New Understanding in the Pathophysiology of the Development of Cerebral Edema after Stroke and Traumatic Brain Injury
Keywords:
GS, astrocytes, ischemic stroke, traumatic brain injury, BEAbstract
In this literature review the main attention is paid to the current understanding of the role of the glymphatic system (GS) in the development of brain edema (BE) in traumatic brain injury (TBI) and ischemic stroke. We discussed recent studies suggesting that glymphatic function is down regulated in brain pathologies and that glymphatic deficiency may in turn contribute to BE in TBI and ischemic stroke. A new understanding of how behavior, genetic predisposition, drugs affect HC function and how this function is decompensated in brain pathologies should lead to the development of new preventive and diagnostic tools and new therapeutic targets.
References
Горбачев В.И., Лихолетова Н.В., Горбачев С.В. Мониторинг внутричерепного давления: настоящее и перспективы (сообщение 1). Политравма. 2013; 4: 69–78.
Гудкова В.В., Кимельфельд Е.И., Белов С.Е., Кольцова Е.А., Стаховская Л.В. Отек головного мозга: от истоков описания к современному пониманию процесса. Consilium Medicum. 2021; 23 (2): 131–135.
Илифф Дж., Саймон, М. (2019). Предложение CrossTalk: глимфатическая система поддерживает конвективный обмен спинномозговой жидкости и интерстициальной жидкости головного мозга, опосредованный периваскулярным аквапорином-4. Ж. Физиол. 597, 4417–4419.
Кондратьев А.Н., Ценципер Л.М. Глимфатическая система мозга: строение и практическая значимость. Анестезиология и реаниматология. 2019;6:72-80.
Кресс Б.Т., Илифф, Дж.Дж., Ся М., Ван, М., Вей Х.С., Цеппенфельд, Д. и соавт. (2014). Нарушение путей параваскулярного клиренса в стареющем головном мозге. Анна. Нейрол. 76, 845–86.
Крылов В.В., Петриков С.С. Нейрореанимация. Практическое руководство. М: ГЭОТАР-Медиа 2010; 176.
Крылов В.В., Талыпов А.Э., Пурас Ю.В. Ефременко С.В. Вторичные факторы повреждений головного мозга при черепно-мозговой травме. Российский медицинский журнал 2009; 3: 23–28.
Кук А.М., Морган Джонс Г., Гаврилюк Г.В.Дж. и др. Руководство по неотложному лечению отека головного мозга у пациентов, находящихся в нейрореанимации. Нейрокрит Уход . 2020; 32 (3): с.647-666.
Луво, А., Плог, Б.А., Антила, С., Алитало, К., Недергаард, М., и Кипнис, Дж. (2017). Понимание функций и взаимосвязей глимфатической системы и менингеальных лимфатических сосудов.Ж. Клин. Инвестировать. 127, 3210–3219. дои: 10.1172/JCI90603.
Местре, Х., Ду, Т., Суини, А.М., Лю, Г., Самсон, А.Дж., Пэн, В., и др. (2020). Приток спинномозговой жидкости вызывает острый ишемический отек тканей. Наука 367: eaax7171.
Месхели М.К., Гегешидзе М.М. Отек головного мозга – история вопроса и современные представления. Georgian Medical News. 2007; 142 (1): 83–5.
Мичинага С., Кояма, Ю. (2015). Патогенез отека мозга и исследование противоотечных препаратов. Междунар. Ж. Мол. науч. 16, 9949–9956.
Остапенко Б.В., Войтенков В.Б., Марченко Н.В., и др. Современные методики мониторинга внутричерепного давления. Медицина экстремальных ситуаций. 2019; 21 (4): 472–85.
Петриков С.С., Титова Ю.В., Гусейнова Х.Т. и др. Внутричерепное давление, церебральная перфузия и метаболизм в остром периоде внутричерепного кровоизлияния. Вопр нейрохир 2009; 1: 11–17.
