黃科儒 綜述 周良學(xué) 陳亞星 審校

(四川大學(xué)華西醫(yī)院神經(jīng)外科，四川 成都 610041)

腦脊液(Cerebrospinal fluid,CSF)是一種無色透明液體，占據(jù)整個(gè)蛛網(wǎng)膜下腔、腦室系統(tǒng)和椎管蛛網(wǎng)膜下腔，保護(hù)中樞神經(jīng)系統(tǒng)(Central nervous system,CNS)免受顱骨外沖擊并維持CNS代謝[1]。100年前，Dandy根據(jù)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的結(jié)果建立了經(jīng)典腦脊液循環(huán)理論，認(rèn)為腦脊液由腦室脈絡(luò)叢(Choroid plexus，CP)產(chǎn)生(圖1)，流經(jīng)一些特殊的孔道，從而進(jìn)入相鄰的腦室和蛛網(wǎng)膜下腔，然后通過蛛網(wǎng)膜顆粒吸收進(jìn)入靜脈竇[1-2]。這一理論長期以來一直主導(dǎo)著人們對腦脊液正常循環(huán)的理解，也是對腦脊液循環(huán)障礙進(jìn)行解釋的唯一理論依據(jù)。然而，隨著解剖學(xué)的發(fā)展和新示蹤技術(shù)的出現(xiàn)，更多關(guān)于腦脊液分泌和吸收的機(jī)制和途徑不斷被發(fā)現(xiàn)，如腦膜淋巴管、類淋巴系統(tǒng)等。這些新發(fā)現(xiàn)對腦脊液循環(huán)的經(jīng)典理論有了重大的補(bǔ)充和修正，但尚未融合成一個(gè)新的被廣泛接受的腦脊液循環(huán)理論。因此，我們總結(jié)了近年來關(guān)于腦脊液循環(huán)機(jī)制的新發(fā)現(xiàn)，以期將來能更好地理解腦脊液病理生理學(xué)的新理論。

圖1 腦室系統(tǒng)及脈絡(luò)叢示意圖Figure 1 Schematic diagram of the ventricular system and choroid plexus

1 腦脊液的分泌

近年來在CP上皮的頂端和基部發(fā)現(xiàn)了許多離子和水轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，為腦脊液主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)而非單純被動(dòng)過濾形成提供了分子生物學(xué)基礎(chǔ)。 Praetorius[3]回顧了這些轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的位置和功能，并提出了關(guān)于脈絡(luò)膜上皮主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)而參與形成腦脊液的新觀點(diǎn)?，F(xiàn)在，最常見的離子轉(zhuǎn)運(yùn)體和通道如Na+-K+ATPase， Na+-2Cl--K+協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，Na+-HCO3-協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白， Na+通道， K+通道，以及AQP1等6種，而這些轉(zhuǎn)運(yùn)體及通道在參與濃縮和稀釋尿液的腎小管上皮細(xì)胞膜上也大量表達(dá)。這些轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)導(dǎo)致了血漿和腦脊液之間的滲透壓差異，從而相應(yīng)調(diào)節(jié)了腦脊液的流動(dòng)。最近確定的CP上轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，例如可能參與 CSF PH值調(diào)節(jié)的Cl-/H+交換體ClC-7、Na+-HCO3-協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白 NBCe2和Na+/H+交換體 NHE6，加深了我們對腦脊液形成及成分差別的理解[4-5]?；谏鲜霭l(fā)現(xiàn)，腦脊液的分泌機(jī)制可能類似于尿液濃縮和稀釋。在某些病理情況下，某些轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白或離子通道的功能可能會(huì)受到干擾，從而導(dǎo)致分泌的異常，常表現(xiàn)為分泌過多(圖2)。例如，大鼠 IVH 模型中炎癥可能導(dǎo)致一種 Na+-K+-2Cl-協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白 NKCC1 過度磷酸化，并導(dǎo)致 CSF 在炎癥刺激下過度分泌，其特異性拮抗劑布美他尼(一種袢利尿劑)可以顯著緩解CSF的過度分泌并防止腦室擴(kuò)張[6]。胰高血糖素樣肽-1 受體 (Glucagon-like peptide-1 receptor ，GLP-1R) 激動(dòng)劑exendin-4通過抑制CP 上皮細(xì)胞上的 Na+-K+ATP酶的活性來減少腦脊液分泌并降低顱內(nèi)壓[7]。對CP上離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白功能的研究為治療腦積水等腦脊液相關(guān)疾病提供了新的靶點(diǎn)。

