膠質淋巴系統在中樞神經系統疾病中的研究進展

何曉峰 鄧文靜

1）鄭州大學第一臨床醫學院，河南 鄭州 450052 2）鄭州大學第一附屬醫院，河南 鄭州 450052

淋巴系統為脊椎動物所特有的，由引流淋巴管、淋巴管以及相應的淋巴器官所構成。淋巴循環遍布人體大部分組織，將間質液體、免疫細胞和大分子輸送到淋巴結節，然后回到血液循環，協助清除間質中代謝廢物以維持體液穩定，并發揮免疫監測和炎癥期間引導免疫細胞的運輸作用［1］。過去由于在人類大腦中未發現襯附內皮細胞的淋巴管，所以人們曾普遍認為中樞神經系統缺乏經典淋巴管構造，也不具有完善的淋巴循環系統［2］。然而，隨著大腦中復雜的淋巴網絡逐漸被發現，徹底改變了人們對于這一結構的認知。本文圍繞中樞膠質淋巴系統的結構與功能展開，闡述膠質淋巴系統在多種中樞神經系統疾病中的作用，進而探索臨床治療新思路。

1 大腦血管周圍間隙（perivascular space，PVS）

了解大腦PVS的結構有助于我們更好地認識膠質淋巴系統。Virchow 在1851 年描述了腦穿通血管的內/中膜和外膜之間的微小空間，并認為它們直接與蛛網膜下腔相連。1859年，Robin 描述了這些相似的空間，但其認為它們是存在血管外膜中的閉合通道［3］。因此PVS 又被稱為Virchow-Robin 間隙（VRS）。通常認為PVS是包繞著大腦小動脈和小靜脈含有液體的微小組織間隙，內壁為血管壁，外壁為大腦星形膠質細胞足突，其間包含的各種物質及空間均屬于PVS范疇，但關于PVS的精準解剖結構以及是否與蛛網膜下腔直接相連一直存在爭議。

1982 年，KRAHN［4］在貓和兔身上進行掃描電子顯微鏡研究，發現走行在蛛網膜下腔的血管被軟腦膜細胞覆蓋，并在動脈穿通支入腦處和靜脈出腦處將軟腦膜反折到腦表面，這說明PVS 并不是直接與蛛網膜下腔相通的。1990 年，ZHANG等［5］通過透射電子顯微鏡觀察腫瘤患者切除的新鮮額、顳葉皮質，進一步發現動脈在蛛網膜下腔和大腦內走行時均有一層軟腦膜細胞形成的鞘包繞，隨著動脈進入大腦深處走行，軟腦膜細胞層出現穿孔變得不完整，至毛細血管水平已無可識別的軟腦膜細胞；而靜脈周圍僅有少量的軟膜細胞與血管壁相連，PVS與軟膜下間隙匯合（見圖1）。

圖1 大腦額顳葉皮質內血管PVS結構示意圖Figure 1 Schematic diagram of PVS structure of vessels in frontal and temporal cortex of brain

1997 年，通過掃描電子顯微鏡對人大腦基底節區動靜脈結構的研究中發現，進入基底節的小動脈從蛛網膜下腔穿入皮質時，包裹在兩層柔軟腦膜內，內膜緊密貼合在小動脈壁上，外膜與軟腦膜延續，兩層中間的空間就是PVS（見圖2左）；而在靜脈周圍只有一層薄薄的柔軟腦膜覆蓋，形成PVS的內壁，外壁由覆蓋在膠質細胞界限基底膜上的膠原纖維形成，這些PVS 與軟腦膜下空間相通（見圖2 右）［6］。后續在嚙齒動物和人類研究中發現小動脈周圍間隙（PAS）與蛛網膜下腔相通［7-8］。隨著研究不斷深入，研究總結指出，通過大腦底部進入基底節的小動脈如前所述由兩層腦膜包繞，而通過凸起皮質進入大腦的小動脈和所有小靜脈被一層軟腦膜層包圍（見圖2）［9］。最近，MESTRE等［10］通過對小鼠軟腦膜標志物ERTR7進行高分辨率成像發現，軟膜細胞呈網狀，在腦和軟腦膜傳入血管表面形成了一個有窗的網狀結構。根據穿支小動脈周圍軟膜細胞的密度及覆蓋方式的不同將PAS 分為A（25%）、B（58%）、C（17%）三種類型（見圖3），PAS類型在腦表面的分布與不同腦區部位和血管的橫截面積無關。研究還通過注射腦脊液示蹤劑后計算腦脊液示蹤劑覆蓋的PAS面積大小發現，盡管小鼠腦內三種PAS的解剖結構不同，但軟腦膜并不是小分子或腦脊液流動的屏障，證明了PAS與蛛網膜下腔的連續性。

