《Brain Research》：Mechanisms of glymphatic system dysfunction in central nervous system diseases
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本文深入探讨了类淋巴系统（GS）的结构、功能及其在中枢神经系统疾病中的作用机制。文章系统阐述了GS的流入、交换、流出三部分构成，以及其引流脑脊液、清除代谢废物（如Aβ、Tau蛋白）的核心功能。重点综述了阿尔茨海默病、蛛网膜下腔出血、缺血性脑卒中、创伤性脑损伤、中枢神经系统感染、癫痫、抑郁症、特发性正常压力脑积水等多种疾病中GS功能障碍的分子与临床证据，揭示了水通道蛋白4（AQP4）极化分布的关键作用，并展望了通过调节GS功能治疗相关疾病的新前景。
1. 类淋巴系统的结构
2012年，Iliff及其同事利用双光子显微镜等新型仪器和活体示踪技术，观察小鼠脑内的脑脊液流动和溶质循环，发现并提出了“类淋巴系统”的概念，这标志着GS研究的开端。GS可按功能顺序分为三个不同的部分：经动脉周围间隙的流入部分、经神经血管单元（NVU）的交换部分以及经静脉周围间隙的流出部分。
流入部分
动脉周围间隙是指进入大脑的动脉分支与脑实质之间形成的充满液体的间隙。随着初始脑动脉分支成更小的血管，最终形成参与构成NVU的毛细血管动脉端，它们构成了GS的流入部分。液体通过此途径从动脉流入大脑。
交换部分
神经血管单元，顾名思义，是由神经和血管成分组成的微结构。血管成分包括前述的动脉周围间隙和后续提到的静脉周围间隙。神经成分主要涉及大脑中最丰富的胶质细胞——星形胶质细胞，以及部分神经元。星形胶质细胞具有特殊的终足，参与构成NVU。这些终足包裹着毛细血管，与内皮细胞和周细胞一起形成血管周围间隙。面向PVS的终足膜是其顶端侧，密集且极性化地分布着负责脑脊液分泌、渗透和交换的水通道和离子通道。其中，水通道蛋白4（AQP4）被认定在此过程中扮演核心角色。AQP4的极化分布很大程度上定义了GS的结构特征。极化分布是指AQP4主要位于星形胶质细胞终足膜上，即面向PVS和毛细血管内皮的一侧，而在基底侧分布相对较少。这一结构特征是AQP4在NVU内独特功能的基础，确保了脑脊液在PVS和脑组织间液之间的高效交换。在渗透压、动脉搏动和呼吸等驱动力的作用下，液体逐渐向对侧的星形胶质细胞终足移动，并通过类似结构进入静脉周围间隙。因此，这部分构成了GS的交换部分。
流出部分
静脉周围间隙是指逐渐汇合的微静脉/静脉与脑实质之间形成的充满液体的间隙。它们与前面提到的动脉周围间隙非常相似，只是液体流动方向相反。因此，这构成了GS的流出部分。
2. 类淋巴系统的功能
引流脑脊液与维持颅内液体循环
GS主要由动脉周围间隙、含有AQP4的NVU以及静脉周围间隙组成，其组分均与液体动力学相关。因此，其主要功能是管理颅内液体循环，促进中枢神经系统内血液、脑脊液、组织间液和细胞内液之间的交换与相互作用。在经典的脑脊液循环理论中，脑脊液主要由脑室内的脉络丛产生，在心脏搏动和呼吸的支持下，流经脑室系统和蛛网膜下腔，最终通过蛛网膜颗粒吸收到静脉系统中，完成从动脉到静脉系统的循环。然而，这个模型基于脑实质对水分子不通透的前提。新的实验观察正在挑战这一经典理论的主导地位。