圖2 腦脊液與組織間液交換示意圖Figure 2 Schematic diagram of the exchange of cerebrospinal fluid and interstitial fluid

越來越多的研究披露了關(guān)于CP在衰老、阿爾茨海默病和腦積水等臨床疾病中所起作用的機(jī)制。Vandenbroucke[8]指出脈絡(luò)叢的功能障礙將改變腦脊液的分泌、轉(zhuǎn)運(yùn)、免疫和屏障功能，這在與年齡相關(guān)的疾病如阿爾茨海默病中發(fā)揮重要作用。

2 腦脊液流通動(dòng)力學(xué)

2.1 從單向到雙向流動(dòng) 經(jīng)典腦脊液循環(huán)理論認(rèn)為腦脊液是循壓力梯度進(jìn)行單向流動(dòng)，即側(cè)腦室經(jīng)門羅氏孔入三腦室，匯合其產(chǎn)生的腦脊液經(jīng)中腦導(dǎo)水管進(jìn)入四腦室，接納四腦室腦脊液后經(jīng)正中孔和側(cè)孔流出進(jìn)入蛛網(wǎng)膜下腔循環(huán)被吸收。但是后續(xù)研究證實(shí)腦脊液以循環(huán)往復(fù)的雙向“潮汐樣”方式運(yùn)動(dòng)，能向腦室和蛛網(wǎng)膜下腔方向雙向運(yùn)動(dòng)。

2.2 運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力及影響因素 經(jīng)典理論認(rèn)為腦脊液流動(dòng)的主要驅(qū)動(dòng)力來自脈絡(luò)叢的搏動(dòng)，類似于一個(gè)水泵[9]。CP的搏動(dòng)建立起了壓力梯度并沿著 CSF 流動(dòng)途徑迫使其流動(dòng)。 此外，呼吸運(yùn)動(dòng)已被證明是推動(dòng)腦脊液流動(dòng)的另一個(gè)重要的動(dòng)力來源。最近的一項(xiàng)研究認(rèn)為呼吸是人腦脊液流動(dòng)的最重要驅(qū)動(dòng)力，而非心臟搏動(dòng)，這又是一個(gè)新的理論的提出，還需要更進(jìn)一步的驗(yàn)證[10]。另外，腦實(shí)質(zhì)和血管壁的順應(yīng)性也影響著腦脊液的流量，順應(yīng)性越差，腦脊液運(yùn)動(dòng)越差。

除外上述宏觀結(jié)構(gòu)外，室管膜上皮在驅(qū)動(dòng)腦脊液流動(dòng)方面也發(fā)揮了重要作用，其理論基礎(chǔ)在于掃描電鏡可以顯示室管膜上皮腦室表面具有大量纖毛。這些纖毛以特定的節(jié)奏和方向擺動(dòng)，從而使得腦室中的腦脊液流動(dòng)。迄今為止，許多纖毛相關(guān)基因如Jhy、Daple、Ccdc39被證實(shí)，這些基因的出現(xiàn)缺陷會(huì)影響腦室中的腦脊液的有向運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致嚴(yán)重的先天性腦積水[11-13]。這些結(jié)果表明對于纖毛的保護(hù)和修復(fù)可能是預(yù)防和治療腦積水的另一種新策略。

