Головной мозг представлен тканью с высокой метаболической активностью, для удовлетворения которой этот орган, составляя всего 2% от массы тела, потребляет 20% всего поступающего кислорода и глюкозы. Поражение головного мозга приводит к нарушению поступления кислорода и нутриентов с развитием энергодефицита, сопровождающегося отеком головного мозга (ОГМ) – тяжелого жизнеугрожающего состояния, ухудшающего прогноз заболевания.
С середины XX в. по настоящее время используются классические методы коррекции ОГМ, не имеющие серьезной доказательной базы, такие как введение маннитола или гипертонического солевого раствора, гипервентиляция, а в критических случаях – декомпрессионная краниотомия.
Прошедшие 30 лет ознаменовались значимыми открытиями в физиологии и патологии обмена жидкости в центральной нервной системе (ЦНС), в том числе сопровождающегося накоплением воды в паренхиме мозга. Это может способствовать пересмотру подходов к терапии ОГМ, основанной на молекулярной биологии транспортных систем воды и электролитов через барьеры головного мозга.
Жидкостные пространства головного мозга
Жидкостный компонент головного мозга представлен четырьмя обособленными пространствами: внутриклеточным – объемом около 1100 мл; тремя внеклеточными (внутрисосудистое и интерстициальное – объемом около 100 мл, а также цереброспинальная жидкость с содержимым периваскулярных пространств Вирхова – Робина – объемом 150-170 мл). Данные жидостные пространства разделены друг от друга барьерными системами, способствующими сохранению своего уникального состава, необходимого для наиболее оптимального функционирования нейрональной ткани.
Внутрисосудистое пространство представлено кровью, притекающей по артериальному звену кровотока, осуществляющей гематотканевой обмен на капиллярном уровне и оттекающей по венозному звену. Артериальный приток осуществляется внутренней сонной и позвоночной артериями, соединяющимися у основания черепа в виллизиев круг, от которого отходят три крупных (передняя, средняя и задняя мозговые) и множество мелких артерий, проникающих в головной мозг с его поверхности.
Проникающие артерии находятся в воронкообразном углублении поверхности головного мозга (pial funnel, «пиальная воронка»), выстланным мягкой мозговой оболочкой, плотно прилегающей к поверхности полушарий. При этом формируются периваскулярные пространства Вирхова – Робина (ПВП), сопровождающие артерии до капиллярного уровня и заполненные спинномозговой жидкостью (СМЖ).
На уровне капиллярной сети сосудистая стенка начинает плотно прилегать к пограничному глиальному слою и ПВП исчезает. Капиллярная сеть дренируется в венозную систему, также окруженную ПВП и представленную системой глубоких и поверхностных вен головного мозга. Глубокие вены головного мозга дренируются в большую мозговую вену (Галена), поверхностные – выходят на поверхность полушарий головного мозга, дренируясь посредством мостиковых вен и венозных лакун в синусы головного мозга.
Внутрисосудистое пространство выполняет важную функцию снабжения нейрональной ткани кислородом и нутриентами, а также элиминации продуктов метаболизма из головного мозга. Стоит также отметить, что внутрисосудистое пространство головного мозга является единственным водным сектором, способным, в отличие от внутриклеточного пространства и СМЖ, приносить жидкость в интерстициальное пространство головного мозга извне, что играет важную роль при развитии ОГМ.
Интерстициальное пространство заполнено жидкостью, омывающей клеточные элементы и выполняющей функцию резервуара жидкости, электролитов, нутриентов и нейротрансмиттеров для обеспечения нейрональной ткани. Жидкость, электролиты, нутриенты и прочие вещества поступают в нейроциты из межклеточной жидкости. В нее же из нейроцитов поступают продукты метаболизма, нейромедиаторы и электролиты.
Поддержание оптимального состава межклеточной жидкости обеспечивают астроциты, глиальные клетки, поддерживающие оптимальный электролитный баланс и элиминирующие из межклеточной жидкости продукты метаболизма и нейромедиаторы.
Интерстициальная жидкость не является статичной, она осуществляет движение со скоростью 0,15-0,29 мкл/г/мин, в основном за счет пассивной диффузии. При этом вследствие узких размеров и извилистости межклеточного пространства крупные молекулы, наподобие альбумина, ограничены в скорости распространения и преодолевают 1 мм примерно за 10 ч.
Клеточные элементы ЦНС представлены нейроцитами (нейронами) и глиальными элементами: астроцитами, олигодендроцитами и микроглией. В физиологии обмена жидкости и электролитов головного мозга важны внутриклеточные пространства нейроцитов и астроцитов. Внутриклеточное пространство содержит высокую концентрацию калия, главного внутриклеточного катиона, необходимого для передачи импульса по нейронам, а также являющегося внутриклеточным носителем осмолярности. Сохранность водно-электролитного состава клетки обеспечивается мембранными транспортными системами.
СМЖ заполняет желудочковую систему, цистерны и субарахноидальное пространство головного мозга, а также периваскулярные пространства головного мозга. СМЖ выполняет функцию механической поддержки головного мозга, водноэлектролитного гомеостаза, удаления продуктов метаболизма и нейротрансмиттеров из ЦНС.
Традиционно считается, что СМЖ синтезируется в хориодальных сплетениях желудочковой системы головного мозга. Далее СМЖ через отверстия Монро боковых желудочков проникает в третий желудочек, а из него посредством сильвиева водопровода – в четвертый желудочек. Из четвертого желудочка СМЖ через отверстия Можанди и Люшка проникает в цистерны и субарахноидальное пространство спинного и головного мозга.
