組織液沿血管壁流動現(xiàn)象的研究進展

孔釔雅，余曉彬，馬 超，殷雅俊*，李宏義*

(1.北京醫(yī)院 國家老年醫(yī)學(xué)中心 中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院老年醫(yī)學(xué)研究院，北京 100730；2.清華大學(xué) 航天航空學(xué)院 工程力學(xué)系，北京 100084；3.中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)學(xué)院 人體解剖與組織胚胎學(xué)系，北京 100005)

近年來，沿血管的組織液流動現(xiàn)象越來越受到廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)生理學(xué)認(rèn)為，血管是血液傳輸?shù)耐ǖ?。但近期的研究證據(jù)表明，血管上存在兩種不同的流動：血管管腔內(nèi)的血液流動，血管管腔外的組織液流動。不僅如此，現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，血管腔外的組織液流動空間還具有復(fù)雜多級的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即血管周圍間隙、血管基底膜、血管外膜及周圍結(jié)締組織內(nèi)，均存在沿血管的組織液流動。

根據(jù)管徑大小，可將全身血管從大到小劃分為6類：大動脈(main artery)、大靜脈(large veins)、小靜脈(small veins)、小動脈和微動脈(arterioles and smallest arteries)、微靜脈(venules)、毛細(xì)血管(capillaries)。除毛細(xì)血管外，其他血管的基本結(jié)構(gòu)分為3層：內(nèi)膜、中膜和外膜。內(nèi)膜防止血漿外滲；中膜為管壁提供機械強度和收縮力；外膜的主要成分是疏松結(jié)締組織。血管外周圍結(jié)締組織與外膜有相似的成分和結(jié)構(gòu)，且周圍結(jié)締組織與外膜沒有明確的邊界，可看作血管解剖結(jié)構(gòu)的“第四層”。

本文關(guān)注如下問題：全身各類血管是否都有沿血管的組織液流動？血管各層及其周圍結(jié)締組織是否都有沿血管的組織液流動？各層流動的相互關(guān)系是什么？針對這些問題，本文分類歸納了組織液沿血管流動研究最新進展，比較了各研究結(jié)果之間的異同，旨在為探索血管循環(huán)系統(tǒng)的新功能提供新視角。

1 血管周圍間隙內(nèi)的組織液流動

血管周圍間隙是最早被發(fā)現(xiàn)的組織液流動空間，不僅歷史悠久，且現(xiàn)象最為豐富。

1.1 血管周圍間隙的解剖學(xué)位置

血管周圍間隙概念起源于腦血管。血管周圍間隙(perivascular space，PVS)，也稱“Virchow-Robin 空間”，即指包繞在腦實質(zhì)血管外，以膠質(zhì)界膜為外邊界，以血管外壁為內(nèi)邊界的空隙。在大腦皮層，腦動脈延伸為軟腦膜動脈，穿過蛛網(wǎng)膜下腔和軟腦膜下腔。在含有大量腦脊液的蛛網(wǎng)膜下腔，軟腦膜細(xì)胞形成薄鞘覆蓋在血管壁上。軟腦膜鞘伴隨穿支動脈進入腦實質(zhì)，隨著管徑變小，軟腦膜鞘出現(xiàn)窗孔，并最終在毛細(xì)血管前水平消失。與皮質(zhì)動脈不同，皮質(zhì)靜脈外沒有軟腦膜鞘包裹。皮質(zhì)靜脈由于缺乏軟腦膜鞘包被，PVS直接與軟腦膜下腔相通[1]。自1980年開始，借助非侵入性磁共振影像技術(shù)，人類腦實質(zhì)PVS的存在性已被證實，但其精細(xì)的空間分布和解剖結(jié)構(gòu)仍屬未知。嚙齒類動物和人類比較，二者的腦PVS存在結(jié)構(gòu)性差異：大鼠顱內(nèi)PVS在毛細(xì)血管水平，位于毛細(xì)血管內(nèi)皮層外側(cè)；在皮質(zhì)動脈水平，位于平滑肌細(xì)胞外側(cè)。由于大鼠腦穿支動脈缺乏軟腦膜鞘包繞，PVS直接與蛛網(wǎng)膜下腔形成連續(xù)腔室[2]。因此蛛網(wǎng)膜下腔、腦池、腦室與動脈旁PVS一起形成了一個連續(xù)而廣泛的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，環(huán)繞并穿透大鼠腦。

