Historisk gennemgang
Fund af traumatisk inducerede axonale abnormiteter i de fleste eksperimentelle modeller af stump hovedskade, uden hverken myelinafbrydelse eller åbenlys skade på de tilstødende neurale eller gliale processer, har ikke givet beviser for direkte rivning eller skæring af axoner efter traumatisk skade.910 Dette blev understøttet af undersøgelser af frysebrud, der blev udført i de tidlige faser af axonal skade, som ikke viste hverken umiddelbar opløsning af det internodale myelin eller tidligt tab af glia-axonale junctions, hvilket tyder på, at selve myelinskeden ikke umiddelbart beskadiges af skadekræfterne.23 På dette stadium postulerede begge ovennævnte grupper, at kræfterne fra traumatisk skade først virker på axolemaet eller axoplasmaet, mens myelinskeden skånes. Inden for denne hypotese kunne de mekaniske skadekræfter strække eller skade axolemaet til dets biomekaniske grænser, hvorefter ionisk homeostase ville svigte og initiere reaktive axonale forandringer.
I en række efterfølgende undersøgelser af hjernevæv fra både mennesker1222 og dyr2124 fremlagde Povlishock og kolleger imidlertid data til støtte for en initierende rolle for det intra-axonale cytoskelet. Deres undersøgelser afslørede en kompleks sekvens af intra-aksonale begivenheder, som udviklede sig til reaktive axonale ændringer. Specifikt fandt de ved hjælp af antistoffer rettet mod neurofilamentkomponenten af cytoskelettet, at der var en fokal ophobning af 68 kDa-underenheden (NF-L) inden for en time efter skaden, og denne stigning var dramatisk efter to timer. Med stigende tid blev neurofilamenterne desorganiseret og fejljusteret i forhold til axonets længdeakse. Der blev ikke påvist tab eller opløsning af neurofilamenter. Disse data var derfor uforenelige med neutral proteaseformet nedbrydning af cytoskelettet. I stedet støttede stigningen i 68kDa neurofilamentunderenheden muligheden af en traumatisk induceret omlægning af neurofilamentpuljen. Endvidere blev der ikke påvist ultrastrukturelle beviser for direkte axolemmal forstyrrelse i denne række af eksperimenter. Der blev fundet foldning og udstrækning af axolemaet, som blev tilskrevet den igangværende reaktive axonale ændring. Disse resultater antydede, at en direkte mekanisk virkning på axoncylinderens cytoskelet var den centrale begivenhed i den indledende patogenese af axonal skade.
Andre tilgange antydede, at axolemma var involveret i initieringen af reaktiv axonal forandring. Maxwell et al. anvendte en model med nervetræk til at analysere de morfologiske ændringer i beskadigede axoner.18 Disse forfattere fremlagde beviser for, at de første skadesteder efter en ikke-forstyrrende strækskade er Ranvier-knuderne, hvoraf nogle udvikler “nodal blebs”. Disse blærer er axolemma begrænsede fremspring af axoplasma i det perinodale rum og er mest talrige inden for 15 minutter efter skaden, men mindre talrige senere. udviklingen af nodal blebs korrelerede med tabet af den tætte underbelægning af axolemaet. I beskadigede axoner med nodal blebs var neurofilamenterne desorganiserede, afveg fra axonets længdeakse og strakte sig ind i blebsene. Mikrotubuli bevarede derimod deres langsgående arrangement og afveg ikke ind i blæren. Kvantitativ analyse af dette materiale viste, at der var et betydeligt tab af mikrotubuli og en øget afstand mellem neurofilamenterne i axoplasmaet i knuder med tilhørende knudeblærer. Dette tab af mikrotubuli kunne forstyrre den hurtige axoplasmatiske transport, hvilket resulterede i en fokal ophobning af membranorganeller i tilstødende paranodale områder af axonet for at danne axonale hævelser. Desuden fremlagde disse medarbejdere de første cytokemiske beviser til støtte for tanken om calciumindstrømning i myelinerede nervefibre, der er skadet af stræk.25 Anvendelse af oxalat-pyroantimonat-teknikken til lokalisering af calcium viste et øget indhold af pyroantimonatudfældning inden for nodal blebs 15 minutter efter strækskade. Dette korrelerede med en reduktion i mærkningen af membranpumpens Ca2+ATPase-aktivitet i det nodale axolemma.26 Ranvierknuden er det specialiserede område af axolemmaet, hvor grupper af Na+-kanaler, ATPase-drevne pumper for calcium og en Na+/Ca2+-udveksler er lokaliseret.2027 Derfor kan tab af membranpumpeaktivitet i det nodale axolemma udgøre en mekanisme for tilstrømning af frit calcium til Ranvierknuden efter traumatisk skade. Dette bevis understøtter hypotesen om, at kræfterne ved traumatisk skade resulterer i en fokal pertubation af axolema med den deraf følgende tilstrømning af frit calcium, der kan aktivere en subpopulation af neutrale proteaser.25