3 腦脊液吸收

3.1 腦脊液循環(huán)理論 在經(jīng)典的腦脊液循環(huán)理論中，腦室CP產(chǎn)生的腦脊液依次通過門羅氏孔、中腦導(dǎo)水管、第四腦室中間孔和側(cè)孔進(jìn)入蛛網(wǎng)膜下腔，大部分腦脊液經(jīng)蛛網(wǎng)膜顆粒流入靜脈竇[14]。蛛網(wǎng)膜顆粒對腦脊液的吸收被認(rèn)為是一種被動(dòng)的吸收方式，主要受靜水壓的影響。在蛛網(wǎng)膜顆粒的中心，有一個(gè)由膠原纖維小梁構(gòu)成的通道網(wǎng)絡(luò)，CSF通過壓力依賴的方式通過這些通道進(jìn)入血液。蛛網(wǎng)膜顆粒也存在于硬脊膜中，即使如此，實(shí)驗(yàn)證實(shí)這些位置的蛛網(wǎng)膜顆粒依然具備吸收腦脊液的能力。在蛛網(wǎng)膜下腔出血、腦膜炎等病理情況下，蛛網(wǎng)膜下腔出現(xiàn)大面積纖維化和蛛網(wǎng)膜肉芽，此時(shí)蛛網(wǎng)膜下腔的腦脊液不能順利流到蛛網(wǎng)膜顆粒處，也就不能被吸收進(jìn)入靜脈竇從而引發(fā)腦積水，因此限制纖維化被認(rèn)為是治療繼發(fā)性腦積水的一種方法。然而這一經(jīng)典的腦脊液吸收理論現(xiàn)在面臨著挑戰(zhàn)。

3.2 腦脊液新的吸收部位及途徑 隨著分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展和檢測手段的進(jìn)步，特別是熒光示蹤劑的使用，新的吸收途徑不斷被發(fā)現(xiàn)，如類淋巴系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)、腦膜淋巴管的確認(rèn)、神經(jīng)根、鼻咽部的黏膜等，極大豐富了腦脊液吸收途徑[15]。本文重點(diǎn)介紹類淋巴系統(tǒng)、腦膜淋巴管、神經(jīng)根等吸收途徑。

4 中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)的淋巴系統(tǒng)

2015年Louveau等[16]首先證實(shí)了硬腦膜中存在淋巴管，這成為一個(gè)具有劃時(shí)代意義的事件。他們發(fā)現(xiàn)了沿靜脈竇平行分布的淋巴結(jié)構(gòu)，而 Evans blue 和 QDot655 等熒光示蹤劑可以被這些淋巴管吸收，證實(shí)了硬膜淋巴管引流了CSF。同年，Aspelund等[17]也報(bào)道了硬腦膜中的相同結(jié)構(gòu)。隨后Martina首次報(bào)道了通過MRI完成了對人硬膜淋巴管的無創(chuàng)可視化[18]，為研究神經(jīng)系統(tǒng)疾病提供了新途徑和視角。在發(fā)育模型中，硬膜淋巴管從顱底開始延伸至上矢狀竇及橫竇，最后淋巴管與上矢狀竇一同向嗅球延伸。這些淋巴結(jié)構(gòu)可能與腦脊液的吸收、引流均有關(guān)，并將小分子物質(zhì)從CNS中排出，協(xié)助免疫細(xì)胞循環(huán)[19]，為腦積水和阿爾茲海默癥等中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的病因?qū)W研究提供了新的思路。眾所周知，淀粉樣蛋白β(Amyloid beta ，Aβ)與阿爾茲海默癥密切相關(guān)[20-21]，有研究發(fā)現(xiàn)，腦膜淋巴管受損后可能會(huì)導(dǎo)致Aβ的異常蓄積，這可能是一個(gè)可干預(yù)的重要發(fā)病因素[19]。在tau蛋白的清除過程中有學(xué)者發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象， Tau蛋白在中樞神經(jīng)系統(tǒng)淋巴功能障礙的小鼠大腦中異常增多，其向外周的清除過程也很緩慢[22]。在一項(xiàng)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，已確定促進(jìn)硬膜淋巴管生長可加快Aβ在顱內(nèi)的清除速度[23]。因此，腦膜淋巴管可能是一個(gè)新的神經(jīng)退行性疾病治療靶點(diǎn)。

