Глимфатическая система: методы изучения, роль при нейродегенеративных заболеваниях и новообразованиях головного мозга

Полный текст

ГЛИМФАТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА В РАЗВИТИИ ЗАБОЛЕВАНИЙ ГОЛОВНОГО МОЗГА

Впервые глимфатическая система (ГС) была обнаружена и описана в 2012 г. in vivo на мышах при помощи метода двухфотонной микроскопии. При дальнейшем изучении ГС была выявлена у людей методом магнитно-резонансной томографии (МРТ).

Данная система получила свое название на основании участия глиальных клеток «gl» и ее сходной функции с «лимфатической системой» [8, 26]. Она представляет собой периваскулярный путь, проходящий через весь мозг, управляемый аквапорином-4 на концах астроцитов, который может осуществлять доставку веществ в паренхиму мозга через периартериальный путь притока спинномозговой жидкости (СМЖ) и удалять продукты метаболизма через перивенозные пути клиренса [13]. ГС мозга выполняет несколько важных физиологических функций, включая дренаж интерстициальной жидкости (ИСЖ) из паренхиматозной части мозга в близлежащие лимфатические узлы, обеспечивающий взаимодействие с иммунной системой, которая регулирует и контролирует реакцию мозга на нейровоспаление [9], транспорт липидов через гематоэнцефалический барьер, способствуя передаче глиальных сигналов [33], транспорт аполипопротеина Е, что особенно важно, в синаптической пластичности [3], а также транспорт глюкозы и других жизненно важных питательных веществ, которые необходимы для метаболизма астроцитов и нейронов [34].

Чтобы визуализировать циркуляцию СМЖ через интерстициальное пространство мозга, в 2012 г. Джеффри Дж. Илифф и соавт. [15] применили методы двухфотонной визуализации in vivo и методы иммунофлуоресценции, предварительно введя флуоресцентные индикаторы с разной молекулярной массой в большую цистерну анестезированных мышей. Было установлено, что СМЖ проникала в паренхиму головного мозга вдоль периваскулярного пространства и быстро обменивалась с ИСЖ, а в дальнейшем сформированная смесь СМЖ и ИСЖ очищалась по перивенозным дренажным путям.

ГС состоит из пяти основных функциональных компонентов, каждый из которых обеспечивает перемещение СМЖ и ИСЖ [30]. Первый — это продукция СМЖ эпителиальными клетками сосудистого сплетения желудочков головного мозга и циркуляции СМЖ в субарахноидальном пространстве. Второй — периартериальный приток СМЖ в паренхиму головного мозга, что означает ее поступление в периартериальные пространства, окружающие артерии, и проникновение глубоко в ткань головного мозга. Артериальная пульсация, вызванная гладкомышечными клетками, усиливает движение СМЖ внутрь периартериального пространства [22]. Обмен СМЖ и ИСЖ — это третий компонент данной системы, происходящий в интерстициальном пространстве паренхимы головного мозга. Четвертый компонент — глимфатический отток, который состоит из дренирования ИСЖ в перивенозные пространства. Менингеальные лимфатические сосуды — это пятый компонент ГС, они принимают участие в окончательном выделении метоболитов из головного мозга [27].

Нарушения в работе ГС неотъемлемо связаны с целым рядом заболеваний, таких как инсульт, болезнь Альцгеймера, деменция и черепно-мозговая травма (ЧМТ).

После инсульта возникает отек тканей, рассматриваемый как «глимфедема» — скопление жидкости в лимфатической системе. Потеря кровотока в головном мозге инициирует распространяющуюся ишемию. При ишемии происходит вазоконстрикция и расширение периваскулярного пространства. Быстрый приток СМЖ по расширенным периваскулярным пространствам служит причиной отека и, вероятно, способствует последующему вторичному повреждению [18]. T. Gaberel и соавт. [12] использовали МРТ с контрастным усилением, чтобы наблюдать изменения в рефлюксе глимфатической системы в четырех типах мышиных моделей инсульта, включая субарахноидальное кровоизлияние, внутримозговое кровоизлияние, перевязку сонной артерии и эмболический ишемический инсульт. Они обнаружили, что перфузия глимфатической системы сильно снижена в модели субарахноидального кровоизлияния. У мышей с эмболическим ишемическим инсультом перфузия ипсилатеральной глимфатической системы нарушается через 3 ч после операции. Перфузия глимфатической системы возвращается к норме, когда средняя мозговая артерия репермеабилизируется (также называемая «спонтанной артериальной реканализацией») через 24 ч после инсульта. Нарушение глимфатической функции, наблюдаемое при остром эмболическом ишемическом инсульте, указывает на то, что изменения проходимости мозговых артерий — это ключевой фактор регуляции перфузии глимфатической системы. Эти результаты согласуются с результатами, продемонстрировавшимими, что пульсация мозговых артерий может быть основной силой, способствующей дренажу глимфатической системы в мозге мышей [15].

