอยู่ในผนังของเส้นเลือดฝอยยาวหลายร้อยไมล์ที่ไหลผ่านสมอง เกราะป้องกันนี้ช่วยป้องกันไม่ให้โมเลกุลส่วนใหญ่ในเลือดไปถึงเซลล์ประสาทที่ละเอียดอ่อน กะโหลกศีรษะช่วยปกป้องสมองจากการคุกคามทางกายภาพภายนอก เกราะป้องกันเลือดและสมองช่วยปกป้องสมองจากสารเคมีและสารก่อโรค

แม้ว่ามันจะเป็นความสำเร็จที่น่าอัศจรรย์ของวิวัฒนาการ แต่สิ่งกีดขวางนี้สร้างความรำคาญให้กับนักพัฒนายาเป็นอย่างมาก ซึ่งใช้เวลาหลายทศวรรษในการพยายามอย่างเลือกวิธีที่จะเอาชนะมันเพื่อส่งยารักษาโรคไปยังสมอง นักวิจัยด้านชีวการแพทย์ต้องการทำความเข้าใจกับสิ่งกีดขวางให้ดียิ่งขึ้น เนื่องจากความล้มเหลวของมันดูเหมือนจะเป็นกุญแจไขไปสู่โรคบางชนิด และเนื่องจากการจัดการกับสิ่งกีดขวางสามารถช่วยปรับปรุงการรักษาสภาวะบางอย่างได้

“เราได้เรียนรู้มากมายในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา” กล่าว เอลิซาเบธ เรียนักชีววิทยาด้านการวิจัยที่ University of Washington Medicine Memory and Brain Wellness Center แต่ “แน่นอนว่าเรายังคงเผชิญกับความท้าทายในการหาสารตั้งต้นและการบำบัดรักษาโรค”

การป้องกัน แต่ไม่ใช่ป้อมปราการ

เช่นเดียวกับส่วนอื่น ๆ ของร่างกาย สมองต้องการเลือดไหลเวียนเพื่อส่งสารอาหารที่จำเป็นและออกซิเจนและกำจัดของเสีย แต่เคมีในเลือดมีความผันผวนตลอดเวลา และเนื้อเยื่อสมองก็ไวต่อสภาพแวดล้อมทางเคมีอย่างมาก เซลล์ประสาทอาศัยการปลดปล่อยไอออนอย่างแม่นยำในการสื่อสาร หากไอออนสามารถไหลออกจากเลือดได้อย่างอิสระ ความแม่นยำนั้นก็จะสูญเสียไป โมเลกุลที่มีฤทธิ์ทางชีวภาพประเภทอื่น ๆ ยังสามารถทำให้เซลล์ประสาทที่บอบบางรบกวนความคิด ความทรงจำ และพฤติกรรมได้

“มันอยู่ที่นั่นจริง ๆ เพื่อควบคุมสภาพแวดล้อมสำหรับการทำงานของสมองที่เหมาะสม” กล่าว ริชาร์ด เดนแมนรองศาสตราจารย์ด้านเภสัชวิทยาแห่งมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานดิเอโก

ดังนั้น เกราะป้องกันเลือดสมองจึงให้การปกป้อง แต่มันไม่ใช่โครงสร้างที่แยกจากกัน เช่น กำแพงรอบๆ ป้อมปราการ คำนี้หมายถึงคุณสมบัติเฉพาะของหลอดเลือดในสมองและเซลล์สมองข้างเคียงที่ห่อหุ้มหลอดเลือดเหล่านั้นอย่างใกล้ชิด

เส้นเลือดฝอยส่วนใหญ่ของร่างกายจะ "รั่ว" ในระดับโมเลกุลเพื่อให้สารอาหารและสารอื่นๆ ไหลเวียนได้อย่างอิสระ การซึมผ่านของมันมีความสำคัญต่อการทำงานของอวัยวะต่างๆ เช่น ไตและตับ

