Glymphatic系统——入门指南

摘要

引言

清除多余的液体和间质溶质对组织内稳态至关重要。在外周组织中，来自间质空间的可溶性物质、蛋白质和液体通过淋巴系统返回到全身循环[1]. 淋巴网络遍布周围组织的所有部位，淋巴管密度与组织代谢率相关。虽然大脑和脊髓的特点是代谢率过高[2]突触传递对环境的变化非常敏感，中枢神经系统（CNS）完全缺乏传统的淋巴管。本综述阐述了揭示这一悖论的最新发现，并在已知的中枢神经系统废物消除的更广泛背景下讨论了这些发现。最后，我们讨论了我们最近的发现，这一系统可能也有助于在大脑中分配非废物化合物，如脂类和葡萄糖。

CSF生产

大脑由四个液室组成：脑脊液（CSF）、间质液、细胞内液和血管(图1). 血液分别通过血脑屏障和血-CSF屏障与脑实质和脑脊液隔离。这些屏障对维持大脑的细胞外环境至关重要，因为它们调节不同液体隔室的离子和生化成分[三]. 血脑屏障由血管内皮细胞组成，血-CSF屏障主要在脉络丛上皮细胞之间形成[4]. 因为神经丛毛细血管内皮细胞不同于大脑中的其他毛细血管，没有紧密连接，所以它们对大分子更具渗透性[三]. 脉络丛上皮细胞依次通过紧密连接连接。因此，在脉络丛，由上皮转运蛋白调节的大分子的跨上皮转运决定了哪些大分子从血液进入CSF(图1和​和22).

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图1

大脑液体隔室和屏障的示意图

脑内的液体腔室由细胞内液（ICF）（60-68%）、间质液（ISF）（或细胞外液）（12-20%）、血液（10%）和脑脊液（CSF）（10%）组成[5,10]. 血液分别通过血脑屏障（BBB）和血-CSF屏障从脑脊液和间质液中分离。血内皮细胞之间的紧密连接构成血脑屏障，限制大分子从血液自由移动到脑实质。血管周围间隙中位于内皮细胞和星形细胞末端之间的液体和溶质，表达水通道水通道蛋白-4（AQP4），扩散到脑实质。血-CSF屏障由脉络丛上皮细胞之间的紧密连接形成。血液中的大分子可以在开窗内皮细胞和间质液之间自由移动，但受脉络丛上皮细胞紧密连接的限制，因此被认为是决定脑脊液成分的主要因素。

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图2

离子组成和跨脉络丛上皮细胞的转运

根据经典假说，脉络丛上皮细胞中的离子转运体和通道是脑脊液（CSF）产生的主要部分。顶端表达的Na⁺/K（K）⁺-ATP酶是脑脊液分泌的中枢，为钠创造电化学梯度⁺通过Na进口的⁺/H（H）⁺交换器，NHE1和/或Na⁺-HCO公司_三^-基底外侧膜中的共转运体NCBE。HCO的共同进口_三^-通过NCBE和CO的水合作用₂通过碳酸酐酶（C.A）增加细胞内HCO浓度_三^-，产生一个电化学梯度，驱动HCO流出_三^-通过基底侧向的Cl^-/HCO公司_三^-交换器、AE2和顶部HCO_三^-频道。AE2的作用使细胞内Cl升高^-推动氯离子的顶部输出^-通过NKCC1和Cl^-频道。脉络丛上皮细胞这些过程的最终结果是钠的净流量⁺、HCO_三^-和Cl^-从血液穿过上皮细胞到心室，产生渗透梯度，使水通过AQP1，从而产生CSF。

在哺乳动物中，脑脊液占颅腔内总液体体积的10%[5]. 脑脊液流经由通道或孔连接的四个心室，进入皮层和脊髓的蛛网膜下腔(图1). 它从皮质蛛网膜下腔进入脑血管周围的薄壁组织，在离开中枢神经系统并排入淋巴系统之前对大脑进行清洗。

脑脊液被认为主要由脉络丛产生，脉络丛是室管膜上皮的扩张，排列在侧脑室、第三脑室和第四脑室[6]. 脉络丛是高度折叠和血管化的结构，由单层立方或低圆柱形上皮组成，上皮位于基底膜上。脉络丛上皮细胞的管腔表面积密被微绒毛覆盖，并具有一根初级纤毛或一簇活动纤毛[4,7].

