Конкурс «Био/Мол/Текст»-2021/2022

Эта работа заняла первое место в номинации «Свободная тема» конкурса «Био/Мол/Текст»-2021/2022.

Партнер номинации — компания SkyGen: передовой дистрибьютор продукции для life science на российском рынке.

---

Генеральный партнер конкурса — международная инновационная биотехнологическая компания BIOCAD.

---

Генеральный партнер конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.

---

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Загадка очищения самого важного органа

В большей части нашего организма за выведение продуктов обмена веществ отвечают две сети очистительных каналов — кровеносная и лимфатическая системы (рис. 1). Они пронизывают почти все наше тело и, подобно канализационной системе, собирают ненужные или вредные вещества и выводят их из организма. Чем интенсивнее метаболизм в том или ином органе, тем больше отходов в нем производится и тем гуще его сеть лимфатических сосудов [1]. Но долгое время ученым не давал покоя следующий парадокс. Центральная нервная система — самая метаболически активная система нашего организма. Один только мозг потребляет примерно 25% от всей поступающей в организм энергии, хотя весит всего 2% от массы тела. И производит эта система, соответственно, огромное количество отходов, но непонятно, как они удаляются. Кровеносные сосуды головного мозга непроницаемы для большинства веществ, они образуют так называемый гематоэнцефалический барьер, который ограничивает поступление веществ как внутрь мозга, так и из него. А лимфатическая система в паренхиму мозга не заходит [2], . Каким образом нежные клетки мозга могут обходиться без нее и не погибать от своих же отходов?

В мозговой оболочке недавно нашли лимфатические сосуды, связанные с шейными лимфоузлами [3].

Долгое время считалось, что роль очистительной сети в мозге выполняет система желудочков, заполненных спинномозговой (цереброспинальной) жидкостью (рис. 2) [5]. Ученые полагали, что эта жидкость забирает продукты метаболизма только через стенки желудочков путем фильтрации из межклеточной жидкости. Однако такое объяснение было не очень удовлетворительным — ведь площадь стенок не столь велика по отношению к объему мозга. Неужели её хватает для удаления ненужных веществ?

Разрешением этой загадки стало открытие в 2012 году в мозге системы тока жидкости, которая была названа глимфатической системой [2]. Термин «глимфатическая система» ввела датский нейробиолог Майкен Недергард. Он произошел от слияния терминов «лимфатическая система» и «глия». Глия — это клетки мозга, которые не являются нейронами, т.е. не могут генерировать и проводить нервный импульс, зато они выполняют множество других функций. Тип глиальных клеток, которые принимают непосредственное участие в образовании и работе этой системы — это астроциты. Глимфатическая система — разгадка того, как клетки мозга могут обходиться без лимфатической системы и не погибать от своих же отходов.

Устройство очистительной системы мозга

Как же устроена глимфатическая система в анатомическом плане? Уникальная особенность кровеносных сосудов мозга — это то, что они окружены астроцитами, которые формируют вокруг них что-то вроде туннеля. Пространство между внешней стенкой сосуда и стенкой этого «туннеля» заполнено спинномозговой жидкостью и называется параваскулярным пространством [6] (рис. 3). Такая конструкция выглядит как двойная трубка, но найти ее на препарате срезов мозга — сама по себе непростая задача. Дело в том, что после их приготовления параваскулярное пространство нарушается и становится почти невидимым [7]. Для того чтобы его исследовать, необходимо использовать прижизненную микроскопию, например, смотреть на мозг мыши через прозрачное окно в черепе (рис. 5а), или метод МРТ.

По мере того как кровеносный сосуд заходит вглубь паренхимы мозга, параваскулярное пространство становится все уже и в итоге исчезает совсем. Спинномозговая жидкость продолжает свой путь по паренхиме уже без него. Там она смешивается с тканевой жидкостью, омывает клетки и собирает все ненужные вещества. Далее ток жидкости направляется к параваскулярному пространству, окружающему уже вены, и по нему выводится из мозга. Дальше жидкость попадает в лимфатические сосуды, которые расположены в оболочке мозга (сами эти сосуды тоже были открыты совсем недавно [3]). Однако, судя по всему, отток жидкости может происходить не только через венозное пaрaваскулярное пространство, но и через черепные нервы (!) по так называемому периневральному пути. Какой из путей выведения спинномозговой жидкости — параваскулярный или периневральный — используется в большей степени, пока неясно, это требует дальнейших исследований [8].

