Làm thế nào bộ não tự bảo vệ mình khỏi các mối đe dọa từ máu | Tạp chí lượng tử

Đủ vại bia có thể khiến bạn ngã khỏi ghế quầy bar hoặc đọc to lời bài hát cho những người hoàn toàn xa lạ vào đầu những năm 2000, bởi vì rượu có thể vượt qua một trong những hàng rào phòng thủ mạnh nhất trong cơ thể. Nếu bạn đã từng say rượu, phê hoặc buồn ngủ do dùng thuốc dị ứng, bạn đã trải nghiệm điều gì sẽ xảy ra khi một số phân tử đánh bại hệ thống phòng thủ được gọi là hàng rào máu não và xâm nhập vào não.

Được nhúng trong các bức tường của hàng trăm dặm mao mạch chạy qua não, hàng rào giữ cho hầu hết các phân tử trong máu không bao giờ đến được các tế bào thần kinh nhạy cảm. Giống như hộp sọ bảo vệ não khỏi các mối đe dọa vật lý bên ngoài, hàng rào máu não bảo vệ não khỏi các chất hóa học và mầm bệnh.

Mặc dù đó là một kỳ tích tuyệt vời của quá trình tiến hóa, nhưng rào cản này gây rất nhiều phiền toái cho các nhà phát triển thuốc, những người đã dành hàng thập kỷ cố gắng vượt qua nó một cách có chọn lọc để đưa phương pháp trị liệu vào não. Các nhà nghiên cứu y sinh muốn hiểu rõ hơn về rào cản vì những thất bại của nó dường như là chìa khóa dẫn đến một số bệnh và vì việc điều khiển rào cản có thể giúp cải thiện việc điều trị một số bệnh.

“Chúng tôi đã học được rất nhiều trong thập kỷ qua,” ông nói Elizabeth Rhea, một nhà sinh vật học nghiên cứu tại Trung tâm Trí nhớ và Sức khỏe Não bộ của Đại học Washington. Nhưng “chúng tôi chắc chắn vẫn đang đối mặt với những thách thức trong việc đưa chất nền và phương pháp trị liệu đi qua.”

Bảo vệ, nhưng không phải là một pháo đài

Giống như phần còn lại của cơ thể, não cần máu lưu thông để cung cấp các chất dinh dưỡng và oxy thiết yếu cũng như mang đi chất thải. Nhưng thành phần hóa học của máu liên tục dao động và mô não cực kỳ nhạy cảm với môi trường hóa học của nó. Các tế bào thần kinh dựa vào sự giải phóng chính xác của các ion để giao tiếp — nếu các ion có thể chảy tự do ra khỏi máu, thì độ chính xác đó sẽ bị mất. Các loại phân tử hoạt tính sinh học khác cũng có thể làm xoắn các tế bào thần kinh mỏng manh, can thiệp vào suy nghĩ, ký ức và hành vi.

“Nó thực sự ở đó để kiểm soát môi trường cho chức năng não thích hợp,” nói Richard Daneman, phó giáo sư dược học tại Đại học California, San Diego.

Vì vậy, hàng rào máu não cung cấp sự bảo vệ, nhưng nó không phải là một cấu trúc rời rạc như những bức tường bao quanh một pháo đài. Thay vào đó, thuật ngữ này đề cập đến các đặc tính độc nhất của các mạch máu trong não và của các tế bào não lân cận bao quanh các mạch máu đó.

Hầu hết các mao mạch của cơ thể đều “rò rỉ” ở cấp độ phân tử để cho phép các chất dinh dưỡng và các chất khác lưu thông tự do. Tính thấm của chúng rất quan trọng đối với chức năng của các cơ quan như thận và gan.

Nhưng các mạch máu của não được xây dựng theo tiêu chuẩn cao hơn, ít bị rò rỉ hơn. Các tế bào nội mô tạo thành các thành mao mạch được gắn chặt với nhau bằng các cấu trúc được gọi là mối nối chặt chẽ. Các sợi protein mỏng song song dính các tế bào lại với nhau giống như “sợi dây xuyên qua các viên gạch”, cho biết Elisa Konofagou, giáo sư kỹ thuật y sinh và X quang tại Đại học Columbia. Một số loại phân tử có thể vượt qua, nhưng với số lượng nhỏ. Và chúng chủ yếu là rất nhỏ và hòa tan trong nước.

