Történeti áttekintés
A traumásan kiváltott axonális rendellenességek a legtöbb kísérleti modellben a tompa fejsérüléseknél, a myelin megszakadása vagy a szomszédos neurális vagy gliális folyamatok nyílt károsodása nélkül, nem szolgáltak bizonyítékkal az axonok közvetlen szakadására vagy nyírására a traumás sérülés után.910 Ezt támasztották alá az axonális sérülés korai fázisaiban végzett fagyasztástörési vizsgálatok, amelyek nem mutatták ki sem az internodális myelin azonnali felszakadását, sem a glia-axonális kapcsolódási pontok korai elvesztését, ami arra utal, hogy magát a myelinhüvelyt nem károsítják azonnal a sérülés erői.23 Ebben a szakaszban mindkét fenti csoport azt posztulálta, hogy a traumás sérülés erői először az axolemmára vagy az axoplazmára hatnak, miközben a myelinhüvelyt kímélik. E hipotézis szerint a sérülés mechanikai erőhatásai az axolemmát biomechanikai határaiig feszíthetik vagy sérülhetnek, amikor is az ionhomeosztázis megbukik, és elindítja a reaktív axonális változást.
Az emberektől1222 és állatoktól2124 származó agyszöveteken végzett későbbi vizsgálatok sorában azonban Povlishock és munkatársai olyan adatokkal szolgáltak, amelyek az intraaxonális citoszkeleton indító szerepét támasztották alá. Vizsgálataik az intraaxonális események összetett szekvenciáját tárták fel, amelyek a reaktív axonális változásokhoz vezettek. Konkrétan, a citoszkeleton neurofilament komponensére irányuló antitesteket használva azt találták, hogy a sérülést követő egy órán belül a 68 kDa-os alegység (NF-L) fokális felhalmozódása következett be, és ez a növekedés két órán belül drámai volt. Az idő előrehaladtával a neurofilamentumok dezorganizálódtak és az axon hossztengelyéhez képest félreálltak. A neurofilamentumok elvesztése vagy feloldódása nem volt kimutatható. Ezek az adatok tehát nincsenek összhangban a citoszkeleton semleges proteázok által közvetített degradációjával. Ehelyett a 68kDa neurofilamentum alegység növekedése alátámasztotta a neurofilamentum-állomány trauma által kiváltott átrendeződésének lehetőségét. Továbbá, ebben a kísérletsorozatban nem mutattak ki közvetlen axolemmalis bomlásra utaló ultrastrukturális bizonyítékot. Az axolemma összehajlását és kitágulását találtuk, és a folyamatban lévő reaktív axonális változásnak tulajdonítottuk. Ezek az eredmények azt sugallták, hogy az axonhenger citoszkeletonjára gyakorolt közvetlen mechanikai hatás volt a sarkalatos esemény az axonális sérülés beindító patogenezisében.
Más megközelítések szerint az axolemma részt vett a reaktív axonális változás beindításában. Maxwell és munkatársai ideghúzási modellt használtak a sérült axonokon belüli morfológiai változások elemzésére.18 Ezek a szerzők bizonyítékot szolgáltattak arra, hogy a károsodás kezdeti helyszínei a nem diszruptív nyújtási sérülést követően a Ranvier-csomópontok, amelyek közül néhányban “csomóponti buborékok” alakulnak ki. Ezek a hólyagok az axoplazmának a perinodális térbe történő, axolemma-korlátos kitüremkedései, amelyek a sérülést követő 15 percen belül a legnagyobb számban fordulnak elő, de a későbbi időközökben már kevésbé. A csomóponti hólyagokkal rendelkező sérült axonokban a neurofilamentumok rendezetlenek voltak, eltértek az axon hossztengelyétől, és a hólyagokba nyúltak. Ezzel szemben a mikrotubulusok megtartották hosszanti elrendeződésüket, és nem tértek el a hólyagokba. Az anyag kvantitatív elemzése azt mutatta, hogy a csomók axoplazmájában a mikrotubulusok jelentős elvesztése és a neurofilamentumok megnövekedett távolsága volt tapasztalható a kapcsolódó csomóhólyagokkal. A mikrotubulusok elvesztése megzavarhatta a gyors axoplazmatikus transzportot, ami az axon szomszédos paranodális régióiban a membránorganellák fokális felhalmozódását eredményezte, axonális duzzanatokat