腦膜淋巴循環(huán)障礙對(duì)阿爾茨海默病的影響及研究進(jìn)展

劉亞美,張紫娟,郝 莉,樸璟蕙,高愛社,張振強(qiáng)

1.河南中醫(yī)藥大學(xué) 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院,鄭州450046；2.河南中醫(yī)藥大學(xué) 第一附屬醫(yī)院,鄭州450046；3.河南中醫(yī)藥大學(xué) 中醫(yī)藥科學(xué)院,鄭州450046

中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)雖然沒有真正意義上襯有內(nèi)皮細(xì)胞的淋巴管,但腦內(nèi)淋巴引流明確存在,對(duì)于維持腦的生理功能具有重要意義,與人體其他器官相比,大腦的淋巴清除途徑是不同的,這是人們一直熱議的話題[1-2]。腦內(nèi)淋巴引流途徑阻斷后會(huì)引起一系列中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病,如腦小血管性病變、淋巴滯留性腦病(Lymphostatic encephalopathy,LE)、腦出血(Intracerebral hemorrhage,ICH)以及神經(jīng)退行性疾病等,如阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease,AD)[3-5]。AD因其復(fù)雜的病因和發(fā)病機(jī)制目前相關(guān)研究并未取得突破性進(jìn)展情況,腦內(nèi)淋巴引流途徑方面的研究被給予了更多的關(guān)注[6-7]。

AD是一種與年齡相關(guān)的神經(jīng)退行性疾病,主要特征為認(rèn)知功能、記憶、語言以及行為能力的逐漸喪失[8]。其主要病理表現(xiàn)為細(xì)胞外淀粉樣蛋白(Amyloidβ-protein,Aβ)過度沉積所致的老年斑、細(xì)胞內(nèi)Tau蛋白過度磷酸化致神經(jīng)纖維纏結(jié)、腦中突觸和神經(jīng)元數(shù)目的丟失以及神經(jīng)炎癥反應(yīng)[9-10]。雖然AD病因尚不清楚,但環(huán)境因素和遺傳易感性均可能導(dǎo)致該病的發(fā)生[11]。近年來雖然相關(guān)領(lǐng)域的研究很多,但是在AD的治療方面并未取得突破性進(jìn)展。

正常情況下,中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的可溶性Aβ可通過受體介導(dǎo)的途徑入血、酶清除、細(xì)胞吞噬、血管周圍間隙清除等途徑及時(shí)清除出腦,不會(huì)導(dǎo)致Aβ的沉積。當(dāng)Aβ產(chǎn)生過多或者清除障礙時(shí)導(dǎo)致異常聚集,形成具有神經(jīng)毒性的不溶性纖維,異常聚集的Aβ纖維跨內(nèi)皮細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)受阻,此時(shí),腦淋巴循環(huán)成為其主要的清除途徑[12]。近幾年關(guān)于中樞神經(jīng)系統(tǒng)淋巴循環(huán)引發(fā)熱議,國內(nèi)外研究者認(rèn)為腦膜淋巴系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)是神經(jīng)生理學(xué)的新進(jìn)展[13]。隨著年齡的增長,腦膜淋巴功能損傷或障礙被認(rèn)為是Aβ聚集的加重因素[14]。弄清楚腦膜淋巴循環(huán)與腦脊液、腦間質(zhì)液的關(guān)系,并從保護(hù)和修復(fù)損傷的腦膜淋巴系統(tǒng)著手進(jìn)行相關(guān)靶向藥物的研究,可能是預(yù)防和治療AD的潛在靶點(diǎn)。

