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首次发现：眼睛如何排出代谢废物？竟与青光眼也有关！

2020-05-13 15:47:00
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背景导读

眼睛的内部结构被包含在狭窄的空间内，与大脑类似，因此必须严格维持液体稳态。传统的淋巴管起着维持液体循环和废物清除的作用，但眼睛和大脑一样，缺乏这样的淋巴管。近年来，人们发现大脑拥有独特的“类淋巴”（glymphatic）系统。正常情况下，这种运输系统会从大脑中转运出神经毒性蛋白（例如β-淀粉样蛋白，淀粉样蛋白积聚会导致一系列疾病）。

来自丹麦哥本哈根大学的神经学家Maiken Nedergaard等带领的国际团队发现了哺乳动物眼部的类淋巴系统。Nedergaard是大脑代谢废物处理系统的发现者，也是创造“glymphatic”一词的科学家。

新发现解释了类淋巴系统如何维持眼睛健康，并强调这种至关重要的清除废物途径的阻塞会导致青光眼。Nedergaard将“glymphatic”定义为胶质和淋巴的混合物。胶质细胞是支持神经元（即神经细胞）的主要细胞成分。类淋巴途径替代了既不存在于大脑也不存在于眼睛的淋巴系统。

研究人员在Science Translational Medicine杂志上发表文章报道，眼部的类淋巴系统与大脑中类淋巴途径的功能相似。此外，他们发现，冲水系统主要功能是清除眼睛的代谢废物、细胞和其他碎片。

真的有类淋巴系统吗？

为了搞清楚眼部是否确实存在类淋巴系统，科学家将实验室小鼠选为研究对象。通过将荧光标记的示踪剂（包括标记的人淀粉样蛋白-β）注射到小鼠眼内的玻璃体中，研究人员能够追踪有毒淀粉样蛋白从视神经离散通道移出眼球的过程。废物最终穿梭到颈部的淋巴管中。（图1）

图1. 眼内类淋巴清除系统的存在

（A）上图：玻璃体内注射hAβ的示意图。插入：注射过程中的眼压（n=5~6，P=0.0516~0.543，未配对双尾t检验）。长方形内是近端视神经，显示在（B~J）中。下图：注射hAβ 1小时后uDISCO清除的小鼠头部。

（B）玻璃体内注射hAβ后同侧视网膜（左）和视神经（右）的共聚焦图像。（B）和（D）插页显示了注射有相应示踪剂的眼睛和视神经的宏观图像。

（C）玻璃体内注射hAβ30分钟后，用DsRed标记的壁细胞（血管平滑肌细胞和周细胞）的小鼠视神经的共聚焦图像和定量（平均值±SEM，n=12~18）。

（D）玻璃体内注射AF-葡聚糖30分钟后小鼠视神经的共聚焦图像。

（E和F）示踪剂给药后TUJ1标记的视神经的共聚焦成像和定量（n=9~11，****P<0.0001未配对双尾t检验）。注意示踪剂在硬脑膜内的积累。

（G）注射3小时后，宫颈淋巴结表现出强烈的hAβ标记。

（H）两次注射的示意图。

（I）两次注射hAβ玻璃体内荧光示踪剂的代表性图像和定量（平均值±SEM，n＝12）。

（J）脑脊液内右旋糖酐注射后，用DsRed标记的壁细胞（血管平滑肌细胞和周细胞）的小鼠视神经的共聚焦图像，线扫量化在（K）显示（平均值±SEM，n=8~9）。

[A、B（右）、D、G、I]比例尺为500μm，[B（左）、C、E、F、J]比例尺为50μm。A.U.，任意单位。

类淋巴系统与大脑

有趣的是，研究小组首次发现了淋巴管与处理大脑废物的途径密切相关。这一发现为研究眼睛如何清除代谢废物以及眼睛和大脑如何共享关键途径提供了新的思路。

尽管这是一项新发现，但脑内废物清除系统最初是由Nedergaard在2012年定义的。该途径涉及由神经胶质细胞形成的复杂的血管周间隙迷路，这有效地消除了中枢神经中的可溶性代谢物。Nedergaard及同事发现，除处理废物，这些途径还负责关键营养素和化合物在大脑中的分布，这些物质包括葡萄糖、氨基酸、生长因子和脂类。

类淋巴系统与睡眠

研究者还发现了一个与大脑类淋巴系统有关的夜间活动系统。他们在较早的研究中提到，类淋巴系统仅在睡眠周期中起作用，而在醒来时被关闭。5年前的一项联合研究发现，侧卧位睡觉最有利于大脑类淋巴系统发挥功能以及碎片清除。Nedergaard当时指出，左侧或右侧卧位睡觉在哺乳动物中很常见。人类、冬眠的熊、家养的狗和猫（大量动物）在睡眠周期中部分或全部时间侧卧位睡觉。有趣的是，侧卧位睡觉在人类和大多数动物中，甚至野外，都是最常见的。