képezve. Ezen túlmenően ezek a dolgozók szolgáltatták az első citokémiai bizonyítékot, amely alátámasztotta a nyújtással sérült myelinizált idegrostokba történő kalcium beáramlás gondolatát.25 Az oxalát-pyroantimonát technika alkalmazása a kalcium lokalizációjára a piroantimonát csapadék megnövekedett tartalmát mutatta ki a csomóponti pólyákban 15 perccel a nyújtási sérülést követően. Ez korrelált a membránpumpa Ca2+ATPáz aktivitásának csökkenésével a csomóponti axolemmán.26 A Ranvier-csomópont az axolemma specializált régiója, amelyben Na+-csatornák csoportjai, ATPáz vezérelt kalcium-pumpák és egy Na+/Ca2+ -cserélő lokalizálódnak.2027 Ezért a membránpumpa-aktivitás csökkenése a csomóponti axolemmán a szabad kalcium beáramlásának mechanizmusát biztosíthatja a Ranvier-csomópontokba traumás sérülés után. Ez a bizonyíték alátámasztja azt a hipotézist, hogy a traumás sérülés erőhatásai az axolemma fokális pertubációját eredményezik, az ebből eredő szabad kalcium beáramlásával, amely képes aktiválni a semleges proteázok egy alpopulációját.25
A biofizikai vizsgálatok új technikákat használtak az axolemma elemzésére az axonális sérüléssel analóg kísérleti körülmények között. Enyhe nyújtási sérülést követően a felnőtt patkányokból származó isiászidegrostokban szűkületek és tágulások sorozata következik be. Ezt az alakváltozást gyöngyözésnek nevezik.28-30 A normális idegrost alapvetően hengeres formájának gyöngyözötté válása gyorsan, a nyújtás megkezdését követő 10-20 másodpercen belül következik be. A kezdeti kísérleti adatok azt sugallták, hogy a gyöngyözést az axolemmához, a citoszkeletonhoz vagy mindkettőhöz kapcsolódó mechanizmus hozza létre. Ebben a modellben a β1-integrin transzmembrán fehérje mind az extracelluláris mátrixhoz, mind a citoszkeletonhoz kötődik.14 Az extracelluláris mátrixra ható feszültséget a β1-integrin jelzi a citoszkeleton felé, ami annak integritásának és térbeli elrendeződésének megváltozását eredményezi. Egy nemrégiben készült tanulmány azonban azt jelezte, hogy a gyöngyözés nem igényel összekapcsolt citoszkeletet, és arra a következtetésre jutott, hogy az axolemma a gyöngyözés szűkületének kezdeményező helye vagy lokusza.31 Felvethető, hogy a gyöngyözés része lehet annak a biológiai folyamatnak, amelyet a traumásan kiváltott axonális sérüléssel kapcsolatos irodalomban reaktív axonális változásként írnak le.
Az elmúlt négy év során az axolemma részvétele az axonális sérülés patogenezisében megalapozottá vált. Maxwell és munkatársai kimutatták, hogy az oldalirányú gyorsulás okozta súlyos traumás agysérülés képes volt közvetlenül elszakítani az axolemmát nem emberi főemlősökben.32 Ez a tanulmány volt az első, amely ultrastrukturális bizonyítékot szolgáltatott, amely alátámasztotta az axonális nyírás koncepcióját az agy traumás sérülésében. Az axolemma integritásának elvesztése az axonális citoszkeleton gyors felbomlásával járt együtt. Az axolemmális szakadást vagy fragmentációt mutató axonokban a citoszkeleton filamentumos szerveződését egy flokkulens csapadék váltotta fel, amely összhangban volt az alapul szolgáló citoszkeletális fehérjék gyors feloldódásával. Ezek a változások a sérülést követő perceken belül kimutathatók voltak, de csak a finom kaliberű, vékonyan myelinizált axonok egy alpopulációjában jelentkeztek súlyos sérülést követően. Ezek a morfológiai változások az axonok sérülésre adott akut válaszreakcióját jelentették, és “elsődleges axotómiának” neveztük el, amely a sérülést követő perceken belül következik be, ellentétben a késleltetett másodlagos axotómiával, amely órák alatt alakul ki. Ugyanebben a kísérleti anyagban egy órával a sérülés után nem volt nyoma az axolemma megszakadásának. Ez arra utal, hogy a sérülést követő egy órán belül a megszakadt axonmembrán újra összeforr.
