Revue historique
Les constatations d’anomalies axonales induites par un traumatisme dans la plupart des modèles expérimentaux de traumatisme crânien, sans rupture de la myéline ni dommages francs aux processus neuraux ou gliaux adjacents, n’ont pas apporté la preuve d’une déchirure ou d’un cisaillement direct des axones après une lésion traumatique910. Cela a été confirmé par des études de fracture par congélation, menées dans les premières phases de la lésion axonale, qui n’ont pas montré de rupture immédiate de la myéline internodale ou de perte précoce des jonctions gliales-axonales, ce qui suggère que la gaine de myéline elle-même n’est pas immédiatement endommagée par les forces de la lésion.23 A ce stade, les deux groupes ci-dessus ont postulé que les forces de la lésion traumatique agissent d’abord sur l’axolemme ou l’axoplasme tout en épargnant la gaine de myéline. Dans le cadre de cette hypothèse, les forces mécaniques de la lésion pourraient étirer ou blesser l’axolemme jusqu’à ses limites biomécaniques, auquel cas l’homéostasie ionique échouerait et déclencherait une modification réactive de l’axone.
Cependant, dans une série d’études ultérieures sur des tissus cérébraux humains1222 et animaux2124 , Povlishock et ses collègues ont fourni des données en faveur d’un rôle initial du cytosquelette intra-axonal. Leurs études ont révélé une séquence complexe d’événements intra-axonaux qui ont évolué vers un changement axonal réactif. Plus précisément, à l’aide d’anticorps dirigés contre le composant neurofilaments du cytosquelette, ils ont constaté une accumulation focale de la sous-unité de 68 kDa (NF-L) dans l’heure suivant la lésion, et cette augmentation était spectaculaire après deux heures. Avec le temps, les neurofilaments se désorganisent et se désalignent par rapport à l’axe longitudinal de l’axone. Aucune perte ou dissolution de neurofilaments n’a été détectée. Ces données sont donc incompatibles avec une dégradation du cytosquelette par une protéase neutre. Au contraire, l’augmentation de la sous-unité 68kDa des neurofilaments soutient la possibilité d’un réarrangement du pool de neurofilaments induit par le traumatisme. De plus, aucune preuve ultrastructurale d’une perturbation axolemmale directe n’a été détectée dans cette série d’expériences. Le gonflement et la distension de l’axolemma ont été constatés et attribués à la modification axonale réactive en cours. Ces résultats suggèrent qu’un effet mécanique direct sur le cytosquelette du cylindre de l’axone était l’événement pivot dans la pathogenèse initiale de la lésion axonale.
D’autres approches ont suggéré que l’axolemme était impliqué dans l’initiation du changement axonal réactif. Maxwell et al ont utilisé un modèle de traction nerveuse pour analyser les changements morphologiques à l’intérieur des axones endommagés.18 Ces auteurs ont fourni des preuves que les sites initiaux de dommages, après une blessure non disruptive par étirement, sont les nœuds de Ranvier, dont certains développent des » hématomes nodaux « . Il s’agit de protubérances de l’axoplasme dans l’espace périnodal, limitées à l’axolemme, qui sont les plus nombreuses dans les 15 minutes suivant la blessure, mais qui le sont moins par la suite. Dans les axones endommagés présentant des bulles nodales, les neurofilaments étaient désorganisés, déviés de l’axe longitudinal de l’axone et s’étendaient dans les bulles. En revanche, les microtubules ont conservé leur disposition longitudinale et n’ont pas dévié dans la bulle. L’analyse quantitative de ce matériel a montré qu’il y avait une perte significative de microtubules et une augmentation de l’espacement des neurofilaments dans l’axoplasme des nœuds avec les bulles nodales associées. Cette perte de microtubules pourrait perturber le transport axoplasmique rapide et entraîner l’accumulation focale d’organelles membranaires dans les régions paranodales adjacentes de l’axone pour former des renflements axonaux. En outre, ces chercheurs ont fourni les