然而，Nedergaard和她的团队在最新的研究中发现，并不是睡眠和黑暗驱使了眼睛中废物的运输。相反，暴露在阳光下会激活细胞和代谢碎片从受试动物的眼中排出。（图2）

图2. 光刺激增强了视神经的hAβ

（A）实验组示意图。第一组处于黑暗中。第二组暴露于1Hz的光刺激下（持续时间100ms，5流明）。第三组在暴露于1Hz光刺激之前用1%的阿托品进行了预处理。第四组接受2%的毛果芸香碱预处理，并置于黑暗中。

（B）注射hAβ30分钟后，四组的视神经代表性背景减去热图，注射hAβ120分钟后验尸组。

（C）四组（n=6~19）视神经的平均荧光强度分布。

（D）hAβ信号映射为总信号，峰值强度和hAβ传输距离（n=6~19，*P<0.05; **P<0.01; ***P<0.001; ns，P=0.0756，采用单向方差分析，然后进行Dunnett事后检验）。

（E）在有或没有阿托品预处理的情况下，红外瞳孔测量法跟踪瞳孔大小和光诱发的收缩。通过自动阈值法确定瞳孔面积（mm2）。

（F）在有和没有阿托品的情况下，暗暴露和光刺激的小鼠中的代表性瞳孔测量记录。

（G）左：这几组瞳孔面积方差的比较（n=3，**P<0.01，单向方差分析，然后进行Dunnett多重比较）。

中：对这几组瞳孔反应进行频谱分析，计算方法为1Hz频带的百分比（n=3~6，*P<0.05，单向方差分析，然后进行Dunnett多重比较）。

右：这几组瞳孔直径随实验时间的变化而变化。

（B和E）比例尺为500μm

类淋巴系统与青光眼

此外，该团队还想了解当废物运输效果欠佳时，类淋巴系统与眼部疾病的关系。为了更好地了解废物运输与青光眼之间的联系，研究人员检测了两种不同的青光眼小鼠模型。青光眼是通过损伤视神经而导致失明。

尽管研究人员预测较高的眼内压会促进淀粉样蛋白从眼中排出，但患有青光眼的小鼠眼中反而保留了许多有毒蛋白质。Nedergaard研究小组的研究结果表明，青光眼与眼睛类淋巴排毒通路功能异常之间存在联系。（图3）

图3. 两种不同的青光眼鼠模型中，椎板屏障的破坏揭示了眼类淋巴管流出的重定向和病理学增强

（A）DBA/2J菌株和慢性CLS模型（CD-1）中疾病进展的示意图（44，46）。

（B）在年轻、中年和老年DBA/2J小鼠和老年D2对照小鼠以及CD-1 CLS和CD-1对照小鼠内注射hAβ30分钟后，视神经的代表性背景减除热图。

（C）与相应的对照相比，老年DBA/2J或CD-1 CLS中hAβ沿视神经分布的平均荧光强度（n=6~11）。（D）与相应的对照组比较，老年DBA/2J或CD-1 CLS中的总hAβ信号（n=6~11，*P<0.05，Kruskall-Wallis，然后对DBA/2J模型进行Dunn事后检验，对CLS模型进行未配对双尾t检验）。

（D）玻璃体内注射AF-右旋糖酐30分钟后，老年DBA/2J和D2对照小鼠的视神经的代表性背景减去热图。

（F）与相应对照相比，老年DBA/2J或CD-1 CLS中AF-葡聚糖沿视神经的平均荧光强度分布（n=6~9）。（G）与相应的对照相比，来自老年DBA/2J或CD-1 CLS视神经中不同大小AF-葡聚糖的总信号（n=4~10，*P<0.05，**P<0.01和***P<0.001，未配对双尾t检验或Mann-Whitney检验）。

（H）老年DBA/2J小鼠视神经中的总hAβ或AF-葡聚糖信号与视网膜上RGC密度的函数关系图（n=6~8）。（I）来自年轻D2对照和老年DBA/2J小鼠的神经胶质层区域的电子显微照片。

（I）实时TMA+离子电渗疗法测量的示意图。

（K）α（细胞外空间）和λ（细胞外弯曲度）的TMA+测量（n=6~20，α的P=0.765，λ的P=0.177，未配对双尾t检验）。

注：（B和E）比例尺为500μm和（I）比例尺为0.5μm

来源：https://medicalxpress.com/news/2020-04-discovery-scientists-eyes-cellular-debris.html