Geschichtlicher Rückblick
Die Feststellung von traumatisch bedingten axonalen Anomalien in den meisten experimentellen Modellen stumpfer Kopfverletzungen, ohne Myelinunterbrechung oder offenkundige Schädigung der angrenzenden neuralen oder glialen Prozesse, lieferte keine Beweise für ein direktes Zerreißen oder Abscheren von Axonen nach traumatischen Verletzungen.910 Dies wurde durch Gefrierbruchstudien unterstützt, die in den frühen Phasen der axonalen Verletzung durchgeführt wurden und weder eine unmittelbare Unterbrechung des internodalen Myelins noch einen frühen Verlust der glial-axonalen Verbindungen zeigten, was darauf hindeutet, dass die Myelinscheide selbst nicht unmittelbar durch die Verletzungskräfte geschädigt wird.23 Zu diesem Zeitpunkt postulierten die beiden oben genannten Gruppen, dass die Kräfte der traumatischen Verletzung zunächst auf das Axolemma oder das Axoplasma einwirken, während die Myelinscheide verschont bleibt. Im Rahmen dieser Hypothese könnten die mechanischen Kräfte der Verletzung das Axolemma bis an seine biomechanischen Grenzen dehnen oder verletzen, woraufhin die Ionenhomöostase versagen und reaktive axonale Veränderungen auslösen würde.
In einer Reihe späterer Untersuchungen an menschlichem1222 und tierischem2124 Hirngewebe lieferten Povlishock und Kollegen jedoch Daten, die eine initiierende Rolle des intraaxonalen Zytoskeletts belegen. Ihre Studien ergaben eine komplexe Abfolge von intraaxonalen Ereignissen, die zu reaktiven axonalen Veränderungen führten. Unter Verwendung von Antikörpern, die gegen die Neurofilament-Komponente des Zytoskeletts gerichtet waren, stellten sie fest, dass es innerhalb einer Stunde nach der Verletzung zu einer fokalen Anhäufung der 68 kDa-Untereinheit (NF-L) kam, die zwei Stunden später dramatisch zunahm. Mit zunehmender Zeit wurden die Neurofilamente desorganisiert und in Bezug auf die Längsachse des Axons falsch ausgerichtet. Ein Verlust oder eine Auflösung von Neurofilamenten wurde nicht festgestellt. Diese Daten waren daher unvereinbar mit einem durch neutrale Proteasen vermittelten Abbau des Zytoskeletts. Stattdessen sprach die Zunahme der 68kDa-Neurofilament-Untereinheit für die Möglichkeit einer traumatisch bedingten Umstrukturierung des Neurofilament-Pools. Darüber hinaus wurden in dieser Versuchsreihe keine ultrastrukturellen Hinweise auf eine direkte axolemale Unterbrechung festgestellt. Es wurde eine Faltung und Dehnung des Axolemmas festgestellt, die auf die laufenden reaktiven axonalen Veränderungen zurückgeführt wurde. Diese Ergebnisse legten nahe, dass eine direkte mechanische Einwirkung auf das Zytoskelett des Axonzylinders das zentrale Ereignis bei der Einleitung der Pathogenese der axonalen Schädigung war.
Andere Ansätze legten nahe, dass das Axolemma an der Einleitung der reaktiven axonalen Veränderung beteiligt war. Maxwell et al. verwendeten ein Nervenzugmodell, um die morphologischen Veränderungen innerhalb geschädigter Axone zu analysieren.18 Diese Autoren wiesen nach, dass die ersten Orte der Schädigung nach einer nicht-disruptiven Dehnungsverletzung die Ranvier-Knoten sind, von denen einige „nodal blebs“ entwickeln. Bei diesen Blutungen handelt es sich um axolemma-begrenzte Ausstülpungen des Axoplasmas in den perinodalen Raum, die innerhalb von 15 Minuten nach der Verletzung am zahlreichsten sind, während sie in späteren Intervallen seltener auftreten. In geschädigten Axonen mit Nodal Blebs waren die Neurofilamente desorganisiert, wichen von der Längsachse des Axons ab und erstreckten sich in die Blebs hinein. Im Gegensatz dazu behielten die Mikrotubuli ihre longitudinale Anordnung bei und wichen nicht in die Knötchen ab. Die quantitative Analyse dieses Materials zeigte, dass im Axoplasma von Knoten mit assoziierten Knotenbälgen ein signifikanter Verlust an Mikrotubuli und ein größerer Abstand der Neurofilamente zu verzeichnen war. Dieser Verlust an Mikrotubuli könnte den schnellen axoplasmatischen Transport stören, was zu einer fokalen Ansammlung von membranösen Organellen in benachbarten paranodalen Regionen des Axons führt und axonale Schwellungen bildet. Darüber hinaus lieferten