Как мозг избавляется от отходов и как этот процесс влияет на наше здоровье? В знаковом исследовании, проведенном учеными Вашингтонского университета в Сент-Луисе и Национальным институтом неврологических расстройств и инсульта, ученые обнаружили прямой путь, по которому система удаления отходов мозга взаимодействует с окружающими ее защитными слоями, бросая вызов давним убеждениям об изоляции мозга от иммунной системы организма.
Это открытие проливает свет на механизмы, которые позволяют отходам и иммунным сигналам перемещаться между мозгом и его внешним защитным покрытием, потенциально открывая новые возможности для понимания и лечения неврологических заболеваний. Результаты были опубликованы в журнале Nature.
Мотивация этого исследования проистекает из фундаментального вопроса нейробиологии: как мозг, орган, известный своими деликатными и сложными функциями, поддерживает свое здоровье, удаляя отходы и взаимодействуя с иммунной системой организма? Традиционно считалось, что мозг функционирует в своего рода великолепной изоляции, защищенный барьерами, которые не пропускают иммунную систему и потенциально вредные вещества.
Однако эта изоляция может также означать, что мозг имеет ограниченные возможности по удалению отходов, что является важной функцией для предотвращения заболеваний. Исследователи приступили к этому исследованию, чтобы изучить возможность прямого канала связи между мозгом и окружающими его защитными слоями, который может революционизировать наше понимание здоровья мозга и болезней.
«Отходы жидкости перемещаются из мозга в организм во многом так же, как сточные воды покидают наши дома», — сказал Дэниел С. Райх, старший исследователь NINDS. «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».
Для изучения этих вопросов в исследовании использовался комплексный подход, сочетающий передовые методы визуализации и генетический анализ как на людях, так и на мышах. На людях команда использовала магнитно-резонансную томографию (МРТ) высокого разрешения, чтобы наблюдать за движением магнитного красителя гадобутрола, который вводили участникам, чтобы визуализировать пути, по которым отходы могут выходить из мозга.
Параллельно исследователи проводили эксперименты на мышах, вводя им светоизлучающие молекулы, чтобы отслеживать движение жидкостей через защитные барьеры мозга. В исследовании также использовалось секвенирование одноядерной РНК для анализа экспрессии генов клеток внутри этих барьеров и электронная микроскопия для детальной визуализации структур клеток.
Исследователь определил определенные области, называемые точками выхода паутинной манжетки (ACE), где «манжета» клеток окружает кровеносные сосуды, когда они проходят через защитный паутинный барьер мозга в твердую мозговую оболочку. Твердая мозговая оболочка — это самый внешний и самый прочный слой среди трех слоев мембран, называемых мозговыми оболочками, которые окружают и защищают головной и спинной мозг. Эта мембрана состоит из плотной волокнистой соединительной ткани.
Эти точки ACE действуют как шлюзы, позволяющие переносить ненужные жидкости, иммунные клетки и другие молекулы между мозгом и твердой мозговой оболочкой, вопреки предыдущему мнению, что такая связь была практически невозможна из-за защитных барьеров мозга.
Это открытие показывает, что мозг не так изолирован, как считалось раньше, и имеет прямые средства утилизации отходов и взаимодействия с иммунной системой.
«Если ваша раковина засорилась, вы можете слить воду из раковины или починить кран, но в конечном итоге вам нужно починить слив», — объяснил Джонатан Кипнис, профессор Вашингтонского университета в Сент-Луисе. «В мозгу засоры в точках ACE могут препятствовать выходу отходов. Если мы сможем найти способ очистить эти засоры, возможно, мы сможем защитить мозг».
Исследование на мышах показало, что эти пути участвуют в реакции иммунной системы на расстройства, например, когда иммунные клетки атакуют защитный миелин мозга в условиях, имитирующих рассеянный склероз. Блокирование взаимодействия иммунных клеток с точками ACE уменьшало тяжесть состояния, подчеркивая значимость этих путей для здоровья и заболеваний мозга.
«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».
Исследователи также отметили, что эффективность этих точек ACE и их роль в очистке мусора и иммунном надзоре могут снижаться с возрастом. Об этом свидетельствует наблюдение, что у пожилых участников исследования наблюдалась повышенная утечка магнитного красителя в окружающую жидкость и пространства вокруг кровеносных сосудов, что указывает на потенциальное снижение эффективности этих точек ACE с течением времени.
Этот аспект исследования намекает на возможную связь между процессом старения и повышенным риском развития неврологических заболеваний, предполагая, что ухудшение этих точек ACE может способствовать накоплению отходов и изменению иммунных реакций в стареющем мозге.
«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».
Открытие точек ACE революционизирует наше понимание физиологии мозга, указывая на прямой путь удаления отходов и взаимодействия иммунной системы, который ранее был неизвестен. Но его исследование не лишено своих ограничений. Точный механизм работы этих точек ACE и их относительная важность по сравнению с другими путями удаления отходов и взаимодействия иммунной системы в мозге остаются неясными. Кроме того, хотя исследование предоставляет убедительные доказательства на мышах и с помощью МРТ у людей, необходимы дополнительные исследования, чтобы полностью понять последствия этих результатов для здоровья и болезней человека.
Будущие направления исследований включают изучение того, как эффективность этих точек ACE меняется с возрастом, поскольку исследование выявило повышенную утечку магнитного красителя у пожилых участников, что позволяет предположить, что эффективность этой системы утилизации отходов может со временем снизиться. Это может иметь глубокие последствия для понимания возрастных неврологических заболеваний, в которых нарушение выведения отходов может сыграть решающую роль.
