Zoute vloeistof spoelt regelmatig door de hersenen om gifstoffen en afval op te ruimen, maar na een beroerte overspoelt deze vloeistof het orgaan en verdrinkt de cellen.
Zwelling in de hersenen, bekend als hersenoedeem, treedt op na een beroerte terwijl water in hersencellen en de ruimte eromheen stroomt. Jarenlang dachten wetenschappers dat deze overtollige vloeistof uit bloed kwam, maar nieuw bewijs suggereert dat het water volledig uit een andere bron komt: het natriumrijke hersenvocht dat de hersenen binnendringt. Deze resultaten zijn afkomstig van zowel levende muismodellen als menselijk weefsel.
De bevindingen, gepubliceerd op 30 januari in het tijdschrift Science, wijzen op mogelijke behandelingen om zwelling in de hersenen te verminderen en het herstel van patiënten na een beroerte te verbeteren.
Wasprogramma is fout gegaan
Beroertes treden op wanneer een blokkade een bloedvat in de hersenen verstopt of een vat volledig scheurt. Zonder voldoende energievoorziening kunnen hersencellen niet meer controleren welke deeltjes door hun membranen gaan. Binnen enkele minuten zwellen de neuronen op als overvolle strandballen en beginnen ze te kortsluiten, schade aan te richten en te sterven. Uren later begint ook het strak geweven weefsel dat de bloedvaten in de hersenen bekleedt, de bloed-hersenbarrière, te storen en neemt het hele orgaan water op.
"Al meer dan 60 jaar dachten mensen dat deze ophoping van vocht uit het bloed" lekte door de aangetaste bloed-hersenbarrière, zei hoofdonderzoeker Dr. Humberto Mestre, een clinicus en huidig doctoraatsstudent aan het University of Rochester Medical Center ( URMC) Centrum voor Translationele Neuromedicine. Maar hersenoedeem begint al lang voordat de bloed-hersenbarrière doorbreekt, waardoor Mestre en zijn collega's zich afvragen of het water eigenlijk ergens anders vandaan komt.
'Niemand had naar deze alternatieve vloeistofbronnen gekeken', zei Mestre. Cerebrospinale vloeistof, die ongeveer 10% uitmaakt van de vloeistof in de schedelholte van zoogdieren, viel op als een veelbelovende kandidaat, voegde hij eraan toe.
In de hersenen stroomt hersenvocht door het glymfatisch systeem, een netwerk van slangen dat slingert langs paden die zijn uitgehouwen door de aderen en slagaders van het orgaan, volgens een rapport uit 2015 in het tijdschrift Neurochemical Research. De vloeistof stroomt net buiten de bloedvaten en wordt op zijn plaats gehouden door een "donutvormige tunnel" cellen. (Stel je een stuk draad voor, dat een slagader voorstelt, rustend in een rubberen slang, die werkt als de buitenste tunnel gevuld met vloeistof.) Terwijl spieren langs de slagaders samentrekken, wordt het nabijgelegen hersenvocht langs zijn route geduwd en neemt het metabolisch afval op de weg. Naast het weggooien van afval, kan het glymfatisch systeem ook helpen bij het verdelen van vetten, suikers en andere belangrijke verbindingen in de hersenen.
Hoewel cruciaal in een gezond brein, gaat het glymfatisch systeem in de nasleep van een beroerte in de war en drijft het het ontstaan van oedeem aan, vonden Mestre en zijn co-auteurs. 'Het hersenvocht is eigenlijk de belangrijkste oorzaak van zwelling direct nadat de beroerte is opgetreden,' zei Mestre.
De vloed blijven
De rol van hersenvocht bij een beroerte ontweek wetenschappers tientallen jaren lang, deels omdat er geen technologie bestond om een beroerte in realtime te ontvouwen, zei Mestre.
Hij en zijn co-auteurs combineerden verschillende technieken om de verandering in de vloeistofstroom bij muizen met een beroerte te observeren. Het team tuurde in de hersenen van de dieren met behulp van zowel MRI als een microscoop met twee fotonen, die licht en fluorescerende chemicaliën gebruikt om levende weefsels af te beelden. 'We kunnen ons in feite voorstellen wat de hersenvocht doet terwijl de beroerte plaatsvindt', zei Mestre. Door de vloeistof te voorzien van radioactieve deeltjes, konden de onderzoekers ook bepalen hoe de stroomsnelheid in de tijd veranderde.
Met behulp van deze methoden stelde het team vast dat oedeem de muizenhersenen "al in 3 minuten" na een beroerte vasthoudt, lang voordat de bloed-hersenbarrière begon te lekken, zei Mestre. Omdat hersencellen kortsluiten, spuwen ze chemische boodschappers die bekend staan als neurotransmitters en kalium in de ruimte voorbij hun membranen. Nabijgelegen cellen reageren op de instroom van chemicaliën en op hun beurt op kortsluiting. Terwijl deze elektrische stormen door de hersenen gaan, trekken de spieren in de bloedvaten samen en creëren een ruimte tussen zichzelf en het omringende glymfatische systeem. Zout cerebrospinale vloeistof wordt in het resulterende vacuüm gezogen en trekt watermoleculen mee.
'Waar natrium zich ophoopt, zal water het volgen', zei Mestre. Het team kon deze wedstrijd van volg-de-leider zien plaatsvinden in bepaalde hersengebieden, maar kon de waterstroom in het hele orgel niet in één keer volgen. Met behulp van een computermodel om het hele glymfatische netwerk te simuleren, konden ze echter voorspellen hoe vernauwende bloedvaten de stroom van water na een beroerte door een heel muizenbrein zouden sturen.
Om de stippen tussen muizen en mensen te verbinden, onderzochten de auteurs het hersenweefsel van patiënten die waren overleden aan een ischemische beroerte, waarbij een bloedstolsel een bloedvat in de hersenen blokkeert. De hersenen van de muis en de mens verzamelden vocht in dezelfde regio's, namelijk gebieden waar het glymfatische systeem doorheen stroomt en afval opneemt. Gezien de sterke correlatie tussen dieren en mensen, "konden deze bevindingen een conceptuele basis vormen voor de ontwikkeling van alternatieve behandelstrategieën", merkten de auteurs op.
Het team testte een van deze strategieën bij muizen door een waterkanaal te blokkeren op astrocyten, cellen in de hersenen die helpen het water door het glymfatische systeem te leiden. Muizen die het kanaal niet hadden, ontwikkelden langzamer oedeem na een beroerte, wat suggereert dat een vergelijkbare behandeling veelbelovend zou kunnen zijn bij menselijke patiënten. Naast het blokkeren van de waterstroom, zouden toekomstige behandelingen mogelijk oedeem kunnen voorkomen door de verspreiding van door een beroerte veroorzaakte elektrische activiteit in de hersenen te vertragen, aldus de auteurs. Deze elektrische stormen blijven de hersenen dagen na een beroerte sperren, en veroorzaken elke keer dat ze optreden oedeem.
De schadelijke golven van elektrische activiteit die worden gezien bij een ischemische beroerte, verschijnen ook samen met 'vrijwel elk letsel', zei Mestre. De nieuwe studie laat zien dat het glymfatisch systeem een rol kan spelen bij aandoeningen waarbij bloedingen in en rond de hersenen optreden, traumatisch hersenletsel en zelfs migraine, hoewel dergelijke verbindingen 'puur speculatief' blijven. Op een dag zou het glymfatisch systeem artsen een hele nieuwe strategie kunnen bieden voor de behandeling van acuut hersenletsel, zei Mestre.