1 腦脊液組成及其作用

人體中腦脊液(Cerebrospinal fluid,CSF)主要成分由脈絡(luò)叢產(chǎn)生,充滿腦室系統(tǒng)、蛛網(wǎng)膜下隙及脊髓中央管內(nèi),產(chǎn)生的平均速率為0.3～0.4 m L/min(即500～600 m L/d),5～7 h更新一次[15-16]。脈絡(luò)叢上皮細(xì)胞分泌一些主要的腦脊液蛋白,如甲狀腺運(yùn)載蛋白,并表達(dá)不同的離子和水轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白,如水通道蛋白-1,從而嚴(yán)格調(diào)節(jié)腦脊液的離子和親水特性[17-18]。腦脊液組成和更新的變化由局部代謝決定,且涉及中樞神經(jīng)系統(tǒng)生理學(xué)的幾個(gè)關(guān)鍵方面,包括顱內(nèi)壓平衡(通過平衡腦脊液形成和引流)、從腦細(xì)胞活動(dòng)中清除代謝廢物如Aβ,最終進(jìn)入腦脊液庫[19-20]。與血漿相比,腦脊液中鈉、氯和鎂的濃度較高,而鉀、鈣、磷酸鹽、碳酸氫鹽和葡萄糖的濃度較低。鈉和氯化物主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)穿過脈絡(luò)叢的上皮細(xì)胞,水則被動(dòng)的跟隨濃度梯度進(jìn)行調(diào)節(jié)。大分子通過胞飲作用從脈絡(luò)叢上皮細(xì)胞的基底向頂端表面運(yùn)輸,然后胞吐到腦室腦脊液中。一般認(rèn)為,分子可通過脈絡(luò)叢從腦脊液中清除,也可通過存在于血腦屏障(blood-brain barrier,BBB)的特異性轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白清除,腦脊液回流相當(dāng)于外周組織的淋巴回流[21-23]。

根據(jù)傳統(tǒng)的腦脊液穩(wěn)態(tài)的觀點(diǎn),腦脊液的分子含量是通過三條循環(huán)途徑更新：通過蛛網(wǎng)膜顆粒進(jìn)入硬腦膜竇(基于動(dòng)物和非人類靈長類動(dòng)物體外實(shí)驗(yàn)的證據(jù))；通過鼻黏膜的淋巴管進(jìn)入頸部淋巴結(jié)(沿著嗅神經(jīng)的一個(gè)特征不明顯的路線)；通過位于脈絡(luò)叢上皮頂端的轉(zhuǎn)運(yùn)體和受體進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)[24-25]。然而,最近的研究[26-28]表明腦脊液中的分子示蹤劑主要由腦膜的淋巴管排出,強(qiáng)調(diào)引流淋巴路徑對(duì)于清除大腦中分子的重要性。該研究使腦脊液穩(wěn)態(tài)的傳統(tǒng)概念受到了挑戰(zhàn),認(rèn)為腦膜淋巴管可以接觸到腦脊液,并且在健康條件下,不斷地將其分子和細(xì)胞內(nèi)容物排入頸部淋巴結(jié)(Cervical lymph node,CLNs)。因此,與提議的通過蛛網(wǎng)膜顆粒到硬腦膜竇回流入靜脈的腦脊液循環(huán)系統(tǒng)的直接系統(tǒng)相反。腦脊液產(chǎn)生和清除的減少被認(rèn)為是不同神經(jīng)病理模型如腦積水和缺血嚴(yán)重的促進(jìn)因素,并在衰老和與衰老相關(guān)的神經(jīng)退行性疾病如AD中導(dǎo)致腦功能衰退。隨著年齡的增長,腦脊液中的蛋白質(zhì)含量會(huì)增加,在老年癡呆患者中,這一比例甚至更高[29]。

眾所周知,腦脊液動(dòng)態(tài)平衡的改變,無論是急性還是慢性,都與腦功能的變化密切相關(guān)。在缺乏傳統(tǒng)淋巴結(jié)構(gòu)的大腦實(shí)質(zhì)內(nèi),腦脊液在維持大腦功能方面可能扮演著更為重要的角色。

