Mikroglia-aktivaatio

Aktiivinen demyelinaatio ja neurodegeneraatio on yhdistetty mikroglia-aktivaatioon MS-taudin varhaisissa leesioissa. Mikroglia-solut aktivoivat aivojen parenkyymiä havaitsemaan vaarasignaaleja. Tämä tila näyttää toteutuvan lukuisissa vuorovaikutuksissa neuronien kanssa.

Tällaisia vuorovaikutuksia on kuvattu esimerkiksi CD200-CD200R-, CD47-CD172a- ja fraktalkiini-CX3CR1- välillä. Aivovaurion tai sairauden seurauksena nämä vuorovaikutukset estyvät ja mikroglia kehittyy fenotyypiltään ”aktiiviseksi”.

Tämä muutos voidaan aiheuttaa useilla mekanismeilla, kuten Th1- tai Th17-T-solujen erittämien tulehdusta edistävien sytokiinien tuotanto. Myös Tollin kaltaisten reseptorien (TLR) tunnistamien mikrobipatogeenien (PAMP) tai leusiinipitoisten toistuvien reseptorien (NLR) ilmentyminen, solunsisäisten komponenttien vapautuminen nekroottisista tai apoptoottisista soluista sekä lämpöshokkiproteiinien, väärin taittuneiden proteiinien (DAMP) tai komplementtikaskadin komponenttien läsnäolo johtaa vastaavaan mikroglia-aktivaatioon.

Mikrogia-aktivaatio ei rajoitu vaurioihin, mutta sitä esiintyy myös hajanaisesti normaalissa esiintyvässä valkoisessa ja harmaassa aineessa. Terveeltä vaikuttavassa valkeassa aineessa (NAWM) voi esiintyä aktivoituneen mikroglian klustereita. Näitä ns. Mikroglia-kyhmyjä, on runsaasti plakkien vieressä olevilla alueilla, etenkin potilailla, joilla on progressiivinen tautimuoto.

Mikroglia-kyhmyt on yhdistetty vaurioituneisiin aksoneihin, jotka ilmentävät amyloidiprekursoriproteiinin (APP) kertymistä, ja muutoksia neurofilamenttifosforylaatiossa periplakinissa* valkeassa aineessa.

• Periplakiini on proteiini, jota ihmisissä koodaa PPL-geeni. Tämän geenin koodaama proteiini on osa desmosomien ja epidermaalisen kornifioidun vaipan keratinosyytteissä. Periplakiini muodostaa sauvadomeeninsa kautta komplekseja envoplakiinin kanssa. Tämä proteiini voi toimia linkkinä kornifioidun vaipan ja desmosomien sekä välifilamenttien välillä. AKT1 / PKB:n, proteiinikinaasin, joka välittää erilaisia solukasvun ja selviytymisen signalointiprosesseja, on ilmoitettu olevan vuorovaikutuksessa tämän proteiinin kanssa, mikä viittaa tämän proteiinin mahdolliseen rooliin lokalisointisignaalina AKT1-välitteisessä signaloinnissa. PPL:n (geeni) on osoitettu olevan vuorovaikutuksessa keratiini 8:n ja Envoplakinin kanssa.

Lisäksi on havaittu suoraa spatiaalista yhteyttä mikroglia-kyhmyjen ja Wallerian rappeutumista* sairastavien aksonien välillä. Nämä havainnot osoittavat, että mikroglia-aktivaatio liittyy hermosolujen vaurioiden ja kudosten atrofian merkkeihin, mikä viittaa vahvasti siihen, että mikroglia-solut vaikuttavat keskushermoston vaurioihin progressiivisessa MS-taudissa.

• Wallerian rappeuma on aktiivinen rappeutumisprosessi, joka syntyy, kun hermokuitu katkeaa tai vahingoittuu ja aksonin distaalinen osa (eli kauempana hermosolun rungosta) rappeutuu.Tähän liittyvä taaksepäin tapahtuva rappeutumisprosessi, tunnetaan nimellä ’Wallerian-tyyppinen rappeuma’, esiintyy monissa neurodegeneratiivisissa sairauksissa, erityisesti niissä, joissa aksonikuljetukset ovat heikentyneet, kuten ALS ja Alzheimerin tauti.

  Wallerian rappeuma tapahtuu aksonivaurion jälkeen sekä ääreishermostossa (PNS) että keskushermostossa (CNS). Se esiintyy aksonin osassa, joka on distaalinen loukkaantumispaikasta, ja alkaa yleensä 24–36 tunnin sisällä vauriosta. Ennen rappeutumista aksonin distaaliosa pyrkii pysymään sähköisesti virittyneenä. Loukkaantumisen jälkeen aksonaalirunko ja aksonikalvo hajoaa.