将放射性示踪剂注入血液或脑室系统，会发现其快速且均匀地分布在整个大脑，并在很短时间内与既有液体达到平衡，且不会引起脑室扩张。这表明传统的循环途径无法完全解释脑脊液稳态。脑脊液的产生和重吸收并不局限于固定部位，而是弥散在整个大脑中。脑脊液并非完全孤立、封闭的液体，而是与血液、组织间液和细胞内液不断交换和渗透。什么结构实现了这种更广泛的颅内液体循环？GS的发现提供了一个合理的答案。如前所述，GS的三大组成部分——流入、交换和流出——构成了脑脊液引流的通路。此外，其广阔的表面积为液体交换提供了充足的场所，确保了正常生理条件下的颅内液体循环，并维持了颅内容积-压力曲线的稳定性。
清除代谢废物与促进颅内溶质运输
大脑作为一个代谢率极高的器官，需要快速有效地清除代谢废物以维持正常功能。这些废物是如何被清除的？颅内溶质运输必然依赖于液体循环。神经元和胶质细胞产生的代谢废物通过细胞内液和组织间液进入NVU，渗透到脑脊液中，随后沿着静脉周围间隙流出。目前公认的两大类脑代谢废物是：正常代谢产物乳酸和病理性蛋白。研究表明，通过药理学、手术、基因敲除或体位等方式抑制小鼠的GS功能，会抑制从清醒到睡眠过渡期间脑乳酸浓度的正常下降，导致乳酸积累和毒性。病理性蛋白通常包括与阿尔茨海默病相关的Aβ和Tau蛋白，Tau蛋白也与其他神经退行性疾病有关。研究显示，GS通过管理颅内溶质运输，确保了营养物质的输送和代谢废物的清除。
3. 类淋巴系统功能障碍在中枢神经系统疾病中的机制
阿尔茨海默病
阿尔茨海默病是一种神经退行性疾病，主要表现为大脑中有毒蛋白的过度积累，导致进行性神经元变性和坏死，表现为神经功能障碍。值得注意的是，GS的发现正是源于AD研究。尽管AD的发病机制尚未完全明了，但一个普遍的假设涉及Aβ和磷酸化Tau蛋白在脑实质中的积累，形成神经原纤维缠结，损害神经元活动和突触传递，最终导致认知功能障碍。GS的假说与此非常契合。如前所述，GS的功能包括引流脑脊液、维持颅内液体稳态、清除代谢废物和促进溶质运输。因各种原因导致的功能障碍会损害这些基本过程。近期的研究更深入到分子机制和临床相关性。例如，研究发现AQP4单核苷酸多态性与AD存在关联；蛋白质组学研究发现与GS相关的蛋白质主要参与神经退行性变、神经免疫和神经炎症过程。
蛛网膜下腔出血
蛛网膜下腔出血通常由脑动脉瘤破裂引起。早在2016年，研究就发现GS参与了SAH后神经病理变化的保护。后续研究提出，SAH后脑组织因子增加和脑表面纤维蛋白沉积会阻塞GS循环通路，阻碍血肿清除。从遗传学角度，Ccdc39基因突变大鼠模型显示出GS受损、严重SAH和脑积水。在分子机制层面，研究发现垂体腺苷酸环化酶激活肽通过AC-cAMP-PKA信号轴，促进SUR1磷酸化，进而抑制水肿相关蛋白和AQP4的表达，通过保护GS缓解了SAH后大鼠的神经损伤和脑积水。在寻找保护GS、减轻SAH损伤的药物方面，研究发现尼莫地平通过cAMP/PKA通路起作用，β-羟基丁酸上调SNTA1表达以恢复AQP4极性，色素上皮衍生因子-34片段激活67LR，通过JNK/STAT1通路减轻神经炎症并抑制星形胶质细胞A1极化。在比格犬模型中，发现脑室外引流有助于促进SAH后GS功能恢复。一项前瞻性对照研究发现，SAH患者全脑（尤其是大脑皮层和皮层下白质）GS功能显著受损，导致脑脊液从蛛网膜下腔向脑室重新分布，并损害了液体运输。
缺血性脑卒中
