人腦奧秘的探討:腦退化疾病的預防和治療的展望


吳政彥


1986年台美基金會人才成就獎—科技工程獎得獎人


鍾照政,王賽美,吳政彥


人腦是人體中最奧秘的一個器官,它不但具有一般器官所共有的特性—即機械性的功能,它還有一般器官所沒有的獨特的功能—就是心靈認知的功能(Mind and Cognitive function)。具體來講人腦主要有下列幾種功能﹕
1.整合身體內外的各種訊息並做出反應(Integration of and Response to Sensory Inputs);
2.保持體內各種生理環境的平衡(Maintaining the Homeostasis);
3.執行更高層次的功能,諸如學習、記憶、創造、情緒表達等等(Higher functions e.g. Learning,Memory,Creativity,Cognitive Functions etc.)。


雖然在公元前四世紀時,被醫學界尊稱為醫學之父的Hippocrates就已宣稱一切的學習、記憶、感覺等等都是由腦來支配的,究竟腦到底怎樣來從事這些功能,一直為人類所探索,但卻是毫無結果的挑戰。現在我們知道腦的基本組織是由神經細胞(Neuron)及神經膠質細胞(Glia)所組成。人腦大約有一千億的神經細胞及一萬億的神經膠質細胞。而腦的主要功能是透過神經細胞相互之間的訊息(Signal)傳遞來達成的。訊息的傳遞可以分成兩種:一種是興奮性(Excitatory)訊息傳遞;另一種是抑制性(Inhibitory)的訊息傳遞。而訊息的傳遞主要是透過化學小分子,被稱為神經傳遞物質(Neurotransmitter)的釋放來完成的。在過去三、四十年間,神經科學有很大的突破,而我們台灣的科學家也扮演了相當重要的角色,如前台大醫學院院長故李鎮源教授。他發現神經蛇毒蛋白,α-Bungarotoxin是作用在Acetylcholine(ACh)的受體(Receptor)上。這項重大的發現糾正了過去錯誤的觀念,以為ACh的受體及其分解的酵素(Enzyme)是同一的蛋白質分子,同時也提供了ACh受體分離及純化的最佳途徑,使得受體的研究能提升到基因、蛋白質結構的分子層次。其次在神經傳遞系統方面,一直困擾着科學家的另一重要的課題,就是如何知道神經細胞用那一種的分子來傳遞信息,而且神經細胞之間的信息傳遞的途徑又如何,就是所謂的神經迴路又如何來決定的。


當初我跟我的同事就決定從事抑制性的神經傳遞物質,-Aminobutyric Acid,簡稱為GABA,來著手進行研究。我們的構想就是希望把GABA的合成酵素,L-Glutamic Acid Decarboxylase (GAD)能純化出來,如此一來,我們就有可能拿到高品質的抗體來鑑定出那一種神經細胞含有GAD,進而確定有那些神經細胞是利用GABA來傳遞信息的。當時很多資深的神經生化專家都不鼓勵嘗試這個計劃,因為他們都曾經嘗試過而失敗了。但是我們還是堅持下去。最後我們終於從9000隻老鼠的腦中抽取純化出6毫克的GAD。正如我們所預測的,我們利用純化的GAD製造出高品質的抗體,用細胞免疫化學的方法來觀察GAD在細胞內的分佈,得以確定其在那個腦區、那些神經細胞是用GABA來傳遞信息以及它們之間的關係,使得一向被視為極端錯綜複雜的神經迴路(Synaptic Circuitry)得以被系統地整理出來。此後其他的神經傳遞系統,也陸陸續續以相同的方法被釐清出來。


