The Evidence for Hypoperfusion as a
Factor in Multiple Sclerosis Lesion Development
1Department of Anatomy & Cell Biology,
University of Saskatchewan, Saskatoon, SK, S7N 5E5, Canada
2College of Medicine, Alfaisal University, Riyadh 11533, Saudi
Arabia
Received 7 November 2012; Revised 8
February 2013; Accepted 19 March 2013
Academic Editor:
Bianca Weinstock-Guttman
Copyright © 2013 Bernhard H. J.
Juurlink. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted use,
distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is
properly cited.
Abstrakt
.
Dowody, że
hipoksja jest czynnikiem strąceniowym w powstawaniu wczesnych zmian w MS
uwzględniając zwiększenie poziomu białek HIF1α (hypoxia-inducible factor-1α);
obecność białka D-110 hypoxia-inducible; zwiększenie ekspresji genów
indukujących hipoksję w miejscach objętych zmianą, jak również w przyległej
normalnie występującej istocie białej (NAWM); utrata glikoproteiny mieliny w
mielinie wczesnych zmian MS; 50% redukcja przepływu krwi przez NAWM z obszarów
o najniższym przepływie krwi posiadają najwyższe ryzyko rozwoju zmian. Dlaczego
podobne do MS zmiany w niektórych przypadkach rozwijają się w następstwie
obrażeń niedotlenienia, zaś w innych nie jest możliwa zależność od obecności
czynników immunologicznych predysponujących, które są regulowane genetycznie. Hipoperfuzja
może być odpowiedzialna za spadek zaopatrzenia tętniczego, ograniczenia żylnego
powrotu, bądź kombinacją obu. Istnieją trwające bądź planowane badania
kliniczne sprawdzające leczenie przewlekłej mózgowo-rdzeniowej niewydolności
żylnej (CCSVI) przez angioplastykę. Sądzę, że ważne jest, że badania kliniczne
skierowane na problem naczyniowy w MS powinny zbadać jak interwencja naczyniowa
wpływa na perfuzję w istotcie białej i określić czy stopień poprawy perfuzji i
utrzymanie tej poprawy jest związane z poprawą funkcjonowania i trwałością tej
poprawy. Uwaga powinna być również zwrócona na ewentualność problemów z
tętnicami odgrywające rolę w hipoperfuzji u niektórych chorych na MS.
1.
Wprowadzenie
Stwardnienie
rozsiane (MS) jest złożoną chorobą, w której zarazem czynniki środowiskowe i
genetyczne mają udział w rozwoju choroby. Większość aktualnych podejść
terapeutycznych w leczeniu MS opiera się na założeniu, że pierwotnym
zaburzeniem jest regulacja odporności. To, jakkolwiek, nie bierze pod uwagę, że
pierwszą rozpoznawalną cechą w MS jest przerwanie bariery krew-mózg (BBB)
oraz to, że także może wystąpić w
siatkówce, w miejscach niezawierających mielinę. Znaczne dowody zebrane przez
ostatnich kilka dekad sugerują, że agresja układu immunologicznego na mielinę
może być wtórna do uszkodzeń oligodendrocytów i jego związku z mieliną.
Pytaniem jest jaka przyczyna uszkadza oligodendrocyty? Ten artykuł przegląda
dowody sugerujące, że niedokrwienie
(ischemia) może być czynnikiem przyczynowym w uszkodzeniu oligodendrocytów i
mieliny, poprzez bezpośrednią agresję immunologiczną skierowaną w te struktury
u osób o określonym genotypie. To może wyjaśnić możliwość powiązania między
przewlekłą mózgowo-rdzeniową niewydolnością żylną (CCSVI) a MS. Znaczącą
kontrowersję wzbudza kwestia czy CCSVI jest czynnikiem predysponującym do
wystąpienia MS; niemniej jednak, ze względu na zapotrzebowanie pacjentów, istnieje
wiele badań klinicznych, trwających lub planowanych z udziałem żylnej angioplastyki,
jako metody leczenia MS. Jeśli niedotlenienie (hipoksja) gra rolę w wspieraniu
rozwoju zmian w MS, wówczas uwagę należy zwrócić na przepływ (perfuzję) w
istocie białej jako efekt leczenia, a także czy poprawa w perfuzji jest
skorelowane z poprawą w funkcjonowaniu.
