Αξιολόγηση της επίδρασης παραγόντων καταπόνησης στη φυσιολογική λειτουργία του ισχιακού νεύρου των σπονδυλωτών

Abstract

The peripheral nervous system (PNS) is the part of the nervous system that can undergo various types of stresses. Contrast to the central nervous system (CNS), the PNS is vulnerable and easily accessible to the various stress factors. The effects of PNS can be either chemical or mechanical and can be made through direct or indirect contact with the agent that causes stress. The effects on the PNS can have as objectives structural and functional components of the nerve fibres. This work focused on the study of various chemical and mechanical stress factors on electrophysiological properties of sciatic nerve of vertebrates. The study of chemical factors included local anaesthetics, anticancer drugs, insecticides, naturally produced toxins and neurotransmitters while the study of the mechanical stresses included: the expansion of nerve and its the regeneration.The report of the sciatic nerve from chemically produced local anaesthetics showed that the local anaesthetics reversible influence the compound action potential (CAP) through their action on the voltage-gated sodium channels (VGNaCs). Similar action had and linalool, a naturally derived chemical, which has demonstrated to have local anaesthetic properties compared to lidocaine and acting through deactivation of VGNaCs. Effects on voltage gated potassium channels (VGKCs) had oxaliplatin, a widely used anticancer drug, which presented a significant action in the CAP waveform with the appearance of secondary depolarizations. In contrast, another anticancer product was studied versus the oxaliplatin. It had no significant effects and only the CAP amplitude has been affected without presenting any changes in the CAP waveform. In addition, the insecticide rotenone was found to causes a reduction in the CAP amplitude and this was not connected with the production of free radicals or change in the structure of the microtubule system observed after exposure of the sciatic nerve to rotenone. Palytoxin, a naturally produced toxin caused reduction of CAP amplitude in significant low concentrations (nM) through the action on the Νa+/K+-ATPase- and the increase in the resting membrane action potential of the nerve fibres. In comparison, naturally produced palytoxin analogs were studied which again resulted in a reduction of CAP amplitude. Quantification of their action was also made. Also the action of γ-aminobutiric acid (GABA), a neurotransmitter of CNS, in the PNS was studied. GABA caused a reduction in the CAP amplitude which was reversed after pre-incubation of sciatic nerve with picrotoxin, an antagonist of GABA receptors. Further study clarifying how the GABA causes the reduction of CAP amplitude using intracellular recordings showed that GABA causes increase of the membrane action potential and therefore causing a decrease of the action potential of nerve fibre. Finally, in the context of chemical stress the role of the perineurium on the entrance of various chemical compounds in nerve fibers was also studied. The results showed that the perineurium is a type of selective barrier for the various compounds entering the nerve fibers. As mentioned two cases mechanical stress were studied: nerve expansion and nerve regeneration. The expansion of nerve showed that there are elastic components in nerve fibres capable of absorbing the forces acting on it up to a point where a gradual disruption begins. An increase of the expansion force applied to the nerve fibres caused a change to the electrophysiological parameters that were restored after the end of the expansion. Finally, the regeneration of sciatic nerve was studied after section and suturing of the nerve. The results showed that the nerve is capable to be functional after 6 months while after 3 months of regeneration the function of the regenerated nerve is oxygenate dependent. There were differences in the innervation pattern of the sciatic nerve branches after the operation indicated by the differences observed at the values of conduction velocity and the percentage that the branches represent. Combination of the two mechanical stresses showed that regenerated nerve has the ability to maintain its flexibility and to behave in a similar manner to the control.The results of this work give information on how different factors affect the PNS leading to neuropathy.