diese Forscher die ersten zytochemischen Beweise für einen Kalziumeinstrom in myelinisierte Nervenfasern, die durch Dehnung geschädigt wurden.25 Die Verwendung der Oxalat-Pyroantimonat-Technik zur Lokalisierung von Kalzium zeigte 15 Minuten nach der Dehnungsverletzung einen erhöhten Gehalt an Pyroantimonat-Präzipitat innerhalb der Knotenpunkte. Dies korrelierte mit einer Verringerung der Markierung für die Aktivität der Membranpumpe Ca2+ATPase im Axolemma des Knotens.26 Der Ranvier-Knoten ist die spezialisierte Region des Axolemma, in der Gruppen von Na+-Kanälen, ATPase-getriebene Pumpen für Kalzium und ein Na+/Ca2+-Austauscher lokalisiert sind.2027 Daher könnte der Verlust der Membranpumpenaktivität im Axolemma des Knotens einen Mechanismus für den Einstrom von freiem Kalzium in den Ranvier-Knoten nach einer traumatischen Verletzung darstellen. Dies stützt die Hypothese, dass die Kräfte einer traumatischen Verletzung zu einer fokalen Pertubation des Axolemmas führen und der daraus resultierende Einstrom von freiem Kalzium eine Subpopulation neutraler Proteasen aktivieren kann.25
Biophysikalische Untersuchungen haben neue Techniken zur Analyse des Axolemmas unter experimentellen Bedingungen eingesetzt, die einer axonalen Verletzung ähneln. Nach einer leichten Dehnungsverletzung kommt es in Ischiasnervenfasern der erwachsenen Ratte zu einer Reihe von Einschnürungen und Ausdehnungen. Diese Formveränderung wird als Wulstbildung bezeichnet.28-30 Die Umwandlung der im Wesentlichen zylindrischen Form der normalen Nervenfaser in eine Wulstbildung erfolgt schnell, innerhalb von 10 bis 20 Sekunden nach Beginn der Dehnung. Erste experimentelle Daten legen nahe, dass die Wulstbildung durch einen Mechanismus hervorgerufen wird, der mit dem Axolemma oder dem Zytoskelett oder beidem zusammenhängt. In diesem Modell bindet das Transmembranprotein β1-Integrin sowohl an die extrazelluläre Matrix als auch an das Zytoskelett.14 Die auf die extrazelluläre Matrix ausgeübte Spannung wird über β1-Integrin an das Zytoskelett signalisiert, was zu einer Veränderung seiner Integrität und räumlichen Anordnung führt. Eine neuere Studie deutet jedoch darauf hin, dass für das Wulstwachstum kein vernetztes Zytoskelett erforderlich ist, und kommt zu dem Schluss, dass das Axolemma der Ort ist, an dem die Einschnürung des Wulstes initiiert wird.31 Es kann spekuliert werden, dass das Wulstwachstum Teil des biologischen Prozesses ist, der in der Literatur im Zusammenhang mit traumatisch bedingten axonalen Verletzungen als reaktive axonale Veränderung beschrieben wird.
In den letzten vier Jahren hat sich die Beteiligung des Axolemmas an der Pathogenese von axonalen Verletzungen etabliert. Maxwell et al. zeigten, dass eine schwere traumatische Hirnverletzung durch Querbeschleunigung in der Lage war, das Axolemma bei nicht-menschlichen Primaten direkt zu zerreißen.32 Diese Studie war die erste, die ultrastrukturelle Beweise lieferte, die das Konzept der axonalen Scherung bei traumatischen Verletzungen des Gehirns unterstützten. Der Verlust der axolemmalen Integrität war mit einer schnellen Auflösung des axonalen Zytoskeletts verbunden. In den Axonen, die einen axolemmalen Riss oder eine Fragmentierung aufwiesen, wurde die filamentöse Organisation des Zytoskeletts durch ein flockiges Präzipitat ersetzt, das mit einer schnellen Auflösung der zugrunde liegenden Zytoskelettproteine einherging. Diese Veränderungen wurden innerhalb von Minuten nach der Verletzung festgestellt, traten aber nur bei einer Teilpopulation feinkalibriger, dünn myelinisierter Axone nach schwerer Verletzung auf. Diese morphologischen Veränderungen stellen eine akute Reaktion der Axone auf die Verletzung dar und wurden als „primäre Axotomie“ bezeichnet, die innerhalb von Minuten nach der Verletzung auftritt, im Gegensatz zur verzögerten sekundären Axotomie, die sich über einen Zeitraum von Stunden entwickelt. In demselben Versuchsmaterial gab es eine Stunde nach der Verletzung keine Anzeichen für eine Unterbrechung des Axolemmas. Dies deutet darauf hin, dass sich die zerrissene Axonmembran innerhalb einer Stunde nach der Verletzung wieder schließt.