Из субарахноидального пространства СМЖ экскретируется в синусы головного мозга посредством грануляций путинной оболочки либо в лимфатическую систему посредством цервикальных лимфатических сосудов и периневральных субарахноидальных пространств. Несмотря на то что клиническая картина нарушения ликвородинамики в общем подтверждает данную теорию, новые данные предполагают наличие образования и реабсорбции СМЖ на всех уровнях ЦНС, а также в ряде ситуаций – наличие ретроградной ликвородинамики.
Ввиду свободного проникновения СМЖ из субарахноидального пространства вдоль хода церебральных сосудов ряд авторов предполагают наличие системы циркуляции по системе ПВП, функционирующей как церебральная лимфатическая система. Считается, что СМЖ под воздействием артериальной пульсации движется в сторону капиллярной сети, на уровне которой проникает в параваскулярное пространство, расположенное между ножкой астроцита и капилляра, а из него – в интерстиций. На венозном конце капиллярной сети интерстициальная жидкость выделяется в венозное ПВП и движется в субарахноидальное пространство. Другие данные опровергают однонаправленное артериовенозное движение СМЖ вдоль сосудов головного мозга, оставляя вопрос функционирования параваскулярной циркуляции открытым.
Авторы, впервые описавшие наличие циркуляции в ПВП, назвали ее, по аналогии с лимфатической системой, церебральной глимфатической (глиальной лимфатической) системой. Учитывая высокую плотность кровоснабжения головного мозга с интеркапиллярным расстоянием в сером веществе 17-58 мкм, глимфатическая циркуляция способна охватывать все области головного мозга, и предполагается, что она играет важную роль в интрацеребральной циркуляции нутриентов и продуктов метаболизма, сигнальных агентов, иммуноглобулинов и иммунных клеток. Также глимфатическая система может являться вторым по значимости местом как секреции (после хориодальных сплетений), так и реабсорбции (после грануляций паутинной оболочки) СМЖ субарахноидального пространства.
Барьеры головного мозга
Поддержание постоянства интерстициальной жидкости обеспечивает ряд барьеров, отграничивающих ее от других жидкостных пространств ЦНС. Наиболее важная роль принадлежит гематоэнцефалическому барьеру (ГЭБ), контактирующему с более чужеродным внутрисосудистым пространством.
Движение воды через мембраны биологических барьеров осуществляется несколькими путями: простой диффузией, путем котранспорта через транспортеры электролитов и глюкозы, а также аквапоринами (АП) – специфическими системами транспорта воды.
Транспорт путем простой диффузии через билипидный слой клеточной стенки имеет очень малую скорость и малозначим для водного обмена. Котранспорт воды осуществляется посредством ряда транспортных систем, переносящих через мембрану электролиты, возбуждающие аминокислоты и глюкозу. Главной характеристикой котранспортной системы является зависимость водного потока от потока транспортируемого вещества через мембрану.
Специфическая система транспорта воды представлена АП, открытыми в 1991 г. и являющимися семейством интегральных мембранных протеинов массой около 30 кДа, формирующими селективные мембранные каналы для транспорта воды. У АП – структурная конфигурация по типу песочных часов, имеющих два преддверия по обе стороны мембраны, объединенные в середине узкой частью, являющейся фильтром, ответственным за водоспецифичность. АП являются тетрамерами, причем каждый мономер имеет свой собственный водный канал.
АП являются пассивными каналами, они не требуют затрат энергии и пропускают воду в обоих направлениях. Главной движущей силой воды, в физиологических условиях определяющей вектор и темп потока воды через АП, является градиент осмолярности, определяемый преимущественно потоками катионов натрия и калия. Кроме того, темп потока воды через АП может регулироваться плотностью расположения АП на мембране или путем фосфорилирования каналов, изменяющей их пропускную способность. АП обладают высокой пропускной способностью, и считается, что наличие молекул АП способно 50-кратно увеличить водную проницаемость мембраны.
Семейство АП представлено 13 типами и разделено на три подгруппы: селективные АП (АП 0, 1, 2, 4, 5, 6, 8), пропускающие только воду, акваглицеропорины (АП 3, 7, 9, 10), наряду с водой, пропускающие молекулы глицерина, мочевины, ионы калия и хлора, кислород, углекислый газ, аммиак и окись азота. Также выделяют подгруппу супераквапоринов (АП 11, 12), расположенных внутриклеточно, роль которых в организме не совсем ясна.
В ЦНС широко представлено три АП (АП 1, 4, 9), однако имеются данные о наличии других типов, роль которых в настоящее время мало изучена. АП-1 широко представлен на эпителиоцитах хориодальных сплетений, а также в задних рогах спинного мозга и ганглиях тройничного нерва. АП-9 представлен в астроцитах, эпителии субпиальных сосудов и катехоламинергических нейронов, а участие в процессах транспорта грицерола позволяет предположить его важность в процессах углеводного энергетического обмена.
Играющий важную роль в патогенезе ОГМ, АП-4 расположен преимущественно на ножках астроцитов, окружающих капилляры головного мозга, а также отростков астроцитов пограничной глиальной мембраны, клетках эпендимы и субэпендимальных астроцитов. Широкая представленность АП-4 в барьерных структурах головного мозга позволяет предположить его ведущую роль в регулировании водного баланса интерстициальной жидкости.