1.2 血管周圍間隙內(nèi)的組織液流動

早在20世紀(jì)初期，PVS已被證實與腦脊液的產(chǎn)生及循環(huán)相關(guān)聯(lián)。2012 年，以Iliff和Nedergaard 為代表的研究組提出了一種在顱內(nèi)代替淋巴循環(huán)的腦脊液-腦組織液引流系統(tǒng)——“Glymphatic系統(tǒng)”[3]，國內(nèi)有學(xué)者譯為“膠質(zhì)淋巴系統(tǒng)”或“類淋巴系統(tǒng)”(“類淋巴”一詞的使用最初是由于實驗證實缺乏水通道蛋白4的小鼠腦脊液內(nèi)流和腦組織液外排均減少)。將熒光示蹤劑注入小鼠的側(cè)腦室，可以觀察到腦脊液(cerebrospinal fluid，CSF)沿穿通動脈PVS進入大腦，再以水通道蛋白4 (aquaporin-4,AQP4)依賴的方式，通過星形膠質(zhì)細(xì)胞端部，進入腦實質(zhì)，與腦組織液(interstitial fluid，ISF)混合之后，沿流出靜脈PVS離開大腦。目前，對Glymphatic系統(tǒng)的研究取得了相當(dāng)進展：1)借助粒子追蹤技術(shù)，量化了腦脊液流速。2)證實了腦脊液流動的搏動性：PVS內(nèi)大流量液體運輸?shù)牟珓宇l率，與心動頻率一致，與呼吸頻率不匹配。這表明，動脈壁運動是驅(qū)動PVS內(nèi)大流量液體流動的主要動力機制，稱之為“血管周圍泵(perivascular pumping)”。

Glymphatic系統(tǒng)具有清除神經(jīng)細(xì)胞外代謝產(chǎn)物和異物等功能，在神經(jīng)退行性疾病進展中具有重要意義。包括衰老、創(chuàng)傷性腦損傷、小梗死、卒中、糖尿病和偏頭痛等多種病理狀態(tài)，均與Glymphatic系統(tǒng)通路功能受損相關(guān)聯(lián)。另外，有實驗證據(jù)顯示，動脈高血壓可以誘發(fā)管壁改變，減少腦脊液在PVS中的凈流[4]。腦淀粉樣血管病變老年患者，腦動脈的機械順應(yīng)性降低，Aβ沉積在軟腦膜動脈和大腦動脈壁上。這都提示，動脈壁的改變可能減緩血管旁CSF-ISF交換[5]。這些證據(jù)都為尋找診斷和治療神經(jīng)退行性疾病等多種顱腦相關(guān)疾病提供了新靶點、新思路。

1.3 Glymphatic系統(tǒng)中的若干問題

由于精細(xì)的實驗數(shù)據(jù)仍在積累過程中，對Glymphatic系統(tǒng)的研究仍存在若干重要問題亟待解決：1)腦組織液沿動脈周圍間隙的流動方向存在爭議(見后“組織液沿血管基底膜的流動”章節(jié))。2)PVS的組織學(xué)證據(jù)不足，確切的解剖位置與動脈壁和靜脈壁之間的關(guān)系不清晰：現(xiàn)有的組織學(xué)證據(jù)多來自于對動物死亡后相對早期的標(biāo)本進行分析，但此種研究方法是否能夠真實反映CSF和ISF在顱內(nèi)的真實流動空間和組織學(xué)結(jié)構(gòu)尚存在爭議：動物死亡后及組織切片固定過程中，動脈周圍間隙會隨之消失，示蹤劑被轉(zhuǎn)移到平滑肌層和基底膜層[4]。3)AQP4的關(guān)鍵作用不明了：最初實驗結(jié)果顯示對于缺乏AQP4水通道蛋白的小鼠，CSF流入和ISF流出都減少了。有新近證據(jù)顯示AQP4的缺失并不影響CSF示蹤劑的分布，也不影響注射到紋狀體中的示蹤劑的分布[6]。4)PVS中組織液流動的驅(qū)動力可能由人為操作導(dǎo)致：向腦池注射示蹤劑后，顱內(nèi)壓的增加可能成為示蹤劑流入的驅(qū)動力；5)生理性Aβ和tau蛋白的日水平波動可能會影響對該系統(tǒng)清除功能結(jié)論分析的準(zhǔn)確性。

