中樞神經(jīng)系統(tǒng)液體循環(huán)研究進展

汪 雪,高勝青,周夢良

1.南京大學醫(yī)學院,南京 210093; 2.南京大學醫(yī)學院附屬金陵醫(yī)院神經(jīng)外科,南京 210002

中樞神經(jīng)系統(tǒng)的液體循環(huán)從脈絡叢產(chǎn)生腦脊液(cerebrospinal fluid,CSF)開始,經(jīng)各腦室進入蛛網(wǎng)膜下腔(subarachnoid space,SAS),在SAS通過類淋巴系統(tǒng)與腦間質(zhì)液進行物質(zhì)交換,最后通過硬腦膜淋巴管、蛛網(wǎng)膜顆粒等途徑回到外周循環(huán),形成了一個從外周循環(huán)中來、經(jīng)過物質(zhì)交換后又匯入外周循環(huán)的過程。由于構(gòu)成血腦屏障(blood-brain barrier,BBB)的血管內(nèi)皮細胞之間具有緊密連接,同時腦內(nèi)缺乏實質(zhì)性淋巴系統(tǒng),此兩者可導致顱內(nèi)液體交換不足,而類淋巴系統(tǒng)彌補了這一不足,為大腦承擔高級神經(jīng)功能提供了物質(zhì)基礎。在創(chuàng)傷性腦損傷(traumatic brain injury,TBI)發(fā)生后,保證中樞系統(tǒng)的液體循環(huán)途徑正常進行的結(jié)構(gòu)被破壞,腦脊液的流動模式改變,類淋巴系統(tǒng)的功能在TBI后被長期抑制,而毒性蛋白如β-淀粉樣蛋白(β-amyloid,Aβ)、Tau蛋白等在腦組織中大量沉積[1],從而導致創(chuàng)傷后遠期的認知功能損傷,增加了創(chuàng)傷后阿爾茨海默病(Alzheimer’s Disease,AD)的發(fā)病風險[2]。同時創(chuàng)傷后液體循環(huán)途徑的破壞也可以導致免疫細胞的直接入侵[3-4],這或許可以解釋創(chuàng)傷后腦部長期存在的神經(jīng)炎癥[5]。中樞神經(jīng)系統(tǒng)液體循環(huán)途徑的破壞在TBI后病理生理改變中發(fā)揮重要作用,這可能為改善TBI后患者生存質(zhì)量提供了重要靶點。

1 CSF、腦室和SAS

在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中,CSF的產(chǎn)生、循環(huán)與吸收維持著動態(tài)平衡。腦組織被SAS的腦脊液包裹,這種“懸浮”狀態(tài)保證了在正常顱內(nèi)壓下腦組織可以維持正常的形態(tài),并且可在外界應力的作用下起到緩沖的作用,減輕其對腦組織的傷害。另一方面,腦脊液是腦組織細胞外液的主要來源,在營養(yǎng)物質(zhì)運輸和代謝產(chǎn)物清除的過程中起重要作用。

1.1腦脊液的產(chǎn)生 現(xiàn)在的研究認為:約80%的腦脊液由腦室的脈絡叢產(chǎn)生,剩下的20%是由跨BBB的血漿超濾液構(gòu)成。脈絡叢由室管膜上皮、軟腦膜及其表面的血管共同構(gòu)成,在側(cè)腦室、第三腦室與第四腦室都有分布[6]。脈絡叢上皮細胞上的鈉離子-鉀離子-ATP酶、Na+/K+/Cl+共同轉(zhuǎn)運體的共同作用形成滲透梯度[7],來自外周循環(huán)的液體在滲透梯度和水通道蛋白-1(aquaporin-1,AQP1)的協(xié)同作用下進入腦室[8-10]。

1.2腦脊液的循環(huán)與吸收 在腦室產(chǎn)生的腦脊液通過兩側(cè)的第四腦室外側(cè)孔和位于后方的正中孔進入SAS。SAS的腦脊液約占腦脊液總量的80%,而腦室內(nèi)的腦脊液占總量的20%。

