中枢神经系统淋巴循环与阿尔茨海默病关系的研究进展

刘 芳，张 炜，王 娟，畅雪丽，张 晶，郭军红

阿尔茨海默病(Alzheimer′s disease，AD)是一种严重的、年龄相关的中枢神经系统变性病，主要表现为进行性的认知功能障碍，同时伴有精神行为异常和日常生活能力下降[1]。AD特征性病理改变包括脑内出现β-淀粉样蛋白(amyloid β protein，Aβ)沉积，神经元内出现过度磷酸化Tau蛋白聚集形成的神经原纤维缠结(neurofibrillary tangles，NFTs)以及大量的神经元丢失与脑萎缩[1]。AD是最常见的痴呆类型，目前全球有超过3 000万例病人，随着人口老龄化进程的加剧，这个数字还在继续攀升，预计40年后将增加至1.2亿人[2]。我国AD病人数量也在持续增长，1990年时尚不足200万人，2010年已接近600万人[3]。而且，AD的花费相当惊人，目前我国AD病人单人年花费已达15万元[4]，给社会和家庭造成了沉重的经济负担[5]。AD已成为亟待解决的公共卫生问题。然而，直到目前为止，仍然缺乏治愈AD的药物，大量临床试验以失败告终，究其原因，主要是对病因、发病机制的了解仍不全面[6]。 传统观点认为中枢神经系统不存在衬有内皮细胞的淋巴管，也不存在淋巴循环。近年来，研究证实中枢神经系统确实存在淋巴循环，清除脑组织中的大分子代谢废物是其主要生理功能之一，而蛋白质异常沉积是AD的病理特点。有研究表明中枢神经系统淋巴循环功能受损可能参与了AD的发病过程。本研究对中枢神经系统淋巴循环与AD之间的关系以及相关研究进展进行综述。

1 中枢神经系统淋巴循环

脑组织代谢形成的蛋白质废物通过多种途径清除，包括血脑屏障、酶降解及中枢神经系统淋巴循环。传统观点认为经血脑屏障清除占据主要地位，但最新的研究发现，中枢神经系统淋巴循环在大分子废物的清除上发挥着更为重要的作用[7-8]。中枢神经系统淋巴循环包括胶质淋巴系统和脑膜淋巴管两部分。胶质淋巴系统是一个由星形胶质细胞介导的可促进脑内废物清除的脑脊液-脑组织液交换流动系统，主要包括动脉周围间隙、星形胶质细胞足突上的水通道蛋白-4(aquaporin-4，AQP4)及静脉周围间隙[9]。胶质淋巴系统/脑膜淋巴管的工作模式(见图1)：蛛网膜下腔的脑脊液沿动脉周围间隙进入脑的深部，经AQP4的介导流入脑组织间隙(脑脊液→组织液)，并推动脑组织液经静脉周围间隙回到蛛网膜下腔(组织液→脑脊液)，由上述循环进入脑脊液的蛋白质废物最终经脑膜淋巴管被送至颈深淋巴结处理。

图1 胶质淋巴系统/脑膜淋巴管工作模式图[10]

1.1 胶质淋巴系统 在大脑皮层表面，脑动脉穿过充满脑脊液的蛛网膜下腔延伸为软脑膜动脉，后者进入脑实质中滋养脑组织。在脑实质内包绕在动脉周围的间隙称为动脉周围间隙，与蛛网膜下腔相联系，随着动脉分支变为小动脉和毛细血管以及毛细血管汇聚为静脉，动脉周围间隙内的脑脊液继续流入小动脉、毛细血管和小静脉的血管周围间隙[11]。为明确血管周围间隙在脑脊液与脑组织液间物质交换中的作用，有研究将荧光示踪剂注入小鼠的小脑延髓池，利用双光子显微镜动态观察到注入脑脊液的荧光示踪剂首先流入动脉周围间隙(非静脉周围间隙)，随着时间延长，示踪剂继续沿着小动脉的周围间隙进入大脑深部，而后小分子示踪剂进入组织液中，在经历更长的时间之后(大约1 h之后)，示踪剂在毛细血管和小静脉的血管周围间隙中浓度升高，并沿着静脉周围间隙回到脑脊液中[5]。

AQP4是大脑内分布最广泛的水通道蛋白，在星形胶质细胞足突表面高度集中[12-13]。AQP4是脑脊液在血管周围间隙与脑组织液间交换的主要通道，是胶质淋巴系统的重要环节[8]。将显影剂注入小鼠脑室后短时间内即在脑实质中观察到显影剂的存在，最终回到静脉血管周围间隙。但将显影剂注入AQP4-/-转基因小鼠脑室，进入脑实质的显影剂显著减少；如果将显影剂直接注入脑实质，显影剂的清除速度会显著减慢[13]。

