Задачей фундаментальных научных исследований является изучение природы и ее законов. Такого рода исследования не преследуют практических целей, но любое фундаментальное научное знание дает возможность решать множество практических задач. Поиску таких решений посвящены прикладные исследования. Клинические исследования посвящены изучению эффективности тех или иных способов терапевтических вмешательств, медицинских технологий при определенных заболеваниях.
Целью проводимых научных исследований является углубление знаний о болезнях человека.
Между фундаментальными и клиническими исследованиями существует значительный разрыв, образно называемый «долиной смерти» [1]. Многие исследования проводятся независимо разными группами ученых, что, с одной стороны, приводит к непониманию практических задач клиницистов учеными в области фундаментальной науки, а с другой — наоборот, к недостаточной осведомленности врачей, осуществляющих клинические исследования, о результатах фундаментальных исследований. Проведение исследований среди пациентов имеет ряд серьезных ограничений, так как молекулярная и клеточная организация мозга недоступна для изучения на живом человеке. Нередко определенные аспекты заболевания изучаются только на образцах тканей, полученных при аутопсии, либо на материале, полученном в ходе операции. Так, неврологические заболевания могут изучаться на основании косвенных лабораторных показателей тех или иных сред организма (кровь, цереброспинальная жидкость (ЦСЖ)), данных нейровизуализации и др.
Основная задача проводимых трансляционных исследований — преодоление «долины смерти». Под трансляционными подразумевают исследования, целью которых является перенос новых фундаментальных знаний о работе головного мозга и его заболеваниях, полученных в лабораторных условиях, в область практической разработки и внедрения новых методов диагностики, лечения и предупреждения заболеваний [2].
В последние десятилетия важным направлением трансляционных исследований является изучение функционирования системы очистки головного мозга от продуктов его жизнедеятельности, тесно связанной с функциями нейроглии. Нейроглия — важный компонент барьерной системы головного мозга, она может быть повреждена при травмах, воспалительных и других заболеваниях [3]. Для точного понимания функционирования конкретных клеточных механизмов, обеспечивающих нейроиммунные взаимодействия, необходимо установить, каким образом при наличии гематоэнцефалического барьера (ГЭБ) происходит миграция иммунокомпетентных клеток в паренхиму мозга. Это потребовало пересмотра существовавших ранее взглядов об отсутствии в мозге лимфатической системы.
Высокая метаболическая активность ЦНС требует наличия эффективно работающей дренажной системы для удаления продуктов жизнедеятельности клеток и токсинов. Ранее считалось, что ЦНС лишена сети лимфатических сосудов, функциями которой являются дренаж интерстициальной жидкости и участие в иммунном контроле. Первой попыткой объяснения механизмов удаления метаболитов из ЦНС при отсутствии лимфатической системы было формирование предположения о существовании глимфатической системы (ГЛС), которое активно развивается на протяжении последних 10 лет.
Внеклеточными жидкостями в головном мозге являются кровь, ЦСЖ и интерстициальная (тканевая) жидкость (ИСЖ). ИСЖ формируется из воды и метаболитов, образующихся в ткани мозга, частично — из ЦСЖ. ЦСЖ — прозрачная жидкость, вязкость и плотность которой близки к таковым у воды, она секретируется в желудочках мозга (в первую очередь в боковых), затем циркулирует в подоболочечных пространствах головного и спинного мозга. ЦСЖ поступает в венозный кровоток верхнего сагиттального синуса через арахноидальные грануляции [4]. Предполагается наличие и других путей оттока ЦСЖ: периневральных путей по ходу зрительных и обонятельных нервов (сквозь отверстия в решетчатой пластинке к слизистой оболочке носовых ходов) [5—7]. Также установлено, что ЦСЖ образуется и абсорбируется всеми поверхностями ЦНС, вступающими с ней в контакт [8]. Итоги изучения интракраниального клиренса позволили установить существование лимфодренажной системы головного мозга, состоящей из менингеальных лимфатических сосудов и глимфатического пути дренирования ИСЖ и ЦСЖ [9—12]. Второй путь рассматривается как ГЛС (глиально-лимфатическая система мозга) [11].
