生命科學

打開血腦障壁

血腦障壁不只是單純的圍牆,而是可以變化與活動的器官。這項新的發現可能給癌症與阿茲海默症等疾病帶來革命性的療法。

撰文/英特藍迪(Jeneen Interlandi)
翻譯/潘震澤

生命科學

打開血腦障壁

血腦障壁不只是單純的圍牆,而是可以變化與活動的器官。這項新的發現可能給癌症與阿茲海默症等疾病帶來革命性的療法。

撰文/英特藍迪(Jeneen Interlandi)
翻譯/潘震澤

艾利希(Paul Ehrlich)於19世紀末進行的著名染色實驗,不僅讓他發現了某種梅毒的療法以及獲頒諾貝爾醫學獎,同時還碰上一個至今仍困擾醫學界的難題。當他將染劑注入小鼠的血液循環系統,發現體內除了腦以外的所有器官都被該染劑滲透了:腎臟、肝臟以及心臟在顯微鏡下都呈現清楚且明顯的藍紫色,只有腦部仍維持蒼白的淺黃色。當艾利希的學生把相同染劑直接注入腦中,卻得出相反的結果:腦變成了藍色,其他器官則否。該學生想:顯然,有某種障壁存在於腦與血液之間。


一直要過了半個世紀,比艾利希當時使用的顯微鏡放大率高出約5000倍的顯微鏡問世後,才有人真正看到深藏在腦部血管中的那個障壁。正常人腦中,血管總共有將近645公里那麼長。這些血管彎來扭去,形成無止盡的糾纏迴圈,將人腦當中約1000億個神經元都涵蓋在內。所有這些血管的內壁都襯附著一層內皮細胞;事實上,人體內所有血管的內壁都由內皮細胞所覆蓋,只不過這些內皮細胞在腦血管內壁的排列方式,要比體內其他位置的血管都來得更緊密。這也說明了為什麼艾利希使用的染劑以及大多數的現有藥物,都不能從血液進入腦中。


早在能看見這層障壁之前,醫生就曉得敬畏並避開它。美國明尼蘇達大學的血管生物學家及血腦障壁專家德魯斯(Lester Drewes)說:「多年來,我們都把它視為一道磚牆。大家的共識是:血腦障壁的存在必然有其道理,所以也不應該去干擾它。」


這種共識已然發生變化。目前科學家知道,該道磚牆其實活動不斷:位於其兩側(血液與腦)的細胞經常相互溝通,彼此影響。不只如此,內皮細胞的細胞膜上還嵌有各式各樣可管制交通的分子通道,它們不讓某些物質通過,卻會護送其他的物質穿透。甚至以往認為體積過大、不可能穿透該障壁的白血球,也能經常穿梭其間,以偵測入侵者。


因此,科學家採用了「神經血管單位」(neurovascular unit)一詞,好更貼切地形容他們觀察到的血腦障壁:那不僅是一道由內皮細胞築成的圍牆,同時還是個由許多不同種類細胞(包括圍繞在血管外圍的一些)所組成的重要器官,在發育、老化以及疾病當中都扮演著關鍵角色。多虧顯微鏡學的另一項突破,如今科學家能從更近的距離看清楚這個器官。


障壁破損,造成腦部損傷


美國羅徹斯特大學的奈德加(Maiken Nedergaad)從「雙光子」顯微鏡下看到的炫目影像,遠遠超過艾利希的所有想像。這是理所當然的,因為奈德加所觀察的腦子仍然位於活生生的動物(小鼠)體內,這可是與艾利希的觀察對象狀況完全不同。奈德加只移除了小鼠的一小塊顱骨,然後將染劑注入血管中,就可以觀察實際運作中的血腦障壁,也就是看著個別的細胞從血液穿越一層由內皮細胞組成的微血管壁,進入腦中。這種細胞的移動過程,可是讓人驚豔的影像,特別是奈德加想到20年前剛入行時,該障壁是多麼地難以研究。


在雙光子顯微鏡發明之前,研究人員能做的事比艾利希好不到哪裡去:只能使用傳統的光學顯微鏡來研究經化學藥物固定的死組織。至於雙光子顯微鏡這種先進的成像技術,則可透視腦皮質達300微米的深度。奈德加說,早期的實驗方法對於血腦障壁的實際運作方式,能揭發的生物學內容的實屬有限,這是因為血流對於該障壁以及腦部的正常運作,都是不可或缺的。至於那有多重要,可是讓研究血腦障壁的科學家既吃驚又興奮。