Валлеровское вырождение - Wallerian degeneration

Травма нерва
Флуоресцентные микрофотографии (100x) валлеровской дегенерации перерезанных и раздавленных периферических нервов. Левая колонка проксимальнее травмы, правая - дистальнее. A и B: 37 часов после резки. C и D: 40 часов после увлечения. E и F: 42 часа после резки. G и H: 44 часа после увлечения.
Специальность	Неврология

Валлеровская дегенерация - это активный процесс дегенерации, который возникает, когда нервное волокно разрезано или раздавлено, и часть аксона, дистальнее повреждения (то есть дальше от тела клетки нейрона ), дегенерирует. Связанный с этим процесс отмирания или ретроградной дегенерации, известный как «Валлеровская дегенерация», происходит при многих нейродегенеративных заболеваниях, особенно при нарушении транспорта аксонов, таких как БАС и болезнь Альцгеймера . Исследования первичной культуры показывают, что неспособность доставить достаточное количество необходимого аксонального белка NMNAT2 является ключевым инициирующим событием.

Валлеровская дегенерация возникает после повреждения аксонов как периферической нервной системы (ПНС), так и центральной нервной системы (ЦНС). Это происходит в отделе аксона дистальнее места повреждения и обычно начинается в течение 24–36 часов после поражения. До дегенерации дистальный отдел аксона имеет тенденцию оставаться электрически возбудимым. После травмы аксональный скелет распадается, и аксональная мембрана разрывается. Дегенерация аксонов сопровождается разрушением миелиновой оболочки и инфильтрацией макрофагами . Макрофаги вместе со шванновскими клетками служат для очистки от дегенерации мусора.

Шванновские клетки реагируют на потерю аксонов экструзией их миелиновых оболочек, подавлением генов миелина, дедифференцировкой и пролиферацией. В конце концов они выстраиваются в трубочки (ленты Бюнгнера) и экспрессируют поверхностные молекулы, направляющие регенерирующие волокна. В течение 4 дней после травмы дистальный конец участка нервного волокна, проксимального к поражению, посылает ростки к этим трубкам, и эти ростки привлекаются факторами роста, продуцируемыми шванновскими клетками в трубках. Если росток достигает трубки, он прорастает в нее и продвигается примерно на 1 мм в день, в конечном итоге достигая и повторно иннервируя ткань-мишень. Если ростки не могут добраться до трубки, например, из-за слишком широкой щели или образования рубцовой ткани, хирургическое вмешательство может помочь направить ростки в трубки. Регенерация ПНС эффективна, с почти полным восстановлением в случае поражений, которые возникают вблизи дистального окончания нервного окончания. Однако выздоровление в спинном мозге практически не наблюдается . Одно важное отличие состоит в том, что в ЦНС, включая спинной мозг, миелиновые оболочки производятся олигодендроцитами, а не шванновскими клетками.

История

Валлеровское вырождение названо в честь Августа Волни Уоллера . Уоллер экспериментировал на лягушках в 1850 году, перерезав им языкоглоточный и подъязычный нервы. Затем он осмотрел дистальные нервы от места повреждения, которые были отделены от своих клеточных тел в стволе мозга. Валлер описал распад миелина, который он назвал «мозговым веществом», на отдельные частицы различного размера. Дегенерирующие аксоны образовывали капли, которые можно было окрашивать, что позволяло изучать ход отдельных нервных волокон.

Дегенерация аксонов

Хотя большинство реакций на травмы включают передачу сигналов притока кальция, способствующую повторному закрытию отрубленных частей, повреждения аксонов первоначально приводят к острой дегенерации аксонов (AAD), то есть быстрому разделению проксимального (части, расположенной ближе к телу клетки) и дистального конца в течение 30 минут после травма, повреждение. После разделения на обоих концах формируются дистрофические структуры луковиц, и перерезанные мембраны герметизируются. В дистальном сегменте наступает короткая латентная фаза, в течение которой он остается электрически возбудимым и структурно неповрежденным. Дегенерация сопровождается набуханием аксолеммы и, в конечном итоге, образованием сфероидов аксонов, напоминающих шарики . В ПНС этот процесс занимает около 24 часов, а в ЦНС - дольше. Сигнальные пути, ведущие к дегенерации аксолеммы, в настоящее время плохо изучены. Однако исследования показали, что этот процесс AAD не зависит от кальция.

