腦脊液循環研究新進展

黃科儒 綜述 周良學 陳亞星 審校

(四川大學華西醫院神經外科，四川 成都 610041)

腦脊液(Cerebrospinal fluid,CSF)是一種無色透明液體，占據整個蛛網膜下腔、腦室系統和椎管蛛網膜下腔，保護中樞神經系統(Central nervous system,CNS)免受顱骨外沖擊并維持CNS代謝[1]。100年前，Dandy根據動物實驗的結果建立了經典腦脊液循環理論，認為腦脊液由腦室脈絡叢(Choroid plexus，CP)產生(圖1)，流經一些特殊的孔道，從而進入相鄰的腦室和蛛網膜下腔，然后通過蛛網膜顆粒吸收進入靜脈竇[1-2]。這一理論長期以來一直主導著人們對腦脊液正常循環的理解，也是對腦脊液循環障礙進行解釋的唯一理論依據。然而，隨著解剖學的發展和新示蹤技術的出現，更多關于腦脊液分泌和吸收的機制和途徑不斷被發現，如腦膜淋巴管、類淋巴系統等。這些新發現對腦脊液循環的經典理論有了重大的補充和修正，但尚未融合成一個新的被廣泛接受的腦脊液循環理論。因此，我們總結了近年來關于腦脊液循環機制的新發現，以期將來能更好地理解腦脊液病理生理學的新理論。

圖1 腦室系統及脈絡叢示意圖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現了許多離子和水轉運蛋白，為腦脊液主動轉運而非單純被動過濾形成提供了分子生物學基礎。 Praetorius[3]回顧了這些轉運蛋白的位置和功能，并提出了關于脈絡膜上皮主動轉運而參與形成腦脊液的新觀點。現在，最常見的離子轉運體和通道如Na+-K+ATPase， Na+-2Cl--K+協同轉運蛋白，Na+-HCO3-協同轉運蛋白， Na+通道， K+通道，以及AQP1等6種，而這些轉運體及通道在參與濃縮和稀釋尿液的腎小管上皮細胞膜上也大量表達。這些轉運蛋白的主動轉運導致了血漿和腦脊液之間的滲透壓差異，從而相應調節了腦脊液的流動。最近確定的CP上轉運蛋白，例如可能參與 CSF PH值調節的Cl-/H+交換體ClC-7、Na+-HCO3-協同轉運蛋白 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]。基于上述發現，腦脊液的分泌機制可能類似于尿液濃縮和稀釋。在某些病理情況下，某些轉運蛋白或離子通道的功能可能會受到干擾，從而導致分泌的異常，常表現為分泌過多(圖2)。例如，大鼠 IVH 模型中炎癥可能導致一種 Na+-K+-2Cl-協同轉運蛋白 NKCC1 過度磷酸化，并導致 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張[6]。胰高血糖素樣肽-1 受體 (Glucagon-like peptide-1 receptor ，GLP-1R) 激動劑exendin-4通過抑制CP 上皮細胞上的 Na+-K+ATP酶的活性來減少腦脊液分泌并降低顱內壓[7]。對CP上離子轉運蛋白功能的研究為治療腦積水等腦脊液相關疾病提供了新的靶點。

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制。Vandenbroucke[8]指出脈絡叢的功能障礙將改變腦脊液的分泌、轉運、免疫和屏障功能，這在與年齡相關的疾病如阿爾茨海默病中發揮重要作用。

2 腦脊液流通動力學

2.1 從單向到雙向流動 經典腦脊液循環理論認為腦脊液是循壓力梯度進行單向流動，即側腦室經門羅氏孔入三腦室，匯合其產生的腦脊液經中腦導水管進入四腦室，接納四腦室腦脊液后經正中孔和側孔流出進入蛛網膜下腔循環被吸收。但是后續研究證實腦脊液以循環往復的雙向“潮汐樣”方式運動，能向腦室和蛛網膜下腔方向雙向運動。

2.2 運動的動力及影響因素 經典理論認為腦脊液流動的主要驅動力來自脈絡叢的搏動，類似于一個水泵[9]。CP的搏動建立起了壓力梯度并沿著 CSF 流動途徑迫使其流動。 此外，呼吸運動已被證明是推動腦脊液流動的另一個重要的動力來源。最近的一項研究認為呼吸是人腦脊液流動的最重要驅動力，而非心臟搏動，這又是一個新的理論的提出，還需要更進一步的驗證[10]。另外，腦實質和血管壁的順應性也影響著腦脊液的流量，順應性越差，腦脊液運動越差。