2.
Modele
zmian w stwardnieniu rozsianym.
Lucchinetti i
współpracownicy sklasyfikowali zmiany w MS w czterech odmiennych modelach.
Model I i II pokazuje typowe okołonaczyniowe zmiany demielinizacyjne z
aktywowanymi makrofagami i zaangażowanymi limfocytami. Model III charakteryzuje
dalszą dystrofię (zanik) oligodendrocytów z utratą glikoproteiny mieliny (MAG)
oraz apoptozą (śmierć komórek) oligodendrocytów, a także demielinizacja nie
jest skupiona na naczyniach krwionośnych objętych stanem zapalnym. Model IV
przedstawia zmiany wyłącznie w pierwotnie progresywnym stwardnieniu rozsianym
(ppMS), a zmiany przypominają zawarte w modelu I i II. Autorzy sugerują, że
modele mogą reprezentować cztery odmienne subgrupy MS albo odmienne fazy
choroby. Druga interpretacja jest prawdopodobnie właściwa. Barnett i Prineas
przeprowadzili serię badań we wczesnych zmianach MS i wywnioskowali, że model
III charakteryzuje wczesne zmiany, gdzie widać pierwotną utratę mieliny przy
niewielkim bądź nieobecnym nacieku komórek T i B, natomiast w późniejszych
zmianach zauważa się czynną demielinizację, aktywowane makrofagi oraz liczne
komórki odpornościowe. Badania Breij et al. stwierdza, że model II
charakteryzuje czynne zmiany demielinizacyjne. Pozostała dyskusja jest oparta
na interpretacji modelu III MS charakteryzujący wczesne zmiany.
3.
Dowody
na niedotlenienie we wczesnych zmianach stwardnienia rozsianego.
Przejawem
uszkodzenia ośrodkowego układu nerwowego (OUN) jest utrata glikoproteiny
mieliny (MAG) z środkowej otoczki mielinowej we wczesnych zmianach i przyległej
pozornie normalnie występującej istoty białej (normal appearing white matter –
NAWM) u chorych na MS [12]. Ubytek MAG widoczny po uszkodzeniach wynikających z
niedokrwienia jak udar [12], sugeruje że niedokrwienie jest czynnikiem
przyczynowym degeneracji MAG. Strata MAG we wczesnych zmianach MS i okolicznej
istoty białej, jak również następujący po udarze, jest równoczesny z obecnością
jądrowego czynnika indukcji hipoksji (hypoxia-inducible factor-1α [HIF1α]) [12]. Poziom białka HIF1α wzrasta
wraz ze spadkiem prężności tlenu [13], stąd sugestia, że ubytek MAG może być
bezpośrednio związana z niedotlenieniem. HIF1α rozpoznawane przez monoklonalne
przeciwciało D-110 jest również widoczny w modelu III, a także przyległej NAWM
[14,15]. Przy wzroście białka HIF1α, wzrasta obecność HIF1β, który przemieszcza
się do jądra, gdzie heterodimer wiąże się z elementami promotora indukowanej
hipoksji wspierających ekspresję genów indukowanej hipoksji, takich jak czynnik
komórek śródbłonka naczyniowego[16]. Zwiększony poziom transkrypcji dla wzbudzonych
genów HIF1, takich jak transporter-3 glukozy (GLUT-3), jak również czynnika
wzrostu śródbłonka naczyniowego (VEGF) oraz jego receptor-1 są widoczne w NAWM
sąsiadujących ze zmianami MS. Również zgodny z hipoksją jest wzrost gęstości
krwi i wzrost proliferacji komórek śródbłonka widoczne w NAWM chorych na MS
[18].
