Νευροεκφύλιση και κυτταρικός θάνατος σε πειραματικό μοντέλο τραυματικής κάκωσης του εγκεφάλου

Abstract

The leading cause of death until the age of 45 is traumatic brain injury (TBI) and its complications. This study aimed in the investigation, in several time points within the initial period of 14 days, of the mechanisms activated post TBI induced by use of the experimental model of drop weight injury (DWI) in mice. The experiments were performed on 23 C57/ Black6 mice, 21 (n=21) of which were subjected to moderate or severe injury (NSS ≥ 6). Two mice (n=2), which were not traumatized, consisted the sham group. Animals were humanly euthanized at 4 hours and at 1, 2, 3, 4, 7 and 14 days post-TBI. Each of the seven time-point groups consisted of three randomly chosen mice, while the sham ones, were sacrificed on day 2 and day 14. Histochemistry, immunohistochemistry, immunofluorescence and double immunofluorescence was performed for the identification of dying neurons (NeuN), neurodegeneration (FJB), acute axonal injury (APP), inflammation (Mac-3), reactive astrocytosis (GFAP), neuroregeneration (GAP-43), IGF activation, apoptosis (casp-3), autophagy (beclin-1) and necrosis with use of Hematoxyline-Eosin staining. Τhe microscopic study of sections included the whole hemisphere bilaterally. Neuronal loss started immediately post-TBI and evolved gradually until 14 days. Neurodegeneration and neuroregeneration were identified bilaterally on traumatized and sham mice, evolved in a parallel manner and their impact was greater on the ipsilateral hemisphere. Acute axonal injury and inflammation were activated only ipsilaterally, while astrocytes on the same hemisphere exhibited a temporary decrease in their population at 4hours. Astrocytosis was recorded thereafter bilaterally and its kinetics was synchronized or followed that of neurodegeneration. IGF activation was recorded only ipsilaterally, was delayed and lasted significantly less compared to the general neuroregeneration activity, while its kinetics largely concurred with that of inflammation and astrogliosis. The decline of IGF coincided with the activation of apoptosis in accordance to the inhibition of apoptosis, that has been attributed to IGF. Apoptosis on the other hand was activated on the 4th day post–TBI and was affecting neurons and macrophages on both hemispheres, but not astrocytes. Autophagy as well affected the same cells bilaterally and was initiated with an abrupt increase on day 3, which simultaneously represented its peak. The comparison between these two types of programmed cell death showed that more cells underwent autophagy than apoptosis. Necrosis was the only phenomenon, which was equally evident bilaterally and its kinetics presented with a biphasic peak on 48 hours and two weeks post-TBI, while in the medieval it was decreased. By use of the DWI model in mice we have shown that TBI provokes the induction of a wide variety of phenomena, which together represent as a whole an endogenous neuroprotective response of the brain against traumatic insults. The post-TBI upregulation of neuronal loss, neurodegeneration, acute axonal injury, inflammation, astrocytosis, neuroregeneration, IGF activation, apoptotic, autophagic and necrotic cell death was documented. Albeit widely heterogeneous, these mechanisms operate in synchronicity and possibly in cross talk with each other thereby signaling both tissue loss and protection, repair, remodeling, regeneration and plasticity efforts.