Aksonaalista rappeutumista seuraa myeliinivaipan hajoaminen ja solujätettä siivoavien makrofagien lisääntyminen.MS-taudisssa mikrogliaalisten solujen aiheuttamat vauriot välittyvät erilaisten mekanismien kautta, mukaan lukien tulehdusta edistävien sytokiinien, kuten IL-1, IL-6, TNF-a ja IFN-y, eritys, fagosyyttinen aktiivisuus ja antigeenien esittely CD4⁺ T-solujen MHC-luokan II molekyylien kautta.

Tulehdukselliset sytokiinit voivat myös aiheuttaa mitokondrioiden vaurioita sekä hermosoluissa että gliasoluissa

Mikrogliasolujen tuottamat reaktiiviset happi- ja typpilajit (ROS / RNS) aiheuttavat suoraa vahinkoa hermosoluille sytokromi C-oksidaasin (COX1) menetyksen sekä mitokondrioiden soluhengitysketjuyhdistelmän IV-aktiivisuuden menetyksen seurauksena, mikä johtaa mitokondrioiden toimintahäiriöön.

Tärkeää on, että Fe2⁺:n vapautuminen solunulkoiseen tilaan loukkaantuneista oligodendrosyyteistä voi vahvistaa oksidatiivisia vaurioita muodostamalla H2O2:sta (vetyperoksidista) erittäin myrkyllisiä hydroksyyli (OH) -radikaaleja.

Aktivoidun mikroglian Fe2⁺:n saanti vaikuttaa niiden rappeutumiseen, mikä johtaa toiseen Fe2⁺:n vapautumisaaltoon. Se voi lisätä ympäröivien kudosten alttiutta vapaiden radikaalien ohjaamalle aksoneiden ja hermosolujen tuhoamiselle.

MS-taudin etenemiseen mahdollisesti liittyvät mekanismit

1. Progressiivisessa MS-taudissa tulehdusilmiöt, jotka johtavat aksonin rappeutumiseen ja tuhoutumiseen, vaikuttavat keskushermostoon. Solukomponentteja edustavat solut (T- ja B-lymfosyytit) sekä paikalliset keskushermostosolut (mikroglia-solut ja astrosyytit).B-solut voivat muodostaa ektooppisia rakenteita, jotka muistuttavat tertiäärisiä imusolmukkeita, tuottamalla vasta-aineita myeliini- ja ei-myeliiniantigeenejä vastaan. Näillä on tärkeä rooli aksonaalisissa ja hermosoluissa tapahtuvassa vaurioitumisessa komplementtikaskadiaktivaation kautta. CD8⁺ -lymfosyytit voivat tunnistaa spesifiset aksonaaliset antigeenit ja tuottaa kudosvaurioita perforiinin tai gransyymien A ja B erityksen kautta.Autoreaktiiviset CD4⁺ Th1- ja Th17-lymfosyytit voivat aktivoida mikrogliaalisia soluja, jotka puolestaan tuottavat tulehdusta edistäviä sytokineja (IL-1, IL 6, TNF-a) tai hapen tai typen vapaita radikaaleja (ROS / RNS) aiheuttaen aksonivaurioita ja hermosolujen menetyksiä sivullisten mekanismin kautta.
2. Demyelinaation jälkeen energiantarve kasvaa paranodaalisten myeliinisilmukoiden häiriöiden vuoksi. Hermosolujen ATP-tuotannon väheneminen johtaa Na⁺ / K⁺ -pumpun häiriöön. Tämä tuottaa jatkuvaa natriumvirtaa, joka ajaa käänteistä natrium / kalsiumvaihtoa ja aiheuttaa kalsiumin kumuloitumista aksoniin. Tämä puolestaan aktivoi hajoavia entsyymejä, kuten proteaasit, fosfolipaasit ja kalpaiinit, mikä johtaa edelleen hermosolujen ja / tai aksonien vaurioihin sekä heikentyneeseen ATP-tuotantoon.
3. Aksonaalivauriot voivat johtua huonosta troofisesta (ravinnonottoon liittyvästä) tuesta. Oligodendrosyytit sieppaavat glukoosia verenkierrosta ja hajottavat sen glykolyysissä pyruvaateiksi, ATP-molekyyleiksi ja laktaatiksi. Solujen mitokondriot jatkavat pyruvaattien energia-aineenvaihduntaa sitruunahappokierrossa ja elektroninsiirtoketjussa. Vaihtoehtoinen energialähde aksoneille tulee astrosyytteihin varastoituneesta glykogeenistä, joka voidaan hajottaa glukoosiksi ja myöhemmin pyruvaatiksi tai laktaatiksi hapen saatavuuden mukaan.
4. Useat mekanismit aiheuttavat mikroglia-aktivaation, mukaan lukien Th1- tai Th17-T-solut, mikrobipatogeenien (PAMP) läsnäolo, jotka Tollin kaltaiset reseptorit (TLR) tai leusiinipitoiset toistoa sisältävät reseptorit (NLR) tunnistavat; solunsisäisten komponenttien vapautuminen nekroottisista tai apoptoottisista soluista; lämpöshokkiproteiinien, väärin taittuneiden proteiinien (DAMP) tai komplementtikaskadin komponenttien läsnäolo.Kun ne mikroglia-solut aktivoituvat, ne saavat aikaan astrosyyttien aktivaation ja lisääntymisen, mikä johtaa astroglioosiin, eli reaktiivisten astrosyyttien lisääntymiseen