В моделях ЧМТ функция ГС снижена, а выведение метаболитов нарушено на длительное время. После травмы головного мозга астроциты могут выделять несколько вазоактивных веществ, таких как изопростаны (вазоконстрикторы церебральных артериол) и эндотелин 1 (вызывает вазоконстрикцию, связанную с притоком кальция), что может привести к снижению перфузии головного мозга [17]. ЧМТ вызывает накопление белка Aβ и тау, что служит фактором риска нейродегенеративных заболеваний. Аналогично, повреждение паренхимы головного мозга мышей приводит к потере полярности распределения аквапорина-4 на концевых ножках астроцитов. В результате функция глимфатической системы снижается примерно на 60 % и сохраняется не менее 1 мес.

Рассматривая роль ГС в модели естественного старения, стоит отметить, что нарушения когнитивных функций — это одни из наиболее частых расстройств пожилого и старческого возраста. В настоящее время во всем мире живут около 50 млн человек с деменцией, и прогнозируется, что к 2050 г. эта цифра утроится, что отражает быстрое старение нашего населения [16]. Учитывая нарастающее с каждым годом старение населения во всем мире, растет и распространенность когнитивных расстройств.

Болезнь Альцгеймера — наиболее распространенная причина нейродегенеративной деменции. Патогенез бронхиальной астмы связан с образованием сенильных бляшек амилоида — β (Aβ), нейрофибриллярных клубков, вызванных аномальным накоплением тау-белка, и деполяризацией аквопорина-4 на астроцитах. У мышей отмечали накопление токсичного Aβ, связанное с нарушением транспортной функции ГС [15]. Это количественно оценивали по притоку растворенных веществ в мозг из СМЖ и выведению из мозга радиомаркированных трассеров. Необходимо отметить, что снижение транспорта в ГС было связано с попаданием и накоплением Aβ40 в периваскулярных пространствах, который принимает участие в деполяризации аквапорина-4. Таким образом, нарушение работы ГС предшествовало значительным отложениям β-амилоида, что может быть ранним сигналом болезни Альцгеймера.

При естественном старении функция ГС снижается в связи с повышенной иммунореактивностью глиального фибриллярного кислого белка в астроцитах и неправильной локализацией аквапорина-4 от сосудистых концов астроцитов к соме и перисинаптическим отросткам. Деполяризация аквапорина-4 связана с уменьшением притока СМЖ. Кроме того, с возрастом происходит изменение архитектоники сосудистой сети, что потенциально замедляет ток СМЖ в периваскулярное пространство. Увеличенные периваскулярные пространства в коре связаны с увеличением распространенности деменции [18], но как это снижение глифатической функции с возрастом приводит к изменениям когнитивного статуса и/или нейродегенерации, все еще изучается.

ВЛИЯНИЕ НОВООБРАЗОВАНИЙ ГОЛОВНОГО МОЗГА НА ФУНКЦИИ ГЛИМФАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Недавние исследования показали, что ГС может играть важную роль в иммунитете к опухолям головного мозга и быть нацелена на иммунотерапию опухолей головного мозга [14].

Говоря о взаимосвязи опухолей головного мозга и ГС, следует отметить, что нарушение глимфатических функций коррелирует с ростом злокачественности опухолей головного мозга. Эта дисфункция особенно выражена при диффузных глиомах, где она связана с мутациями в генах изоцитратдегидрогеназы и степенью злокачественности опухоли (по классификации Всемирной организации здравоохранения). Можно предположить, что разная реакция перитуморального отека головного мозга на кортикостероиды, в отличие от отеков, вызванных другими причинами, такими как инсульт или ЧМТ, может быть связана с изменениями в ГС. Эта гипотеза предполагает, что лучшее понимание глимфатической функции в контексте опухолей головного мозга потенциально может стать основой для более целенаправленных терапевтических стратегий и способствовать лучшему лечению опухолеассоциированных отеков.

Интерес представляет изучение роли ГС при первичных и метастатических новообразованиях головного мозга, с целью формирования в последующем новых подходов к их диагностике и терапии. По результатам некоторых исследований было выявлено, что опухоль снижает скорость транспорта в ГС, что достоверно было показано при помощи контраста: в некоторых областях, где у здоровых животных был положительный сигнал от контраста, у животных с опухолью сигнал отсутствовал [21].