脉络丛CSF的产生是由离子（尤其是Cl）的交换和转运介导的^-，纳⁺和HCO_三^-)通过上皮细胞，产生渗透梯度，驱动水从血液流向心室腔[三,4,8]. 离子转运蛋白在CSF生产中的重要性最初是使用药理学工具确定的，近年来得到了遗传学研究的支持。以下将简要描述驱动脑脊液生成的一些关键离子传输机制。关于脉络丛在脑脊液生成中的作用的更全面的综述，我们参考[4,8].

Na人⁺/K（K）⁺-位于脉络丛上皮细胞顶膜的ATP酶是脑脊液产生的中心[4,8–10]. 来自几个实验室的数据表明，哇巴因可以抑制Na⁺/K（K）⁺-ATP酶，减少脑脊液生成50-60%[9,11,12]. Na人⁺/K（K）⁺-ATP酶主动泵出Na⁺从上皮细胞到心室腔中的脑脊液，从而保持细胞内钠⁺低浓度（与细胞外141-152 mM相比为45 mM）[10]. 这会产生跨膜梯度，从而驱动钠的输入⁺可能通过Na穿过基底外侧膜⁺-依赖HCO_三^-联合转运蛋白[13]和/或Na⁺/H（H）⁺换热器NHE1[10]. Na的关键作用⁺使用阿米洛利（钠转运抑制剂）或钠的遗传耗竭进行的研究最好地证明了通过脉络丛上皮细胞转运脑脊液⁺小鼠体内的转运蛋白。阿米洛利使脑脊液生成减少50%[11,12]脑室大小增加80%[14]. 类似地，删除Slc4a10系列编码Na的基因⁺-依赖HCO_三^-共转运体NCBE减少Na的表达⁺/K（K）⁺-小鼠脉络丛水通道AQP1的ATP酶[15].

HCO公司_三^-及其与氯的跨细胞交换^-也证明了其对脑脊液生产的重要性。应用乙酰唑胺或DIDS，分别是碳酸酐酶抑制剂和阴离子交换抑制剂，可将CSF的形成减少30-50%[9,16–18]. HCO的作用机制_三^-和Cl^-它们的交换对CSF产生的调节作用尚不清楚[8]. 据推测，HCO的细胞内积累_三^-（由于HCO_三^-与Na共同进口⁺通过NCBE和细胞内HCO_三^-碳酸酐酶催化CO水合生成₂)推动HCO的外运_三^-通过HCO降低其电化学梯度_三^-渠道和HCO_三^-/氯离子^-基底外侧膜中的交换器AE2。HCO的交换_三^-含Cl^-然后导致细胞内Cl的积累^-[8,10]，并生成Cl的电化学梯度^-因此，Cl^-通过顶部的Cl离开细胞^-渠道和运输商，如NKCC1（也出口Na⁺和K⁺心室）[8,19] (图2). 总的来说，上述过程产生钠的净运动⁺，氯^-和HCO_三^-从血液穿过脉络丛上皮到心室。Na的向外运动⁺，氯^-和HCO_三^-被认为会产生渗透梯度，使水以相同的方向穿过顶端膜[4,8,10]. 穿过脉络丛上皮的水通量主要通过高度透水的通道AQP1进行，AQP1-主要位于脉络丛上皮细胞的顶膜，在较小程度上位于基底外侧膜[19–23]. AQP1是否是水通过脉络丛的唯一途径尚有争议，然而，AQP2对脑脊液的生成至关重要，因为与野生型同窝婴儿相比，AQP11基因敲除小鼠的脑脊液生成率降低了35%，脉络丛透水性降低了80%[24,25]. 总的来说，离子和水在脉络丛上皮细胞上运动的最终结果是产生脑脊液，与血液相比，脑脊液的蛋白质和钾含量较低⁺[26]，Na较高⁺，氯^-和镁²⁺与血浆中92%的水含量相比，其含水量为99%[三,5].

尽管进行了几十年的研究，但令人惊讶的是，人们对脑脊液产生的生理过程知之甚少。预计脑脊液的产生受颅内压的调节，但现有的报告相互矛盾，并建议颅内压必须显著或长期升高以抑制脑脊液产生[4,27]. 此外，脑脊液的产生也可能受自主神经系统的调节，但文献也很复杂，可能反映了技术局限性[28].