Η τραυματική κάκωση του εγκεφάλου (ΤΚΕ) αποτελεί τη συχνότερη αιτία θανάτου στις ηλικίες ≤45 ετών. Η εργασία αυτή σκόπευε στη μελέτη, σε πολλά χρονικά σημεία εντός των πρώτων 14 ημερών, των μηχανισμών νευροεκφύλισης και κυτταρικού θανάτου, που ενεργοποιούνται μετά από ΤΚΕ που προκλήθηκε με χρήση του μοντέλου της κάκωσης διά πτώσης βάρους (ΚΠΒ) σε μυς. Είκοσι-ένας (n=21) μύες της φυλής C57/Black6 mice υποβλήθηκαν σε πειραματική ΤΚΕ, που τους προκάλεσε μέτριας και μεγάλης βαρύτητας βλάβη (NSS ≥ 6) και αποτέλεσαν την ομάδα της ΤΚΕ. Δύο (n=2) μύες αποτέλεσαν την ομάδα ελέγχου (μάρτυρες), η οποία δεν υποβλήθηκε σε ΤΚΕ. Ακολούθησε η θυσία των μυών στις 4 ώρες, 1, 2, 3, 4, 7 και 14 ημέρες μετατραυματικά και ο τυχαιοποιημένος διαχωρισμός τους σε εφτά ομάδες των τριών. Οι μύες της ομάδας ελέγχου θυσιάστηκαν στις 2 και 14 ημέρες. Κατόπιν πραγματοποιήθηκαν ιστοχημικές, ανοσοϊστοχημικές και απλός ή διπλός ανοσοφθορισμός των τομών. Αναγνωρίστηκαν νευρωνική απώλεια μέσω της NeuN, νευροεκφύλιση μέσω της FJB, οξεία αξονική κάκωση μέσω της APP, φλεγμονή μέσω των μακροφάγων (Mac-3), αντιδραστική αστροκυττάρωση μέσω της GFAP, νευραναγέννηση μέσω της GAP–43, μηχανισμοί επιδιόρθωσης μέσω ενεργοποίησης του IGF, απόπτωση μέσω της caspase–3, αυτοφαγία μέσω της beclin–1 και νέκρωση με χρώση Αιματοξυλίνης–Εωσίνης. Η μικροσκοπική μελέτη της κινητικής των φαινομένων περιελάμβανε και τα δύο ημισφαίρια καθ΄ ολοκληρίαν. Παρατηρήθηκε ότι η νευρωνική απώλεια ξεκίνησε άμεσα μετά την ΤΚΕ και έβαινε προοδευτικά μέχρι τη 14η ημέρα. Η νευροεκφύλιση και η νευραναγέννηση παρατηρήθηκαν και στα πειραματόζωα-μάρτυρες. Στους μυς με ΤΚΕ νευροεκφύλιση και νευραναγέννηση ανιχνεύθηκαν αμφοτερόπλευρα, έβαιναν παράλληλα, ενώ η βαρύτητά τους ήταν μεγαλύτερη στο ημισφαίριο ομόπλευρα της κάκωσης. Η οξεία αξονική κάκωση και η φλεγμονή κινητοποιήθηκαν μόνο ομόπλευρα, όπου τα αστροκύτταρα στις 4 ώρες κατέγραψαν παροδική απώλεια. Ακολούθησε αύξηση της αστροκυττάρωσης αμφοτερόπλευρα, ενώ η κινητική της ακολούθησε ή συγχρονίστηκε με αυτήν της νευροεκφύλισης. Η ενεργοποίηση του IGF ήταν μόνο ομόπλευρη, σημειώθηκε πιο καθυστερημένα σε σχέση με τη νευραναγεννητική δραστηριότητα και ήταν σημαντικά βραχύτερης διάρκειας, ενώ η κινητική του εν πολλοίς ταυτίστηκε με την κινητική της φλεγμονής και της αστροκυττάρωσης. Η έναρξη της πτωτικής τάσης του IGF από την 4η ημέρα συνέπεσε με την ενεργοποίηση της απόπτωσης, ενδεικτικό της αντιαποπτωτικής του δράσης. Η απόπτωση ενεργοποιήθηκε την 4η ημέρα, ενώ η αυτοφαγία ξεκίνησε με εξεσημασμένη αύξηση και κορύφωση την 3η ημέρα. Και τα δύο φαινόμενα παρατηρήθηκαν αμφοτερόπλευρα στους νευρώνες και στα μακροφάγα, αλλά όχι στα αστροκύτταρα. Η σύγκριση μεταξύ των δύο φαινομένων ανέδειξε ότι περισσότερα κύτταρα υπόκειντο σε αυτοφαγία παρά σε απόπτωση. Η νέκρωση ήταν το μοναδικό φαινόμενο με ομότιμη βαρύτητα αμφοτερόπλευρα και παρουσίασε διφασική κορύφωση στις 48 ώρες και στις 14 ημέρες. Με χρήση του μοντέλου ΚΠΒ καταδείχθηκε ότι η ΤΚΕ προκαλεί την επαγωγή κυτταρικών και υποκυτταρικών φαινομένων, που συνιστούν μία ενδογενή νευροπροστατευτική-νευραναγεννητική αντίδραση αμφοτερόπλευρα. Παρατηρήθηκε επαγωγή νευρωνικής απώλειας, νευροεκφύλισης, οξείας αξονικής κάκωσης, φλεγμονής, αντιδραστικής αστροκυττάρωσης, νευραναγέννησης, ενεργοποίησης του IGF, απόπτωσης, αυτοφαγίας και νέκρωσης. Παρά τη μεγάλη ετερογένεια των ανωτέρω φαινομένων, διαπιστώθηκε συγχρονικότητα μεταξύ τους ενδεικτική ενδεχόμενης συνέργειας μεταξύ τους και πιθανώς κοινών βιοχημικών οδών.