脑膜淋巴循环障碍对阿尔茨海默病的影响及研究进展

刘亚美,张紫娟,郝 莉,朴璟蕙,高爱社,张振强

1.河南中医药大学 基础医学院,郑州450046；2.河南中医药大学 第一附属医院,郑州450046；3.河南中医药大学 中医药科学院,郑州450046

中枢神经系统内虽然没有真正意义上衬有内皮细胞的淋巴管,但脑内淋巴引流明确存在,对于维持脑的生理功能具有重要意义,与人体其他器官相比,大脑的淋巴清除途径是不同的,这是人们一直热议的话题[1-2]。脑内淋巴引流途径阻断后会引起一系列中枢神经系统疾病,如脑小血管性病变、淋巴滞留性脑病(Lymphostatic encephalopathy,LE)、脑出血(Intracerebral hemorrhage,ICH)以及神经退行性疾病等,如阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease,AD)[3-5]。AD因其复杂的病因和发病机制目前相关研究并未取得突破性进展情况,脑内淋巴引流途径方面的研究被给予了更多的关注[6-7]。

AD是一种与年龄相关的神经退行性疾病,主要特征为认知功能、记忆、语言以及行为能力的逐渐丧失[8]。其主要病理表现为细胞外淀粉样蛋白(Amyloidβ-protein,Aβ)过度沉积所致的老年斑、细胞内Tau蛋白过度磷酸化致神经纤维缠结、脑中突触和神经元数目的丢失以及神经炎症反应[9-10]。虽然AD病因尚不清楚,但环境因素和遗传易感性均可能导致该病的发生[11]。近年来虽然相关领域的研究很多,但是在AD的治疗方面并未取得突破性进展。

正常情况下,中枢神经系统内产生的可溶性Aβ可通过受体介导的途径入血、酶清除、细胞吞噬、血管周围间隙清除等途径及时清除出脑,不会导致Aβ的沉积。当Aβ产生过多或者清除障碍时导致异常聚集,形成具有神经毒性的不溶性纤维,异常聚集的Aβ纤维跨内皮细胞转运受阻,此时,脑淋巴循环成为其主要的清除途径[12]。近几年关于中枢神经系统淋巴循环引发热议,国内外研究者认为脑膜淋巴系统的发现是神经生理学的新进展[13]。随着年龄的增长,脑膜淋巴功能损伤或障碍被认为是Aβ聚集的加重因素[14]。弄清楚脑膜淋巴循环与脑脊液、脑间质液的关系,并从保护和修复损伤的脑膜淋巴系统着手进行相关靶向药物的研究,可能是预防和治疗AD的潜在靶点。

1 脑脊液组成及其作用

人体中脑脊液(Cerebrospinal fluid,CSF)主要成分由脉络丛产生,充满脑室系统、蛛网膜下隙及脊髓中央管内,产生的平均速率为0.3～0.4 m L/min(即500～600 m L/d),5～7 h更新一次[15-16]。脉络丛上皮细胞分泌一些主要的脑脊液蛋白,如甲状腺运载蛋白,并表达不同的离子和水转运蛋白,如水通道蛋白-1,从而严格调节脑脊液的离子和亲水特性[17-18]。脑脊液组成和更新的变化由局部代谢决定,且涉及中枢神经系统生理学的几个关键方面,包括颅内压平衡(通过平衡脑脊液形成和引流)、从脑细胞活动中清除代谢废物如Aβ,最终进入脑脊液库[19-20]。与血浆相比,脑脊液中钠、氯和镁的浓度较高,而钾、钙、磷酸盐、碳酸氢盐和葡萄糖的浓度较低。钠和氯化物主动转运穿过脉络丛的上皮细胞,水则被动的跟随浓度梯度进行调节。大分子通过胞饮作用从脉络丛上皮细胞的基底向顶端表面运输,然后胞吐到脑室脑脊液中。一般认为,分子可通过脉络丛从脑脊液中清除,也可通过存在于血脑屏障(blood-brain barrier,BBB)的特异性转运蛋白清除,脑脊液回流相当于外周组织的淋巴回流[21-23]。

根据传统的脑脊液稳态的观点,脑脊液的分子含量是通过三条循环途径更新：通过蛛网膜颗粒进入硬脑膜窦(基于动物和非人类灵长类动物体外实验的证据)；通过鼻黏膜的淋巴管进入颈部淋巴结(沿着嗅神经的一个特征不明显的路线)；通过位于脉络丛上皮顶端的转运体和受体进行转运[24-25]。然而,最近的研究[26-28]表明脑脊液中的分子示踪剂主要由脑膜的淋巴管排出,强调引流淋巴路径对于清除大脑中分子的重要性。该研究使脑脊液稳态的传统概念受到了挑战,认为脑膜淋巴管可以接触到脑脊液,并且在健康条件下,不断地将其分子和细胞内容物排入颈部淋巴结(Cervical lymph node,CLNs)。因此,与提议的通过蛛网膜颗粒到硬脑膜窦回流入静脉的脑脊液循环系统的直接系统相反。脑脊液产生和清除的减少被认为是不同神经病理模型如脑积水和缺血严重的促进因素,并在衰老和与衰老相关的神经退行性疾病如AD中导致脑功能衰退。随着年龄的增长,脑脊液中的蛋白质含量会增加,在老年痴呆患者中,这一比例甚至更高[29]。