脑血管系统和血管周围间隙

大脑的脉管系统有几个独特的特征，将其与身体其他部位的脉管区别开来[41]. 动脉脑循环由颈内动脉和椎动脉分别提供的大脑前循环和大脑后循环组成。前循环包括大脑中动脉和前动脉，通过威利斯环的前交通动脉和后交通动脉与后循环、基底动脉和大脑后动脉相连[42]. 从威利斯环开始，前循环灌注大脑进化中的年轻部分，包括大脑半球的新皮质，而后循环供应脑干和小脑[42]. 在皮层表面，脑动脉延伸至软脑膜动脉，流经含脑脊液的蛛网膜下腔和软膜下腔[43,44]. 随着软脑膜动脉深入脑实质，它们转变为穿透性小动脉(图3) [41]并创造一个血管周围空间，称为Virchow-Robin空间。Virchow-Robin间隙充满脑脊液，在面向血管的内壁和面向血管周围星形细胞终末的外壁上，软脑膜细胞层与之相邻。事实上，中枢神经系统血管系统的一个独特特征是，脑实质内的所有小动脉、毛细血管和小静脉都被星形细胞血管末梢所包围。这些血管末梢形成血管周围空间的外壁，类似于围绕血管系统的圆环状隧道。随着脑实质中穿透性小动脉在较深处的狭窄，Virchow-Robin间隙与基底层连续。因此，维-罗宾间隙在毛细血管水平之前消失，毛细血管周围间隙仅由基底层组成。基底层是一层薄薄的细胞外基质，主要由层粘连蛋白、纤连蛋白、IV型胶原组成，其中含有硫酸肝素蛋白多糖和其他细胞外基质成分。内皮细胞、周细胞和星形胶质细胞被基底层隔开。这三种细胞类型和“神经血管单元”的其他两种细胞成分，平滑肌细胞和神经元，通过包括整合素和肌营养不良聚糖在内的粘附分子与基底层的细胞外基质紧密相连[5,45]. 由于细胞外基质的多孔结构，基底层对CSF流入的阻力最小。

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图3

神经血管单位

神经血管单元的结构和功能允许微血管和神经元之间的双向通信，星形胶质细胞起着中介作用。浸泡在脑脊液中的蛛网膜下腔的软脑膜动脉在潜入脑实质后成为贯穿动脉。贯穿动脉周围的血管周间隙称为Virchow-Robin间隙。当穿透动脉分支进入小动脉和毛细血管时，含有脑脊液的Virchow-Robin间隙缩小，最终消失。然而，血管周间隙延伸至小动脉，毛细血管延伸至小静脉，由基底膜的细胞外基质构成，为小动脉和小静脉之间的液体空间提供连续性。表达水通道蛋白-4（AQP4）的星形细胞血管末梢环绕整个血管系统，形成血管周围间隙的边界。

除了构成脑脊液流入的低阻力通道外，血管周围空间也是能量底物传递和血流调节的重要场所。在病理条件下，如中风，先天性炎症反应和水肿的形成是在血管周围空间开始的[45].

血液从脑毛细血管继续流入毛细血管后微静脉，内皮细胞和星形胶质细胞的基底膜在此扩大，再次提供脑脊液引流的血管周围空间[46]. 一般来说，来自大脑内部的血液，包括侧脑室和第三脑室周围的深白质和灰质，流入较大的中央/深静脉，并通过皮质静脉流出大脑皮层和皮质下白质，皮质静脉作为软脑膜静脉延伸至脑表面[47,48]. 然而，与动脉脑循环不同的是，区域仅限于分离前动脉和后动脉，中央静脉和皮质静脉流出的区域显示出明显的重叠程度。因此，在某些区域，皮质静脉的范围延伸至脑室壁，在其他区域，中央静脉的范围可以包括皮质下层的区域[47]. 皮质浅静脉与深静脉吻合，流入上矢状窦。来自上矢状窦和深静脉的脑静脉血通过流入乙状窦和颈静脉的窦汇流离开大脑[48].

glymphatic系统

最近的研究表明，脑脊液和间质液（ISF）不断交换。沿动脉周围间隙的脑脊液对流流入促进了这种交换[49]. 脑脊液通过动脉搏动、呼吸和脑脊液压力梯度从蛛网膜下腔进入Virchow-Robin空间，血管周围间隙的松散纤维基质可视为脑脊液流入的低阻力通道。随后，脑脊液通过AQP4水通道进入致密复杂的脑实质，AQP4-水通道在包裹脑血管系统的星形细胞末梢的高度极化区中表达[49,50]. 脑脊液进入实质后，组织内的对流间质液体向深静脉周围的静脉间隙流动。间质液体收集在静脉周围空间，从那里流出大脑，流向颈部淋巴系统[30,33]. 这种具有脑脊液和间质液快速交换的对流流体通量的高度极化宏观系统被称为glymphatic系统，因为它在功能上与周围组织中的淋巴系统相似，并且胶质AQP4通道在对流流体运输中起着重要作用。

