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嗶嗶嗶!細菌勿進!這裡是大腦的絕對防禦——血腦屏障

當無孔不入的細菌潛入我們的身體,甚至在血液中瘋狂流竄時,血腦屏障是大腦與微血管之間的森嚴堡壘,抵擋外來病菌從微血管侵犯大腦,提供最堅實的保護。然而,卻因它不留情面地排斥外來藥物,也形成醫學界最頭疼的關卡。
 
 
病原體四伏的生活中,人體如何保衛自己?
 
在我們的日常環境裡,處處充滿肉眼無法看見的病菌與異物,在舉手投足之間,就已經與成千上萬個細菌擦身而過。為了避免充斥在環境中的病菌或異物侵入,人體內建了各式各樣的防衛構造,以維持健康運作。

首先,是我們熟知的三大免疫防線,它們就是人體的戰鬥部隊,攻擊外來病原體的侵入。皮膚、分泌液、黏膜是第一道物理防線,宛如人體和免疫將士們的盾牌,抵擋外來病原體的入侵,白血球、巨噬細胞等免疫小兵則作為第二道防線,最後是超兇悍的免疫大將軍:B細胞與T細胞。
 
在日常起居中,我們的舉手投足、一言一行之間,早已和數以萬計的細菌和病原體打過招呼,甚至進入我們的人體裡。人體必須仰賴免疫系統的防線、三大保護屏障,才能維持人體的健康。(圖/Pixabay)
▲在日常起居中,我們的舉手投足、一言一行之間,早已和數以萬計的細菌和病原體打過招呼,甚至進入我們的人體裡。人體必須仰賴免疫系統的防線、三大保護屏障,才能維持人體的健康。(圖/Pixabay)
 
除了戰士一般的免疫系統,人體更擁有「三大屏障」,宛如堅固城牆,能抵擋外界異物的攻入。三大屏障包括胎盤屏障、腸道屏障與「血腦屏障」(或稱血腦障壁,blood–brain barrier,BBB),其中,血腦屏障最為複雜。

柔軟大腦的絕對防禦在這裡——「奈米控」的血腦屏障

腦是人類最重要的器官,不僅控制人體的行為活動,更主導了思考、感覺、語言等各種功能。然而,身為如此關鍵的器官,大腦的結構卻柔軟如豆腐,幸好大腦外面有堅硬的頭骨和三層腦膜保護,再加上血腦屏障進一步捍衛腦的安全,才能順利阻止外敵透過微血管的孔隙侵略大腦。

由於細胞和血液的物質交換主要在微血管進行,為了保護大腦和腦內的細胞,人體嚴格管控通行的物質,在腦和腦微血管之間築起了層層的血腦屏障,讓大腦固若金湯。兼具防禦和篩選功能的血腦屏障,主要由三層結構組成,從腦微血管的最內層到外層如下:
 
(1)第一層:由腦微血管最內層的細胞組成非常緊密的連接,細胞間的孔隙比一般微血管的更小,因此物質無法輕易通過腦微血管。
(2)第二層:在腦微血管最內層緊密連接細胞的外側,有一層完整的連續膜,緊密地包覆腦微血管,使得腦微血管的通透性更小,物質更難以穿越。
(3)第三層:腦微血管壁最外層被一種特殊的「星形膠質細胞」分支所包圍,不僅可維持腦微血管細胞更緊密連接,同時影響腦神經傳導物質的作用,調控神經傳導和腦內營養物質的代謝。
 
血腦屏障(BBB)有三層結構防衛,阻止外物進犯大腦。(圖/王淑卿提供)
▲血腦屏障(BBB)有三層結構防衛,阻止外物進犯大腦。(圖/王淑卿提供)
 
在三層屏障的捍衛下,血腦屏障僅容許奈米級的小分子物質和特定養分進入大腦,大分子的物質幾乎無法通行。相對地,這種篩選機制雖然成功阻止了細菌與外物的進犯,卻也使高達95%~98%的藥物被拒於門外,難以有效到達腦部治療疾病,成為腦部醫療最艱鉅的挑戰之一。

如何攻破魔王關卡般的血腦屏障?

苦於血腦屏障的阻礙,過去醫療難以利用藥物治療腦癌,主要的傳統療法為「開顱手術」,直接將患者的頭骨切開以便切除患部。開顱手術是侵入式的手術治療,極有可能造成許多副作用,如肢體無力、癱瘓、人體協調失常、性格改變、語言理解或表達障礙、痙攣等,雖然大多會逐漸復原,但也可能產生許多後遺症,如長期昏迷、無法說話、癲癇、記憶力減退或喪失等。

當確診為腦癌時,除了開顱手術,也有可能需要配合化學藥物治療或物理放射性治療。然而,血腦屏障會阻隔大多數化學藥物,即使有化療藥物能夠穿透它,往往會讓多數的病人產生抗藥性,並伴隨許多副作用,如白血球、血紅素與血小板過低,噁心、嘔吐、虛弱、口腔潰瘍、食慾不振、落髮等。此外,物理放射治療也極易產生不適症狀,造成照射部位頭皮變紅、變黑、發癢、微腫、頭髮脫落等等。
 
 
除了腦癌外,其他常見的腦部神經退化疾病,如阿茲海默症(俗稱失智症、老年痴呆症)、巴金森氏症、或肌萎縮性脊髓側索硬化症(俗稱漸凍人)等疾病,也都受制於血腦屏障的阻攔,無法有效使用藥物治療。
 
近年來,醫療技術蓬勃發展,面對銅牆鐵壁般的血腦屏障,學者發現,由於病毒與奈米物質是奈米級的小分子,比起一般的大分子藥物,它們比較容易通過血腦屏障,因此若能將對人體無害的病毒或奈米物質當作運載工具,再配合超音波的輔助,即可成功攜帶奈米藥物和具特定療效的基因穿越血腦屏障,有效治療腦部疾病。

對當今醫學界,突破血腦屏障的防禦已經不再是天方夜譚,當藥物和基因穿過大腦與微血管之間的層層障壁後,不僅可精準地針對腦癌進行治療,而且在輔助的超音波停止後,血腦屏障會自動復原,不會影響原有保護腦的功能,整個處理過程也會被專家即時監控,是治療大腦病症的一大福音,為腦部醫療帶來嶄新契機。

參考資料:
1. 布魯伊利特/ Brouillette, Monique (2016)。穿越腦中屏障(張薰文,譯)。科學人雜誌,137,14-14。
2. K Fan, X Jia, M Zhou, K Wang, J Conde, J He, J Tian, X Yan(2018). Ferritin nanocarrier traverses the blood brain barrier and kills glioma. Acs Nano, 12 (5), 4105-4115.
 
 
來源:
  • 科技部107年度「科轉計畫:前沿科技轉化暨教育應用推廣」專案計畫
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