Zmiany redoks
związane z hipoksją mogą powodować stres
siateczki wewnątrzplazmatycznej (ER) [19]. Białka stresu ER takie jak
homologiczne białko C/EPB i białko regulujące glukozę ([glucose-regulated
protein-78] znane jako BiP) są zauważane w pierwotnych zmianach
demielinizacyjnych jak również w okolicznej niezmienionej istocie białej
[15,20]. Wreszcie, hipoksja również zwiększa przepuszczalność, prawdopodobnie w
odpowiedzi na VEGF, i powodując ekspresję genów prozapalnych śródbłonka [22],
prawdopodobnie poprzez aktywację jądrowego czynnika kappa B (NFкB), w ten
sposób wzmacniając ekspresję genów prozapalnych [16]. To sugeruje możliwość, że
hipoksja może być odpowiedzią na zmiany w BBB widziane w MS. Ekspresja białek
stresu ER (siateczki wewnątrzplazmatycznej) i zmiany w BBB (bariera krew-mózg)
nie są konieczne do indukcji hipoksji, ale są w pełni zgodne z wystąpieniem
hipoksji. Ponadto, badania na szczurach wykazały, że redukcja w przepływie krwi
do półkul mózgowia o 50% doprowadziło w istocie białej do oszczędzenia aksonów.
Oligodendrocyty są znane ze szczególnej wrażliwości na efekty niedokrwienia
[24,25]. Niedawne badania na myszach wykazały, że nawet delikatna przewlekła
hipoperfuzja (redukcja przepływu krwi o 15%-25%) doprowadza do zakłócenia
integralności aksonu z mieliną z nieprawidłowym rozmieszczeniem MAG, jak
również nadmiernej aktywności genów prozapalnych [26].
Główne
szkodliwe efekty hipoksji występują ze względu na niezdolność do syntezy
wystarczającej ilości ATP (nośniki energii komórkowej) warunkujące
funkcjonowanie komórki. Stys i Trapp [27,28] zaproponowali, że hipoksja z
podobnymi uszkodzeniami w zmianach MS jest właściwa dla stanu „wirtualnej”
hipoksji. „Wirtualną” hipoksją jest deficyt energii wynikający ze zwiększenia
wymaganej energii sprzężonej z osłabieniem zdolności mitochondriów do syntezy
ATP. Tak więc, można mieć „wirtualną” hipoksję przy obecności tlenu. Jednakże,
stan „wirtualnej” hipoksji może przyczynić się do uszkodzenia, szczególnie
aksonów, w zmianach MS, zaś nie może odpowiadać za zwiększenie poziomu białka
HIF1α i skojarzony wzrost ekspresji genów indukujących HIF1. HIF1α jest ciągle
syntetyzowany i przy normalnej prężności tlenu dwie resztki proliny wewnątrz
domeny rozpadającej się w zależności od tlenu są hydrolizowane przez hydrolazę
prolinową. Zhydrolizowane resztki proliny oddziałują z supresorem nowotworu
Hippel-Lindau umożliwiając poliubikwitynację i późniejszą jego (HIF1α ) degradację
przez kompleks proteasomów (26S). Jak poziom tlenu staje się niższy, hydrolaza
resztek proliny staje się mniej aktywna i wzrasta okres półtrwania HIF1α
umożliwiając jego heterodimeryzację z HIF1β, tak więc pozwala na translokację
heterodimeru do jądra, gdzie wiąże się z elementami indukcji hipoksji. A zatem,
„wirtualna” hipoksja nie może odpowiadać za zwiększenie poziomu białka HIF1α
widzianego w i naokoło zmian w MS, ani przeciwciała D-110.
Wszystkie
dotychczasowe dowody, mimo bycia pośrednimi, jest zgodna z hipotezą, że
hipoksja, a nie tylko „wirtualna” hipoksja, grają przyczynową rolę we wczesnych
zmianach stwardnienia rozsianego. Czy istnieje bezpośredni dowód? Wiele badań,
z wykorzystaniem rezonansu magnetycznego, dowiodło obniżenie o 50% lub więcej,
przepływu krwi przez NAWM u chorych na MS [29-34]. Dodatkowo,
prawdopodobieństwo rozwoju zmian typowych dla MS jest większy w NAWM z najniższym
wskaźnikiem perfuzji [34]. Można twierdzić, że w stwardnieniu rozsianym,
obszerne obszary istoty białej mogą nie funkcjonować normalnie, w ten sposób
odpowiadając za redukcję przepływu krwi. Istotnie, przegląd naczyniowego
aspektu MS przez De Keyser i współpracowników [35] oraz D’haeseleer i
współpracowników [36] przedstawiają dowody na dysfunkcję astrocytów, które mogą
odpowiadać za redukcję przepływu krwi, a zatem odpowiadać za hipoperfuzję.
