機體的正常工作需要代謝垃圾及時清除，大腦也是如此。
與其他器官不同的是，為了保護這個重要器官，人體有血腦屏障控制物質的進出。血腦屏障由毛細血管內皮細胞，細胞外基質和星形膠質細胞終足組成，星形膠質細胞終足和血管內皮細胞之間的空隙被稱作血管周圍間隙，是腦脊液和組織間液交換和大腦代謝廢物清除的重要途徑[1]。
除了腦脊液，血管周圍間隙中還有一些免疫細胞存在，是大腦的“保護傘”。但我們對這些細胞究竟在大腦中做著哪些工作還知之甚少。
近日，來自聖路易斯華盛頓大學的研究者們發現，腦實質邊緣巨噬細胞可以調節腦脊液流動，幫助清除大腦中的有毒物質，可能成為阿爾茨海默病（AD）等神經退行性疾病治療的新靶點。該研究成果發表在《自然》雜誌上[2]。
論文首頁截圖
大腦中的髓系細胞群體主要是由小膠質細胞組成的，但在腦實質邊緣的軟腦膜和血管周圍間隙中，也存在著巨噬細胞，研究者們把它們統稱為腦實質邊緣巨噬細胞（PBMs）。
研究人員在小鼠枕大池注射熒光示蹤劑後發現，28.9%的示蹤劑被PBMs細胞吸收。隨後研究人員又在紋狀體中注射熒光示蹤劑，同樣發現示蹤劑在擴散過程中被PBMs吸收。說明在腦脊液進出腦實質的過程中，PBMs會吸收腦脊液中的成分，這個過程可能會影響到腦脊液流動動力學。
為了驗證這一猜想，研究者們向枕大池中注射了含有氯膦酸鹽的脂質體，以特異性的清除掉PBMs（不影響硬腦膜淋巴系統和脈絡膜巨噬細胞）。在注射一週後，大約75%的PBMs被清除，而小膠質細胞沒有受到影響。
此時再向枕大池注射熒光示蹤劑，發現PBMs清除的小鼠與未清除小鼠相比，示蹤劑覆蓋範圍顯著降低了。在氯磷酸鹽注射3周後，隨著PBMs細胞數量的回升，熒光示蹤劑的覆蓋範圍也有所回升。PBMs清除後向紋狀體注射熒光示蹤劑的實驗也顯示，示蹤劑在腦實質內堆積而無法透過腦脊液流出。
另外，對腦脊液進行蛋白質組學研究，也發現大腦代謝產物如突觸相關蛋白和AD相關蛋白也在腦脊液中產生了堆積。以上結果均提示PBMs清除後小鼠腦脊液流動受阻。
上述結果是在小鼠處死後使用熒光顯微成像觀察得到的結果。隨後，研究者們使用MRI和活體熒光成像觀察活體情況下腦脊液動力學改變。結果也發現PBMs清除後腦脊液流動受阻。
PBMs清除後腦脊液流動受阻。OVA：熒光示蹤劑；CLO：氯膦酸鹽脂質體，可以清除PBMs
進一步研究表明，清除PBMs是透過影響血管周圍間隙結構，來阻礙腦脊液流動的。對血管周圍間隙結構造成的影響主要體現在以下幾個方面：
①血管周圍間隙的寬度變窄，但AQP4水通道蛋白的表達和極性並未受影響。
②成纖維細胞中產生細胞外基質的基因表達上調，而降解細胞外基質的基質金屬蛋白酶（MMP）活性下降，導致IV型膠原和層粘連蛋白等細胞外基質蛋白在血管周圍沉積。
③動脈血管舒張反應受阻。細胞外基質的沉積通常會導致動脈反應性下降，研究者們透過顱窗觀察到在10%二氧化碳和鬍鬚刺激兩種刺激下血管直徑變化，發現動脈血管均無法正常擴張，而動脈血管的搏動和運動是腦脊液迴流的動力來源。
PBMs清除對腦脊液流動的影響。A, 血管周圍間隙縮窄；B，細胞外基質蛋白在血管周圍沉積；C, 血管舒張反應受阻
