Роль глимфатического клиренса в механизмах связи цикла «сон—бодрствование» и развития нейродегенеративных процессов

Глимфатический клиренс представляет собой путь выведения жидкости и метаболитов из головного мозга, недавно идентифицированный у грызунов, который претендует на роль центрального механизма внесосудистого транспорта в головном мозге для веществ, не способных преодолеть гематоэнцефалический барьер (ГЭБ). Этот путь обеспечивает поступление цереброспинальной жидкости (ЦСЖ) в головной мозг по артериальным периваскулярным пространствам и оттуда в интерстиций головного мозга, чему способствуют водные каналы аквапорина 4-го типа (AQP-4). Далее глимфатическая система, согласно гипотезе, направляет жидкостные потоки к венозным периваскулярным и перинейрональным пространствам, в конечном счете выводя растворенные вещества, в том числе метаболиты, амилоидные протеины в лимфатические дренажные сосуды. В экспериментах на животных, а также в теоретических сетевых моделях показано, что глимфатический путь в основном активен во время сна, когда клиренс вредных метаболитов и патогенных молекул увеличивается в 2 раза по сравнению с состоянием бодрствования [1—5].

Изучение фундаментальных процессов, лежащих в основе старения и нейродегенеративных заболеваний (НДЗ), в частности роли глимфатического клиренса, с использованием современных экспериментальных и клинико-диагностических методов нейровизуализации и моделирования актуализировано необходимостью поиска новых знаний о молекулярных механизмах их развития и последующего перевода достигнутого опыта в практическое применение.

Цель обзора — систематизировать ключевые аспекты и научные данные последних исследований о роли глимфатического пути и астроглиального AQP-4 как его основной детерминанты в поддержании гомеостатической циркуляции жидкости в мозге в норме и патологии, в частности в связи с регулирующей ролью цикла «сон—бодрствование» и при развитии НДЗ.

Болезнь Альцгеймера (БА), основным клиническим проявлением которой является деменция, и болезнь Паркинсона как преимущественно двигательное расстройство нервной системы являются наиболее распространенными НДЗ человека. Данными патологиями страдают более 50 млн человек во всем мире, при этом подавляющее большинство случаев заболеваний носит спорадический характер. Большинство НДЗ связано с нарушением процессинга и агрегацией специфических белков и формированием их нерастворимых фибриллярных форм, поэтому рассматривается как конформационные болезни или протеинопатии [6—8]. Патологические белки, первоначально связанные с конкретным заболеванием, в последующем обнаруживаются вовлеченными во многие нейродегенеративные процессы, что подтверждает существование общих путей в патогенезе таких заболеваний. В числе таких протеинов в первую очередь стоит отметить бета-амилоид (Aβ-амилоид), α-синуклеин, тау-протеин и неамилоидные белки TDP-43 и FUS, клиренс которых из ткани головного мозга нарушается при нейродегенерации и нейровоспалении. Возраст оказывает прямое влияние на прогрессирование гетерогенной группы НДЗ и также играет косвенную роль с учетом сопутствующих заболеваний, поэтому считается наиболее важным немодифицируемым фактором риска их развития [8—13].

Гидродинамика и обмен между ЦСЖ и интерстициальной жидкостью, а также их состав изменяются с возрастом мозга и состоянием здоровья, а также при хронических расстройствах сна. Сложная система циркуляции жидкости и клиренса продуктов метаболизма из мозговой паренхимы в норме не только поддерживает здоровье головного мозга, но и играет важную роль в патогенезе многих заболеваний [3, 12, 14—18]. Периваскулярные пространства в головном мозге образуют сложную сеть коммуникационных каналов вокруг церебральных кровеносных сосудов и капилляров, которые служат путями для движения и обмена между ЦСЖ и интерстициальной жидкостью, а также для удаления продуктов метаболизма из головного мозга [10, 19—22]. Так называемый глимфатический путь представляет собой глиально-опосредованную высокоорганизованную систему транспорта жидкости, и с недавнего времени рассматривается в качестве центральной системы клиренса в головном мозге как у животных, так и у человека. Для изучения и подтверждения ключевых особенностей функционирования глимфатической системы исследователи [1, 2, 16, 23—25] использовали МРТ с динамическим контрастным усилением, что позволило визуализировать параартериальный приток и обмен жидкостей. Введенное непосредственно в паренхиму мозга контрастное вещество, смешиваясь с интерстициальной жидкостью, в дальнейшем поступает в параваскулярные пространства, при этом скорость такой элиминации достаточно высока и не может быть объяснена простой диффузией. Рассмотрение определенных механизмов транспорта веществ из межклеточных пространств способствовало открытию, что значительная часть ЦСЖ проникает в ткань мозга периваскулярным путем и таким же образом происходит ее удаление. Астроглия, окружая своими окончаниями сосуды головного мозга, формирует своеобразную муфту, которая дополнительно отграничивает кровеносное русло от нейронов. Отростки астроцитов окружают синапсы и покрывают как относительно открытые периваскулярные пространства, окружающие проникающие сосуды, так и базальную мембрану и внеклеточный матрикс, окружающие микрососуды в глубине паренхимы. Таким образом, при проникновении пиальных сосудов вглубь вещества мозга вокруг них образуется периваскулярное пространство, заполненное ЦСЖ. Периваскулярные пространства оказывают незначительное сопротивление потоку и связаны с субарахноидальными пространствами, из которых ЦСЖ быстро перемещается в глубинные отделы мозга за счет пульсации артериальных сосудов [22, 26, 27].