2 組織液沿血管基底膜的流動

2.1 血管基底膜路徑的解剖學(xué)位置和組織液流動

以Carare-Weller為代表的研究組認(rèn)為組織液沿皮質(zhì)動脈基底膜進出大腦。當(dāng)皮質(zhì)動脈進入腦實質(zhì)時，軟腦膜替代丟失的動脈外膜包裹在中膜外，介入動脈與神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞之間。在此水平，中膜平滑肌細(xì)胞環(huán)繞動脈管腔排列，融合成一種基底膜。當(dāng)小動脈繼續(xù)延續(xù)為毛細(xì)血管時，中膜和軟腦膜層消失，神經(jīng)膠質(zhì)界膜直接與毛細(xì)血管基底膜接觸，毛細(xì)血管內(nèi)皮與神經(jīng)膠質(zhì)界膜融合而成另一種類型的基底膜[7]。

將可溶性熒光示蹤劑[包括Aβ、葡聚糖、卵白蛋白、熒光微球(直徑0.02 mm～1.0 mm)、5 nm金納米顆粒等]注射至小鼠腦實質(zhì)或腦脊液，組織液中可溶性標(biāo)志物從細(xì)胞外間隙進入毛細(xì)血管的內(nèi)皮-神經(jīng)膠質(zhì)融合而成的基底膜，并沿中膜平滑肌細(xì)胞融合而成的基底膜排出顱內(nèi)，與血流方向相反[7-9]。注入腦脊液的示蹤劑沿神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞基底膜達到毛細(xì)血管基底膜，并通過AQP4與組織液混合[7,10]。但無論是腦實質(zhì)注射還是腦脊液注射，均未在皮質(zhì)靜脈上發(fā)現(xiàn)示蹤劑進出大腦的證據(jù)。通過計算模擬腦內(nèi)擴散背景下動脈周圍引流的過程，證明相比于擴散，沿基底膜動脈周圍引流是一種非?？焖偻ǖ纼?nèi)的流動[11]。

關(guān)于沿基底膜流動的驅(qū)動力，國內(nèi)外研究學(xué)者也進行了初步探討：平滑肌細(xì)胞(vascular smooth muscle cells，VSMCs)血管收縮應(yīng)力誘發(fā)基底膜變形，這些變形沿縱向傳播并隨時間變化，成為驅(qū)動沿基底膜液體流動的主要動力。數(shù)據(jù)計算結(jié)果分析，即使是僅沿一層基底膜所產(chǎn)生的流動也比動脈搏動誘導(dǎo)的血管周凈流量高5個數(shù)量級，動脈搏動不能產(chǎn)生顯著的腦外血管周流動[12]。

2.2 沿基底膜液體流動研究中的若干問題

對于液體沿血管基底膜的流動，其研究方法存在一定的局限性。借助一維分支模型評估基底膜通道內(nèi)壓力驅(qū)動穩(wěn)定流動的合理性，發(fā)現(xiàn)動脈基底膜的水阻力過大，無法容納大量的腦組織液灌注[13]。

實驗方法上的不同可能是導(dǎo)致沿基底膜流動與Glymphatic系統(tǒng)流動差異結(jié)果的主要原因。以Carare-Weller為代表的研究組采用向腦實質(zhì)注射的方法，并對早期死亡標(biāo)本進行分析。而以Iliff 和Nedergaard為代表的研究組直接將示蹤劑注射入腦池，采用雙光子顯微鏡活體成像技術(shù)進行在體分析。兩個研究組所采用的，包括注射用示蹤劑的分子質(zhì)量、可溶性/不可溶性，粒徑大小均有不同。

當(dāng)然，不否認(rèn)另一種可能性的解釋，即顱內(nèi)動脈上應(yīng)該同時存在兩種相反的液體流動通道：沿血管周圍間隙路徑和沿血管壁內(nèi)基底膜路徑。

3 血管外膜及周圍結(jié)締組織內(nèi)的液體流動

3.1 血管外膜及周圍結(jié)締組織內(nèi)的組織液流動

PVS中的液體流動，曾被認(rèn)為是一種僅存于顱內(nèi)的局部現(xiàn)象。但新近研究發(fā)現(xiàn)并非是局部性的，而是全局性的——全身血管樹靜脈和動脈血管外膜及周圍結(jié)締組織內(nèi)，都普遍存在沿血管的組織液長程流動現(xiàn)象。

