大脑类淋巴系统

大脑里有淋巴系统吗？作者：杰弗里·艾利夫和麦肯·尼德加德所有的躯体器官中大脑是独一无二的，它缺乏淋巴脉管系统。在外周,淋巴循环促进清除间质细胞外蛋白质和多余的液体,对内环境稳态起着关键作用。在大脑,尽管它具有复杂的结构、高代谢活动和神经细胞对外界刺激的灵敏变化,然而却没有确定特定的器官性解剖结构，能高效地促进脑内代谢废物的清除。当前对大脑间隙溶质清除的理解小分子和疏水性化合物,穿过血脑屏障相对无限制。特定的血脑屏障转运蛋白分子底物也容易从大脑中清除出去。其他化合物清除，必须从脑间质到脑脊液（CSF），在那里他们最终通过蛛网膜颗粒的血液流或沿颅神经周围淋巴管消除。然而，大部分的脑组织和脑脊液之间的距离太大，通过简单扩散高效清除太困难，特别是对低扩散系数的大型分子（如肽和蛋白质）。相反将大脑间隙溶质的清除归因于总体流动，通过该间质液（ISF）的对流伴随溶质清扫在很大程度上决定于独立的分子大小。在一个有争议的一系列研究中，Grady等认为脑间质液ISF可以沿周围脑血管与脑脊液CSF交换。因为这些结果似乎随后由Cserr等驳倒，脑脊液逆行运动到脑实质现在认为仅有相对较小的生理重要性。然而,如果大量的脑脊液穿过大脑间质,并且这个通量发生在我们知道解剖路径,这将从根本上改变我们对脑脊液促进间隙溶质和代谢废物从大脑清除认知。脑类淋巴途径血管旁间隙溶质清除途径。在最近的两项研究,我们首次定义全脑解剖路径,能促进脑脊液和脑组织液的交换和大脑间隙溶质的清除。这个途径包括三要素:脑脊液涌入路线;静脉脑脊液路线;依赖星形胶质细胞水运输通道蛋白-4的运输途径(用图1表示)。使用体内双光子形成的共焦成像和小分子重量的CSF荧光示踪剂，我们发现大部分的(40%)蛛网膜下腔脑脊液迅速进入渗透在整个大脑动脉周围的脑实质空间。CSF示踪剂进入大脑最初通过Virchow-Robin空间,接着,顺着动脉血管平滑肌的基膜到达大脑毛细血管床的基膜。在各级血管分支路线,脑脊液示踪剂到达细胞间隙空间,反映了脑脊液和脑组织液的交换情况。脑脊液涌入并扩展至整个大脑,似乎发生在几乎所有深动脉。相比之下,脑组织液通道被限制在一些特定的大口径静脉。直接注入大脑间质皮质，纹状体,或丘脑的荧光示踪物清晰的显示出脑内静脉，加伦静脉和腹外侧尾鼻腔的静脉。星形细胞AQP4水通道以一种高度极化的方式表达在血管周围的星形细胞梢足，这些梢足立即连通CSF涌入途径和ISF清除相连接途径(图1和图2)。我们认为这些血管周的水通道可以促进脑脊液的流动。为了验证这一点,我们用体内双光子荧光成像观察了球形Aqp4基因敲除小鼠的脑脊液流动。与野生型相比,Aqp4缺少的小鼠，CSF涌入量大幅减少。与此类似,当我们对大脑使用放射性示踪剂分析时发现,没Aqp4老鼠间质溶质清除降低了大约70%。图1为健康大脑和患病大脑淋巴通路功能示意图。大脑弥漫性损伤后脑类淋巴间隙溶质清除基本框架构建失败。A图,在健康的大脑,来自蛛网膜下腔的脑脊液(CSF)沿在深动脉周围的血管旁通道空间迅速进入大脑与脑组织液进行交换。脑组织液和溶质被包围在大静脉周围的血管旁空间清除(橙色箭头)。只有星形细胞通过表达水通道蛋白-4，才能促进脑脊液流入，脑组织液流出的流体通路。这个对流通路能促进间隙溶质从大脑清除。B图，弥漫性损伤后发生的反应性星形胶质细胞增生，如微小梗死或轻度创伤性脑伤，造成水通道蛋白4从血管周围突触梢足到星形胶质细胞胞体的错误定位。弥漫性损伤后，会导致间质体积流动和脑淋巴间隙溶质清除效率的损失并可促进细胞内外蛋白质聚集体（如β淀粉样或头）沉积。