A vestibuláris rendszer plaszticitása
Bencze János
I
Debrecen 2013
Összefoglalás A dolgozat a központi idegrendszer plaszticitásával foglalkozik, amely megértése nélkülözhetetlen, hiszen napjainkban egyre több idegrendszeri károsodást okozó folyamattal találkozhatunk. Ide tartoznak a traumatikus sérülések, az érrendszeri zavarok által okozott károsodások, mint a stroke, továbbá az epilepszia ami a fiatalokat is érinti, illetve az idősebb korban megjelenő neurodegeneratív korképek. Több modellben is vizsgálható a központi idegrendszer plaszticitása, ezek közü egyik a vestibuléris rendszer. A dolgozatban kitérek a vestibuláris rendszer anatómiájára, szövettanára, fiziológiájára, a különböző reflexekben betöltött szerepére illetve a patológiájára, valamint röviden az extracelluláris mátrix felépítésére, amely feltehetően fontos szerepet játszik a plaszticitási folyamatokban. Az általános eseményeken kívül kiemelten foglalkozok a vestibuláris rendszer plaszticitásával.
Bevezetés Az általános neurobiológia képzés keretein belül a hangsúly természetesen az alapok megismerésén volt és a normál folyamatok felborulása illetve az ezt követő történések csak érintőlegesen kerültek szóba. További tanulmányaink és majd a munkánk során viszont ezek pontos ismerete elengedhetetlen a megfelelő orvosi ellátás biztosításához. Azt már tanulmányaim előtt is tudtam, hogy a gerincvelőt érintő sérülések után sajnos tolószékbe kényszerülnek a betegek, és hogy számos kutatás folyik a gyógyítás reményében. A vestibuláris rendszer ahogy megismertem, különösen fontos szerepet tölt be az érzékszervek között mivel számos reflexben is kulcsszerepe van. A vestibuláris rendszer is képes a regenerációra, tehát a károsodott szövetek, sejtek helyreállítására. A plaszticitás ténye, azaz a rendszer formálhatósága képlékenysége is nélkülözhetetlen a sérülések utáni folyamatok
2
megértéséhez. A statikus tünetek szinte nyom nélkül eltűnnek köszönhetően az ép oldali vestibuláris magok kompenzációjának unilaterális sérülés után. A dinamikus szimptómák bár nem gyógyulnak maradéktalanul mégis érdekes, ahogy a kompenzáció során a többi érzékszerv úgymond „besegít” a sérült érzékszervnek a funkciója helyreállításában. A témához kapcsolódó tudományos kutatások alapján próbáltam számba venni a lehetséges tényezőket a regeneráció útján. A központi idegrendszeri sérülések lehetséges terápiás módszereiről olvasva világossá vált számomra az is, hogy az ECM (extracelluláris mátrix) összetétele, illetve az abban bekövetkező változások pontos ismerete egy fontos fegyvertény a hatékony kezelés szempontjából. A vestibuláris rendszer anatómiája A
vestibuláris
rendszernek,
mind
az
érzékszervnek,
mind
a
központi
összeköttetéseinek kulcsfontosságú szerepe van az izomtónus szabályozásában, a testtartás megőrzésében és korrekciójában, a tekintet irányításában és a külső szemizmok koordinációjában. Az egyensúlyozó szerv a belső fülben helyezkedik el (lásd 1. ábra). Az auris interna a sziklacsontban található, két részre, csontos és hártyás labyrinthusra osztható. A labyrinthus membranaceus vékony falú tömlőrendszer, ami a labyrintus osseushoz hasonló alakú, a két rendszer közötti teret a perilympha tölti ki. A hártyás labirintusban nem csak az egyensúlyozó érzékszerv, hanem a hallószerv (Corti-szervnek) is helyet kap. A vestibuláris rendszer szempontjából a tömlőcske, zsákocska és a hártyás ívjáratok jelentősek. A tömlőcske hosszúkás hólyag a csontos labyrinthus vestibulumának recessus ellipticusában. Hat hártyás járat nyílik ide, a három félkörös ívjárat az öt szájadékával és a ductus utriculosaccularis ami az utriculust a sacculussal köti össze nem közvetlenül hanem a ductus endolymphaticuson keresztül. Belső oldalán található ovális fehéres folt a macula
3
utriculi, az utriculus idegszerve melyhez a nervus vestibularis egyik ága a nervus utricularis halad. A zsákocska gömbölyded tömlő a vestibulum reseccus sphericusában. Mediális falán található a macula sacculi, amelyhez a nervus saccularis halad. A sacculusból ered a ductus endolymphaticus ami az aquaeductus vestibuliban halad és a saccus endolymphaticussban végződik. Lefelé a zsákocska elkeskenyedve a ductus reuniensbe folytatódik, ami a ductus cochlearisba nyílik. A ductus semicirculares a csontos ívjáratokat pontosan követő hártyás csövek. Egy sima és egy kitágult véggel rendelkeznek, amelyek az utriculusba nyílnak. Végeredményben azonban csak öt szájadék nyílik ide, ugyanis az elülső és hátsó ívjáratnak közös a crus simplexe. Mindhárom ampullában beemelkedő neuroepithelium, a crista ampullaris található, ezeket a kocsonyás cupula borítja
4
A vestibuláris rendszer szövettana A maculák a zsákocska és a tömlőcske üregébe beemelkedő hámmegvastagodások, amelyet két sejttípus, a támasztó és szekunder érzékhámsejtek alkotnak. A neuroepithél sejtek lehetnek körte alakúak vagy hengeresek, apicális felszínükön 60-100 stereocílium és egy kinocílium található. Utóbbi a sejtfelszín egyik szélén helyezkedik el. Az érzőhámsejtekhez kehelyszerű végződéssel kapcsolódnak a ganglion vestibulare bipoláris neuronjai. A kehely külső oldalán az agytörzsből eredő efferens idegrostok is tapadnak, amellyel a központ be tud avatkozni az elsődlegesen keletkező ingerület áttevődésébe. A cíliumok be vannak ágyazva a kocsonyás otolithmembránba, ennek felszínén mészkristályok (otoconia) található. A crista ampullaris morfológiája eltérő, bemelkednek a hátyás ívjáratok üregébe melynek tetején a cupula helyezkedik el, otolithmembárn és otoconia itt nincs. Az érzékhámsejtek és a körülöttük lévő idegvégződések megegyeznek a maculáknál leírtakkal, sajátságos azonban hogy a kinocíliumok minden sejten azonos irányba néznek, a crista ampullaris anteriorban és posteriorban az ívjáratok felé eső oldalon a lateralisban az utriculus felé. A vestibuláris rendszer központi készüléke A VIII. agyideg két különálló részből áll a pars vestibularisból és a pars cochlearisból. A közös szakasz az agytörzsből való kilépéstől a meatus acusticus internus fenekéig tart. A rostok azonban itt is elkülönülten haladnak a pars vestibuláris az ideg felső hátsó részében, a pars cochlearis az alsó elülső részében. A pars vestibuláris dúca (amely bipoláris neuronokat tartalmaz) a meatus acusticus internus fenekén elhelyezkedő Scarpa ganglion. Perifáriás nyúlványai három idegtörzsbe szedődnek össze. A n. utriculoampullaris további három ágra oszlik: n. utricularis, n. ampullaris anterior, n. ampullaris lateralis amelyek a nevüknek megfelelő érzékhámsejteken