Гранулярный распад аксонального цитоскелета и внутренних органелл происходит после деградации аксолеммы. Ранние изменения включают накопление митохондрий в паранодальных областях в месте повреждения. Эндоплазматический ретикулум разрушается, митохондрии набухают и в конечном итоге распадаются. Происходит деполимеризация микротрубочек, за которой вскоре следует деградация нейрофиламентов и других компонентов цитоскелета. Распад зависит от протеаз убиквитина и кальпаина (вызывается притоком иона кальция), что позволяет предположить, что дегенерация аксонов является активным процессом, а не пассивным, как ранее неправильно понимали. Таким образом, аксон подвергается полной фрагментации. Скорость деградации зависит от типа травмы и также медленнее в ЦНС, чем в ПНС. Другим фактором, влияющим на скорость деградации, является диаметр аксона: более крупным аксонам требуется больше времени для деградации цитоскелета и, следовательно, требуется больше времени для дегенерации.

Клиренс миелина

Миелин - это фосфолипидная мембрана, которая оборачивается вокруг аксонов, обеспечивая им изоляцию. Он продуцируется шванновскими клетками в ПНС и олигодендроцитами в ЦНС. Удаление миелина - следующий шаг в дегенерации Валлера после дегенерации аксонов. Очистка от остатков миелина отличается для ПНС и ЦНС. ПНС намного быстрее и эффективнее очищает миелиновые остатки по сравнению с ЦНС, и шванновские клетки являются основной причиной этого различия. Другой ключевой аспект - изменение проницаемости гемато-тканевого барьера в двух системах. В ПНС проницаемость увеличивается по всей дистальной культи, но нарушение барьера в ЦНС ограничивается только местом повреждения.

Оформление в ПНС

Реакция шванновских клеток на повреждение аксонов происходит быстро. Предполагается, что период ответа наступает до начала дегенерации аксонов. Считается, что за быструю активацию отвечают нейрегулины . Они активируют рецепторы ErbB2 в микроворсинках шванновских клеток, что приводит к активации митоген-активируемой протеинкиназы (MAPK). Хотя активность MAPK наблюдается, механизм восприятия повреждений шванновскими клетками еще предстоит полностью понять. «Чувство» сопровождается снижением синтеза липидов миелина и в конечном итоге прекращается в течение 48 часов. Миелиновые оболочки сначала отделяются от аксонов в надрезах Шмидта-Лантермана, а затем быстро разрушаются и укорачиваются, образуя структуры, похожие на бусинки. Клетки Шванна продолжают очищать миелиновые остатки, разрушая собственный миелин, фагоцитируя внеклеточный миелин и притягивая макрофаги к остаткам миелина для дальнейшего фагоцитоза. Однако первые несколько дней макрофаги не притягиваются к этому региону; следовательно, до этого момента шванновские клетки играют основную роль в очистке миелина.

Было обнаружено, что шванновские клетки рекрутируют макрофаги путем высвобождения цитокинов и хемокинов после обнаружения повреждения аксонов. Рекрутирование макрофагов помогает улучшить скорость очистки от миелинового мусора. Резидентные макрофаги, присутствующие в нервах, выделяют дополнительные хемокины и цитокины для привлечения дополнительных макрофагов. Дегенерирующий нерв также производит хемотаксические молекулы макрофагов. Еще один источник факторов рекрутирования макрофагов - сыворотка. Задержка рекрутирования макрофагов наблюдалась у мышей с дефицитом В-клеток, лишенных сывороточных антител. Эти сигнальные молекулы вместе вызывают приток макрофагов, пик которого приходится на третью неделю после травмы. В то время как клетки Шванна опосредуют начальную стадию очистки миелинового мусора, макрофаги приходят, чтобы завершить эту работу. Макрофагам способствуют опсонины , которые маркируют мусор для удаления. Три основные группы, обнаруженные в сыворотке, включают комплемент , пентраксины и антитела . Однако только комплемент помогает при фагоцитозе миелинового мусора.