位于SAS的腦脊液可以在動脈搏動的驅(qū)動下進入血管周圍間隙(perivascular spaces,PVS)進行物質(zhì)交換,在帶走PVS的代謝產(chǎn)物后回到SAS,通過硬腦膜淋巴管、神經(jīng)周圍結(jié)構(gòu)、蛛網(wǎng)膜顆?；蛏鲜笭罡]旁空隙等途徑回到外周循環(huán)。

2 類淋巴系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

類淋巴系統(tǒng)也被稱為膠質(zhì)淋巴系統(tǒng)。對于這些命名,前者是因為其在生理功能上承擔著與外周淋巴系統(tǒng)相似的角色,后者是因為其星形膠質(zhì)細胞的依賴性。在類淋巴系統(tǒng)被發(fā)現(xiàn)之前,腦細胞外基質(zhì)的物質(zhì)交換被認為是跟CSF循環(huán)完全分開的。以前,人們普遍認為腦實質(zhì)內(nèi)代謝廢物的清除只能依靠蛋白酶的降解或者依賴BBB上的底物特異性的轉(zhuǎn)運體轉(zhuǎn)運到外周[11]。直到Iliff等[12]利用雙光子顯微鏡發(fā)現(xiàn)位于星形膠質(zhì)細胞足突與血管壁之間的間隙結(jié)構(gòu)對腦組織內(nèi)的代謝廢物具有引流作用。

2.1宏觀結(jié)構(gòu) 類淋巴系統(tǒng)由動脈旁的腦脊液流入途徑、依賴星形膠質(zhì)細胞足突AQP4的腦脊液-腦間質(zhì)液交換途徑以及靜脈旁的腦組織間液清除途徑三個部分構(gòu)成[12]。

2.2微觀結(jié)構(gòu)

2.2.1基底膜:基底膜是細胞外基質(zhì)(extracellular matrix,ECM)的一種特殊形式,主要成分有層粘連蛋白(laminin)、Ⅳ型膠原纖維等。中樞神經(jīng)系統(tǒng)中含有血管基底膜(laminin 411、511)、軟腦膜基底膜(laminin 111)和神經(jīng)膠質(zhì)基底膜(laminin 211)這三種不同來源的基底膜[13-14]。在SAS,CSF走行在血管基底膜與軟腦膜基底膜之間,當液體隨著穿支動脈進入腦實質(zhì)時,軟腦膜基底膜、神經(jīng)膠質(zhì)基底膜融合,與血管基底膜共同圍成了血管周圍間隙結(jié)構(gòu),被周細胞等分泌的Ⅳ型膠原纖維、層粘連蛋白等高度有序排列的細胞外基質(zhì)成分所充盈[15]。軟腦膜基底膜部分在毛細血管消失,毛細血管基底膜由血管內(nèi)皮細胞和星形膠質(zhì)細胞來源的層粘連蛋白共同構(gòu)成[16]。

2.2.2AQP4的極性表達:類淋巴系統(tǒng)的功能實現(xiàn)高度依賴于星形膠質(zhì)細胞足突上AQP4蛋白的極性表達[17-18]。AQP4 的M1單體和M23單體聚集成四聚體,與內(nèi)部整流鉀離子通道共同構(gòu)成粒子正交序列(orthogonal arrays of intramembranous proteins,OAPs)[19],極性分布在血管周圍60%以上的足突上,而星形膠質(zhì)細胞的胞體幾乎沒有OAPs的覆蓋[20]。

AQP4的極性表達主要依賴肌營養(yǎng)不良蛋白相關蛋白復合物(dystrophin associated protein complex,DAPC)[21]。DAPC主要包括肌營養(yǎng)不良蛋白(dystrophin)、α/β-肌營養(yǎng)不良蛋白聚糖(α/β-dystroglycan,α/β-DG)、α-互養(yǎng)蛋白(α-syntrophin,α-syn)等。DAPC一方面通過α-syn 使得OAPs穩(wěn)定在星形膠質(zhì)細胞的足突上[22],另一方面,通過α-DG與血管基底膜中特有的層粘連蛋白、聚集蛋白相結(jié)合,再通過膜上的β-DG與細胞骨架結(jié)合,實現(xiàn)AQP4的極性表達以及星形膠質(zhì)細胞足突在血管周圍的錨定(圖1)[23]。當缺少DAPC中的成分時,AQP4的極性也會消失[21]。