Впервые глимфатическую систему удалось увидеть в 2012 году в экспериментах на мышах. Исследователи добавили в спинномозговую жидкость флуоресцентную краску и проследили ее перемещение (рис. 4) [2].

Чтобы доказать, что спинномозговая жидкость движется именно по параваскулярному пространству, ученые использовали метод двухфотонной лазерной микроскопии [10] на живой мыши, у которой в черепе было сделано прозрачное окно (рис. 5а). Полученные данные подтвердили, что жидкость течет вдоль кровеносных сосудов по этому пространству (рис. 5б) [2].

Сон нужен, чтобы промыть мозги?

Исследования показали, что глимфатическая система активна практически только во время сна и почти не функционирует в бодрствующем состоянии [12]. Сон необходим для многих живых существ, однако спящее животное беззащитно и легко может стать жертвой хищника. Если ради сна приходится так рисковать, то это означает, что он имеет очень важный биологический смысл и без него обойтись нельзя (потому что, если можно было бы, то эволюция давно бы уже от него избавилась, ведь животное, которому не нужно спать, получило бы огромное эволюционное преимущество). Несмотря на многочисленные исследования, проведенные в области сна, окончательное его значение так и не выяснено.

Наибольшая активность глимфатической системы приходится на стадию так называемого медленного сна. Исследования с помощью метода двухфотонной электронной микроскопии показали, что во время сна эта система на 90% более активна, расширяется параваскулярное пространство, а также увеличивается пространство между клетками, что облегчает ток жидкости между ними (рис. 6) [12]. Это говорит о том, что одной из функций сна может быть включение глимфатической системы для удаления из мозга «мусора», накопившегося за время бодрствования.

Ее «выключателем» на это время является нейромедиатор норадреналин. Локальное воздействие антагонистов норадреналина (веществ, блокирующих связь норадреналина с его рецепторами) на мозг бодрствующей мыши вызывало увеличение тока спинномозговой жидкости почти до таких же величин, что и у спящей. И наоборот, локальное воздействие норадреналина на мозг спящей мыши вызывало ухудшение работы глимфатической системы [12].

Если глимфатическая система работает в основном во время сна, то зависит ли ее функционирование от того, как именно мы спим? Оказалось, что на эффективность выведения белков влияет положение головы в пространстве. Опыты проводили на мышах и крысах: в мозг им вводили меченые белки и укладывали спать в разных позах. Выяснилось, что с наибольшей эффективностью они выводятся, когда животное лежит на боку. И действительно, в природе многие животные спят именно так (рис. 7), что может объясняться функционированием этой системы. Работает ли этот принцип на людях, и лучше ли нам тоже спать на боку? Подобные исследования на человеке еще не проводились. Однако выполнившие эти опыты на грызунах ученые утверждают, что человеческая глимфатическая система с большой вероятностью работает похожим образом [13].

Глимфатическая система и нейродегенеративные заболевания

Очищение мозга с помощью глимфатической системы играет важную роль в предотвращении таких нейродегенеративных заболеваний, как болезнь Альцгеймера и болезнь Паркинсона .

Подробнее о них можно прочитать в статьях «Биомолекулы»: «На руинах памяти: настоящее и будущее болезни Альцгеймера» [14], «Болезнь Альцгеймера: ген, от которого я без ума» [15], «Болезни и изменения клеточного метаболизма» [16].

Эти болезни характеризуются накоплением в нервной ткани белков: бета-амилоида и тау-белка. Причем они могут откладываться не только внутри клеток, но и в межклеточном пространстве, например, в синапсах [17]. Чтобы понять, как эти белки удаляются с помощью глимфатической системы из межклеточного пространства, ученые пометили их радиоактивными и флуоресцентными метками и увидели, что они вымываются из него как раз по глимфатическому пути [2], [18].