Менингеальные лимфатические сосуды
О существовании лимфатических сосудов менингеальных оболочек головного мозга было известно уже в XVIII веке [13]. Имелись сообщения о существовании лимфатических сосудов вокруг черепных нервов и дуральных кровеносных сосудов [14, 15]. Было показано, что красящие вещества, вводимые в паренхиму головного мозга, в последующем поступали в шейные лимфатические сосуды [16, 17]. Напротив, красители, введенные в периферический кровоток, не обнаруживались в ЦНС, что свидетельствовало о существовании ГЭБ, обеспечивающего мозгу иммунопривилегированный статус [18, 19]. В последнее десятилетие пересмотрена иммунная привилегированность ЦНС [20, 21]. При поиске путей циркуляции иммунных клеток установлена их высокая концентрация в структурах вблизи дуральных синусов, в мозговых оболочках [20].
Важным компонентом иммунной системы, обеспечивающей точность иммунологического надзора за ЦНС, являются оболочки головного мозга [9, 22]. Описана система сосудов, проходящих вблизи мозговых синусов, структурные и иммуногистологические характеристики которой соответствуют показателям лимфатических сосудов [9, 10, 23]. Данная система способна транспортировать воду и макромолекулы [9, 10]. Также показано, что в норме в лимфатических сосудах оболочек мозга имеются многочисленные иммунные клетки, что может быть свидетельством их возможного участия в обеспечении иммунологического надзора за мозгом [10]. Особенности структуры стенки периферических лимфатических сосудов (отсутствие перицитов, прерывистая базальная мембрана) позволяют клеткам и молекулам преодолевать ее. Описаны различные типы лимфатических сосудов, включая лимфатические капилляры, собирающие сосуды (имеют в своем просвете двустворчатые клапаны для предотвращения обратного тока лимфы) [24—26].
ГЛС
ГЛС обеспечивает фильтрацию ЦСЖ через паренхиму мозга и выведение продуктов клеточного метаболизма из ЦНС. На рис. 1 на цв. вклейке показаны морфофункциональные составляющие ГЛС.
Рис. 1. Морфофункциональные составляющие ГЛС головного мозга.
Адапт. по [12]. Пояснение в тексте.
Артериальные сосуды подходят к мозгу со стороны основания черепа, на всем своем протяжении они находятся в подпаутинных цистернах и каналах, заполненных ЦСЖ. Артерии имеют пиальное влагалище, образованное клетками лептоменингеальной оболочки. На поверхности коры больших полушарий формируются артерии мягкой мозговой оболочки [27, 28]. После вхождения в паренхиму мозга они образуют пенетрирующие артериолы, которые окружены периваскулярным пространством (пространство Вирхова—Робена) [29]. Периваскулярное пространство вокруг артерий и вен имеет пиальное влагалище внутри и базальную мембрану из ножек астроцитов снаружи, которая представляет глиальную пограничную мембрану [9, 10, 30].
После того как пенетрирующие артерии разделяются на артериолы, периваскулярное пространство исчезает, хотя ЦСЖ и продолжает поступать в пространство, окружающее артериолы и капилляры. Кроме периваскулярного пространства вблизи артериол, базальная мембрана принимает участие в формировании следующего жидкостного пространства, обладающего низким сопротивлением (параваскулярное пространство), из которого ЦСЖ перемещается в паренхиму [11]. Открытие этого пространства позволило в дальнейшем обосновать наличие ГЛС головного мозга и продолжить ее исследования. Параваскулярное артериальное пространство образовано базальной мембраной капилляров, перицитами и ножками астроцитов. Далее ИСЖ покидает паренхиму мозга через параваскулярное венозное пространство.
Описаны три последовательных этапа глимфатического клиренса: 1) первоначальный конвективный ток ЦСЖ из субарахноидального пространства в паренхиму мозга по параартериальным пространствам; 2) опосредованный белком аквапорином-4 (AQP4) транспорт молекул воды и других веществ из параартериального пространства в паравенозное (транспаренхимальная конвекция); 3) ток жидкости, переносящей гидрофильные и липофильные молекулы по паравенозным пространствам в субарахноидальное [11]. ГЛС обеспечивает доставку в различные отделы мозга питательных веществ (глюкоза, липиды, аминокислоты), нейромодуляторов и факторов роста. Однако основная ее роль заключается в выведении метаболитов и продуктов распада из паренхимы головного мозга.