圖1 類淋巴系統(tǒng)的微觀結(jié)構(gòu)

血小板來源生長因子-B(plate-derived growth factor-B,PDGF-B)是PDGF-Rβ酪氨酸激酶受體的高親和力配體,由內(nèi)皮細胞產(chǎn)生,在周細胞上發(fā)揮作用,參與發(fā)育過程中的血管形成。PDGF的C端具有與硫酸肝素蛋白聚糖相連接的結(jié)構(gòu),負責周細胞向細胞外基質(zhì)釋放分泌性生長因子的過程[24]。研究證實,PDGF-B通路中斷不僅會破壞星形膠質(zhì)細胞足突上AQP4的極性,而且會影響類淋巴系統(tǒng)的成熟過程[15]。聚集蛋白也是硫酸肝素蛋白聚糖的一種,可能參與了PDGF信號通路。

3 細胞外基質(zhì)的液體運輸

血管周圍間隙的液體在跨過腦實質(zhì)基底膜后,進入腦組織的細胞外間隙。

3.1血管周圍液體交換 AQP4在星形膠質(zhì)細胞足突上的極性表達是血管周圍液體交換的最基本條件,但是至今仍沒有確切的研究證明血管周圍間隙的液體究竟是直接通過AQP4進入細胞外間隙,還是AQP4是以間接的方式幫助液體通過其他途徑進入。液體可能直接跨過星形膠質(zhì)細胞的足突,也可能先后經(jīng)過足突和胞體。甚至可能不經(jīng)過星形膠質(zhì)細胞,而是在靜水壓或者滲透壓梯度的驅(qū)動下從細胞間向腦間質(zhì)擴散[25-26]。

3.2ECM 腦內(nèi)ECM包括神經(jīng)細胞外基質(zhì)、腦膜和基底膜等。糖胺聚糖(glycosaminoglycan,GAGs)是腦組織細胞外基質(zhì)中的重要組成成分,由重復的二糖結(jié)構(gòu)構(gòu)成,最常見的GAGs有硫酸軟骨素和硫酸肝素。在生理pH下GAGs帶負電荷,并且具有很強的水合能力。ECM的一個重要特征是生理條件下GAGs是未被完全水合的,因此對水和無機陽離子都有很強的吸引作用[27]。在這種情況下,一方面ECM(膠原纖維、層粘連蛋白、纖連蛋白、彈性蛋白等)形成纖維骨架網(wǎng)絡,限制GAGs的水合能力;另一方面,ECM纖維網(wǎng)絡可以通過細胞膜上的整合素(integrin)受體和CD44受體等[28],與細胞骨架相連接,形成一個胞內(nèi)胞外協(xié)同作用的復雜纖維網(wǎng)絡,共同對GAGs的水合能力起限制作用[29]。

急性損傷會激活細胞外基質(zhì)中的基質(zhì)金屬蛋白酶-2/9(matrix metalloproteinase enzymes-2/9,MMP-2/9)和蛋白酶。MMP-2/9的激活會導致神經(jīng)血管單元的降解與BBB的打開,蛋白酶的激活會導致基質(zhì)蛋白的降解,斷開基質(zhì)蛋白與細胞受體的聯(lián)系,組織張力降低,最終引起GAGs的水合[25,30]。

4 類淋巴循環(huán)的影響因素

4.1血流動力學(vasodynamics) 心臟的搏動是類淋巴循環(huán)的主要驅(qū)動力,心臟搏動后動脈血管壁擴張,可將腦脊液從SAS泵入腦實質(zhì)的血管周圍[31-32]。心血管藥物可以顯著影響腦脊液流入動脈周圍間隙,如β-腎上腺素受體激動劑多巴酚丁胺有正性肌力作用,被證實可以促進腦脊液向血管周圍間隙的流動[33]。

心臟搏動不是決定血流動力學的唯一因素,血管平滑肌細胞的收縮舒張調(diào)節(jié)所導致的動脈的直徑變化也可以顯著促進腦室內(nèi)腦脊液的流動。另外,靜脈血容量的改變也會顯著影響腦內(nèi)代謝產(chǎn)物的清除速率[31]。