众所周知,脑脊液动态平衡的改变,无论是急性还是慢性,都与脑功能的变化密切相关。在缺乏传统淋巴结构的大脑实质内,脑脊液在维持大脑功能方面可能扮演着更为重要的角色。

2 脑间质液组成及其作用

脑间质液即脑组织的间质液。一般认为脑间质液由毛细血管产生,部分被毛细血管重吸收；部分经室管膜下区汇入脑脊液回流系统；部分还可通过血管周围间隙被运送到颈部淋巴结并进入血液系统[30-32]。在胚胎时期,侧脑室和脉络丛已经形成,而蛛网膜微绒毛和蛛网膜颗粒在出生时才刚刚开始形成,说明在出生前脑间质液不是经室管膜下区汇入脑脊液回流系统这一途径的,所以血管周围间隙回流途径成为该方面研究的重点[33-34]。

血管周围间隙(Perivasculai spaces,PVS)是一个多世纪以前由德国科学家R.Virchow和法国生物学家C.P.Robin提出,后来称Virchow-Robin腔(Virchow-Robin spaces,VRS),也有称之为血管周围淋巴间隙[35]。PVS是神经系统内的正常解剖结构,包绕在动脉和静脉血管周围的微小组织间隙,将血管与周围的脑组织分离开来,内充满了脑组织间液。PVS具有多种生理功能：①可参与脑内局部免疫调节过程；②可作为反应脑内小血管疾病炎症反应严重程度的标志；③在脑内代谢、淋巴引流、物质清除及物质转运中发挥作用；④可以作为疾病预后的标志；⑤与老年人群的认知功能改变有关[36-37]。

有研究表明,脑内淋巴液、脑间质液和脑脊液可通过PVS引流脑内大分子溶质如Aβ,将其引流入颈部淋巴结,而不能被引流的则积聚于PVS中引起PVS扩大,且扩大程度与认知功能障碍的严重程度有关[38-39]。

3 脑膜淋巴循环的作用及与AD的关系

与血管相比,淋巴管在形态学上可以通过一层不被周细胞或平滑肌细胞所覆盖的单薄内皮细胞层来识别,脑中发现淋巴管的存在最早是在18世纪末由Paolo Mascagni提出来的,但并未被认可；大约两个世纪后,另一位意大利科学家在检查了人类硬脑膜样本后,报道了 Mascagni的“发现”[40-41]。20世纪60年代,人们已经描述了中枢神经系统和周围神经之间存在淋巴连接,实际上与中枢神经系统分子的引流有关[42]。在上世纪末,利用更为强大的扫描电镜技术发现了脑膜淋巴管并将其命名为脑膜气孔,认为可以将其作为脑前淋巴毛细血管系统的一部分,然而考虑到现有的方法,他们不能确定圆形到椭圆形的气孔(定位于脑膜间皮细胞之间)是否为淋巴管[43]。脑膜淋巴管系统的表征对于我们理解大脑和中枢神经系统以及脑脊液生理学和中枢神经系免疫监视具有重要意义[14]。

在外周组织中,细胞和分子首先被引导进入小的初级毛细淋巴管,然后进入预收集器和较大的收集器淋巴管,后者配有阀门(表达整合素-α9的特殊结构),防止淋巴成分回流,最初的淋巴管可穿透细胞和碎片。与外周淋巴管相比,脑膜淋巴管是由较小分支的初始淋巴管网络(没有表达整合素-α9的瓣膜)组成,沿着特定的解剖结构会聚并退出颅骨。在成年小鼠中,注入可扩散溶质伊文思蓝,进入颈深淋巴结(deep cervical lymph node,dCLNs)后流入颈浅淋巴结(superficial cervical lymph node,sCLNs)。注入小鼠脑实质的分子示踪剂最初只在引流的d CLNs中检测到,sCLNs中没有检测到,提示小鼠间质液和脑脊液分子最初流入dCLNs,后来才流入sCLNs。然而,注射入鼻腔粘膜的伊文思蓝在30分钟后在dCLNs中检测不到,说明鼻淋巴管引流较慢或者存在另一种可能的引流路线[13,44]。然而,仍然缺乏对脑淋巴系统形成和维持的细胞参与者以及连接中枢神经系统(Central nervous system,CNS)-引流初级毛细淋巴管到CLNs的淋巴网络的全面描述。因此,确认复杂的淋巴网络中是否存在更为复杂的大脑结构需要科研工作者进行进一步探索。