Astrocyty grają ważną rolę w regulacji przepływu krwi mózgowej [37], i to jest
możliwe, że dysfunkcja astrocytów może powodować hipoperfuzję wystarczająco
dotkliwą by spowodować hipoksję. Saindane i współpracownicy w badaniach MRI
chorych na rzutowo-remisyjną postać stwardnienia rozsianego (rrMS) i grupy
kontrolnej wywnioskowali, w oparciu o korelację między spadkiem perfuzji w
istocie białej a spadkiem średniej dyfuzji bez zmian we frakcyjnej anizotropii
(wskazujący na brak zmian strukturalnych), że redukcja przepływu krwi w NAWM
jest pierwotnym zjawiskiem i nie zależy od spadku metabolizmu tkanki [38]. To
jest możliwe, jakkolwiek, że osłabienie funkcji astrocytów w regulacji
przepływu krwi niekoniecznie potrzebuje obecności zmian strukturalnych, które
mogą być zauważone przy użyciu MRI.
4.
Możliwe
mechanizmy zaangażowane w zapoczątkowanie rozwoju zmian w MS.
Teraz
posiadamy dostateczne dowody, że hipoksja i hipoperfuzja są związane z
wczesnymi zmianami i NAWM u chorych na MS. Głównym pytaniem jest czy to jest
część konsekwencji rozwoju zmian w MS czy raczej czynnikiem przyczynowym dla
rozwoju tych zmian. Jedno można sobie wyobrazić, że rozwój zmian poprzedzone
jest przez osłabienie przepływu krwi przez istotę białą. Osłabienie (perfuzji)
może być odpowiedzialne za ograniczenie powrotu żylnego, zmniejszenie
zaopatrzenia tętniczego, czy też kombinacją obu czynników. Gdy przepływ jest znacząco
ograniczony, powoduje to: (1) wzrost poziomu HIF1α i aktywację ekspresji NFкB
prowadzący do ekspresji genów indukujących hipoksję i prozapalnych w komórkach
śródbłonka i nerwowych; (2) przerwanie bariery krew-mózg pośredniczy częściowo
przy ekspresji indukowanego hipoksją czynnika wzrostu komórek śródbłonka
naczyniowego; (3) aktywacji mikrogleju i astrocytów; (4) uszkodzeniu
oligodendrocytów i tak dalej, o czym świadczy utrata MAG i późniejsza apoptoza.
Zmiany mogą pojawić się w nieobecności znacząco zaangażowanych leukocytów, co
dowodzi model III zmian. Chemokiny i cytokiny prozapalne są wydzielane przez
komórki śródbłonka i gleju aktywując i przyciągając komórki odpornościowe do
miejsca postępującej zmiany, natomiast komórki postkapilarnych venul wydzielają
molekuły adhezyjne (selektyny i integryny), pozwalając leukocytom przenikać do
miejsc zmian w początkowym stadium, gdzie napotykają produkty rozpadu mieliny,
powodując bezpośrednią agresję immunologiczną. Istnieje możliwy problem w tym
schemacie, mianowicie hipoperfuzja i późniejsze uszkodzenie
oligodendrocytów/mieliny i ekspresja genów prozapalnych w miejscu dotkniętym postępującym
udarem nie powodują agresji immunologicznej na mielinę podobnie jak w
stwardnieniu rozsianym. Jaśniej, jest to predyspozycja immunologiczna do
rozwoju MS, jak wskazano, której
większość wariantów genów zwiększają prawdopodobieństwo rozwoju stwardnienia
rozsianego immunologicznie zależnego [39, 40].
5.
Badania
kliniczne leczenia przewlekłej mózgowo-rdzeniowej niewydolności żylnej (CCSVI).