premières preuves cytochimiques pour soutenir l’idée d’un influx de calcium dans les fibres nerveuses myélinisées lésées par l’étirement.25 L’utilisation de la technique oxalate-pyroantimonate pour la localisation du calcium a montré une augmentation de la teneur en précipité de pyroantimonate dans les bulles nodales 15 minutes après la lésion par étirement. Cela correspondait à une réduction du marquage de l’activité de la pompe membranaire Ca2+ATPase sur l’axolemma nodal.26 Le nœud de Ranvier est la région spécialisée de l’axolemma dans laquelle sont localisés des groupes de canaux Na+, des pompes à calcium entraînées par l’ATPase et un échangeur Na+/Ca2+.2027 Par conséquent, la perte de l’activité de la pompe membranaire dans l’axolemma nodal pourrait fournir un mécanisme d’influx de calcium libre dans les nœuds de Ranvier après une blessure traumatique. Cette preuve soutient l’hypothèse que les forces de la lésion traumatique entraînent une pertubation focale de l’axolemma avec l’influx résultant de calcium libre capable d’activer une sous-population de protéases neutres.25
Les recherches biophysiques ont utilisé de nouvelles techniques pour analyser l’axolemma dans des conditions expérimentales analogues à la lésion axonale. Après une blessure par étirement léger, une série de constrictions et d’expansions se produit dans les fibres du nerf sciatique du rat adulte. Ce changement de forme est connu sous le nom de perlage.28-30 La transformation de la forme essentiellement cylindrique de la fibre nerveuse normale en une fibre perlée se produit rapidement, en 10 à 20 secondes après le début de l’étirement. Les premières données expérimentales suggèrent que le bourrelet est provoqué par un mécanisme lié à l’axolemma, au cytosquelette ou aux deux. Dans ce modèle, la protéine transmembranaire β1-intégrine se lie à la fois à la matrice extracellulaire et au cytosquelette.14 La tension exercée sur la matrice extracellulaire est signalée par la β1-intégrine au cytosquelette, ce qui entraîne une altération de son intégrité et de sa disposition spatiale. Cependant, une étude récente a indiqué que le bourrelet ne nécessite pas un cytosquelette interconnecté et a conclu que l’axolemma est le site d’initiation ou le lieu de la constriction du bourrelet.31 Il est intéressant de spéculer que le bourrelet peut faire partie du processus biologique qui est décrit comme un changement axonal réactif dans la littérature liée aux lésions axonales induites par un traumatisme.
Au cours des quatre dernières années, l’implication de l’axolemma dans la pathogenèse des lésions axonales a été établie. Maxwell et al ont montré qu’une lésion cérébrale traumatique grave causée par une accélération latérale était capable de déchirer directement l’axolemma chez les primates non humains.32 Cette étude a été la première à fournir des preuves ultrastructurales qui soutenaient le concept de cisaillement axonal dans la lésion traumatique du cerveau. La perte d’intégrité de l’axolemma était associée à une dissolution rapide du cytosquelette axonal. Dans les axones présentant une déchirure ou une fragmentation axolemmale, l’organisation filamenteuse du cytosquelette a été remplacée par un précipité floculant correspondant à une dissolution rapide des protéines sous-jacentes du cytosquelette. Ces changements ont été détectés dans les minutes qui ont suivi la lésion, mais ne se sont produits que dans une sous-population d’axones de calibre fin et faiblement myélinisés après une lésion grave. Ces changements morphologiques représentaient une réponse aiguë des axones à la lésion et ont été appelés » axotomie primaire » – définie comme se produisant dans les minutes suivant la lésion, par opposition à l’axotomie secondaire retardée, qui se développe sur plusieurs heures. Dans le même matériel expérimental, il n’y avait aucun signe de perturbation de l’axolemma une heure après la blessure. Cela suggère que la membrane axonale rompue se referme dans l’heure qui suit la blessure.