Пурас Ю.В., Талыпов А.Э. Влияние артериальной гипотензии в догоспитальном периоде на исход хирургического лечения пострадавших с тяжелой черепно-мозговой травмой. Медицина катастроф 2010; 3: 27–31.
Пурас Ю.В., Талыпов А.Э., Петриков C.С., Крылов В.В. Внутричерепные и внечерепные факторы вторичного повреждения мозга. Неотложная медицинская помощь — 1’ 2012.стр.56-65.
Стокум, Дж. А., Герзанич, В., и Симард, Дж. М. (2016). Молекулярная патофизиология отека головного мозга. Ж. Цереб. Кровоток Метаб. 36, 513–538.
Уолкотт, Б.П., Кале, К.Т., и Симард, Ж.М. (2012). Цели нового лечения отека головного мозга. Нейротерапия 9, 65–72.
Шольц М., Чинатль Дж., Шедель-Хёпфнер М., Виндольф Дж. (2007). Нейтрофилы и дисфункция гематоэнцефалического барьера после травмы. Мед. Рез. Откр. 27, 401–416.
Alquisiras-Burgos I, Peralta-Arrieta I, Alonso-Palomares LA, et al. Neurological Complications Associated with the Blood-Brain Barrier Damage Induced by the Inflammatory Response During SARS-CoV-2 Infection. Mol Neurobiol. 2020: 1–16.
Amiry-Moghaddam M, Ottersen OP. The molecular basis of water transport in the brain. Nature Reviews Neuroscience. 2003;4(12):991-1001.
Aspelund A, Antila S, Proulx ST, Karlsen TV, Karaman S, Detmar M, Wiig H, Alitalo K. A dural lymphatic vascular system that drains brain interstitial fluid and macromolecules. Journal of Experimental Medicine. 2015;212(7):991-999.
Breymann CS. Die lymphatischen Abflusswege von Gehirn und Hypophyse im Mausmodell Inaugural (Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades fur Zahnheilkunde der Medizinischen FakultКt der Georg-August-Universitat zu Gottingen); 2016.
Brightman MW, Reese TS. Junctions between intimately apposed cell membranes in the vertebrate brain. Journal of Cell Biology. 1969;40(3):648-677.
Carare RO, Bernardes-Silva M, Newman TA, Page AM, Nicoll JA, Perry VH, Weller RO. Solutes, but not cells, drain from the brain parenchyma along basement membranes of capillaries and arteries: significance for cerebral amyloid angiopathy and neuroimmunology. Neuropathology and Applied Neurobiology. 2008;34(2):131-144.
Castellanos M, Leira R, Serena J, et al. Plasma metalloproteinase-9 concentration predicts hemorrhagic transformation in acute ischemic stroke. Stroke. 2003; 34: 40–6.
Chikly B, Chikly A. Verbindung von Gehirn und Lymphsystem: neue Erkenntnisse und ihre Bedeutung fur die Therapie. Osteopathische Medizin. 2016; 17(4):4-9. Chiu CC, Liao YE, Yang LY, Wang JY, Tweedie D, Karnati HK, Greig NH, Wang JY. Neuroinflammation in animal models of traumatic brain injury. Journal of Neuroscience Methods. 2016; 272:38-49.
Choi HA, Bajgur SS, Jones WH, et al. Quantification of CE After Subarachnoid Hemorrhage. Neurocrit Care. 2016; 25: 64–70.
Cook AM, Morgan Jones G, Hawryluk GWJ, Mailloux P., McLaughlin D., Papangelou A., Samuel S., et al. Guidelines for the Acute Treatment of CE in Neurocritical Care Patients. Neurocrit Care. 2020 Jun; 32(3):647-666.
Currie S, Saleem N, Straiton JA, et al. Imaging assessment of traumatic brain injury. Postgrad Med J. 2016; 92: 41–50.
Damkier HH, Brown PD, Praetorius J. Cerebrospinal fluid secretion by the choroid plexus. Physiological Reviews. 2013; 93(4):1847-1892.
Eide PK, Eidsvaag VA, Nagelhus EA, Hansson HA. Cortical astrogliosis and increased perivascular aquaporin-4 in idiopathic intracranial hypertension. Brain Research. 2016; 1644:161-175.