Белок AQP4 — представитель семейства аквапоринов, образующих каналы для молекул воды. AQP4 является преобладающим водным каналом клеток мозга, его высокая концентрация обнаружена в ножках астроцитов, где он играет ключевую роль в работе ГЛС. AQP4 необходим для параваскулярного обмена между ИСЖ и ЦСЖ, а также транспорта растворенных в воде веществ. Выведение растворимых метаболитов и избытка внеклеточной жидкости обеспечивается потоком ЦСЖ, в образовании которого принимают участие каналы астроцитарного AQP4 [31]. Экспрессия AQP4 на мембране астроцитов высокополяризована на стороне, обращенной к эндотелию (рис. 2 на цв. вклейке).
Рис. 2. Каналы AQP4.
Адапт. по [31]. Пояснение в тексте.
Высокая концентрация AQP4 в терминальных фрагментах ножек астроцитов обеспечивает обмен жидкости между тканью мозга и ЦСЖ [32]. В паренхиме мозга ЦСЖ смешивается с ИСЖ и, наряду с продуктами жизнедеятельности нейронов (нейрофиламенты, тау-белок, β-амилоид и др.), выводится из мозга по паравенозным пространствам.
В последние годы увеличился интерес к изучению астроцитов. Астроциты и ранее привлекали внимание исследователей — только за 2018 г. опубликовано около 3,5 тыс. статей с упоминанием астроцитов, из них 955 посвящено непосредственно их изучению [3]. Классические представления о том, что астроциты выполняют исключительно опорную и трофическую функции, пересмотрены. В настоящее время считается, что астроциты участвуют в формировании ГЭБ и регуляции его проницаемости, вовлечены в иммунные реакции, способны модулировать электрическую активность нейронов. Оказалось, что астроциты способны обеспечивать транспорт ионов кальция, участвуют в высвобождении нейротрансмиттеров, обладают морфологической и функциональной пластичностью [33].
Транспорт жидкости в интерстициальное пространство из периферических капилляров обеспечивается давлением, которое создается в систолу левого желудочка, тогда как на капилляры головного мозга эта сила не оказывает влияния, механизмы движения ИСЖ в головном мозге и периферической лимфатической системе различны [34]. Считается, что именно AQP4-каналы обеспечивают избирательную проницаемость для молекул воды и ряда растворенных в ней веществ, формирование градиента плотности жидкости, тем самым поддерживая циркуляцию жидкости по параваскулярным пространствам [35]. Таким образом, ток ЦСЖ по параваскулярным пространствам играет ключевую роль в обеспечении обмена между ЦСЖ и ИСЖ через ГЛС. В связи с этим вызывает интерес механизм поступления ЦСЖ в параваскулярные пространства.
В артериях поступление ЦСЖ в периваскулярные и далее в параваскулярные пространства обеспечивает пульсация, создаваемая гладкой мускулатурой сосудистой стенки, которая формирует пульсовые волны вдоль оси пиальных и пенетрирующих артерий, прободающих паренхиму мозга по направлению от поверхности коры [36]. В работе этой сложной системы важную поль играют уровень пульсового артериального давления и тонико-эластические свойства сосудов [37, 38].
При введении экспериментальным животным (мыши) агониста адренергических рецепторов значительно повышается пульсация, что приводит к поступлению в паренхиму большего количества ЦСЖ. Обратный эффект наблюдался при ослаблении артериальной пульсации вследствие лигирования внутренней сонной артерии, при этом снижение амплитуды пульсовой волны уменьшало обмен ЦСЖ и ИСЖ [38]. Эти данные свидетельствуют, что активность ГЛС в определенной степени связана с артериальной пульсацией, а также объясняет преимущественный периваскулярный ток жидкости вблизи пульсирующих церебральных артерий, но не вен [39].
