Glymphatic brain system and its role in pathogenesis of Alzheimer’s disease

Full Text

Болезнь Альцгеймера (БА) – прогрессирующее нейродегенеративное заболевание, являющееся наиболее распространенной причиной деменции среди населения. Клинически БА характеризуется рядом симптомов, таких как значимое снижение когнитивных функций, снижение функциональной активности, аффективные и поведенческие нарушения, что в свою очередь приводит к социальной дезадаптации пациентов и по мере прогрессирования заболевания – к инвалидизации.

Ключевым механизмом в развитии нейродегенеративного процесса является последовательность патологических реакций β-амилоидного каскада, заключающаяся в формировании амилоидных бляшек вследствие нарушения метаболизма белка-предшественника амилоида (БПА). Синтез патологических форм β-амилоида происходит посредством протеолитического расщепления БПА β- и γ-секретазами, что приводит к образованию β-амилоидных пептидов Аβ-40, Аβ-42 и Аβ-43, содержащих соответствующее количество аминокислотных остатков, которые в определенных условиях агрегируются, формируя олигомеры, а затем и амилоидные бляшки. Тем не менее амилоидный белок выполняет и ряд важных физиологических функций. Физиологический β-амилоид защищает головной мозг от эксайтотоксичности, синаптической депрессии, способствует нейрогенезу, участвует в механизмах врожденного иммунитета, тем самым выполняя трофическую, защитную и транспортную функции [3].

Роль образования патологического β-амилоида и его агрегации в патогенезе болезни Альцгеймера хорошо изучена и не подвергается сомнению. Ежегодно во всем мире тратятся десятки миллиардов долларов на разработку новых методик диагностики и лечения болезни Альцгеймера, ежегодно публикуется более 10 тысяч статей, посвященных этой проблеме. Исследуемые в настоящее время лекарственные препараты направлены на восстановление нейротрансмиссии, коррекцию нейронального воспаления и нарушенного нейрогенеза, стимуляцию межклеточных взаимодействий, а также предотвращение аккумуляции патологически измененных белков. Однако многочисленные клинические исследования пока не продемонстрировали преимуществ новых молекул перед применяющейся сегодня базисной терапией болезни Альцгеймера. Подобные результаты говорят о том, что необходимо более детальное изучение физиологической роли бета-амилоида, а также поиск новых сигнальных путей, вовлечённых в патогенез БА, и новых объектов потенциального терапевтического воздействия.

В последнее время внимание исследователей привлекают механизмы элиминации амилоидного белка из паренхимы мозга. Это стало возможным благодаря открытию роли периартериальных и перивенозных пространств в процессе транспорта цереброспинальной жидкости (ЦСЖ), реализующегося под влиянием многих факторов. Недавние исследования J.J. Iliff, M. Nedergaard [9] показали, что классическая модель циркуляции цереброспинальной жидкости утратила свою актуальность. Производство и обмен ЦСЖ зависят не только от функционирования сосудистых сплетений, но и от циркуляции ее в периваскулярных пространствах Вирхова – Робена. Периваскулярные пространства Вирхова – Робена (синоним: Гиса – Робена периваскулярные пространства, интраадвентициальные пространства) представляют собой щелевидные пространства, окружающие пенетрирующие сосуды головного мозга малого калибра и играющие важную роль в дренажной функции цереброспинальной жидкости и метаболитов в голов- ном мозге. Впервые периваскулярные пространства описал R. Wirchov в 1851 г.