แต่เส้นเลือดของสมองถูกสร้างขึ้นให้มีมาตรฐานสูงขึ้นและมีการรั่วไหลน้อยลง เซลล์บุผนังหลอดเลือดที่ประกอบเป็นผนังเส้นเลือดฝอยถูกตรึงเข้าด้วยกันอย่างแน่นหนาด้วยโครงสร้างที่เรียกว่าจุดแยกแน่น เส้นโปรตีนคู่ขนานบาง ๆ ยึดเซลล์เข้าด้วยกันเหมือน "สายไฟผ่านก้อนอิฐ" กล่าว เอลิซา โคโนฟากูศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมชีวการแพทย์และรังสีวิทยาแห่งมหาวิทยาลัยโคลัมเบีย โมเลกุลบางชนิดสามารถผ่านไปได้ แต่ในปริมาณเล็กน้อย และส่วนใหญ่มีขนาดเล็กมากและละลายน้ำได้

แต่สมองยังต้องการโมเลกุลอื่นๆ อีกมาก เช่น กลูโคสและอินซูลิน ซึ่งไม่สามารถบีบตัวระหว่างรอยต่อที่แน่นได้ สิ่งกีดขวางนี้จึงเรียงรายไปด้วยปั๊มและตัวรับที่เหมือนกับตัวกระโจมสำหรับสโมสรชั้นยอด อนุญาตให้เฉพาะโมเลกุลบางตัวเข้าไป และผลักผู้บุกรุกส่วนใหญ่ออกไปอย่างรวดเร็ว นอกเหนือจากผนังของหลอดเลือดฝอยแล้ว ยังมีชั้นของเซลล์รองรับซึ่งรวมถึงเพอริไซต์และแอสโทรไซต์ ซึ่งยังช่วยรักษาสิ่งกีดขวางและปรับความสามารถในการซึมผ่าน

อย่างไรก็ตาม แม้จะมีการป้องกันทุกชั้น สารที่ไม่พึงประสงค์บางชนิดสามารถผ่านเข้าสู่สมองได้อย่างปลอดภัย เอทานอลซึ่งเป็นส่วนประกอบหลักในเครื่องดื่มแอลกอฮอล์สามารถแพร่ผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ได้ โมเลกุลบางตัวดูเหมือนมากเกินไปที่จะแยกออก หากคุณเคยสงสัยว่าเหตุใดยาแก้แพ้ที่จำหน่ายหน้าเคาน์เตอร์จึงทำให้คุณง่วงนอน นั่นเป็นเพราะว่าพวกมันเล็ดลอดผ่านสิ่งกีดขวางและเข้าสู่เซลล์ประสาทของคุณ (ยาต้านฮีสตามีนชนิดใหม่ที่ไม่ทำให้ง่วงซึมไม่ซึมผ่านสิ่งกีดขวางและออกฤทธิ์เฉพาะกับเซลล์ภูมิคุ้มกันในเลือดเท่านั้น)

Daneman กล่าวว่าสิ่งกีดขวางระหว่างเลือดและสมองคือ "มีไว้เพื่อส่งมอบสิ่งที่สมองต้องการ" แต่ไม่ใช่ว่าทุกส่วนของสมองจะต้องการโมเลกุลที่เหมือนกัน ดังนั้นสิ่งกีดขวางจึงไม่เหมือนกันทุกที่ Rhea กล่าวว่าสิ่งกีดขวางในหลอดรับกลิ่นทำหน้าที่แตกต่างกันและมีองค์ประกอบโปรตีนที่แตกต่างจากสิ่งกีดขวางในฮิบโปแคมปัส