2012年，首次对glymphatic系统的动力学进行了表征体内用双光子显微镜观察小鼠[49]. 通过将荧光示踪剂注入大脑大池对脑脊液进行标记，Iliff等人显示，脑脊液沿着软脑膜皮质动脉迅速进入大脑。进入后，沿着穿透性小动脉流入Virchow-Robin间隙(图4) [49]. 很明显，脑脊液示踪剂不是分散地、随机地分布在薄壁组织中，而是通过血管平滑肌细胞周围的动脉周通路进入薄壁组织，血管周星形细胞末端与之相连体外证据表明，示踪剂主要沿中央深静脉和侧中央鼻尾静脉迅速离开大脑[49]. 以下分析表明，动脉周围脑脊液流入和穿过脑实质的对流运动促进了间质溶质向静脉周围引流途径的清除，从而扩展了早期标记蛋白和小分子的研究（综述于[51])。根据Weller及其同事的建议[52–54]间质溶质的这种宏观清除机制可能对包括阿尔茨海默病在内的神经退行性疾病具有特别重要的意义，阿尔茨海默氏病的特征是蛋白质的积累，包括淀粉样斑块和tau缠结。为了评估β-淀粉样蛋白是否通过glymphatic途径清除，Iliff等人注射荧光或放射性标记的淀粉样蛋白β_1–40进入小鼠纹状体，发现β-淀粉样蛋白沿着glymphatic副静脉流出途径从小鼠大脑中迅速清除[49]. 此外，AQP4基因敲除小鼠脑脊液示踪剂运动成像显示，与野生型对照小鼠相比，通过实质的脑脊液流量减少了约65%，纹状体内注射的放射性标记β-淀粉样蛋白清除率降低了55%[49]. 因此，有人提出，由AQP4依赖性体流驱动的血管旁glymphatic途径是脑实质间质液体溶质的主要清除途径[50].

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图4

体内小鼠皮层内glymphatic内流的双光子成像

A）成像设置的示意图；评估大池注入蛛网膜下腔脑脊液示踪剂的动脉周围脑脊液流入体内通过一个封闭的颅骨窗口使用双光子显微镜。下横杆：每隔1分钟在皮层表面进行成像。B）注射小分子量（TR-d3，深蓝色）和大分子量（FITC-d2000，绿色）示踪剂和C-E）注射示踪剂后10、20和30分钟，皮质表面以下100μm。Merge（浅蓝色）表示TR-d3和FITC-d2000的共同本地化。用动脉内荧光示踪剂（CB-d10）显示脑血管，并从形态学上识别动脉（A）和静脉（V）。脑内注射后，CSF示踪剂立即沿着软脑膜动脉的外侧移动，但不沿着静脉移动，20-30分钟后，它们扩散到脑实质中。红圈、小动脉；蓝色圆圈，小静脉。比例尺100μm。转载自[49]经允许。

是什么推动了糖语的涌入？

脑脊液沿动脉周围间隙的消化运输，随后通过脑实质的对流流动，以及间质液体（ISF）沿静脉周围间隙向颈淋巴系统的出口，是一个由多种机制驱动的能量需要过程。脉络丛不断产生脑脊液，产生压力，决定流体通过心室系统流向蛛网膜下腔的方向。此外，几项研究表明，呼吸有助于脑脊液通过导水管的运动[65,66]. CSF沿血管周围间隙进入对促进脂肪族ISF-CSF交换和清除功能至关重要。使用报告小鼠区分动脉和静脉（在周细胞和平滑肌细胞中NG2启动子下表达的Ds红色荧光蛋白）[67,68]研究表明，脑脊液示踪剂沿着软脑膜表面的动脉，穿过皮质表面，沿着穿透动脉下降，穿透动脉垂直潜入大脑，到达毛细血管床[49,69]. 是什么驱动脑脊液沿着贯穿软脑膜动脉的血管周围间隙进入？特别是动脉，平滑肌细胞产生的脉动沿着软脑膜动脉的全长产生脉搏波，并从皮层表面穿透动脉进入大脑[70–73]. 多巴酚丁胺是一种肾上腺素能激动剂，当给小鼠注射时，其脉动效应显著增强，并导致大量脑脊液渗入实质。当通过颈内动脉结扎抑制动脉搏动时，获得了相反的效果。此外，脉搏波的减少降低了脑脊液-脑脊液交换[70]. 这表明，胰脂肪族的活动，至少部分是由动脉搏动驱动的，并解释了为什么血管周流入优先发生在搏动的动脉周围，而不是脑静脉周围。

