Historical review
鈍頭損傷のほとんどの実験モデルで外傷性軸索異常が認められ、ミエリン破壊も隣接神経またはグリア過程への率直な損傷もなかったことから、外傷後の軸索が直接引き裂いたりせん断する証拠はない910。 このことは、軸索損傷の初期に行われた凍結破壊研究でも支持され、節間ミエリンの即時破壊もグリア-軸索接合部の早期消失も見られなかったことから、ミエリン鞘自体は損傷の力によって即時損傷されないことが示唆された23。この段階で上記の両グループは、外傷による力はまず軸索間か軸質に働き、ミエリン鞘を免れると仮定している。 この仮説では、傷害の機械的な力は軸索を生体力学的な限界まで伸ばしたり傷つけたりすることができ、その時点でイオンの恒常性が失われ、反応性の軸索変化が開始されると考えられる。 彼らの研究は、反応性軸索変化へと進行する軸索内イベントの複雑なシーケンスを開示した。 特に、細胞骨格のニューロフィラメント成分に対する抗体を用いて、損傷後1時間以内に68kDaサブユニット（NF-L）の局所的な蓄積が見られ、この蓄積は2時間までに劇的に増加することを発見した。 時間が経つにつれて、ニューロフィラメントは乱れ、軸索の縦軸に対してずれた位置になった。 ニューロフィラメントの消失や溶解は検出されなかった。 したがって、これらのデータは、細胞骨格の中性プロテアーゼを介した分解とは矛盾していた。 その代わりに、68kDaのニューロフィラメントサブユニットの増加は、外傷によって誘発されたニューロフィラメントプールの再編成の可能性を支持するものであった。 さらに、この一連の実験では、軸索の直接的な破壊を示す超微細構造の証拠は検出されなかった。 軸索の折れ曲がりと膨張は認められ、進行中の反応性軸索の変化に起因するものであった。 これらの知見は、軸索円筒の細胞骨格に対する直接的な機械的作用が、軸索損傷の初期病態における極めて重要な出来事であることを示唆した。 Maxwellらは、神経牽引モデルを用いて、損傷した軸索内の形態学的変化を解析した18。これらの著者らは、非破裂性伸展損傷後の最初の損傷部位はRanvierの結節であり、その一部は「結節性出血」を発症するという証拠を提示した。 これらの出血は、軸索形質が軸索周囲の空間に限定的に突出したもので、損傷後15分以内に最も多く発生するが、それ以降ではそれほど多くはない。 結節性ブリーブのある損傷した軸索では、ニューロフィラメントが乱れ、軸索の縦軸から逸脱し、ブリーブの中にまで伸びていることが確認された。 一方、微小管は長手方向の配列を保ち、ブリーブの中に逸脱することはなかった。 この物質を定量的に分析したところ、関連する結節性出血を持つ結節の軸質では、微小管が著しく減少し、ニューロフィラメントの間隔が広がっていることが判明した。 この微小管の消失は、軸索の高速輸送を妨げ、軸索の隣接する傍結節領域に膜状小器官が局所的に蓄積し、軸索の膨隆を形成する可能性がある。 25 シュウ酸-ピロアンティモネート法を用いてカルシウムの局在を調べたところ、伸展損傷から15分後に結節内のピロアンティモネート沈殿物の含量が増加することが示された。 このことは、結節軸距の膜ポンプCa2+ATPase活性の標識の減少と相関していた26。ランビエの結節は、Na+チャネル群、カルシウムのATPase駆動ポンプ、Na+/Ca2+交換体が局在する軸距の特殊領域である2027。したがって、結節軸距の膜ポンプ活性が失われると、外傷後に自由カルシウムがランビアの結節へ流入するメカニズムになるのかもしれない。 25