ในความเป็นจริง บางส่วนของสมองไม่มีสิ่งกีดขวางเลือดสมองแบบดั้งเดิมเลย ใน choroid plexus เนื้อเยื่อในช่องขนาดใหญ่ของสมองที่ผลิตน้ำไขสันหลัง (CSF) ผนังของหลอดเลือดจะรั่วมากขึ้น ต้องเป็นเพราะสิ่งกีดขวาง "เลือด - CSF" ของ choroid plexus จำเป็นต้องหลั่ง CSF ครึ่งลิตรเข้าสู่สมองทุกวัน และผลลัพธ์แบบนั้นต้องการน้ำ ไอออน และสารอาหารจำนวนมากจากเลือด

แม้ว่าฟังก์ชันป้องกันนี้จะไม่สมบูรณ์แบบ แต่ก็มีประโยชน์ในระดับสากลจนสิ่งมีชีวิตทุกชนิดที่มีระบบประสาทที่ซับซ้อนมีบางอย่างที่คล้ายกับเกราะป้องกันเลือดและสมอง Daneman กล่าว

แม้แต่แมลงวันและแมลงอื่นๆ ที่ไม่มีเส้นเลือดก็ยังมี เลือดที่เทียบเท่ากับเลือดของพวกมันเพียงแค่ไหลซึมผ่านอวัยวะภายในโครงกระดูกภายนอก แต่ส่วนที่เทียบเท่ากับสมองของพวกมันนั้นถูกห่อหุ้มด้วยเซลล์เกลียป้องกัน

'ชั้นโอโซน'

เมื่อสิ่งกีดขวางพังทลายลง จะนำคลื่นแห่งปัญหามาสู่สมอง สิ่งกีดขวางของเลือดและสมอง "เปรียบเสมือนชั้นโอโซนของโลก" กล่าว เบริสลาฟ ซโลโควิชซึ่งเป็นประธานภาควิชาสรีรวิทยาและประสาทวิทยาศาสตร์ที่ Keck School of Medicine แห่งมหาวิทยาลัยเซาเทิร์นแคลิฟอร์เนีย เช่นเดียวกับการเปิดรูในชั้นบรรยากาศบาง ๆ นั้นทำให้เกิดรังสีที่เป็นอันตรายท่วมโลก การเปิดสิ่งกีดขวางเลือดและสมองอาจทำให้โมเลกุลที่เป็นอันตรายท่วมสมองได้

หลายกลุ่มกำลังตรวจสอบว่าสิ่งกีดขวางเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรในระหว่างเกิดโรคหรือการบาดเจ็บ การสลายตัวของสิ่งกีดขวางระหว่างเลือดและสมองเป็นจุดเด่นของโรคอัลไซเมอร์ เป็นต้น การศึกษาล่าสุดในวารสาร ประสาทธรรมชาติ แมปการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญในการแสดงออกของยีนภายในเซลล์กั้นระหว่างเลือดและสมองในสมองของผู้ป่วยอัลไซเมอร์ ในโรคปลอกประสาทเสื่อมแข็ง (multiple sclerosis) สิ่งกีดขวางระหว่างเลือดและสมองจะแตกตัว นำไปสู่การล้นของเซลล์ระบบภูมิคุ้มกันในสมองซึ่งจะโจมตีฉนวนป้องกันรอบ ๆ เซลล์ประสาท การบาดเจ็บที่สมองและเส้นเลือดในสมองแตกยังสามารถเปิดสิ่งกีดขวางและทำให้เกิดความเสียหายที่ไม่อาจแก้ไขได้

อย่างไรก็ตามการเลือกเปิดหรือปิดสิ่งกีดขวางระหว่างเลือดและสมองอาจเป็นประโยชน์ ยาที่มีประโยชน์หลายอย่างไม่สามารถผ่านสิ่งกีดขวางได้ ส่วนหนึ่งเป็นเพราะความก้าวหน้าอย่างมากในการศึกษาสิ่งกีดขวางระหว่างเลือดและสมองถูกขัดขวางโดยข้อจำกัดทางเทคนิค ซึ่งหลายอย่างถูกเอาชนะด้วยเทคโนโลยีใหม่ มาเรีย เลห์ทิเนนซึ่งเป็นประธานในการวิจัยพยาธิวิทยาในเด็กที่โรงพยาบาลเด็กบอสตัน “ฉันคิดว่านี่เป็นช่วงเวลาที่น่าตื่นเต้นจริงๆ สำหรับภาคสนาม”

