Historical review
Wskazania na traumatycznie wywołane nieprawidłowości aksonalne w większości modeli doświadczalnych tępego urazu głowy, bez przerwania mieliny lub szczerego uszkodzenia przyległych procesów neuronalnych lub glejowych, nie dostarczyły dowodów na bezpośrednie rozerwanie lub ścinanie aksonów po urazie.910 Zostało to poparte badaniami nad złamaniami mrożeniowymi, przeprowadzonymi we wczesnych fazach uszkodzenia aksonów, które nie wykazały ani natychmiastowego przerwania mieliny międzywęzłowej, ani wczesnej utraty połączeń glejowo-aksonalnych, co sugeruje, że sama otoczka mielinowa nie jest natychmiast uszkadzana przez siły urazu.23 Na tym etapie obie powyższe grupy postulowały, że siły urazu działają najpierw na aksolemmę lub aksoplazmę, oszczędzając otoczkę mielinową. W ramach tej hipotezy, mechaniczne siły urazu mogłyby rozciągnąć lub zranić aksolemmę do jej biomechanicznych granic, w którym to momencie zawiodłaby homeostaza jonowa i zapoczątkowałaby reaktywne zmiany aksonalne.
Jednakże w serii późniejszych badań na tkance mózgowej pochodzącej zarówno od ludzi1222 jak i zwierząt2124 , Povlishock i współpracownicy dostarczyli danych potwierdzających inicjującą rolę cytoszkieletu wewnątrzaksonalnego. Ich badania ujawniły złożoną sekwencję zdarzeń wewnątrzosiowych, które postępowały aż do reaktywnej zmiany aksonalnej. W szczególności, używając przeciwciał skierowanych na składnik neurofilamentowy cytoszkieletu stwierdzili, że w ciągu godziny od urazu dochodzi do ogniskowego gromadzenia się podjednostki 68 kDa (NF-L), a wzrost ten był dramatyczny do dwóch godzin. W miarę upływu czasu neurofilamenty stawały się zdezorganizowane i źle ustawione względem osi podłużnej aksonu. Nie stwierdzono utraty lub rozpuszczenia neurofilamentów. Dane te były zatem niespójne z degradacją cytoszkieletu pośredniczoną przez neutralne proteazy. Zamiast tego, wzrost podjednostki neurofilamentu 68kDa wspierał możliwość traumatycznie indukowanej rearanżacji puli neurofilamentów. Ponadto, w tej serii eksperymentów nie wykryto żadnych ultrastrukturalnych dowodów na bezpośrednie uszkodzenie aksolemmalu. Stwierdzono natomiast pofałdowanie i rozciągnięcie aksolemmy, które przypisano trwającej reaktywnej zmianie aksonalnej. Te ustalenia sugerowały, że bezpośredni mechaniczny efekt na cytoszkielecie cylindra aksonu był decydującym wydarzeniem w inicjowaniu patogenezy uszkodzenia aksonalnego.
Inne podejścia sugerowały, że aksolemma była zaangażowana w inicjowanie reaktywnej zmiany aksonalnej. Maxwell i wsp. wykorzystali model trakcji nerwu do analizy zmian morfologicznych w obrębie uszkodzonych aksonów.18 Autorzy ci dostarczyli dowodów na to, że początkowymi miejscami uszkodzenia, po nieurazowym rozciągnięciu, są węzły Ranviera, z których niektóre rozwijają „krwawienia węzłowe”. Krwawienia te są ograniczonymi do aksolemmy wypukłościami aksoplazmy do przestrzeni okołowęzłowej i są najliczniejsze w ciągu 15 minut od urazu, ale mniej liczne w późniejszych odstępach czasu.Rozwój krwawień węzłowych koreluje z utratą gęstego pokrycia aksolemmy. W uszkodzonych aksonach z krwawieniami węzłowymi neurofilamenty były zdezorganizowane, odchylone od osi podłużnej aksonu i rozszerzone w głąb krwawień. Natomiast mikrotubule zachowywały swój podłużny układ i nie odchodziły w głąb pęcherzyka. Analiza ilościowa tego materiału wykazała, że w aksoplazmie węzłów z towarzyszącymi im pęcherzykami węzłowymi nastąpiła znaczna utrata mikrotubul i zwiększenie odstępów między neurofilamentami. Ta utrata mikrotubul mogła zaburzyć szybki transport aksoplazmatyczny, powodując ogniskowe gromadzenie się organelli błoniastych w przyległych