除外上述宏觀結構外，室管膜上皮在驅動腦脊液流動方面也發揮了重要作用，其理論基礎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奏和方向擺動，從而使得腦室中的腦脊液流動。迄今為止，許多纖毛相關基因如Jhy、Daple、Ccdc39被證實，這些基因的出現缺陷會影響腦室中的腦脊液的有向運動，導致嚴重的先天性腦積水[11-13]。這些結果表明對于纖毛的保護和修復可能是預防和治療腦積水的另一種新策略。

3 腦脊液吸收

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

3.2 腦脊液新的吸收部位及途徑 隨著分子生物學技術的發展和檢測手段的進步，特別是熒光示蹤劑的使用，新的吸收途徑不斷被發現，如類淋巴系統的發現、腦膜淋巴管的確認、神經根、鼻咽部的黏膜等，極大豐富了腦脊液吸收途徑[15]。本文重點介紹類淋巴系統、腦膜淋巴管、神經根等吸收途徑。

4 中樞神經系統內的淋巴系統

2015年Louveau等[16]首先證實了硬腦膜中存在淋巴管，這成為一個具有劃時代意義的事件。他們發現了沿靜脈竇平行分布的淋巴結構，而 Evans blue 和 QDot655 等熒光示蹤劑可以被這些淋巴管吸收，證實了硬膜淋巴管引流了CSF。同年，Aspelund等[17]也報道了硬腦膜中的相同結構。隨后Martina首次報道了通過MRI完成了對人硬膜淋巴管的無創可視化[18]，為研究神經系統疾病提供了新途徑和視角。在發育模型中，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。這些淋巴結構可能與腦脊液的吸收、引流均有關，并將小分子物質從CNS中排出，協助免疫細胞循環[19]，為腦積水和阿爾茲海默癥等中樞神經系統疾病的病因學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[20-21]，有研究發現，腦膜淋巴管受損后可能會導致Aβ的異常蓄積，這可能是一個可干預的重要發病因素[19]。在tau蛋白的清除過程中有學者發現了類似的現象， Tau蛋白在中樞神經系統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]。在一項動物實驗中，已確定促進硬膜淋巴管生長可加快Aβ在顱內的清除速度[23]。因此，腦膜淋巴管可能是一個新的神經退行性疾病治療靶點。

在帕金森病的病理過程中，通過動態MRI也發現了硬膜淋巴管引流量減少，這可能與特發性帕金森病的病理機制息息相關[24]。除此之外，通過對顱內小分子物質清除過程的研究，當腦膜淋巴管功能障礙時，可導致帕金森病的α-syn在老鼠體內同樣會大量增加[25]。

除了神經退行性疾病之外，腦膜淋巴管同樣在創傷性顱腦損傷中起著關鍵作用，創傷性顱腦損傷發生后將導致顱內壓升高，并激發神經炎癥，均會嚴重損傷腦膜淋巴管的功能[26]。動物實驗證明，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參與到創傷性顱腦損傷病理機制中。這提示腦膜淋巴管可能是創傷性顱腦損傷治療的新目標。

隨著對腦膜淋巴管認識的不斷深入，有學者探索了其與腦腫瘤之間的關聯。通過對腦膜淋巴管上皮細胞分析，發現其與外周淋巴系統在功能上保持一致，可以加速液體排泄，傳遞免疫細胞并發揮抗腫瘤效果[27]。

除了對硬膜上的淋巴器官探索，在顱神經包膜上同樣發現了淋巴脈管系統。Ma等[28]學者使用高分標率立體顯微鏡與近紅外示蹤劑向結合的辦法，發現注入到淋巴報告鼠側腦室的示蹤劑沿著顱神經周圍穿出顱骨并很快到達了淋巴結。

受啟發于上述關于腦膜淋巴管的發現，類似于“淋巴團塊”樣結構也被發現，有學者稱為“CAG-like dural gap (CAG-LDG)”，其結構類似于蛛網膜顆粒，并于SSS附近的硬膜上。這一結構可能參與了CSF的硬膜外排泄途徑[29]。

5 類淋巴系統

在2015年報道發現腦膜淋巴管之前，已有研究發現分子示蹤劑在注射進腦實質后蛛網膜下腔后可以在腦血管周圍被發現[30]。2012年Jeffrey通過雙光子顯微鏡發現CSF沿著血管周圍流動，并認為蛛網膜下腔腦脊液和組織間液之間通過AQP4介導，存在物質交換，這一機制被稱之為膠質淋巴循環，因其功能類似于淋巴系統，學者將其命名為類淋巴系統[28]。在一些文章中，這一血管周圍間隙與蛛網膜下腔相連，并被命名為Virchow-robin space[31]。在類淋巴系統中，毛細血管的周圍間隙的ISF與蛛網膜下腔的CSF的進行深度交換，與組織液同血漿的交換類似：在毛細血管網中，ISF自動脈側從血管中流出并與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由心臟搏動所驅動。ISF與CSF的混合和流動被認為是發生物質交換和廢物排泄的主要方式(圖3)。關于類淋巴系統中液體流入和流出的詳細機制尚未完善闡述清楚，但目前已有的證據提示動脈搏動和順應性的降低將會影響類淋巴系統的液體流入減少；此外，衰老也引發類淋巴系統的功能逐漸減退，因此這種混合流動的量也隨之減少，即物質交換減少，從而導致代謝產物蓄積，可引發相關疾病。