Après cette publication, Povlishock et ses collègues ont reconsidéré leur hypothèse centrale, qui n’incluait pas un rôle pour l’axolemme dans l’initiation de la blessure axonale induite par le traumatisme. Après réflexion, ils ont suggéré que la déchirure directe de l’axolemma pouvait représenter l’extrémité la plus grave d’une gamme de perturbations axolemmales.33 Il s’agissait d’un tournant majeur, dans la mesure où, pendant de nombreuses années, ce groupe de recherche avait soutenu qu’il n’y avait aucune preuve d’altérations directes de l’axolemma après une blessure dans aucun des nombreux paradigmes qu’ils avaient étudiés. De plus, ils avaient soutenu que la pathobiologie de la lésion axonale induite par un traumatisme résultait de l’altération directe du transport axoplasmique due aux forces de la lésion perturbant directement le cytosquelette axonal71221.
Dans une série d’expériences conçues pour étudier cette question, Povlishock et ses collègues ont utilisé le traceur extracellulaire, la peroxydase de raifort (HRP), pour déterminer si des altérations directes de l’axolemma étaient détectables dans les lésions cérébrales traumatiques de gravité légère et modérée.3334 Cette nouvelle approche était basée sur le principe que les traceurs macromoléculaires tels que la HRP sont normalement exclus de l’axoplasme par un axolemma intact. Par conséquent, la détection d’une activité peroxydase intra-axonale constituerait une preuve de la perturbation de l’axolemma. En outre, le site de l’activité de la peroxydase délimiterait le site initial de la pertubation axonale, ce qui permettrait de comprendre les facteurs initiaux impliqués dans la pathogenèse de l’axotomie secondaire. Leurs résultats ont montré que la pathobiologie de la lésion axonale induite par un traumatisme était un processus hétérogène et complexe impliquant une pathologie initiatrice multiple et variée.
En particulier, la gravité de la lésion traumatique détermine les événements ultérieurs dans l’axolemma et le cytosquelette, ce qui entraîne une réponse différentielle à l’insulte. Plus précisément, après une lésion modérée, on a détecté des pertubations directes de l’axolemma se traduisant par une modification de sa perméabilité aux macromolécules.33-35 Cela était associé à une compaction locale rapide des neurofilaments axonaux, comme en témoigne une diminution de la distance interfilament. Cependant, après une lésion cérébrale traumatique légère, aucun signe d’altération de l’axolemme n’a été détecté et un ensemble différent d’anomalies du cytosquelette, avec désalignement et gonflement axonal, a été constaté. Une réponse différentielle à la lésion avait déjà été décrite dans un modèle de lésion axonale avec charge de compression.36 Avec une faible charge de traction, les axones présentaient une perturbation axoplasmique indépendante de toute modification de l’intégrité de l’axolemme, ce qui est tout à fait cohérent avec les changements décrits avec une lésion cérébrale traumatique légère. Dans le cas de lésions plus graves, les mêmes axones ont révélé des changements axolemmaux en corrélation avec une défaillance axoplasmique spectaculaire. Des études ultérieures ont étendu ces résultats en montrant que ces altérations de l’axolemma et du cytosquelette ne sont ni spécifiques du modèle3435 ni de l’espèce.37 En outre, après la démonstration des altérations de la perméabilité axolemmale induites par le traumatisme, les études ont suggéré que le calcium pouvait être impliqué dans le déclenchement des événements du cytosquelette. Cette contradiction apparente avec les points de vue antérieurs provenait du fait qu’ils postulaient que le calcium agissait par le biais de mécanismes non identifiés auparavant. Au lieu d’activer des enzymes protéolytiques, le calcium peut agir de façon moins spectaculaire en modifiant les armes latérales des neurofilaments, provoquant ainsi leur effondrement et une augmentation de leur densité. Il est concevable que ces bras latéraux des neurofilaments puissent être soit clivés par des processus médiés par le calcium, soit déphophorylés par l’action de kinases et de phosphatases, ce qui entraînerait une modification de l’espacement tridimensionnel des neurofilaments.1
En conclusion, la controverse entourant le rôle de l’axolemma dans la pathobiologie des lésions axonales induites par un traumatisme a été résolue dans une certaine mesure. Il est désormais admis que la perturbation de l’axolemma est l’événement initial de certaines formes de lésions traumatiques. Cependant, la base mécaniste de l’axotomie secondaire est maintenant considérée comme de plus en plus complexe, avec des altérations du cytosquelette axonal démontrées dans les formes les plus graves de lésion cérébrale traumatique.