Historiallinen katsaus
Löydökset traumaattisesti indusoituneista aksonipoikkeavuuksista useimmissa tylppien päävammojen kokeellisissa malleissa ilman, että myeliini rikkoutuisi tai että viereiset neuraaliset prosessit tai gliaprosessit vaurioituisivat avoimesti.910 Tätä tukivat aksonivamman alkuvaiheessa tehdyt jäädytysmurtumatutkimukset, joissa ei havaittu välitöntä myeliinin sisäisen solukon rikkoutumista tai glia-aksoniliitosten varhaista häviämistä, mikä viittaa siihen, että myeliinituppi itsessään ei vaurioidu välittömästi vammavoimien vaikutuksesta.23 Molemmat edellä mainituista ryhmistä päättelivät tässä vaiheessa, että traumaattisen vamman voimat vaikuttavat ensin aksolemmaan tai aksoplasmaan myeliinitupea säästäen. Tämän hypoteesin mukaan vamman mekaaniset voimat voisivat venyttää tai vahingoittaa aksolemmaa biomekaanisiin rajoihinsa, jolloin ionihomeostaasi pettää ja käynnistää reaktiivisen aksonimuutoksen.
Povlishock ja kollegat toimittivat kuitenkin useissa myöhemmissä tutkimuksissa, joita he tekivät aivokudoksella sekä ihmisistä1222 että eläimistä2124 , tietoja, jotka tukivat akselin sisäisen sytoskelettirakenteen käynnistävää roolia. Heidän tutkimuksissaan paljastui monimutkainen aksonin sisäisten tapahtumien sarja, joka johti reaktiiviseen aksonimuutokseen. Käyttämällä sytoskeletin neurofilamenttikomponenttiin suunnattuja vasta-aineita he havaitsivat, että 68 kDa:n alayksikön (NF-L) määrä kasaantui paikallisesti tunnin kuluessa vammasta, ja kasvu oli dramaattista kahteen tuntiin mennessä. Ajan kuluessa neurofilamentit muuttuivat epäjärjestyneiksi ja väärän suuntaisiksi suhteessa aksonin pituusakseliin. Neurofilamenttien häviämistä tai liukenemista ei havaittu. Nämä tiedot olivat siis ristiriidassa sytoskeletin neutraaliproteaasivälitteisen hajoamisen kanssa. Sen sijaan 68 kDa:n neurofilamentin alayksikön lisääntyminen tuki mahdollisuutta, että neurofilamenttipooli on trauman aiheuttama uudelleenjärjestäytyminen. Lisäksi tässä koesarjassa ei havaittu ultrarakenteellisia todisteita suorasta aksolemmaalisesta häiriöstä. Aksolemman taittumista ja laajentumista havaittiin, ja se johtui käynnissä olevasta reaktiivisesta aksonimuutoksesta. Nämä havainnot viittasivat siihen, että suora mekaaninen vaikutus aksonisylinterin sytoskelettiin oli keskeinen tapahtuma aksonivaurion käynnistävässä patogeneesissä.
Muut lähestymistavat viittasivat siihen, että aksolemma osallistui reaktiivisen aksonimuutoksen käynnistymiseen. Maxwell et al. käyttivät hermovetomallia analysoidakseen morfologisia muutoksia vaurioituneissa aksoneissa.18 Nämä kirjoittajat antoivat näyttöä siitä, että vaurion alkukohdat ovat ei-häiritsevän venytysvamman jälkeen Ranvierin solmuja, joista joihinkin kehittyy ”solmupaloja”. Nämä pullistumat ovat aksolemman rajoittamia aksoplasman ulokkeita perinodaaliseen tilaan, ja niitä on eniten 15 minuutin kuluessa vammasta, mutta vähemmän myöhempinä ajankohtina. Vaurioituneissa aksoneissa, joissa oli nodaalisia rakkuloita, neurofilamentit olivat epäjärjestyksessä, poikkesivat aksonin pituusakselista ja ulottuivat rakkuloihin. Sitä vastoin mikrotubulukset säilyttivät pituussuuntaisen järjestyksensä eivätkä poikenneet kupliin. Tämän materiaalin kvantitatiivinen analyysi osoitti, että mikrotubulusten häviäminen oli merkittävää ja neurofilamenttien etäisyys toisistaan oli lisääntynyt sellaisten solmujen aksoplasmassa, joihin liittyi solmuhaarakkeita. Mikrotubulusten häviäminen saattaa häiritä nopeaa aksoplasman kuljetusta, mikä johtaa kalvomaisten organellien keskittyneeseen kerääntymiseen aksonin vierekkäisille paranodaalisille alueille ja muodostaa aksonipaisumia. Lisäksi nämä työntekijät toimittivat ensimmäiset