2 腦間質(zhì)液組成及其作用

腦間質(zhì)液即腦組織的間質(zhì)液。一般認(rèn)為腦間質(zhì)液由毛細(xì)血管產(chǎn)生,部分被毛細(xì)血管重吸收；部分經(jīng)室管膜下區(qū)匯入腦脊液回流系統(tǒng)；部分還可通過血管周圍間隙被運(yùn)送到頸部淋巴結(jié)并進(jìn)入血液系統(tǒng)[30-32]。在胚胎時(shí)期,側(cè)腦室和脈絡(luò)叢已經(jīng)形成,而蛛網(wǎng)膜微絨毛和蛛網(wǎng)膜顆粒在出生時(shí)才剛剛開始形成,說明在出生前腦間質(zhì)液不是經(jīng)室管膜下區(qū)匯入腦脊液回流系統(tǒng)這一途徑的,所以血管周圍間隙回流途徑成為該方面研究的重點(diǎn)[33-34]。

血管周圍間隙(Perivasculai spaces,PVS)是一個(gè)多世紀(jì)以前由德國科學(xué)家R.Virchow和法國生物學(xué)家C.P.Robin提出,后來稱Virchow-Robin腔(Virchow-Robin spaces,VRS),也有稱之為血管周圍淋巴間隙[35]。PVS是神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)的正常解剖結(jié)構(gòu),包繞在動(dòng)脈和靜脈血管周圍的微小組織間隙,將血管與周圍的腦組織分離開來,內(nèi)充滿了腦組織間液。PVS具有多種生理功能：①可參與腦內(nèi)局部免疫調(diào)節(jié)過程；②可作為反應(yīng)腦內(nèi)小血管疾病炎癥反應(yīng)嚴(yán)重程度的標(biāo)志；③在腦內(nèi)代謝、淋巴引流、物質(zhì)清除及物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)中發(fā)揮作用；④可以作為疾病預(yù)后的標(biāo)志；⑤與老年人群的認(rèn)知功能改變有關(guān)[36-37]。

有研究表明,腦內(nèi)淋巴液、腦間質(zhì)液和腦脊液可通過PVS引流腦內(nèi)大分子溶質(zhì)如Aβ,將其引流入頸部淋巴結(jié),而不能被引流的則積聚于PVS中引起PVS擴(kuò)大,且擴(kuò)大程度與認(rèn)知功能障礙的嚴(yán)重程度有關(guān)[38-39]。

3 腦膜淋巴循環(huán)的作用及與AD的關(guān)系

與血管相比,淋巴管在形態(tài)學(xué)上可以通過一層不被周細(xì)胞或平滑肌細(xì)胞所覆蓋的單薄內(nèi)皮細(xì)胞層來識(shí)別,腦中發(fā)現(xiàn)淋巴管的存在最早是在18世紀(jì)末由Paolo Mascagni提出來的,但并未被認(rèn)可；大約兩個(gè)世紀(jì)后,另一位意大利科學(xué)家在檢查了人類硬腦膜樣本后,報(bào)道了 Mascagni的“發(fā)現(xiàn)”[40-41]。20世紀(jì)60年代,人們已經(jīng)描述了中樞神經(jīng)系統(tǒng)和周圍神經(jīng)之間存在淋巴連接,實(shí)際上與中樞神經(jīng)系統(tǒng)分子的引流有關(guān)[42]。在上世紀(jì)末,利用更為強(qiáng)大的掃描電鏡技術(shù)發(fā)現(xiàn)了腦膜淋巴管并將其命名為腦膜氣孔,認(rèn)為可以將其作為腦前淋巴毛細(xì)血管系統(tǒng)的一部分,然而考慮到現(xiàn)有的方法,他們不能確定圓形到橢圓形的氣孔(定位于腦膜間皮細(xì)胞之間)是否為淋巴管[43]。腦膜淋巴管系統(tǒng)的表征對(duì)于我們理解大腦和中樞神經(jīng)系統(tǒng)以及腦脊液生理學(xué)和中樞神經(jīng)系免疫監(jiān)視具有重要意義[14]。