Особо важная роль АП-4 отводится в функционировании ГЭБ, где он представлен на мембране конечной ножки астроцита, прилегающей к базальной мембране капилляра и имеет плотность расположения 100-400/мкм2, в отличие от его плотности 10-20/мкм2 в других участках астроцита. Такое специфичное расположение АП-4 на мембране астроцита достигается путем его закрепления специфическим якорным протеином а-синтрофин, ингибирование синтеза которого приводит к нарушению строго апикальной локализации АП. Активность АП регулируется его фосфорилированием, а также воздействием сигнальных протеинов, осуществляющих клеточный осмо- и волюмоконтроль.
Учитывая преимущественно пассивное проникновение воды через мембраны барьерных систем, ее движение осуществляется в соответствии с уравнением Старлинга: J = Ko(πc – πi) + Kh(Pc – Pi), где отражена зависимость вектора и интенсивности водообмена от ряда факторов. К этим факторам относятся коэффициенты осмотической (Ko) и гидростатической (Kh) проницаемости, капиллярная (πc) и интерстициальная (πi) осмолярность, а также капиллярное (Pc) и интерстициальное (Pi) гидростатическое давление.
В физиологических условиях движущей силой перемещения жидкости через барьеры является преимущественно градиент осмолярности, создаваемый движением катионов и анионов через мембрану. Трансмембранный транспорт электролитов, в первую очередь натрия, и его регулирование осуществляются специфическими транспортными системами.
В условиях церебрального повреждения, при нарушении анатомической целостности ГЭБ, к осмотическому градиенту в качестве движущей силы присоединяется градиент гидростатического давления, что ведет к прогрессированию ОГМ.
Гематоэнцефалический барьер
Высокая плотность капиллярной сети мозга формирует большую капиллярную поверхность, составляющую 20 м2, что важно для обеспечения высокой потребности мозга в доставке нутриентов и элиминации продуктов метаболизма. Вместе с тем для оптимального функционирования ЦНС капиллярная мембрана должна обладать высокой селективностью для проницаемости растворенных в крови веществ, что обеспечивается ГЭБ.
Уникальность ГЭБ заключается в двухслойном строении, представленном слоем эндотелиоцитов, окруженных перицитами и базальной мембраной, и слоем астроцитарных ножек, плотно охватывающих всю поверхность капилляра.
Эндотелиоциты большинства капилляров отделов головного мозга имеют уникальную особенность в виде наличия межклеточных плотных контактов (МПК), исключающих неконтролируемый парацеллюлярный транспорт веществ. МПК обеспечивается трансмембранными (окклюдины, клаудины) и связанными с ними цитоплазматическими протеинами (зональный окклюдин-1, цингуллин и пр.) и обусловливают очень тесный контакт между прилегающими эндотелиоцитами. Выделяют люминальную (просветную, апикальную) и аблюминальную (внепросветную, базолатеральную) поверхность эндотелиоцитов, мембрана которых имеет различные белковые системы для транспорта воды, электролитов и прочих веществ.
Перициты покрывают около 20% капиллярной поверхности и не выполняют барьерной функции. Они плотно прилегают к эндотелиоцитам, образуя синапсовидный контакт с участием N-кадгерина и коннексина, позволяющих обмениваться ионами, метаболитами и медиаторами. Перициты содержат большое количество актина и выполняют функцию сократительных клеток, регулирующих просвет и кровоток капилляров. Также имеются данные о фагоцитарной активности перицитов, их влиянии на целостность ГЭБ, участие в ангиогенезе и, возможно, роли мультипотентных стволовых клеток.
Базальная мембрана представлена плотным белковым слоем толщиной 40-50 нм, содержащим коллаген IV типа, гепаринсульфат протеогликан, ламинин, фибронектин и ряд прочих белков. Базальная мембрана покрывает слой эндотелия и перицитов, отделяя его от астроцитарных ножек.
Второй слой ГЭБ образован астроцитарными ножками, представляющими собой плоские утолщения на концах отростков, массив которых мозаично охватывает 99,7% поверхности сосудов, формируя второй слой ГЭБ. Ножки астроцитов, охватывающие капилляры, имеют более широкие, по сравнению с эпителиоцитами, межклеточные пространства, составляющие 20 нм, что допускает парацеллюлярный транспорт не только жидкости с электролитами, но и макромолекул. Это снижает барьерную ценность астроцитарного слоя, и, таким образом, основная нагрузка по ограничению массообмена лежит на эпителиальном слое ГЭБ.
Между эндотелиальным и астроцитарным слоем ГЭБ имеется пространство, которое, по мнению ряда авторов, может сообщаться с артериальным и венозным ПВП и функционировать как промежуточное звено глимфатической системы мозга.
В физиологических условиях ГЭБ ограничивает проникновение как макромолекул, так и ионов. Об ограничении ионной проницаемости ГЭБ свидетельствует исследованное трансэндотелиальное электрическое сопротивление церебрального эпителия, составляющее около 1 500 Ом/см2, в отличие от 3-33 Ом/см2 в других тканях. Также ГЭБ выполняет функцию иммунологического барьера, предотвращая неконтролируемое проникновение в нейрональную ткань иммунокомпетентных клеток, иммуноглобулинов и медиаторов воспаления.
Несмотря на высокую изолированность нейрональной ткани, эксперименты с применением диоксида дейтерия и трития показали, что в физиологических условиях через ГЭБ осуществляется интенсивный водообмен. До 70-80% воды, содержащейся в перфузируемой мозг крови, проникает через ГЭБ. То есть при темпе перфузии 680 мл/мин суточный объем жидкости, поступаемой в мозг, может составлять 685 л/сут. Несмотря на столь высокий объем поступающей жидкости, накопления ее в ткани головного мозга не происходит за счет столь же высокого темпа выведения жидкости из ткани головного мозга, что обеспечивает нулевой жидкостный баланс интерстициального пространства. При этом метаболическая продукция воды в объеме 60 мл/сут в жидкостном балансе мозга существенной роли не играет.
