大腦保護罩受損可能導致阿爾茨海默病和其他疾病

那是在耶路撒冷的午夜，我們正在觀察小鼠游泳。那是1994年，我們兩人蹲在希伯來大學實驗室的一個冷水池旁。房間很冷，我們弓著背，腰痠背痛，而且我們已經連續多個晚上重複這個例行程式，所以我們又累又不舒服。小鼠也是如此。小鼠真的不喜歡游泳，尤其是在冷水中——但我們想讓它們感到壓力。

我們人類上夜班是因為我們兩人白天都有其他事情要做。考弗正在攻讀分子神經生物學博士學位，弗裡德曼是以色列國防軍的醫生，經常值班。每天晚上把我們和小鼠聚集在一起的是試圖理解一個醫學謎團：海灣戰爭綜合徵。在1991年衝突結束後，越來越多的報告稱，美國領導的聯軍士兵患有慢性疲勞、肌肉疼痛、睡眠問題和認知能力下降，這些士兵的住院率高於未部署的退伍軍人。一些醫生懷疑，給予士兵以保護他們免受化學武器侵害的吡啶斯的明，如果進入他們的大腦，可能會導致這些疾病。

然而，這個理論存在一個大問題：血液中的吡啶斯的明不應該到達大腦。穿過這個重要器官的血管的壁由特殊的細胞構成，這些細胞緊密排列，並具有選擇性控制什麼可以進入大腦的能力。它們形成了一個屏障，將毒素、細菌和病毒等病原體以及大多數藥物安全地保留在血管內。這種結構被稱為血腦屏障，簡稱 BBB，這種藥物本不應該能夠穿過它。

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也就是說，如果屏障完好無損。我們正在測試以下假設：戰鬥的身心壓力可能會以某種方式引發屏障洩漏。游泳的小鼠是我們測試壓力是否會導致損傷的方法。當游泳結束後，我們把每隻小鼠從水池中拉出來，並將一滴藍色染料注射到它的一根靜脈中。然後我們等待染料透過它的身體，逐漸將小鼠變成藍色。如果 BBB 完好無損，那麼大腦應該保持其正常的粉白色。我們對小鼠實施了安樂死，以便我們可以在解剖顯微鏡下觀察它們的大腦。在幾個晚上，我們嘗試了各種游泳時間長度，但我們沒有看到任何大腦變化。

但在這一晚，在兩次稍冷的水中浸泡後，情況看起來不同了：大腦呈現出強烈的藍色！實驗室工作通常是乏味的，成功往往是微妙的，但這一次我們興奮得跳上跳下，互相擁抱。我們奇怪的實驗奏效了。壓力大的情況可能會使 BBB 出現洩漏。在我們的導師，神經科學家 Hermona Soreq 的幫助下，我們繼續證明這種效應發生在吡啶斯的明身上，並改變了腦細胞的活動。我們在 1996 年的《自然醫學》和 1998 年的《自然》雜誌上發表了這些結果。

四分之一世紀後，我們可以說，觀察這些藍色大腦原來是我們兩人職業生涯的決定性時刻，也是終身友誼和科學合作的開始。發現明顯的藍色色調是在多年來引導我們越來越深入地探究其他腦部疾病與器官保護殼缺陷之間聯絡的道路上的第一步。今天，吡啶斯的明滲透是海灣戰爭綜合徵病因的主要假設，儘管還有其他候選病因。我們的研究已將 BBB 損傷（由衰老以及損傷或急性應激引起）與幾種更常見的疾病聯絡起來：阿爾茨海默病和相關痴呆症、癲癇和創傷性腦損傷。在 2019 年發表在《科學轉化醫學》雜誌上的兩篇論文中，我們證明，隨著人們年齡的增長，這個保護罩會失去完整性並開始洩漏，從而使通常不會到達那裡的血液蛋白質進入大腦。這些蛋白質反過來會啟用腦細胞之間的一系列事件，這些事件會產生一些與衰老和疾病相關的最顯著和最廣泛的變化：炎症、異常神經元活動和認知障礙。