На конец 2023 г. количество пациентов с новообразованиями в головном мозге и иных отделах центральной нервной системы (ЦНС) в России составило 39 490 человек, что составило 0,95 % всех пациентов, находящихся на учете [1]. Глиома, особенно глиобластома, является наиболее распространенной злокачественной опухолью среди опухолей ЦНС, имеющей самый высокий уровень смертности. Даже при традиционном хирургическом вмешательстве, адъювантной лучевой терапии и химиотерапии средняя общая выживаемость остается на уровне всего 12–18 мес. [35].

В другом исследовании установлено, что при новообразовании головного мозга в контралатеральной области наблюдалось большее накопление контраста (гадобутрол), чем в области опухоли, что указывало на компенсаторную регуляцию. Это свидетельствует о повышении работы ГС в здоровой части мозга [36]. Поскольку путь к зоне опухоли был перекрыт, отток изменил направление на здоровую сторону. Это подтверждает представление о том, что параартериальный приток субарахноидальной СМЖ ограничен при глиоме. Обнаружено, что глиома блокирует артериальный периваскулярный путь ГС и специфически снижает уровень ключевого белка аквапарина-4, что позволяет предположить, что снижение аквапарина-4 при глиоме может быть связано с уменьшением транспортировки лекарств в область опухоли при интратекальном введении. Использование аквапарина-4 в качестве среды может восстановить глимфатическую систему глиомы и улучшить доставку лекарств.

По данным популяционных исследований, менингиомы составляют 37,6 % первичных опухолей головного мозга. До 67 % менингиом связаны с перитуморальным отеком мозга [9]. Теория компрессии паренхимы головного мозга утверждает, что большие менингиомы приводят к сдавлению, ишемии и отеку. Однако связь между увеличением перитуморального отека и объемом опухоли была противоречивой. В то время как в некоторых исследованиях выявлена положительная корреляция наличия и выраженности отека с размерами и неровными контурами менингиомы и отрицательная — с наличием симптома «ликворной щели», то есть большие размеры и неровные контуры менингиомы увеличивали, а наличие ликворной щели уменьшало вероятность развития перитуморозного отека [2]. Вместе с тем методом диффузионно-тензорной томографии с расчетом индекса периваскулярной диффузии (ALPS) выявлено статистически значимое влияние дисфункции ГС на развитие перитуморозного отека головного мозга. Можно отметить наличие взаимосвязи между перитуморальным отеком при менингиомах и глимфатической дисфункцией. Это объясняет необходимость снижения перитуморозного отека, что приведет к уменьшению внутричерепного давления, облегчению хирургической резекции и сокращению риска судорог, послеоперационных внутричерепных кровоизлияний [8].

Опухоли гипофиза не редкость, если учитывать показатели распространенности по данным аутопсии или радиологических исследований: метаанализ объединенных данных аутопсии и радиологических исследований показал, что средние показатели распространенности составляют 14,4 % (диапазон 1–35 %) и 22,5 % (диапазон 1–40 %) соответственно [10]. Опухоль гипофиза у больных вызывает неблагоприятные изменения в головном мозге, сопровождающиеся когнитивным дефицитом. Дисфункция выведения метаболитов клеток при помощи ГС приводит к накоплению нейротоксических продуктов в мозге, что служит причиной когнитивных нарушений. Это предполагает основную роль глимфатической дисфункции в когнитивных нарушениях, часто наблюдаемых у пациентов с опухолями гипофиза. В другой работе были проведены исследования методом контрастной МРТ крыс 22–24 нед., среди которых были обнаружены животные со спонтанной опухолью гипофиза [21]. Установлено, что у этих животных присутствует подавление глимфатического транспорта, что, в свою очередь, предполагает повышенный риск нейродегенерации головного мозга.

Метастатические опухоли головного мозга — это наиболее часто встречающиеся внутричерепные опухоли. Доля распространения метастазов в головной мозг по первичной локализации на момент диагностики онкологического заболевания впервые была описана на популяционном уровне в 2016–2017 гг., после первоначального опубликования таких данных программой SEER (National cancer institute Surveillance, Epidemiology, and End Results Program) в 2016 г. [7].

В работе впервые выдвинута гипотеза о транспорте метастатических клеток мозга в парааортальные лимфатические сосуды с формированием метастазов в ретрокруральных и парааортальных лимфатических узлах через ГС мозга [20].