Engelhardt B, Carare RO, Bechmann I, Flügel A, Laman JD, Weller RO. Vascular, glial, and lymphatic immune gateways of the central nervous system. Acta Neuropathologica. 2016; 132(3):317-338.
Erickson MA, Hartvigson PE, Morofuji Y, Owen JB, Butterfield DA, Banks WA. Lipopolysaccharide impairs amyloid beta efflux from brain: altered vascular sequestration, cerebrospinal fluid reabsorption, peripheral clearance and transporter function at the blood-brain barrier. Journal of Neuroinflammation. 2012;9(1):150.
Fink KR, Benjert JL, Straiton JA. Imaging of nontraumatic neuroradiology emergencies. Radiol Clin North Am. 2015; 53: 871–90.
Gaberel T, Gakuba C, Goulay R, Martinez De Lizarrondo S, Hanouz JL, Emery E, Touze E, Vivien D, Gauberti M. Impaired glymphatic perfusion after strokes revealed by contrast-enhanced MRI: A new target for fibrinolysis? Stroke. 2014;45(10):3092-3096.
Guidelines for the management of severe traumatic brain injury. Journal of Neurotrauma 2007; 24(Suppl 1): S1–S106.
Hirzallah MI, Choi HA. The Monitoring of Brain Edema and Intracranial Hypertension. J Neurocrit Care. 2016; 9 (2): 92–104.
Hladky SB, Barrand MA. Fluid and ion transfer across the blood-brain and blood-cerebrospinal fluid barriers; a comparative account of mechanisms and roles. Fluids and Barriers of the CNS. 2016;13(19):1-69.
Iliff JJ, Chen MJ, Plog BA, Zeppenfeld DM, Soltero M, Yang L, Singh I, Deane R, Nedergaard M. Impairment of glymphatic pathway function promotes tau pathology after traumatic brain injury. Journal of Neuroscience. 2014;34(49):16180-16193.
Iliff JJ, Wang M, Liao Y, Plogg BA, Peng W, Gundersen GA, Benveniste H, Vates GE, Deane R, Goldman SA, Nagelhus EA, Nedergaard M. A paravascular pathway facilitates CSF flow through the brain parenchyma and the clearance of interstitial solutes, including amyloid β. Science Translational Medicine. 2012;4(147):147ra111.
Kazakos EI, Kountouras J, Polyzos SA, Deretzi G. Novel aspects of defensins’involvement in virus-induced autoimmunity in the central nervous system. Medical Hypotheses. 2017;102(Suppl. C):33-36.
Kratzer I, Vasiljevic A, Rey C, Fevre-Montange M, Saunders N, Strazielle N, Ghersi-Egea JF. Complexity and developmental changes in the expression pattern of claudins at the blood-CSI barrier. Histochemistry and Cell Biology. 2012; 138(6):861-879.
Kress BT, Iliff JJ, Xia M, Wang M, Wei HS, Zeppenfeld D, Xie L, Kang H, Xu Q, Liew JA, Plog BA, Ding F, Deane R, Nedergaard M. Impairment of paravascular clearance pathways in the aging brain. Annals of Neurology. 2014; 76(6):845-861.
Kummer R, Dzialowski I. Imaging of cerebral ischemic edema and neuronal death. Neuroradiology. 2017; 59: 545–53.
Louveau A, Smirnov I, Keyes TJ, Eccles JD, Rouhani SJ, Peske JD, Derecki NC, Castle D, Mandell JW, Lee KS, Harris TH, Kipnis J. Structural and functional features of central nervous system lymphatic vessels. Nature. 2015;523(7560):337-341.
Lundgaard I, Li B, Xie L, Kang H, Sanggaard S, Haswell JD, Sun W, Goldman S, Blekot S, Nielsen M, Takano T, Deane R, Nedergaard M. Direct neuronal glucose uptake heralds activity-dependent increases in cerebral metabolism. Nature Communications. 2015;6:6807.