在帕金森病的病理過程中，通過動(dòng)態(tài)MRI也發(fā)現(xiàn)了硬膜淋巴管引流量減少，這可能與特發(fā)性帕金森病的病理機(jī)制息息相關(guān)[24]。除此之外，通過對顱內(nèi)小分子物質(zhì)清除過程的研究，當(dāng)腦膜淋巴管功能障礙時(shí)，可導(dǎo)致帕金森病的α-syn在老鼠體內(nèi)同樣會(huì)大量增加[25]。

除了神經(jīng)退行性疾病之外，腦膜淋巴管同樣在創(chuàng)傷性顱腦損傷中起著關(guān)鍵作用，創(chuàng)傷性顱腦損傷發(fā)生后將導(dǎo)致顱內(nèi)壓升高，并激發(fā)神經(jīng)炎癥，均會(huì)嚴(yán)重?fù)p傷腦膜淋巴管的功能[26]。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證明，先天性的腦膜淋巴管功能障礙和損傷后獲得性的功能下降均會(huì)參與到創(chuàng)傷性顱腦損傷病理機(jī)制中。這提示腦膜淋巴管可能是創(chuàng)傷性顱腦損傷治療的新目標(biāo)。

隨著對腦膜淋巴管認(rèn)識的不斷深入，有學(xué)者探索了其與腦腫瘤之間的關(guān)聯(lián)。通過對腦膜淋巴管上皮細(xì)胞分析，發(fā)現(xiàn)其與外周淋巴系統(tǒng)在功能上保持一致，可以加速液體排泄，傳遞免疫細(xì)胞并發(fā)揮抗腫瘤效果[27]。

除了對硬膜上的淋巴器官探索，在顱神經(jīng)包膜上同樣發(fā)現(xiàn)了淋巴脈管系統(tǒng)。Ma等[28]學(xué)者使用高分標(biāo)率立體顯微鏡與近紅外示蹤劑向結(jié)合的辦法，發(fā)現(xiàn)注入到淋巴報(bào)告鼠側(cè)腦室的示蹤劑沿著顱神經(jīng)周圍穿出顱骨并很快到達(dá)了淋巴結(jié)。

受啟發(fā)于上述關(guān)于腦膜淋巴管的發(fā)現(xiàn)，類似于“淋巴團(tuán)塊”樣結(jié)構(gòu)也被發(fā)現(xiàn)，有學(xué)者稱為“CAG-like dural gap (CAG-LDG)”，其結(jié)構(gòu)類似于蛛網(wǎng)膜顆粒，并于SSS附近的硬膜上。這一結(jié)構(gòu)可能參與了CSF的硬膜外排泄途徑[29]。

5 類淋巴系統(tǒng)