Progressiivisessa MS-taudissa aivokuoren demyelinoiduissa leesioissa ei ole tulehduksellisia lymfosyyttien tai makrofagien infiltraatteja, eikä niissä ole komplementtikerrostumia

Suurin osa fagosyyteista (syöjäsoluista) asemoituu mikrogliaan lähelle neuriitteja ja hermosolujen rakenteita. Aktivoidulla mikroglialla on myös joukko hermosoluja suojaavia neuroprotektiivisia toimintoja, kuten kuolleiden solujen yms. jätteiden fagosytoosi ja siivous, kasvutekijöiden tuotanto ja hermosolujen muokkaaminen.

Neuroprotektiivisten mikroglia-solujen erottaminen tulehdusta ehkäisevistä solutyypeistä on edelleen haaste mikroglia-solujen toiminnan tulkinnassa.

On epäselvää, kuinka varhaisessa vaiheessa MS-taudin aikana nämä rappeuttavat tapahtumat alkavat. Tulevat in vivo -tutkimukset, jotka yhdistävät mikroglia-aktivaation paikalliseen aivokuoren atrofian tai toimintahäiriön tasoon sekä vammaisuuden etenemiseen yksittäisillä koehenkilöillä, auttaisivat parantamaan ymmärrystä aivokuoripatologian seurauksista taudin eri vaiheissa.

Tässä yhteydessä mikroglia-positroniemissiotomografiakuvat (v) in vivo (PET) voisivat selventää aktivoidun mikroglian roolia MS-tautiin liittyvässä hermoston rappeutumisessa. Selektiivisen translokaattoriproteiinin (TSPO) radioligandin 11C-PK11195 käyttö mahdollistaa aktivoidun mikroglian havaitsemisen PET:llä. TSPO on proteiini, jota ilmentyy mikrogliaalisten solujen ulommalla mitokondriokalvolla, terveessä keskushermostossa matalilla tasoilla, mutta sitä säätelee mikroglia-aktivaatio, mikä tekee TSPO:sta herkän ”reaaliaikaisen” aktivaatiomarkkerin.

Keskushermostoon kohdistuvassa ei-neoplastisessa vaurioissa ilman BBB-vaurioita mikroglia on tärkein solupopulaatio, joka ilmentää TSPO:ta. Verisuonista peräisin olevat makrofagit, reaktiiviset astrosyytit ja verisuoniston endoteelisolut ilmentävät kuitenkin TSPO:ta. Kuvantamistutkimukset, joissa käytettiin TSPO-radioligandia 11C-PK11195, ovat osoittaneet, että mikrogliasolujen aktivaatio tapahtuu MS-taudin varhaisessa vaiheessa ja näyttää olevan yhteydessä invaliditeetin asteeseen ja aivojen atrofiaan.

SPMS-potilaiden NAWM:ssä TSPO:n sitoutuminen lisääntyy merkittävästi verrattuna ikään sovitettuihin terveisiin verrokkeihin. PET-kuvantamista voidaan käyttää myös erottamaan aktiiviset ja passiiviset krooniset vauriot. Hitaasti laajenevien kroonisten aktiivisten vaurioiden uskotaan edistävän MS-taudin etenemistä. Plakin kinetiikan havaitseminen in vivo tarjoaa todennäköisesti uutta tietoa taustalla olevasta patologiasta, joka ajaa progressiota.