Lundgaard I, Lu ML, Yang E, Peng W, Mestre H, Hitomi E, Deane R, Nedergaard M. Glymphatic clearance controls state-dependent changes in brain lactate concentration. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 2016;37(6):2112-2124.
Nakada T. Virchow-Robin space and aquaporin-4: new insights on an old friend. Croatian Medical Journal. 2014;55(4):328-336.
Peng W, Achariyar TM, Li B, Liao Y, Mestre H, Hitomi E, Regan S, Kasper T, Peng S, Ding F, Benveniste H, Nedergaard M, Deane R. Suppression of glymphatic fluid transport in a mouse model of Alzheimer’s disease. Neurobiology of Disease. 2016;93:215-225.
Praetorius J, Nielsen S. Distribution of sodium transporters and aquaporin-1 in the human choroid plexus. American Journal of Physiology — Cell Physiology. 2006;291(1):59-67.
Ren H, Luo C, Feng Y, Yao X, Shi Z, Liang F, Kang JX, Wan JB, Pei Z, Su H. Omega-3 polyunsaturated fatty acids promote amyloid-β clearance from the brain through mediating the function of the GS. Federation of American Societies for Experimental Biology Journal. 2017;31(1):282- 293.
Roth C, Stitz H, Roth C, Ferbert A, Deinsberger W, Pahl R, Engel H, Kleffmann J. Craniocervical manual lymphatic drainage and its impact on intracranial pressure — a pilot study. European Journal of Neurology. 2016;23(9):1441-1446.
Serena J, Blanco M, Castellanos M, et al. The prediction of malignant cerebral infarction by molecular brain barrier disruption markers. Stroke. 2005; 36: 1921–6.
Sullan MJ, Asken BM, Jaffee MS, DeKosky ST, Bauer RM. GS disruption as a mediator of brain trauma and chronic traumatic encephalopathy. Neuroscience and Biobehavioral Reviews. 2018;84:316-324
Sundman MH, Hall EE, Chen NK. Examining the relationship between head trauma and neurodegenerative disease: A review of epidemiology, pathology and neuroimaging techniques. Journal of Alzheimers Disease and Parkinsonism. 2014;4:137.
Verheggen ICM, Van Boxtel MPJ, Verhey FRJ, Jansen JFA, Backes WH. Interaction between blood-brain barrier and GS in solute сlearance. Neuroscience and Biobehavioral Reviews. 2018; 90: 26-33.
Verkman AS, Binder DK, Bloch O, Auguste K, Papadopoulos MC. Three distinct roles of aquaporin-4 in brain function revealed by knockout mice. Biochimica et Biophysica Acta. 2006;1758(8):1085-1093.
Verkman AS, Mitra AK. Structure and function of aquaporin water channels. American Journal of Physiology-Renal Physiology. 2000;278(1):F13-28.
Wang M, Ding F, Deng S, Guo X, Wang W, Iliff JJ, Nedergaard M. Focal solute trapping and global glymphatic pathway impairment in a murine model of multiple microinfarcts. Journal of Neuroscience. 2017;37(11):2870-2877.
Wardlaw JM, Benveniste H., Nedergaard M., Zlokovic BV, Mestre H., Lee H., et al. (2020). Периваскулярные пространства головного мозга: анатомия, физиология и патология. Нац. Преподобный Нейрол. 16, 137–153.
Yuhas D. How the brain cleans itself. Nature. 2012. Available at: https://www. nature.com/news/how-the-brain-cleans-itself-1.11216. Accessed August 30, 2019.
Zhou X, Li Y, Lenahan C, Ou Y, Wang M и He Y (2021) Глимфатическая система в центральной нервной системе, новое терапевтическое направление против отека мозга после инсульта. Фронт. Стареющие нейроски. 13:698036.
Zhou Y., Cai J., Zhang W. Gong X., Yan S., Zhang K. et al. (2020). Нарушение глимфатического пути и предполагаемых менингеальных лимфатических сосудов у стареющего человека. Анна. Нейрол. 87, 357–369