中枢神经系统脑实质内呈现复杂的血管网络,不断向神经细胞提供氧气和营养。相反,所有外周器官都有对维持组织稳态至关重要的淋巴血管[45]。中枢神经系统疾病AD的主要危险因素是年龄,脑血管功能的逐渐恶化与衰老密不可分。在AD中,由于大脑淀粉样血管病变使得这种情况进一步恶化[46-47]。迟发性AD的几个遗传危险因素,如载脂蛋白E4(Apolipoprotein,ApoE4)基因变异[48]、编码蛋白质簇蛋白和PICALM[49]的基因存在单核苷酸多态性,与血脑屏障功能障碍和Aβ经血管清除功能受损有关[50]。在AD转基因小鼠中,被注射脑中的伊文思蓝在dCLN中检测到,我们有理由相信脑淋巴系统是将Aβ从脑运送至外周的另一条途径[51]。脑膜功能性淋巴管对蛛网膜下腔颗粒与脑脊液内流/细胞间液外排之间的作用机制仍不清楚,这可能是一种新的有利于大脑抵抗神经退行性疾病的机制,需要研究者们进一步探索。

研究者在中枢神经系统脑膜中发现了表达淋巴内皮细胞的经典标记物——血管内皮生长因子受体3(Vascular endothelial growth factor receptor 3,VEGFR3)、淋巴管内皮透明质酸受体1(Lymphatic endothelial hyaluronic acid receptor 1,LYVE-1)、prospero相关同源框基因-1(Prox-1)、podoplanin(D2-40)[52-54]等因子可能是将分子和免疫细胞从蛛网膜下排入颈部淋巴结的关键因素,参与废物清除和中枢神经系统内免疫细胞运输。

VEGFR3是VEGF-C的受体,是促淋巴管新生因子之一,在淋巴管生成和血管生成过程中发挥核心作用[55-57]。淋巴管新生受多种细胞因子和多条信号通路的介导和调控,VEGF-C与淋巴管内皮细胞特异性受体结合,激活下游相关通路,如PI3K/AKT信号通路、ERK1/2信号通路,不仅诱导淋巴管内皮细胞增生,还可降低淋巴管内皮细胞间的黏附,提高淋巴管的通透性[58-60]。磷酸酰肌醇3激酶(Phosphatidylinositol 3-kinase,PI3K)是一种磷脂酰肌醇激酶,可以使肌醇环上的3'位羟基磷酸化,其催化产物激活下游靶蛋白[61]。蛋白激酶(Protein kinase B,AKT)是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶,是PI3K信号途径中一个重要的下游靶激酶。PI3K/AKT信号通路广泛存在于各种细胞中,是膜受体信号转导的重要途径,具有调节细胞增殖、分化、代谢、凋亡等作用[62]。AD主要病理变化老年斑的病变核心是由Aβ过度沉积造成的,周围是大量异常磷酸化的tau蛋白构成的神经纤维缠结[63-64]。糖原合成激酶3β(Glycogen synthase kinase-3β,GSK-3β)作为AKT重要的下游底物,参与AD的细胞凋亡及tau蛋白磷酸化[65-66]。Aβ1-40通过抑制磷酸化AKT水平诱导具有神经元细胞特性的大鼠肾上腺嗜铬细胞瘤细胞的(Pheochromocytoma-12,PC12)凋亡,激活此信号途径则减少细胞凋亡[67-69]。研究表明,通过药物抑制外源性VEGFC与VEGFR3受体结合而激活PI3K/AKT信号通路促淋巴管新生,进而延缓大肠癌、乳腺癌等癌症的淋巴转移进程[70-71]。基于VEGFR3在癌症方面的研究,我们不禁思考其在AD中是不是也扮演着重要的角色,VEGFR3是否通过PI3K/AKT信号通路发挥其在中枢神经系统中的引流作用仍待探索。

4 结语

神经退行性疾病一直是人们研究的热点,AD更是备受关注。脑Aβ生成增多和清除障碍导致Aβ沉积从而加快AD病程进展,促进Aβ清除一直是人们防治AD的着入点。在Aβ清除方面,低密度脂蛋白受体相关蛋白(Low density lipoprotein receptor-related protein 1,LRP1)介导的Aβ经血脑屏障的转运至外周途径[72]已被广泛认可,而对脑淋巴清除途径的研究相对较少,可能跟脑内缺乏典型的淋巴管结构增大了研究难度有关。硬脑膜内功能性淋巴管的存在可以为国内外研究者开展脑脊液、脑间质液及脑内淋巴清除途径方面的研究提供参考,为进一步研究它们之间的关系和作用机制提供某些可能性。从保护和修复损伤的脑膜淋巴系统着手,增强Aβ淋巴循环途径的清除能力,可能是AD的潜在治疗靶点。