圖2 大腦基底小動脈PVS（左）、凸面皮質小動脈和所有靜脈PVS（右）結構示意圖Figure 2 Structural schematic diagram of PVS of cerebral basilar arterioles（left），convex cortical arterioles and all veins（right）

圖3 小鼠腦中三種類型PAS結構Figure 3 Three types of PAS structure in mouse brain

2 膠質淋巴系統

2012年，ILIFF等［11］將熒光示蹤劑注入麻醉小鼠的腦池，使用雙光子激光掃描顯微鏡實時觀察蛛網膜下腔腦脊液流入腦實質的路徑，證明在注射后腦脊液示蹤劑以動脈旁PVS的方式迅速進入腦實質擴散到整個大腦，然后交換到間質間隙的腦脊液示蹤劑再次沿著引流靜脈旁PVS 被迅速清除，反映了腦脊液（cerebrospinal fluid，CSF）和腦組織間質液（interstitial fluid，ISF）交換途徑的存在，這些觀察首次描述了小鼠存在類似于外周淋巴系統的全腦液體運輸途徑。由此提出了一個依賴于三個主要組成部分相互作用系統的存在：CSF 沿動脈旁PVS 流入途徑、CSF 與ISF 跨實質交換途徑和CSF/ISF 沿靜脈旁PVS清除途徑（見圖4），這三個途徑均依賴于星形膠質細胞，根據它與外周淋巴系統的功能同源性以及它對神經膠質細胞的依賴，這被稱為“膠質淋巴系統”［12-13］。星型膠質細胞的終足位于PVS 的最外側，在終足上發現了一種水通道蛋白（Aquaporin）AQP-4，ILIFF 等［14］通過動物實驗發現在AQP-4 基因敲除的動物模型中，大腦間質中液體和溶質的清除速度較正常動物明顯減慢，之后多項關于膠質淋巴系統的研究提出星形膠質細胞終足上的AQP-4在腦脊液的定向流動中發揮關鍵作用，腦脊液由大腦動脈搏動等驅動，通過對流運動從蛛網膜下腔通過PVS 進入腦實質。但也有研究駁斥了這種說法，他們發現動脈旁空間局部混合與擴散運動的結合即彌散運動（流動的流體因速度不均勻而引起一種對溶質擴散運動的加強作用）才是溶質從PVS 向腦實質的傳輸的運動形式［15-16］，動脈搏動的作用仍不清楚，有可能顱內壓才是PVS中液體運動的驅動力，動脈搏動只是在增強PVS 和腦實質間的彌散運動方面發揮作用［17］，另外AQP-4 缺失或心臟驟停不會影響腦脊液的流入［18］。盡管有爭議，但是星形膠質細胞AQP-4 在不同疾病模型中對快速淋巴運輸是必不可少的［19］。CSF 通過動脈旁間隙流入腦實質后，與ISF 發生交換，隨后沿著靜脈旁間隙流出，這種液體外流攜帶親水性和親脂性分子流入蛛網膜下腔［20］。這一過程能夠從腦實質中去除淀粉樣β蛋白（Aβ）［11］、tau蛋白［21］、α-突觸核蛋白（α-synuclein，α-Syn）［22-23］等，是去除潛在有害代謝廢物的重要途徑。

圖4 膠質淋巴系統示意圖Figure 4 Schematic diagram of glial lymphatic system

3 膠質淋巴系統與中樞神經系統疾病

3.1 神經退行性疾病老年神經退行性疾病包括阿爾茨海默?。ˋD）、帕金森?。≒D）、亨廷頓?。℉D）、肌萎縮側索硬化癥（ALS）、額顳葉癡呆（FTD）和tau病等。這些蛋白質病顯示出復雜獨特的病理生理特征，并且都有一個基本特征即聚集了異常加工和錯誤折疊的蛋白質，如Aβ、tau、α-Syn、TARDNA 結合蛋白43（TDP43）和亨廷頓蛋白（Htt）的突變形式。這些異常的蛋白質失去其原本生理作用，異常聚集并產生新的神經毒性功能［24］。向腦池注入熒光示蹤劑比較年輕、中年和老年嚙齒動物中膠質淋巴系統功能發現，隨著年紀增加，腦脊液流入腦間質顯著減少，中年動物的腦脊液流入大約是年輕小鼠的一半，老年動物比年輕動物減少了近80%。這種變化與星形細胞終足AQP-4 極化的喪失有關，盡管AQP-4 的表達水平沒有總體變化，但星形膠質細胞的數量顯著增加，特別是在大腦中較大的血管周圍。隨著年齡的增長，AQP-4變得局限于星形細胞的實質突起，而不是終足，因此這些細胞驅動的運輸失調。同時也觀察到在老年動物中，大腦的某些區域，如紋狀體和海馬體，似乎有更大的AQP-4極化減少［25］。調查表明老齡小鼠的腦脊液淋巴流出量較年輕小鼠顯著減少［26］。在人類中，也觀察到了膠質淋巴系統受損和衰老之間的關系，ZHOU等［27］使用磁共振成像來評估老年人的淋巴流動，證明老年人的膠質淋巴循環流出受到損害。這些證據表明膠質淋巴系統改變或受損可能參與年齡相關的神經退行性疾病的病理生理過程。