Kuten muissakin neurodegeneratiivisissa häiriöissä, mikroglian lisääntyminen ja aktivaatio on ensisijainen mekanismi astrosytoosin taustalla

Vaikka tutkimuksissa astrosyytit selviytyivät tulehduksen ja ROS / RNS:n aiheuttamasta oksidatiivisesta stressistä, niissä oli silti vaurion merkkejä, mikä heijastui lähinnä solumorfologian ja molekyyliekspression muutoksiin.

Arpikudos koostuu pääasiassa astrosyyteistä, mutta vakavissa vaurioissa esiintyy myös vuorovaikutusta muiden solutyyppien, kuten oligodendrosyyttien esisolujen, ja fibromeningeaalisten solujen kanssa.

Astrosyytteissä on havaittu useita spesifisiä molekulaarisia ja morfologisia piirteitä reaktiivisen astroglioosin aikana sekä ihmisen patologiassa että eläinmalleissa, joista gliaalifibrillaarihappoproteiinin (GFAP), vimentiinin, nestiinin ja vähemmän tutkitun synemiinin säätely ovat tunnusmerkkejä.

Gliaaliarvet näkyvät MS-potilaiden kudoksissa ja ympäröivät demyelinoituneita alueita. Arpien muodostumisen merkitys näyttäisi olevan vahingoittuneiden keskushermoston alueiden eristäminen kudosten tuhoutumisen leviämisen estämiseksi.

Gliaaliarpien jäykkyys johtaa kuitenkin sekä remyelinaation että aksonien regeneroitumisen estymiseen. Molemmat vaikutukset välittyvät eri mekanismien kautta. Astrosyyttien FGF-2:n liiallinen eritys voi olla haitallista remyelinaatiolle, mikä puolestaan edistää oliogodendrosyyttien esiastesolujen (OPC) lisääntymistä ja eloonjäämistä, mutta estää niiden kypsymisen.

Toinen molekyyli, jolla näyttää olevan tärkeä rooli OPC:n kypsymisen estämisessä, on glykosaminoglykaanihyaluronaani (glycosaminoglycan hyaluronan), jota esiintyy solunulkoisessa matriksissa ja keskushermoston valkeassa aineessa. Hyaluronaanin kanssa paikallistuvat oligodendrosyytit ilmentävät näiden solujen kypsymätöntä fenotyyppiä, ja oligodendrosyyttien esiastesolujen in vitro -hoito hyaluronaanilla estää solujen kypsymisen.

Vahingoittuneiden alueiden astrosyytit vapauttavat estäviä solunulkoisia matriksimolekyylejä, jotka tunnetaan kondroitiinisulfaattiproteoglykaaneina (CSPG) ja jotka voivat vakavasti loukkaantuneilla alueilla vaikuttaa sekä kasvukartioarkkitehtuurin sytoskeletoniin (solun tukirankaan) että kalvokomponentteihin.

CSPG:t ovat molekyyliperhe, jolle on tunnusomaista proteiinisydän, johon on kiinnittynyt erittäin sulfatoituneita glykosaminoglykaaniketjuja (GAG). Neurokaani (eritetty) ja brevikaani (soluun sitoutunut) ovat tärkeimmät astrosyyttien tuottamat proteoglykaanit in vitro, ja molempien on osoitettu estävän aksonin kasvua keskushermostovaurioiden jälkeen.

On vahvaa näyttöä siitä, että astrosyytit tuottavat liikaa kondroitiinisulfaattiproteoglykaaneita, kun niistä tulee reaktiivisia, ja että CSPG:n estävä aktiivisuus riippuu GAG-pitoisuudesta, koska GAG-ketjujen poistaminen proteiinisydämestä tukahduttaa CSPG:n välittämän eston. Kondroitiinisulfaattiproteoglykaanien (CSPG) lisäksi muut astrosyyttien ilmentämät vähemmän tutkitut estomolekyylit voivat tukahduttaa aksonikasvua.

Efriinit (EPH) ja niiden reseptorit erittyvät esimerkiksi normaalien astrosyyttien toimesta ja lisääntyvät MS-vaurioissa, mikä aiheuttaa aksonikasvukartion romahtamisen aktivoimalla aksoniin sitoutuneen EPH-tyrosiinireseptorikinaasin.