ГЭБ не является функционально статичным образованием. В зависимости от функциональной активности нейроцитов через него динамично меняется скорость кровотока, обмена жидкости и растворенных в ней веществ. Для описания зависимости обеспечения нейроцитов от деятельности других клеток введен термин «нейроваскулярная единица», включающая нейроциты, нейроглию, клетки сосудистого эндотелия и гладкомышечные клетки сосудов. Именно слаженная работа элементов нейроваскулярной единицы позволяет практически моментально увеличивать доставку кислорода и нутриентов и выведение продуктов метаболизма при активизации работы нейронов.
Главными носителями осмолярности, определяющими вектор и темп движения воды через ГЭБ, являются катионы натрия, движение которых через мембрану осуществляется рядом транспортных систем. На люминальной мембране транспорт натрия осуществляют Na-C-2Cl-котранспортер (NKCC1) и натрий-водородный обменный насос (NHE1 и NHE2), удаляющий протоны водорода из клетки в обмен на натрий. На аблюминальной мембране главной транспортной системой является Na-K-АТФ-аза, удаляющая натрий из клетки в паравазальное пространство. Также на люминальной и аблюминальной мембранах располагаются котранспортеры натрия и бикарбонатов NBCel и NBCnl, роль которых в транспорте натрия, вероятно, менее значима.
Транспортировка воды через эпителий, ввиду отсутствия на ней АП, осуществляется, вероятней, несколькими механизмами, включающими пассивную диффузию, котранспорт через транспортеры глюкозы, Na-C-2Cl-котранспортер (NKCC1) и К-Cl-котранспортер (КСС), а также путем трансцитоза.
Ликвороэнцефалический барьер
Ликвороэнцефалический барьер (ЛЭБ) имеет различную структуру в зависимости от анатомической локализации. В желудочковой системе головного мозга ЛЭБ сформирован одним слоем эпендимиоцитов с подлежащим слоем пограничной глии, представленной переплетающимися отростками атипичных волокнистых астроцитов, формирующих сложную двухуровневую сеть. На наружной поверхности головного мозга ЛЭБ представлен мягкой мозговой оболочкой, также имеющей подлежащий слой пограничной глии.
Эпендима желудочковой системы мозга представлена эпендимоцитами, соединенными щелевыми контактами с межклеточным расстоянием 2-4 нм, позволяющим осуществлять парацеллюлярный транспорт протеинов с молекулярной массой до 560 кДа. Трансэпендимальный транспорт воды осуществляется преимущественно АН-4, расположенным преимущественно на базолатеральной мембране эпендимоцитов.
Несмотря на высокую проницаемость, результаты экспериментальных работ показывают, что эпендимальная выстилка желудочков представляет собой барьер, способный регулировать транспорт воды и растворенных в ней веществ в обоих направлениях. Функциональное состояние эпендимы при отеке мозга неизвестно, хотя известно, что при ряде патологических состояний, в частности сопровождающихся формированием внутричерепной гипертензии, эпендимальный слой подвергается апоптозу, обнажая подлежащий слой пограничных астроцитов.
Клеточный барьер
Клеточный барьер принимает активное участие в регулировании клеточного объема при его изменении. Коррекция клеточного объема осуществляется путем активации механизмов регуляторного увеличения или уменьшения жидкости (regulatory volume increase, RVI и regulatory volume decrease, RVD). Данные механизмы основаны на изменении внутриклеточной осмолярности, приводящей к движению воды по градиенту осмолярности.
Регуляторное увеличение жидкости происходит при уменьшении внутриклеточного объема и осуществляется активацией Na/H- и Na/K/2Cl-транспортеров, в частности NHE1 и NKCC1, приводящей к увеличению внутриклеточной концентрации натрия. Также возможно участие неселективных, амилорид-чувствительных катионных каналов (NSCCs). Регуляторное уменьшение жидкости достигается снижением внутриклеточной концентрации калия путем активации калиевых каналов либо К/Cl-котранспортера с выделением калия во внеклеточное пространство. Данные механизмы актуальны для большинства типов клеток, кроме ряда возбудимых клеток, в том числе и нейроцитов.
Поддержка внутриклеточной изоосмолярности нейроцитов осложнена электрофизиологической активностью в виде генерации и распространения потенциала действия, сопровождающаяся трансмембранным потоком электролитов, в первую очередь натрия, внутрь клетки. Это приводит к транзиторному отеку клетки, который быстро купируется активностью Na/K-АТФ-азы, элиминирующей внутриклеточный натрий. В условиях внутриклеточного энергодефицита поддержание внутриклеточного объема становится невозможным и развивается стойкий отек нейроцита.
Отек головного мозга
Отек головного мозга (ОГМ) является одной из морфологических форм острого повреждения центральной нервной системы (ЦНС), проявляется накоплением жидкости в интерстиции и увеличением объема ткани мозга.
Данная форма поражения ЦНС впервые описана в середине – конце 1700-х годов в виде варианта увеличения объема ткани головного мозга, не сопровождающегося вентрикулодилатацией. В начале 1800-х годов Александр Монро и Джордж Келли сформулировали концепцию, описывающую зависимость объема внутричерепного содержимого от баланса притекающей и оттекающей из черепа жидкости, что частично объясняло генез ОГМ.