Можно предположить существование связи между ГЛС и менингеальными лимфатическими сосудами, способными обеспечивать отток ЦСЖ [10]. Так, через полчаса после интравентрикулярного введения красителя голубой Эванса, он обнаруживался в менингеальных лимфатических сосудах и глубоких, а позже — в поверхностных шейных лимфоузлах. Перевязка лимфатических сосудов выше шейных лимфатических узлов приводила к отсутствию в них красителя и увеличению диаметра менингеальных лимфатических сосудов [10].
Визуализация ГЛС
Большинство экспериментальных исследований выполнено с применением двухфотонной микроскопии головного мозга. В отличие от нее МРТ позволяет оценить состояние головного мозга в целом. Для оценки интенсивности обмена между ИСЖ и ЦСЖ была использована динамическая МРТ с контрастным усилением [40]. Были визуализированы периартериальный ток ЦСЖ, места притока в углублениях гипофиза и эпифиза, молекулярно-зависимый обмен ЦСЖ и ИСЖ. Кроме того, было показано, что распределение внутривенно введенного препарата гадолиния в коре головного мозга и ядрах мозжечка зависит как от показателей кровотока, так и от тока ЦСЖ [41].
Для выявления областей утечки ЦСЖ у больных с нормотензивной гидроцефалией (НТГ) и снижением давления ЦСЖ использовалась магнитно-резонансная томография (МРТ) головного мозга с интратекальным введением препарата гадолиния [42, 43]. При выполнении МРТ в режиме T1 для оценки динамики ЦСЖ и функции ГЛС у пациентов с НТГ и обследованных контрольной группы установлено антеградное распространение контрастного вещества по крупным лептоменингеальным артериям. Как у больных с НТГ, так и у здоровых отмечено усиление сигнала в паренхиме мозга в ночное время, однако выраженность его оказалась бóльшей у пациентов с НТГ. По мнению авторов, как замедление выведения препарата гадолиния из субарахноидальных пространств, так и стойкое усиление сигнала в паренхиме мозга отражают уменьшение клиренса ГЛС у больных с НТГ. Распределение препарата гадолиния в мозге после его внутривенного введения также можно использовать для оценки состояния ГЛС у пациентов с болезнью Альцгеймера, сахарным диабетом [44—46]. Проведенное исследование с использованием анализа результатов МРТ показало, что при сахарном диабете 2-го типа снижается клиренс ИСЖ в гипоталамусе и гиппокампе. Это свидетельствует о том, что нарушение работы ГЛС связано с формированием когнитивного дефицита у больных сахарным диабетом 2-го типа [46].
ГЛС и нейродегенеративные заболевания
По мнению многих авторов, дисфункция ГЛС связана с различными патологическими состояниями, включая черепно-мозговую травму [47], лакунарные инфаркты [48], мигрень [49], рассеянный склероз [50], церебральную амилоидную ангиопатию [51]. Концепция ГЛС головного мозга стала также прикладным аспектом, связанным с механизмами развития нейродегенераций, в частности болезни Альцгеймера [30]. Рассматривается эта проблема и в работах отечественных исследователей [37, 52, 53]. Результаты оценки показателей элиминации продуктов метаболизма из паренхимы мозга, ее связь с ГЛС и некоторые другие вопросы обсуждаются и в настоящее время [28].
Роль патологического β-амилоида и его накопления в формировании болезни Альцгеймера хорошо изучена. Внимание исследователей в настоящее время привлекают механизмы выведения амилоида из паренхимы мозга [53]. Образование и катаболизм β-амилоида протекают с высокой скоростью, у здоровых молодых 8,3% общего β-амилоида выводится из мозга каждый час через ЦСЖ [36]. Клиренс путем ГЛС, наряду с транспортом через ГЭБ, обеспечивает достаточное выведение внеклеточного β-амилоида, тогда как недостаточность адекватного объемного потока ЦСЖ приводит к его накоплению в мозге [54, 55]. Это свидетельствует, что низкая активность ГЛС может представлять важный фактор риска развития нейродегенерации.