Давно замечено, что недостаток сна повышает риск возникновения старческой деменции, однако механизм этого явления был неизвестен [19]. Оказывается, депривация сна тормозит работу глимфатической системы и, как следствие, происходит накопление белков, ассоциированных с нейродегенеративными заболеваниями. Одно исследование показало, что после всего одной бессонной ночи в мозге значительно повышается концентрация бета-амилоида, что может быть связано как раз с тем, что в отсутствии сна глимфатическая система почти неактивна [20]. Получается, для снижения риска развития деменции в преклонном возрасте нужно стараться высыпаться, чтобы глимфатическая система могла вымывать из мозга все ненужное.

Работа глимфатической системы ухудшается с возрастом

Интересные результаты ученые получили, сравнивая глимфатическую систему у молодых и старых мышей [21]. Оказывается, у последних она на 80–90% менее активна (рис. 8). Введение радиоактивно меченного бета-амилоида старым мышам показало, что он выводится значительно хуже. Возможно, с возрастным снижением активности глимфатической системы связан повышенный риск развития нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера и Паркинсона, обусловленных накоплением «неправильных» белков. С другой стороны, амилоиды сами могут тормозить работу глимфатической системы. С возрастом они могут накапливаться в глимфатическом пути и «засорять» его, мешая нормальному току жидкости. Пока неизвестно, что первично: накопление неправильно свернутых белков или дисфункция глимфатической системы [9].

Почему с возрастом глимфатическая система работает хуже? Объяснений может быть несколько. Это может быть обусловлено изменениями в астроцитах или понижением упругости артерий, пульсация которых обеспечивает ток спинномозговой жидкости по параваскулярному пространству. Также известно, что у пожилых людей происходят изменения в продолжительности фаз сна [22], поэтому глимфатическая система может «не успеть» поработать как следует, даже если человек в целом спит достаточное количество часов.

Можно ли управлять очисткой мозга?

Итак, существует взаимосвязь между работой глимфатической системы, количеством и качеством сна и развитием нейродегенеративных заболеваний. Можно ли как-то повлиять на глимфатическую систему, чтобы снизить риски для здоровья человека? Этим вопросом всерьез занялись американские военные, выделив деньги на разработку аппарата, который мог бы стимулировать ее работу (рис. 9). Солдаты могут испытывать недостаток сна, поэтому создание прибора, который способен снизить вред от недосыпания, очень важно. Этот прибор выглядит как шапочка с электродами, импульсы от которых улучшают циркуляцию спинномозговой жидкости [23]. Пока детали работы аппарата не раскрываются, также неизвестно, будет ли он доступен широкой публике, а не только военным.

Работой глимфатической системы можно управлять не только с помощью приборов, но и с помощью химических соединений. Было обнаружено, что некоторые препараты могут увеличивать ее активность. Такой эффект дает, например, комбинация кетамина и ксилазина, используемых для анестезии. Причем эти и другие вещества влияли не только на ток спинномозговой жидкости, но и на электрическую активность мозга и на работу сердца, делая их похожими на те, что наблюдаются при «естественной» работе глимфатической системы [24]. Поиск веществ, стимулирующих ее, активно продолжается. Возможно, вскоре в аптеке можно будет приобрести «таблетку, промывающую мозги», и это будет совсем не метафора. Ну а до тех пор, пока не найдена такая таблетка и не разработан «волшебный прибор», очищающий мозг, мы можем управлять глимфатической системой только по старинке — следить за качеством своего сна, чтобы наш мозг мог как следует промываться.