自2006年，國內(nèi)開始關(guān)注嚙齒類動物沿血管的組織液流動現(xiàn)象。把熒光示蹤劑注射到實驗兔下肢遠(yuǎn)端血管外膜附近的結(jié)締組織中，熒光組織液沿靜脈外膜及周圍結(jié)締組織向心性長程流動，流動方向與管腔內(nèi)血流方向相同，并沿下腔靜脈表面進入心臟冠狀溝、前后室間溝，參與心包液的形成[14-16]。人體動靜脈血管外膜及周圍結(jié)締組織中同樣存在組織液流動現(xiàn)象：將熒光示蹤劑注射到人體尸體拇指末端結(jié)締組織中，利用體外自動按壓儀胸部按壓(頻率110次/min，時間150 min)，使得心臟產(chǎn)生周期性機械運動。這種外加動力使得拇指部位的熒光液體沿上肢靜脈、腋窩鞘靜脈、上腔靜脈外膜及其周圍結(jié)締組織流動，進入右心房表面組織[17-18]。另外，人體斷肢解剖學(xué)實驗揭示了“生理狀態(tài)”下(手術(shù)截肢之前，在患肢足踝外側(cè)真皮下結(jié)締組織中注射熒光溶液)的組織液流動通路：來自足踝部的熒光液體沿靜脈和動脈血管外膜及其周圍結(jié)締組織流動，流動方向指向動力源。嚙齒類動物及人體的標(biāo)本組織學(xué)分析均表明，被熒光液體染色的動脈和靜脈血管外膜及其周圍組織均是纖維結(jié)締組織。

3.2 沿血管外膜及周圍結(jié)締組織組織液流動的拓?fù)鋵W(xué)和組織學(xué)結(jié)構(gòu)

組織液沿血管外膜及周圍結(jié)締組織的流動空間具有多級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，且各級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上的組織液流動方向均一致，具有向心性。

第一級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，是血管壁外的周圍疏松結(jié)締組織 (perivenous loose connective tissues,PLCTs)。血管與其周圍疏松結(jié)締組織沒有清晰的界限。從橫截面看，被熒光染亮的周圍疏松結(jié)締組織范圍很大，其幾何尺度遠(yuǎn)超血管直徑。這個流動空間，類似于顱內(nèi)的PVS。

第二級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，是血管外膜與表面被膜之間的“界面區(qū)(interfacial zone)”，稱之為“外膜/被膜界面流動”，這是一種高速連續(xù)的界面液體流動。

第三級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，是外膜內(nèi)的纖維與凝膠之間的“界面區(qū)”，稱之為“外膜界面流動”。雙光子共聚焦激光顯微鏡結(jié)果提示，血管外膜通道含有大量被熒光染色的微米尺度纖維束，沿血管長軸縱向排布。纖維和凝膠基質(zhì)中的組織液均不能長程流動，故推測纖維結(jié)締組織中的液體流動空間很可能是纖維與凝膠之間形成的“界面區(qū)”。用Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ型膠原酶將纖維骨架破壞后，組織液流動消失，表明有序纖維的存在是組織液流動的必要條件。由于流動與有序纖維取向一致，故推測，這是一種“以有序纖維為軌道”的界面液體流動[14]。

4 問題與展望

全身血管樹上均存在沿血管壁的液體流動，改變了對血液循環(huán)系統(tǒng)的傳統(tǒng)認(rèn)識，但仍有諸多尚待解決的問題：1)流動發(fā)生的空間位置；2)流動空間的組織學(xué)亞微結(jié)構(gòu)；3)組織液流動的物理特性，包括流速和流量；4)組織液流動的動力源或驅(qū)動力機制；5)組織液流動的生理功能等。

傳統(tǒng)生理學(xué)認(rèn)為，組織液被凝膠樣組織間隙束縛而不能自由流動，只有在壓力/濃度梯度的作用下，才能擴散進入臨近的毛細(xì)血管和初始淋巴管，回到血液循環(huán)。組織液(包括腦積液和組織液)沿各類血管、血管各層及其周圍結(jié)締組織的長程流動現(xiàn)象拓展了傳統(tǒng)圖像，將為心血管系統(tǒng)生理學(xué)和病理生理學(xué)研究提供新的切入視角，為疾病的研究開辟新的道路。