На поверхности коры головного мозга церебральные артерии дают начало пиальным артериям, проходящим через ликворосодержащее субарахноидальное и субпиальное пространство [21]. По мере того как пиальные артерии погружаются в паренхиму головного мозга, они переходят в проникающие артериолы, и вокруг них образуется пространство Вирхова – Робена, которое заполнено цереброспинальной жидкостью и окаймлено слоем лептоменингеальных клеток как на внутренней стенке, обращенной к сосуду, так и на внешней стенке, обращенной к так называемому периваскулярному астроцитарному концу. Внешнюю границу, или пограничную глиальную мембрану периваскулярных пространств, образуют расширяющиеся и переплетающиеся отростки астроцитов, покрытые базальной пластинкой. Таким образом, особенностью цереброваскулярного русла является то, что все артериолы, капилляры и венулы внутри паренхимы головного мозга окружены астроцитами, формирующими астроцитарную муфту, напоминающую «туннель». Пространство Вирхова – Робена исчезает на уровне капилляров, где периваскулярное пространство, по сути, состоит исключительно из базальной мембраны [7]. Из-за пористой структуры внеклеточного матрикса базальная пластинка обеспечивает минимальную устойчивость к потоку ЦСЖ. В посткапиллярных венулах базальные мембраны эндотелиальных клеток и астроцитов расширяются, чтобы снова обеспечить «опустошение» уже перивенозного пространства от ЦСЖ, при этом есть данные о связи перивенозных пространств с шейными лимфатическими узлами [11, 14, 19]. Помимо образования путей с низкой устойчивостью к притоку ЦСЖ, периваскулярные пространства также реализуют важнейшие функции – доставку энергетических субстратов и регуляцию кровотока (рис. 1).

Рис. 1. Нейрососудистая сеть (адаптировано из N.A. Jessen, 2015)

Кровь из глубоких отделов вещества головного мозга впадает в большие центральные/глубокие вены, а затем через поверхностные кортикальные вены, которые анастомозируют с глубокими венами, попадает в верхний сагиттальный синус. Церебральная венозная кровь из верхнего сагиттального синуса и глубоких вен покидает мозг через слияние синусов и попадает в сигмовидные пазухи и яремные вены.

Между цереброспинальной, интерстициальной жидкостью и кровью происходит непрерывный обмен. Этому способствует непрерывный конвективный поток ЦСЖ вдоль периартериального пространства [10]. Вначале из субарахноидального пространства ЦСЖ перемещается в пространства Вирхова – Робена за счет артериальной пульсации, дыхания и градиента давления ЦСЖ. Последующий перенос ЦСЖ в паренхиму мозга и далее в перивенозные пространства осуществляется посредством селективных водных каналов, образованных белком аквапорин-4, которые находятся в астроцитарных ножках, формируя своеобразный кассетный ряд [12]. Движение ЦСЖ в паренхиме приводит к конвективному потоку веществ по отросткам астроцитов в сторону перивенозных пространств, окружающих глубокие вены. Интерстициальная жидкость аккумулируется в перивенозном пространстве, откуда в последующем поступает в шейную лимфатическую систему (шейные лимфатические узлы) [11, 14]. Эта система конвективного обмена ЦСЖ и интерстициальной жидкости в головном мозге названа глимфатической системой из-за ее функционального сходства с лимфатической системой человека (рис. 2).

Рис. 2. Периваскулярный транспорт и глимфатическая система

В 2012 г. исследователями из клиники Мейо Рочестерского университета Соединенных Штатов Америки (США) работа глимфатической системы впервые была изучена in vivo с использованием двухфотонной микроскопии у трансгенных мышей. При маркировке ЦСЖ флуоресцентными мечеными лигандами-индикаторами, вводимыми в большую цистерну мозга, исследователи подтвердили, что лиганд быстро проникает в мозг вдоль корковых артерий, а затем поступает в пространства Вирхова – Робена вдоль проникающих артериол [8]. Было очевидно, что маркеры ЦСЖ поступали в паренхиму через периартериальный путь, окружающий сосудистые гладкомышечные клетки, ограниченный периваскулярным астроцитарным концом, а не диффузно распределялись в паренхиме. Данные ex vivo показали, что введенные вещества выводились из головного мозга вдоль центральных глубоких вен и латерально-вентральных хвостовых вен экспериментальных животных. Последующий анализ также показал, что конвективное перемещение ЦСЖ через паренхиму мозга из периартериального в перивенозное пространство посредством дренажа способствовало очистке интерстициальной жидкости от примесей. Следовательно, такой механизм выведения интерстициальной жидкости может иметь особое значение для развития нейродегенеративных заболеваний, в том числе и БА, которая характеризуется накоплением протеинов, включая образование амилоидных бляшек и нейрофибриллярных клубков.