Zamboni i współpracownicy donoszą, przy użyciu
przezczaszkowej ultrasonografii Dopplerowskiej, że znaczący odsetek osób
chorych na remitująco-nawracające i postępujące stwardnienie rozsiane posiadają
zredukowany powrót żylny w żyle środkowej głębokiej mózgu z oznaką refluksu
[6]. Później, gdzie badanie Dopplerowskie zostało uzupełnione w selektywną
wenografię i grupę kontrolną również włączającą pacjentów chorych na inne
choroby neurologiczne, wykazali, że 71% chorych na MS posiadało refluks bądź w
żyle szyjnej wewnętrznej lub żyle kręgowej, zaś 61% posiadało refluks w jednej
z żył głębokich mózgu, u 86% pacjentów obecne było zwężenie gdzieś wzdłuż żyły
nieparzystej (azygos) i 37% pacjentów posiadało zwężenia w jednym bądź w obu
proksymalnych (część bliższa czaszki) żyłach wewnętrznych szyi [41]. Stan
oznaczony został jako CCSVI. To było po zbadaniu manuskryptu bezpieczeństwa
angioplastyki na zwężonych żyłach u chorych na MS i kliniczne polepszenia po
angioplastyce. CCSVI powinno zwiększać pokapilarne ciśnienie żylne i zmniejszyć
perfuzję przez naczynia włosowate w wyniku hipoksemii (zmniejszenie dyfuzji
tlenu).
Większość
badań nad CCSVI są publikowane przez klinikę Zamboniego, jak również inne
kliniki. Wiele tych badań może nie udowadniać zwiększonego występowania CCSVI w
MS, na przykład, studium prowadzone przez zespół Baracchini [43], tymczasem
inne badania stwierdzały nader zwiększone występowanie CCSVI u chorych na MS
[44]. Różnice w rezultatach między różnymi badaniami można wyjaśnić zmiennymi
umiejętnościami w wykrywaniu CCSVI.
Czy CCSVI gra
rolę w MS czy też nie ciągle jest kontrowersyjne; jakkolwiek, istnieje szereg
badań klinicznych będących w toku lub planowanych, które mają sprawdzić czy angioplastyka
u chorych na MS z CCSVI jest efektywna – widać na NIH Clinical Trials Regisrty.
Jeśli próby nie będą prawidłowo przeprowadzane, wszystkie informacje, które są
wartościowe dla zrozumienia stwardnienia rozsianego mogą zostać nie
zgromadzone. To co będzie krytykowane w takich badaniach jest umiejętność
odpowiedniej diagnozy CCSVI. Badania Dopplerowskie są bardzo zależne od
operatora i ewentualne wytłumaczanie sporych różnic w występowaniu CCSVI widzi się
wśród wielorakich badań. Być może protokół MRI użyty w niedawnych badaniach
zespołu Haacke [45], który uwzględniał coronal 3D time-resolved contrast
enhanced MR arteriovenography, następnie poprzeczną wenografię przepływu w
czasie rzeczywistym ( time-of-flight venography) i obrazowanie MR kontrastem
fazowym 2D (2D phase contrast MR scan) dla kwantyfikacji (określenie wielkości)
przepływów, powinien być stosowany do diagnozowania CCSVI.
Niepotwierdzone
(subiektywne?) dowody od pacjentów, sugerują że angioplastyka usprawnia funkcjonowanie
u części pacjentów i może nasilić objawy u bardzo małej liczbie chorych. Te
obserwacje są wspierane przez nie zrandomizowane, nie zaślepione, i bez próby
placebo badanie angioplastyki u chorych na MS, gdzie miesiąc po leczeniu, 68%
miało polepszenia używając Multiple Sclerosis Impact Scale-29 (MSIS-29) w
ocenie fizycznej, podczas gdy 6% miało pogorszenia [46]. Jeśli dokładne
kontrolowanie zaślepione, z grupą placebo badanie kliniczne wykaże, że wystąpi
znaczące polepszenie funkcjonowania u chorych lub u części chorych, wówczas
stanie się bardzo ważne określenie czy stopień polepszenia funkcjonowania
koreluje ze lepszą perfuzją. Jeśli badania kliniczne wykażą, że stopień odzyskiwania funkcjonowania
następujący po angioplastyce u chorych na CCSVI jest bezpośrednio związany z
przywróceniem właściwej perfuzji w istocie białej, wówczas refleksja powinna
być zwrócona ku usprawnieniu perfuzji u chorych na MS, u których nie ujawniają
się cechy charakterystyczne dla CCSVI, gdzie problem perfuzji może być związany
z zaburzeniami tętniczymi.
6.
Uwagi
końcowe.