Nhưng não cũng cần nhiều phân tử khác như glucose và insulin, những phân tử này không thể chen chúc giữa các mối nối chặt chẽ. Do đó, hàng rào cũng được lót bằng các máy bơm và bộ tiếp nhận, giống như những người bảo vệ cho một câu lạc bộ ưu tú, chỉ cho phép một số phân tử nhất định đi vào — và nhanh chóng đẩy hầu hết những kẻ xâm phạm ra ngoài. Bên ngoài thành mao mạch là các lớp tế bào hỗ trợ bao gồm tế bào ngoại vi và tế bào hình sao, những tế bào này cũng giúp duy trì hàng rào và điều chỉnh tính thấm của nó.

Tuy nhiên, bất chấp tất cả các lớp bảo vệ đó, một số chất không mong muốn vẫn xâm nhập vào não một cách đáng tin cậy. Ethanol, thành phần chính trong đồ uống có cồn, có thể khuếch tán dễ dàng qua màng tế bào. Một số phân tử trông quá giống những phân tử cần thiết để loại bỏ. Nếu bạn đã từng thắc mắc tại sao thuốc kháng histamin không kê đơn chữa dị ứng lại khiến bạn buồn ngủ, thì đó là vì chúng trượt qua hàng rào và đến được các tế bào thần kinh của bạn. (Các loại thuốc kháng histamine mới hơn, không gây buồn ngủ không xuyên qua hàng rào và chỉ tác động lên các tế bào miễn dịch trong máu.)

Daneman nói: “Hàng rào máu não ở đó để cung cấp những gì não cần. Nhưng không phải mọi phần của não đều cần các phân tử giống nhau, vì vậy hàng rào không giống nhau ở mọi nơi. Rhea cho biết, chẳng hạn, hàng rào trong hành khứu giác hoạt động khác và có thành phần protein khác với hàng rào ở vùng hải mã.

Trên thực tế, một số phần của não hoàn toàn không có hàng rào máu não truyền thống. Trong đám rối màng mạch, một mô trong các khoang lớn của não tạo ra dịch não tủy (CSF), thành mạch máu dễ bị rò rỉ hơn nhiều. Chúng phải như vậy vì hàng rào “máu-CSF” của đám rối màng mạch cần tiết ra nửa lít CSF vào não mỗi ngày và loại sản lượng đó đòi hỏi một lượng lớn nước, ion và chất dinh dưỡng từ máu.

Daneman cho biết, mặc dù chức năng bảo vệ này không hoàn hảo, nhưng nó rất hữu ích đến mức mọi sinh vật có hệ thần kinh phức tạp đều có thứ gì đó giống như hàng rào máu não.

Ngay cả ruồi và côn trùng khác, không có mạch máu, cũng có. Chất tương đương với máu của chúng chỉ đơn giản chảy qua các cơ quan bên trong bộ xương ngoài của chúng, nhưng chất tương đương với não của chúng được bao bọc trong các tế bào thần kinh đệm bảo vệ.

Một 'Tầng ôzôn'

Khi hàng rào bị phá vỡ, nó sẽ mang đến một làn sóng rắc rối cho não bộ. Hàng rào máu não “giống như tầng ôzôn của Trái đất”, ông nói Berislav Zlokovic, trưởng khoa sinh lý học và khoa học thần kinh tại Trường Y khoa Keck thuộc Đại học Nam California. Giống như việc mở một lỗ hổng trong lớp khí quyển mỏng đó khiến bức xạ có hại tràn ngập hành tinh, việc mở hàng rào máu não có thể khiến các phân tử có hại tràn ngập não.