Образование и метаболизм β-амилоида происходят с высокой скоростью. У здоровых молодых субъектов 8,3% общего β-амилоида очищается каждый час через ЦСЖ [13]. Клиренс через глимфатическую систему в сочетании с транспортом через гематоэнцефалический барьер обеспечивает необходимое и достаточное выведение внеклеточного β-амилоида, при этом недостаточность адекватного объемного потока ЦСЖ приводит к накоплению β-амилоида [19]. Это говорит о том, что низкая активность глимфатической системы может быть основным фактором риска развития нейродегенеративных заболеваний.

Чтобы оценить, элиминируется ли β-амилоид глимфатическим путем, J. Iliff et al. [10] инъецировали флуоресцентный радиоактивный изотоп амилоида β1-40 в стриатум мыши и обнаружили, что β-амилоид быстро выводился из головного мозга вдоль глимфатического перивенозного пространства. Кроме того, визуализация движения лиганда ЦСЖ у мышей с дефектными аквапориновыми каналами показала уменьшение транспортного потока через паренхиму на 65% по сравнению с мышами контрольной группы. Выведение же радиомеченного β-амилоида, предварительно введенного в организм мыши, у этих животных было снижено на 55%. Таким образом, авторы подтвердили, что периваскулярный глифматический путь является одним из основных способов удаления интерстициальной жидкости и продуктов обмена центральной нервной системы из паренхимы головного мозга [9].

Движение цереброспинальной жидкости по периваскулярным пространствам имеет решающее значение для реализации функции обмена между интерстициальной и цереброспинальной жидкостью через глимфатическую систему. Возникает вопрос: что обеспечивает поступление ЦСЖ в периваскулярные пространства? B.T. Kress et al. [13] установили, что для артерий – это пульсация, генерируемая гладкомышечными клетками, которая создает пульсовые волны вдоль всей длины пиальных и проникающих артерий, впадающих в паренхиму с поверхности коры головного мозга. Именно поэтому в функционировании этой сложной системы чрезвычайно важны адекватное пульсовое артериальное давление и эластикотонические свойства сосудов [5, 6].

При введении мышам добутамина, адренергического агониста, значительно повышался пульсаторный эффект, что приводило к проникновению большего количества ЦСЖ в паренхиму. Противоположный эффект был получен, когда артериальная пульсация была ослаблена путем лигирования внутренней сонной артерии. Кроме того, снижение пульсовой волны уменьшило обмен цереброспинальной и интерстициальной жидкости [20]. Это говорит о том, что глимфатическая активность, по крайней мере частично, обусловлена артериальной пульсацией, а также объясняет, почему периваскулярный приток происходит преимущественно вокруг пульсирующих артерий, а не церебральных вен.

Известно, что выведение Аβ осуществляется по градиенту пульсового давления преимущественно в диастолическую фазу и преимущественно в ночное время. При этом за счет включения компенсаторных механизмов диастолическое давление в ночные часы стремится к наименьшим значениям. В недавних исследованиях L. Xie et al. [20] было показано, что уровень ночного артериального давления сам по себе обладает более высоким прогностическим значением в отношении сердечно-сосудистых заболеваний, чем дневное артериальное давление. Известно, что больные артериальной гипертензией с нарушенным циркадным профилем артериального давления независимо от типа изменения суточного индекса имеют более высокий риск развития раннего атеросклеротического поражения экстракраниальной части сонных артерий. Кроме того, установлено, что более 50% пациентов, страдающих БА и имеющих нормальные значения артериального давления в течение дневного цикла измерений, не имеют достаточного снижения давления ночью, а 16,2% и вовсе характеризуются отсутствием какого-либо его снижения ночью.

