Валлерова дегенерация — это активный процесс дегенерации, который возникает, когда нервное волокно перерезается или раздавливается, а часть аксона, дистальная от места повреждения (которая в большинстве случаев находится дальше от тела клетки нейрона ), дегенерирует. [1] Связанный процесс отмирания или ретроградной дегенерации, известный как «валлерианоподобная дегенерация», встречается при многих нейродегенеративных заболеваниях, особенно при тех, при которых нарушен транспорт аксонов, таких как БАС и болезнь Альцгеймера . [2] Первичные культуральные исследования показывают, что неспособность доставить достаточное количество необходимого аксонального белка NMNAT2 является ключевым инициирующим событием. [3] [4]
Валлеровская дегенерация возникает после повреждения аксонов как в периферической нервной системе (ПНС), так и в центральной нервной системе (ЦНС). Оно возникает на участке аксона, дистальном от места повреждения, и обычно начинается в течение 24–36 часов после поражения. До дегенерации дистальная часть аксона имеет тенденцию оставаться электрически возбудимой. После травмы скелет аксона распадается, а мембрана аксона разрывается. Аксональная дегенерация сопровождается деградацией миелиновой оболочки и инфильтрацией макрофагами . Макрофаги в сопровождении шванновских клеток служат для очистки остатков дегенерации. [5] [6]
Шванновские клетки реагируют на потерю аксонов экструзией их миелиновых оболочек, подавлением миелиновых генов, дедифференцировкой и пролиферацией. Наконец, они выравниваются в трубках (полосы Бюнгнера) и экспрессируют поверхностные молекулы, которые направляют регенерирующие волокна. [7] В течение 4 дней после травмы дистальный конец части нервного волокна, проксимальной к поражению, выпускает ростки в сторону этих трубок, и эти ростки привлекаются факторами роста, продуцируемыми шванновскими клетками в трубках. Если росток достигает трубки, он врастает в нее и продвигается примерно на 1 мм в день, в конечном итоге достигая целевой ткани и реиннервируя ее. Если ростки не могут достичь трубки, например, из-за слишком большого зазора или образования рубцовой ткани, хирургическое вмешательство может помочь направить ростки в трубки. Регенерация в ПНС эффективна, с почти полным восстановлением в случае поражений, возникающих вблизи дистального нервного окончания. Однако в спинном мозге восстановление практически не наблюдается . Одним из важнейших отличий является то, что в ЦНС, включая спинной мозг, миелиновые оболочки производятся олигодендроцитами , а не шванновскими клетками.
Валлерианская дегенерация названа в честь Огастеса Волнея Уоллера . Уоллер экспериментировал на лягушках в 1850 году, перерезав им языкоглоточный и подъязычный нервы. Затем он наблюдал за дистальными нервами в месте повреждения, которые были отделены от их клеточных тел в стволе мозга. [5] Уоллер описал распад миелина, который он назвал «мозговым веществом», на отдельные частицы различного размера. Дегенерирующие аксоны образовывали капли, которые можно было окрасить, что позволило изучить ход отдельных нервных волокон.
Хотя большинство реакций на травму включают передачу сигнала о притоке кальция , способствующего повторному заживлению отрезанных частей, аксональные повреждения первоначально приводят к острой аксональной дегенерации (ААД), которая представляет собой быстрое разделение проксимального ( часть, расположенная ближе к телу клетки) и дистального концов в течение 30 минут после повреждения. рана. [8] После разделения на обоих концах образуются дистрофические структуры луковицы, и рассеченные мембраны запечатываются. [9] В дистальном сегменте возникает короткая латентная фаза, в течение которой он остается электрически возбудимым и структурно неповрежденным. [10] Дегенерация сопровождается отеком аксолеммы и , в конечном итоге, образованием шарикообразных аксональных сфероидов . Этот процесс занимает примерно 24 часа в ПНС и дольше в ЦНС. Сигнальные пути, ведущие к дегенерации аксолеммы, в настоящее время плохо изучены. Однако исследования показали, что этот процесс AAD не зависит от кальция. [11]
Гранулярный распад аксонального цитоскелета и внутренних органелл происходит после деградации аксолеммы. Ранние изменения включают накопление митохондрий в паранодальных областях в месте повреждения. Эндоплазматическая сеть разрушается, митохондрии разбухают 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 (вызванный притоком ионов кальция), что позволяет предположить, что аксональная дегенерация является активным процессом, а не пассивным, как это неправильно понималось ранее. [12] 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.