5
végződnek. A macula sacculihoz a n. saccularis, míg a crista ampullaris posteriorhoz a n. ampullaris posterior halad. A neuronok centrális nyúlványa az agytörzsbe belépve a nyúltvelő rostralis és a híd caudalis részén elhelyezkedő vestibularis magvakba szedődnek össze. A nucleus vestibularis superior (Bechterew) és nucleus vestibularis medialis (Schwalbe) több, míg a nucleus vestibularis lateralis (Deiters) és nucleus vestibularis inferior (Roller) kevesebb érző rostot fogad. Néhány elsődleges idegrost közvetlenül eléri a kisagyat. A magokból induló másodlagos rostok nem kötegeket képeznek, hanem ennél sokkal diffúzabb elrendezésben haladnak számos központi idegrendszeri területhez. • Kisagy: elsősorban a medialis és inferior magvakból a pedunculus cerebellaris inferioron keresztül, a kisagykéregben moharostokként végződnek. • Gerincvelő: két leszálló rostköteg melyen keresztül hozzájárulnak a nyak-, törzs- és végtagizmok tónusának szabályozásához. A Deiters magból indul a tractus vestibulospinalis lateralis a Schwalbe-ból a tractus vestibulospinalis medialis, mindkét köteg ipsilateralisan halad a mellső szarv mediális részéhez. • Szemmozgató agyidegek magvai: a fasciculus longitudinalis medialison keresztül jutnak el a n. oculomotorius, n. trochlearis és n. abducens magjaihoz, a rostok egy része egészen a nucleus interstitialisig is eljut, ezeknek a kapcsolatoknak fontos szerepe van a vestibuloocularis reflexekben. • Thalamus:
bilateralis
projekciókat
adnak
elsősorban
a
nucleus
ventralis
posterolateralishoz, innen a gyrus postcenralis speciális területeihez jutnak, ahonnan áttevődnek a frontalis és parietalis kéreg egyéb területeire is.
6
A vestibuláris rendszer fiziológiája A vestibuláris afferensek informálják a központot a fej elfordulásáról (szöggyorsulás), térbeli helyzetéről és a lineáris gyorsulásról. Ezeket a funkciókat a szőrsejtek működési mechanizmusával lehet magyarázni. A basolateralis membránjuk a perilymphával míg az apicális az endolymphával érintkezik. A fej mozgásával a stereocíliumokon lévő mechanoszenzitív kation csatornák nyílnak vagy zárnak. A nyitott csatornák transzmitter felszabadulást eredményeznek, ami hozzájárul a vestibuláris idegben az akciós potenciál frekvenciájának növekedéséhez, míg a zárt csatornák a frekvenciát csökkentik. A fékörös ívjáratok a szöggyorsulást érzékelik (a fej elfordulását). Mialatt a fej elfordul, az endolympha tehetetlensége miatt elmarad az ívjárat elmozdulásától, a stereocílimok két oldala közt nyomáskülönbség jön létre így azok kitérnek, amely depolarizálhatja vagy hiperpolarizálhatja a szőrsejteket. Mivel egy ívjáraton belül minden szőrsejt orientációja azonos így egy ívjáraton belül adott irányba vagy depolarizáció vagy hiperpolarizáció jön létre, amely növeli vagy csökkenti az akciós potenciál frekvenciáját. Miután a fej mozgása befejeződött az endolympha tehetetlenségénél fogva tovább mozog az ellenkező irányba, így az adott szőrsejtekben az eredetivel ellentétes potenciálváltozás alakul ki. A cupula kitérése nem mindenütt azonos mértékű, a receptor zóna közepén a legnagyobb, így a középső szőrsejtek a legérzékenyebbek a gyorsulásra. Az egyes ívjáratok jelzése függ attól, hogy melyik tengely körül fordul a fej. A kétoldali félkörös ívjáratok működési párokat képeznek, ha az egyik ívjárat afferensében az akciós potenciál frekvenciája fokozódik, akkor az ellenoldaliban a frekvencia csökken. Ilyen módon a három pár ívjárat a fej bármely irányú elmozdulását, illetve azok kombinációit képes érzékelni. Az ívjáratok csak dinamikus információkat közvetítenek, a fej statikus helyzetét és a lineáris gyorsulást az utriculus és sacculus érzékelik. A macula síkja az utirculusban közel vízszintes a sacculusban függőleges. A szőrsejtek stereocíliumai az otolitmembránba nyúlnak. 7
Az otolitmembránba kálcium-karbonát kristályok ágyazódnak ezek az otolitok. A kristályok az aktuális gravitációs erőnek és lineáris gyorsulásnak megfelelően változtatják helyzetüket, ezáltal húzó hatást gyakorolnak a stereocíliumokra. A szőrsejtek orientációja a maculákban heterogén. Az otolith kristályok elmozdulása fogja a sejteket de-, illetve hiperpolarizálni ezzel modulálva az akciós potenciál frekvenciát az afferensben. Az akciós potenciál mintázat megoszlása jellemző az azt kiváltó változásra, és a központ ennek megfelelően értékeli ki. Tehát az otolithszerv mind statikus, mind dinamikus információt szolgáltat a központ felé, amely alapvető az izomtónus és a testtartás szabályozásában. Összességében elmondható hogy a vestibuláris rendszer két alapvető funkciója a szöggyorsulás érzékelése a félkörös ívjáratok által, amely reflexesen beállítja a szemeket segítve a fixálást és a térbeli orientációt, ez a dinamikus működés. A másik funkció pedig az otolithszerv a vázizmok posturális tónusát szabályozza a vizuális, vestibuláris és taktilis ingerületek összehangolásával, beállítja a fejet a térben nyílirányú elmozdulásoknál, ez a statikus funckió. A nystagmus a vestibuláris a cerebellaris és az agytörzsi szemmozgató rendszer működészavara hatására bekövetkező akaratlan ritmusos szemmozgás, amely legtöbbször gyors és lassú komponensből áll. Irányát a gyors komponens alapján határozzák meg. A nystagmus során a környezetben lévő tárgyak virtuálisan elmozdulnak a gyors komponens irányában. A gyors komponens mutathat horizontális, vertikális, ferde irányba és lehet rotátoros. A nystagmus jellemezhető a frekvenciájával és azzal hogy a tekintés iránya vagy a fej helyzete befolyásolja-e.