sytokemialliset todisteet, jotka tukivat ajatusta kalsiumin virtauksesta venytyksen vaurioittamiin myelinoituneisiin hermosäikeisiin.25 Oksalaatti-pyroantimonaattitekniikan käyttö kalsiumin lokalisoimiseksi osoitti, että pyroantimonaattisakka oli lisääntynyt solmukkeissa 15 minuuttia venytysvamman jälkeen. Tämä korreloi kalvopumpun Ca2+ATPaasiaktiivisuuden leimautumisen vähenemisen kanssa solmun aksolemmassa.26 Ranvierin solmu on aksolemman erikoistunut alue, johon on lokalisoitunut ryhmiä Na+ -kanavia, ATPaasivetoisia kalsiumpumppuja ja Na+/Ca2+ -vaihdin.2027 Näin ollen kalvopumppuaktiivisuuden häviäminen solmun aksolemmassa saattaa olla mekanismi, jonka avulla vapaata kalsiumia pääsee virtaamaan Ranvierin solmun solmupisteeseen traumaattisen vamman jälkeen. Nämä todisteet tukevat hypoteesia, jonka mukaan traumaattisen vamman aiheuttamat voimat johtavat aksolemman fokaaliseen pertuboitumiseen, minkä seurauksena vapaa kalsium virtaa sisään ja kykenee aktivoimaan neutraalien proteaasien osapopulaation.25
Biofysikaalisissa tutkimuksissa on käytetty uudenlaisia tekniikoita aksolemman analysoimiseksi aksonivammoja vastaavissa kokeellisissa olosuhteissa. Lievän venytysvamman jälkeen aikuisen rotan iskiashermosäikeissä tapahtuu sarja supistumisia ja laajentumisia. Tämä muodonmuutos tunnetaan nimellä beading.28-30 Muutos normaalin hermosäikeen pääosin sylinterimäisestä muodosta beading-muotoon tapahtuu nopeasti, 10-20 sekunnin kuluessa venytyksen alkamisesta. Alkuperäiset kokeelliset tiedot viittasivat siihen, että beading aiheutuu mekanismista, joka liittyy aksolemmaan tai sytoskelettiin tai molempiin. Tässä mallissa transmembraaniproteiini β1-integriini sitoutuu sekä solunulkoiseen matriisiin että sytoskelettiin.14 Solunulkoiseen matriisiin kohdistuva jännitys viestii β1-integriinin välityksellä sytoskelettiin, minkä seurauksena sen eheys ja tilajärjestys muuttuvat. Eräässä tuoreessa tutkimuksessa on kuitenkin osoitettu, että beading ei edellytä toisiinsa kytkeytynyttä sytoskelettiä, ja päädytty siihen, että aksolemma on beadingin supistumisen aloituskohta tai -paikka.31 On syytä spekuloida, että beading voi olla osa biologista prosessia, jota traumaattisesti aiheutettuun aksonivaurioon liittyvässä kirjallisuudessa kuvataan nimellä ”reaktiivinen aksonimuutos”.
Viimeisten neljän vuoden aikana aksolemman osallisuus aksonivaurion patogeneesiin on tullut vakiintuneeksi. Maxwell ym. osoittivat, että sivuttaisen kiihtyvyyden aiheuttama vakava traumaattinen aivovamma pystyi suoraan repimään aksolemman kädellisillä.32 Tämä tutkimus oli ensimmäinen, joka tarjosi ultrastrukturaalista näyttöä, joka tuki aksonien leikkautumisen käsitettä aivojen traumaattisessa vammassa. Aksolemman eheyden menetys liittyi aksonin sytoskeletin nopeaan liukenemiseen. Niissä aksoneissa, joissa esiintyi aksolemmaalin repeytymistä tai pirstoutumista, sytoskeletin filamenttiorganisaatio korvautui flokkuloituneella saostumalla, joka oli yhdenmukainen taustalla olevien sytoskelettiproteiinien nopean liukenemisen kanssa. Nämä muutokset havaittiin muutamassa minuutissa vamman jälkeen, mutta niitä esiintyi vain pienikaliiberisten, ohuesti myelinisoituneiden aksonien osapopulaatiossa vakavan vamman jälkeen. Nämä morfologiset muutokset edustivat aksonien akuuttia vastetta vammalle, ja niitä kutsuttiin ”primaariseksi aksotomiaksi”, joka määriteltiin tapahtuvaksi muutamassa minuutissa vammasta, toisin kuin viivästynyt sekundaarinen aksotomia, joka kehittyy tuntien kuluessa. Samassa kokeellisessa aineistossa ei ollut merkkejä aksolemman rikkoutumisesta tunnin kuluttua vammasta. Tämä viittaa siihen, että rikkoutunut aksonikalvo sulkeutuu uudelleen tunnin kuluessa vammasta.