在外周組織中,細(xì)胞和分子首先被引導(dǎo)進(jìn)入小的初級(jí)毛細(xì)淋巴管,然后進(jìn)入預(yù)收集器和較大的收集器淋巴管,后者配有閥門(表達(dá)整合素-α9的特殊結(jié)構(gòu)),防止淋巴成分回流,最初的淋巴管可穿透細(xì)胞和碎片。與外周淋巴管相比,腦膜淋巴管是由較小分支的初始淋巴管網(wǎng)絡(luò)(沒有表達(dá)整合素-α9的瓣膜)組成,沿著特定的解剖結(jié)構(gòu)會(huì)聚并退出顱骨。在成年小鼠中,注入可擴(kuò)散溶質(zhì)伊文思藍(lán),進(jìn)入頸深淋巴結(jié)(deep cervical lymph node,dCLNs)后流入頸淺淋巴結(jié)(superficial cervical lymph node,sCLNs)。注入小鼠腦實(shí)質(zhì)的分子示蹤劑最初只在引流的d CLNs中檢測到,sCLNs中沒有檢測到,提示小鼠間質(zhì)液和腦脊液分子最初流入dCLNs,后來才流入sCLNs。然而,注射入鼻腔粘膜的伊文思藍(lán)在30分鐘后在dCLNs中檢測不到,說明鼻淋巴管引流較慢或者存在另一種可能的引流路線[13,44]。然而,仍然缺乏對(duì)腦淋巴系統(tǒng)形成和維持的細(xì)胞參與者以及連接中樞神經(jīng)系統(tǒng)(Central nervous system,CNS)-引流初級(jí)毛細(xì)淋巴管到CLNs的淋巴網(wǎng)絡(luò)的全面描述。因此,確認(rèn)復(fù)雜的淋巴網(wǎng)絡(luò)中是否存在更為復(fù)雜的大腦結(jié)構(gòu)需要科研工作者進(jìn)行進(jìn)一步探索。

中樞神經(jīng)系統(tǒng)腦實(shí)質(zhì)內(nèi)呈現(xiàn)復(fù)雜的血管網(wǎng)絡(luò),不斷向神經(jīng)細(xì)胞提供氧氣和營養(yǎng)。相反,所有外周器官都有對(duì)維持組織穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要的淋巴血管[45]。中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病AD的主要危險(xiǎn)因素是年齡,腦血管功能的逐漸惡化與衰老密不可分。在AD中,由于大腦淀粉樣血管病變使得這種情況進(jìn)一步惡化[46-47]。遲發(fā)性AD的幾個(gè)遺傳危險(xiǎn)因素,如載脂蛋白E4(Apolipoprotein,ApoE4)基因變異[48]、編碼蛋白質(zhì)簇蛋白和PICALM[49]的基因存在單核苷酸多態(tài)性,與血腦屏障功能障礙和Aβ經(jīng)血管清除功能受損有關(guān)[50]。在AD轉(zhuǎn)基因小鼠中,被注射腦中的伊文思藍(lán)在dCLN中檢測到,我們有理由相信腦淋巴系統(tǒng)是將Aβ從腦運(yùn)送至外周的另一條途徑[51]。腦膜功能性淋巴管對(duì)蛛網(wǎng)膜下腔顆粒與腦脊液內(nèi)流/細(xì)胞間液外排之間的作用機(jī)制仍不清楚,這可能是一種新的有利于大腦抵抗神經(jīng)退行性疾病的機(jī)制,需要研究者們進(jìn)一步探索。

研究者在中樞神經(jīng)系統(tǒng)腦膜中發(fā)現(xiàn)了表達(dá)淋巴內(nèi)皮細(xì)胞的經(jīng)典標(biāo)記物——血管內(nèi)皮生長因子受體3(Vascular endothelial growth factor receptor 3,VEGFR3)、淋巴管內(nèi)皮透明質(zhì)酸受體1(Lymphatic endothelial hyaluronic acid receptor 1,LYVE-1)、prospero相關(guān)同源框基因-1(Prox-1)、podoplanin(D2-40)[52-54]等因子可能是將分子和免疫細(xì)胞從蛛網(wǎng)膜下排入頸部淋巴結(jié)的關(guān)鍵因素,參與廢物清除和中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)免疫細(xì)胞運(yùn)輸。