8
A vestibuláris rendszer plaszticitása Az utóbbi évtizedekben bebizonyosodott, hogy szemben azzal a nézettel miszerint a központi idegrendszer (KIR) egy rigid, állandó struktúrájú rendszer, az valójában folyamatos átszerveződésen megy keresztül egy életen át. Egy példa a KIR plaszticitására a vestibuláris rendszerben bekövetkező változások. A tanulmányozáshoz használt modell történhet a perifériás receptorok egy oldali kiirtásával ez az unilateralis labyrinthectomia (UL) vagy a vestibuláris ideg átvágásával ez az unilateralis vestibularis neurectomia (UVN), mely két esetben eltérő patológia tüneteket lehet tanulmányozni. A kialakult vestibuláris szindrómák lehetnek statikusak, amelyek minden mozgás nélkül ágyhoz kötött személyen is jelentkeznek, illetve dinamikusak, amelyek a fej illetve a test mozgatása során figyelhetők meg. Ezen tünetek idővel javulást mutatnak olyannyira, hogy a statikus elváltozások, úgymint spontán nystagmus, vertigo az első hónap során jelentős csökkenést mutatott, míg a dinamikus tünetek, mint a vestibuloocularis reflex asszimetria és testtartási instabilitás kompenzációja nem volt tökéletes. A statikus tünetek enyhülése valószínűleg a kétoldali vestibuláris magkomplex (VN) aktivitás kiegyensúlyozódásának a következménye. Ezzel szemben, a dinamikus tünetek javulásához szükség van arra, hogy az agy helyettesítő folyamatokat alkalmazzon, pótolja a szenzoros információkat és új magatartási stratégiát építsen fel. A vestibuláris rendszer plaszticitásának hátterében többféle mechanizmust írtak le, ezek egy része párhuzamosan van jelen. 1. A bilaterális vestibuláris magokban bekövetkező változások a,) Korai gének Ezek a gének transzkripciós faktorokat kódolnak, amellyel így az egyes proteinek kifejeződését tudják szabályozni. Ezen gének szintje a felnőtt emlős agyban igen alacsony 9
mind a fos mind a jun családot figyelembe véve ezért kiváló példa a c-fos szint változásának tanulmányozása az idegrendszeri plaszticitás során. Unilateralis vestibuláris deafferantáció után a cfos szint növekedett a nucleus vestibularis inferiorban és medialisban. Az időbeli c-fos profilt vizsgálva a beavatkozás után azonnal, egy órával és 3 órával növekedés volt megfigyelhető, alacsony szinten maradt 6-10 óráig majd eltűnt az első 12 órán belül. Megfigyelhető azonban egy késleltett c-fos csúcs 24 órával a beavatkozás után, ami egészen 1 hétig tartott majd eltűnt a fent említett magvakban. A génexpresszióban
bekövetkező
változásokon
kívül
megfigyelhető
a
fehérjék
posttranszlációs módosítása úgymint, növekedett foszforiláció az 1. naptól a 2. hétig az UL után. Ez egybevág azzal, hogy B-50 szerű foszfoproteinek mutathatóak ki a regenerálódó axonokban 1-2 héttel az beavatkozás után. Az UL után 1 héttel számos fehérje szintjében detektálható szignifikáns növekedés, a proteinek közt találhatunk az axon növekedésben részt vevő, valamint mitokondriális és metabolikus szabályozó fehérjéket is. b,) Neurotrophinok Röviddel a sérülés után változások következnek be a szinapszisok hatékonyságában a sensorimotoros rendszerben, valamint hosszabb távon szerkezeti változások lépnek fel a neuronális hálózatban. Ezeket a hatásokat segítik különböző faktorok mint a neurotrophin, ami nélkülözhetetlen a sejtnövekedés és differenciálódás szempontjából a fejlődő állatokban, felelős a szinaptikus plaszticitásért és a neuronok túléléséért a felnőtt állatokban. A neurotrophinok családjába tartozik az NGF, BDNF, N3, N4/5. Ezek a faktorok kötődhetnek mind alacsony mind nagy affinitású receptorokhoz. A belső fül fejlődésében bizonyítottan fontos hatásuk van, hiányukban knock-out egerekben vestibuláris deficit jelentkezett. Normál felnőtt állatokban a BDNF és NGF szint alacsony szintet mutat a VN-ben. Emellett a nagy affinitású TrKA receptor és ligandja az NGF 10
serkenti a cholinerg neuronok funkcióját, míg a TrKB receptor és ligandja a BDNF modulálja a GABAerg transzmissziót a patkány hippocampusban. A neurotrophinok szerepe jól dokumentált a gerincvelői sérülések során a regenerációban. Unilateralis labyrinthectomia után BDNF valamint TrkB receptor növekedés figyelhető meg bilaterálisan a VN-ben azon belül is az inferior és lateralis magvakban 1 nappal az UL után, a csúcsot pedig a 3. napon érte el. Ezek a folyamatok hozzájárulhatnak sejtnövekedéshez és differenciálódáshoz, ami anatómiai újraszerveződéshez vezet. c,) Kolinerg rendszer Kísérleti adatok bizonyítják a kolinerg rendszer szabályozó szerepét a vestibuláris funkciókban. Intrinsic kolinerg neuronokat találtak az MVN caudalis részében valamint az IVN
dorsalis
részében
az,
de
kolin-acetiltranszferáz
(ChAT
az
acetil-kolin
