Neurodegenerative Diseases in Cerebrospinal Fluid

Neurodegenerative Diseases in Cerebrospinal Fluid: Comparison

Please note this is a comparison between Version 1 by Naoya Uemura and Version 1 by Naoya Uemura.

脳の病理学的プロセスは脳脊髄液（CSF）の成分に頻繁に反映されるため、CSFサンプルは診断に役立つ場合があります。CSFが脳室の脈絡叢上皮細胞から分泌された後、一部は脳内を流れ、一部は脳内間質液と混合され、一部は2つの主要な排液経路、すなわち血管内動脈周囲排液経路とリンパ系から排出されます。

biomarker
cerebrospinal fluid
choroid plexus
epithelial cell
tight junction

1.はじめに

脳脊髄液（CSF）は、側脳室、第3脳室、および第4脳室にある脈絡叢（CP）によって生成されます。血管新生化間質を伴うCPは、密着結合によって相互接続された上皮細胞の単層で覆われています（図1a ） [ 1、2 ]。CP実質の毛細血管の内皮細胞は有窓であり、血管内高分子が間質に通過することを可能にしますが、CSFへの高分子の侵入は隣接する上皮細胞層によって制限されます（図1a 、 b）[ 3、4 ]。

図1.（a）CPEセル内のBCSFBの概略図。有窓の毛細血管はCPのストロマにあります。心室に面しているCPE細胞は密着結合によって結合されています。主にギャップ結合によって結合される上衣細胞は、心室と脳実質の間に位置しています。トランスポーターはCPE細胞の細胞膜に局在しています。内皮細胞間の密着結合を有する非有窓毛細血管は、脳実質に位置し、血液脳関門（BBB）と呼ばれる密着結合機能を持っています。（b）CPE細胞の外側の密着結合、外側細胞間空間、および基底迷路の局在を示す概略図。

ただし、表1に示すように、複数のイオントランスポーターがCP上皮（CPE）細胞の細胞膜の頂端側と基底側に局在しています[ 4、5 ] 。したがって、CPはCSFの大部分を生成および分泌します[ 6 ]。^{ウサギのCSF中の主要なイオン性化合物の標準濃度は、149 mM Na +}、2.9 mM K ⁺、および130 mM Cl-であると報告されており、305 mOsm/LおよびpH7.27を示しています[ ⁴]。表2に示すように、種間および文献では、いくつかの種類のイオンの濃度にいくつかの違いがあります[ 4、7、8]。複数のイオントランスポーターを介して、1日あたり約500mLのCSFが成人の心室に分泌されます[ 6 ]。一部のCSFは脳内を流れ、間質液（ISF）と混合され、静脈系に排泄されます。脳脊髄液を静脈系に戻すための経路はまだ議論されています。CSFは、くも膜顆粒を介して脳の硬膜の静脈洞に直接再吸収されると考えられていました[ 9 ]。しかし、最近、CSFが体循環に戻るための代替経路は髄膜リンパ管を経由すると考えられています[ 10]。大脳内液はまた、大脳動脈血管を取り巻く血管周囲および血管周囲の空間に沿って流れ、静脈系に排出されることが示唆されている。ISFの血管周囲ドレナージ経路は、血管内動脈周囲ドレナージ（IPAD）経路として知られています[ 11、12、13 ]。CSFの別の血管周囲経路は、リンパ系として知られています[ 13、14、15 ]。CSFとISFの流れの2つの主要な経路は、脳で生成された老廃物の排出に重要な役割を果たすと考えられています。

表1.CPE細胞のCSF分泌に関与すると思われるトランスポーター。

分子	アピカルサイド	ベーサルサイド
H ₂ O

₊^依存性HCO3-^トランスポーターNBCn1、Na ^+依存性Cl- ^/ HCO _3-交換体Ncbe、および陰イオン交換タンパク質AE2。AQP1は管腔膜で大量に発現しますが、基底外側膜でも発現量が少なくなります。