Ezt a publikációt követően Povlishock és munkatársai újragondolták központi hipotézisüket, amely nem tartalmazta az axolemma szerepét a traumásan kiváltott axonális sérülés megindulásában. Átgondolva a dolgot, azt javasolták, hogy az axolemma közvetlen szakadása az axolemmabontás tartományának legsúlyosabb végét képviselheti.33 Ez jelentős fordulópont volt, mivel ez a kutatócsoport sok éven át azt állította, hogy az általuk vizsgált számos paradigma egyikében sem volt bizonyíték az axolemma sérülést követő közvetlen változására. Sőt, amellett érveltek, hogy a traumásan kiváltott axonális sérülés patobiológiája az axoplazmatikus transzport közvetlen károsodásából ered, ami az axonális citoszkeletont közvetlenül megbontó sérülési erőknek köszönhető.71221 .
E kérdés vizsgálatára tervezett kísérletsorozatban Povlishock és munkatársai az extracelluláris tracer, a torma-peroxidáz (HRP) segítségével azt vizsgálták, hogy az axolemma közvetlen változásai kimutathatók-e enyhe és közepes súlyosságú traumás agysérülések esetén.3334 Ez az újszerű megközelítés azon az elven alapult, hogy az olyan makromolekuláris tracereket, mint a HRP, az intakt axolemma általában kizárja az axoplazmából. Ezért az axonon belüli peroxidáz-aktivitás kimutatása az axolemma károsodásának bizonyítékát jelentené. Továbbá a peroxidáz-aktivitás helye meghatározná az axonális pertubáció kezdeti helyét, ami betekintést engedne a másodlagos axotómia patogenezisében szerepet játszó kezdeményező tényezőkbe. Eredményeik azt mutatták, hogy a traumásan kiváltott axonális sérülés patobiológiája heterogén és komplex folyamat, amely többféle és változatos kezdeményező patológiát foglal magában.
Különösen a traumás sérülés súlyossága határozta meg az axolemma és a citoszkeleton későbbi eseményeit, ami az inzultusra adott differenciált választ eredményezte. Konkrétan, mérsékelt sérülést követően az axolemma közvetlen pertubációját észlelték, ami a makromolekulák iránti megváltozott permeabilitásában tükröződött.33-35 Ez az axonális neurofilamentumok gyors helyi tömörülésével járt együtt, amit az interfilamentum távolság csökkenése mutatott. Enyhe traumás agysérülést követően azonban nem mutattak ki az axolemma változásaira utaló jeleket, és a citoszkeletális rendellenességek egy másik csoportját találták, helytelen igazodással és axonális duzzanattal. A sérülésre adott differenciált választ korábban már leírták az axonok sérülésének kompressziós terheléses modelljében.36 Alacsony húzóterheléssel az axonok axoplazmás bomlást mutattak, függetlenül az axolemma integritásának bármilyen változásától, ami teljesen összhangban van az enyhe traumás agysérülésnél leírt változásokkal. Súlyosabb sérülések esetén ugyanezek az axonok axolemmális változást mutattak, amely drámai axoplazmatikus károsodással korrelált. Későbbi vizsgálatok kibővítették ezeket az eredményeket azzal, hogy kimutatták, hogy ezek a változások az axolemmában és a citoszkeletonban nem modell3435 vagy fajspecifikusak.37 Továbbá, az axolemmális permeabilitás traumásan indukált változásainak kimutatása után a vizsgálatok azt sugallták, hogy a kalcium részt vehet a citoszkeletális események elindításában. Ez a korábbi nézetekkel való látszólagos ellentmondás abból a tényből eredt, hogy feltételezték, hogy a kalcium korábban nem azonosított mechanizmusokon keresztül hat. A proteolitikus enzimek aktiválása helyett a kalcium kevésbé drámai módon hathat a neurofilamentum oldalkarok megváltoztatására, ami a neurofilamentumok összeomlását okozza, ami a megnövekedett pakolási sűrűségüket eredményezi. Elképzelhető, hogy ezeket a neurofilamentum oldalfegyvereket kalcium által közvetített folyamatok hasíthatják, vagy defoforylizálhatják kinázok és foszfatázok hatására, ami a neurofilamentumok háromdimenziós távolságának megváltozását eredményezi.1
Végeredményben az axolemma traumásan kiváltott axonális sérülés patobiológiájában betöltött szerepe körül kialakult ellentmondás bizonyos mértékig megoldódott. Ma már egyetértés van abban, hogy az axolemma megszakadása a traumás sérülés bizonyos formáinak kezdeti eseménye. A másodlagos axotómia mechanikai alapjait azonban ma már egyre összetettebbnek látják, mivel a traumás agysérülés súlyosabb formáiban az axonális citoszkeletonban bekövetkező változásokat mutattak ki.
.