szintézisértfelelős enzim) pozitív területek figyelhetők meg a VN egész területén. Mind muszkarionos mind nikotinos acetil-kolin receptorokat azonosítottak a mediális VN-ben, továbbá muszkarinos receptor agonistákat adva helyileg a vestibuláris magokba testtartási deficit figyelhető meg, épp úgy mint egyoldali vestibulárs kiesés után. A vestibuláris sérülés indukálja a ChAT pozitív neuronok növekedését bilateralisan a superior és inferior magvakban. Mivel azonban a kolinerg neuronok száma nem nőtt, ezért az enzim génszintű up-regulációval lehet magyarázni a változást. Figyelembe véve azt hogy a kolinerg transzmisszió lehet mind excitatórikus mind inhibitorikus, ezért a bilteralis növekedés hozzájárulhat a kétoldali VN neurális aktivitásához. Bár a kolinerg rendszer szerepe nem teljesen tisztázott, feltehetőleg érintett mind a rövid, mind a hosszú távú kompenzációban a testtartási és szemmozgási zavarok esetén.
11
d,) Stressz indukált hormonok UL és UVN után indukálódik az adaptív stresszválasz. A stresszorok aktiválják a hipotalamusz-hipofízis-mellékvese tengelyt, azáltal hogy a hipotalamusz paraventriculáris magjából (PVN) CRH és ADH felszabadulást indukálnak, és az ACTH termelés serkenti a glükokortikoidok termelődését A PVN magban fos expresszió növekedés figyelhető meg, ami pedig növeli a neuronok aktivitását és egyfajta neuroendokrin támogatásként járul hozzá a vestibuláris sérülés utáni adaptív fiziológiás válaszhoz. Bilaterális ADH és CRH növekedés figyelhető meg a PVN-ben és bilateralis CRH csökkenés a VN-ben a beavatkozás utáni 3 hónapig. Ezt követően a hormonszintek normalizálódnak, amely egybe esik a magatartási kompenzációval. Magatartási vizsgálatok bizonyítják a glükokortikoidok hozzájárulását a vestibuláris kompenzációhoz, amit alátámaszt hogy a receptor agonisták és antagonisták gyorsítják, illetve lassítják a posturális kompenzációt. A CRF csökkenés a VN-ben valószínűleg mérsékli a növekedett szteroid hormon receptor kölcsönhatást, ami egyfajta neuroprotektív hatás, az apoptózis gátlásával és a neurogenesis serkentésével. A glükokortikoidok másik hatása hogy modulálják a VN sejteket a GABAA és AMPA receptorokon keresztül így hozzájárulnak a kétoldali vestibuláris magok aktivitásának kiegyensúlyozásához. Hangsúlyozni kell az agyi hisztamin szerepét, ami serkenti az ADH és CRH felszabadulást, ez pedig erősíti a stresszválaszt. A glükokortikoidok és a hisztamin hatásosságát az is alátámasztja, hogy a vestibuláris deffektusban szenvedő páciensek esetében, ha csak részben is, de eredményesnek bizonyultak a vertigo kezelésében.
12
2. Plasztikus események a deafferentált magokban a,) Celluláris mechanizmus A sejtek glükóz metabolizmusa jól jelzi azok aktivitását, amit 2-deoxyglükózzal vagy citokróm oxidáz enzim segítségével tudnak mérni. Szabályként, elmondható hogy a deafferentált sejtek csökkent metabolikus aktivitást mutatnak. Aszimmetrikus citokróm oxidáz jelenlét figyelhető meg a Scarpa ganglionban UL után ami szintén megfigyelhető az ipsilateralis VN-ben. Bár a sejtszámban változás nem történt, a csökkent aktivitás megfigyelhető volt egészen a posturális kompenzációig. Egy citromsav ciklusban fontos enzim a szukcinát-dehidrogenáz szint a csúcsát 15 nappal a sérülés után érte el. Ezen metabolikus aktivitásban bekövetkező változások valószínüleg összhangban vannak a szerkezetei átépüléssel a deafferentált VN-ben. b,) Neurogliosis és neurogenesis Bizonyított, hogy a felnőtt neuralis őssejtek képesek proliferálni és differenciálódni az összes fő agyi sejttípussá. Ez a felnőtt emlős agyban a gyrus dentatus subgranularis zónájában és az oldalkamrák subventricularis zónájában figyelhető meg. A negatív hatásokon kívül, amit az astroglia reakció okoz a szöveti regenerációban van pozitív hatása is, méghozzá hogy megnő az expressziója olyan strukturális fehérjéknek mint a GFAP, vimentin, nestin. Az astroglia reakció véd a hosszú-távú szöveti gyulladástól és a neuronok elhalásától. Erős reakció jelenik meg a VN-ben UL után 1-3 nappal, az intenzitás a 3-8 napon csökken és ezután folyamatosan mérséklődőt 3 hétig. A GFAP pozitív sejteknek nemcsak a számuk nőtt meg, hanem a sejtek hypertrophiát is mutattak. A reakció amellett hogy segíti a vestibuláris neuronok túlélését, új neuronok képződését is segíti a növekedési faktorok és cytokinek felszabadítása útján. A microglia a reakció lehet az egyik kiváltó oka az astroglia reakciónak. Ezen sejtek mitogén fehérjéket 13
fejeznek ki amelyek regulálják az astrocyták proliferációját. Ugyanúgy indukáló hatása lehet a permanens perifériás afferentáció kiesésének. c,) GABAerg rendszer A neuronális hálózatok funkciója függ az excitatorikus és inhibitorikus hatások kiegyensúlyozottságától. A fő inhibitorikus neurotranszmitter a GABA ami kötődhet a GABAA, GABAB, GABAC receptorokhoz. GABA-t illetve az azt szintetizáló glutamát dekarboxilázt kimutatták a VN-ben. Az ezt kifejező neurnokat 5 csoportba oszthatjuk. Az egyes csoportban található neuronok mindkét oldalt előfordulnak és a commissurális rostokkal kapcsolódnak egymáshoz. A 2, 3, 4 csoport neuronjainak projekciói a szemmozgató agyidegi magokhoz, az oliva inferiorhoz és gerincvelői motoneuronokhoz haladnak. Az ötös csoport a lokális interneuronokból áll. A GABAA receptorok a legfőbb commissurális inhibitorok, azonban a GABAB receptor tényleges szerepe még nem teljesen
tisztázott.