В начале XX в. было дано описание неоднородности морфологических проявлений ОГМ, который стали подразделять на «влажную» и «сухую» формы, именуя их набуханием (“brain swelling”) и отеком (“cerebral oedema”) соответственно.
Близкое к современной классификации разделение ОГМ на «цитотоксический», характеризующийся увеличением объема нейронов и нейроглии, и «вазогенный», вызванный увеличением объема интерстиция, было предложено в 1967 г. на основании микроструктурных изменений, выявленных при проведении электронной микроскопии. Данная концепция сохранилась до настоящего времени, являясь основой современной классификации ОГМ.
Исследовательские данные показали, что в первые минуты после перенесенного нейронального повреждения развивается цитотоксический отек, к которому спустя время присоединяется дисфункция эпителия капилляров ОГМ с накоплением жидкости в интерстициальном пространстве.
Эндотелиальная дисфункция протекает в несколько стадий, сопровождающихся сначала функциональной (ионный отек), а затем и анатомической (вазогенный отек и геморрагическое преобразование) недостаточностью гематоэнцефалического барьера (ГЭБ). Основным негативным следствием эпителиальной дисфункции является грубое нарушение гомеостаза интерстициального пространства, зачастую не совместимое с жизнедеятельностью нейроцитов.
В результате накопления жидкости в интерстиции мозга происходит увеличение его объема с развитием масс-эффекта, что в условиях ригидного черепа сопровождается развитием внутричерепной гипертензии. Внутричерепная гипертензия, в соответствии с концепцией Монро – Келли, ведет к снижению внутрисосудистого (самого уязвимого) жидкостного компонента и прогрессированию ишемии мозга. В случае развития тяжелой внутричерепной гипертензии масс-эффект приводит к смещению его структур с ущемлением стволовых отделов в наметах мозжечка с нарушением функции жизненно важных центров.
Цитотоксический отек
Первый вид отека, цитотоксический (отек-набухание), развивается в первые минуты после повреждения ткани головного мозга и характеризуется увеличением объема нейроцитов и клеток нейроглии, в первую очередь астроцитов. Известно, что астроциты – единственные клетки ЦНС, способные быстро изменить объем. Учитывая 20-кратное преобладание численности астроцитов над нейроцитами, за развитие цитотоксического отека в первую очередь ответственны увеличение объема и удлинение отростков астроцитов. Это явление также называется реактивным астроглиозом.
Отличительной особенностью данной стадии является отсутствие анатомического и функционального нарушения ГЭБ. Однако при развитии этой стадии формируются условия, в первую очередь в виде снижения концентрации интерстициального натрия, способствующие развитию последующих стадий ОГМ.
В основе патогенеза цитотоксического отека лежит внутриклеточное накопление осмотически активных веществ, которые по градиенту осмолярности способствуют перемещению воды из интерстиция во внутриклеточное пространство. К осмотически активным агентам относят ионы натрия, калия, хлора и молекулы глютамата.
Основным осмотическим первичным агентом является натрий, в физиологических условиях элиминирующийся из клетки посредством Na-K-АТФ-азы. В условиях энергодефицита активность данной транспортной системы резко снижается и натрий накапливается внутри клеток мозга.
Кроме угнетения Na-K-АТФ-азы, в накоплении ионов натрия участвует Na-K-2Cl- котранспортер (NKCC1), который в физиологических условиях представлен на мембране астроцитов всех областей головного мозга. Кроме того, после перенесенной ишемии или в условиях острой печеночной недостаточности активность NKCC1 резко возрастает ввиду фосфорилирования и увеличения его экспрессии на мембране астроцитов.
В результате проведения экспериментальных работ выявили развитие NKCC1-зависимого отека астроцитов в условиях накопления внеклеточного калия, а также установили, что использование ингибиторов NKCC1 приводит к уменьшению проявления ОГМ. Аналогичным образом исследования NKCC1-нулевых мышей показали их большую резистентность к развитию постгипоксического ОГМ.
Также за развитие ОГМ может быть ответственен канал моновалентных катионов SUR1-TRPM4, de novo синтезирующийся в ответ на нейрональное повреждение. В физиологических условиях на мембране астроцитов представлен катионный канал с транзиторным рецепторным потенциалом (Transient receptor potential cation channel subfamily M member 4) TRPM4, осуществляющий трансмембранный транспорт, в том числе ионов натрия. В условиях нейронального повреждения происходит активный синтез рецептора сульфонилмочевины (SUR1), который, присоединяясь к TRPM4, усиливает его активность в разы. Имеющиеся экспериментальные данные показывают, что ингибирование SUR1-TRPM4 предотвращает развитие ОГМ.
Гипоксия сопровождается накоплением лактата с развитием внутриклеточного ацидоза. В разрешении ацидоза принимают участие две транспортные системы, активность которых также сопровождается поступлением натрия в клетку. К первой относится Na-H-обменный насос NHE, обменивающий внутриклеточные ионы Н+ на внеклеточный натрий. Ко второй относится Na-HCO3 -котранспортер NBCe, осуществляющий котранспорт ионов Na и бикарбоната внутрь клетки. В результате экспериментальных работ выявили снижение выраженности ОГМ при ингибировании NHE у лабораторных мышей.
В фазу реперфузии, при купировании энергодефицита, преобладающим механизмом цитотоксического отека является активизация функции астроцитов, обеспечивающей поддержание оптимального состава интерстициальной жидкости и, в частности, содержания в ней глютамата и калия. Санационная функция астроцитов критична для выживания нейроцитов, особенно в острой стадии повреждения ЦНС. Длительное же неблагоприятное воздействие на ЦНС приводит к декомпенсации функции астроцитов, их функциональной несостоятельности и потери целостности нейроваскулярной единицы.