在2015年報(bào)道發(fā)現(xiàn)腦膜淋巴管之前，已有研究發(fā)現(xiàn)分子示蹤劑在注射進(jìn)腦實(shí)質(zhì)后蛛網(wǎng)膜下腔后可以在腦血管周圍被發(fā)現(xiàn)[30]。2012年Jeffrey通過雙光子顯微鏡發(fā)現(xiàn)CSF沿著血管周圍流動(dòng)，并認(rèn)為蛛網(wǎng)膜下腔腦脊液和組織間液之間通過AQP4介導(dǎo)，存在物質(zhì)交換，這一機(jī)制被稱之為膠質(zhì)淋巴循環(huán)，因其功能類似于淋巴系統(tǒng)，學(xué)者將其命名為類淋巴系統(tǒng)[28]。在一些文章中，這一血管周圍間隙與蛛網(wǎng)膜下腔相連，并被命名為Virchow-robin space[31]。在類淋巴系統(tǒng)中，毛細(xì)血管的周圍間隙的ISF與蛛網(wǎng)膜下腔的CSF的進(jìn)行深度交換，與組織液同血漿的交換類似：在毛細(xì)血管網(wǎng)中，ISF自動(dòng)脈側(cè)從血管中流出并與CSF混合與交換，此后CSF再流入靜脈附近的Virchow-robin space，在此過程中，CSF由心臟搏動(dòng)所驅(qū)動(dòng)。ISF與CSF的混合和流動(dòng)被認(rèn)為是發(fā)生物質(zhì)交換和廢物排泄的主要方式(圖3)。關(guān)于類淋巴系統(tǒng)中液體流入和流出的詳細(xì)機(jī)制尚未完善闡述清楚，但目前已有的證據(jù)提示動(dòng)脈搏動(dòng)和順應(yīng)性的降低將會(huì)影響類淋巴系統(tǒng)的液體流入減少；此外，衰老也引發(fā)類淋巴系統(tǒng)的功能逐漸減退，因此這種混合流動(dòng)的量也隨之減少，即物質(zhì)交換減少，從而導(dǎo)致代謝產(chǎn)物蓄積，可引發(fā)相關(guān)疾病。

圖3 類淋巴系統(tǒng)示意圖Figure 3 Diagram of the glymphoid system

類淋巴系統(tǒng)的ISF與CSF之間的物質(zhì)交換，AQP4在此過程中起著重要作用[32]。AQP4在星型膠質(zhì)細(xì)胞的足突末端分布密集[33]，有學(xué)者描繪出了類淋巴系統(tǒng)的發(fā)育過程，確定了這些血管周圍CSF轉(zhuǎn)運(yùn)體的作用，即組織間液可通過星形細(xì)胞頂端的AQP4主動(dòng)或者被動(dòng)快速運(yùn)輸，從星型膠質(zhì)細(xì)胞足突端被轉(zhuǎn)運(yùn)至血管周圍間隙，繼而與腦脊液發(fā)生交換，進(jìn)而隨著腦脊液到達(dá)他處[34]。研究報(bào)道發(fā)現(xiàn)，阿爾茲海默癥，特發(fā)性正常顱壓腦積水(iNPH)和MS神經(jīng)退行性疾病及神經(jīng)炎癥性疾病均可能與類淋巴系統(tǒng)有關(guān)，其中AQP4被認(rèn)為至關(guān)重要[31,35-36]。在類淋巴系統(tǒng)清除淀粉樣蛋白過程中，將受到引流量和去極化的AQP4共同影響[37]。類淋巴系統(tǒng)功能障礙會(huì)導(dǎo)致Aβ在腦實(shí)質(zhì)中的累積，反過來，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)顯示Aβ的沉積又會(huì)反過來導(dǎo)致類淋巴結(jié)構(gòu)功能受損[38]。

iNPH是另一種常見的神經(jīng)退行性疾病，其與多種癡呆如阿爾茲海默癥在臨床特點(diǎn)和病理上近似，其病因也可能與類淋巴系統(tǒng)和/或腦膜淋巴管有關(guān)。通過注射造影劑后行MRI檢測同樣觀察到了類淋巴系統(tǒng)的清除功能下降[35]。有趣的是，AQP4在一般的腦積水中均增加，而在iNPH中AQP4卻減少。除此之外，通過類似的影像學(xué)方法也在蛛網(wǎng)膜下腔出血和出血性腦卒中急性期后均可觀察到類淋巴系統(tǒng)受到了嚴(yán)重?fù)p害[39]。據(jù)報(bào)道，TBI后類淋巴系統(tǒng)功能可下降60%[40]。在2型糖尿病模型鼠中，不僅發(fā)現(xiàn)類淋巴系統(tǒng)受到損害并與認(rèn)知功能障礙高度相關(guān)[41]。