Unilateralis
mikroinjekcióval
beadott
GABAA
receptor
aganisták/antagonisták a lateralis vestibuláris magba posturális aszimmetriát okoztak az ellenkező oldali felső végtagokon, míg a mediális és superior magvakba adva spontán nystagmus alakult ki, melynek a lassú komponense az ellenkező oldalra mutatott. Szisztémásan adott GABAA receptor antagonista gyorsítja a posturális gyógyulást. A GABAerg rendszer válasza függ a sérüléstől, UVN után a GABA pozitív sejtek száma növekszik az ipszilaterális medialis, inferior és lateralis vestibuláris magvakban, amely a glutamát dekarboxiláz felszaporodásának köszönhető, míg UL után ez az enzim nem fejeződik ki nagyobb mértékben, hanem a növekedett GABA felszabadulás okozza a pozitív sejtek számának növekedését. Az UVN után megfigyelhető GABA neurogenezis ami UL után nem következik be. Az ipszilaterális GABAerg up-reguláció hatása segíthet a neuronális aktivitás kiegyenlítésében a kétoldali VN között, továbbá stimulálja a vestibuláris neurogenesist és astrogenesist. 14
d,) Hisztaminerg rendszer Hisztaminerg neuronok a CNS-ben egyedül a tuberomammilláris magban találhatóak. Ezek a neuronok projekciót adnak a VN komplexhez és modulálják azok működését H1R, H2R és H3R receptorokon keresztül és inhibitorikus választ váltanak ki. H3R agonisták hatására testtartási és szemmozgás zavarok jelentkeznek. Ezzel összhangban vestibuláris kompenzáció gyorsulása figyelhető meg H3R antagonisták adása esetén. A hisztidin dekarboxziláz (a szintézisért felelős enzim) szintje növekszik a vestibulohipotalamicus
huroknak
köszönhetően
kiegyensúlyozatlansága indukál.
amit
a
VN
neurális
aktvitásának
Bár a hisztamin felszabadulás megnő, az agonista
kötődése a H3R receptorhoz csökken, ez pedig egy fontos pre-szinaptikus esemény a vestibuláris sérülés után bekövetkező állapot helyreállításában. Hisztaminerg hatás modulálja a GABA és glycin felszabadulást, ami szintén hozzájárulhat a VN aktivitás kiegyensúlyozásához. Továbbá a hisztamin a H1R és H2R receptoron keresztül neurális őssejtek és proliferációját és differenciálódását segíti. A központi idegrendszeri extracelluláris térben számos olyam makromolekula megtalálható, amelyet eredetileg a kötőszövetben írtak le. Ezek a molekulák három nagy csoportba oszthatók: I. Hialuronsav: glükoronsavból és N-acetil-glükózaminból épül fel. Több ezer diszacharid egységet tartalmazhat. Kovalensen nem kötődik fehérjéhez, tehát nem képez proteoglikánt, szulfátcsoporttal sem rendelkezik. Nagy vízkötő képessége folytán hatékony vízraktár, nyomással szemben ellenálló, viszkozitása következtében kiváló
kenőanyag
az
ízületekben.
Strukturális
szerepe
van
az
aggrekán
proteoglikánok összekötésében. Lebontását a hialuronidáz enzim végzi, ezzel biztosítja az ECM fiziológiás átépülését.
15
II. Proteoglikánok: a kondroitin-, dermatán-, keratánszulfát fehérjékhez kötődik egy szerinhez kapcsolódó tetraszacharid darabbal. Ezt a fehérjét tengelyfehérjének hívják amelyhez változó számú GAG kapcsolódhat. Chondroitinszulfát: a hialuronsavtól abban különbözik hogy N-acetil-glükózamin helyett N-acatil-galaktózamint tartalmaz és 4-es és 6-os helyen szulfátcsoportot is hordoz. A KIR-ben elsősorban a chondroitinszulfát proteoglikán (CSPG) fordul elő. Dermatánszulfát
a
kondroitinszulfáthoz
hasonló
de
glükuronsav
helyett
iduronsavat tartalmaz. Keratánszulfát: szulfatált N-acetil-glükózaminból és szulfatált galaktózból áll. Ezek negatív töltéseik révén nagy mennyiségű kationt képesek megkötni, ami pedig jelentős vízmolekulát köt, ugyanakkor a szerkezete még mindig elég laza ahhoz hogy a különböző anyagok számára diffúziós utat biztosítson. III. Glikoproteinek: olyan fehérjék, melyekhez kovalens kötéssel szénhidrátok kapcsolódnak. A szénhidrátok kötődhetnek szerin, treonin, hidroxilizin és hidroxiprolin aminosavakhoz
O-glikozidos
kötéssel,
valamint
aszparaginhoz
N-glikozidos
kötéssel.