Nhiều nhóm đang kiểm tra xem hàng rào thay đổi như thế nào trong thời gian bị bệnh hoặc bị thương. Ví dụ, sự phá vỡ hàng rào máu não là một dấu hiệu đặc trưng của bệnh Alzheimer. Một nghiên cứu gần đây trên tạp chí Nature Neuroscience vạch ra những thay đổi đáng kể đối với biểu hiện gen trong các tế bào hàng rào máu não trong não của bệnh nhân Alzheimer. Trong bệnh đa xơ cứng, hàng rào máu não bị phá vỡ, dẫn đến sự tràn ngập các tế bào hệ thống miễn dịch trong não, sau đó tấn công lớp cách điện bảo vệ xung quanh tế bào thần kinh. Chấn thương sọ não và đột quỵ cũng có thể mở ra rào cản và gây ra những tổn thương không thể phục hồi.

Tuy nhiên, việc mở hoặc đóng hàng rào máu não một cách có chọn lọc có thể có lợi. Nhiều loại thuốc hữu ích tiềm năng không thể vượt qua rào cản. Điều đó một phần là do rất nhiều tiến bộ trong việc nghiên cứu hàng rào máu não bị cản trở bởi những hạn chế kỹ thuật, nhiều trong số đó đã được khắc phục bằng các công nghệ mới, ông cho biết Maria Lehtinen, chủ tịch nghiên cứu bệnh lý nhi khoa tại Bệnh viện nhi Boston. "Tôi nghĩ rằng đây là một thời gian thực sự thú vị cho lĩnh vực này."

Trong những năm gần đây, nhiều nhóm đã tập trung vào phương pháp tiếp cận “con ngựa thành Troy”, trong đó thuốc đưa thuốc vào não bằng cách giữ các phân tử có thể vượt qua rào cản một cách tự nhiên. Một nghiên cứu khác đã xem xét việc sử dụng siêu âm nhắm mục tiêu để mở ra các phần của rào cản và cung cấp thuốc để điều trị bệnh Parkinson và các bệnh khác. Trong một nghiên cứu gần đây ở Những tiến bộ khoa họcVí dụ, các nhà nghiên cứu đã chuyển thành công protein huỳnh quang vào não khỉ bằng cách mở hàng rào máu não bằng sóng siêu âm. Họ hiện đang làm việc để điều chỉnh cách tiếp cận đó với việc cung cấp các loại thuốc trị liệu gen có thể chống lại bệnh Parkinson.

Lehtinen cho biết, nơi mà trước đây hàng rào máu não được coi là một bức tường tĩnh, không thay đổi, thì giờ đây các nhà khoa học coi nó là động và “sống”. Nó có thể “tăng trưởng và phát triển theo những cách khác nhau ở những phần khác nhau của hệ thần kinh”. Nó tạm thời mở ra một cách tự nhiên khi chúng ta đang trong giấc ngủ REM sâu hoặc khi chúng ta tập thể dục. Nó thay đổi khi tiếp xúc với kích thích tố và thuốc, đóng lại những con đường xâm nhập cũ hoặc mở ra những con đường mới. Rhea cho biết, khi một số phân tử liên kết với hàng rào, các tế bào của nó đôi khi có thể báo hiệu cho não biết cách hành động mà không bao giờ để phân tử đó đi qua.

Vì vậy, thay vì một thành lũy bằng đá bao quanh một pháo đài thời trung cổ, hàng rào máu não giống như một bức tường ma thuật trong đó các cánh cửa xuất hiện rồi biến mất, và các cửa sổ lớn dần và nhỏ dần. Một số bộ phận vỡ vụn, một số bộ phận được xây dựng lại - và nó liên tục thay đổi.

Rhea cho biết hàng rào máu não “không bao giờ tĩnh”. “Không bao giờ chỉ có bức tường này cần phải vượt qua.”

Lưu ý của biên tập viên: Maria Lehtinen là một điều tra viên của Sáng kiến ​​Nghiên cứu Tự kỷ của Quỹ Simons (SFARI) và Richard Daneman trước đây đã nhận được tài trợ từ Quỹ Simons. Quỹ Simons cũng tài trợ Quanta như một tạp chí độc lập về mặt biên tập. Quyết định tài trợ không có ảnh hưởng đến phạm vi bảo hiểm của chúng tôi.