4.2各種壓力改變 心率、脈壓、血壓等都會影響到心臟的搏動。顱內(nèi)壓的改變也會對類淋巴循環(huán)產(chǎn)生影響,甚至呼吸的節(jié)律改變,通過改變胸腔內(nèi)壓,進而引起中心靜脈壓的改變,再對腦內(nèi)靜脈壓產(chǎn)生影響,最終影響顱內(nèi)壓[34],對類淋巴循環(huán)產(chǎn)生作用。

4.3睡眠/覺醒狀態(tài)改變 類淋巴系統(tǒng)主要活躍在非快速動眼期,這一時期血管周圍AQP4的極性表達更為顯著[35],同時細胞外液的體積可以增加60%,使得相應的流體阻力降低[36],兩者共同促進類淋巴系統(tǒng)的功能,類淋巴系統(tǒng)將大量的腦脊液泵入神經(jīng)纖維網(wǎng)絡,新鮮的腦脊液與細胞外液接觸,從而帶走清醒狀態(tài)下產(chǎn)生的大量代謝廢物,如Aβ等[37]。因此,獲得充足的睡眠對于維持正常的認知功能來說是十分必要的。大腦藍斑產(chǎn)生的去甲腎上腺素能信號在睡眠和覺醒狀態(tài)的調(diào)控中起重要作用,通過使用藥物阻斷覺醒狀態(tài)下小鼠的去甲腎上腺素能信號可以一定程度上緩解細胞外液體積的丟失,從而增強類淋巴系統(tǒng)的功能[36,38]。使用氯胺酮/甲苯噻嗪或是異氟烷/右旋美托咪啶麻醉的小鼠的類淋巴系統(tǒng)表現(xiàn)出了跟正常睡眠情況下相似的功能增強作用[39]。

5 顱內(nèi)代謝產(chǎn)物進入外周循環(huán)的途徑

5.1蛛網(wǎng)膜顆粒 蛛網(wǎng)膜顆粒/絨毛是蛛網(wǎng)膜凸向硬腦膜竇內(nèi)的顆粒/絨毛狀結(jié)構(gòu)(圖2),主要分布在上矢狀竇周圍,是唯一已經(jīng)明確的可以直接將腦脊液轉(zhuǎn)運入外周循環(huán)的途徑[40]。蛛網(wǎng)膜顆粒對腦脊液的轉(zhuǎn)運具有單向性和壓力依賴性,在壓力差存在的情況下,腦脊液可以通過細胞外空隙、微胞飲囊泡以及細胞內(nèi)空泡等途徑單向由SAS向竇內(nèi)運輸[41-42]。

圖2 顱內(nèi)代謝產(chǎn)物進入外周循環(huán)的途徑

5.2硬腦膜淋巴管 由于大腦缺乏實質(zhì)性的淋巴管結(jié)構(gòu),所以在很長的一段時間里被認為是一個免疫豁免的器官。直到2015年硬腦膜淋巴管的發(fā)現(xiàn),證實了硬腦膜中存在能直接將液體和免疫細胞引流至頸部淋巴結(jié)的淋巴管樣結(jié)構(gòu)。硬腦膜淋巴管可表達淋巴管特異性的prospero同源異形盒蛋白1(prospero-related homeobox-1,Prox-1)、淋巴管內(nèi)皮透明質(zhì)酸受體、平足蛋白和血管內(nèi)皮生長因子受體3(vascular endothelial growth factor receptor 3,VEGFR-3)[43]。硬腦膜淋巴管多存在于背側(cè)與基底側(cè)的硬腦膜中,走行在硬腦膜的大血管(如上矢狀竇、竇匯、橫竇以及巖竇、乙狀竇等)周圍,引流腦脊液中的大分子物質(zhì)(圖2)[43]。其中基底側(cè)的硬腦膜淋巴管呈現(xiàn)出不連續(xù)且直徑較小的特征,缺乏平滑肌細胞與瓣膜,形態(tài)學上與毛細淋巴管更相似,而背側(cè)的硬腦膜淋巴管直徑更大、含有瓣膜,形態(tài)上與集合淋巴管更相似,可能在淋巴引流中發(fā)揮更重要的作用[44]。硬腦膜淋巴管是腦內(nèi)代謝廢物的重要排出途徑,也在中樞神經(jīng)系統(tǒng)炎性反應的調(diào)節(jié)中起重要作用[45]。硬腦膜淋巴管的淋巴管新生(lymphangiogenesis)受到血管平滑肌細胞和垂體腺、松果體釋放的血管內(nèi)皮生長因子-C(vascular endothelial growth factor-C,VEGF-C)的調(diào)控[46],向小鼠的小腦延髓池注射具有VEGFR-3特異性的重組VEGF-C蛋白后,7d后可以觀察到硬腦膜淋巴管直徑的顯著增加[43]。