Миелин — это фосфолипидная мембрана, которая окружает аксоны, обеспечивая им изоляцию. Он продуцируется шванновскими клетками ПНС и олигодендроцитами ЦНС. Клиренс миелина является следующим шагом валлеровской дегенерации после аксональной дегенерации. Очистка миелиновых остатков различна для ПНС и ЦНС. ПНС гораздо быстрее и эффективнее очищает миелин от остатков миелина по сравнению с ЦНС, и основной причиной этого различия являются шванновские клетки. Другим ключевым аспектом является изменение проницаемости гематотканевого барьера в обеих системах. При ПНС проницаемость увеличивается по всей дистальной культе, но нарушение барьера в ЦНС ограничивается только местом повреждения. [11]
Реакция шванновских клеток на повреждение аксонов быстрая. Период времени реакции оценивается до начала аксональной дегенерации. Считается, что за быструю активацию ответственны нейрегулины . Они активируют рецепторы ErbB2 в микроворсинках шванновских клеток, что приводит к активации митоген-активируемой протеинкиназы (МАРК). [13] Хотя активность МАРК и наблюдается, механизм чувствительности шванновских клеток к повреждению еще полностью не изучен. За «ощущением» следует снижение синтеза липидов миелина, которое в конечном итоге прекращается в течение 48 часов. Миелиновые оболочки сначала отделяются от аксонов в вырезках Шмидта-Лантермана, а затем быстро разрушаются и укорачиваются, образуя четкие структуры. Шванновские клетки продолжают очищать остатки миелина, разрушая собственный миелин, фагоцитируя внеклеточный миелин и привлекая макрофаги к остаткам миелина для дальнейшего фагоцитоза. [11] Однако макрофаги не привлекаются к этой области в течение первых нескольких дней; следовательно, до этого момента Шванновские клетки играют главную роль в очистке миелина.
Было обнаружено, что шванновские клетки рекрутируют макрофаги путем высвобождения цитокинов и хемокинов после обнаружения аксонального повреждения. Привлечение макрофагов помогает улучшить скорость очистки от остатков миелина. Резидентные макрофаги, присутствующие в нервах, выделяют дополнительные хемокины и цитокины для привлечения дополнительных макрофагов. Дегенерирующий нерв также производит хемотаксические молекулы макрофагов. Другим источником факторов рекрутирования макрофагов является сыворотка. Замедленное рекрутирование макрофагов наблюдалось у мышей с дефицитом B-клеток и отсутствием сывороточных антител. [11] Эти сигнальные молекулы вместе вызывают приток макрофагов, пик которого приходится на третью неделю после травмы. В то время как шванновские клетки обеспечивают начальную стадию очистки от остатков миелина, макрофаги завершают эту работу. Макрофагам способствуют опсонины , которые метят мусор для удаления. Три основные группы, обнаруженные в сыворотке, включают комплемент , пентраксины и антитела . Однако было показано, что только комплемент помогает в фагоцитозе остатков миелина. [14]
Муринсон и др. (2005) [15] наблюдали, что немиелинизированные или миелинизированные шванновские клетки, контактирующие с поврежденным аксоном, вступают в клеточный цикл, что приводит к пролиферации. Наблюдаемая продолжительность деления шванновских клеток составляла примерно 3 дня после травмы. [16] Возможные источники сигнала пролиферации относят к рецепторам ErbB2 и ErbB3. Эта пролиферация может еще больше повысить скорость очистки миелина и играет важную роль в регенерации аксонов, наблюдаемой в ПНС. Шванновские клетки выделяют факторы роста, которые привлекают новые аксональные отростки, растущие из проксимальной культи после полной дегенерации поврежденной дистальной культи. Это приводит к возможной реиннервации клетки-мишени или органа. Однако реиннервация не обязательно идеальна, поскольку во время реиннервации проксимальных аксонов к клеткам-мишеням происходит возможное заблуждение.