因果關係看起來尤其強烈，因為阻止這些洩漏引發的反應實際上可以逆轉疾病跡象，至少在齧齒動物中是這樣。在老年小鼠中，我們可以透過靶向藥物消除炎症霧，這種藥物可以保護腦細胞免受血液蛋白質的刺激，或者透過基因改造來阻止這些細胞釋放炎症分子。在治療的幾天內，這些小鼠的衰老大腦開始更像年輕大腦一樣運作。異常的電活動消退了。炎症標誌物降至低水平。當放入迷宮時，這些動物像年輕小鼠一樣快速而準確地透過迷宮。我們不能在人類身上嘗試相同的實驗性大腦改造；這不符合倫理道德。但是，我們已經能夠使用磁共振成像技術、腦電圖記錄和屍檢腦標本分析來比較老年人和阿爾茨海默病患者的大腦與年輕人和健康人的大腦。影像顯示，隨著年齡的增長以及患有該疾病的人，BBB 破壞和洩漏過度且逐漸加重，以及化學級聯反應的其他特徵。

我們不知道受損的屏障是否是阿爾茨海默病或其他腦部疾病的唯一原因。它可能與其他原因（包括遺傳學和在衰老大腦中觀察到的各種細胞問題）一起發揮作用。或者它可能是附帶損害。而且，在小鼠身上進行的實驗通常不會在人身上奏效。但是，目前，關於阿爾茨海默病的長期的主導理論——即它是由大腦中一種名為 β-澱粉樣蛋白的蛋白質積聚引發的——看起來比以往任何時候都更缺乏說服力。許多人的大腦中 β-澱粉樣蛋白水平很高，但沒有表現出精神功能下降。此外，許多實驗已經降低了大腦中這種蛋白質的水平，但該疾病和相關的精神衰退仍然沒有受到影響。靶向 β-澱粉樣蛋白的藥物未能提供幫助。鑑於世界衛生組織的資料顯示，目前全球有超過 5500 萬痴呆症患者，並且每年診斷出近 1000 萬新病例，許多科學家表示，現在是考慮替代解釋和治療方向的時候了。如果大腦保護罩的缺陷啟動了一系列導致疾病的事件——實驗表明，可以阻止這一系列事件以恢復大腦健康——那麼這是一條值得追求的調查途徑。

牆壁上的裂縫

BBB 的名稱中帶有“屏障”二字，聽起來像是大腦周圍的一堵牆，但它實際上更像是一個分散式過濾器。我們身體的控制中心獲得了心臟泵出的富氧血液的 20%，這些血液由錯綜複雜的血管網輸送。它們看起來與身體其他部位的血管不同，它們的壁由緊密排列的細胞構成，具有特定的運輸系統，形成半透膜過濾器。腦細胞網路需要一個受到嚴格控制的環境才能發揮作用，因此這種過濾器允許氧氣和葡萄糖等分子擴散透過，但會阻擋血液蛋白質、某些離子、免疫系統細胞和病原體。這種保護性網格遍佈大腦的大部分割槽域，從負責高階認知的皮層外層到調節記憶儲存的海馬體等深層區域。因此，過濾器出現問題可能會導致各種神經系統問題。

早在 20 世紀 90 年代，當我們完成關於海灣戰爭綜合徵的初步工作時，我們就知道其他研究人員已經注意到一些腦部疾病（包括阿爾茨海默病）患者的 BBB 損傷。但我們不知道這個問題是原因還是結果，也不知道屏障中的洩漏是如何開始的，以及它們可能會如何改變大腦功能。但是，我們確實想找出答案。

在耶路撒冷工作一段時間後，考弗去了斯坦福大學做博士後研究員，弗裡德曼繼續他在以色列的醫學培訓，專攻神經外科。但時間和距離並沒有讓我們忘記。在與家人一起度假，在希臘島嶼之間航行時，我們趕上了進度。考弗在斯坦福大學的工作中更多地瞭解了壓力如何影響小鼠的大腦。弗裡德曼在他自己的實踐中，再次證實了其他研究人員的早期觀察，他們發現許多患有非常不同的神經系統疾病的患者的 BBB 存在缺陷。受損的屏障到底在做什麼？