除了抑制性的神經傳遞系統外,興奮性神經傳遞系統,特別是L-glutamate (Glu)系統的研究,在過去的三十年中也有很大的突破。L-Glu是胺基酸中含量最高的一種,也是蛋白質組成上最重要的一種胺基酸。所以剛開始時,一般科學家不太容易接受Glu是一種神經傳遞物質,可以用來傳導神經信號。現在Glu已經被公認為是一種主要的興奮性神經傳導物質。據估計人腦中約有30-40%的神經細胞利用Glu來傳遞訊息,另30-40%則用GABA來傳遞信號。除了信號的傳遞外,Glu在腦的記憶學習功能上也扮演一個重要的角色。這就是神經科學上所謂的Long-Term Potentiation (LTP)。意思就是說一般的興奮性刺激能引起神經細胞膜短暫的電壓變化﹐但重複而頻繁的刺激卻能引起更大而持久的細胞膜電壓的變化,這就是在細胞層次上記憶的一種表現。整個神經系統的功能就是透過這種興奮性、抑制性神經信號的調控來達到它所要傳遞的信息,諸如肌肉的收縮與放鬆、心跳的快慢、情緒的變化等等。前面已經提到人腦會有上千億的神經細胞,而每個神經細胞都參與調控別的神經細胞而它本身也受到其它別的神經細胞的調控。這種關係相當複雜,甚至有些單一神經細胞可以調控成千上百的其他神經細胞,同時也被為數龐大的細胞所調控。經過科學家多年的參與研究,主要的神經,即神經細胞之間接連的路線圖,已大致被釐清。


但很多腦的功能卻不是靠著這份腦神經迴路就可以解釋。其實腦的迴路圖並不是一成不變的,而是隨時在修改,在調整。換句話說,腦本身具有很大的彈性(plasticity),會隨著環境的變化來調整。上述提到記憶、學習所引起的LTP就是一個例子。LTP所代表的就是有更多的神經細胞接連在LTP產生的神經細胞上。發育中的腦更具有彈性。正常的腦發育通常需要環境來提供適當的刺激,以促進神經細胞的成長,譬如患有先天性白內障的小孩在4、5歲動手術除掉白內障後,視力並不能完全恢復。而老人的白內障一般經過手術後都能恢復正常的視力。這是因為在腦神經發育期間特別具有彈性,有適當的視覺刺激才能促進正常的視神經發展,患有先天性白內障的小孩因為視神經沒有受到適當的視覺刺激,而導致視神經的受損或發育不全,所以雖然白內障已經去除,但還不能完全恢復正常的視力。從動物實驗中也同樣證明神經細胞的正常發育也需要有適當的刺激才可以,譬如剛生下的猴子,一眼用眼罩蓋住不讓光線進入,經過一段時間後再拿掉,結果該眼的視神經就已經退化而導致失明。證明神經細胞如果沒有適當的刺激會退化損害。這也是為什麼老人在養老院內,沒有適當的智力刺激會加速鈍呆的原因。但神經細胞受到過量的興奮性神經傳遞物質如L-Glu的刺激,也會導致神經細胞的退化及損害。當初這個理論被提出時也遭到很多的批評,如同當時提出Glu是一種神經傳遞物質的情形類似。但現在有很多的證據證明過量、過多的興奮性的刺激會引起神經細胞的損害。譬如在培養的神經細胞中加入1mM或更低量濃度的L-Glu就足以造成神經細胞的損害。將類似Glu的藥品,Kainic Acid,打進動物腦部的Striatum部位,就能使該部份的神經細胞,GABA細胞,損害而引起類似亨丁頓氏(Huntington’s Disease)病的症狀。在天然物中也有類似Glu的物質被人類使用而產生腦部退化的情形。譬如在加拿大一漁村,因村民食用被污染的蚌蛤而導致很多村民得了像癲癇、巴金森氏症、阿茲海默症等症狀。經過調查才發現村民所食用的海產中含有一種類似L-Glu的物質,叫做Domoic Acid。同樣發生在關島有一部落食用的某種豆類內中含有類似L-Glu的成份,也引起類似巴金森氏症、阿茲海默症這些症狀。甚至一些沒有直接跟過份刺激有關的病,如腦中風也與L-Glu興奮劑刺激有很大的關係。一般認為腦中風所引起的腦細胞損傷是因為腦血管的栓住或破裂引發缺氧所引起的神經細胞受損,其實最主要的破壞是來自缺氧導致大量L-Glu的釋放所引起的過量刺激就是所謂的興奮性毒性(Excitotoxicity)。當神經細胞受到過量的興奮性神經傳遞物質如L-Glu刺激時,細胞內鈣離子就會快速升高因而啟動細胞內一連串的反應,包括一些酵素的活化及自由基(Free Radical)的產生。自由基是一群氧化力很強的離子,在正常情形下很快就被細胞內自己的酵素分解掉或轉化為穩定不作用的分子。如果自由基的量太多或細胞內去除自由基的功能不足,這些自由基就會破壞細胞的組織及一些重要的成份,如蛋白質、酵素、受體、離子溝(Ion Channels)等等,導致神經細胞的死亡。自由基一直被認為是在腦退化疾病的病因上扮演一個重要的因素。譬如巴金森氏病主要的病因是因為多巴胺神經細胞的退化,多巴胺本身在被新陳代謝時就會有大量的自由基產生。當細胞的抗氧化的機制不足時,就如上所述可導致細胞的死亡。