Муринсон и др. (2005) наблюдали, что немиелинизированные или миелинизированные шванновские клетки при контакте с поврежденным аксоном входят в клеточный цикл, что приводит к пролиферации. Наблюдаемая продолжительность деления шванновских клеток составляла приблизительно 3 дня после травмы. Возможные источники сигнала пролиферации приписываются рецепторам ErbB2 и рецепторам ErbB3. Эта пролиферация может дополнительно увеличивать скорость очистки миелина и играет важную роль в регенерации аксонов, наблюдаемой в ПНС. Шванновские клетки выделяют факторы роста, которые привлекают новые отростки аксонов, растущие из проксимальной культи после полной дегенерации поврежденной дистальной культи. Это приводит к возможной реиннервации клетки или органа-мишени. Однако реиннервация не обязательно идеальна, так как возможное введение в заблуждение происходит во время реиннервации проксимальных аксонов в клетки-мишени.

Клиренс в ЦНС

По сравнению со шванновскими клетками, олигодендроциты для выживания нуждаются в сигналах аксонов. На стадиях своего развития олигодендроциты, которые не могут установить контакт с аксоном и получить сигналы аксонов, подвергаются апоптозу .

Эксперименты по валлеровской дегенерации показали, что при повреждении олигодендроциты либо подвергаются запрограммированной клеточной гибели, либо переходят в состояние покоя. Следовательно, в отличие от клеток Шванна, олигодендроциты не могут очистить миелиновые оболочки и их остатки. В экспериментах на крысах миелиновые оболочки были обнаружены на срок до 22 месяцев. Следовательно, скорость клиренса миелиновой оболочки в ЦНС очень медленная и, возможно, может быть причиной нарушения регенерационных возможностей аксонов ЦНС, поскольку отсутствуют факторы роста, привлекающие проксимальные аксоны. Еще одна особенность, которая в конечном итоге приводит к образованию глиальных рубцов . Это еще больше снижает шансы на регенерацию и реиннервацию.

Олигодендроциты не могут задействовать макрофаги для удаления мусора. Поступление макрофагов в место повреждения ЦНС происходит очень медленно. В отличие от ПНС, микроглия играет жизненно важную роль в валлеровской дегенерации ЦНС. Однако их рекрутирование происходит медленнее по сравнению с рекрутированием макрофагов в PNS примерно на 3 дня. Кроме того, микроглия может быть активирована, но гипертрофирована и не может трансформироваться в полностью фагоцитарные клетки. Те микроглии, которые действительно трансформируются, эффективно очищают от мусора. Дифференцировать фагоцитарную микроглию можно путем тестирования экспрессии главного комплекса гистосовместимости (MHC) класса I и II во время дегенерации Валлера. Скорость клиренса очень медленная среди микроглии по сравнению с макрофагами. Возможным источником вариаций скорости клиренса может быть отсутствие активности опсонина вокруг микроглии и отсутствие повышенной проницаемости гематоэнцефалического барьера . Пониженная проницаемость может еще больше препятствовать проникновению макрофагов в место повреждения.

Эти данные свидетельствуют о том, что задержка валлеровской дегенерации в ЦНС по сравнению с ПНС вызывается не из-за задержки дегенерации аксонов, а, скорее, из-за разницы в скорости клиренса миелина в ЦНС и ПНС.

Регенерация

Регенерация следует за вырождением. Регенерация ПНС происходит быстро, что позволяет возобновлять рост до 1 миллиметра в день. Также могут потребоваться трансплантаты для соответствующей реиннервации. Он поддерживается клетками Шванна за счет высвобождения факторов роста. Регенерация ЦНС происходит намного медленнее и практически отсутствует у большинства позвоночных. Основной причиной этого может быть задержка с очисткой миелинового мусора. Миелиновые остатки, присутствующие в ЦНС или ПНС, содержат несколько тормозящих факторов. Длительное присутствие миелиновых остатков в ЦНС может препятствовать регенерации. Эксперимент, проведенный на тритонах , животных, которые обладают способностью к быстрой регенерации аксонов ЦНС, показал, что валлеровская дегенерация повреждения зрительного нерва занимает в среднем от 10 до 14 дней, что также свидетельствует о том, что медленный клиренс тормозит регенерацию.