阿爾茨海默病是世界范圍內最常見的認知功能障礙疾病，目前研究認為AD的兩個重要病理特征是細胞外的Aβ斑塊沉積和細胞內過度磷酸化形式的tau蛋白聚集［28］。淀粉樣蛋白級聯假說認為，AD患者發病的觸發事件是Aβ聚集成寡聚體和不溶性細胞外斑塊，由此引發級聯反應，刺激可溶性tau 蛋白合成過程中發生錯誤折疊，這些異常tau蛋白聚集成不可溶的形式，最終導致神經功能退化［29］。盡管AD的一個重要病理特征是tau 蛋白在神經元細胞內部的聚集，但是Prion假說認為，在最初的觸發事件之后，錯誤折疊的tau蛋白被釋放到細胞外空間，而后擴散到不同的大腦區域，進入細胞從而進行腦內傳播［30］。研究發現神經元可以通過外泌體［31］和胞吐方式［32］釋放tau 蛋白到細胞外，AD 早期患者腦脊液中磷酸化tau蛋白含量較高也有很大可能與此相關［33］，因此了解細胞外Aβ和tau蛋白如何從中樞神經系統清除是非常重要的。如前所述ISF 中Aβ蛋白與tau蛋白可通過膠質淋巴系統被清除進入CSF；研究表明，與年齡相關的血管壁變化或血腦屏障破裂導致血源性成分在血管壁和PVS 中積聚，這會導致PVS增寬或功能障礙，從而導致血管壁和大腦中Aβ蛋白的沉積［30］。星型膠質細胞終足表面的AQP-4也是膠質淋巴系統清除的關鍵，AQP-4 缺失會加劇現有的tau 病理，可能是因為tau 聚集體沒有被及時清除出大腦。同時AQP-4缺失也是導致老化的大腦容易發生Aβ聚集和神經變性的因素之一，而年齡相關的AQP-4定位改變可能位于蛋白質錯誤聚集過程的上游，提示靶向治療AQP-4 定位改變可能有效地對Aβ斑塊或神經纖維纏結形成進行干預［35］。

PD 也是一種常見的年齡相關神經系統退行性疾病，α-Syn在神經細胞內異常蓄積，在PD發病及進展中起重要作用，聚集的α-Syn是神經元內包涵體的主要成分，即路易體（Lbs）和路易神經節（Lns），是PD的主要病理特征［36］，研究發現α-Syn 也具有Prion 假說中的傳播性質［37］。ISF中α-Syn可通過膠質淋巴系統被清除進入CSF，通過較少AQP-4表達使膠質淋巴功能受損，加重小鼠腦中的帕金森病樣病理［23］，表明膠質淋巴系統功能障礙加重了α-Syn 異常聚集的病理變化，促進了PD的病情進展。

3.2 腦小血管疾?。–erebral small vessel disease，CSVD）腦小血管?。–SVD）是一種與老化密切相關的慢性全腦疾病，主要涉及直徑為40～200 μm 的腦小血管結構和功能的紊亂［38］，是卒中和血管性癡呆的常見原因，在影像學上表現為腦白質病變、微出血和PVS 擴大。CSVD 的幾種機制包括血腦屏障功能障礙、血管硬化、腦血流量減少、ISF引流功能障礙和炎癥［39］，然而其確切發病機制尚不清楚。PVS 這一解剖結構在腦小血管病和膠質淋巴系統中都扮演重要角色，提示兩者可能有十分緊密的聯系。動脈搏動是膠質淋巴系統流入的主要驅動力，動脈硬化可能阻礙淋巴流入［40］，血腦屏障轉運和膠質淋巴清除途徑被認為在維持良好的神經環境中發揮互補作用和部分重疊機制［41］。而CSVD 的特點是血管周圍間隙的結構重建和可逆性白質水腫，因此可能是膠質淋巴系統功能障礙導致CSVD［8］。ZHANG 等［42］通過研究使用改進算法后的血管周圍空間的擴散張量圖像分析指數（mALPS-index）反映膠質淋巴系統清除功能，以mALPS-index 為指標分析CSVD 患者的膠質淋巴系統清除功能與CSVD影像指標、認知功能的關系，結果顯示膠質淋巴清除功能可能在CSVD的發生發展中起一定作用。但PVS 在CSVD 病變形成中的因果作用的證據非常有限，MRI 上可見的PVS 可能是一種附隨現象，也可能代表其他CSVD病變發展的早期階段。