Полученные в последнее десятилетие данные свидетельствуют, что глимфатическая система играет важную роль в норме и патогенезе неврологических заболеваний, поддерживая гомеостатическую циркуляцию жидкости в мозге. Еще до начала клинических проявлений генез нейродегенеративного процесса включает самоагрегацию белка под влиянием различных физико-химических факторов, напрямую способствующих его сборке, и постепенное его накопление. Одновременно сниженный транспорт жидкости и нарушение глимфатического клиренса не только увеличивают локальную концентрацию амилоидов, но и повышают риски их последующей агрегации. При этом отмечено, что при изучении глимфатического пути движения трассеров из ЦСЖ он соответствует пространственному распределению паттернов образования фибриллярных форм [26, 28—30].

При транспорте жидкости через паренхиму головного мозга разнородные факторы, в частности размер растворенных веществ, связывание лиганда с рецепторами, агрегация белков, расстояние переноса молекул, оказывают существенное влияние на гидродинамику и обмен между ЦСЖ и интерстициальной жидкостью. При этом основная функция в сложной системе циркуляции жидкости и клиренса продуктов метаболизма связана с экспрессией водных каналов AQP-4, наибольшая концентрация которых отмечается на концевых областях отростков (ножках) астроцитов [31, 32]. Астроциты необходимы для поддержания функций ГЭБ и глимфатического клиренса. Концы астроцитов прикреплены к стенке церебральных сосуда, и между эндотелиоцитами и паренхимой мозга может происходить обмен питательными веществами. По сути астроциты являются ключевыми компонентами не только глии, но и сосудистого русла, и имеют решающее значение для целостности ГЭБ. Астроциты высвобождают ряд биологически активных веществ, включая цитокины и нейротрофические факторы (TGF-β, фактор роста фибробластов-β, IL-6), экспрессируют транспортные белки и рецепторы, в частности водный канал AQP-4. Тесная корреляция между этим белком и глимфатической функцией была получена в исследованиях на мышах с выключенным геном AQP-4, при этом делеция водного канала у таких мышей значительно усугубляет дисфункцию глимфатического клиренса и внутринейрональное накопление амилоидных белков [33—34].

AQP-4, являющийся посредником для транспорта воды в клетках и тканях, представляет собой трансмембранный двунаправленный водный канал. AQP-4 локализуется преимущественно в периваскулярных концах астроцитов благодаря своей ассоциации с дистрофин-ассоциированным комплексом. В соответствии с диаметром церебральных сосудов площадь астроцитарных окончаний также различается, что наиболее выражено в артериальной сосудистой сети. Предполагается, что таким образом поддерживается относительно постоянный глимфатический поток, несмотря на изменение давления на всем протяжении цереброваскулярной системы. При участии AQP-4 в ответ на осмотические стимулы объем астроцитов, в частности их концевых отделов, изменяется, что может быть одним из способов динамической регуляции периваскулярного обмена. Недавние исследования показали, что динамическая транслокация астроглиального AQP-4 из внутриклеточных везикул на плазматическую мембрану отвечает за гомеостаз воды в норме и при патологии, при этом фармакологическое ингибирование водного канала способствует формированию отека [31, 35—37]. Считается, что ключевая роль AQP-4 заключается именно в облегчении движения растворенных веществ и электролитов, и в меньшей степени в качестве истинно водного канала для реализации потока жидкости (воды) между периваскулярным пространством и интерстицием [38].