CSF不僅通過類淋巴系統(tǒng)進(jìn)入大腦和脊髓中，腦膜淋巴管從相鄰的蛛網(wǎng)膜下腔及通過類淋巴系統(tǒng)自腦實(shí)質(zhì)中重吸收CSF，將其排出至身體外周的淋巴系統(tǒng)中，且其吸收與排除可存在動(dòng)態(tài)變化，也可能受到晝夜節(jié)律影響[42]。研究發(fā)現(xiàn)，單一個(gè)體中腦脊液的流動(dòng)和代謝廢物的清除是動(dòng)態(tài)變化的，睡眠期間類淋巴系統(tǒng)功能增強(qiáng)，清醒時(shí)腦脊液向淋巴結(jié)的引流增加[43]。類淋巴功能和腦脊液引流的晝夜變化與星形膠質(zhì)細(xì)胞足突末端上極化的AQP4晝夜節(jié)律相吻合。上述新理論/觀點(diǎn)對中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的影響總結(jié)見表1。盡管如此，顱內(nèi)腦膜/類淋巴系統(tǒng)與外周淋巴系統(tǒng)是如何在 ISF、CSF、CNS 介導(dǎo)的炎癥分子及變化，以及免疫細(xì)胞是如何從 CNS引流到外周淋巴結(jié)中發(fā)揮作用，均尚不清楚，進(jìn)一步的研究將會(huì)改變我們關(guān)于中樞神經(jīng)系統(tǒng)免疫豁免和排泄機(jī)制的理解[44]。

表1 腦淋巴系統(tǒng)及類淋巴系統(tǒng)總結(jié)Talbe 1 Cerebral lymphatic system and glymphoid system summary

6 展望

經(jīng)典的腦脊液循環(huán)理論已經(jīng)建立了100多年，這個(gè)理論仍然主導(dǎo)著人們對腦脊液循環(huán)的理解，但該理論無法很好地解釋腦脊液循環(huán)障礙的許多臨床問題。隨著各種先進(jìn)示蹤技術(shù)的出現(xiàn)和解剖學(xué)研究的深入，許多新的發(fā)現(xiàn)不斷涌現(xiàn)，涉及到腦脊液的分泌、運(yùn)動(dòng)、吸收的各個(gè)環(huán)節(jié)，腦脊液循環(huán)的新理論正在逐步形成。然而，腦脊液循環(huán)的機(jī)制遠(yuǎn)未完全揭示，其循環(huán)障礙如多種腦積水病因、發(fā)生發(fā)展等仍不清楚，找尋非占位病變所致梗阻性腦積水的診斷及預(yù)后的分子標(biāo)志物，是否能夠利用現(xiàn)有的發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)新的無創(chuàng)治療手段，以及受損的結(jié)構(gòu)及功能的修復(fù)等仍困擾著我們，系統(tǒng)、深入的基礎(chǔ)和臨床研究有望完全闡釋其機(jī)制，并為腦脊液障礙疾病的臨床治療提供新的思路。如結(jié)合近年關(guān)于腦脊液吸收新途徑的發(fā)現(xiàn)可知道臨床實(shí)踐中神經(jīng)內(nèi)鏡治療腦積水過程中改變一定的手術(shù)方式，通過在斜坡后方打開蛛網(wǎng)膜下腔及硬膜下間隙的方式加強(qiáng)腦脊液從神經(jīng)根、顱底硬腦膜等路徑的吸收，為臨床治療腦積水提供新的理論依據(jù)，并有可能在此基礎(chǔ)之上再次改良手術(shù)方式或者創(chuàng)造完全獨(dú)立的新術(shù)式。在基礎(chǔ)科研部分，可以通過采用合適的淋巴示蹤劑一方面加強(qiáng)我們對于腦脊液循環(huán)的理解，并以此探索與外周淋巴系統(tǒng)的相似性，從而在機(jī)制與功能兩方面進(jìn)一步探討顱內(nèi)淋巴管所起作用，并可以此衍生出各類神經(jīng)系統(tǒng)疾病治療新靶點(diǎn)。