在大鼠大脑中动脉阻塞模型中模拟缺血性卒中，急性期使用AQP4抑制剂TGN-020可减轻早期脑水肿，同时在亚急性期抑制梗死周围星形胶质细胞增生和AQP4去极化，从而促进神经功能恢复。另一项研究则发现TGN-020通过抑制ERK1/2信号通路，减轻神经炎症和细胞凋亡，改善GS功能。研究还将范围扩展到人类患者，使用离体荧光成像和双光子显微镜观察MCAO小鼠，并用MRI检查缺血性卒中患者，发现脑水肿的进展与GS功能障碍相匹配。增强GS功能显著减轻脑水肿并促进Aβ清除，而抑制其功能则延迟水肿消退并导致更严重的神经认知损伤。
创伤性脑损伤
创伤性脑损伤作为一种异质性疾病，其表现多样且病因复杂。在小鼠TBI模型中，发现脑脊液通过GS沿颈部淋巴管将生物标志物（包括血清中的S100β、GFAP和神经元特异性烯醇化酶）运输到血液中。一项回顾性研究发现，与对照组相比，TBI患者睡眠模式与MRI上血管周围间隙扩大之间存在更强的相关性，提示GS中扩大的血管周围间隙在TBI中起作用。在青春期雌性SD大鼠的重复轻度TBI模型中，通过对比增强MRI可视化GS功能，发现边缘系统结构和嗅球中GS功能受损，但皮质结构无变化，表明青春期重复轻度TBI后GS反应具有区域特异性。研究发现轻度TBI后颅内压升高导致脑膜淋巴引流严重受损，且持续时间延长。在脑创伤前抑制脑膜淋巴引流会导致更严重的神经炎症和认知缺陷，这表明调节脑膜淋巴引流以恢复正常的GS功能可能是治疗TBI的有效方法。针对此，研究发现酮洛芬、9-顺式维甲酸和VEGF-C可上调淋巴特异性蛋白的表达，维持脑膜淋巴管完整性，改善脑膜淋巴功能，从而促进脑脊液引流和脑水肿的消退，减轻神经炎症和活性氧的产生，保护TBI后的神经功能。类似地，研究发现外源性白细胞介素-33可增强GS引流功能，加速有毒蛋白的清除，减轻TBI后的急性脑损伤，并保护小鼠的运动和认知功能。在TBI后抑制泛肾上腺素能受体，减轻肾上腺素能风暴，可使中心静脉压恢复正常，恢复GS功能，显著减少脑水肿，增加损伤脑组织中细胞碎片的清除，并显著改善继发性神经炎症和磷酸化Tau蛋白聚集。有研究专注于TBI后脑微环境的长期失调，开发了一种封装和递送微环境调节剂前体DHA和VEGF-C的纳米结构，可抑制小胶质细胞和星形胶质细胞的激活，增强GS功能，并改善TBI后的长期结局。
中枢神经系统感染
由肺炎链球菌引起的肺炎链球菌性脑膜炎是一种常见的社区获得性细菌性脑膜炎。在患有肺炎球菌性脑膜炎的Wistar大鼠模型中，观察到脑室内注射伊文思蓝后其在脑脊液腔室中滞留，表明GS功能严重受损。由于星形胶质细胞终足与血管内皮细胞分离以及AQP4蛋白的错误定位，导致GS功能障碍，进而引起脑脊液中溶质引流不足，神经毒性细菌产物在大脑中积累，引发神经炎症和神经元损伤，最终表现为神经功能缺损。研究发现，几种嗜神经病毒通过脑膜淋巴系统被引流至颈淋巴结。结扎或激光消融淋巴管会增加病毒感染小鼠的神经损伤和死亡率，而VEGF-C预处理则可减轻病毒损伤。这表明GS有助于清除大脑中的嗜神经病毒，减少病毒引起的神经损伤。在弓形虫感染的小鼠中，通过荧光显微镜和MRI观察到血管源性脑水肿的表现。示踪剂清除实验显示，感染小鼠的脑脊液流出率降低。用VEGF-C治疗可诱导脑膜淋巴管新生并改善脑脊液流出，尽管在该模型中并未改善脑水肿。
癫痫