A
glikolizációtglikozil‐transzferáz enzimek végzik. A kötőszöveti elemek egymáshoz való
dinamikus integrálódását glikoproteinek segítik elő amely hídszerű kapcsolatot tud létesíteni az egyes elemek között (lásd 2. ábra). Az ECM-al kapcsolatban lévő sejtek membránjukon specifikus receptorokat fejeznek ki. Ezek közül legjelentősebbek az integrinek melyek két peptidláncból álló integráns membránfehérjék extracelluláris végükön specifikus kötőhellyel az ECM komponensek számára. A kapcsolat lehet direkt (ilyen az RGD szekvencia) vagy indirekt adhéziós molekulán keresztül. A leggyakoribb ilyen molekula a fibronektin, amely képes a sejtet nem csak a kollagén rostokkal, hanem az ECM további komponenseivel is összekötni. További 16
sejtadhéziós molekula a laminin amely a sejt és a lamina basalis között biztosít kontaktust. A szindekán egy integráns membránfehérje, amely lényegében egy membránba épített proteoglikán, így egy további kapcsolódási helyet biztosít a sejt és az ECM komponensek között. Kontaktus nem csak a sejttel jöhet létre, hanem az egyes mátrix elemek között is, ilyen funckiója van a fibronektinnek, az entaktinnak ami a lamininhez és a IV. kollagénhez egyaránt kapcsolódik, valamint a trombospondin is hasonló szerepet játszik elsősorban a véralvadás során.
3. Perineuronális háló (PN) A PN egy erősen kondenzált rétege a pericelluláris mátrixnak ami körülveszi a somat, a proximalis dendriteket és az axon eredési dombot a KIR-ben. A háló ECM molekulákból épül fel, a fő komponensek a hialuronsav, kötőfehérjék, chondroitin-szulfát proteoglikán (CSPG) és a tenascin-R (Tn-R). Ezen molekulák közötti specifikus kölcsönhatások következtében kialakul egy nagy stabil aggregátum a neuronok felszínén. A chondoritinszulfát kapcsolatba lép a hialuronsavval ezt erősítik a kötőfehérjék, továbbá a CSPG tengelyfehérje kötődik a trimer Tn-R–hez így kialakítva a perineuronális hálót (lásd 1. 17
táblázat). A PN előfrodulása és molekuláris összetétele eltérő az egyes KIR-i területeken és vannak olyan neuronok is amlyeket nem vesz körül PN: a,) Hialuronsav és hialuronsav szintetáz A hialuronsav szintetáz (HAS) enzim a plazmamebrán citoszolikus felszínén lokalizálódik. A három isoformát három különböző gén kódolja eltérő kromoszómákon. A szintézis eltérő sebességgel és lánchosszal történik. A HAS-3 rövid láncú míg HAS-1 és 2 hosszú láncú hialuronsavat szintetizál. A kisagyi PN-ben a kettes és hármas isoforma expresszálódik. Mivel a különböző isoformák eltérő lánchosszúságú hialuronsavat szintetizálnak, az enzimek kifejeződése jelentős lehet a PN tulajdonságainak meghatározásában. A PN sejthez kötődéséért is – a hialuronsav receptorok mellett - a HAS enzimek a felelősek, amelyek a szintézisen kívül kötni is képesek a sejthez a hialuronsavat. Fontos szerepet tulajdonítanak a hialuronsavnak a PN szerkezetének fenntartásában. Egyfajta vázat képez a többi ECM komponens mint, aggrekán, versican, brevican számára. b,) Lectican A lecticanok a chondroitin-szulfát proteoglikán család tagja amelyek képesek kötődni mind a hialuronsavhoz mind a lektinekhez. A lecticanoknak négy tagja van: aggrekán, versican, neurocan, brevican. Mind a négy proteoglikán megtalálható a PN-ben. A PN tulajdonságai függ a molekulák között létrejövő keresztkötések számától, ami pedig függnek a lecticanok hosszától és glikoziláltságától. c,) Kötőfehérjék Azon fehérjék csoportja amelyek képesek kapcsolatot teremteni mind a hialuronsavval mind a CSPG-al és stabilizálják az aggregátumot. A családba négy fehérje tartozik
18
amelyek közül három, aCrtl1, Bral-2 és Bral-3 megtalálható a KIR-ben, és jelenlétük kritikus a kondenzált PN fenntartásában. d,) Tenascin A modulátor glikoproteinek csoportjába tartozik öt taggal. A tenacicanok multimer ECM fehérjék, amelyeknek fontos szerepük van a morfogenezis, neuronális fejlődés, idegi regeneráció, sejtmigráció és sebgyógyulás folyamatában. Az idegrendszerben a tenascin- R expresszálódik. Egy Tn-R trimer három lecticanhoz tud kötni és ez segíti a PN makromolekuláris szerkezetének megerősítését. 4. A PN szerepe a neuoronokban A PN elsősorban a gyors tüzelésű neuronok körül figyelhető meg. Valószínűleg megfelelő környezetet biztosít a nagy aktivitáshoz, azáltal hogy kationokat képes megkötni. A negatív töltésű GAG-ok miatt képes kontrollálni a kationok, mint nátrium, kálium, kalcium diffúzióját, ezáltal a gyors kicserélődést biztosítja a neuronok számára.