巨噬細胞有很多亞型，各自執行著不同的功能。為了探究是哪一類巨噬細胞在執行腦脊液調節功能，研究人員們根據表達基因的不同，將PBMs分為LYVE1+和MHCII+兩大類。其中，PBMs對腦脊液動力學的調控作用主要依賴於LYVE1+PBMs。
具體來看，LYVE1+PBMs主要分佈在表達α-平滑肌動蛋白的動脈血管附近，是專職清除雜質的細胞；而MHCII+PBMs主要分佈在不表達α-平滑肌動蛋白的血管附近，負責抗原呈遞，發揮免疫功能。LYVE1+巨噬細胞可以與血管平滑肌細胞相互作用，實現自己在血管周圍間隙的遷移。
當使用基因條件性敲除技術，在不影響MHCII+PBMs的前提下將小鼠LYVE1+PBMs清除時，同樣可觀察到細胞外基質在血管周圍間隙沉積。但與急性藥物同時清除這兩種PBMs相比，僅僅基因敲除LYVE1+PBMs引起的淋巴引流障礙要更輕，可能是由於形成了代償性腦脊液引流的通路。
既往研究已經發現，老年小鼠存在腦脊液引流障礙[3]。這種引流障礙是否是由PBMs功能異常所引起的呢？
研究人員首先使用MRI和熒光活體成像證實，與3月齡的年輕小鼠相比，24月齡的老年小鼠存在腦脊液引流障礙。同時透過免疫熒光和流式的手法，研究人員們確認老年小鼠PBMs的總體數量沒有變化，但LYVE1+細胞明顯減少，MHCII+細胞明顯增多。
接下來，研究人員向老年小鼠枕大池注射巨噬細胞集落刺激因子，發現在刺激6h後，小鼠的腦脊液引流狀況得到了顯著改善，MMP活性也顯著提高，細胞外基質沉積得到改善。
老年小鼠LYVE1+細胞減少，MHCII+細胞增多（上）。使用集落刺激因子後老年小鼠腦脊液引流改善，細胞外基質沉積緩解（下）。
最後，研究人員將這一新發現在疾病模型中做了驗證。
他們給2月齡的5xFAD小鼠（同時表達5個家族性AD突變基因的轉基因鼠，在2月齡出現澱粉樣蛋白沉積表型），注射含有氯膦酸鹽的脂質體，並在注射一個月後檢測小鼠病理。結果發現，PBMs清除後的5xFAD小鼠澱粉樣蛋白沉積明顯增多。透過單細胞轉錄組測序，研究人員發現5xFAD小鼠PBMs吞噬功能、內吞功能和IFNγ通路相關蛋白表達顯著改變。
重要的是，在人類家族性AD患者的PBMs細胞中也發現了相似的改變，且IFNγ與PBMs之間的相互作用可能在疾病過程中發揮重要作用。上述結果提示，PBMs改變引起的腦脊液引流障礙與AD患者大腦中的澱粉樣蛋白沉積有關
沒想到腦實質邊緣巨噬細胞雖然數量少，但是對腦脊液的流動有如此重要的作用。本研究首次發現了PBMs對腦脊液流動的調節作用，拓寬了我們對PBMs功能的探索空間。
AD等神經退行性疾病中都存在著腦脊液流動障礙，這也使得Aβ等毒性代謝產物無法及時被清除，在大腦中堆積，導致神經元死亡[4]。多年以來科學家們嘗試了許多種加速腦脊液清除功能的方法來延緩和治療AD，但由於血腦屏障的存在，很多藥物無法抵達它們在大腦中的作用靶點。相比之下，腦實質邊緣主要負責吞噬和清除的巨噬細胞容易被調節和替換，又能有效的調控腦脊液流動，具有廣闊的應用前景。
調節PBMs治療AD究竟能不能實現，還是要經過動物實驗以及漫長的臨床試驗的檢驗。期待科學家們後續的探索，不知道這次能不能給我們帶來驚喜呢~
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