睡眠时会打开糖脂系统

虽然睡眠对所有哺乳动物来说都是必不可少的，但睡眠也是一种脆弱的状态，因为睡眠中警觉度降低会增加被捕食者攻击的可能性。警觉与休息之间的这种妥协表明睡眠具有基本的生物功能。多项研究表明，睡眠可以增强记忆巩固，这可能对物种之间的竞争很重要[74–77]然而，睡眠的基本生理需求尚不清楚[78]. 睡眠期间大脑能量代谢仅下降25%，这表明睡眠不仅仅是为了保存能量[79]. 最近的分析表明，睡眠状态是独特的，因为在清醒时，交感神经活动显著增强，而其功能受到抑制。体内双光子成像显示清醒状态下的脑脊液流入量比麻醉小鼠减少90%[80]. 为了测试这是否与所用麻醉剂的无意识状态或副作用有关，对自然睡眠的小鼠进行了相同的实验。这项对脑脊液流入的分析显示，真正的睡眠和麻醉小鼠之间有着惊人的相似性。glymphatic内流的睡眠-清醒差异与间质空间的体积分数相关，清醒状态下为13-15%，睡眠和麻醉小鼠的体积分数均扩大至22-24%[80]. 这一观察结果表明，睡眠状态特别有利于对流流体的流动，从而有利于代谢产物的清除。因此，睡眠的一个主要功能似乎是打开glymphatic系统，大脑清除清醒时产生的神经毒性废物。

对麻醉小鼠和自然睡眠小鼠（而非清醒小鼠）的glymphatic功能高度活跃的观察表明，调节glymphamic活动的是睡眠与清醒状态的差异，而不是日常昼夜节律。唤醒的主要驱动因素是神经调节剂去甲肾上腺素[81]. 我们的分析表明，去甲肾上腺素也是glymphatic活性的一个关键调节器，并且去甲肾上腺素可能负责在清醒时抑制glymphamic。清醒小鼠局部应用去甲肾上腺素受体拮抗剂混合物导致脑脊液示踪剂流入增加，几乎与睡眠或麻醉期间观察到的情况相当[80]. 相反，应用去甲肾上腺素，模拟清醒状态，显著降低间质体积分数。睡眠状态下间隙容积的增加降低了组织对对流的阻力，从而允许CSF-ISF交换。因此，觉醒期间去甲肾上腺素的突然释放增加了细胞体积分数，导致间质空间减少[82]. 反过来，CSF和ISF对流交换的阻力增加，这导致清醒时的glymphatic通量受到抑制。去甲肾上腺素也直接作用于脉络丛上皮细胞并抑制脑脊液的产生。相反，去除去甲肾上腺素信号，模拟睡眠状态，可以提高脑脊液的生成[83]. 因此，去甲肾上腺素的协同作用通过对液体可用性和对流通量的不同机制发挥作用，以抑制glymphatic功能，因此，可以认为去甲肾上腺素是睡眠和清醒状态之间切换以及大脑溶质清除的关键调节器。

衰老和病理学中的对流脑脊液流量

老化过程中，糖类活性急剧下降

最近对老年小鼠与年轻小鼠的glymphatic功能的评估表明，与年轻小鼠相比，老年小鼠的glumphatic机能显著降低了约80-90%[84]. 胰脂肪族活性的抑制包括CSF示踪剂的流入和放射性标记的β-淀粉样蛋白和菊糖的清除。反应性胶质增生症，定义为GFAP肥大⁺星形细胞突起，随年龄增长而增加[85]虽然GFAP表达的改变可能导致glymphatic功能改变的机制尚不清楚，但可能导致与年龄相关的glymphalic功能下降。AQP4在幼年动物中定位于星形细胞末端，在促进沿动脉周内流途径的CSF-ISF交换以及通过血管周引流途径的间质溶质清除中起着重要作用[49] (图5A). 先前研究表明，AQP4基因缺失会损害CSF-ISF交换约65%，并减少β-淀粉样蛋白清除约55%[49]. CSF-ISF交换下降与β-淀粉样蛋白清除率之间缺乏对等性，可能是由于注射的部分β-淀粉状蛋白通过LRP-1/RAGE介导的跨内皮转运直接清除到血液中[86]. 然而，在老年人脑中，星形胶质细胞AQP4的血管极化在反应性星形胶质细胞中部分消失，即AQD4不再局限于星形胶质细胞的末端，而是存在于星形胶质胶质细胞的实质突起中[84] (图5B). 研究发现，衰老与血管周围AQP4极化丢失有关，尤其是沿穿透小动脉的AQP4.皮质实质AQP4:与CSF-ISF交换有关，提示与年龄相关的glymphatic功能下降可能部分归因于星形胶质细胞水转运的失调。随着年龄增长，可能导致glymphatic活性降低的其他因素包括脑脊液产量下降66%，脑脊液压力下降27%[70,87,88]. 衰老还伴随着动脉壁的硬化，导致动脉搏动性降低，而动脉搏动是葡萄糖流入的驱动因素之一[70,89]. 观察与年龄相关的glymphatic活性下降很重要，因为确定的神经退行性疾病的最高风险因素是年龄。因此，在衰老过程中，glymphatic系统的失效可能会导致错误折叠和过度磷酸化蛋白质的积累，从而使大脑更容易发生神经退行性病变，或者可能加剧认知功能障碍的进展。

