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

Глимфатический клиренс представляет собой путь выведения жидкости и метаболитов из головного мозга и 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 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 патологических молекул увеличивается в два 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 полученного опыта в практическое применение.

Цель обзора — систематизировать 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 при патологии, в частности во взаимосвязи с регулирующей ролью цикла «сон—бодрствование» и при развитии нейродегенеративных процессов.

Болезнь Альцгеймера (БА), основным клиническим проявлением которой является деменция, и болезнь Паркинсона (БП) как преимущественно двигательное расстройство нервной системы являются наиболее распространенными НДЗ человека. Данными патологиями страдают более 50 млн человек в мире, при этом подавляющее большинство случаев заболеваний носит спорадический характер. Большинство НДЗ связаны с нарушением процессинга и агрегацией специфических белков и формированием их нерастворимых фибриллярных форм, поэтому рассматриваются 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. Среди таких протеинов в первую очередь стоит отметить амилоид Aβ, 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 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, при изменении состояния здоровья, а также при хронических расстройствах сна. Сложная система циркуляции жидкости и клиренса побочных 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 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 жидкости. 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, своими окончаниями окружая 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 глубокие отделы мозга за счет пульсаций артериальных сосудов [22, 26, 27].

Полученные в последнее десятилетие данные свидетельствуют, что глимфатическая система играет важную роль в норме и в 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 коррелирует с локальным паттерном 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 нейроглии, но и сосудистого русла и имеют решающее значение для целостности ГЭБ. Астроциты высвобождают ряд биологически активных веществ (БАВ), 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 амилоида [33, 34].

AQP-4, являющийся посредником для транспорта воды в клетках и тканях, представляет трансмембранный двунаправленный водный канал. AQP-4 локализуется преимущественно в периваскулярных концах астроцитов благодаря своей ассоциации с дистрофин-ассоциированным комплексом (DAC). 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 пула 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]. Предполагается, 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 на животных с выключенными генами показывают, что у мышей, лишенных AQP-4, наблюдается снижение притока СМЖ на 70% и снижение паренхиматозного клиренса меченного радиоактивным йодом-125 бета-амилоида (Аβ-амилоида) на 55%. У старых мышей по сравнению с молодыми клиренс введенного амилоида нарушен на 40%, что сопровождается снижением периваскулярной поляризации AQP-4 вдоль проникающих 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 для 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 в нейродегенеративных тауопатиях. 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 лиц с клинически 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 аналогичное таковому 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 периваскулярной локализации AQP-4 коррелировала с клинически подтвержденными случаями БА и стадией 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, что одновременно коррелирует с концентрацией тау-протеина. Это может быть как следствием реактивного астроглиоза, который индуцирует повышенную экспрессию водного канала, так и результатом нарушения белковой селективности астроцитов и уменьшения скорости глимфатического обмена, для гомеостатического восстановления которого требуется гиперэкспрессия AQP-4 [44]. Стоит отметить, что 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 глимфатической функции, 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 и их ранним коррелятом. 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 имеют возрастные изменения, так, при старении уменьшается доля глубокого медленного сна и в нем значительно преобладают поверхностные стадии. Даже кратковременные периоды потери сна имеют долгосрочные последствия, например нарушение консолидации памяти и других когнитивных функций. Депривация сна приводит к уменьшению дендритных шипиков и синаптических белков в области гиппокампа, отложению аномальных белков, активации астроцитов и микроглии как основного источника секреции провоспалительных цитокинов в головном мозге, однако молекулярные механизмы нарушений мозга, вызванных изменениями в цикле «сон—бодрствование», продолжают изучаться [45—49].

Предполагается, что глифатический клиренс регулируются циклом «сон—бодрствование», поскольку движение ЦСЖ через мозговую ткань происходит быстрее в спящем и анестезированном мозге по сравнению с бодрствующим мозгом. Аналогичным образом клиренс интерстициальных растворенных веществ, включая Aβ-амилоид, происходит быстрее в период сна. Естественный сон связан с увеличением размера интерстициального пространства, что в свою очередь способствует увеличению конвективного 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, но гидродинамика через этот путь демонстрирует ежедневные колебания и находится под циркадианным контролем. Обсуждается, что AQP-4 определеным образом поддерживает этот ритм, а его периваскулярная поляризация наиболее выражена в период сна. Более того, делеция AQP-4 у мышей с выключенными генами устраняет разницу между днем и ночью как в глимфатическом притоке, так и в оттоке жидкости. Одновременно в исследованиях на людях показано, что плохое качество сна является фактором риска снижения когнитивных функций и развития деменции у людей. Прогрессирование нейродегенеративного процесса у пожилых людей может объясняться возрастными нарушениями в цикле «сон—бодрствование», когда измененная архитектура и глубина сна напрямую уменьшает глимфатический клиренс метаболитов и способствует образованию амилоида [16, 34, 36, 49—52].

Исследование гидродинамики ЦСЖ, содержащей флуоресцентно меченные липидированные изоформы аполипопротеина Е (АпоЕ) [53], продемонстрировало значительное снижение клиренса многих веществ 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 Аβ-амилоида и фосфорилирование тау-протеина, в то время как у мышей дикого типа отрицательно влияет на когнитивное поведение, в частности на обучение и память [5]. Это связано как с модуляцией AQP-4 — ключевого участника активности глимфатической системы, при этом экспрессия водного канала различалась 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 вариации 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 развитии НДЗ, но и модулирует связь между сном и уровнем Aβ-амилоида в головном мозге. Полученные данные на моделях in vivo открывают возможность для новых клинических исследований, поскольку уровни экспрессии астроглиального аквапорина и его роль в глимфатической системе в целом могут представлять 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 движению внеклеточных ионов через кору, поддерживая пульсирующий приток ЦСЖ. И наоборот, этот процесс несовместим с асинхронными паттернами нейронной активности в период бодрствования [34, 52].

Нарушения мозговой гидродинамики и глимфатического клиренса вовлечены в патофизиологию ряда заболеваний головного мозга, включая нейродегенеративные и демиелинизирующие заболевания, деменцию, патологию сна. Однако данные, подтверждающие эти открытия, на настоящее время являются не окончательными и иногда противоречивыми. Стоит отметить, что анализ глимфатической активности у животных и человека остается сложной задачей, поскольку требования к нейровизуализации, включая инвазивное введение флуоресцентных индикаторов и контрастных веществ в головной мозг, имеют ряд технических и временных ограничений, нейровизуализация может 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].

Текущий прогресс в фундаментальных исследованиях стимулирует перевод полученных знаний в клиническое применение, поскольку за последнее десятилетие были проведены многочисленные исследования по изучению новых молекул в качестве перспективных диагностических биомаркеров различных НДЗ, а также в качестве 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 заболеваний нейродегенеративного генеза.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.