paranodalnych regionach aksonu, tworząc rozdęcia aksonalne. Ponadto pracownicy ci dostarczyli pierwszych cytochemicznych dowodów na poparcie idei napływu wapnia do mielinowanych włókien nerwowych uszkodzonych przez rozciąganie .25 Zastosowanie techniki szczawianowo-piroantymonianowej do lokalizacji wapnia wykazało zwiększoną zawartość osadu piroantymonianowego w obrębie pęcherzyków węzłowych po 15 minutach od urazu przez rozciąganie. Korelowało to ze zmniejszeniem znakowania aktywności pompy błonowej Ca2+ATPazy na aksolemie węzłowym.26 Węzeł Ranviera jest wyspecjalizowanym regionem aksolemmy, w którym zlokalizowane są grupy kanałów Na+, pompy ATPazy dla wapnia i wymiennik Na+/Ca2+.2027 Dlatego utrata aktywności pompy błonowej w aksolemie węzłowym może zapewnić mechanizm napływu wolnego wapnia do węzłów Ranviera po urazie. Dowody te wspierają hipotezę, że siły urazowego uszkodzenia powodują ogniskową pertubację aksolemmy z wynikającym z tego napływem wolnego wapnia zdolnego do aktywacji subpopulacji neutralnych proteaz.25
Badania biofizyczne wykorzystały nowatorskie techniki do analizy aksolemmy w warunkach doświadczalnych analagicznych do uszkodzenia aksonalnego. Po łagodnym urazie rozciągającym we włóknach nerwu kulszowego dorosłego szczura dochodzi do serii zwężeń i rozszerzeń. Ta zmiana w formie jest znana jako beading.28-30 Transformacja zasadniczo cylindrycznej formy normalnego włókna nerwowego do takiej, która jest beaded występuje szybko, w ciągu 10 do 20 sekund po rozpoczęciu rozciągania. Początkowe dane eksperymentalne sugerowały, że beading jest wywoływany przez mechanizm związany z aksolemmą lub cytoszkieletem, lub z oboma. W tym modelu transmembranowe białko β1-integryna wiąże się zarówno z macierzą zewnątrzkomórkową, jak i z cytoszkieletem.14 Napięcie wywierane na macierz zewnątrzkomórkową jest sygnalizowane przez β1-integrynę do cytoszkieletu, co powoduje zmianę jego integralności i rozmieszczenia przestrzennego. W jednym z ostatnich badań wykazano jednak, że beading nie wymaga wzajemnie połączonego cytoszkieletu i stwierdzono, że aksolemma jest miejscem inicjującym lub lokalizującym zwężenie beading.31 Warto spekulować, że beading może być częścią procesu biologicznego, który w literaturze dotyczącej urazowego uszkodzenia aksonalnego opisywany jest jako reaktywna zmiana aksonalna.
W ciągu ostatnich czterech lat ustalono udział aksolemmy w patogenezie uszkodzenia aksonalnego. Maxwell i wsp. wykazali, że ciężkie urazowe uszkodzenie mózgu spowodowane przyspieszeniem bocznym było zdolne do bezpośredniego rozerwania aksolemmy u ssaków naczelnych.32 Badanie to było pierwszym, które dostarczyło ultrastrukturalnych dowodów potwierdzających koncepcję ścinania aksonów w urazowym uszkodzeniu mózgu. Utrata integralności aksolemmy była związana z szybkim rozpadem cytoszkieletu aksonalnego. W aksonach wykazujących rozerwanie lub fragmentację aksonalną, włókienkowa organizacja cytoszkieletu została zastąpiona kłaczkowatym osadem zgodnym z szybkim rozpuszczaniem białek cytoszkieletu. Zmiany te zostały wykryte w ciągu kilku minut od urazu, ale wystąpiły tylko w subpopulacji aksonów cienkiego kalibru, cienko mielinizowanych po ciężkim urazie. Te zmiany morfologiczne reprezentowały ostrą odpowiedź aksonów na uraz i zostały określone mianem „aksotomii pierwotnej” – zdefiniowanej jako występująca w ciągu kilku minut od urazu, w przeciwieństwie do opóźnionej aksotomii wtórnej, która rozwija się przez wiele godzin. W tym samym materiale doświadczalnym nie było dowodów na przerwanie aksolemmy godzinę po urazie. Sugeruje to, że uszkodzona błona aksonalna ulega resekcji w ciągu godziny od urazu.