VEGFR3是VEGF-C的受體,是促淋巴管新生因子之一,在淋巴管生成和血管生成過程中發(fā)揮核心作用[55-57]。淋巴管新生受多種細(xì)胞因子和多條信號(hào)通路的介導(dǎo)和調(diào)控,VEGF-C與淋巴管內(nèi)皮細(xì)胞特異性受體結(jié)合,激活下游相關(guān)通路,如PI3K/AKT信號(hào)通路、ERK1/2信號(hào)通路,不僅誘導(dǎo)淋巴管內(nèi)皮細(xì)胞增生,還可降低淋巴管內(nèi)皮細(xì)胞間的黏附,提高淋巴管的通透性[58-60]。磷酸酰肌醇3激酶(Phosphatidylinositol 3-kinase,PI3K)是一種磷脂酰肌醇激酶,可以使肌醇環(huán)上的3'位羥基磷酸化,其催化產(chǎn)物激活下游靶蛋白[61]。蛋白激酶(Protein kinase B,AKT)是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶,是PI3K信號(hào)途徑中一個(gè)重要的下游靶激酶。PI3K/AKT信號(hào)通路廣泛存在于各種細(xì)胞中,是膜受體信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的重要途徑,具有調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖、分化、代謝、凋亡等作用[62]。AD主要病理變化老年斑的病變核心是由Aβ過度沉積造成的,周圍是大量異常磷酸化的tau蛋白構(gòu)成的神經(jīng)纖維纏結(jié)[63-64]。糖原合成激酶3β(Glycogen synthase kinase-3β,GSK-3β)作為AKT重要的下游底物,參與AD的細(xì)胞凋亡及tau蛋白磷酸化[65-66]。Aβ1-40通過抑制磷酸化AKT水平誘導(dǎo)具有神經(jīng)元細(xì)胞特性的大鼠腎上腺嗜鉻細(xì)胞瘤細(xì)胞的(Pheochromocytoma-12,PC12)凋亡,激活此信號(hào)途徑則減少細(xì)胞凋亡[67-69]。研究表明,通過藥物抑制外源性VEGFC與VEGFR3受體結(jié)合而激活PI3K/AKT信號(hào)通路促淋巴管新生,進(jìn)而延緩大腸癌、乳腺癌等癌癥的淋巴轉(zhuǎn)移進(jìn)程[70-71]?；赩EGFR3在癌癥方面的研究,我們不禁思考其在AD中是不是也扮演著重要的角色,VEGFR3是否通過PI3K/AKT信號(hào)通路發(fā)揮其在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的引流作用仍待探索。

4 結(jié)語

神經(jīng)退行性疾病一直是人們研究的熱點(diǎn),AD更是備受關(guān)注。腦Aβ生成增多和清除障礙導(dǎo)致Aβ沉積從而加快AD病程進(jìn)展,促進(jìn)Aβ清除一直是人們防治AD的著入點(diǎn)。在Aβ清除方面,低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白(Low density lipoprotein receptor-related protein 1,LRP1)介導(dǎo)的Aβ經(jīng)血腦屏障的轉(zhuǎn)運(yùn)至外周途徑[72]已被廣泛認(rèn)可,而對(duì)腦淋巴清除途徑的研究相對(duì)較少,可能跟腦內(nèi)缺乏典型的淋巴管結(jié)構(gòu)增大了研究難度有關(guān)。硬腦膜內(nèi)功能性淋巴管的存在可以為國內(nèi)外研究者開展腦脊液、腦間質(zhì)液及腦內(nèi)淋巴清除途徑方面的研究提供參考,為進(jìn)一步研究它們之間的關(guān)系和作用機(jī)制提供某些可能性。從保護(hù)和修復(fù)損傷的腦膜淋巴系統(tǒng)著手,增強(qiáng)Aβ淋巴循環(huán)途徑的清除能力,可能是AD的潛在治療靶點(diǎn)。