圖3 類淋巴系統示意圖Figure 3 Diagram of the glymphoid system

類淋巴系統的ISF與CSF之間的物質交換，AQP4在此過程中起著重要作用[32]。AQP4在星型膠質細胞的足突末端分布密集[33]，有學者描繪出了類淋巴系統的發育過程，確定了這些血管周圍CSF轉運體的作用，即組織間液可通過星形細胞頂端的AQP4主動或者被動快速運輸，從星型膠質細胞足突端被轉運至血管周圍間隙，繼而與腦脊液發生交換，進而隨著腦脊液到達他處[34]。研究報道發現，阿爾茲海默癥，特發性正常顱壓腦積水(iNPH)和MS神經退行性疾病及神經炎癥性疾病均可能與類淋巴系統有關，其中AQP4被認為至關重要[31,35-36]。在類淋巴系統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]。類淋巴系統功能障礙會導致Aβ在腦實質中的累積，反過來，動物實驗顯示Aβ的沉積又會反過來導致類淋巴結構功能受損[38]。

iNPH是另一種常見的神經退行性疾病，其與多種癡呆如阿爾茲海默癥在臨床特點和病理上近似，其病因也可能與類淋巴系統和/或腦膜淋巴管有關。通過注射造影劑后行MRI檢測同樣觀察到了類淋巴系統的清除功能下降[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，通過類似的影像學方法也在蛛網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受到了嚴重損害[39]。據報道，TBI后類淋巴系統功能可下降60%[40]。在2型糖尿病模型鼠中，不僅發現類淋巴系統受到損害并與認知功能障礙高度相關[41]。

CSF不僅通過類淋巴系統進入大腦和脊髓中，腦膜淋巴管從相鄰的蛛網膜下腔及通過類淋巴系統自腦實質中重吸收CSF，將其排出至身體外周的淋巴系統中，且其吸收與排除可存在動態變化，也可能受到晝夜節律影響[42]。研究發現，單一個體中腦脊液的流動和代謝廢物的清除是動態變化的，睡眠期間類淋巴系統功能增強，清醒時腦脊液向淋巴結的引流增加[43]。類淋巴功能和腦脊液引流的晝夜變化與星形膠質細胞足突末端上極化的AQP4晝夜節律相吻合。上述新理論/觀點對中樞神經系統疾病的影響總結見表1。盡管如此，顱內腦膜/類淋巴系統與外周淋巴系統是如何在 ISF、CSF、CNS 介導的炎癥分子及變化，以及免疫細胞是如何從 CNS引流到外周淋巴結中發揮作用，均尚不清楚，進一步的研究將會改變我們關于中樞神經系統免疫豁免和排泄機制的理解[44]。

表1 腦淋巴系統及類淋巴系統總結Talbe 1 Cerebral lymphatic system and glymphoid system summary

6 展望

經典的腦脊液循環理論已經建立了100多年，這個理論仍然主導著人們對腦脊液循環的理解，但該理論無法很好地解釋腦脊液循環障礙的許多臨床問題。隨著各種先進示蹤技術的出現和解剖學研究的深入，許多新的發現不斷涌現，涉及到腦脊液的分泌、運動、吸收的各個環節，腦脊液循環的新理論正在逐步形成。然而，腦脊液循環的機制遠未完全揭示，其循環障礙如多種腦積水病因、發生發展等仍不清楚，找尋非占位病變所致梗阻性腦積水的診斷及預后的分子標志物，是否能夠利用現有的發現設計新的無創治療手段，以及受損的結構及功能的修復等仍困擾著我們，系統、深入的基礎和臨床研究有望完全闡釋其機制，并為腦脊液障礙疾病的臨床治療提供新的思路。如結合近年關于腦脊液吸收新途徑的發現可知道臨床實踐中神經內鏡治療腦積水過程中改變一定的手術方式，通過在斜坡后方打開蛛網膜下腔及硬膜下間隙的方式加強腦脊液從神經根、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，并有可能在此基礎之上再次改良手術方式或者創造完全獨立的新術式。在基礎科研部分，可以通過采用合適的淋巴示蹤劑一方面加強我們對于腦脊液循環的理解，并以此探索與外周淋巴系統的相似性，從而在機制與功能兩方面進一步探討顱內淋巴管所起作用，并可以此衍生出各類神經系統疾病治療新靶點。