Глютамат интерстициальной жидкости в физиологических условиях поддерживается на уровне 10 ммоль/л, а в условиях нейронального повреждения, вследствие синаптического высвобождения и нейронального лизиса, его концентрация возрастает более чем до 200 ммоль/л. Известно, что отек астроцитов развивается при достижении концентрации внеклеточного глютамата в интервале 5-50 ммоль/л. За внутриклеточный транспорт глютамата с котранспортом ионов натрия и воды ответственны транспортеры возбуждающих аминокислот 1-го (ЕААТ1) и 2-го (ЕААТ2) типов, которые в физиологических условиях представлены на мембране астроцитов зрелого мозга. Также экстрацеллюлярный глютамат активирует глютаминовые рецепторы, активирующие транспортеры NKCC1, что увеличивает проницаемость мембраны астроцитов для натрия. Экспериментальные данные показали редукцию глютамат-опосредованного отека клеток при удалении внеклеточного натрия и хлора, а также при использовании ингибиторов NKCC1.
После перенесенной гипоксии в результате нарушения обратного захвата в интерстициальном пространстве происходит накопление калия до 60 ммоль/л, что также активирует NKCC1 в нейронах и астроцитах. Элиминация калия из интерстициального пространства также является одной из функций астроцитов и осуществляется также Na-K-2Cl- котранспортером NKCC1. В настоящий момент неясно, что первично активизирует NKCC1. Имеются предположения, что первичным пусковым моментом является именно накопление внеклеточного калия.
Вслед за формированием осмотического градиента в астроцит начинает устремляться вода, движение которой осуществляется тремя основными механизмами: простой диффузией, трансмембранными водными каналами и посредством симпорта через котранспортные мембранные протеины. Простая диффузия через липидный слой имеет небольшую значимость ввиду своей низкой емкости. Трансмембранные водные каналы легкопроницаемы для воды, которая движется в одну из сторон по градиенту осмолярности. К представителям таких каналов относятся семейство аквапоринов (АП), а также ряд транспортных мембранных белков, таких как SGLT1, GLUT1 и GLUT2.
Каналы аквапорина-4 (АП-4), в норме полярно экспрессированые на эндотелиально-ориентированной плазмолемме астроцитов, в условиях нейронального повреждения претерпевают ряд изменений, приводящих к увеличению потока воды внутрь клетки. Во-первых, в патологических условиях наблюдается увеличение экспрессии АП-4 на мембране активизирующихся астроцитов, вероятно, за счет активизации их синтеза. Исследования показывают очень высокую, оцениваемую в секунды и минуты, скорость изменения активности АП после перенесенного повреждения нейрональной ткани.
Во-вторых, ввиду нарушения синтеза а-синтрофина наблюдается нарушение полярности расположения АП-4 с их миграцией на прочие участки плазмолеммы астроцита, что, возможно, является механизмом предотвращения избыточного поступления воды из кровотока. Эксперимент на а-синтрофин-нулевых мышах выявил снижение экспрессии АП-4 на мембране астроцита и меньшую степень цитотоксического отека после перенесенной ишемии.
Альтернативной теорией нарушения полярности АП на мембране астроцитов может послужить важная роль АП-4 в постстрессорном изменении морфологии, миграции и делении астроцитов, важном для выживания нейроцитов. В этих условиях перераспределение АП-4 на мембране астроцита является значимым адаптационным механизмом.
Важность АП в развитии цитотоксического отека доказывает ряд экспериментальных работ, выявивших снижение водной проницаемости плазмолеммы астроцита в 5-7 раз у АП-4-нулевой популяции мышей, уменьшение отека при ингибировании АП-4 или у АП-4-нулевой популяции мышей. Кроме того, известно, что избыточная экспрессия АП у мышей приводит к ускорению развития цитотоксического ОГМ после перенесенной гипоксии.
Развитие цитотоксического отека не ведет к увеличению объема ткани мозга и внутричерепной гипертензии ввиду того, что является, по сути, формой перераспределения электролитов и воды между жидкостными пространствами без накопления последней внутри пространства черепа. Однако за счет формирования дефицита натрия в интерстициальном пространстве создается движущая сила для перемещения натрия и воды из внутрисосудистого пространства с формированием последующих стадий церебрального отека. Это сформировало новую парадигму отека мозга, главным условием развития которого является наличие перфузии для снабжения электролитами и жидкостью, и рассматривает его как форму реперфузионного повреждения.
Важность перфузии поврежденной нейрональной ткани в формировании последующих стадий отека мозга подтверждает ряд работ, показывающих, что в зоне ишемического ядра, лишенного перфузии, преобладает цитотоксическая форма отека, не сопровождающаяся отеком ткани мозга. В области же пенумбры и интактной ткани, окружающей очаг повреждения, отек ткани мозга развивается вследствие накопления жидкости в интерстициальном пространстве. Экспериментальные модели реперфузии также показывают важность наличия перфузии пораженных участков для развития истинного ОГМ.
Ионный отек
Фаза ионного отека представляет собой функциональное нарушение проницаемости анатомически сохранного ГЭБ. Фаза ионного отека характеризуется сохранностью межклеточных плотных контактов (МПК) сосудистого эпителия, исключающей парацеллюлярный транспорт макромолекул, и, в первую очередь, белков из крови в интерстиций.
Отек в эту фазу формируется за счет трансэпителиального потока натрия из сосудистого пространства, вместе с которым для сохранения электронейтральности перемещаются ионы хлора, а для сохранения осмонейтральности – вода.