Biofysiske undersøgelser har anvendt nye teknikker til at analysere axolemaet under eksperimentelle forhold, der er analoge til axonal skade. Efter en mild strækskade opstår der en række indsnævringer og udvidelser i iskiasnervefibre fra den voksne rotte. Denne formændring er kendt som “beading”.28-30 Omdannelsen af den normale nervefibers i det væsentlige cylindriske form til en nervefiber, der er “beaded”, sker hurtigt, inden for 10 til 20 sekunder efter påbegyndt strækning. De første eksperimentelle data tydede på, at beading fremkaldes af en mekanisme, der er relateret til axolemmaet eller cytoskelettet eller begge dele. I denne model binder transmembranproteinet β1-integrin sig til både den ekstracellulære matrix og cytoskelettet.14 Spændinger i den ekstracellulære matrix signaleres via β1-integrin til cytoskelettet med deraf følgende ændring af dets integritet og rumlige placering. En nylig undersøgelse har imidlertid vist, at beading ikke kræver et sammenkoblet cytoskelet og konkluderede, at axolemaet er det initierende sted eller lokus for beadingforsnævring.31 Det er værd at spekulere i, at beading kan være en del af den biologiske proces, der beskrives som reaktiv axonal forandring i litteraturen i forbindelse med traumatisk induceret axonal skade.
I løbet af de seneste fire år er det blevet fastslået, at axolemaet er involveret i patogenesen af axonal skade. Maxwell et al. viste, at alvorlig traumatisk hjerneskade forårsaget af lateral acceleration var i stand til at rive axolemaet direkte over hos ikke-menneskelige primater.32 Denne undersøgelse var den første, der fremlagde ultrastrukturelle beviser, som understøttede begrebet axonal afrivning ved traumatisk skade på hjernen. Tabet af axolemmal integritet var forbundet med en hurtig opløsning af det axonale cytoskelet. I de axoner, der viste axolemmal rivning eller fragmentering, blev cytoskelettets filamentøse organisering erstattet af et flockulent bundfald, der var i overensstemmelse med en hurtig opløsning af de underliggende cytoskeletale proteiner. Disse ændringer blev påvist inden for få minutter efter skaden, men opstod kun i en subpopulation af finkaliberede, tyndt myeliniserede axoner efter alvorlig skade. Disse morfologiske ændringer repræsenterede en akut reaktion fra axoner på skade og blev kaldt “primær axotomi” – defineret som værende opstået inden for få minutter efter skaden, i modsætning til forsinket sekundær axotomi, som udvikler sig over en periode på flere timer. I det samme forsøgsmateriale var der ingen tegn på opbrydning af axolemaet en time efter skaden. Dette tyder på, at den ødelagte axonale membran genetablerer sig inden for en time efter skaden.
Efter denne publikation genovervejede Povlishock og kolleger deres centrale hypotese, som ikke omfattede en rolle for axolemaet i initieringen af traumatisk induceret axonal skade. Ved nærmere eftertanke foreslog de, at direkte rivning af axolemaet kan repræsentere den alvorligste ende af en række axolemmale forstyrrelser.33 Dette var et vigtigt vendepunkt, idet denne forskergruppe i mange år havde hævdet, at der ikke var noget bevis for direkte ændringer i axolemaet efter skade i nogen af de mange paradigmer, som de havde undersøgt. Desuden havde de argumenteret for, at patobiologien ved traumatisk induceret axonal skade skyldtes direkte forringelse af axoplasmatransporten på grund af de kræfter, som skaden forårsagede, og som direkte forstyrrede det axonale cytoskelet71221 .