另外一種神經退化的病叫ALS,或稱為Lou Gehrig’s Disease。Gehrig是一名美國有名的棒球選手,後來得了ALS。這種病是因為一種神經細胞叫做運動神經元(Motorneuron)的退化所引起。最近發現Motorneuron的退化是因為其中的一種重要的抗氧化酵素,Superoxide Dismutase (SOD)有突變,喪失了它的抗氧化功能,以致于細胞內自身抗氧化的機制不足而導致細胞的退化。另一種抗氧化酵素,Methionine Sulfoxide Reductase (MSR)也被發現在保護細胞免受氧化損害上扮演一個重要的角色。我的同事Dr.Herbert Weissbach跟他的合作者發現如果用基因改造的方法,讓果蠅能大量表達MSR,則可以延長果蠅壽命的二倍。相反地減少MSR的量則造成壽命的縮短。可見氧化不但造成神經系統的傷害,也影響到老化的速度。所以現在一般科學界認為攝取含有較高的抗氧化成份的食物,如維他命C、E及polyphenol等對防止老化及減少疾病有幫助。如上所述,過量的L-Glu刺激細胞會產生自由基,導致神經細胞的破壞。一個合理的治療方法就是使用藥物來減少L-Glu受體的活性。


另一項可能加速腦老化的因素是精神壓力。雖然某種程度的壓力能讓人有更好的表現或更有耐力,但現在科學的研究已經發現慢性、持久的壓力能破壞腦細胞並加速細胞的老化。壓力之所以會增加耐力或能做出平時達不到的表現,主要是在壓力下身體會分泌一種荷爾蒙,叫做可體松(Cortisol)。這種荷爾蒙能使人更敏捷、更快速、更靈活、反應更快。這也是為什麼很多職業球員或者奧林匹克選手甘冒被開除的危險,也想冒險試用的原因。


但這種荷爾蒙也會增加細胞內鈣離子的濃度。如上所述,鈣離子濃度的增高將會導致自由基的增加,因而破壞神經細胞。在Rockefeller大學及Standford大學的教授發現把Cortisol注射到老鼠體內,幾星期後,老鼠的神經細胞就開始退化。Standford大學的Sapolsky教授做了一個很有趣的實驗。他在非洲Kenya的地方,把野生的猴子﹐小的跟大而壯的猴子關在同一個欄子內,結果這些小的猴子慢慢的一個一個死掉。經過檢驗發現,這些小猴子都有壓力過大的症狀,譬如Adrenal Glands擴大、胃潰瘍、胃腸發炎及神經細胞退化等等。最近加州大學舊金山醫學院的教授也報告一些壓力大的婦女,譬如需要長期照顧有嚴重殘障的子女,她們的老化程度要比同年齡的婦女來得快。他們是從分子、細胞的層次來比較,譬如壓力大的婦女免疫能力弱、細胞內的自由基含量較高、Telomere比較短。Telomere就是在染色體末端接連的DNA。每當細胞分裂一次,Telomere就短了一些。等到Telomere短到某一程度,細胞就不能再分裂,最終就被破壞掉。所以Telomere越短,表示老化的程度越嚴重。因此可見,放鬆自己,保持愉快的心情,不但能減緩我們老化的速度,也能保持我們的腦健康,使我們能享受更高品質的人生。