表2.動物のCSF中のイオン濃度と浸透圧。

イオンとオスム。	うさぎ^4,7	犬⁷	人間⁷	人間⁸
AQP1	AQP1
Na ⁺、mEq / L	149	151	147	137±1.8
Na ⁺、K +	Na ⁺ −K ⁺ −ATPase
K
⁺、mEq / L	2.9	2.98	2.9	2.8±0.1	Na ⁺、K ⁺、2Cl ⁻
Cl	NKCC1
⁻、mEq / L	130	132.5	113	122±1.9	Na ⁺、H ⁺	NHE1
pH	7.27	7.42	Na ⁺、HCO3 ⁻	NBCe2	NBCn1
Na ⁺、Cl ⁻、HCO3 ⁻		Ncbe
AE2
7.31	Cl ⁻	Clir、VRAC
7.43±0.02
Osm。（mOsm / L）	305.2	305.2	289	該当なし	Cl ⁻、HCO3 ⁻		K ⁺	Kir7.1、Kv

CPE細胞におけるCSF分泌に関与することが示唆されているトランスポーターの局在が示されています。水チャネルAQP1、Na ⁺ -K ⁺ -ATPase、Na ⁺、K ⁺、^2Cl-共輸送体NKCCl、酸/塩基輸送体NHE1およびNBCe2、Cl-チャネル^ClirおよびVRAC、およびK ⁺チャネルKir7.1およびKvが発現します管腔膜で。いくつかの酸/塩基トランスポーターは基底外側膜で発現します：Na

CPE細胞は、サイトケラチン、ビメンチン、S-100タンパク質、およびポドプラニンに対する陽性の免疫反応性を特徴としています[ 16、17、18 ] （図2 a〜d）。CPE細胞には、グルコース関連物質、および頂端および/または基底外側の細胞質膜でのCSF分泌のためのいくつかのトランスポーターが装備されています（図2 e–n）。^{アクアポリン1（AQP1）、Na +}、K ⁺、ATPase、陰イオン交換タンパク質2（AE2）など、頂端および基底外側の細胞質膜でよく知られているトランスポーターを図2e-gに示します。さらに、グルコース（図2 h）、フルクトース（図2 i）、尿酸（図2 i）のトランスポーター図2j–l）、および乳酸塩（図2 m、n）を図2に示します。上皮細胞間の密着結合は、主にオクルディンとクローディンで構成されていることも知られています。N-カドヘリン（図2o）とP-カドヘリン（図2p）は、CPE細胞の外側膜と基底迷路で発現することが報告されていますが[4、19 ]、典型的な上皮カドヘリン、E -カドヘリンは、哺乳類の脳のCPE細胞で発現します[ 4、20 ]。Claudin-1、-2、-3、および-11は、CPE細胞の密着結合で発現します[ 21、22]。_{興味深いことに、クローディン2は、H 2} O [ 23 ]と同様に、一価陽イオンの独特な輸送透過を可能にし、CPの経上皮抵抗に寄与する可能性があります。