在 2000 年代中期，當弗裡德曼有機會在柏林與已故的神經科學家 Uwe Heinemann（神經生理學研究所，夏裡特基礎醫學中心的一部分）一起工作時，我們開始弄清楚這個問題的答案。海因曼向下一個關鍵實驗敞開了他的實驗室。我們想在 BBB 開始發生故障後直接觀察大腦功能，因此我們給大鼠注射了一種化學物質，這種化學物質實際上在屏障上戳了洞，然後在稍後的不同時間解剖了它們的大腦。我們將大腦切片儲存在滋養液中，並使用電極記錄細胞在屏障洩漏的情況下用於相互交流的電訊號。

最初的幾天很無聊。神經元以斷斷續續、不規則的模式一個接一個地發出訊號，“交談”得好像什麼不尋常的事情都沒有發生一樣。我們幾乎決定放棄。然後，在第五天，細胞的喋喋不休模式發生了變化。越來越多的神經元開始同步地一起搏動。整整一週後，我們用來自電極的小訊號輕推它們，模擬大腦皮層內的短暫電訊號。這種輕推產生了一場細胞一起放電的風暴，類似於在癲癇病人和動物身上觀察到的情況。

我們認為這些細胞發生的事情類似於產生 Twitter 風暴。想象一下，您今天建立了一個 Twitter 帳戶併發布了一些聳人聽聞的宣告。您可能會得到非常小的回應，因為您不會有很多關注者。但是，如果在接下來的幾天裡，您建立了一個更大的關注者網路並再次發推文，那麼相同的宣告很可能會被轉發，從而招募更多的關注者，他們也會轉發它，最終導致社交媒體平臺上的推文風暴。類似地，當我們破壞 BBB 時，大腦中的神經元並沒有立即被打亂，但在它們花了一個星期建立新的連線網路後，一個小小的震動引發了更大的電反應。我們現在已經在被診斷患有阿爾茨海默病和癲癇病的人的大腦中記錄了這些電反應，並將這些事件稱為“陣發性慢波事件”。

這場風暴只在我們模擬 BBB 洩漏後才會發生。如果沒有洩漏，我們的大腦切片就不會受到任何電風暴的困擾。因此，我們假設血液中存在某種元素，它到達這些神經元以觸發大腦反應。我們透過將血液直接注射到年輕、健康且 BBB 正常的大鼠的大腦中（繞過屏障）並監測電活動來測試這一理論。這花了好幾天時間，但風暴再次醞釀並爆發。顯然，這與血液有關。但是血液是一種複雜的液體，包含許多不同種類的細胞和蛋白質，因此我們開始了一項艱苦的過濾和捕獲遠征。我們使用各種過濾器來捕獲不同大小的血液成分，然後重複注射以檢視風暴是否再次發生。這是一個排除過程。最終，我們發現了一種會產生干擾的血液蛋白質：白蛋白。

麻煩的開始

我們對我們的發現並不感到興奮。白蛋白非常常見，並且參與許多身體功能，因此很難確定它在這種情況下在做什麼。我們本來更喜歡一種更稀有的成分。但白蛋白是我們得到的，所以我們深入研究。考弗搬到加州大學伯克利分校，經營自己的實驗室，弗裡德曼開始了他的實驗室，最初在以色列內蓋夫本-古裡安大學，後來在加拿大新斯科舍省達爾豪西大學。我們計劃在幾年內進行一系列聯合的遠端實驗，以描述從 BBB 破壞和白蛋白洩漏到神經系統疾病出現的過程步驟。

我們學到的第一件事是，當白蛋白進入大腦時，它似乎會刺激星形膠質細胞，星形膠質細胞是關鍵的腦細胞，為神經元及其連線提供結構、功能和化學支援。當白蛋白接觸星形膠質細胞時，它會與細胞上的受體結合，這些受體在正常情況下會結合一種名為轉化生長因子 β (TGFβ) 的訊號分子。除其他外，TGFβ 會引發炎症，啟動稱為細胞因子的分子級聯反應，並激活星形膠質細胞和稱為小膠質細胞的哨兵細胞。通常，這種機制是大腦限制損傷的方式，透過有針對性地摧毀功能失調的細胞。但是，當白蛋白滲入時，它會導致 TGFβ 和其他細胞因子的過度產生形成正反饋迴圈，從而啟動一系列事件。最近的證據描述了“衰老”細胞——細胞增殖功能停止後仍保持化學活性的細胞——它們檢測組織損傷並開啟一種基因程式，該程式會放大訊號，並將其廣播給鄰近細胞。我們在今年發表在《衰老細胞》雜誌上的一篇論文中表明，滲入大腦的白蛋白會誘導星形膠質細胞衰老。最終，許多腦細胞受損，關鍵的神經連線被修改，這些迴路的功能惡化。