Шванновские клетки и эндоневральные фибробласты в ПНС

В здоровых нервах фактор роста нервов (NGF) вырабатывается в очень малых количествах. Однако при повреждении экспрессия мРНК NGF увеличивается в пять-семь раз в течение 14 дней. Нервные фибробласты и шванновские клетки играют важную роль в увеличении экспрессии мРНК NGF. Макрофаги также стимулируют шванновские клетки и фибробласты производить NGF через интерлейкин-1, полученный из макрофагов. Другие нейротропные молекулы , продуцируемые клетками , фибробластами и шванновских вместе , включают мозговой нейротрофический фактор , глиальной клеточной линии нейротрофического фактора , ресничный нейротрофический фактор , ингибирующий лейкоз фактор , инсулиноподобный фактор роста , и фактор роста фибробластов . Вместе эти факторы создают благоприятную среду для роста и регенерации аксонов. Помимо факторов роста, шванновские клетки также обеспечивают структурное руководство для дальнейшего усиления регенерации. Во время фазы пролиферации шванновские клетки начинают формировать линию клеток, называемую полосами Бангнера, внутри базальной ламинарной трубки. Было обнаружено, что аксоны регенерируют в тесной связи с этими клетками. Клетки Шванна активируют выработку молекулы адгезии на клеточной поверхности ниндзюрин, что способствует дальнейшему росту. Эти клеточные линии направляют регенерацию аксонов в правильном направлении. Возможным источником ошибки, которая может возникнуть в результате этого, является возможное несовпадение целевых ячеек, как обсуждалось ранее.

Из-за отсутствия таких благоприятных стимулирующих факторов в ЦНС, регенерация в ЦНС задерживается.

Валлеровское вырождение медленное

Мыши, принадлежащие к штамму C57BL / Wld ^s , задерживают дегенерацию Валлера и, таким образом, позволяют изучать роль различных типов клеток и лежащих в основе клеточных и молекулярных процессов. Современное понимание процесса стало возможным с помощью экспериментов на эту WLD ^сек штамма мышей. Мутация впервые произошла у мышей в Harlan-Olac, лаборатории по производству животных в Соединенном Королевстве. В Wld ^сек мутации является аутосомно-доминантной мутацией , происходящей в хромосоме мыши 4. Мутация гена представляет собой 85-тандем утроение кб, встречающееся в природе. Мутированная область содержит два связанных гена: никотинамидмононуклеотид аденлилтрансфераза 1 (Nmnat1) и фактор убиквитинирования e4b (Ube4b). Линкерная область, кодирующая 18 аминокислот, также является частью мутации. Было показано, что защитный эффект белка Wld ^S обусловлен активным сайтом, синтезирующим NAD ^{+ в} области NMNAT1 .

Хотя созданный белок локализуется в ядре и едва обнаруживается в аксонах, исследования показывают, что его защитный эффект обусловлен его присутствием в аксональном и терминальном компартментах. Защита, обеспечиваемая белком Wld ^S, присуща нейронам, а не окружающим опорным клеткам, и только локально защищает аксон, что указывает на то, что внутриклеточный путь ответственен за опосредование валлеровской дегенерации.

Эффекты мутации Wld ^S

Мутация не причиняет вреда мыши. Единственный известный эффект заключается в том, что валлеровская дегенерация задерживается в среднем до трех недель после повреждения нерва. Сначала предполагалось, что мутация Wld ^s замедляет инфильтрацию макрофагов, но недавние исследования показывают, что мутация защищает аксоны, а не замедляет макрофаги. Процесс, с помощью которого достигается защита аксонов, плохо изучен. Тем не менее, исследования показывают , что Wld ^сек мутация приводит к увеличению активности NMNAT1, что приводит к увеличению НАД ⁺ синтеза. Это, в свою очередь, активирует SIRT1-зависимый процесс в ядре, вызывая изменения в транскрипции генов. NAD ⁺ сам по себе может обеспечивать дополнительную защиту аксонов за счет увеличения энергетических ресурсов аксона. Однако более поздние работы вызывают сомнения в том, что либо NMNAT1, либо NAD ⁺ могут заменять полноразмерный ген Wld ^s . Эти авторы продемонстрировали методами in vitro и in vivo, что защитный эффект сверхэкспрессии NMNAT1 или добавления NAD ⁺ не защищает аксоны от дегенерации. Однако более поздние исследования показали, что NMNAT1 является защитным в сочетании с нацеливающим на аксоны пептидом, предполагая, что ключом к защите, обеспечиваемой Wld ^S, была комбинация активности NMNAT1 и аксональной локализации, обеспечиваемой N-концевым доменом химерного белка.