Dominujący paradygmat w ostatnich
dekadach na istotę MS opierał się na jego autoimmunologicznym charakterze z
pierwotnie występującym problemem dysfunkcji immunologicznej. Silnie to
potwierdzały eksperymenty na modelu zwierzęcym z alergią na mielinę mózgową
(EAE). Terapie dla MS głównie są skierowane wobec modulacji odporności
(immunomodulacja) [47]. Immunoterapia Interferonem beta-1 jest jednym z
najstarszych terapii immunomodulujących. Aczkolwiek podawanie interferony beta
chorym na MS powoduje zmniejszenie zmian wykrywanych przez MRI i mniej nawrotów
choroby, terapia interferonem beta-1 nie jest efektywne przy progresywnym
kalectwie, ani w rzutująco-nawracającym MS (remitting-relapsing MS) [48]. Mimo
tego, wielu badaczom i klinik przychodzi ciężko rozważyć ewentualność, że
odpowiedź odpornościowa organizmu widziana w MS mogłaby być wtórną do jakieś
zmiany w ośrodkowym układzie nerwowym (OUN).
Aż do publikacji Dr. Zamboniego o
związku między CCSVI a MS, większość badaczy przez kilka ostatnich dekad, jak
wspomniano wcześniej, pojmowało MS jako chorobę autoimmunologiczną i posiadali
niewielką wiedzę na temat historycznego podejścia badań do MS uwzględniających
unaczynienie, szczególnie żył, w postępujących zmianach (lesion development) widzianych
w przeglądzie (review) Dr. Haacke [50]. To, że zatykanie żył może odgrywać rolę
w zmianach MS, zostało po raz pierwszy zaproponowane przez Putnam’a, który
wykazał, że zatkanie żył u psów doprowadziło do powstania zmian podobnych dla
MS [51]. Ponadto, pierwotne uwikłanie żylne w postępie MS nie jest nowym
pomysłem.
Jak określono w tym artykule,
istnieją wystarczające dowody na to, że hipoksja jest związana z III modelem
zmian. Czy hipoksja jest konsekwencją procesu chorobowego czy odkrywa
przyczynową rolę jest jeszcze ustalana, ale wyobrażalne, że hipoksja może
odgrywać przyczynową rolę. Rozsądna interpretacja III modelu zmian jest taka,
że są to wczesne zmiany. Hipoksja może wyjaśniać (być odpowiedzialna za…) przerwanie
bariery krew-mózg i inicjować uszkodzenie oligodendrocytów/mieliny (razem
tworzą otoczki aksonalne, oligodendrocyty zewnętrzną, mielina wewnętrzną,
rdzenną). W NAWM (normalnie występująca istota biała) u chorych na MS wykazano
znacznie mniejszy przepływ krwi, a tym samym może wystąpić pewien stopień
hipoksji, której wyjaśnienie znajduję się również w zwiększonej ekspresji genów
indukujących hipoksję. To, że III model zmian nie jest okołonaczyniowy, podczas
gdy dobrze ugruntowane zmiany są okołonaczyniowe, prawdopodobnie wyjaśniony
jest przez fakt, że komórki odpornościowe migrują z krwi do parenchymy (zrębu
mózgu) przez pokapilarne venule, gdzie następnie napotykają zniszczoną mielinę,
powodując reakcję immunologiczną wynikającą z utworzenia bezpośrednich
okołonaczyniowych zmian demielinizacyjnych. Dowody są wystarczające by poważnie
zastanowić się nad możliwością, że hipoperfuzja jest czynnikiem poprzedzającym
zmiany w stwardnieniu rozsianym i należy zbadać czy ulepszenie perfuzji w
istocie białej związane jest z polepszeniem efektów funkcjonowania.
7.
Podziękowania
The author thanks the organizers of the
National CCSVI Society’s “New Discoveries: New Beginnings” conference held on
September 10, 2011, in Sidney, BC, Canada, for their invitation to participate.
He had not thought in any depth on multiple sclerosis for some time, and at
this meeting he became aware of the extensive clinical research indicating
hypoperfusion in normal-appearing white matter of multiple sclerosis patients.
This has caused him to reflect again on multiple sclerosis and CNS perfusion. He
has no conflict of interests to declare.