Литература

1. Shan Liao, Timothy P. Padera. (2013). Lymphatic Function and Immune Regulation in Health and Disease. Lymphatic Research and Biology. 11, 136-143;
2. Jeffrey J. Iliff, Minghuan Wang, Yonghong Liao, Benjamin A. Plogg, Weiguo Peng, et. al.. (2012). A Paravascular Pathway Facilitates CSF Flow Through the Brain Parenchyma and the Clearance of Interstitial Solutes, Including Amyloid β. Sci. Transl. Med.. 4;
3. Aleksanteri Aspelund, Salli Antila, Steven T. Proulx, Tine Veronica Karlsen, Sinem Karaman, et. al.. (2015). A dural lymphatic vascular system that drains brain interstitial fluid and macromolecules. Journal of Experimental Medicine. 212, 991-999;
4. Перез В. Большой атлас анатомии человека. Москва: АСТ, 2015. — 192 с.;
5. Alexander S. Thrane, Vinita Rangroo Thrane, Maiken Nedergaard. (2014). Drowning stars: reassessing the role of astrocytes in brain edema. Trends in Neurosciences. 37, 620-628;
6. Andrew Bacyinski, Maosheng Xu, Wei Wang, Jiani Hu. (2017). The Paravascular Pathway for Brain Waste Clearance: Current Understanding, Significance and Controversy. Front. Neuroanat.. 11;
7. Humberto Mestre, Yuki Mori, Maiken Nedergaard. (2020). The Brain’s Glymphatic System: Current Controversies. Trends in Neurosciences. 43, 458-466;
8. Qiaoli Ma, Benjamin V. Ineichen, Michael Detmar, Steven T. Proulx. (2017). Outflow of cerebrospinal fluid is predominantly through lymphatic vessels and is reduced in aged mice. Nat Commun. 8;
9. Nadia Aalling Jessen, Anne Sofie Finmann Munk, Iben Lundgaard, Maiken Nedergaard. (2015). The Glymphatic System: A Beginner’s Guide. Neurochem Res. 40, 2583-2599;
10. 12 методов в картинках: микроскопия;
11. Kassandra Kisler, Divna Lazic, Melanie D Sweeney, Shane Plunkett, Mirna El Khatib, et. al.. (2018). In vivo imaging and analysis of cerebrovascular hemodynamic responses and tissue oxygenation in the mouse brain. Nat Protoc. 13, 1377-1402;
12. L. Xie, H. Kang, Q. Xu, M. J. Chen, Y. Liao, et. al.. (2013). Sleep Drives Metabolite Clearance from the Adult Brain. Science. 342, 373-377;
13. H. Lee, L. Xie, M. Yu, H. Kang, T. Feng, et. al.. (2015). The Effect of Body Posture on Brain Glymphatic Transport. Journal of Neuroscience. 35, 11034-11044;
14. На руинах памяти: настоящее и будущее болезни Альцгеймера;
15. Болезнь Альцгеймера: ген, от которого я без ума;
16. Болезни и изменения клеточного метаболизма;
17. Jorge J Palop, Lennart Mucke. (2010). Amyloid-β–induced neuronal dysfunction in Alzheimer's disease: from synapses toward neural networks. Nat Neurosci. 13, 812-818;
18. Jerrah K. Holth, Sarah K. Fritschi, Chanung Wang, Nigel P. Pedersen, John R. Cirrito, et. al.. (2019). The sleep-wake cycle regulates brain interstitial fluid tau in mice and CSF tau in humans. Science. 363, 880-884;
19. Séverine Sabia, Aurore Fayosse, Julien Dumurgier, Vincent T. van Hees, Claire Paquet, et. al.. (2021). Association of sleep duration in middle and old age with incidence of dementia. Nat Commun. 12;
20. Ehsan Shokri-Kojori, Gene-Jack Wang, Corinde E. Wiers, Sukru B. Demiral, Min Guo, et. al.. (2018). β-Amyloid accumulation in the human brain after one night of sleep deprivation. Proc Natl Acad Sci USA. 115, 4483-4488;
21. Benjamin T. Kress, Jeffrey J. Iliff, Maosheng Xia, Minghuan Wang, Helen S. Wei, et. al.. (2014). Impairment of paravascular clearance pathways in the aging brain. Ann Neurol.. 76, 845-861;
22. Сон и старение II: Чем отличается сон пожилых и больных от сна молодых и здоровых?;
23. Williams M. (2021). US Army backs ‘sleeping cap’ to help brains take out the trash. News.rice.edu;
24. Lauren M. Hablitz, Hanna S. Vinitsky, Qian Sun, Frederik Filip Stæger, Björn Sigurdsson, et. al.. (2019). Increased glymphatic influx is correlated with high EEG delta power and low heart rate in mice under anesthesia. Sci. Adv.. 5.