Po tej publikacji Povlishock i współpracownicy ponownie rozważyli swoją centralną hipotezę, która nie uwzględniała roli aksolemmy w inicjowaniu traumatycznie wywołanego uszkodzenia aksonalnego. Po namyśle zasugerowali, że bezpośrednie rozerwanie aksolemmy może stanowić najcięższy punkt końcowy szeregu zaburzeń aksolemmalnych.33 Był to ważny punkt zwrotny, ponieważ przez wiele lat ta grupa badawcza utrzymywała, że nie ma dowodów na bezpośrednie zmiany w aksolemie po urazie w żadnym z licznych paradygmatów, które badali. Co więcej, twierdzili oni, że patobiologia urazowego uszkodzenia aksonalnego wynika z bezpośredniego upośledzenia transportu aksoplazmatycznego z powodu sił urazu bezpośrednio zaburzających cytoszkielet aksonalny.71221
W serii eksperymentów zaprojektowanych w celu zbadania tej kwestii, Povlishock i współpracownicy zastosowali zewnątrzkomórkowy znacznik, peroksydazę chrzanową (HRP), w celu określenia, czy bezpośrednie zmiany w aksolemmie były wykrywalne w urazowych uszkodzeniach mózgu o łagodnym i umiarkowanym nasileniu.3334 To nowatorskie podejście opierało się na zasadzie, że znaczniki wielkocząsteczkowe, takie jak HRP, są normalnie wykluczane z aksoplazmy przez nienaruszoną aksolemmę. Dlatego wykrycie wewnątrzaksonalnej aktywności peroksydazy stanowiłoby dowód na zaburzenie aksolemmy. Co więcej, miejsce aktywności peroksydazy wyznaczałoby początkowe miejsce pertubacji aksonalnej, umożliwiając wgląd w czynniki inicjujące patogenezę wtórnej aksotomii. Ich ustalenia wykazały, że patobiologia urazowego uszkodzenia aksonalnego była heterogenicznym i złożonym procesem obejmującym wiele i zróżnicowanych patologii inicjujących.
W szczególności ciężkość urazowego uszkodzenia determinowała późniejsze wydarzenia w aksolemmie i cytoszkielecie, skutkując zróżnicowaną odpowiedzią na uraz. Konkretnie, po umiarkowanym urazie wykryto bezpośrednie pertubacje aksolemmy odzwierciedlone w jej zmienionej przepuszczalności dla makrocząsteczek.33-35 Było to związane z szybkim lokalnym zagęszczeniem aksonalnych neurofilamentów, o czym świadczy zmniejszenie odległości międzyfilamentowej. Jednak po łagodnym urazowym uszkodzeniu mózgu nie wykryto żadnych dowodów na zmiany w aksolemie i stwierdzono inny zestaw nieprawidłowości cytoszkieletu, z nieprawidłowym ułożeniem i obrzękiem aksonów. Zróżnicowana odpowiedź na uraz została wcześniej opisana w modelu kompresyjnego uszkodzenia aksonów.36 Przy niewielkim obciążeniu rozciągającym aksony wykazywały zaburzenia aksoplazmatyczne niezależne od zmian w integralności aksolemmy, całkowicie zgodne ze zmianami opisanymi przy łagodnym urazowym uszkodzeniu mózgu. Przy cięższych urazach, te same aksony ujawniły zmiany aksolemmalne, które korelowały z dramatyczną niewydolnością aksoplazmatyczną. Późniejsze badania rozszerzyły te wyniki, wykazując, że te zmiany w aksolemmie i cytoszkielecie nie są ani specyficzne dla modelu3435 , ani dla gatunku.37 Ponadto, po wykazaniu wywołanych urazem zmian w przepuszczalności aksolemmalnej, badania sugerowały, że wapń może być zaangażowany w inicjację zdarzeń cytoszkieletowych. Ta pozorna sprzeczność z wcześniejszymi poglądami wynikała z faktu, że zakładano, iż wapń działa poprzez wcześniej niezidentyfikowane mechanizmy. Zamiast aktywować enzymy proteolityczne, wapń może działać mniej dramatycznie, zmieniając boczne ściany neurofilamentów, powodując ich zapadanie się, co prowadzi do zwiększenia gęstości upakowania. Można sobie wyobrazić, że te boczne ramiona neurofilamentów mogą być albo rozszczepiane przez procesy pośredniczone przez wapń, albo dephophorylowane przez działania kinaz i fosfataz, aby doprowadzić do zmiany trójwymiarowej odległości neurofilamentów.1
W podsumowaniu, kontrowersje wokół roli aksolemmy w patobiologii traumatycznie wywołanego uszkodzenia aksonalnego zostały do pewnego stopnia rozwiązane. Obecnie zgadza się, że zaburzenie aksolemmy jest początkowym wydarzeniem w pewnych formach urazowego uszkodzenia. Jednak mechanistyczna podstawa wtórnej aksotomii jest obecnie postrzegana jako coraz bardziej złożona, ze zmianami w cytoszkielecie aksonalnym wykazanymi w cięższych postaciach urazowego uszkodzenia mózgu.
.