При этом клиренс β-амилоида из головного мозга напрямую зависит от продолжительности и качества сна. Сон занимает почти треть жизни человека, а его полноценность необходима для правильного функционирования головного мозга. На сегодняшний день взаимосвязь между расстройством сна и когнитивными нарушениями очевидна [4]. Энергетический метаболизм мозга снижается на 25% во время сна, но сон не просто является способом сохранения энергии. Оказывается, физиологическое значение сна уникально в том смысле, что эффективность работы глимфатической системы резко усиливается в ночное время и, наоборот, снижается во время бодрствования. В исследованиях на мышах 2-фотонное изображение глимфатического пути показало, что приток ЦСЖ в бодрствующем состоянии снижен на 90%, по сравнению с мышами, введенными в медикаментозный сон [16]. Чтобы проверить, было ли это связано с бессознательным состоянием или же являлось побочным эффектом используемых анестетиков, такой же эксперимент проводили у естественно спящих мышей. Было показано, что глимфатическая функция очень активна как у мышей, введенных в медикаментозный сон, так и у естественно спящих мышей [16]. Разница в глимфатическом притоке во время сна коррелировала с объемной долей интерстициального пространства, которая составляла 13–15% в активном состоянии и была увеличена до 22–24% у анестезированных мышей.

Таким образом, состояние сна, преимущественно его медленная фаза, связано с увеличением межклеточного пространства мозга, что снижает сопротивление конвективному потоку межклеточной жидкости и улучшает клиренс бета-амилоида. Механизм, за счет которого происходят данные изменения, связан с секрецией норадреналина голубым пятном. Во время сна его секреция снижается, что приводит к уменьшению активности нейронов, а это в свою очередь с помощью преимущественно осмотических механизмов приводит к увеличению межклеточного пространства. В экспериментальных работах J. O’Donnel et al. [15] также показано, что норадреналин может подавлять активность глимфатической системы во время бодрствования. Локальное применение антагонистов рецепторов норадреналина у бодрствующих мышей приводило к увеличению притока цитокинов в ЦСЖ, почти сравнимого с таковым во время сна или анестезии. Напротив, применение норадреналина в идентичных состоянию бодрствования концентрациях значительно уменьшало объем интерстициальной жидкости [17].

В свою очередь увеличение сопротивления конвективному обмену ЦСЖ и интерстициальной жидкости (ИСЖ) приводит к снижению скорости движения жидкости по глимфатической системе во время бодрствования. Норадреналин также действует непосредственно на эпителиальные клетки сосудистого сплетения и ингибирует продукцию ЦСЖ. И наоборот, снижение воздействия норадреналина, имитирующего состояние сна, усиливает продукцию спинномозговой жидкости. Исходя из этого, норадреналин можно считать ключевым регулятором цикла сон-бодрствование и клиренса церебральных продуктов обмена.

В эксперименте у трансгенных мышей наблюдалось изменение качества ночного сна, колебание уровня лактата в головном мозге, изменение уровня активности в ночное время и уменьшение фазы быстрого сна. В клинических исследованиях показано, что у пациентов, страдающих болезнью Альцгеймера, фаза и быстрого сна, и медленного сна значительно меньше, чем у пациентов контрольной группы. Также показано, что по результатам позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) с лигандами амилоида (питтсбургская субстанция) пациенты с накоплением радиолиганда имели более выраженные нарушения сна, нежели пациенты в группе без накопления. В эксперименте продемонстрировано, что уровень амилоида в ЦСЖ зависит от суточных биоритмов. По результатам исследований J.J. Iliff et al. [9] на трансгенных мышах показано, что в ночное время уровень бета-амилоида был самым высоким и наиболее низким в дневное время. У пациентов с установленным люмбальным шунтом выявлены аналогичные суточные колебания бета-амилоида в ЦСЖ. Одна из гипотез состоит в том, что уровень бета-амилоида в цереброспинальной жидкости колеблется в результате аналогичных изменений нейрональной активности. Предполагается, что увеличение активности нейронов во время фазы пробуждения может опосредовать суточный рост концентрации β-амилоида. Нарушение медленной фазы сна приводит к более высокому уровню активности нейронов, тем самым увеличивая производство бета-амилоида. А.E. Roher et al. [18] в своих исследованиях продемонстрировали, что лактат (маркер активности нейронов) также имеет суточные колебания в ЦСЖ. В то же время сон может регулировать клиренс β-амилоида из головного мозга. Таким образом, одна из функций сна заключается в том, что происходит активация глифматической системы, вследствие чего стимулируется очищение головного мозга от нейротоксичных веществ, образующихся во время бодрствования, в особенности – амилоидного белка [1, 4].