Исследования показывают, что у мышей, лишенных AQP-4, наблюдается снижение притока ЦСЖ на 70% и паренхиматозного клиренса меченого радиоактивным йодом¹²⁵ Aβ-амилоида на 55%. У старых мышей по сравнению с молодыми клиренс введенного амилоида нарушен на 40%, что сопровождается снижением периваскулярной поляризации AQP-4 вдоль перфорирующих артерий и прогрессивным снижением эффективности мозговой гидродинамики растворенных веществ в стареющем головном мозге. Тау-протеин, который способен распространяться от нейрона к нейрону через внеклеточное пространство посредством прионоподобного механизма, также является субстратом клиренса через глимфатический путь. В мышиных моделях таупатии выявлено нарушение глимфатического обмена, при этом фармакологическое блокирование AQP-4 приводит к снижению выведения тау-белка, что обнаруживает терапевтическую направленность AQP-4 как мишени для глимфатической модуляции при таупатиях. Результаты доклинических исследований позволяют предположить, что нормальное функционирование глимфатического пути существенно влияет на клиренс амилоидогенных белков у человека [1—3, 28, 29, 39—42].

Периваскулярная локализация AQP-4 снижена у пациентов с подтвержденными НДЗ, при этом ассоциированная с возрастом потеря необходимой локализации AQP-4 приводит к ухудшению состояния и стадии болезни. При посмертном иммуногистохимическом исследовании пациентов с БА было установлено нарушение экспрессии AQP-4, аналогично таковой у стареющих мышей [43]. Так, общая иммунореактивность и, соответственно, количество молекул AQP-4 увеличивались с возрастом, при этом полярность транспортного белка сохранялась только у когнитивно здоровых пожилых людей, в то время как потеря периваскулярного AQP-4 коррелировала с клинически подтвержденными случаями БА и тяжестью заболевания. Обсуждается, что потеря поляризации AQP-4 и нарушение его динамического перераспределения изменяют синаптическую активность и функцию астроцитов, а в последующем способствуют развитию нейродегенерации и эндотелиальной дисфункции у людей [12]. Прижизненные уровни AQP-4 в ЦСЖ значительно выше у пациентов с НДЗ по сравнению с контролем, и коррелируют с концентрацией тау-протеина. Это может быть как следствием реактивного астроглиоза, что индуцирует повышенную экспрессию водного канала, так и результатом нарушения белковой селективности астроцитов и уменьшения скорости глимфатического обмена, для гомеостатического восстановления которого требуется сверхэкспрессия AQP-4 [44]. Остается открытым вопрос, является ли процесс нарушенной локализации AQP-4 следствием накопления амилоидогенных белков или патология AQP-4 вызывает накопление таких протеинов за счет снижения глимфатического клиренса, что требует дальнейшего изучения.

Цикл «сон—бодрствование» значительно меняется на протяжении всего процесса развития и старения, при этом нарушение сна является общей чертой многих НДЗ. Исследования показывают, что нарушение сна может быть не просто признаком старения мозга, но и фактором уязвимости стареющего мозга перед развитием нейродегенеративных процессов. Качество и структура сна претерпевают возрастные изменения. Так, при старении уменьшается доля глубокого медленного сна, при этом значительно преобладают поверхностные стадии. Даже кратковременные периоды потери сна имеют долгосрочные последствия, например нарушения консолидации памяти и других когнитивных функций. Депривация сна приводит к уменьшению числа дендритных шипиков и синаптических белков в области гиппокампа, отложению аномальных белков, активации астроцитов и микроглии как основного источника секреции провоспалительных цитокинов в головном мозге; молекулярные механизмы нарушений мозга, вызванных изменениями в цикле «сон—бодрствование», продолжают изучаться [45—49].

Предполагается, что глимфатический клиренс регулируется циклом «сон—бодрствование», поскольку движение индикаторов ЦСЖ через мозговую ткань происходит быстрее в спящем и анестезированном мозге по сравнению с бодрствующим. Аналогичным образом клиренс интерстициальных растворенных веществ, включая β-амилоид, происходит быстрее в период сна. Естественный сон связан с увеличением размера интерстициального пространства, что в свою очередь способствует увеличению обмена ЦСЖ с интерстициальной жидкостью и клиренсу макромолекул. Так, исследования на мышах выявили удвоение глимфатического клиренса радиоактивно меченных амилоидогенных белков во время сна по сравнению с состоянием бодрствования. Глимфатическая система не просто более эффективна во время естественного сна, гидродинамика через этот путь демонстрирует ежедневные колебания и находится под циркадианным контролем. Предполагается, что AQP-4 определеным образом поддерживает этот ритм, а его периваскулярная поляризация наиболее выражена в период сна. Более того, делеция AQP-4 у мышей устраняет разницу между днем и ночью как в глимфатическом притоке, так и в оттоке жидкости. В исследованиях на людях показано, что низкое качество сна является фактором риска снижения когнитивных функций и развития деменции. Прогрессирование нейродегенеративного процесса у пожилых людей может объясняться возрастными нарушениями в цикле «сон—бодрствование», когда измененная архитектура и глубина сна напрямую уменьшают глимфатический клиренс метаболитов и способствуют отложению амилоида [16, 34, 36, 49—52].

