Недавнее исследование выявило прямой путь между мозгом и его защитной твердой мозговой оболочкой, опровергая представление о полной изоляции мозга. С помощью инновационной визуализации исследователи определили точки выхода паутинной манжетки (ACE), имеющие решающее значение для удаления отходов мозга и взаимодействия с иммунной системой. Исследование также связывает процесс старения с дисфункцией этих точек, предлагая понимание развития нейродегенеративных заболеваний. Это открытие открывает новые возможности для лечения проблем со здоровьем, связанных с мозгом.
Сотрудничество с НИЗ имеет значение для понимания реакций нервно-иммунной системы и процесса старения.
В недавнем исследовании системы дренажа отходов мозга исследователи из Вашингтонского университета в Сент-Луисе в сотрудничестве с исследователями из Национального института неврологических расстройств и инсульта (NINDS), входящего в состав Национального института здравоохранения (NIH), обнаружили прямая связь между мозгом и его прочным защитным слоем, твердой мозговой оболочкой, посредством исследования, посвященного системе удаления отходов мозга.
Эти связи могут позволить отработанной жидкости покинуть мозг, одновременно подвергая мозг воздействию иммунных клеток и других сигналов, исходящих из твердой мозговой оболочки. Это бросает вызов общепринятому мнению, согласно которому мозг отрезан от окружающей среды рядом защитных барьеров, защищающих его от опасных химических веществ и токсинов, скрывающихся в окружающей среде.
«Отходы жидкости перемещаются из мозга в организм во многом подобно тому, как сточные воды покидают наши дома», — сказал Дэниел С. Райх из NINDS, доктор медицинских наук. «В этом исследовании мы задали вопрос, что происходит, когда «дренажные трубы» покидают «дом» — в данном случае мозг — и соединяются с городской канализационной системой внутри тела». Группа Райха работала совместно с лабораторией Джонатана Кипниса, доктора философии, профессора Вашингтонского университета в Сент-Луисе.
Лаборатория Райха использовала магнитно-резонансную томографию (МРТ) высокого разрешения для наблюдения за связью между мозгом и лимфатическими системами организма у людей. Тем временем группа Кипниса независимо использовала живые клетки и другие методы микроскопической визуализации мозга для изучения этих систем у мышей.
С помощью МРТ исследователи сканировали мозг группы здоровых добровольцев, которым вводили гадобутрол — магнитный краситель, используемый для визуализации нарушений гематоэнцефалического барьера или других видов повреждений кровеносных сосудов. Известно, что крупные вены проходят через паутинный барьер, неся кровь от мозга, и это четко наблюдалось на МРТ. По ходу сканирования вокруг этих крупных вен появлялось красящее кольцо, которое со временем медленно распространялось, что позволяет предположить, что жидкость может проникать через пространство вокруг этих крупных вен, где они проходят через паутинный барьер на пути к твердой мозговой оболочке.
Лаборатория Кипниса проводила аналогичные наблюдения на мышах. Его группа вводила мышам светоизлучающие молекулы. Как и в экспериментах с МРТ, было замечено, что жидкость, содержащая эти светоизлучающие молекулы, проскальзывает через паутинный барьер, через который проходят кровеносные сосуды.
Открытие точек выхода из арахноидальной манжетки
Вместе лаборатории обнаружили «манжетку» клеток, которая окружает кровеносные сосуды, когда они проходят через паутинное пространство. Эти области, которые они назвали точками выхода из арахноидальной манжетки (ACE), по-видимому, действуют как области, где жидкость, молекулы и даже некоторые клетки могут проходить из мозга в твердую мозговую оболочку и наоборот, не допуская полного смешивания двух жидкостей. При некоторых расстройствах, таких как болезнь Альцгеймера болезни, нарушение очистки отходов может привести к накоплению болезнетворных белков. Продолжая аналогию с канализацией, Кипнис объяснил возможное подключение к точкам ACE:
«Если ваша раковина засорилась, вы можете слить воду из раковины или починить кран, но в конечном итоге вам нужно починить слив», — сказал он. «В мозге засоры в точках ACE могут препятствовать выходу отходов. Если мы сможем найти способ очистить эти засоры, возможно, мы сможем защитить мозг».
Одним из следствий точек ACE является то, что они являются областями, где иммунная система может подвергаться воздействию и реагировать на изменения, происходящие в мозге. Когда у мышей в лаборатории доктора Кипниса было вызвано заболевание, при котором иммунная система атакует миелин в головном и спинном мозге, иммунные клетки можно было увидеть вокруг точек ACE и даже между стенкой кровеносного сосуда и клетками манжетки; со временем это привело к поломке самой точки ACE. Когда способность иммунных клеток напрямую взаимодействовать с точками ACE была заблокирована, тяжесть инфекции снижалась.
«Иммунная система использует молекулы для передачи информации из мозга в твердую мозговую оболочку», — сказал Кипнис. «Этот переход необходимо жестко регулировать, иначе могут возникнуть пагубные последствия для функций мозга».
Райх и его команда также заметили интересную связь между возрастом участников и утечкой баллов ACE. У участников постарше больше красителя просачивалось в окружающую жидкость и пространство вокруг кровеносных сосудов.
«Это может указывать на медленное разрушение точек ACE с возрастом», — сказал Райх, — «и это может иметь последствия, поскольку мозг и иммунная система теперь могут взаимодействовать способами, которыми они не должны».
Связь со старением и разрушением барьера, разделяющего мозг и иммунную систему, согласуется с тем, что наблюдалось у стареющих мышей и при аутоиммунных заболеваниях, таких как рассеянный склероз. Эта вновь обнаруженная связь между мозгом и иммунной системой также может помочь объяснить, почему риск развития нейродегенеративных заболеваний увеличивается с возрастом, но для подтверждения этой связи необходимы дополнительные исследования.
Ссылка: «Идентификация прямых связей между твердой мозговой оболочкой и мозгом», Леон С.Д. Смит, Ди Сюй, Серхат В. Окар, Таитеа Дикстра, Джастин Растенховен, Захари Пападопулос, Кессни Бхасиин, Мин Ву Ким, Антуан Дрие, Торнике Мамуладзе, Сьюзан. Блэкберн, Синсин Гу, Мария И. Гайтан, Говинд Наир, Штеффен Э. Сторк, Силинг Ду, Майкл А. Уайт, Питер Байгинов, Игорь Смирнов, Крикор Дикранян, Дэниел С. Райх и Джонатан Кипнис, 7 февраля 2024 г., Природа.
DOI: 10.1038/s41586-023-06993-7
Это исследование было поддержано Программой очных исследований NINDS, Национальным институтом старения (AG034113, AG057496, AG078106) и Консорциумом BEE Фонда лечения болезни Альцгеймера.