Связь между расстройствами сна и формированием когнитивных нарушений не вызывает сомнений [56]. Важно, что эффективность работы ГЛС резко усиливается в ночное время и, наоборот, снижается в период бодрствования [38]. Выведение из мозга β-амилоида осуществляется по градиенту пульсового давления преимущественно в диастолу в бóльшей степени в ночное время, при этом клиренс β-амилоида из ткани мозга зависит от качества и продолжительности сна. Параметры сна, преимущественно характер его медленной фазы, связаны с увеличением межклеточного пространства мозга, что снижает сопротивление конвективному потоку межклеточной жидкости и повышает клиренс β-амилоида [38].
Механизм, благодаря которому реализуются данные изменения, связан с секрецией голубым пятном норадреналина. Его секреция в период сна снижается, это приводит к уменьшению активности нейронов, что в свою очередь за счет преимущественно осмотических механизмов ведет к увеличению межклеточного пространства [57]. Показано, что уровень амилоида в ЦСЖ связан с суточными биоритмами. Результаты исследований, проведенных на трансгенных мышах, свидетельствуют, что в ночное время уровень β-амилоида оказался наиболее высоким, а в дневное — минимальным [11]. Следовательно, одна из функций сна состоит в активации ГЛС, вследствие чего усиливается очищение головного мозга от токсичных веществ, образующихся во время бодрствования, в первую очередь амилоида.
Вероятно, эффективность работы ГЛС ухудшается по мере старения. Оценка деятельности ГЛС на моделях мышей разного возраста показала снижение активности ее функционирования на 80—90% у старых животных [36]. Возрастные изменения тонико-эластических свойств стенки артерий приводят к уменьшению амплитуды их пульсации, что сопровождается снижением активности глимфатического притока [37]. Снижению активности ГЛС по мере старения способствуют снижение образования ЦСЖ на 66% и снижение ее давления на 27% [36].
С возрастом AQP4 утрачивает периваскулярную поляризацию, что также может вести к снижению активности ГЛС [36]. Снижение функции ГЛС по мере старения может быть обусловлено накоплением несвязанных и гиперфосфорилированных белков, тем самым активируя течение нейродегенеративных процессов. При болезни Альцгеймера чаще, чем в контроле, имеет место расширение периваскулярных пространств, что может свидетельствовать о срыве компенсаторных возможностей глимфатических путей, который ведет к снижению клиренса белков. Расширение периваскулярных пространств выявляется также при сосудистой деменции, являющейся второй по частоте причиной когнитивной дисфункции, что еще раз подтверждает сходство патогенеза нейродегенеративной и сосудистой патологии [54].
ГЛС также обеспечивает транспорт липидов в головном мозге. Масса мозга взрослого человека составляет 2% от массы его тела, при этом мозг содержит до 25% всего холестерина организма человека. ГЭБ препятствует поступлению липидов и липопротеидов, включая холестерин, из крови в мозг. В отличие от периферических тканей, получающих холестерин, синтезируемый в печени, из крови, в мозге весь холестерин синтезируется de novo. Избыток холестерина выводится из мозга за счет его гидроксилирования до 24-OH-холестерина. Таким образом, ГЛС и периваскулярная система функционируют как поглотители избыточного холестерина, образующегося в мозге. Мозг обладает способностью внутреннего переноса липидов за счет собственного переносчика липопротеидов высокой плотности, который вырабатывается астроцитами [53].
Синтез липопротеидов высокой плотности астроцитами в значительной степени зависит от аполипопротеина Е (АПОЕ). Его ген, в частности аллель e4, представляет собой важнейший генетический фактор риска развития болезни Альцгеймера. Этот носитель важен для поддержания гомеостаза, необходимого для правильного функционирования головного мозга. АПОЕ сконцентрирован преимущественно в мембранах астроцитов вблизи кровеносных сосудов. Клетки сосудистых сплетений и эпендимы в стенке третьего желудочка также способны вырабатывать АПОЕ. Следовательно, образование АПОЕ и ЦСЖ локализовано практически в одних и тех же областях, они транспортируются единым путем за счет ГЛС. Введение липофильных меченых маркеров в ЦСЖ показало, что несколько различных липофильных молекул массой <1 кДа, сопоставимых с размером молекулы холестерина (0,387 кДа), и липофильные молекулы массой >3 кДа поступали в вещество головного мозга через периартериальные пространства, а выводились, подобно гидрофильным молекулам, через перивенозные. Однако только липофильные маркеры массой <1 кДа оказались способными проникать в паренхиму мозга, тогда как более крупные молекулы могли транспортироваться только лишь периваскулярным путем. Это свидетельствует, что ГЛС играет ключевую роль в распределении липидов в ткани мозга, а для транспорта через ЦСЖ средних и больших растворимых в липидах молекул требуются носители. В связи с этим астроциты играют важную роль в синтезе липидов и их распределении за счет высвобождения таких белков-носителей липидов, как АПОЕ. Нарушение функции ГЛС может вести к повышению содержания в головном мозге холестерина, что в свою очередь способно изменять уровень β-амилоида [53].