Для преодоления эпителиоцита натрий пересекает люминальную и аблюминальную мембрану, каждая из которых имеет свои транспортные системы. На люминальной мембране эпителиоцита основной транспорт натрия осуществляет Na-K- Cl-котранспортер NKCC1, активность которого в условии ишемии повышается, ингибирование которого в экспериментальных условиях предотвращает развитие ионного отека. Еще одним механизмом захвата натрия эпителиоцитами является ацидоз-зависимая активизация Na-H-обменного насоса NHE1, осуществляющего антипорт внутриклеточного водорода и натрия, и применение ингибиторов которого снижает проявления ионного отека.
Выделение натрия на аблюминальной мембране эпителиоцита осуществляет АТФ-зависимый транспортер Na-K-АТФ-аза, однако в условиях постгипоксического энергодефицита его транспортная роль существенно снижается. В этих условиях роль переносчиков натрия начинает играть Na-Ca-обменный насос, в норме экспрессированный на аблюминальной мембране. Также выявлено, что в условиях церебрального повреждения на люминальной и аблюминальной мембране эпителиоцита активируется экспрессия Sur1-Trpm4 -канала, осуществляющего транспорт натрия в обоих направлениях.
Ввиду отсутствия АП на эпителиоцитах трансэпителиальный транспорт воды осуществляется преимущественно путем котранспорта. На люминальной мембране он осуществляется NKCC1-каналом и КСС-каналом на аблюминальной мембране. Также известно, что трансмембранные транспортеры глюкозы, в частности GLUT1, GLUT2 (расположены как на люминальной, так и на аблюминальной мембранах), SGLT1 (расположен только на люминальной мембране), могут функционировать как водные каналы. При этом трансмембранное движение воды не зависит от потока глюкозы. Несмотря на более низкую водную проницаемость этих транспортных систем, их значимость поддерживается более высокой экспрессией на плазмолемме эпителиоцита.
Также транспорт воды в интерстициальное пространство может осуществляться путем трансцитоза. Имеются данные о посттравматическом увеличении в капиллярах головного мозга аблюминально ориентированных эндоцитозных пузырьков, захватывающих содержимое сосудистого пространства и переносящих их в интерстициальное. Данный вид транспорта позволяет переносить не только воду и электролиты, но и крупные молекулы, в первую очередь белки. В более поздний период пузырьки меняют направление на люминальное, что позволяет предположить роль данного транспорта в разрешении ОГМ.
Открытие глимфатической системы позволило предположить ее важную роль в патогенезе ОГМ. Имеющиеся в настоящий момент данные не подтверждают существенную роль параваскулярного транспорта в развитии ОГМ, однако при этом не исключается важность глимфатической системы в его разрешении.
Вазогенный отек
Прогрессирование эндотелиальной дисфункции с ретракцией и округлением эпителиоцитов сопровождается разрушением МПК с формированием парацеллюлярных пространств. Это приводит к формированию парацеллюлярного транспорта жидкости и растворенных в нем веществ, в том числе и протеинов.
При этом в стадии вазогенного отека межклеточные пространства имеют размеры, не пропускающие форменные элементы крови в интерстициальные пространства, что является важным отличием от последней стадии ОГМ – геморрагического преобразования. Вазогенный отек сопровождается грубым нарушением гомеостаза интерстициального пространства, ведущим к нарушению жизнедеятельности нейронов.
Причина, механизм и физиологическая роль развития ретракции и деформации эпителиоцита не совсем ясны. Запускающими факторами могут являться воздействие тромбина, производных арахидоновой кислоты, возбуждающих нейротрансмиттеров, брадикинина, гистамина и свободных радикалов.
Сама по себе ретракция эпителиоцитов не сопровождается разрушением МПК, для этого необходимо воздействие ряда факторов. Одним из таких факторов является васкулоэндотелиальный фактор роста, активация которого приводит к снижению синтеза белков МПК, воздействие которого в раннюю фазу нейронального повреждения усиливает ОГМ. Интересно, что его воздействие в позднюю стадию приводит к улучшению неврологического исхода у мышей за счет активации ангиогенеза зоны пенумбры.
Также ингибировать синтез протеинов МПК могут моноцитарный хемоаттрактантный протеин-1, ангиопоэтин-1 и -2, а также интерлейкин-1бета и оксид азота. Также причиной нарушения структуры МПК может быть дисфункция астроцитов, играющих важную роль в его формировании.
Кроме ингибирования синтеза протеинов, вероятно, имеется и разрушение белков МПК и базальной мембраны. Известно, что после церебрального повреждения происходит активация матричных металлопротеиназ (ММП), разрушающих протеины МПК и БМ, а использование ингибиторов ММП приводит к регрессу ОГМ. Физиологическая роль ретракции эндотелиоцитов и разрушения их МПК заключается, возможно, в формировании условий для миграции лейкоцитов в паренхиму для очищения ткани от некротизированных элементов, что важно для разрешения ОГМ.
Существует также альтернативная теория вазогенной ОГМ, рассматривающая его как течение параваскулита, сопровождающегося воспалительно-опосредованным открытием ГЭБ. Эта воспалительная теория частично объясняет эффективность противовоспалительной терапии для купирования ОГМ, выявленную в ряде экспериментальных работ.
С учетом уравнения Старлинга вазогенный отек характеризуется присоединением к осмотическому гидростатического компонента, что в перспективе может иметь важное клиническое значение. Известно, что для поддержания перфузии мозга необходимо поддерживать адекватное церебральное перфузионное давление. Но при этом избыточное перфузионное давление может носить негативный характер за счет нарастания потока жидкости в интерстициальное пространство, что приводит к прогрессированию отека мозга.