3.3 急性腦血管疾病蛛網膜下腔出血（subarachnoid hemorrhage，SAH）：在小鼠SAH模型和非人類靈長類動物SAH 模型中的研究顯示，SAH 發生后24 h 開始，膠質淋巴系統中沿著動脈PVS 的腦脊液流入功能受損，主要是因為血液中的纖維蛋白和纖維蛋白原沉積堵塞在血管周圍空間，向腦室內注入纖溶系統激動劑組織型纖溶酶原激活物可以恢復小鼠的腦脊液流量［43］。PU 等［44］通過手術將小鼠自體血注入枕大池中建立SAH 損傷模型，研究發現SAH小鼠腦室內注射的示蹤劑沿動脈PVS進入腦實質的能力降低，星形膠質細胞終足上的AQP-4 極化受損，這些都提示膠質淋巴系統功能下降。此外，還觀察到tau蛋白以及CD3+、CD4+和CD8+T細胞在腦內的異常累積，在海馬區發生微血管痙攣、神經膠質細胞異常活化、神經細胞凋亡等病理變化。這些結果表明，SAH會造成膠質淋巴系統功能的持續性損傷，這些損失同時又會進一步加重SAH 的神經病理損害。膠質淋巴系統是改善SAH損害和急性后遺癥的重要靶點，多項動物研究表明，在SAH 的背景下，恢復或改善淋巴功能可以減少血管源性腦水腫，減少組織損傷，并保留長期的神經功能［45］。

急性缺血性腦卒中：使用大腦中動脈閉塞小鼠模型進行研究，發現在大腦中動脈閉塞7 周后，梗死灶中心ISF 仍含有高水平的對皮質和海馬神經元有毒的促炎性細胞因子，而在閉塞7周后向壞死性梗死灶中心注入熒光示蹤劑，可以觀察到梗死灶中心的物質通過膠質瘢痕間隙流出，并沿著靜脈PVS 從腦內運出，因此增強大腦膠質淋巴清除功能可能在治療缺血性腦卒中發揮重要作用［46］。另一項研究發現，非缺氧性損傷誘導的大腦皮質擴散性抑制（始于缺血灶中心的神經元的大規模去極化，可能導致卒中后周圍缺氧組織中的神經元死亡）會導致動脈和靜脈PVS完全閉合長達10 min，隨后逐漸重新開放，但在第一個30 min 內不能完全恢復到基線管徑，提示膠質淋巴系統受損可能與缺血性腦卒中病理變化有關［47］。

3.4 創傷性腦損傷（traumatic brain injury，TBI）中到重度創傷性腦損傷（TBI）是包括AD在內的神經退行性變的獨立危險因素，單次TBI發作會增加日后患癡呆癥的風險［48］。研究表明小鼠在發生TBI后，膠質淋巴系統功能嚴重受損，運送和清除腦內tau蛋白的能力明顯變弱，且損傷至少持續到傷后1 個月，AQP-4基因敲除小鼠發生創傷性腦損傷后腦內磷酸化tau蛋白積聚程度更為嚴重。這些結果提示，腦外傷后慢性膠質淋巴通路功能受損可能是導致創傷后腦內tau 聚集和神經退行性變的關鍵因素［22］。一項薈萃分析顯示在TBI 中AQP-4 的改變與S100B、GFAP 和NSE 等目前已知的腦損傷標志物的積累有關，同時AQP-4 功能的改變更容易發生水腫造成繼發性腦損傷［49］。

4 結語與展望

目前關于膠質淋巴系統仍有許多需要解決的問題，如關于PVS的精準解剖結構及邊界位置關系，以及在結構基礎上產生的膠質淋巴系統內不同方向的液體流動等，這些對于深入了解膠質淋巴系統的功能具有重要的幫助。此外關于膠質淋巴系統結構的研究大多是通過動物實驗，但是相對于動物大腦而言，人類大腦擁有著更復雜的結構功能、更高的神經元密度以及更緊密的神經連接，因此，基于人體大腦實驗方面的研究仍然非常必要。隨著膠質淋巴系統在人體中的功能逐漸被發現，未來關于膠質淋巴系統的研究必將為中樞神經系統相關疾病的發病機制、病理過程乃至治療靶點開辟新的途徑。