Nach dieser Veröffentlichung überdachten Povlishock und Kollegen ihre zentrale Hypothese, die keine Rolle für das Axolemma bei der Auslösung einer traumatisch bedingten axonalen Verletzung vorsah. Nach reiflicher Überlegung schlugen sie vor, dass ein direktes Zerreißen des Axolemmas das schwerste Ende einer Reihe von axolemmalen Störungen darstellen könnte.33 Dies war ein wichtiger Wendepunkt, da diese Forschergruppe jahrelang behauptet hatte, dass es in keinem der zahlreichen von ihnen untersuchten Paradigmen Hinweise auf direkte Veränderungen des Axolemmas nach einer Verletzung gab. Darüber hinaus hatten sie argumentiert, dass die Pathobiologie der traumatisch induzierten axonalen Verletzung aus der direkten Beeinträchtigung des axoplasmatischen Transports aufgrund der Verletzungskräfte resultiert, die das axonale Zytoskelett direkt stören.71221
In einer Reihe von Experimenten zur Untersuchung dieser Frage setzten Povlishock und Kollegen den extrazellulären Tracer Meerrettichperoxidase (HRP) ein, um festzustellen, ob direkte Veränderungen im Axolemma bei leichten und mittelschweren traumatischen Hirnverletzungen nachweisbar sind.3334 Dieser neuartige Ansatz beruhte auf dem Prinzip, dass makromolekulare Tracer wie HRP normalerweise durch ein intaktes Axolemma aus dem Axoplasma ausgeschlossen werden. Daher würde der Nachweis einer intraaxonalen Peroxidaseaktivität einen Beweis für eine axolemale Unterbrechung darstellen. Darüber hinaus würde der Ort der Peroxidaseaktivität den ursprünglichen Ort der axonalen Pertubation abgrenzen und damit Aufschluss über die auslösenden Faktoren bei der Pathogenese der sekundären Axotomie geben. Ihre Ergebnisse zeigten, dass die Pathobiologie der traumatisch bedingten axonalen Verletzung ein heterogener und komplexer Prozess ist, der mehrere und unterschiedliche auslösende Pathologien umfasst.
Insbesondere die Schwere der traumatischen Verletzung bestimmt die nachfolgenden Ereignisse im Axolemma und im Zytoskelett, was zu einer unterschiedlichen Reaktion auf den Insult führt. Insbesondere nach einer mittelschweren Verletzung wurden direkte Pertubationen des Axolemmas festgestellt, die sich in seiner veränderten Permeabilität für Makromoleküle widerspiegelten.33-35 Dies ging mit einer raschen lokalen Verdichtung der axonalen Neurofilamente einher, die sich in einer Verringerung des Interfilament-Abstands zeigte. Nach einem leichten Schädel-Hirn-Trauma wurden jedoch keine Anzeichen für Veränderungen im Axolemma festgestellt, und es wurde eine andere Reihe von Zytoskelett-Anomalien mit Fehlausrichtung und axonaler Schwellung gefunden. Eine differenzierte Reaktion auf die Verletzung wurde zuvor in einem Modell für axonale Verletzungen durch Druckbelastung beschrieben.36 Bei geringer Zugbelastung zeigten die Axone eine axoplasmatische Zerrüttung unabhängig von einer Veränderung der axolemmalen Integrität, was völlig mit den bei leichten traumatischen Hirnverletzungen beschriebenen Veränderungen übereinstimmt. Bei schwereren Verletzungen wiesen dieselben Axone axolemale Veränderungen auf, die mit einem dramatischen Ausfall des Axoplasmas korrelierten. Spätere Studien haben diese Ergebnisse erweitert, indem sie zeigten, dass diese Veränderungen im Axolemma und im Zytoskelett weder modell-3435 noch speziesspezifisch sind.37 Nach dem Nachweis von traumatisch bedingten Veränderungen der axolemmalen Permeabilität legten die Studien zudem nahe, dass Kalzium an der Auslösung von Ereignissen im Zytoskelett beteiligt sein könnte. Dieser scheinbare Widerspruch zu früheren Auffassungen ergab sich aus der Tatsache, dass sie davon ausgingen, dass Kalzium durch bisher nicht identifizierte Mechanismen wirkt. Anstatt proteolytische Enzyme zu aktivieren, könnte Kalzium auf weniger dramatische Weise die Seitenarme der Neurofilamente verändern, so dass diese kollabieren, was zu einer erhöhten Packungsdichte der Neurofilamente führt. Es ist denkbar, dass diese Neurofilament-Seitenarme entweder durch kalziumvermittelte Prozesse gespalten oder durch die Wirkung von Kinasen und Phosphatasen dephophoryliert werden, was zu einer Veränderung der dreidimensionalen Abstände der Neurofilamente führt.1
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Kontroverse über die Rolle des Axolemmas in der Pathobiologie traumatisch bedingter Axonalverletzungen bis zu einem gewissen Grad beigelegt ist. Man ist sich jetzt einig, dass die Unterbrechung des Axolemmas bei bestimmten Formen traumatischer Verletzungen das erste Ereignis ist. Die mechanistische Grundlage der sekundären Axotomie wird jedoch zunehmend als komplexer angesehen, da bei den schwereren Formen traumatischer Hirnverletzungen Veränderungen des axonalen Zytoskeletts nachgewiesen wurden.