Эту же точку зрения подтверждают и наблюдения, что ранняя декомпрессионная краниотомия, выполненная в фазу ионного отека, имеет благоприятное влияние, так как снижение паренхиматозного гидростатического давления не приведет к нарастанию потока жидкости в интерстициальное пространство. Поздняя же декомпрессионная краниотомия, выполненная в фазу вазогенного отека, может привести к прогрессированию ОГМ.
Геморрагическое преобразование
Прогрессирование эндотелиальной дисфункции сопровождается некрозом эпителиоцитов с увеличением межклеточного пространства до размеров, достаточных для прохождения клеток крови, и в первую очередь эритроцитов, что приводит к геморрагическому пропитыванию ткани мозга.
Геморрагическое пропитывание ведет к тяжелому нарушению гомеостаза интерстициального пространства, не совместимого с жизнью нейроцитов, и развитию геморрагического некроза. В формировании геморрагического преобразования играют роль те же механизмы, что и при развитии вазогенного отека.
Однако, вероятно, имеется ряд дополнительных малоизученных механизмов, ведущих к гибели эпителиоцитов и полному анатомическому разрушению ГЭБ. Известно, что гибели эндотелиоцитов могут способствовать избыточная экспрессия Surl-TRPM4, полное разрушение базальной мембраны, свободнорадикальное повреждение и воспалительные изменения эпителия. Кроме того, данный отек может случиться и первично после тяжелого механического повреждения ткани головного мозга.
Фаза геморрагического преобразования является самым тяжелым проявлением ОГМ и ассоциирована с более тяжелым исходом у данных пациентов.
Разрешение отека головного мозга
Механизмы разрешения ОГМ до конца не изучены. Вероятнее всего, оно достигается восстановлением целостности ГЭБ и удалением избыточной жидкости из интерстициального и внутриклеточных секторов головного мозга. Регенерация ГЭБ требует восстановления доставки кислорода и нутриентов, а также участия клеток, являющихся предшественниками эпителиоцитов каппилярной сети.
Удаление носителей осмолярности и воды из интерстиция может осуществляться тремя путями: в сосудистое русло через ГЭБ, через эпендиму в желудочковую систему и посредством параваскулярного транспорта в субарахноидальное пространство. Важность каждого из путей элиминации в настоящий момент не совсем ясна.
Элиминация воды через эпендиму, вероятно, имеет низкую емкость ввиду малой площади обмена. Традиционно основным путем удаления воды считается его обратный перенос через ГЭБ, однако с открытием глимфатической системы его значение в резорбции жидкости пересматривается. Механизмы обратного трансмембранного переноса электролитов и воды, вероятно, аналогичны таковым при его развитии. В них принимает участие в том числе и АП-4, блокирование которого замедляет разрешение отека мозга.
Перспективные направления терапии отека головного мозга
Комбинированный механизм ОГМ, включающий трансмембранный и парацеллюлярный перенос воды и носителей осмолярности, позволяет предположить сложность поиска эффективного терапевтического воздействия.
Применение маннитола, глюкокортикостероидов, гипервентиляции и декомпрессионной краниотомии до настоящего времени не получило серьезной доказательной базы своей клинической эффективности. Несмотря на способность данных консервативных методик эффективно купировать внутричерепную гипертензию и предотвращать вклинение и ущемление стволовых структур, эти подходы не влияют ни на выживаемость, ни на неврологический исход заболевания. Объяснением этих неудач может быть невозможность сохранения жизнеспособности выживших нейронов, продолжающих страдать в фазу реперфузии-реоксигенации от вторичного (отсроченного) повреждения, а также наличия осложнений со стороны жизненно важных органов.
В свете имеющихся данных о стадийности течения ОГМ, очевидно, что терапия, направленная на предотвращение и разрешение отека, должна зависеть от его фазы. Анатомическое разрушение ГЭБ в фазу вазогенного отека и геморрагического преобразования делает невозможным купирование ОГМ с помощью какого-либо фармакологического воздействия.
В фазу же цитотоксического и ионного отека перспективным направлением может быть применение ингибиторов ионных транспортных систем и АП. Однако их применение вызывает ряд вопросов и должно быть дифференцировано ввиду важности этих транспортных систем и в механизмах выведения жидкости из паренхимы головного мозга.
В этих условиях использование стандартных подходов нейрореанимации, таких как поддержание адекватной доставки кислорода, гликемии и церебральной перфузии, остается единственным действенным средством поддержания жизнеспособности выживших нейронов.
Использование терапевтической гипотермии также может быть полезным для терапии ОГМ. В частности, имеются данные о его благоприятном влиянии на течение нейротравмы у взрослых пациентов. Механизм благоприятного влияния терапевтической гипотермии, вероятно, заключается в снижении энергозатрат нейрональной ткани и ингибировании механизмов ее вторичного повреждения.
Заключение
Несмотря на имеющиеся данные о клеточных и субклеточных механизмах ОГМ, в настоящий момент отсутствует какой-либо действенный и высокоэффективный терапевтический подход. Однако эти данные позволяют сформировать новые ориентиры в поиске направлений терапевтического воздействия. Требуется дальнейшее изучение детальных механизмов функционального и анатомического нарушения элементов ГЭБ, так как именно его сохранение лежит в основе предотвращения накопления жидкости в интерстиции с последующим масс-эффектом.
А. А. Задворнов, А. В. Голомидов, Е. В. Григорьев
2017 г.