图2，弥漫性损伤后水通道蛋白4（AQP4）定位发生变化。A，免疫荧光双标记显示，在健康的年轻小鼠的大脑，AQP4高度表达在围绕于脑微血管周围的星形胶质细胞突触梢足。B，轻度创伤性脑损伤七天后，在整个脑皮质同侧观察，普遍反应星形胶质细胞增生（胶质纤维酸性蛋白[GFAP]免疫反应）。在活性星形胶质细胞增生的区域，水通道蛋白的定位严重扰乱，表现出突触小结损失，细胞体定位增多。类似的表达变化也出现在微小脑梗死后。正如我们最近所做的研究，这些发现证明这条连接脑脊液流入动脉，脑组织液沿静脉流出的AQP4依赖整体流动路线，形成了广阔系统，这个系统能促进大脑软组织间质的溶质的清除。在此胶质依赖和功能结构与外周淋巴系统同源的基础上，我们称这种胶质血管通路为脑类淋巴系统。（如图1）水溶性β淀粉样蛋白（Aβ）是存在于健康年轻大脑的脑组织液，其清除的失败引起斑块沉积被认为与老年痴呆症密切相关。接下来，我们评估可溶的Aβ是否为脑类淋巴系统除除的脑间隙溶质之一。当荧光标记的Aβ注射到皮质或纹状体，它在与其他荧光示踪物相同的血管旁积累，我们用放射性标记的Aβ直接注射到野生型小鼠的纹状体，并对这些小鼠和AQP4缺失的小鼠进行了测量。在AQP4缺失的小鼠，放射性标记的Aβ与野生型相比，清除率降低约65％，提示流沿脑类淋巴通路的AQP4依赖液体流构成可溶性Aβ从脑间质清除的一个关键机制。弥漫胶质细胞损伤对脑类淋巴通路功能的影响对很多机制上不同形式的脑损伤，反应性星形胶质细胞增生是常见的细胞损伤反应，包括缺血和外伤性脑损伤，其特征在于改变星形胶质细胞形态和分子的表达模式。虽然更严重的缺血和外伤性颅脑损伤伴有神经胶质瘢痕形成，但是低强度损伤经常导致弥性和持久反应性星形胶质细胞增生。这体现在我们小组最近的研究。在参展的弥漫性微血管梗死小鼠模型中只有低级别的总缺血负荷，才会在损伤长达一个月后发生整个皮层和纹状体反应性胶质细胞增生。类似地，在温和的创伤脑损伤模型，没有明显脑组织损伤至少1个月后会发生广泛的皮层和皮层下反应性胶质细胞增生。改变AQP4表达往往是与观察反应性星形胶质细胞增生相结合。后缺血性或创伤性脑损伤，AQP4表达通常是升高。因为这些研究使用中度至重度缺血性和创伤性脑损伤，这在很大程度上可能是归属于改变了胶质瘢痕内AQP4的表达。在我们自己的微血管和轻度创伤性的脑损伤研究中，弥漫性反应性胶质化区域内AQP4表达改变更为复杂。一般情况下胶质化区域AQP4表达升高发生在弥漫性微血管梗死7天后，但损伤后14天恢复正常。然而AQP4表达的分布在至少受伤后1个月任然是被扰乱的。在健康大脑观察到，水通道蛋白在活性星形细胞表现出显着减少极性，（降低血管周围APQ4免疫反应和提高细胞体AQP4免疫反应）而不是在高度极化的血管旁定位。类似的模式，轻度创伤性脑损伤后，星形胶质细胞反应也观察到AQP4失调（图2B）。AQ失调在星形胶质细胞反应也观察到轻度创伤性脑损伤后（图2B）鉴于血管周围AQP4对脑类淋巴清除脑间质溶质扮演的重要角色，包括可溶性Aβ14，大脑弥漫性损伤后AQP4的定位改变或许对疾病的发病机制有关键作用，如血管性痴呆和创伤性脑损伤。我们认为AQP4从血管旁突出梢足到星星胶质细胞胞体的错误定位阻碍了脑间质液和溶质的高效清除（图1B）。这可能会导致大脑广泛性废物清除失败，造成神经毒性代谢物积累，如Aβ，神经退行性疾病就是由于细胞内外毒性蛋白聚集体形成，如阿尔茨海默氏症和慢性创伤性脑病。反应性胶质化通过对间质的不利影响或许是弥漫性缺血性或创伤性脑损伤等病理改变的关键驱动力，并可能成为治疗干预的关键靶点。