Предполагается, что эффективность глимфатической системы ухудшается с возрастом. Оценка глимфатической функции на моделях старых и молодых мышей показала снижение активности глимфатической системы на 80–90% у старых по сравнению с молодыми [8]. Также к факторам, способствующим снижению глимфатической активности с возрастом, относят снижение общей продукции ликвора на 66% и снижение давления ЦСЖ на 27% [18]. Известно, что изменение эластико-тонических свойств артерий с возрастом приводит к уменьшению их пульсации, что в свою очередь снижает активность «глимфатического притока» [18]. Установлено, что генетическая делеция аквапорина-4 нарушает обмен между ЦСЖ и ИСЖ на 65% и уменьшает клиренс β-амилоида на 55% [12]. Отсутствие паритета снижения обмена между интерстициальной и цереброспинальной жидкостью, а также клиренсом бета-амилоида, вероятно, объясняется тем, что некоторая часть инъецируемого β-амилоида очищается непосредственно в крови благодаря лиганд-рецепторному трансэндотелиальному транспорту [6]. C возрастом аквапорин-4 теряет периваскулярную поляризацию, что, вероятно, также приводит к снижению глимфатической функции. Таким образом, снижение функции глимфатической системы при старении может способствовать накоплению несвязанных и гиперфосфорилированных белков и тем самым потенцировать нейродегенеративные процессы.

При болезни Альцгеймера чаще, чем у пациентов контрольных групп, наблюдается аномальное увеличение (расширение) периваскулярного пространства, что может свидетельствовать о срыве компенсаторных возможностей глимфатических путей, приводящем к снижению клиренса белков и их наколплению. Аномалии в периваскулярном пространстве также выявляются и при сосудистой деменции, являющейся второй наиболее распространенной причиной когнитивной дисфункции, что в очередной раз подтверждает сходный патогенез сосудистой и нейродегенеративной патологии. Изменения сосудов головного мозга вследствие артериальной гипертензии, атеросклероза, сахарного диабета и других наследственных заболеваний являются значимыми факторами риска развития сосудистой деменции. Одной из основных причин развития сосудистой деменции является повреждение кровеносных сосудов головного мозга малого калибра, в связи с чем часто используется термин «болезнь малых сосудов». При этих состояниях также часто наблюдается увеличение периваскулярного пространства. Похожие изменения отмечаются и при церебральной аутосомно-доминантной артериопатии с подкорковыми инфарктами и лейкоэнцефалопатией [19]. Предполагается, что анатомические аномалии периваскулярных пространств могут оказывать важное влияние на глимфатический поток из-за измененных физических и, возможно, клеточных сигнальных путей, которые не обеспечивают достаточный объемный поток в периваскулярных пространствах. В многочисленных исследованиях у больных, страдающих церебральной аутосомно-доминантной артериопатией с подкорковыми инфарктами и лейкоэнцефалопатией, было обнаружено аномальное расширение периваскулярных пространств. Одним из объяснений расширения периваскулярного пространства может быть «блокада» периартериального пространства продуктами метаболизма, приводящая к локальной обструкции глимфатического потока [19]. Вероятно, ткань, богатая миелином, более чувствительна к снижению конвективного потока жидкости, и, возможно, именно это объясняет, почему при сосудистых заболеваниях, в том числе при аутосомно-доминантной артериопатии мозга, в первую очередь поражается белое вещество. Очевидно, что грубые изменения периваскулярного пространства могут отрицательно влиять на функционирование глимфатической системы, что в свою очередь также усугубляет патологию.