1.2 脑膜淋巴管 淋巴系统在体内广泛分布，帮助清除组织内过量的水分和大分子物质。过去并不认为中枢神经系统存在淋巴管，因此，对大脑怎样清除组织中的大分子废物存在疑问，有观点认为大分子废物经蛛网膜颗粒进入静脉系统是胶质淋巴系统的下游[14]。Koh等[15]研究发现相当可观的一部分脑脊液被引流至颅外的淋巴结和淋巴系统，但是很长一段时间都不清楚脑脊液经过怎样的途径进入了淋巴循环。Aspelund等[14]研究发现在小鼠的硬脑膜中存在淋巴管网络。脑膜淋巴管从临近的蛛网膜下腔中吸收脑脊液，并在颅骨基底部处将脑脊液注入颈淋巴结。人类硬脑膜中同样存在淋巴管网络[16]。脑膜淋巴管毁损后，脑内大分子废物的清除速度将明显减慢[17]。

2 AD与中枢神经系统淋巴循环

AD的两个主要神经病理学特征是Aβ沉积和过度磷酸化tau蛋白聚集[18]。近年有研究发现大脑类淋巴系统在Aβ、tau蛋白等大分子代谢产物的清除方面发挥重要的作用[7，19]。

2.1 Aβ蛋白与大脑类淋巴系统 动物实验证明，Aβ主要通过胶质淋巴系统/脑膜淋巴管途径清除[20]。将荧光标记的Aβ注入小鼠脑实质中，1 h后检测脑实质中残余Aβ以评价清除能力，野生型小鼠脑实质内的Aβ被迅速清除，而AQP4基因(编码AQP4)敲除小鼠的清除能力下降了55%～65%[21-22]。

脑膜淋巴管广泛存在于人与动物硬脑膜中，是胶质淋巴系统/脑膜淋巴管途径清除Aβ等大分子废物的必经之路[7，10，16，23]。将荧光标记的Aβ注入脑实质1 h后，损毁脑膜淋巴管的小鼠脑组织Aβ残余量2倍于未损毁小鼠[17]。脑膜淋巴管损毁6周后，转基因AD小鼠海马Aβ累积量成倍增长，认知功能进一步下降[17]。颈深淋巴结接受脑膜淋巴管引流的淋巴液，结扎后也会导致转基因AD小鼠海马与皮层Aβ斑块增多、认知功能恶化[24]。

Aβ沉积于硬脑膜反映脑膜淋巴管功能异常。低月龄转基因AD小鼠脑膜淋巴管功能正常、Aβ清除通畅，尽管Aβ产生增多，但其硬脑膜并无Aβ沉积[17]。如果预先损毁脑膜淋巴管，将有大量Aβ沉积于低月龄转基因小鼠的硬脑膜[17]。不同于健康老年人，散发性病人的硬脑膜上有大量Aβ沉积，提示散发性病人脑膜淋巴管功能下降[17]。但是脑膜淋巴管功能下降与发病之间的时间关系并不清楚。目前已知的是，年龄不仅是散发性最重要的危险因素，也与脑膜淋巴管功能息息相关。老年小鼠(20～24月龄)脑膜淋巴管引流量仅为年轻小鼠(2月龄)的1/2[7，17]。考虑到脑内Aβ增多是发病过程中的始动因素，脑膜淋巴管在Aβ清除中所占据的主要地位以及散发性病人脑膜淋巴管功能退化，老化导致的脑膜淋巴管功能下降可能在散发性的发病中发挥了重要作用，但是目前还缺乏实质性的证据。

2.2 Tau蛋白与大脑类淋巴系统 AD另一个重要的病理特征是过度磷酸化tau蛋白的积累，与脑内Aβ斑块共同导致神经变性，正确清除过度磷酸化tau蛋白有助于防止AD的进展[25]。近期的动物研究证实大脑类淋巴系统功能缺失延迟tau蛋白清除，加重tau病理学表现[19]。

多个研究已经证实胶质淋巴系统在清除Aβ中有重要作用。为研究Aβ是否也有清除tau蛋白的作用，Iliff等[26]观察到AQP4基因敲除小鼠较对照组小鼠tau病理学加重，可加重大脑神经变性，提示AQP4蛋白介导的胶质淋巴系统对tau蛋白的清除有重要作用。为进一步探索硬脑膜淋巴管在tau蛋白清除的作用，Patel等[19]将近红外吸收染料与tau蛋白结合注射入小鼠脑实质48 h及72 h后，通过荧光分子断层扫描和荧光定量检测观察到脑膜淋巴管功能缺损的小鼠大脑tau蛋白残余量是对照组的2倍；检测48 h后血浆中tau蛋白残余量，观察到相似结果，提示在硬脑膜淋巴管功能缺失情况下，细胞外tau蛋白没有从中枢神经系统向周围有效清除。上述两项研究证实胶质淋巴系统和脑膜淋巴管协同作用最终完成tau蛋白的清除，从而延缓AD的发生发展[19]。

3 小 结

关于大脑类淋巴系统的研究至今几乎都是在实验动物上开展的，人体研究还鲜有报道。由于磁共振成像技术的使用，该情况将有望改善。淋巴管的体内成像可以更详细地研究废物清除及其在各种神经系统疾病的潜在异常[27-28]。一系列的动物实验已经证实增强的大脑淋巴清除功能对AD认知障碍及病理改变有明显改善，因此，可以考虑通过恢复或增强脑膜淋巴管功能，增加大脑类淋巴系统清除大分子代谢产物。