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图5

年轻人、老年人和阿尔茨海默病患者的糖脂功能模型

A类)在年轻和健康的人中，脑脊液通过动脉周围通路进入脑实质，从间质空间冲走溶质并沿静脉排空。B类)随着年龄的增长，glymphatic功能降低，这可能是由于星形胶质细胞变得活跃，AQP4从血管末梢向实质突起去极化所致。C类)在阿尔茨海默病中，穿透动脉的血管周围间隙会积聚β-淀粉样肽。我们假设β-淀粉样蛋白的积累可能是由糖酵系统受损引起的，并且血管周围通路被β-淀粉状蛋白等蛋白质聚集体进一步阻断。在该模型中，由此产生的血管周围环境的变化导致下游血管周围空间的异常扩大，从而进一步降低淋巴结清除率。

事实上，所有流行的神经退行性疾病都以聚集蛋白的积累为特征[90]. 先前关于中枢神经系统蛋白质降解的研究主要集中在细胞内过程，即蛋白酶体或溶酶体降解[91]. 然而，最近的研究表明，间质液和脑脊液中也存在有毒的蛋白质单体、低聚物和聚集体：阿尔茨海默病中错误折叠的β-淀粉样蛋白和tau纤维缠结，帕金森病中错误折叠的α-突触核蛋白和肌萎缩侧索硬化症小鼠模型中错误折叠的超氧化物歧化酶[52,92–96]. 海马突触中发现β淀粉样蛋白沉积，神经元的活动可能导致脱落增加，使突触成为细胞外β淀粉样物质的来源[97]. 与此相一致，当神经元活性最高时，清醒状态下β-淀粉样蛋白的产生最高[98]. 然而，β-淀粉样蛋白不仅由神经元产生。事实上，所有细胞都产生β-淀粉样蛋白，尤其是少突胶质细胞及其前体细胞[99]这可能是阿尔茨海默病中观察到的髓磷脂紊乱的部分原因。新出现的神经毒性蛋白聚集体的朊病毒样传播的概念强调了间质空间对于聚集蛋白沉积的重要性，例如阿尔茨海默病中的β淀粉样蛋白[100,101]. 人类β-淀粉样蛋白的产生和周转速度惊人。健康的年轻受试者每小时通过脑脊液清除8.3%的总β淀粉样蛋白[102]. 血管周围引流通路在阿尔茨海默病中起着间质β淀粉样蛋白汇的作用，血管周围间隙是淀粉样蛋白沉积和阿尔茨海默氏病病理学的场所[103]. glymphatic系统的大量清除可能与跨越血脑屏障的运输相结合[59]提供必要和充分的细胞外β-淀粉样蛋白清除，直到生殖寿命结束，在此期间，脑脊液大量流动不足会导致β-淀粉状蛋白积聚[84] (图5). 这表明，glymphatic系统活性低下可能是神经退行性疾病发生的主要危险因素。血管周围间隙间质大量流动的解剖路径与β-淀粉样蛋白积聚的部位一致，尽管β-淀粉状蛋白主要积聚在脑动脉。动脉周围β-淀粉样蛋白的蓄积反映了富含β-淀粉状蛋白的脑脊液在被平滑肌细胞吸收后的循环[104]，尽管脑脊液再循环的概念有争议[44]. 反过来，血管淀粉样变可能会减少glymphatic CSF流入，CSF流入停滞可能会加速β淀粉样蛋白的积累。此外，β-淀粉样蛋白的单核吞噬似乎选择性地发生在静脉[105]. 与年龄匹配的对照受试者相比，阿尔茨海默病患者更频繁地观察到血管周围间隙的异常增大，这表明蛋白质积累呈螺旋状，淋巴结途径变形，蛋白质清除率和病理学进一步降低(图6).