5.3神經(jīng)周圍途徑 位于SAS的腦脊液可以隨著腦神經(jīng)周圍的蛛網(wǎng)膜鞘出顱,被周圍的毛細淋巴管吸收后再匯入淋巴結(jié)[41]。例如腦脊液可與嗅神經(jīng)伴行,通過篩板匯入頸部淋巴結(jié),嗅神經(jīng)周圍途徑是引流量最大的一條神經(jīng)周圍途徑[47]。其他腦神經(jīng),如視神經(jīng)、三叉神經(jīng)、面神經(jīng)等周圍也發(fā)現(xiàn)有腦脊液來源示蹤劑充盈的淋巴管[48]。

5.4其他 Ringstad和Eide[49]在使用釓布醇作為示蹤劑對腦脊液的研究中發(fā)現(xiàn),在上矢狀竇旁的硬腦膜中有一些空隙,這些結(jié)構(gòu)可能在腦組織和硬腦膜淋巴管的液體交換之間起連接作用。Ma等[50]利用近紅外和磁共振成像,闡述了向腦室內(nèi)注射的示蹤劑在脊髓的SAS和中央管內(nèi)的分布,并最后匯入骶髂淋巴結(jié)的脊柱旁途徑。

6 總結(jié)與展望

腦組織與外周組織一樣,都需要液體的流動促進物質(zhì)的交換、帶走代謝廢物。在外周組織中,根據(jù)Starling機制,液體在靜水壓的驅(qū)使下通過動脈末端的毛細血管床,濾過到組織液中,通過淋巴管的回流實現(xiàn)細胞外間質(zhì)中蛋白的清除。中樞神經(jīng)系統(tǒng)需要維持正常的電生理活動,因此相較于外周組織對液體運輸有著更為特殊的要求。另外,由于構(gòu)成BBB的血管內(nèi)皮細胞之間的緊密連接很大程度上限制了毛細血管的濾過作用[30],加上腦組織內(nèi)實質(zhì)性淋巴系統(tǒng)的缺乏,這些都增加了顱內(nèi)液體運輸途徑的復雜性。為了適應這些特征,腦組織中的脈絡叢、血管周圍間隙、毛細血管床附近星形膠質(zhì)細胞足突上AQP4的極性分布等共同保證了腦內(nèi)液體凈流動的單向性,使得腦組織能夠維持和周圍組織類似的毛細血流灌注和淋巴回流的過程。

經(jīng)過在ECM進行的CSF-腦間質(zhì)液交換之后,順著靜脈周圍間隙離開的液體進入SAS,進一步通過蛛網(wǎng)膜顆粒、腦膜淋巴管、神經(jīng)周圍途徑等進入外周循環(huán)。隨著年齡的增加,與神經(jīng)退行性疾病密切相關的毒性蛋白如Aβ、Tau蛋白和α-突觸核蛋白在腦內(nèi)沉積逐漸增多,提示有效地清除代謝廢物在正常衰老的過程中發(fā)揮著重要的作用[5,51]。類淋巴系統(tǒng)可以清除細胞外間隙的Aβ,其清除效率的下降會顯著影響到Aβ的沉積,最終成為AD的可能發(fā)病機制,也成為一個潛在的治療靶標[12,17,52]。隨著實驗影像學技術(shù)的不斷進步,人們對腦內(nèi)液體的產(chǎn)生、運輸、吸收過程及其相關影響因素的認識不斷被更新和擴充,也為相關疾病的診斷和治療提供了新的依據(jù)和方向。

作者貢獻聲明：汪雪:資料搜集、論文撰寫;高勝青:資料收集、論文修改、文獻檢索;周夢良:研究指導、論文修改及審校