這些發現追蹤了從 BBB 洩漏（例如由腦損傷引起）到神經功能障礙和癲癇可能發展的步驟。我們開始好奇這是否為某些個體大腦功能隨年齡增長而退化提供了一種可能的解釋，事實上，隨後的實驗表明，這一系列事件是如何在衰老小鼠中發生的。這些動物的平均壽命通常略超過兩年。我們讓一群小鼠平靜地衰老，並在不同時間點觀察它們的大腦內部。我們看到，白蛋白在年輕小鼠的大腦中根本不存在，但在中年時開始出現。這種影響最初是輕微的，但屏障的完整性明顯下降，並且在一些小鼠中隨著年齡的增長而變得更糟。受影響的小鼠在學習和記住透過迷宮的路徑方面也比它們年輕且相對無白蛋白的同類小鼠更困難。

當白蛋白出現時，其他實驗表明，TGFβ 受體開始變得活躍。我們用識別 TGFβ 受體啟用的炎症蛋白副產物的抗體對小鼠大腦進行染色，然後我們使用綠色熒光來定位具有白蛋白和 TGFβ 受體過度活躍的星形膠質細胞。炎症訊號始終在白蛋白出現在星形膠質細胞中之後開始，並且隨著白蛋白洩漏程度的增加而增加。我們看到白蛋白及其引起的炎症在海馬體中尤其豐富，海馬體是記憶調節的關鍵組成部分。

在過去的十年中，我們已經能夠提供充分的證據表明，同樣的過程發生在人類身上。我們使用示蹤分子來標記人體屏障洩漏的訊號。透過 MRI，我們可以看到當示蹤劑在注射後幾分鐘出現時，大腦如何改變其訊號。與小鼠類似，一些中年人已經顯示出示蹤劑在那時洩漏到他們的大腦中，並且年齡越大的人，他們的屏障洩漏得越嚴重。其他研究人員，例如南加州大學凱克醫學院的 Berislav V. Zlokovic 和他的同事，使用略有不同的成像方法來顯示認知障礙的活人海馬體中類似的與年齡相關的屏障完整性下降。在我們的工作中，我們添加了另一組人的屍檢，並表明白蛋白水平升高伴隨著更高量的 TGFβ，始終在星形膠質細胞中。這些濃度在老年人和死於阿爾茨海默病的人中高於沒有該疾病的人。

大腦再生

現在我們知道，衰老小鼠的 BBB 功能障礙與人類的過程之間存在相關性。但是證明相關性並不能證明因果關係。首先，我們證明了這種機制足以啟用大腦中的衰老程式：當我們將白蛋白注入年輕小鼠的完整健康大腦一週時，這些大腦的功能就像衰老的大腦一樣，具有異常的神經元功能、更高的癲癇發作易感性和降低的學習能力（小鼠很難學習水迷宮任務中的逃生路線）。此外，這種機制的啟用對於衰老反應至關重要：我們透過阻斷洩漏後發生的白蛋白-TGFβ 級聯反應來逆轉小鼠的退化。我們開發了一組小鼠，我們在這些小鼠中透過基因剪下掉告訴星形膠質細胞產生 TGFβ 受體的 DNA 部分，從而從細胞中消除了該特徵。當小鼠還相對年輕時，我們在它們的大腦中植入了一個微型泵，該泵注入白蛋白。我們對一組年輕的正常小鼠也做了同樣的事情。然後，我們將這兩組放入一個棘手的水迷宮中。（觀察小鼠游泳似乎是我們反覆出現的主題。）具有受體（以及大腦中白蛋白）的小鼠遇到了很多麻煩。但是，沒有受體的動物像年輕、健康的小鼠一樣快速而準確地遊過迷宮——而且當我們改變迷宮配置時，它們也學會了新的路線。當我們觀察它們的大腦時，我們看到了低水平的炎症、衰老的星形膠質細胞和異常的電活動。

