Salt vätska spolar regelbundet genom hjärnan för att rensa bort gifter och avfall, men efter en stroke översvämmer denna vätska organet och drunknar dess celler.
Svullnad i hjärnan, känd som hjärnödem, inträffar efter stroke när vatten rinner in i hjärnceller och utrymmet som omger dem. I flera år trodde forskare att denna överskottsvätska kom från blod, men nya bevis tyder på att vattnet kommer helt från en annan källa: den natriumrika cerebrospinalvätskan som genomsyrar hjärnan. Dessa resultat kommer från både levande musmodeller och mänsklig vävnad.
Resultaten, publicerade 30 januari i tidskriften Science, pekar på potentiella behandlingar för att dämpa svullnad i hjärnan och förbättra patientens återhämtning efter stroke.
Tvättcykeln har gått fel
Slagor uppstår när en blockering pluggar ett blodkärl i hjärnan, eller ett kärl brister helt. Utan tillräcklig energiförsörjning kan hjärnceller inte längre polisera vilka partiklar som passerar genom deras membran. Inom några minuter sväller neuronerna som överfyllda strandbollar och börjar kortsluta, samla skador och dö. Timmar senare börjar den tätt vävda vävnadsfodra blodkärlen i hjärnan, blod-hjärnbarriären, också fungera och hela organet tar vatten.
"I över 60 år trodde folk att denna ansamling av vätska kom från blodet" som läckte genom den komprometterade blod-hjärnbarriären, säger studieförfattaren Dr. Humberto Mestre, en kliniker och nuvarande doktorand vid University of Rochester Medical Center ( URMC) Center for Translational Neuromedicine. Men cerebralt ödem läggs in långt innan blod-hjärnbarriären bryts ned, vilket får Mestre och hans kollegor att undra om vattnet faktiskt kommer från någon annanstans.
"Ingen hade tittat på dessa alternativa vätskekällor," sade Mestre. Cerebrospinalvätska, som utgör cirka 10% av vätskan som finns i däggdjurens kranialhålighet, stod ut som en lovande kandidat, tillade han.
I hjärnan flyter cerebrospinalvätska genom det glymfatiska systemet, ett nätverk av slangar som slingrar sig längs banor som ristas ut av organets vener och artärer, enligt en rapport från 2015 i tidskriften Neurochemical Research. Vätskan rinner precis utanför blodkärlen, hålls på plats av en "munkformad tunnel" av celler. (Bild på en trådlängd, som representerar en artär, vilar inuti en gummislang, som fungerar som den yttre tunnelen fylld med vätska.) När musklerna längs artärerna dras samman, skjuts den närliggande cerebrospinalvätskan längs sin väg och plockar upp metaboliskt avfall på vägen. Förutom att ta ut papperskorgen, kan det glymfiska systemet också hjälpa till att distribuera fetter, sockerarter och andra viktiga föreningar i hjärnan.
Även om det är avgörande i en frisk hjärna, efter ett slag, går det glymfatiska systemet i höjdled och driver upp början av ödem, konstaterade Mestre och hans medförfattare. "Cerebrospinalvätskan är faktiskt den främsta drivkraften för svullnad direkt efter stroke," sade Mestre.
Håller floden
Rollen som cerebrospinalvätska i stroke slog ut forskare i årtionden, delvis eftersom det inte fanns någon teknik för att observera ett slag som utvecklades i realtid, sade Mestre.
Han och hans medförfattare kombinerade flera tekniker för att observera förändringen i vätskeflödet hos möss som upplever stroke. Teamet tittade in i djurens hjärnor med både MRI och ett tvåfotonmikroskop, som använder ljus och fluorescerande kemikalier för att bilda levande vävnader. "Vi kan i princip avbilda vad cerebrospinalvätskan gör medan stroke inträffar," sade Mestre. Genom att infundera vätskan med radioaktiva partiklar kunde forskarna också bestämma hur flödeshastigheten förändrades över tid.
Med hjälp av dessa metoder bestämde teamet att ödem tar tag i mushjärnan "så tidigt som 3 minuter" efter stroke, långt innan blod-hjärnbarriären började läcka, sade Mestre. Som hjärncells kortslutning spjuter de kemiska budbärare kända som neurotransmitters och kalium i utrymmet utanför deras membran. Närliggande celler reagerar på tillströmningen av kemikalier och i sin tur kortslutning. När dessa elektriska stormar sveper genom hjärnan, samlas musklerna i blodkärlen och skapar en ficka av rymden mellan sig själva och det omgivande glymfatiska systemet. Salt cerebrospinalvätska sugs in i det resulterande vakuumet och drar med sig vattenmolekyler.
"Var som helst natrium som ansamlas, kommer vatten att följa det," sade Mestre. Teamet kunde titta på detta spel av följeslagare som utvecklas i utvalda områden i hjärnan men kunde inte spåra vattenflödet i hela orgelet på en gång. Med hjälp av en datormodell för att simulera hela det glymfatiska nätverket kunde de dock förutsäga hur sammandragande blodkärl skulle driva vattenflödet genom en hel mushjärna efter stroke.
För att förbinda prickar mellan möss och människor undersökte författarna hjärnvävnaden hos patienter som hade dött av ischemisk stroke, varvid en blodpropp blockerar ett blodkärl i hjärnan. Mus- och mänskliga hjärnor ackumulerade vätska i samma regioner, nämligen områden genom vilka det glymfiska systemet löper och plockar upp avfall. Med tanke på det starka sambandet mellan djur och människor, "dessa fynd kan ge en konceptuell grund för utveckling av alternativa behandlingsstrategier," konstaterade författarna.
Teamet testade en av dessa strategier hos möss genom att blockera en vattenkanal på astrocyter, celler i hjärnan som hjälper till att leda vatten genom det glymfatiska systemet. Möss som saknade kanalen var långsammare att utveckla ödem efter stroke, vilket tyder på att en liknande behandling kunde visa löfte hos mänskliga patienter. Förutom att blockera vattenflödet, kan framtida behandlingar potentiellt förhindra ödem genom att bromsa spridningen av strokeinducerad elektrisk aktivitet i hjärnan, tilllade författarna. Dessa elektriska stormar fortsätter att spåra hjärnan i flera dagar efter stroke, och stimulerar ödem varje gång de inträffar.
De skadliga vågorna av elektrisk aktivitet som observerats i ischemisk stroke visas också i samarbete med "nästan varje skada", sade Mestre. Den nya studien antyder att det glymfatiska systemet kan spela roller i tillstånd där det blödar i och runt hjärnan, traumatisk hjärnskada och till och med migrän, även om sådana förbindelser förblir "rent spekulativa." En dag skulle det glymfatiska systemet kunna erbjuda läkare en helt ny strategi för att behandla akuta hjärnskador, sade Mestre.