I en række eksperimenter, der var designet til at undersøge dette spørgsmål, anvendte Povlishock og kolleger den ekstracellulære sporstof, peberrodsperoxidase (HRP), til at bestemme, om der kunne påvises direkte ændringer i axolemaet ved traumatiske hjerneskader af mild og moderat sværhedsgrad.3334 Denne nye tilgang var baseret på princippet om, at makromolekylære sporstoffer som HRP normalt udelukkes fra axoplasmaet af et intakt axolema. Derfor ville påvisning af intra-axonal peroxidaseaktivitet udgøre et bevis for axolemmal forstyrrelse. Endvidere vil stedet for peroxidaseaktivitet kunne afgrænse det oprindelige sted for axonal pertubation, hvilket giver indsigt i de initierende faktorer, der er involveret i patogenesen for sekundær axotomi. Deres resultater viste, at patobiologien ved traumatisk induceret axonal skade var en heterogen og kompleks proces, der involverede flere og varierede initierende patologier.
I særdeleshed var sværhedsgraden af den traumatiske skade bestemmende for efterfølgende hændelser i axolemmaet og cytoskelettet, hvilket resulterede i et differentieret respons på insulten. Specifikt blev der efter moderat skade påvist direkte pertubationer af axolemaet, der afspejledes i dets ændrede permeabilitet for makromolekyler.33-35 Dette var forbundet med en hurtig lokal komprimering af axonale neurofilamenter, som det fremgik af et fald i interfilamentafstanden. Efter en mild traumatisk hjerneskade blev der imidlertid ikke påvist tegn på ændringer i axolemaet, og der blev fundet et andet sæt cytoskeletale abnormiteter med fejljustering og axonal hævelse. En differentieret reaktion på skade var tidligere blevet beskrevet i en kompressionsbelastningsmodel af axonal skade.36 Ved lav trækbelastning viste axoner axoplasmatisk opløsning uafhængigt af enhver ændring i axolematisk integritet, hvilket er helt i overensstemmelse med de ændringer, der er beskrevet ved mild traumatisk hjerneskade. Ved mere alvorlige skader afslørede de samme axoner axolemmale ændringer, der korrelerede med dramatisk axoplasmatisk svigt. Senere undersøgelser har udvidet disse resultater ved at vise, at disse ændringer i axolemaet og i cytoskelettet hverken er model3435 eller artsspecifikke.37 Efter påvisningen af traumatisk inducerede ændringer i axolemmal permeabilitet antydede undersøgelserne desuden, at calcium kan være involveret i initieringen af cytoskeletale hændelser. Denne tilsyneladende modstrid med tidligere synspunkter stammede fra det faktum, at de antog, at calcium virkede gennem hidtil uidentificerede mekanismer. I stedet for at aktivere proteolytiske enzymer kan calcium virke mindre dramatisk ved at ændre neurofilamenternes sidearme, hvilket får neurofilamenterne til at kollapse, hvilket resulterer i en øget pakningstæthed. Det er tænkeligt, at disse neurofilament-sidearme enten kan blive spaltet af calciummedierede processer eller dephophoryleret ved hjælp af kinaser og fosfataser, hvilket resulterer i en ændring af neurofilamenternes tredimensionelle afstand.1
Sammenfattende er kontroversen omkring axolemmaets rolle i patobiologien ved traumatisk induceret axonal skade blevet løst til en vis grad. Der er nu enighed om, at forstyrrelse af axolemaet er den indledende begivenhed i visse former for traumatisk skade. Det mekanistiske grundlag for sekundær axotomi anses imidlertid nu for at være stadig mere komplekst med ændringer i det axonale cytoskelet, der er påvist i de mere alvorlige former for traumatisk hjerneskade.