Dowody - niedokrwienie jako czynniki rozwoju zmian w stwardnieniu rozsianym

The Evidence for Hypoperfusion as a Factor in Multiple Sclerosis Lesion Development

Bernhard H. J. Juurlink^1,2

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.

Źródło: http://www.hindawi.com/journals/msi/2013/598093/