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图6

阿尔茨海默病血管周围间隙异常

额上回和下白质苏木精伊红染色2.5倍放大。A类)一例74岁未经中枢神经系统诊断的患者的白质表现为均匀染色的白质，血管周围间隙正常。B类)一位80岁阿尔茨海默病患者的白质中含有染色较浅的斑块和大量异常增大的血管周围间隙。正常放大100倍C类)，略微扩张D类)并严重扩张E类)阿尔茨海默病患者的血管周围间隙。转载自[112]经允许。

然而，血管周围间隙的异常在非阿尔茨海默氏症痴呆中也很突出。血管性痴呆是痴呆的第二大常见病因，仅次于阿尔茨海默病，这些疾病的特点是血管周围空间变形[106,107]. 高血压、动脉粥样硬化或遗传性疾病引起的脑血管或周围血管的变化可导致血管性痴呆[107]. 血管性痴呆通常由大脑小血管和毛细血管的病理学引起，统称为小血管疾病。在小血管疾病中，经常观察到血管周围间隙扩大[108]. 这方面的一个例子是伴有皮层下梗死和白质脑病的常染色体显性脑动脉病[109,110]. 我们推测，血管周围空间的这些解剖异常可能会因物理信号途径的改变而对glymphatic通量产生深刻影响，也许细胞信号途径也会改变，而这些改变对血管周围空间中的大量流动是不允许的。事实上，许多病例报告发现，痴呆患者的血管周围空间异常扩大，而其他患者健康状况良好[111]. 血管周围间隙变宽的一个解释可能是动脉周围阻塞导致局部淋巴流量阻塞，可能影响下游动脉周围间隙的宽度(图5). Roher等人假设白质血管周围空间的扩大是上游动脉血管周围空间堵塞的次要影响，通常位于灰质[112]. 富含髓磷脂的组织可能对对流性间质液体流动的阻塞更为敏感，这也许可以解释为什么血管疾病，包括伴有皮层下梗死的常染色体显性脑动脉病和白质脑病，主要影响白质[113]. 值得注意的是，glymphatic通量在血管周围间隙显著增大的疾病中的潜在作用尚待实验研究，但血管周围间隙的总体变化可能会对glymphatic功能产生负面影响。glymphatic功能的抑制可能反过来加剧病理。

Glymphatic流出在创伤性脑损伤生物标志物的转运中起着关键作用

由于仅凭临床检查难以诊断创伤性脑损伤的严重程度，因此已投入大量精力开发脑损伤的血浆生物标记物。虽然已知脑脊液会流入颈部淋巴结，但之前的研究很少关注细胞蛋白，例如神经元特异性烯醇化酶、GFAP和S100B是如何进入血液的[123]. 大多数综述表明，这些生物标记物在组织损伤的情况下通过血脑屏障的开放进入全身循环[124]. 相反，我们最近发现，创伤性脑损伤的生物标记物通过glymphatic系统离开大脑。通过四种不同的机械操作抑制glymphatic活性，包括睡眠剥夺、枕大池穿刺、乙酰唑胺抑制CSF生成或AQP4基因缺失，导致星形细胞蛋白GFAP显著降低，创伤性脑损伤后血浆中S100B和神经元特异性烯醇化酶[125]. 其中一些操作与临床相关。例如，由于生命体征的频繁采集，在急诊室中睡眠不足很常见。因此，如果是泌乳系统的活动决定了生物标记物从受损脑组织运输到血室的程度，那么血浆生物标记物可能不是评估创伤性损伤严重程度的有用方法。如果创伤性脑损伤患者无法入睡或进行减压性脑室造口术，脑脊液血浆中生物标记物的转移将很低。在这些条件下，血液中生物标记物的低水平并不能反映组织损伤的程度，而是说明glymphatic活性较低。

因此，几项研究表明，急性损伤，包括创伤性脑损伤、蛛网膜下腔出血或中风，会严重影响淋巴功能并损害对流液体流动。脑脊液-脑脊液交换抑制对血浆生物标记物在创伤性脑损伤中诊断相关性的局限性有直接影响[122,125]. 最重要的是，由于正常代谢废物和损伤诱导碎片的积累，胃肠功能受损可能会进一步加剧损伤。因此，创伤性脑损伤后胃肠功能受到抑制的程度可能会导致结果的变异。未来的研究将确定急性创伤后glymphatic系统药物操作的临床相关性。