19
5. PN szerepe a KIR sérülése során A PN dinamikus struktúra ami sérülés hatására képes megváltoztatni mind a CSPG tengelyfehérjéket mind a szulfatáltsági fokát. KIR sérülés hatására emlősökben gliális sarjszövet fejlődik, astrocyta proliferáció indul el, oligodendrocyta progenitor sejt, meningeális fibroblast és pericyta migráció indul a sérülés helyére. A sarjszövetben megfigyelhető a proteoglikánok köztük a CSPG megnövekedett expressziója. A CSPG általánosságban gátolja a neruronális regenerációt azonban létezik néhány isoforma ami serkentő hatással van rá, ilyen lehet a chondroitin-6-szulfát. A chondroitin-szulfát inhibotorikus hatásának az alábbi okai lehetnek: 1) direkt kölcsönhatás a CSPG receptorokon keresztül 2) az a mechanizmus amellyel a PN-t nem-permisszív szubsztráttá teszi az integrin és egyéb növekedésbe bevont fehérje számára 3) nem direkt kölcsönhatás mely során kölcsönhatásba lép növekedési inhibitor molekulákkal. A ChaseABC egy bakteriális enzim, amely képes bontani a CSPG-t így segíti a KIR plaszticitását, indukálja a sérült axonok és dendritek növekedését, amelyet többek között gerincvelőt érintő sérülések vizsgálata során bizonyítottak. 6. A hialuronsav expresszió a vestibuláris ideg átvágása után A
sebészileg
különválasztott
majd
újraegyesített
vestibulocochlearis
ideg
regenerációja során a rostok behatolnak a KIR-be a különböző vestibuláris magokba ahol a bouton-szerű megvastagodásaikkal erősítik a szinaptikus kapcsolatokat. Morfológiai különbségek figyelhetők itt meg ilyen például hogy az új köteg laterálisabban helyezkedik el és kevesebb rostot tartalmaz. A vastag és vékony rostok nem szegregálódnak és a vastag rostok behatolnak a mediális magba is ahová normálisan csak vékony rostok mennek. A sikeres regeneráció kulcsa a specifikus molekulák megjelenése, amik segítik az axonális növekedést. Az egyik ilyen molekula a hialuronsav amely egyik
20
megjelenési helye a transitionális zóna (TZ). A fejlődés során a növekedő axonok áthatolnak a hialuronsavban gazdag TZ-n ami azonban később barriert jelent a regeneráció szempontjából. 7. Vestibulocochlearis ideg regnerációja Az első néhány hétben egy erősen vascularizált kötőszövet alakult ki. Ez a következő hetekben egyre fibrózusabbá vált. Elérve az agytörzset a regenerálódó rostok felszálló és leszálló kötegeket adnak, amelyek a kisagyba illetve a tractus solitarii caudalis részéig követhetők. A rostok összekeveredve belépnek minden vestibuláris magba 8. Hialuronsav reakció Intakt állatokban a hialuronsav reakció negatív a VIII. agyidegben és intenzív a TZban. A TZ-ben három nappal a beavatkozás után mindkét oldalon csökkent a hialuronsav szint és jelentős növekedés csak az 5. napon következett be. A 7. napon nem jelentős csökkenés észlelhető. A 14. napon volt mindkét oldalon a maximuma a denzitásnak. A 21. naptól kezdve nem volt jelentős különbség a kétoldali denzitás között. A TZ-től perifériásan a hialuronsav intenzitás nagyon gyenge volt majd a 14-21. napig folyamatosan növekedett. A mediális vestibuláris magban az első pár napban a műtét után a PN nem különült el a neuropiltől, ez együtt járt a denzitás esésével mindkét oldalon. Növekedés volt megfigyelhető az 5. napon és újabb csökkenés a 7. napra. A csökkenés folytatódott a 14. napig majd ezután a 42. napig folyamatosan növekedett, mígnem elérte a normál értéket, amely együtt járt a PN mindkét oldali helyreállásával. Érdekesség hogy az 56. napon mérhető volt egy jelentősebb alacsony denzitás a nem-operált oldalon. A lateralis vestibuláris magban a voltozások megegyeztek, azt leszámítva hogy a kontroll értéke elérte a 21-28 napon. Mivel a kétoldali vestibuláris magok comissuralis rostokkal vannak összekapcsolva lehetséges hogy kapcsolat áll fent a kétoldali denzitások között, 21
ezért feltehetőleg a változások a nem-operált oldalon a beavatkozás következményei (lásd 3. ábra).
8. Denzitás változozások a TZ-ben Bár a pontos oka hiányzik az ingadozó denzitásnak két elképzelhető magyarázat lehetséges. Az első magyarázat a hialuronsav receptorok és a sejtadhéziós molekulák számában van, amelyek kifejeződnek a növekvő filopodiumokon és közvetlen illetve közvetetten kapcsolódnak a hialuronsavhoz, amely így megváltozott mértékben tud kötődni a próbához. A második magyarázat hogy a TZ gazdag chondroitin-szulfátban ehhez kötődik a hialuronsav és egy nagy makromolekuláris aggregátumot alkot. Valószínüleg a sérülés után ezek a kötések módosulnak, a hialuronsav sztérikusan 22
elérhetővé válik a próba számára ami magyarázza a denzitás növekedését az 5. napon. Mivel így szabad hialuronsavak jönnek létre ezek valószínüleg facilitálják a vestibulocochleáris rostok regenerációját. A permisszív szerepét a hialuronsavnak a regeneráció során alátámasztja a pozitív reakció az ideg perifériáján a 14 naptól, amely maximumát a 21 napon érte el amikor megjelent az első regenerált idegrost a 4. héten. Ugyanez a hatás tapasztalható az embrionális hialuronsav gazdag környezetben. 