Astrosyytit osana immuunijärjestelmää voivat edistää MS-taudin etenemistä useiden mekanismien avulla

Ensinnäkin ne voivat vaikuttaa suoraan solujen pääsyyn keskushermostoon veri-aivoesteen läpi säätelemällä adheesiomolekyylien – erityisesti verisuonten adheesiomolekyyli-1 (VCAM-1) ja solujen välinen adheesiomolekyyli-1 (ICAM-1), ilmentymistä.

Toiseksi astrosyytit erittävät erilaisia kemokiinejä, kuten CCL-2 (MCP-1), CCL5 (RANTES), IP-10 (CXCL10), CXCL12 (SDF-1) ja IL-8 (CXCL8), jotka houkuttelevat perifeerisiä immuunisoluja ( esim. T-solut, monosyytit ja DC:t) sekä paikallisia keskushermostosoluja (mikroglia) vaurioalueille.

Astrosyytit voivat erittää GM-CSF:ää, M-CSF:ää tai TGF-β: ta, jotka säätävät MHC-luokan II molekyylien ilmentymistä mikroglialla ja jopa niiden fagosytoosia

Tämä voisi olla ensisijainen mekanismi, jonka kautta astrosyytit jatkavat immuunivälitteistä demyelinaatiota ja hermoston rappeutumista.

Hiljattain tehdyt eläintutkimukset havaitsivat, että EAE:n kroonisissa vaiheissa astrosyyttien ehtyminen lievittää taudin vakavuutta. Tämä astrosyyttien vahingollinen vaikutus EAE:ssa välittyy ensisijaisesti 4-galaktosyylitransferaasin 5 ja 6 (B4GALT5 ja B4GALT6) vaikutuksesta.

B4GALT6:tta ilmentävät myös reaktiiviset astrosyytit ihmisen MS-leesioissa. Nämä entsyymit syntetisoivat signalointimolekyylin laktosyyliseramidia (LacCer), jonka keskushermostossa ilmentyminen lisääntyy merkittävästi EAE:n progressiivisten vaiheiden aikana.

LacCer edistää astrosyyttien aktivaatiota autokriinisellä tavalla indusoimalla GM-CSF- ja CCL2-geenejä, aktivoimalla mikrogliaa ja aiheuttamalla vastaavasti monosyyttien tunkeutumista verestä.

B4GALT6:n estäminen hiirikokeissa pysäyttää keskushermoston neurodegeneraation EAE:ssa ja hillitseee myös ihmisen astrosyyttien aktivaatiota in vitro

Astrosyytit ilmentävät normaalissa keskushermostossa pysyvää (konstitutiivista) B-solua aktivoivaa tekijää (BAFF), joka on välttämätöntä B-solujen kehitykselle ja immunoglobuliinituotannolle.

MS-vaurioissa ja EAE:ta sairastavissa hiirissä BAFF:n ilmentymistä astrosyytteissä säätelee lisääntyvä vaste ärsykkeelle (up-regulated), mikä viittaa siihen, että astrosyytit voivat edistää B-soluista riippuvaisen autoimmuniteetin kehittymistä.

Luontaisten immuunisolujen tärkeä tehtävä on toimia antigeeniä esittelevinä soluina. Vaikka astrosyytit ilmentävät MHC-luokan I ja luokan II molekyylejä, jotka kykenevät esittelemään myeliiniantigeenejä, niiden kyky ilmentää myös stimuloivia molekyylejä, kuten CD40, CD80 ja CD86, haastaa tämän toiminnon, mikä tekee niiden lopullisesta vaikutuksesta epäselvän.

Sen lisäksi, että astrosyytit ovat osa immuunijärjestelmää, ne edistävät MS:n etenemistä tuottamalla sytotoksisia tekijöitä.

Jyrsijöillä IL-17- ja IFN-y-stimuloidut astrosyytit aiheuttavat typpioksidisyntaasia (iNOS). IL-1 ja yhdistetty altistus TGF-β:lla ja IFN-y:llä lisää astrosyyttien erittämän typpioksidin (NO) prosentuaalista osuutta, mikä on yksi merkittävimmistä vaurioita aiheuttavista molekyyleistä hermoston rappeutumisessa.

NO (typpioksidi) stimuloi glutamaatin vapautumista astrosyyteistä, mikä lisää edelleen hermosolun jatkuvaa stimulaatiota välittäjäaine glutamaatilla (eksitoksisuutta, joka on häiriö glutamaatin aineenvaihdunnassa).