По сравнению со шванновскими клетками, олигодендроцитам для выживания необходимы сигналы аксонов. На стадиях развития олигодендроциты, которые не могут вступить в контакт с аксоном и получить сигналы аксона, подвергаются апоптозу . [17]
Эксперименты по валлеровской дегенерации показали, что при повреждении олигодендроциты либо подвергаются запрограммированной гибели клеток, либо переходят в состояние покоя. Следовательно, в отличие от шванновских клеток, олигодендроциты не способны очищать миелиновые оболочки и их остатки. В экспериментах, проведенных на крысах, [18] миелиновые оболочки обнаруживались сроком до 22 мес. Следовательно, скорость очистки миелиновой оболочки ЦНС очень медленная и, возможно, может быть причиной препятствий в способности к регенерации аксонов ЦНС, поскольку отсутствуют факторы роста, способные привлечь проксимальные аксоны. Еще одной особенностью, которая в конечном итоге возникает, является образование глиальных рубцов . Это еще больше снижает шансы на регенерацию и реиннервацию.
Олигодендроциты не могут рекрутировать макрофаги для удаления мусора. В целом проникновение 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 ПНС примерно на 3 дня. Кроме того, микроглия может активироваться, но гипертрофироваться и не трансформироваться в полностью фагоцитирующие клетки. Те микроглии, которые трансформируются, эффективно очищают от мусора. Дифференцировать фагоцитарную микроглию можно путем тестирования на экспрессию главного комплекса гистосовместимости (MHC) класса I и II во время валлериановой дегенерации. [19] Скорость клиренса среди микроглии очень медленная по сравнению с макрофагами. Возможный источник изменений в скорости клиренса может включать отсутствие активности опсонинов вокруг микроглии и отсутствие повышенной проницаемости гематоэнцефалического барьера . Снижение проницаемости может еще больше затруднить инфильтрацию макрофагов в место повреждения. [11]
Эти данные позволяют предположить, что задержка валлеровской дегенерации в ЦНС по сравнению с ПНС вызвана не задержкой аксональной дегенерации, а, скорее, обусловлена разницей в скорости клиренса миелина в ЦНС и ПНС. [20]
Регенерация следует за дегенерацией. Регенерация в ПНС происходит быстро, обеспечивая скорость повторного роста до 1 миллиметра в день. [21] Трансплантаты также могут потребоваться для обеспечения соответствующей реиннервации. Он поддерживается шванновскими клетками за счет высвобождения факторов роста. Регенерация ЦНС происходит гораздо медленнее и практически отсутствует у большинства видов позвоночных. Основной причиной этого может быть задержка в удалении остатков миелина. Дебрис миелина, присутствующий в ЦНС или ПНС, содержит несколько ингибирующих факторов. Длительное присутствие остатков миелина в ЦНС может препятствовать регенерации. [22] Эксперимент, проведенный на тритонах , животных, обладающих способностью к быстрой регенерации аксонов ЦНС, показал, что валлеровская дегенерация при повреждении зрительного нерва занимает в среднем от 10 до 14 дней, что также позволяет предположить, что медленный клиренс тормозит регенерацию. [23]
В здоровых нервах фактор роста нервов (NGF) вырабатывается в очень небольших 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 повышении экспрессии мРНК NGF. [24] Макрофаги также стимулируют шванновские клетки и фибробласты к выработке NGF посредством интерлейкина-1, полученного из макрофагов. [25] Другие нейротрофические молекулы, продуцируемые шванновскими клетками и фибробластами вместе, включают нейротрофический фактор головного мозга , нейротрофический фактор глиальной клеточной линии , цилиарный нейротрофический фактор , фактор ингибирования лейкемии , инсулиноподобный фактор роста и фактор роста фибробластов . Эти факторы вместе создают благоприятную среду для роста и регенерации аксонов. [11] 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 Бунгнера, внутри базальной ламинарной трубки. Было замечено, что аксоны регенерируют в тесной связи с этими клетками. [26] Шванновские клетки активируют выработку молекулы адгезии на клеточной поверхности ниндзюрина, что дополнительно способствует росту. [27] Эти клеточные линии направляют регенерацию аксонов в правильном направлении. Возможным источником ошибки, которая может возникнуть в результате этого, является возможное несоответствие целевых клеток, как обсуждалось ранее.