Исследование гидродинамики ЦСЖ, содержащей флюоресцентно меченные липидированные изоформы аполипопротеина E (АпоЕ) [53], продемонстрировало значительное снижение клиренса трейсеров из интерстиция при депривации сна. Транспортная система глимфатической жидкости доставляет АпоЕ в головной мозг преимущественно в период сна через периартериальное пространство, а дисбаланс этого физиологического клиренса может способствовать развитию специфических для изоформ АпоЕ нарушений в долгосрочной перспективе. Фрагментация сна вызывает прогрессирование симптомов БА, индуцирует нейровоспаление, накопление Aβ-амилоида и фосфорилирование тау-протеина, в то время как у мышей дикого типа отрицательно влияет на обучение и память [5]. Это связано как с модуляцией AQP-4 — ключевого участника активности глимфатической системы, при этом экспрессия водного канала отличалась в зависимости от стадии и тяжести процесса, так и с активацией микроглии и реактивного астроглиоза. С другой стороны, делеция астроглиального AQP-4 приводит к нарушению глимфатического транспорта и накоплению амилоидогенных белков в головном мозге в мышиной модели хронического нарушения сна. В эксперименте у грызунов с нулевым AQP-4 при проведении нейрохимического и поведенческого анализа наблюдались активация микроглии, нейровоспаление и потеря синаптических белков в гиппокампе, а также снижение рабочей памяти по сравнению с мышами дикого типа [36]. Также исследована связь мутаций в гене AQP-4 человека с когнитивными функциями, качеством и параметрами сна [54, 55]. Показано, что генетическая изменчивость AQP-4 не только ассоциирована со снижением когнитивных функций при НДЗ, но и модулирует связь между параметрами сна и уровнем Aβ-амилоида в головном мозге. Полученные данные на моделях in vivo и теоретических сетевых моделях открывают возможность для новых клинических исследований, поскольку уровни экспрессии астроглиального AQP-4 и его роль в глимфатической системе в целом могут представлять собой прогностический маркер начала процесса нейродегенерации в ранней диагностике. Более того, при изучении связи цикла «сон—бодрствование» и транспорта метаболитов в контексте развития НДЗ следует учитывать генетические вариации AQP-4 и их влияние на архитектуру сна [4, 5, 49, 52—59].

Механизмы подавления глимфатического клиренса во время бодрствования остаются неизвестными, но активность ЭЭГ тесно коррелирует с глимфатическим притоком. Возможно, синхронные характеристики медленного сна приводят к консолидированному движению внеклеточных ионов через кору мозга, поддерживая пульсирующий приток ЦСЖ. И наоборот, этот процесс несовместим с асинхронными паттернами нейронной активности в период бодрствования [34, 52].

Нарушение мозговой гидродинамики и глимфатического клиренса вовлечены в патогенез ряда заболеваний головного мозга, включая НДЗ и демиелинизирующие заболевания, гидроцефалию, инсульт, сосудистую деменцию, патологию сна. Однако данные, подтверждающие эти предположения, на настоящее время являются неокончательными и иногда противоречивыми. Стоит отметить, что анализ глимфатической активности у животных и человека остается сложной задачей, поскольку требования к нейровизуализации, включая инвазивное введение флюоресцентных индикаторов и контрастных веществ в головной мозг, имеют ряд технических и временных ограничений, могут сопровождаться нейротоксическими эффектами и даже повреждением ГЭБ при обеспечении доступа к мозговой паренхиме. Потенциалом для решения проблемы поиска подходящих моделей у человека и для создания новых моделей с целью дальнейшего изучения сложных межклеточных взаимодействий как основы функционирования глимфатического клиренса рассматривается технология «Organ-on-a-Chip» («Орган-на-чипе») [60, 61].

Прогресс фундаментальных исследований стимулирует перевод полученных знаний в клиническое применение, поскольку за последнее десятилетие были проведены многочисленные исследования по изучению новых молекул в качестве перспективных биомаркеров различных НДЗ, а также терапевтических мишеней для препаратов биологической терапии. Учитывая участие амилоидогенных белков, различных генетических маркеров, а также патологии глимфатического клиренса и расстройства в цикле «сон—бодрствование» в конечных общих путях, ведущих к нейродегенерации, вопрос о вкладе описанных аномалий и нарушений изучаемых молекул и процессов все чаще исследуется с целью поиска новых решений и альтернативных подходов в диагностике и терапии гетерогенной группы НДЗ.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.