先前的观察记录了血管周围液体运输的存在

尽管glymphatic系统的概念是在三年前提出的，但这种高度组织化的脑脊液-脑脊液液体交换途径的许多方面已经被描述过了。80年代中期，一位年轻的研究人员帕特里夏·格雷迪（Patricia Grady）指出，当在脑脊液中注射辣根过氧化物酶（一种44kDa糖蛋白）时，仅仅4-5分钟后，示踪剂就勾勒出了狗或猫的整个血管系统[126,127]. 这一观察描述了大面积脑脊液示踪剂沿血管周围空间的广泛流入，理所当然地在更成熟的组中受到了相当大的关注。脑脊液如此迅速的流入不能用缓慢的扩散过程来证明。只有沿血管周围空间的对流通量才能解释辣根过氧化物酶的分布。然而，其他组无法重复Patricia Grady的发现，导致了错误的结论，即脑脊液只是不一致且在较小程度上进入血管周围空间[128]. 回顾过去，观察结果之间的差异可以用以下事实来解释：Patricia Grady使用了接受最小手术的较大动物，而随后的研究为大鼠准备了开放的颅骨窗，消除了驱动对流脑脊液流量的压力梯度。后来，在一系列优雅的研究中，杰拉尔德·迪内尔（Gerald Dienel）发现，包括乳酸在内的葡萄糖代谢物在大脑激活期间迅速大量释放[129,130]. 最有趣的是，葡萄糖的代谢物或类似分子量的示踪剂后来可以在血管周围间隙和颈部淋巴结中发现。因此，杰拉尔德·迪内尔（Gerald Dienel）的工作令人信服地将血管周围空间确定为清除代谢废物的途径。布拉德伯里研究小组更古老的研究表明，后来注入脑实质的放射性标记示踪剂可以在嗅球和颈部淋巴管中发现[123].

未来展望

越来越多的证据表明，与年龄相关的glymphatic清除率下降在很大程度上有助于蛋白质聚集的积累。在老年小鼠中，糖脂活性降低了80-90%，几项证据表明β-淀粉样蛋白和tau通过糖脂系统离开大脑[84,121]. 此外，David Holtzman的研究证明，脑脊液中β淀粉样蛋白的浓度遵循人类睡眠周期[131]. 因此，迫切需要开发一种能够识别早期糖脂清除率下降患者的糖脂活性诊断测试。使用相同的逻辑，对创伤性脑损伤患者的glymphatic活性进行评估，可以确定glymphatic清除受到最严重抑制的患者，从而确定患有慢性创伤性脑病的高危人群。Helene Benveniste的团队在开发基于MRI扫描的glymphatic诊断测试方面取得了进展。通过将造影剂输送到大池，可以实时跟踪整个大脑中CSF的运动[69]. 在大鼠身上进行的这些观察证实并扩展了脑内存在glymphatic系统的概念。特别是MRI分析显示，垂体和松果腺凹陷这两个关键节点的快速内流动力学[69]. 有趣的是，这两个区域都参与了睡眠-觉醒周期的调节[132,133]. 这些使用对比增强MRI的研究为评估人脑中的glymphatic通路功能提供了实验基础，并在未来评估脑脊液流动的失败是否有助于阿尔茨海默病的进展。因此，开发一种安全且微创的成像方法来可视化glymphatic功能对于未来的翻译工作是必要的。在这方面值得注意的是，随后的分析表明，在临床脊髓造影研究中常规使用的鞘内腰椎注射为评估胃肠功能的基本参数提供了一种可行的替代途径[134]. 由于鞘内注射造影剂已被批准用于研究自发性颅内低血压和脑脊液鼻漏治疗患者的脑脊液流量，预计将很快发表对人体泌乳系统的首次研究[135,136].

未来的研究重点是glymphatic系统，预计将确定对流脑脊液通量的功能，而不仅仅是清除代谢废物。我们最近发现，脂肪族内流可以作为脂质的分配系统[64]和葡萄糖[137]我们推测，脂肪族内流为电解质、大分子和其他较大化合物的分布提供了一条基本途径，这些化合物主要通过脉络丛的血-CSF屏障进入大脑。同样，glymphatic系统也可以作为药物（包括癌症药物）在大脑中的传递和分配途径[138]. 此外，我们预计脉络丛产生的生长因子以及位于心室系统附近的几个脑干细胞核释放的神经调节剂，通过淋巴系统在中枢神经系统中广泛分布。因此，体积传递除了从局部神经末梢微观释放神经调节剂，然后进行局部扩散外，还可能涉及通过glymphatic系统的宏观对流CSF通量的循环。

致谢

脚注

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