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา หลายกลุ่มมุ่งไปที่แนวทางของ "ม้าโทรจัน" ซึ่งยาเสพติดจะกลับเข้าสู่สมองโดยการจับโมเลกุลที่สามารถผ่านสิ่งกีดขวางได้ตามธรรมชาติ งานอื่น ๆ ได้พิจารณาการใช้อัลตราซาวนด์แบบกำหนดเป้าหมายเพื่อเปิดส่วนของสิ่งกีดขวางและส่งยาเพื่อรักษาโรคพาร์กินสันและอาการเจ็บป่วยอื่น ๆ ในการศึกษาล่าสุดใน วิทยาศาสตร์ก้าวหน้าตัวอย่างเช่น นักวิจัยประสบความสำเร็จในการส่งโปรตีนเรืองแสงเข้าไปในสมองของลิงแสมโดยการเปิดสิ่งกีดขวางระหว่างเลือดและสมองด้วยอัลตราซาวนด์ ขณะนี้พวกเขากำลังทำงานเพื่อปรับแนวทางดังกล่าวในการส่งมอบยาบำบัดด้วยยีนที่สามารถต่อสู้กับโรคพาร์กินสันได้

Lehtinen กล่าวว่า เมื่อสิ่งกีดขวางระหว่างเลือดและสมองถูกมองว่าเป็นกำแพงที่คงที่และไม่เปลี่ยนแปลง นักวิทยาศาสตร์มองว่ามันเป็นไดนามิกและ "มีชีวิต" มันน่าจะ “เติบโตและพัฒนาในรูปแบบต่างๆ ในส่วนต่างๆ ของระบบประสาท” เสียงเอี๊ยดอ๊าดจะเปิดขึ้นชั่วคราวตามธรรมชาติเมื่อเราหลับสนิทหรือเมื่อเราออกกำลังกาย มันเปลี่ยนไปตามการสัมผัสกับฮอร์โมนและยา ปิดช่องทางเก่าในการเข้าหรือเปิดช่องทางใหม่ เมื่อโมเลกุลบางตัวจับกับสิ่งกีดขวาง บางครั้งเซลล์ของมันสามารถส่งสัญญาณไปยังสมองถึงวิธีการทำงานโดยไม่ปล่อยให้โมเลกุลผ่านเข้าไปได้ Rhea กล่าว

ดังนั้น แทนที่จะเป็นกำแพงหินรอบป้อมปราการยุคกลาง สิ่งกีดขวางเลือดสมองเปรียบเสมือนกำแพงวิเศษที่ประตูปรากฏขึ้นและหายไป และหน้าต่างก็ใหญ่ขึ้นและเล็กลง บางส่วนพังทลาย บางส่วนสร้างใหม่ - และมีการเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา

สิ่งกีดขวางเลือดสมองนั้น “ไม่คงที่” Rhea กล่าว “มันไม่ใช่แค่กำแพงนี้ที่ต้องเอาชนะ”

หมายเหตุบรรณาธิการ: Maria Lehtinen เป็นผู้ตรวจสอบกับโครงการริเริ่มการวิจัยออทิสติกของมูลนิธิไซมอนส์ (SFARI) และริชาร์ด เดนแมนเคยได้รับทุนสนับสนุนจากมูลนิธิไซมอนส์มาก่อน มูลนิธิไซมอนส์ยังให้ทุนอีกด้วย ควอนตั้ม ในฐานะบรรณาธิการนิตยสารอิสระ การตัดสินใจเรื่องเงินทุนไม่มีผลต่อความครอบคลุมของเรา