癫痫是一种神经系统急症，常伴有急性脑水肿。实验表明，癫痫发作后脑水肿会导致GS功能障碍和磷酸化Tau蛋白聚集，表现为神经认知功能受损。研究首次应用DTI-ALPS方法证明了青少年肌阵挛癫痫患者存在显著的GS功能障碍，且随着年龄增长而加重。使用同样的方法评估了颞叶癫痫患者颞叶切除术前后的GS功能变化，并评估了手术结果与癫痫病程的关系。比较局灶性癫痫患者发现，对抗癫痫药物反应良好的患者，其GS功能明显优于反应不佳的患者。在海马内注射海人酸诱导的小鼠癫痫持续状态模型中，急性给予泛肾上腺素能受体拮抗剂可增强GS流，减少反应性胶质增生，并抑制星形胶质细胞终足中AQP4的去极化。慢性给药也有类似效果。相反，AQP4基因敲除小鼠在KA诱导下表现出GS功能障碍和癫痫状况恶化。
抑郁症
作为最常见的心境障碍，抑郁症与脑血管疾病和认知能力下降密切相关。在慢性不可预知温和应激条件下，小鼠表现出抑郁样行为、前额叶皮层单胺类神经递质浓度降低以及神经炎症标志物升高。双光子成像显示GS功能障碍，而免疫荧光和Western blot检测到AQP4去极化。多不饱和脂肪酸治疗改善了GS功能，并挽救了抑郁行为和认知功能障碍。一项临床研究使用超高场7T MRI测量了重度抑郁症患者的PVS。统计分析得出结论，PVS体积与多种抑郁指标呈正相关，表明GS功能障碍可能在MDD症状学中起作用。研究发现褪黑素可调节CUMS小鼠昼夜节律蛋白Per2的表达，从而维持星形胶质细胞上AQP4极化的昼夜节律，恢复GS功能，并改善抑郁表型。经典的抗抑郁药氯胺酮是一种NMDA受体拮抗剂，新近发现其可抑制NLRP3介导的、高谷氨酸诱导的星形胶质细胞焦亡，从而改善GS功能，缓解小鼠的焦虑和抑郁样行为。在一项横断面研究中，使用一种新的指标——全局血氧水平依赖信号与脑脊液流入动力学之间的耦合强度来评估GS功能，他们发现抑郁症患者的gBOLD-CSF耦合比健康对照组更弱。
特发性正常压力脑积水
特发性正常压力脑积水是一种病因不明的疾病，其特征是尽管颅内压正常，但脑脊液在脑室系统中异常积聚。它与痴呆症密切相关，并且在老年人中常见。2017年，Ringstad等人率先在临床患者中探索了iNPH与GS的关系。他们通过鞘内注射造影剂后进行动态对比增强MRI，观察到脑实质增强延迟和脑脊液清除减少，表明GS功能障碍在iNPH的发病机制中起作用。使用相同的方法，他们还发现iNPH中GS功能受损导致有毒代谢物积累，与内侧颞叶萎缩评分高度相关。应用DTI-ALPS技术，观察到iNPH患者的ALPS指数降低。对脑脊液分流治疗有反应的患者比无反应者的ALPS指数更高。他们还发现指数降低与衡量疾病严重程度的胼胝体角有显著相关性。通过免疫金细胞化学检查患者脑组织的超微结构，发现iNPH患者大脑皮层微血管沿星形胶质细胞终足膜的AQP4蛋白密度显著降低。这表明GS循环受损、Aβ积累和神经认知功能受损。因此，调节AQP4表达、恢复其极化分布以及保护GS功能，有望成为iNPH的新型治疗方法。
4. 总结与展望
自2012年Iliff团队提出GS概念以来，其结构逐步阐明，功能不断被发现。它填补了我们对颅内液体循环认识的空白，有机地连接了中枢神经系统与免疫-淋巴系统，丰富了我们对各种中枢神经系统疾病病因和病理机制的认识，并提供了多样化的新兴非侵入性治疗途径。然而，目前对GS的研究主要集中在动物和细胞层面。尽管研究结果意义重大，但尚不足以直接应用于临床患者。因此，对GS的研究仍在继续，许多未知领域有待探索，其丰富的潜力也等待转化为临床实践。