Typpioksidin (NO) hallitseva osuus eksitotoksisuuteen (eli glutamaatin aineenvaihduntahäiriöön) riippuu lisääntyneestä superoksidi-ioni O2-tuotannosta, joka reagoi typpioksidin kanssa muodostaen peroksinitriitin (ONOO−) ja johtaa hermosolujen nekroosiin (kuolio) tai apoptoosiin (ohjattu solukuolema) sen pitoisuudesta riippuen.

Peroksinitriitti inaktivoi glutamaattikuljettimet astrosyytteissä vahingoittamalla suoraan myeliiniä, oligodendrosyyttejä ja aksoneja

Astrosyyttien kuljettajien vähentynyt glutamaatin saanti voi myös vaikuttaa epänormaaliin solunulkoisen glutamaattitasoon, joka on myrkyllistä oligodendrosyytteille, aksoneille ja neuroneille.

Eksitotoksisuus johtuu pääasiassa glutamaattireseptorien pitkäaikaisesta aktivoitumisesta ja massiivisesta Ca2+ -virtauksesta elinkelpoisiin hermosoluihin, mikä puolestaan johtaa muutoksiin mikrotubuluksissa ja neurofilamenttien fosforylaatiossa, ja aiheuttaa lopulta aksonin tukirangan hajoamiseen.

Astrosyytteillä on kaksoisrooli, joka ei ainoastaan edesauta aksonin rappeutumista, vaan myös luo sallivan ympäristön, joka edistää remyelinoitumista. Astrosyyttien todellinen vaikutus MS-taudin patogeneesiin ja tulehduksen korjaamiseen riippuu siis useista tekijöistä, kuten loukkaantumisen jälkeinen ajoitus, vaurion tyyppi ja ympäröivä mikroympäristö sekä vuorovaikutus muiden solutyyppien kanssa ja niiden aktivoitumiseen vaikuttavat tekijät.

Ionikanavien ja aksonivaurioiden uudelleenjakautuminen

Koska patologiset tulokset ja tulehdukseen liittyvien aksonien määrä korreloivat MS-taudin tulehdusasteen kanssa, suuri kiinnostus kohdistuu synnynnäisen immuunijärjestelmän vapauttamiin neurotoksisiin tuotteisiin, kuten makrofageihin, mikroglia-soluihin ja astrosyytteihin.

Mitokondriot ja mitokondrioiden DNA (mtDNA) ovat erittäin alttiita hapettumisvaurioille. ROS ja RNS aiheuttavat mitokondrioihin entsyymivajetta, joka voi olla joko palautuva tai peruuttamaton.

MS-taudissa aktiiviset leesiot osoittavat mitokondrioiden diffuusia vaurioitumista, mikä tekee energian puutteellisesta saannista tärkeimmän mekanismin toiminnallisten ja rakenteellisten oireiden taustalla.

Progressiivisessa MS-taudissa mitokondriovauriot ilmenevät harmaassa aineessa. Aivokuoren syvemmissä kerroksissa olevat hermosolujen soluelimet osoittavat sekä heikentynyttä mitokondrioiden aktiivisuutta hengitysketjukomplekseissa että muutoksia moottoriproteiineissa, jotka ovat vastuussa mitokondrioiden liikkumisesta solurungosta aksoneihin.

Aksonaalikuljetus on välttämätöntä hermosolujen terveydelle, ja se on osallisena erilaisissa hermostoa rappeuttavissa olosuhteissa. Mitokondrioita, kuten muita kalvorakenteita, kuljettaa aksonia pitkin kaksi suurta mikrotubuluspohjaisten molekyylimoottorien perhettä, kinesiiniperhe, joka välittää anterogradisen kuljetuksen pois solurungosta aksoniterminaaliin päin, ja sytoplasmallinen dyneiini, joka ajaa retrogradista liikettä distaalisesta aksonista kohti solurunkoa.

Progressiivista MS-tautia sairastavilla kinesiinin vähenemisen aiheuttamaa mitokondrioiden kuljetusvajetta esiintyy erityisesti ei-demyelinoidussa aivokuoressa. Tällaiset muutokset edeltävät rakenteellisia aksonivaurioita ja morfologisia muutoksia mitokondrioissa.

Etenevässä MS-taudissa syvempien aivokuorikerroksien neuroneissa esiintyy mitokondrioita, joissa on mtDNA-deleetioita, mikä viittaa solujen kiihtyneeseen ikääntymiseen

Deleetion taustalla on useimmiten kromosomin katkeaminen kahdesta eri kohdasta, jolloin irronnut pala häviää. Tämän seurauksena väistämättä myös osa perintöaineksesta eli geeneistä häviää, mikä aiheuttaa kehityshäiriöitä. Deleetion seurauksena vastinkromosomin resessiivisetkin alleelit tulevat näkyviin fenotyypissä.