Имеющиеся данные свидетельствуют о необходимости активации клиренса ГЛС, в частности у больных с уже сформировавшимися когнитивными нарушениями. Учитывая роль клиренса β-амилоида через ГЛС, представляется перспективным его усиление за счет нормализации сна и регуляции цикла «сон—бодрствование». Предполагается, что повышение качества сна и, соответственно, лимфоциркуляции может быть связано со снижением риска развития нейродегенеративных процессов [38].
Показано, что применение биологически активных флавоноидов, обладающих венотоническим действием, способно обеспечивать снижение концентрации в мозге β-амилоида, ограничивать процессы гиперфосфорилирования тау-белка, нейровоспаления и уменьшать вероятность развития когнитивных нарушений [58]. Отсутствие ночного снижения артериального давления препятствует адекватному функционированию периваскулярных пространств и ГЛС и нарушает клиренс β-амилоида, поэтому следует применять дополнительные терапевтические мероприятия в отношении недостаточного снижения артериального давления в ночное время [37].
У больных с факторами сердечно-сосудистого риска и когнитивными нарушениями целесообразно одновременное назначение лекарств, обладающих нейропротективными свойствами и способствующих активации нейропластичности. Среди нейропротекторов, обладающих мультимодальными эффектами, в клинической практике хорошо зарекомендовали себя лекарственные препараты пептидной природы, которые в экспериментальных исследованиях доказали возможности влияния на различные мишени патогенеза цереброваскулярных заболеваний и продемонстрировали значимые положительные эффекты в ходе рандомизированных клинических исследований [59].
Представителем этого класса препаратов является Кортексин, обладающий системным и локальным противовоспалительным действием. За счет взаимодействия с креатинкиназой BB Кортексин регулирует энергетический метаболизм, обеспечивает нейропротективный, мембраностабилизирующий и антиоксидантный эффекты. Взаимодействующие с Кортексином белки цитоскелета (актин, протеин 14-3-3-α/β) образуют плотные контакты в эндотелии сосудов, способствуют обеспечению целостности ГЭБ. Кортексин, воздействуя на ГАМК-рецепторы, метаботропные и ионотропные глутаматные рецепторы, предотвращает эксайтотоксичность. Идентифицированные 4 белка головного мозга, вступающие во взаимодействие с пептидами Кортексина (тубулин β5, креатинкиназа BB, протеин 14-3-3 α/β, актин), обеспечивают созревание и встраивание молодых отдельных клеток в нейрональную сеть, регулируют активность ферментов, защиту белков от дефосфорилирования, процессы секвестрирования, нейропротекцию при нейродегенеративных заболеваниях [60]. В двух рандомизированных клинических исследованиях показано положительное влияние Кортексина на состояние когнитивных функций при его курсовом назначении [61, 62].
Таким образом, открытие и изучение ГЛС мозга и внутричерепных лимфатических сосудов представляет новую страницу в физиологии и патофизиологии головного мозга, а также в клинической неврологии. Понимание взаимодействия периферической лимфатической системы и лимфодренажной системы головного мозга, разработка терапевтических стратегий, направленных на поддержание целостности лимфодренажной системы головного мозга, могут стать инновационным подходом в лечении когнитивных нарушений при болезни Альцгеймера, цереброваскулярных и других заболеваниях.
Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.