図2.代表的な細胞質膜の局在（a – d）

2.グルコースおよび神経伝達物質に関連するCSF代謝物

2.1。グルコース関連のCSF代謝物

2.1.1。グルコース

正常血糖の患者のCSF中のグルコースレベルは50〜80 mg / dL（2.78〜4.44 mM）であり、これは血漿グルコース濃度の約50〜60％に相当します。CPE細胞全体の正味のグルコースフラックスは、脳血管全体のグルコースフラックスの2〜3％であると考えられています[ 24 ]。CPE細胞におけるグルコーストランスポーター1（GLUT1）（図2 h）およびおそらくナトリウム/グルコース共輸送体2（SGLT2）[ 25 ]の基底外側優位の発現は、CPE細胞を介したCSFへのグルコース供給への寄与を示唆しています[ 1、24、26 ]。いくつかの研究は、CPが加齢に伴う形態学的および機能的変化を示すことを示しています。老化したCPE細胞は、頂端絨毛の高さ、総体積、および長さの減少を示し、より平坦な外観をもたらします[ 3、27 ]。さらに、高齢者の脳脊髄液産生の低下は、ヒト、ラット、ヒツジでも観察されています[ 3、27、28 ]。8871人のCSFグルコース濃度の分析結果から判断すると、CSFグルコース濃度は加齢とともに増加します[ 29 ]。さらに、糖尿病の25人の患者のCSFおよび血液中のグルコース濃度の著しい増加が認められています[ 8]。CSF白血球では、ブドウ糖、乳酸塩、およびタンパク質が、世界中の日常的なケアで細菌性髄膜炎のCSFマーカーとして一般的に使用されていることはよく知られています[ 30 ]。グルコース代謝に関して、動的¹⁸ F-フルオロデオキシグルコース（FDG）PETスキャンにより、アルツハイマー病（AD）の被験者（ n = 17）は、記憶喪失性軽度認知障害（ n = 10）の被験者と比較してCPで18F-FDG代謝の低下を示すことが明らかになりました。健康な被験者（n = 20）[ 31 ]。AD患者におけるこのグルコース代謝の不均衡は、GLUT1によるグルコース輸送の低下に起因する可能性があります[ 31 ]。グルコース輸送の失敗とそれに続く代謝障害は、CSF産生、BCSFBを通過する輸送、CSFへの成長因子の分泌など、CPE細胞のさまざまな機能に影響を与える可能性があります[ 27]。しかし、AD患者（n = 9）のCSFグルコースの値は、認知障害のない個人（ n = 122）の値と有意に異なることがわかりませんでした[ 32 ]。CSFのグルコースなどのNMRメタボロミクスは、PD患者（ n = 10）と対照患者（ n = 10）を区別します[ 33 ]。

2.1.2。フルクトース

23人の健康な個人、26人の糖尿病患者、および23人の非糖尿病患者の血清フルクトース濃度は、それぞれ約8.1±1.0、12.0±3.8、および7.7±1.6μMであると報告されました[ 34 ]。高果糖または高ショ糖の食事を摂取している健康な人間の血清果糖レベルは、200〜500μMに達する可能性があります[ 35 ]。しかし、CSF中のフルクトース濃度は100μMのオーダーであり、血漿フルクトースレベルを超えています[ 36、37 ]。脳内のフルクトースの生理学的機能は完全には理解されていません。フルクトースはショウジョウバエの栄養センサーに作用する可能性があると考えられています[ 38 ]。フルクトースの代表的なトランスポーターであるGLUT5は、CPEおよび上衣細胞の頂端側に発現しています（図2 i）[ 39 ]。フルクトースの別のトランスポーターであるGLUT8もCPE細胞で発現しています[ 40 ]。興味深いことに、CSF中のフルクトース濃度は血清中よりも高くなっています。成体ラットおよびヒトのCPトランスクリプトミクス分析により、フルクトース-1-リン酸経路を介したフルクトース異化作用に関与する遺伝子であるKhkおよびAldoc [ 41 ]の低発現が明らかになりました[ 42]。これらの発見は、CPE細胞がエネルギー生産にフルクトースを使用する可能性があることを示唆しています。フルクトースがCSFからCPE細胞に輸送されると仮定すると、CPE細胞でのGLUT5発現の減少は、CSFフルクトース濃度の増加を引き起こし、海馬を含む脳室周囲構造の障害を引き起こす可能性があります。したがって、加齢中および神経変性疾患におけるGLUT5発現の変化は、脳室周囲構造に影響を与える可能性があります。 CSFフルクトースレベルと神経変性疾患の病因との関連に関して、いくつかの発見が報告されています。非標的化および質量分析主導のアプローチは、フルクトース、ならびにマンノースおよびトレオン酸のCSFレベルが、35人の健康な対照よりも初期パーキンソン病（PD）の34人の患者で有意に高かったことを示した[ 43 ]。さらに、多発性硬化症（MS）の85人の患者からのCSFサンプルに適用されたガスクロマトグラフィー/質量分析および酵素法は、フルクトース、乳酸塩、およびソルビトールの濃度が二次進行型MSの54人の患者のCSFで有意に増加したことを示しました。程度は低いが、18人の対照と比較して再発寛解型MSの31人の患者[ 44]。さらに、ソルビトールとフルクトースのCSF濃度は、MS患者の神経障害スコアと正の相関がありました。したがって、CSF中のフルクトースレベルは、MS患者の増悪や寛解などの病状を理解するための有用なマーカーとなる可能性があります。