這真的非常令人鼓舞。但是對於人類來說，敲除大腦特徵基因的選擇在短期內不會成為可用的療法。然而，還有另一種治療形式。Barry Hart 是加利福尼亞州帕洛阿爾託市一家初創制藥公司 Innovation Pathways 的藥物化學家，他設計了一種抗癌藥物，專門阻斷 TGFβ 受體的活性。這種生長因子在腫瘤進展中發揮作用，因此阻斷它們可能具有治療作用。哈特聯絡了我們，並建議我們在我們的小鼠身上試用這種名為 IPW 的藥物。

當我們給中年小鼠——那些開始出現白蛋白洩漏的小鼠——服用這種藥物時，我們瞭解到它使它們的大腦看起來又年輕了。 TGFβ 活性降至年輕小鼠的水平，炎症標誌物大幅下降，異常的電活動和癲癇發作易感性降低。

但最大的驚喜來自我們測試實際行為和認知時。我們設定了另一個迷宮，這次我們讓老年小鼠透過它。一些老年動物接受了 IPW 治療，一些沒有。我們沒有預測會有很大的改善，因為我們認為不可逆轉的損害已經造成。（我們沒有 TGFβ 基因的小鼠倖免於炎症級聯反應造成的長期退化，但這些動物沒有。）然而，在幾天之內，接受治療的小鼠在學習迷宮方面幾乎與它們年齡一半的齧齒動物一樣出色。未接受治療的小鼠像往常一樣蹣跚而行。此外，接受 IPW 治療的小鼠沒有表現出我們在阿爾茨海默病或癲癇病患者身上通常看到的“Twitter 風暴”效應，也沒有太多炎症跡象。就好像炎症霧已經消散，讓大腦重新獲得了青春的能力。這些以及對人腦的研究是我們 2019 年在《科學轉化醫學》雜誌上的兩篇論文中發表的結果。

迷宮結果如此出乎意料，甚至對我們來說也是如此，因為像大多數人一樣，我們認為衰老損傷是一條單行道——無法逆轉的退化。對於主要的大腦問題，例如帕金森病患者或晚期阿爾茨海默病患者一旦 β-澱粉樣蛋白積累到足以殺死大片神經元和其他細胞的程度時發生的破壞，情況可能就是如此。但這項工作可能表明，在沒有大量細胞死亡的情況下，衰老的大腦具有從某些型別的損傷中反彈的隱藏能力。

我們的發現也對急性損傷以及不僅僅是逐漸退化具有意義。在對患有腦震盪或創傷性腦損傷的齧齒動物使用 IPW 治療後，這種藥物減輕了安慰劑治療的動物中出現的炎症、癲癇發作和認知能力下降。

修復損傷

世界人口正在老齡化，痴呆症和阿爾茨海默病患者的數量正在上升。神經科學家對從年輕、健康的大腦到衰老、功能失調的大腦的轉變的早期觸發因素知之甚少。阿爾茨海默病和其他衰老神經系統疾病是複雜的。大腦處理異常蛋白質的方式存在缺陷可能在這些疾病的開始中發揮作用，或者觸發因素可能是神經元之間電訊號的損害，僅舉兩個可能性。

現在，洩漏的 BBB 也必須被認為是強有力的競爭者，儘管它可能不是唯一的原因或唯一的治療途徑。這種屏障破裂理論提供了一個非常直觀和直接的新模型來理解為什麼大腦會隨著年齡的增長而衰退。這是一個讓我們感到樂觀的模型：我們的工作結果強烈暗示，衰老的大腦保留了重塑和恢復自身的能力，這種能力可能受到持續洩漏和我們追蹤到的隨之而來的事件鏈的長期抑制，但並非不可逆轉地喪失。

我們的下一步是尋找減少屏障洩漏的策略和療法。過去，針對屏障的藥物研究側重於提高通透性的方法，而不是限制通透性的方法，以便讓更多藥物穿過屏障以治療腦腫瘤或感染。我們的結果表明，現在是時候扭轉問題了：我們能否想出阻止保護罩退化、阻止有害物質穿過屏障的方法，或者至少在分子多米諾骨牌倒塌時中斷它們？如果我們能弄清楚這些事情，就有機會為很多人做好事。