9. Denzitásváltozások a mediális és laterális vestibularis magban A hialuronav denzitásban változás következik be az MVN és LVN-ben ezzel egyidejűleg pedig megfigyelhető a PN-ben bekövetkező változások ami valószínűleg szintén a hialuronsav szint változása miatt van. A korai denzitás csökkenés és PN dezorganizáció hozzájárul az axon terminálisok növekedéséhez és az új szinaptikus kapcsolatok stabilizációjához. A denzitás növekedés és a kísérő újraépülése a PN-nek a 14 naptól a jele lehet az újonnan alakult szinaptikus kapcsolatok stabilizációjának. A nem-operált oldalon az 56. napon bekövetkezett denzitás csökkenés azzal magyarázható hogy pont ekkorra érik el a növekedő rostok elérik a vestibuláris magokat a 8. héten amely a comissurális rostokon keresztül eddig ismeretlen mechanizmussal fejti ki ezt a hatást. Az MVN és LVN denzitásbeli különbségek, mint a gyorsabban növekvő és magasabb szintű denzitás egyik magyarázata hogy nagyobb mennyiségű vestibuláris bemenetet fogad a lateralis mag. A másik lehetséges magyarázat a két mag eltérő funckiója az LVN bemenetet kap az utriculusból és fontos szerepet játszik a egyensúlyozásban. 10. Bilateralis denzitásbeli változások Mind a TZ-ben mind a vestibuláris idegben és magokban megfigyelhető. Az axon sérülés után a heggszövetben nem-neuronális sejtek is megjelennek, ezen sejtek termékei 23
bekerülnek a keringésbe ahol szisztémás hatást fejtenek ki. A comissurális rostokon keresztül az ipszilateralis magban bekövetkezett neuronális aktivitásváltozás, hatással van a kontralateralis mag aktivitására. Ezen változások pedig hatással vannak az ECM makromolekulák expressziójára. 11. Terápiás lehetőségek a CSPG manipulációval A chondroitin-szulfát fontos szerepet játszik a KIR-ben mind a fejlődésben, mind a fenntartásában és az öregedésében, valamint a patológiájában is. Eltávolítása segíti a plaszticitást,
ezáltal
lehetőséget
teremt
a
regenerációra
sérülések,
stroke,
neurodegeneratív kórképek esetén. ChaseABC kezelés hatására nő az axonális regeneráció a nigrostrialis pálya sérülése esetén és gerincvelői sérülés után, valamint segíti a születés utáni időszakra jellemző plaszticitás visszanyerését a visuális cortexben. A CSPG szint csökkentésének másik lehetősége a xylosiltransferáz-1 alkalmazása. Ez az enzim iniciálja a tengelyfehérjéken a GAG szintézisét, az enzim mRNS-ét degradálva lehet manipulálni a proteoglikán szintet. A Rho/ROCK útvonal is szerepet játszhat az a CSPG inhibitorikus hatásában. Ezen útvonal gátlása segíti az axonális növekedést. A TGFβ stimulálja a CSPG szintézist ezen útvonal gátlása decorinnal pozitív hatással van a regenerációra. CSPG szint csökkenése és a PN degradálódása hasznos a regeneráció szempontjából, másrészről a PN-nek neuroprotektív szerepe van, csökkenti a lipfuscin felhalmozódást, ami Alzheimer-kórhoz vezet. A PN eltűnése a korai jelei közé tartozik a CreutzfeldtJakob kórnak. Tehát a PN degradáció rövidtávon jótékony hatású lehet viszont hosszú távon súlyos károsodások jöhetnek létre a központi idegrendszerben.
24
Irodalomjegyzék Funkcionális anatómia : egyetemi tankönyv / Szentágothai János, Réthelyi Miklós. 8., átdolg. és bőv. kiad., Budapest : Medicina ; 2006. Szövettan : kézikönyv és atlasz / Michael H. Ross, Gordon I. Kaye, Wojciech Pawlina ; Budapest : Medicina Könyvkiadó, 2007. Szövettan / Röhlich Pál 3., átdolg. és bőv. kiadás, Budapest: Semmeweis, 2006. Az orvosi élettan tankönyve /Fonyó Attila. ‐ 5. átd., bőv. kiad.. ‐ Budapest : Medicina, 2011. Orvosi élettan / Bálint Péter, Budapest: Medicina, 1972. Neurológia : egyetemi tankönyv / Szirmai Imre. ‐ 3., jav. bőv. kiad., Budapest : Medicina, 2011. Lacour M, Tighilet B. Aix‐Marseille Université, UMR 6149 Université de Provence/CNRS Pôle 3C, Case B, Marseille Cedex 03, France. michel.lacour@univ‐provence.fr Plastic events in the vestibular nuclei during vestibular compensation:the brainorchestration of a "deafferentation" code. Restor Neurol Neurosci. 2010;28(1):19‐35. Galtrey CM, Fawcett JW.Cambridge Centre for Brain Repair, Department of Clinical Neurosciences,University of Cambridge, Robinson Way, Cambridge, CB2 2PY, UK. The role of chondroitin sulfate proteoglycans in regeneration and plasticity in thecentral nervous system. Brain Res Rev. 2007 Apr;54(1):1‐18. Epub 2007 Jan 11. Peusner KD, Shao M, Reddaway R and Hirsch JC (2012) Basic concepts in understanding recovery of function in vestibular reflex networks during vestibular compensation. Front. Neur. 3:17. doi: 10.3389/fneur.2012.00017 Kwok JC, Dick G, Wang D, Fawcett JW.Cambridge Centre for Brain Repair, Department of ClinicalNeurosciences, University of Cambridge, Cambridge CB2 0PY, United Kingdom. Extracellular matrix and perineuronal nets in CNS repair. Dev Neurobiol. 2011 Nov;71(11):1073‐89. doi: 10.1002/dneu.20974. Gábor Halasi, Ervin Wolf, Tímea Bácskai, György Székely, László Módis, Zsuzsa M. Szigeti, Zoltán Mészár,Szabolcs Felszeghy and Clara Matesz Department of Anatomy, Histology and Embryology, Medical and Health Science Center, University of Debrecen, Nagyerdei krt. 98, Debrecen, 4012, Hungary. The effect of vestibular nerve section on the expression of the hyaluronan in the frog, Rana esculenta Brain Struct Funct. 2007 Dec;212(3‐4):321‐34. Epub 2007 Oct 2. Deák Á, Bácskai T, Gaál B, Rácz É, Matesz K. Department of Anatomy, University of Debrecen, Medical and Health Science Center, Hungary. Effect of unilateral labyrinthectomy on the molecular composition of perineuronalnets in the lateral vestibular nucleus of the rat. Neurosci Lett. 2012 Mar 28;513(1):1-5. Epub 2012 Feb 10.
25