Mitokondrioiden poikkeavuuksien seuraukset hermosolujen rungoissa ja aksoneissa ovat kaksinkertaiset.

Ensinnäkin mitokondrioiden toimintahäiriö johtaa energian puutteeseen, joka lievissä muodoissa aiheuttaa toiminnallisia häiriöitä ilman rakenteellisten vaurioita. Kuitenkin, kun vaurio ylittää tietyn kynnyksen, energian puute johtaa aksonin rappeutumiseen ja solukuolemaan.

Kun hermosysteemi on menettänyt varauksensa, se on kyvyttömämpi spontaaniin toipumiseen. Siten sen kyky toiminnalliseen parantumiseen on heikentynyt.

Toiseksi mitokondriovauriot vahvistavat oksidatiivista stressiä vapauttamalla happiradikaaleja, jotka syntyvät heikentyneen soluhengitysketjun toiminnan seurauksena, mikä luo kudoksen tuhoutumisen kierteen. Demyelinaation jälkeen seuraa tiettyjen Na+ -kanavien isoformien (Nav 1.1 ja Nav 1.6) uudelleenjakautuminen myymeloimattomalla segmentillä, mikä johtaa lisääntyneeseen natriumvirtaan.

Na+ -kanavien varhainen uudelleenjako MS-plakkien ja EAE:n valkeassa aineessa hajonneilla aksoneilla mahdollistaa toimintapotentiaalien jatkumisen MS-taudin kliinisen toiminnan palautumisen yhteydessä.

Nav 1.6 tuottaa pysyvän sähkövirran, joka on suurempi kuin Nav 1.2:n, on paikallistettu Na+ / Ca2+ -vaihtimen ja APP:n kanssa, mikä viittaa aksonin vaurioitumiseen. Nav 1.2 voi puolestaan edistää mukautuvaa toimintoa, jolla on rajallinen kyky ylläpitää toimintapotentiaalien korkeataajuista johtumista. Ne voivat myötävaikuttaa hitaaseen depolarisoitumiseen edistämällä ulkoisia polttomalleja demyelinaation jälkeen.

Mitokondrioiden hidas aksonaalinen kuljetus sekä mitokondrioiden vauriot voivat johtaa Na+ / K+ ATPaasipumpun vaurioitumiseen, mikä tuottaa pysyvän natriumvirran. Aksoplasmaan kertynyt Na+ korvataan Ca2+:lla Na+ / Ca2+ -vaihtimen käänteisen toiminnan kautta.

Lisääntynyt intraaksonaalinen Ca2+ aktivoi erilaisia katabolisia entsyymejä, mukaan lukien proteaasit, fosfolipaasit ja kalpaiinit, mikä lopulta johtaa solun tukirangan proteiinien progressiiviseen proteolyyttiseen hajoamiseen.

Solunsisäinen Ca2+: n kasvu johtaa mikrotubulusten ja neurofilamenttien (NF) fosforylaation muutoksiin, mikä aiheuttaa solun tukirangan (sytoskeletti) hajoamisen. Lisää vahingollista Ca2+:n kertymistä aksoneihin aiheutuu L- ja N-tyypin Ca2+ -kanavien sisäänvirtauksen kautta sekä vapautumalla solunsisäisistä varastoista aksoplasmisessa verkkokalvossa. Epänormaali Ca2+:n aksonaalinen kertyminen voi johtua myös glutamaattineurotoksisuudesta, joka muuttaa solunsisäistä Ca2+-homeostaasia aksonien AMPA / kainaatti- ja metabotrooppisten glutamaattireseptorien välittämän mekanismin kautta.

Na+ -kanavien lisäksi muilla ionikanavilla on rinnakkaisia adaptiivisia muutoksia tulehduksellisiin ärsykkeisiin: esim. muuttamalla niiden jakautumista hermosoluissa alkukompensoivana mekanismina johtokyvyn ja aksonin eheyden säilyttämiseksi.

Jänniteportoitujen Ca2+ -kanavien uudelleenjako, transienttipotentiaalireseptorit melastatiini 4 (TRPM4) ja happoa tuntevat ionikanavat 1 (ASIC1) aiheuttavat ylimääräistä Ca2+ -kuormitusta aiheuttaen edelleen vaurioita aksoneihin.