Из-за отсутствия таких благоприятных стимулирующих факторов в ЦНС регенерация в ЦНС задерживается.
Мыши , принадлежащие к штамму C57BL/ Wld s , имеют задержку валлеровской дегенерации [28] и, таким образом, позволяют изучать роль различных типов клеток и лежащие в их основе клеточные и молекулярные процессы. Текущее понимание этого процесса стало возможным благодаря экспериментам на мышах линии Wld . Мутация впервые произошла у мышей в Харлан-Олаке, лаборатории по производству животных в Соединенном Королевстве. Мутация Wld s представляет собой аутосомно-доминантную мутацию, возникающую в 4-й хромосоме мыши. [29] [30] Мутация гена представляет собой тандемную трипликацию длиной 85 т.п.н., возникающую естественным путем. Мутантная область содержит два ассоциированных гена: никотинамидмононуклеотидаденилилтрансфераза 1 (NMNAT1) и фактор убиквитинирования e4b (UBE4B). Линкерная область, кодирующая 18 аминокислот, также является частью мутации. [6] Было показано, что защитное действие белка Wld S обусловлено активным центром синтеза NAD + региона NMNAT1 . [31]
Хотя созданный белок локализуется внутри ядра и едва обнаруживается в аксонах, исследования показывают, что его защитный эффект обусловлен его присутствием в аксональных и терминальных компартментах. [32] [33] Защита, обеспечиваемая белком Wld S , присуща нейронам, а не окружающим опорным клеткам, и обеспечивает только локальную защиту аксона, что указывает на то, что внутриклеточный путь ответственен за валлерову дегенерацию. [34] [35]
Мутация не причиняет вреда мышам. Единственный известный эффект заключается в том, что валлеровская дегенерация задерживается в среднем на три недели после повреждения нерва. Сначала предполагалось, что мутация Wld замедляет инфильтрацию макрофагов, но недавние исследования показали, что мутация защищает аксоны, а не замедляет макрофаги. [6] Процесс, с помощью которого достигается защита аксонов, плохо изучен. Однако исследования показывают, что мутация Wld s приводит к увеличению активности NMNAT1, что приводит к усилению синтеза НАД + . [31] Это, в свою очередь, активирует SIRT1-зависимый процесс внутри ядра, вызывая изменения в транскрипции генов. [31] НАД + сам по себе может обеспечить дополнительную защиту аксона за счет увеличения энергетических ресурсов аксона. [36] Более поздние работы, однако, вызывают сомнение в том, что либо NMNAT1, либо NAD + могут заменить полноразмерный ген Wld s . [37] Эти авторы продемонстрировали методами как in vitro, так и in vivo, что защитный эффект сверхэкспрессии NMNAT1 или добавления NAD + не защищает аксоны от дегенерации. Однако более поздние исследования показали, что NMNAT1 обладает защитным действием в сочетании с пептидом, нацеленным на аксоны, что позволяет предположить, что ключом к защите, обеспечиваемой Wld S , была комбинация активности NMNAT1 и аксональной локализации, обеспечиваемой N-концевым доменом химерного белка. [38]