Также через глимфатическую систему реализуется и липидный транспорт. Масса мозга человека составляет только 2% от общей массы тела, однако мозг содержит до 25% всего холестерина организма человека. Несмотря на то, что мозг обогащен холестерином, гематоэнцефалический барьер предотвращает непосредственное поступление липидов и липопротеидов из крови в мозг, включая общий холестерин. В отличие от периферических тканей, которые получают передаваемый через кровь холестерин, выделяемый печенью, мозг синтезирует весь свой холестерин de novo. Избыток холестерина исключается из мозга путем гидроксилирования холестерина до 24-OH-холестерина. Фактически глимфатическая и периваскулярная системы действуют как поглотители избыточного холестерина, продуцируемого в мозге. Головной мозг хорошо приспособлен для внутреннего переноса липидов через собственный переносчик липопротеидов высокой плотности, секретируемых астроцитами.

Секреция липопротеидов высокой плотности из астроцитов зависит в основном от аполипопротеина Е (АПОЕ). Ген белка АПОE, в частности его аллель e4, является основным генетическим фактором риска развития болезни Альцгеймера. Этот липидный носитель важен для поддержания гомеостаза, необходимого для нормального функционирования головного мозга. АПОЕ наиболее сконцентрирован в мембранах астроцитов вокруг кровеносных сосудов. Кроме того, сосудистое сплетение и клетки эпендимы в стенке третьего желудочка также продуцируют AПOЕ. Таким образом, производство AПOЕ и ликвора локализовано практически в одном месте, а транспортируются они единым путем благодаря глимфатической системе. Инъекции липофильных меченых веществ в ЦСЖ показали, что несколько различных липофильных молекул размером <1 кДа, сходных с размером холестерина (0,387 кДа), и липофильные молекулы > 3 кДа попадали в головной мозг через периартериальные пространства, а выводились через перивенозные подобно гидрофильным молекулам. Однако только липофильные индикаторы <1 кДа проникали в паренхиму головного мозга, тогда как более крупные меченые вещества могли транспортироваться только лишь периваскулярным путем [3]. Это говорит о том, что глимфатическая система играет центральную роль в макроскопическом распределении липидов в головном мозге, а для средних и больших растворимых в липидах молекул могут потребоваться частицы-носители для их доставки через ЦСЖ. Поэтому астроциты играют ключевую роль в синтезе липидов и их распределении путем высвобождения белков-носителей липидов, таких как AПOE. Следовательно, нарушение функции глимфатической системы способно приводить к повышению уровня холестерина непосредственно в головном мозге, что в свою очередь может влиять на уровень бета-амилоида.

Таким образом, проведенные исследования демонстрируют важность глимфатической системы в клиренсе бета-амилоида из головного мозга через периваскулярные пространства Вирхова – Робена. С учётом разнообразия гипотез, которые в настоящее время рассматриваются в основе патогенеза болезни Альцгеймера, вышеописанная взаимосвязанная модель позволяет объединить эти звенья (гиперпродукция амилоида – агрегация – нарушение клиренса – нейродегенерация) в единую модель. Накопленные данные свидетельствуют о том, что значительное снижение клиренса через глимфатическую систему в существенной степени способствует накоплению бета-амилоида. Стимуляция деятельности глимфатической системы, нормализация сна, нормализация гемодинамики может способствовать повышению эффективности терапии пациентов с додементными когнитивными нарушениями при болезни Альцгеймера и других нейродегенеративных заболеваниях, сопровождающихся когнитивными расстройствами.

About the authors

V. Yu. Lobzin

Email: vmeda-nio@mil.ru
Russian Federation, St. Petersburg

K. A. Kolmakova

Email: vmeda-nio@mil.ru
Russian Federation, St. Petersburg

A. Yu. Emelin

Email: vmeda-nio@mil.ru
Russian Federation, St. Petersburg

A. V. Lapina

Author for correspondence.
Email: vmeda-nio@mil.ru
Russian Federation, St. Petersburg

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. Neurovascular network (adapted from N.A. Jessen, 2015)

Download (488KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. Perivascular transport and the glymphatic system

Download (286KB)

Indexing metadata