Neurofilamenttien epänormaalit kertymät ovat monien neurodegeneratiivisten häiriöiden patologinen tunnusmerkki

Neurofilamentit (NF) luokitellaan tyypin IV välituotesäikeiksi, joita esiintyy neuronien sytoplasmassa. Ne ovat proteiinipolymeerejä, joiden halkaisija on 10 nm ja pituus monta mikrometriä. Yhdessä mikrotubulusten (~ 25 nm) ja mikrofilamenttien (7 nm) kanssa ne muodostavat hermosolujen tukirangan (sytoskeletin).

Niiden uskotaan toimivan ensisijaisesti aksoneiden rakenteellisena tukena ja aksonin halkaisijan säätelijänä. Halkaisijaa vaikuttaa hermon johtumisnopeuteen. Neurofilamentteja muodostavat proteiinit ovat välifilamenttiproteiiniperheen jäseniä, joka on jaettu kuuteen tyyppiin niiden geenijärjestelyn ja proteiinirakenteen perusteella.

Tyypit I ja II ovat keratiinit, jotka ilmentyvät epiteelissä. Tyyppi III sisältää proteiinit vimentiini, desmiini, perifeeri ja gliaalifibrillaarihappoproteiini (GFAP). Tyyppi IV koostuu neurofilamenttiproteiineista L, M, H ja internexiinista. Tyyppi V koostuu ydinlaminoista ja tyyppi VI koostuu proteiinista nestiini. Tyypin IV välifilamenttigeeneillä kaikilla on kaksi ainutlaatuista intronia, joita ei löydy muista välifilamenttigeenisekvensseistä, mikä viittaa yhteiseen evoluutiolähteeseen yhdestä primitiivisestä tyypin IV geenistä.

Neurofilamentin kevyen (NfL), keskiraskaan- (NfM) ja raskaan ketjuproteiinin (NfH) alayksiköiden rooli neurodegeneraation ja aksonivaurioiden biomarkkereina kiinnostaa tutkijoita, koska ne ovat solun tukirangan eli sytoskeletin rakennustelineitä. Neurofilamenteilla on tärkeä rooli aksonin radiaaliselle kasvulle ja vakaudelle, mikä mahdollistaa hermon tehokkaan johtumisnopeuden sekä dendriittisen haarautumisen ja kasvun.

Neuroflamentteja esiintyy yksinomaan hermosoluissa. Niiden määrä saavuttaa epänormaalin tason aksonivaurioiden ja lopulta hermosolujen kuoleman seurauksena. Normaaleissa olosuhteissa neurofilamentit ovat erittäin vakaita aksonien sisällä ja niiden vaihtuvuus on vähäistä.

Aksonaalisia vaurioita aiheuttavat patologiset prosessit vapauttavat neurofilamentti-proteiineja selkäydinnesteeseen (CSF) ja perifeeriseen vereen vahingon laajuudesta riippuen

MS-taudin tutkimukset ovat osoittaneet että NfLn määrä selkäydinnesteessä liittyi taudin aktiivisuuden ja invaliditeetin asteeseen. Lisäksi NfL:n määrä selkäydinnesteessä laskee taudin modifiointiterapioiden seurauksena, mikä viittaa siihen, että NfL:ää voidaan käyttää terapian tehon seuraamiseen.

Lupaavista MS-tautiin liittyvistä kliinisistä löydöksistä huolimatta merkittävä este NfL-arvioinnin laajalle soveltamiselle MS-tutkimuksessa ja kliinisessä käytännössä on ollut selkäydinnesteen näytteenoton tarve, ongelma, joka on voitettu käyttämällä neljännen sukupolven immunomäärityksiä, jotka mahdollistavat seerumin NfL-tasojen arvioinnin.

Seerumin korkeat NfL-tasot korreloivat MS-taudin vakavuuden ja ivalidisoitumisen kassa. Lääkehoitoa saavilla potilailla on matalampi seerumin NfL-arvo kuin hoitamattomilla potilailla, mikä osoittaa, että muutos NfL-tasoissa on kertoo hoitovasteesta.

Potilailla, joiden seerumin NfL-tasot olivat korkeat jo taudin alussa, esiintyi huomattavasti enemmän aivojen ja selkäytimen atrofiaa 2 ja 5 vuoden seurannan aikana. Nämä havainnot osoittavat yhdessä, että seerumin NfL-tasot voivat olla hyödyllinen merkki aksonivaurioista, kun käytetään riittävää havainnointitekniikkaa.