Обеспечиваемая аксональная защита задерживает начало валлеровской дегенерации. Поэтому активацию шванновских клеток следует отложить, поскольку они не будут обнаруживать сигналы деградации аксонов от рецепторов ErbB2. В экспериментах на мышах с мутацией Wld инфильтрация макрофагов значительно задерживалась на срок до шести-восьми дней. [39] Однако, как только деградация аксонов началась, дегенерация принимает свой нормальный ход, и, что касается нервной системы, деградация следует с вышеописанной скоростью. Возможные последствия позднего начала — снижение регенеративных способностей у мышей. Исследования показывают, что регенерация может быть нарушена у мышей Wld S , но это, вероятно, является результатом того, что окружающая среда неблагоприятна для регенерации из-за продолжающегося существования неперерожденных дистальных волокон, тогда как обычно мусор очищается, освобождая место для нового роста. [40]
Путь валлеровской дегенерации был дополнительно освещен открытием того, что стерильный белок альфа и TIR-мотив, содержащий 1 (SARM1), играет центральную роль в пути валлеровской дегенерации. Ген был впервые идентифицирован при скрининге мутагенеза Drosophila melanogaster , а затем нокаут его гомолога у мышей показал надежную защиту перерезанных аксонов, сравнимую с защитой Wld S. [41] [42]
SARM1 катализирует синтез и гидролиз циклической АДФ-рибозы (cADPR) из НАД + в АДФ-рибозу . [43] Активация SARM1 локально вызывает быстрый коллапс уровней NAD + в дистальной части поврежденного аксона, который затем подвергается дегенерации. [44] Позднее было показано, что этот коллапс уровней NAD + обусловлен тем, что TIR-домен SARM1 обладает внутренней активностью расщепления NAD + . [45] Белок SARM1 имеет четыре домена, сигнал митохондриальной локализации, аутоингибирующую N-концевую область, состоящую из мотивов броненосца/HEAT, два стерильных альфа-мотива, ответственных за мультимеризацию, и C-концевой рецептор Toll/Интерлейкин-1 , который обладает ферментативной активностью. [45] Активации SARM1 достаточно, чтобы снизить уровень НАД + и инициировать путь валлеровской дегенерации. [44]
Активность SARM1 помогает объяснить защитную природу фактора выживания NMNAT2 , поскольку было показано, что ферменты NMNAT предотвращают SARM1-опосредованное истощение НАД + . [46] Эта связь дополнительно подтверждается тем фактом, что мыши, лишенные NMNAT2, которые обычно нежизнеспособны, полностью спасаются путем делеции SARM1, помещая активность NMNAT2 выше SARM1. [47] Другие сигнальные пути, способствующие дегенерации, такие как путь киназы MAP, связаны с активацией SARM1. Было показано, что передача сигналов MAPK способствует потере NMNAT2, тем самым способствуя активации SARM1, хотя активация SARM1 также запускает каскад киназы MAP, что указывает на существование некоторой формы петли обратной связи. [48] [49] Одним из объяснений защитного эффекта мутации Wld S является то, что область NMNAT1, которая обычно локализована в соме, заменяет лабильный фактор выживания NMNAT2, чтобы предотвратить активацию SARM1, когда N-концевая область Ube4 белок WldS локализует его в аксоне. 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 для здоровья человека можно обнаружить на животных моделях с черепно-мозговой травмой , поскольку у мышей, которые содержат делеции Sarm1 в дополнение к Wld S , наблюдается снижение повреждения аксонов после травмы. [50] Специфические мутации в NMNAT2 связали механизм валлеровской дегенерации с двумя неврологическими заболеваниями.