Tämän julkaisun jälkeen Povlishock ja kollegat harkitsivat uudelleen keskeistä hypoteesiään, johon ei sisältynyt aksolemman roolia traumaperäisen aksonivaurion käynnistymisessä. Pohdittuaan asiaa he ehdottivat, että aksolemman suora repeämä saattaa edustaa aksolemman häiriöiden vakavinta ääripäätä.33 Tämä oli merkittävä käännekohta, sillä tämä tutkijaryhmä oli vuosien ajan väittänyt, että aksolemman suorista muutoksista vamman jälkeen ei ollut näyttöä yhdessäkään lukuisista paradigmoista, joita he olivat tutkineet. Lisäksi he olivat väittäneet, että traumaperäisen aksonivaurion patobiologia johtui aksoplasman kuljetuksen suorasta heikkenemisestä, joka johtui siitä, että vamman aiheuttamat voimat häiritsivät suoraan aksonin sytoskelettiä71221 .
Povlishock ja kollegat käyttivät tämän kysymyksen tutkimiseksi suunnitellussa koesarjassa solunulkoista merkkiainetta, piparjuuriperoksidaasia (HRP), selvittääkseen, olivatko suorat muutokset aksolemmassa havaittavissa lievissä ja keskivaikeissa traumaattisissa aivovammoissa.3334 Tämä uudenlainen lähestymistapa perustui periaatteeseen, jonka mukaan makromolekulaariset merkkiaineet, kuten HRP:n kaltaiset merkkiaineet, normaalisti sulkeutuvat aksoloplasman ulkopuolelle koskemattomassa aksolemmassa. Näin ollen aksoninsisäisen peroksidaasiaktiivisuuden havaitseminen olisi todiste aksolemman häiriöstä. Lisäksi peroksidaasiaktiivisuuden sijainti rajaisi aksonipertubaation alkukohdan, mikä antaisi tietoa sekundaarisen aksotomian patogeneesiin liittyvistä aloittavista tekijöistä. Heidän havaintonsa osoittivat, että traumaattisesti aiheutetun aksonivaurion patobiologia oli heterogeeninen ja monimutkainen prosessi, johon liittyi useita ja erilaisia aloittavia patologioita.
Erityisesti traumaattisen vamman vakavuus määritteli myöhemmät tapahtumat aksolemmassa ja sytoskeletissa, mikä johti erilaiseen vasteeseen insulttiin. Erityisesti keskivaikean vamman jälkeen havaittiin aksolemman suoria pertubaatioita, jotka heijastuivat sen muuttuneena läpäisevyytenä makromolekyyleille.33-35 Tämä liittyi aksonien neurofilamenttien nopeaan paikalliseen tiivistymiseen, mikä näkyi filamenttien välisen etäisyyden pienenemisenä. Lievän traumaattisen aivovamman jälkeen ei kuitenkaan havaittu merkkejä aksolemman muutoksista, ja todettiin erilaisia sytoskelettipoikkeavuuksia, joihin liittyi vääränlainen suuntautuminen ja aksonin turpoaminen. Aksonivaurion puristuskuormitusmallissa oli aiemmin kuvattu erilainen reaktio vaurioon.36 Matalassa vetokuormituksessa aksonit osoittivat aksoplasman hajoamista riippumatta mistään muutoksesta aksolemman eheydessä, mikä on täysin yhdenmukaista lievän traumaattisen aivovamman yhteydessä kuvattujen muutosten kanssa. Vakavammissa vammoissa samat aksonit osoittivat aksolemmaalisia muutoksia, jotka korreloivat dramaattisen aksoplasmahäiriön kanssa. Myöhemmät tutkimukset ovat laajentaneet näitä havaintoja osoittamalla, että nämä muutokset aksolemmassa ja sytoskeletissä eivät ole malli-3435 eivätkä lajispesifisiä.37 Lisäksi sen jälkeen, kun oli osoitettu trauman aiheuttamat muutokset aksolemman läpäisevyydessä, tutkimukset viittasivat siihen, että kalsium saattaa olla osallisena sytoskelettitapahtumien käynnistymisessä. Tämä ilmeinen ristiriita aiempien näkemysten kanssa johtui siitä, että niissä esitettiin kalsiumin vaikuttavan aiemmin tunnistamattomien mekanismien kautta. Proteolyyttisten entsyymien aktivoimisen sijasta kalsium saattaa vaikuttaa vähemmän dramaattisesti muuttamalla neurofilamenttien sivuvarsia, jolloin neurofilamentit romahtavat ja niiden pakkaustiheys kasvaa. On ajateltavissa, että kalsiumvälitteiset prosessit voivat joko pilkkoa näitä neurofilamenttien sivuvarsia tai defosforyloida niitä kinaasien ja fosfataasien vaikutuksesta, jolloin neurofilamenttien kolmiulotteinen väli muuttuu.1
Johtopäätöksenä voidaan todeta, että kiista aksolemman roolista traumaattisesti aiheutetun aksonivaurion patobiologiassa on jossain määrin ratkaistu. Nyt ollaan yhtä mieltä siitä, että aksolemman rikkoutuminen on alkutapahtuma tietyissä traumaattisen vamman muodoissa. Sekundaarisen aksoleman mekanistinen perusta nähdään nyt kuitenkin yhä monimutkaisempana, ja aksonien sytoskeletissä tapahtuvat muutokset on osoitettu traumaattisen aivovamman vakavimmissa muodoissa.