目前很多大藥廠都在研究Glu受體(Glutamate Receptors)的對抗藥(Antagonist)來降低L-Glu過度刺激所引起的神經細胞損害。譬如在歐洲用來治療巴金森氏病的藥,Memantine,最近被批准用來治療阿茲海默病。而這個藥作用的原理,也是利用來對抗Glu受體。所以可以說Glu所引起過度神經刺激導致的神經細胞損傷跟很多腦疾病都很有關係。但如上所說,Glu不但是一般神經信號傳遞所需要的,更是學習、記憶等腦的高級功能所不能缺的。如果用Glu受體的拮抗劑要來阻止Glu的功能,其副作用將是不堪設想。因為如此很多Glu受體的對抗藥目前也都還停留在實驗研究的階段。我和我的同事同時也開發出一種Glu受體的拮抗劑。它的特性是它不能完全阻斷Glu受體的功能,最多只是減低一半左右。換句話說,如果用量適當將會把Glu的過量刺激減低,恢復到正常的神經傳導的程度。在動物實驗上﹐我們證明這個藥能很有效的阻止類似Glu,即NMDA或高壓下所引起的類似癲癇症狀的發生。這個結果已經發表在美國生化期刊上(Journal of Biological Chemistry,272:24247-24251,1997),並已得到美國的專利。


上面所提到由興奮毒性所引起的神經細胞破損主要是經由細胞膜的破裂所造成,但另一種形式的細胞死亡就是一種自殺性或有計劃性的死亡,稱為細胞凋亡(Apoptosis)。細胞凋亡在神經系統發育過程中扮演重要的角色。有很多重複或不再需要的神經細胞,就是透過這種機制有計劃性的被去除掉。最近科學家才注意到細胞凋亡,不但在腦發育過程中,同時在腦疾病的病發過程中一樣重要。正常的細胞本身也有防止細胞凋亡的能力存在,但是也存在一些有潛力的分子可以加速細胞凋亡。一旦當細胞本身受到損傷不能復原時,細胞內就自己發出信號來啟動自殺的機制,讓細胞自己慢慢縮小以致消失。這樣就不會分散有毒的成份連累傷害到附近的細胞。科學家也利用這個特性,希望能發展出一些藥物能促進細胞內抗細胞凋亡的分子的製造,或抑制加速細胞凋亡的分子的活性。但這些抗細胞凋亡的藥物在藥理理論上都有可能會促進癌細胞的生長﹐所以不得不慎重。


除了藥物的治療外﹐幹細胞(Stem Cell)的療法可能最具有潛力。一般來講,神經細胞不像很多細胞可以分裂,所以我們一生下來,每天就有成千上百的神經細胞損害﹐只要時間一久,我們人人有一天都會變成痴呆,變成行動不便﹐甚至死亡。因為我們的神經細胞將不夠用來傳遞信息,以維持最起碼的生命。其實最近幹細胞的研究給我們帶來極大的盼望。我們人腦並不像以前科學家所相信的不能再生。實際上在我們人腦中有幹細胞的存在,特別是在Hippocampus及Sub-ventricle Zone的部位內腦幹細胞含量特別高。只要我們能找出細胞分化(Differentiation)的原理,讓這些幹細胞分化成特殊的神經細胞,並引導它們到所需要的部位,這些新成長的神經細胞就有可能與其神經細胞形成連接達到有功能的目的。另外,也可以用細胞移植的方法來達到相同的目的。同樣幹細胞的技術也可以用來培養特殊的神經細胞,把它們分化為多巴胺(Dopamine)神經細胞。科學家已成功地將這些新分化成的多巴胺神經細胞移植到實驗動物的Basal Ganglia內的Substantia Nigra部位。結果這些被移植的多巴胺神經細胞能成功地表達多巴胺合成的酵素及輸送多巴胺的功能。這表示移植的多巴胺神經細胞已成功地擔負起多巴胺神經細胞在腦內的功能,這對巴金森患者來說是個很好的消息。另外用幹細胞來醫治因為椎骨神經受傷而癱瘓的成功例子也已被報導。科學界對幹細胞的潛力非常樂觀。這主要基於下列幾點:
1.理論上,幹細胞,特別是胚胎型幹細胞可以分化成任何一種細胞以供移植之用﹔
2.理論上,幹細胞可以大量生產好像培養細菌一樣,不必受制於動物的來源或人體器官的來源﹔
3.理論上,幹細胞可以取自病患本身,所以移植後沒有排斥的問題。


由於醫學倫理上的考慮,目前美國政府僅資助有限度的胚胎幹細胞的研究,但州政府及民間機構都競相投入幹細胞生物科技的研究。最近加州經過公投同意投入300億美元來促進幹細胞的生技發展。威斯康辛州也同樣撥出巨款,來發展幹細胞的生技產業。台灣這幾年極力推動生技產業的發展。國際上重視幹細胞生技產業的潛力,值得台灣借鏡。