При исследовании глиом методом оценки индекса ALPS исследователями была отмечена связь между его низким показателем и степенью злокачественности глиомы [4]. При этом замечено влияние мутаций в гене изоцитратдегидрогеназы на показатели диффузии вдоль периваскулярного пространства. При их наличии диффузия происходила быстрее, объем же перитуморального отека отрицательно коррелировал со значением индекса ALPS. При интрацистернальной инъекции гадоспина D с последующей МРТ была обнаружена полная блокировка интрацистернального клиренса при глиомах, а также было показано увеличение спинального оттока СМЖ, что указывает на перенаправление ее путей. Все результаты того эксперимента указывали на лимфатическую и глимфатическую дисфункцию при глиомах. Изучение при помощи внутрицистернальной инъекции гадобутрола с последующей повторной МРТ и внутрицистернальной инъекции голубого Эванса с последующим макроскопическим анализом показало увеличение МРТ-сигнала в обонятельных луковицах через 3–4 ч после инъекции гадобутрола, пониженный, по сравнению со здоровой тканью, приток меток и гадобутрола в глиому, который в основном ограничивался периферией опухоли. Сила сигнала голубого Эванса и гадобутрола также была выше на стороне контралатеральной опухоли, по сравнению со стороной опухоли. Экспрессия аквапарина-4 в глиоме и вокруг нее также снижалась, а глимфатический поток усиливался на здоровой ткани.

Изучение менингиом при помощи расчета индекса ALPS с использованием DTI-ALP показало снижение глимфатической функции, что может быть связано с образованием перитуморального отека. В другом исследовании, когда ученые изучали спонтанные опухоли гипофиза крыс методом контрастного МРТ, была выявлена дисфункция глимфатической системы ближе к локализации новообразования, такую же картину наблюдали при изучении метастазов в головной мозг.

По данным за 2023 г. МНИОИ им. П.А. Герцена — филиал ФГБУ «НМИЦ радиологии» Минздрава, относительная летальность при злокачественной опухоли головного мозга или ЦНС в течении года после постановки диагноза составляет почти 35,4 % [1]. Десятилетняя выживаемость составляет более 30 %. Учитывая ранее приведенные данные по роли ГС и ее дисфункции при первичных и метастатических новообразованиях головного мозга, а именно — в формировании перитуморального отека, метастазировании из первичного очага, развитии сопутствующих когнитивных нарушений, а также доставке лекарственных препаратов — с целью увеличения продолжительности и качества жизни необходимо продолжить исследования влияния опухоли на глифатические показатели с участием животных и человека.

ДОКЛИНИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ГЛИМФАТИЧЕСКОГО ЛИКВОРНОГО ПОТОКА

Методы изучения ГС можно разделить на техники in vivo и ex vivo.

Визуализацию in vivo в основном используют для наблюдения за потоком СМЖ в головном мозге путем инъекции индикатора СМЖ в большую цистерну и использования двухфотонной флуоресцентной визуализации [15], флуоресценции ближнего инфракрасного диапазона [23], транскраниальной оптической визуализации [5], МРТ [31]. Рассмотрим их немного подробнее.

Двухфотонная флуоресцентная визуализация обладает высоким пространственным разрешением, однако его поле зрения и неглубокая область визуализации не позволяет проводить наблюдение за всей ГС [15, 25]. При этом требуется непосредственный доступ к той области мозга, где будет происходить наблюдение.

Флуоресценция ближнего инфракрасного диапазона позволяет проводить долгие исследования по мониторингу динамики движения жидкости (за счет отсутствия необходимости инвазивного воздействия на пациента), и у нее есть возможность объединения с иными технологиями магнитной нейровизуализации.

МРТ же может охватить весь ГМ во время исследования, и это большой плюс при изучении динамики движения СМЖ в ГС. Сочетание же методов МРТ, однофотонной эмиссионной томографии, позитронно-эмисионной томографии (ПЭТ) и компьютерной томографии (КТ) позволяет получить 4D-изображения, как движется контрастное вещество или индикатор в головном мозге экспериментальных животных [6, 24].

Ex vivo обычно выполняют с помощью световой листовой флуоресцентной микроскопии наблюдаемых срезов головного или спинного мозга. Таким образом, можно наблюдать 3D-изображение с высоким разрешением (до 200 нм). Фиксированные корональные срезы головного или спинного мозга обычно комбинируют с иммуногистохимией для сравнения потока СМЖ с характером экспрессии родственных белков [11].