生物物理学的研究により、軸索損傷に類似した実験条件下で軸索間隙を分析するための新しい技術が使用されている。 成体ラットの坐骨神経線維は、軽度の伸張損傷後、一連の収縮と拡張が起こる。 28-30 正常神経線維の本質的に円筒形の形態が、伸張開始後10～20秒以内に、ビーズ状の形態に変化することが知られている。 初期の実験データから、ビーディングは軸索、細胞骨格、またはその両方に関連するメカニズムによってもたらされることが示唆された。 このモデルでは、膜貫通タンパク質であるβ1-インテグリンが細胞外マトリックスと細胞骨格の両方に結合している。 しかし、最近の研究では、ビーディングは細胞骨格の連結を必要としないことが示され、軸索間がビーディングの収縮の開始部位または場所であると結論づけている31。 Maxwellらは、側方加速度による重度の外傷性脳損傷は、霊長類において軸索を直接断裂させることができることを示した。 軸索の完全性の喪失は、軸索の細胞骨格の急速な分解と関連していた。 軸索の引き裂きや断片化を示す軸索では、細胞骨格の糸状組織が凝集性の沈殿物に置き換わっており、その下にある細胞骨格タンパク質の急速な溶解と一致することが示された。 これらの変化は損傷後数分以内に検出されたが、重度の損傷を受けた後では、細い有髄軸索の亜集団にのみ発生した。 これらの形態学的変化は、傷害に対する軸索の急性反応であり、傷害後数分以内に起こるものとして「一次軸索切断」と定義され、数時間かけて起こる二次軸索切断と対照的である。 同じ実験材料で、傷害の1時間後には軸索間隙の破壊の証拠がなかった。 この発表後、Povlishockらは、外傷による軸索損傷の開始における軸索間膜の役割を含まない中心的な仮説を再考し、軸索間膜が外傷による軸索損傷の開始において重要であるとした。 これは大きな転換点であった。というのも、この研究グループは長年にわたり、調査した多くのパラダイムのいずれにおいても、損傷後に軸索が直接変化したことを示す証拠はないと主張してきたからである。 さらに、外傷による軸索損傷の病態は、軸索の細胞骨格を直接破壊する損傷力による軸索物質輸送の直接的な障害に起因すると主張していた71221。
この問題を調べるために計画された一連の実験で、Povlishockらは、軽症および中等症の外傷性脳損傷において軸索間隙の直接的変化が検出可能かどうかを調べるために、細胞外トレーサーの西洋わさび酵素（HRP）を採用した。3334 この新しいアプローチは、HRPなどの高分子トレーサーが、通常、無傷の軸索間隙によって除外されるという原理に基づくものだった。 したがって、軸索内のペルオキシダーゼ活性が検出されれば、軸索膜の破壊の証拠となる。 さらに、ペルオキシダーゼ活性の部位は、軸索穿孔の初期部位を特定し、二次軸索切断の病因に関与する開始因子を洞察することが可能となるであろう。 特に、外傷の重症度は、その後の軸索間や細胞骨格の事象を決定し、その結果、傷害に対する反応が異なることが分かった。 33-35 このことは、フィラメント間距離の減少によって証明されるように、軸索のニューロフィラメントの急速な局所圧縮と関連していた。 しかし、軽度の外傷性脳損傷後では、軸索の変化は検出されず、軸索のずれと膨張を伴う異なる細胞骨格の異常が検出された。 低引張荷重では、軸索は軸胞の完全性の変化とは無関係に軸胞の破壊を示し、軽度の外傷性脳損傷で報告された変化と完全に一致した。 より重度の損傷では、同じ軸索が軸鞘の変化を示し、それは劇的な軸鞘の破壊と相関していた。 さらに、外傷によって軸鞘の透過性が変化することが示された後、細胞骨格の形成にカルシウムが関与している可能性が示唆された。 このような従来の見解との明らかな矛盾は、カルシウムがこれまで確認されていないメカニズムで作用していると仮定したことに起因している。 カルシウムは、タンパク質分解酵素を活性化する代わりに、ニューロフィラメントのサイドアームを変化させ、ニューロフィラメントを崩壊させて、その充填密度を増加させるという、それほど劇的ではない作用をしているのかもしれない。 考えられることは、これらのニューロフィラメントサイドアームは、カルシウムを介したプロセスによって切断されるか、キナーゼやホスファターゼの作用によって脱フォリル化されて、ニューロフィラメントの 3 次元間隔を変化させる可能性がある。 現在では、ある種の外傷性傷害では軸索前縁の破壊が最初の出来事であることが合意されている。 しかし、より重症の外傷性脳損傷では軸索の細胞骨格が変化していることから、二次的な軸索切断のメカニズムがますます複雑になってきていると考えられる
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