Обеспеченная защита аксонов задерживает начало дегенерации Валлера. Следовательно, активация шванновских клеток должна быть отложена, поскольку они не будут обнаруживать сигналы деградации аксонов от рецепторов ErbB2. В экспериментах на мышах, мутировавших Wld ^s , инфильтрация макрофагов значительно задерживалась на срок от шести до восьми дней. Однако, как только деградация аксонов началась, дегенерация протекает нормально, и, в зависимости от нервной системы, деградация следует с вышеописанной скоростью. Возможные последствия этого позднего начала - более слабые регенеративные способности у мышей. Исследования показывают, что регенерация может быть нарушена у мышей Wld ^S , но это, вероятно, результат того, что окружающая среда неблагоприятна для регенерации из-за продолжающегося существования недогенерированных дистальных волокон, тогда как обычно остатки очищаются, уступая место новому росту.

SARM1

Путь валлеровской дегенерации был дополнительно прояснен открытием, что стерильный альфа- и TIR-мотив, содержащий белок 1 (SARM1), играет центральную роль в пути валлеровской дегенерации. Ген был впервые идентифицирован в MELANOGASTER Drosophila экране мутагенеза, а затем нокаутов его гомолог у мышей показали надежную защиту пересечённого аксонов , сравнимых с Wld ^S .

SARM1 катализирует синтез и гидролиз циклической АДФ-рибозы (cADPR) от НАД ⁺ до АДФ-рибозы . Активация SARM1 локально запускает быстрый коллапс уровней NAD ⁺ в дистальном отделе поврежденного аксона, который затем подвергается дегенерации. Позднее было показано, что этот коллапс уровней NAD ⁺ происходит из-за того, что домен TIR SARM1 обладает внутренней активностью расщепления NAD ⁺ . Белок SARM1 имеет четыре домена, сигнал митохондриальной локализации, авто-ингибирующую N-концевую область, состоящую из мотивов броненосца / HEAT, два стерильных альфа-мотива, ответственных за мультимеризацию, и рецептор Toll / интерлейкина-1 на С-конце, который обладает ферментативной активностью. . Активации SARM1 достаточно, чтобы снизить уровни NAD ⁺ и запустить путь валлеровской дегенерации.

Активность SARM1 помогает объяснить защитную природу фактора выживания NMNAT2 , поскольку было показано, что ферменты NMNAT предотвращают опосредованное SARM1 истощение NAD ⁺ . Эта взаимосвязь дополнительно подтверждается тем фактом, что мыши, лишенные NMNAT2, которые обычно нежизнеспособны, полностью спасаются путем делеции SARM1, в результате чего активность NMNAT2 располагается выше SARM1. Другие пути передачи сигналов, способствующие дегенерации, такие как путь киназы MAP, были связаны с активацией SARM1. Было показано, что передача сигналов MAPK способствует потере NMNAT2, тем самым способствуя активации SARM1, хотя активация SARM1 также запускает каскад киназ MAP, что указывает на существование некоторой формы петли обратной связи. Одним из объяснений защитного действия мутации Wld ^S является то, что область NMNAT1, которая обычно локализована в соме, заменяет лабильный фактор выживания NMNAT2, чтобы предотвратить активацию SARM1, когда N-концевой участок Ube4 белка WldS локализует его в аксон. Тот факт, что повышенная выживаемость аксонов Wld ^S обусловлена ​​более медленным оборотом Wld ^S по сравнению с NMNAT2, также помогает объяснить, почему нокаут SARM1 обеспечивает более длительную защиту, поскольку SARM1 будет полностью неактивен независимо от активности ингибитора, тогда как Wld ^{S в} конечном итоге будет деградировать. Возможные последствия пути SARM1 в отношении здоровья человека могут быть обнаружены в моделях животных, которые демонстрируют черепно-мозговые травмы , поскольку мыши, которые содержат делеции Sarm1 в дополнение к Wld ^S, демонстрируют уменьшение повреждения аксонов после травмы. Специфические мутации в NMNAT2 связали механизм валлеровской дегенерации с двумя неврологическими заболеваниями.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки

Классификация	D МКБ - 10 : G58.8 MeSH : D014855

• Wallerian + Degeneration в Национальной медицинской библиотеке США по медицинским предметным рубрикам (MeSH)