2.1.3。尿酸塩

尿酸の正常な血清参照レベルは、男性で2.5〜7.0 mg / dL（149〜417μM）、女性で1.5〜6.0 mg / dL（89〜357μM）です[ 45 ]が、CSF尿酸濃度は10〜血漿中の20分の1 [ 46、47 ]。ラットCSFの尿酸濃度はラット脳ISFよりも高いことがわかった[ 48 ]。さらに、高尿酸食を与えられたラットの海馬では尿酸レベルが上昇し[ 49 ]、脳への食餌性尿酸の輸送システムの存在を示唆している。CPE細胞の尿酸トランスポーターを図2に示しますj–l [ 5、50]。乳がん耐性タンパク質（BCRP）/ ATP結合カセットトランスポーターG2（ABCG2）は、血液脳関門（BBB）の主要な尿酸トランスポーターであり、毛細血管内皮細胞の管腔膜に発現し、脳の尿酸を排出すると考えられています。血中に[ 51、52 ]。いくつかの研究では、URAT1、 GLUT9、およびBCRPはすべて、ヒトおよびマウスの脳のCPEおよび/または上衣細胞で発現していることが明らかになりました[ 50、51、53 ]。これらの結果は、尿酸が血液からCPE細胞を介してCSFに輸送され、次に上衣細胞を介してCSFから脳実質に輸送されることを示唆している。興味深いことに、血清尿酸値と、AD、血管性認知症、PDなどの神経変性疾患のリスクと進行との逆相関が報告されており[ 54、55 ]、高尿酸値の原因となる神経保護効果を示唆しています。Bowmanetal。[ 46 ]は、CSFと血漿尿酸濃度が軽度から中等度のADの32人の患者で正の相関があることを報告しました。さらに、BBB障害は、尿酸のより高いCSFレベルと関連していた。CSFの尿酸濃度は、年齢、性別、ADの重症度とは無関係でした[ 46 ]。しかし、Tohgietal。[ 56] CSF尿酸濃度は、ビンスワンガー型（VDBT）の血管性認知症の患者で有意に増加したが、ADの患者では対照と比較して有意に減少したと報告した。彼らは、VDBTにおける尿酸のCSF濃度の有意な増加は、主にBBB障害によるものであり、ADの有意な減少は脳代謝障害を反映している可能性があると結論付けました[ 56 ]。これらの発見は、尿酸のより高いCSFレベルがBBB障害を伴う血管障害に関連していることを示唆している。

2.1.4。乳酸

CSFの乳酸レベルは1.3〜2.4mMであると報告されています[ 57 ]。CPE細胞の乳酸トランスポーターを図2m、nに示します[ 58 ]。7614人の個人では、CSF乳酸値は年齢に依存すると報告されました[ 29 ]。81人の参加者からのサンプルのプロトン核磁気共鳴（NMR）分光法を使用したCSFメタボロミクスは、乳酸塩のレベル、ならびにアラニン、クエン酸塩、クレアチニン、ロイシン、チロシン、およびバリンのレベルが、それらと比較して高齢の参加者で有意に増加したことを示した若い人では[ 59 ]。 CSFベースの研究では、PD患者（n = 101）の乳酸レベルが対照（n = 60）と比較して増加し、臨床疾患の進行とタウタンパク質やドーパミンなどの神経変性バイオマーカーの両方と相関していることが示されました[ 60 ]。したがって、CSF中の乳酸レベルは、PDの老化と疾患の進行の程度を理解するのに役立つ可能性があります。さらに、MS患者のCSFサンプルは、乳酸とフルクトースの濃度が二次進行型MSの54人の患者のCSFで有意に増加し、程度は低いが再発寛解型MSの31人の患者と比較したことを示した。 18のコントロール[ 44 ]。しかし、AD患者ではCSF乳酸塩のレベルが低かった（n = 92）および前頭側頭型認知症（FTD）（n = 27）は、認知症のない個人（n = 28）よりも[ 61 ]。