Το περιφερικό νευρικό σύστημα (ΠΝΣ) είναι το τμήμα του νευρικού συστήματος το οποίο μπορεί να υποστεί ευκολότερα διαφόρων τύπων καταπονήσεις. Σε αντίθεση με το κεντρικό νευρικό σύστημα το ΠΝΣ είναι πιο ευάλωτο και πιο εύκολα προσβάσιμο στους διάφορους παράγοντες καταπόνησης. Οι καταπονήσεις του ΠΝΣ μπορεί να είναι είτε χημικές είτε μηχανικές και μπορεί να προέλθουν διαμέσου άμεσης ή έμμεσης επαφής με τον παράγοντα που προκαλεί την καταπόνηση. Οι καταπονήσεις του ΠΝΣ μπορεί να έχουν ως στόχους δομικά και λειτουργικά στοιχεία των νευρικών ινών. Η παρούσα εργασία εστίασε στη μελέτη διαφόρων χημικών και μηχανικών παραγόντων καταπόνησης στις ηλεκτροφυσιολογικές ιδιότητες του ισχιακού νεύρου σπονδυλωτών.Η μελέτη των χημικών καταπονήσεων περιλάμβανε τοπικά αναισθητικά, αντικαρκινικά φάρμακα, εντομοκτόνα, φυσικά παραγόμενες τοξίνες και νευροδιαβιβαστές και η μελέτη των μηχανικών καταπονήσεων περιλάμβανε τη διάταση και την αναγέννηση του νεύρου. Η έκθεση του ισχιακού νεύρου σε χημικά παραγόμενα τοπικά αναισθητικά έδειξε ότι τα τοπικά αναισθητικά επιδρούν με αναστρέψιμο τρόπο στο σύνθετο δυναμικό ενέργειας (ΣΔΕ) μέσω της δράσης τους στα τασεοελεγχόμενα κανάλια νατρίου (ΤΕΚΝa). Παραπλήσια δράση είχε και η λιναλόλη, μια φυσικά παραγόμενη ένωση, η οποία όπως αποδείχθηκε έχει ιδιότητες τοπικού αναισθητικού συγκρινόμενη με τη λιδοκαΐνη δρώντας κι αυτή μέσω της απενεργοποίησης των ΤΕΚΝa. Δράση στα τασεοελεγχόμενα κανάλια καλίου (ΤΕΚΚ) βρέθηκε να έχει η οξαλιπλατίνα, ένα ευρέως χρησιμοποιούμενο αντικαρκινικό φάρμακο, η οποία παρουσίασε μια χαρακτηριστική δράση στη μορφή του ΣΔΕ με την εμφάνιση δευτερευουσών εκπολώσεων. Αντίθετα, ένα ακόμη αντικαρκινικό φάρμακο το οποίο μελετηθήκε σε αντιπαραβολή με την οξαλιπλατίνα είχε αμελητέα επίδραση στο ύψος μόνο του ΣΔΕ χωρίς να παρουσιάσει οποιεσδήποτε αλλαγές στη μορφή του ΣΔΕ. Επιπλέον, εξετάστηκε το εντομοκτόνο ροτενόνη, το οποίο στη παρούσα εργασία βρέθηκε ότι προκαλεί μείωση του ύψους του ΣΔΕ η οποία όμως δεν συνδέεται με την παραγωγή ελευθέρων ριζών ή την μεταβολή στη δομή των μικροσωληνίσκων η οποία παρατηρείται μετά από έκθεση του ισχιακού νεύρου σε ροτενόνη. Η παλιτοξίνη με τη σειρά της, μια φυσικά παραγόμενη τοξίνη, προκάλεσε μείωση του ύψους του ΣΔΕ σε πολύ μικρές συγκεντρώσεις (nM) μέσω της δράσης της στην Νa+/K+-ATPάση και αύξηση του μεμβρανικού δυναμικού ηρεμίας των νευρικών ινών. Εξετάστηκαν επίσης φυσικά παραγόμενα ανάλογα παλιτοξίνης τα οποία και πάλι προκάλεσαν μείωση του ύψους του ΣΔΕ και έγινε ποσοτικοποίηση της δράσης τους. Μελετήθηκε επίσης η δράση του γ-αμινοβουτυρικού οξέος (GABA), ενός νευροδιαβιβαστή του κεντρικού νευρικού συστήματος, στο ΠΝΣ. Το GABA παρουσίασε ανασταλτική δράση στις νευρικές ίνες του ΠΝΣ προκαλώντας μείωση του ύψους του ΣΔΕ η οποία ήταν αναστρέψιμη μετά από προεπώαση του ισχιακού νεύρου με την πικροτοξίνη, έναν ανταγωνιστή των GABA υποδοχέων. Περαιτέρω μελέτη για διασαφήνιση του τρόπου με τον οποίο το GABA προκαλεί μείωση του ύψους του ΣΔΕ με τη βοήθεια ενδοκυτταρικών καταγραφών έδειξε ότι το GABA προκαλεί αύξηση του μεμβρανικού δυναμικού ηρεμίας προκαλώντας κατά συνέπεια και μείωση του ύψους του δυναμικού ενέργειας της νευρικής ίνας. Τέλος, στο πλαίσιο της χημικής καταπόνησης μελετήθηκε και ο ρόλος του περινευρίου στην είσοδο διαφόρων χημικών ενώσεων στις νευρικές ίνες. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το περινεύριο αποτελεί ένα τύπο επιλεκτικού φραγμού για τις διάφορες ενώσεις που εισέρχονται στις νευρικές ίνες.Όπως αναφέρθηκε μελετήθηκαν και δύο περιπτώσεις μηχανικής καταπόνησης, η διάταση και η αναγέννηση. Η διάταση του νεύρου έδειξε ότι στο νεύρο υπάρχουν ελαστικά στοιχεία τα οποία μπορούν να απορροφούν τις δυνάμεις που ασκούνται σε αυτό μέχρι ενός σημείου όπου ξεκινάει η σταδιακή διάρρηξη των ελαστικών του στοιχείων. Αύξηση της τάσης που ασκείται προκαλεί αλλαγή στις ηλεκτροφυσιολογικές παραμέτρους των νευρικών ινών οι οποίες όμως επανέρχονται μετά την διακοπή της ασκούμενης τάσης. Τέλος, μελετήθηκε η αναγέννηση του ισχιακού νεύρου του επίμυος μετά από τομή του και επινευριακή επανασυρραφή. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το νεύρο έχει την ικανότητα να επανέρχεται λειτουργικά μετά το πέρας 6 μηνών ενώ η λειτουργία του μετά το πέρας 3 μηνών από την επέμβαση εξαρτάται από την οξυγόνωση. Βρέθηκαν διαφορές στην εννεύρωση των κλάδων του ισχιακού μετά την επέμβαση που φαίνονται τόσο από τις τιμές της ταχύτητας αγωγής όσο και από το ποσοστό του συνολικού ΣΔΕ που αντιπροσωπεύουν. Συνδυασμός των δύο μηχανικών καταπονήσεων έδειξε ότι το αναγεννημένο νεύρο έχει την ικανότητα να διατηρεί την ελαστικότητά του και να συμπεριφέρεται με παρόμοιο τρόπο με το μάρτυρα. Τα αποτελέσματα της παρούσας εργασίας δίνουν στοιχεία για τον τρόπο δράσης διαφόρων παραγόντων καταπόνησης στο ΠΝΣ που επηρεάζουν τη λειτουργία του οδηγώντας σε νευροπάθειες.