В работе группы ученых была разработана экспериментальная модель, использующая систему визуализации мелких животных LICOR Pearl Trilogy [28]. Этот метод дает возможность динамической визуализации распределения ИК-индикаторов по поверхности коры головного мозга с возможностью последующего флуоресцентного анализа на основе срезов золотого стандарта и гистологической оценки.

Целый ряд работ посвящен методам оценки глимфатической системы: двухфотонной микроскопии, МРТ с контрастным усилением, методу флуоресцентной визуализации и по применению позитронно-эмиссионной томографии [21, 24, 28].

В основе своей они посвящены возможности использования ПЭТ для визуализации амилоидных бляшек и тау-нейрофибриллярных клубков для дальнейшего изучения глифатико-лимфатического оттока и количественного анализа. В одной работе [19] были использованы динамические ПЭТ-изображения F-18, в другой [29] — результаты показали, что для наблюдения патологических изменений в динамике СМЖ можно использовать динамическую ПЭТ с 11 C-PiB.

ГС служит для выведения метаболитов в ГМ. В данном разделе перечислены методы, с помощью которых можно картировать различные аспекты ГС, включая поток СМЖ, пульсацию мозга (жидкость движется не постоянно, а пульсирует в зависимости от пульсации кровеносных сосудов), клиренс доставки лекарств и количественную оценку накопления белка. В настоящее время наиболее распространенные способы определения функции ГС — это флуоресцентная микроскопия срезов головного мозга ex vivo, МРТ и макроскопическая визуализация коры [32]. Метод ПЭТ/КТ обладает более высокой специфичностью и чувствительностью, чем МРТ, а недостатки ПЭТ/КТ возможно компенсировать путем сочетания с гистологическими исследованиями (иммунофлуоресценция), но ему не уделяют должного внимания.

Таким образом, значительная роль ГС при различных состояниях и заболеваниях подчеркивает ее влияние на динамику СМЖ и отек головного мозга с возникновением сопутствующей симптоматики. Неоспорима важная роль глимфатической дисфункции в когнитивных нарушениях, часто наблюдаемых у пациентов, в том числе с опухолями головного мозга, хотя необходимы дальнейшие исследования для получения большего объема данных для подтверждения механизмов патологических процессов, в которые вовлечена ГС. В настоящее время исследователи используют методы для визуализации ГС. Несмотря на достижения в области визуализации, внедрение в клиническую практику требует дальнейших исследований с целью определения оптимального метода с учетом имеющихся данных по преимуществам и недостаткам. Это открывает возможности для разработки новых стратегий диагностики и лечения патологических состояний головного мозга.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. Все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

ADDITIONAL INFO

Authors' contribution. All authors made a substantial contribution to the conception of the study, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the article, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the study.

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.

Об авторах

Александр Игоревич Будько

Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»

Автор, ответственный за переписку.
Email: Budko_AI@nrcki.ru
ORCID iD: 0009-0007-3354-1646
SPIN-код: 2623-4530

аспирант

Россия, Москва

Анна Алексеевна Прохорычева

Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»

Email: Prokhorycheva_AA@nrcki.ru
ORCID iD: 0009-0001-5226-0803
SPIN-код: 5543-4462

аспирант

Россия, Москва

Ольга Михайловна Игнатова

Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»

Email: Ignatova_OM@nrcki.ru
ORCID iD: 0000-0003-2763-3935
SPIN-код: 9352-3233

лаборант-исследователь

Россия, Москва

Юлия Ивановна Вечерская

Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»

Email: Vecherskaya_YI@nrcki.ru
ORCID iD: 0009-0000-2489-4588

аспирант

Россия, Москва

Станислав Александрович Фокин

Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»

Email: Fokin_SA@nrcki.ru

канд. мед. наук, руководитель Курчатовского комплекса медицинской приматологии

Россия, Москва

Мария Александровна Пахомова

Санкт-Петербургский государственный педиатрический медицинский университет

Email: mariya.pahomova@mail.ru
ORCID iD: 0009-0002-4570-8056
SPIN-код: 3168-2170

ст. научн. сотрудник, Научно-исследовательский центр

Россия, Санкт-Петербург

Андрей Глебович Васильев

Санкт-Петербургский государственный педиатрический медицинский университет

Email: avas7@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-8539-7128
SPIN-код: 1985-4025

д-р. мед. наук, профессор, заведующий кафедрой паталогической физиологии с курсом иммунологии

Россия, Санкт-Петербург

Александр Петрович Трашков

Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»

Email: Trashkov_AP@nrcki.ru
ORCID iD: 0000-0002-3441-0388
SPIN-код: 4231-1258

канд. мед. наук, доцент

Россия, Москва

Список литературы

Дополнительные файлы