RESUMEN
Advanced age and amyotrophic lateral sclerosis (ALS) are both associated with a loss of motor neurons resulting in muscle fiber atrophy and muscle weakness. Aging associated muscle fiber atrophy and weakening is termed sarcopenia, but the association with motor neuron loss is not as clearly established as in ALS, probably related to the prolonged time course of aging-related changes. Although aging and ALS effects on limb muscle strength and neuromotor performance are serious, such effects on the diaphragm muscle can be life threatening. Converging evidence indicates that larger phrenic motor neurons, innervating more fatigable type IIx and/or IIb diaphragm muscle fibers (fast fatigue intermediate, FInt and fast fatigable, FF motor units) are more susceptible to degeneration with both aging and ALS compared to smaller phrenic motor neurons innervating type I and IIa diaphragm muscle fibers (slow and fast fatigue resistant motor units, respectively). The etiology of ALS and age-related loss of motor neurons appears to involve mitochondrial function and neuroinflammation, both chronic and acute exacerbation. How mitochondrial dysfunction, neuroinflammation and motor neuron size intersect is the focus of continuing investigation.
La edad avanzada y la esclerosis lateral amiotrofica (ALS) están asociadas con una pérdida de neuronas motoras que produce atrofia de las fibras musculares y debilidad muscular. El envejecimiento asociado a atrofia y debilitamiento de las fibras musculares se denomina sarcopenia, pero la asociación con la pérdida de neuronas motoras no está tan claramente establecida como en la ALS, hecho probablemente relacionado con el curso prolongado de los cambios que ocurren durante el envejecimiento. Aunque el envejecimiento y los efectos de la ALS sobre la fuerza muscular de las extremidades y el rendimiento neuromotor son graves, tales efectos sobre el músculo del diafragma pueden ser potencialmente mortales. La evidencia convergente indica que las neuronas motoras frénicas más grandes, que inervan fibras musculares de diafragma tipo IIx y / o IIb más fatigables (unidades motoras FF de fatiga rápida intermedia, FInt y fatigable rápida) son más susceptibles a la degeneración con el envejecimiento y la ALS en comparación con las neuronas motoras más pequeñas del nervio frénico que inervan las fibras musculares del diafragma tipo I y IIa (unidades motoras lentas y rápidas resistentes a la fatiga, respectivamente). La etiología de la ALS y la pérdida de neuronas motoras relacionadas con la edad parece implicar la función mitocondrial y la neuroinflamación, tanto la exacerbación crónica como la aguda. La forma en que se cruzan la disfunción mitocondrial, la neuroinflamación y el tamaño de la neurona motora es el foco de una continua investigación.
RESUMEN
Unilateral cervical spinal cord hemisection at C2 (C2SH) interrupts descending bulbospinal inputs to phrenic motoneurons, paralyzing the diaphragm muscle. Recovery after C2SH is enhanced by brain derived neurotrophic factor (BDNF) signaling via the tropomyosin-related kinase subtype B (TrkB) receptor in phrenic motoneurons. The role for gene therapy using adeno-associated virus (AAV)-mediated delivery of TrkB to phrenic motoneurons is not known. The present study determined the therapeutic efficacy of intrapleural delivery of AAV7 encoding for full-length TrkB (AAV-TrkB) to phrenic motoneurons 3 days post-C2SH. Diaphragm EMG was recorded chronically in male rats (n=26) up to 21 days post-C2SH. Absent ipsilateral diaphragm EMG activity was verified 3 days post-C2SH. A greater proportion of animals displayed recovery of ipsilateral diaphragm EMG activity during eupnea by 14 and 21 days post-SH after AAV-TrkB (10/15) compared to AAV-GFP treatment (2/11; p=0.031). Diaphragm EMG amplitude increased over time post-C2SH (p<0.001), and by 14 days post-C2SH, AAV-TrkB treated animals displaying recovery achieved 48% of the pre-injury values compared to 27% in AAV-GFP treated animals. Phrenic motoneuron mRNA expression of glutamatergic AMPA and NMDA receptors revealed a significant, positive correlation (r(2)=0.82), with increased motoneuron NMDA expression evident in animals treated with AAV-TrkB and that displayed recovery after C2SH. Overall, gene therapy using intrapleural delivery of AAV-TrkB to phrenic motoneurons is sufficient to promote recovery of diaphragm activity, adding a novel potential intervention that can be administered after upper cervical spinal cord injury to improve impaired respiratory function.
Asunto(s)
Terapia Genética/métodos , Glicoproteínas de Membrana/genética , Proteínas Tirosina Quinasas/genética , Recuperación de la Función/fisiología , Traumatismos de la Médula Espinal/genética , Traumatismos de la Médula Espinal/terapia , Animales , Médula Cervical/patología , Vértebras Cervicales , Masculino , Glicoproteínas de Membrana/administración & dosificación , Proteínas Tirosina Quinasas/administración & dosificación , Ratas , Ratas Sprague-Dawley , Receptor trkB , Traumatismos de la Médula Espinal/patologíaRESUMEN
Stereological techniques that rely on morphological assumptions and direct three-dimensional (3D) on focal measurements have been previously used to estimate the dendritic surface areas of phrenic motoneurons (PhrMNs). Given that97% of a motoneurons receptive area is provided by dendrites, dendritic branching and overall extension are physiologically important in determining the output of their synaptic receptive fields. However, limitations intrinsic to shape-based estimations and incomplete labeling of dendritic trees by retrograde techniques have hindered systematic approaches to examine dendritic morphology of PhrMNs. In this study, a novel method that improves dendritic filling of PhrMNs in lightly-fixed samples was used. Confocal microscopy allowed accurate 3D reconstruction of dendritic arbors from adult rat PhrMNs. Following pre-processing,segmentation was semi-automatically performed in 3D, and direct measurements of dendritic surface area were obtained. A quadratic model for estimating dendritic tree surface area based on measurements of primary dendrite diameter was derived (r2 =0.932; p<0.0001). This method may enhance interpretation of motoneuron plasticity in response to injury or disease by permitting estimations of dendritic arborization of PhrMNs since measurements of primary dendrite diameter can be reliably obtained from a number of retrograde labeling techniques
El área superficial de las dendritas en motoneuronas frénicas (PhrMNs) ha sido estimada anteriormente mediante técnicas estereológicas basadas en suposiciones geométricas, y medida en tres dimensiones (3D) utilizando microscopía confocal. Dado que el 97% del área receptora de una motoneurona corresponde a sus dendritas, la ramificación y extensión dendrítica son fisiológicamente importantes para determinar la salida de sus campos receptivos. Sin embargo, limitaciones inherentes a las estimaciones basadas en morfología neuronal y la tinción incompleta de los árboles dendríticos mediante técnicas retrógradas han dificultado los estudios sistemáticos de la morfología dendrítica en PhrMNs. En este estudio, se utilizó una nueva técnica que mejora la tinción dendrítica de las PhrMNs en preparaciones fijadas ligeramente. La reconstrucción dendrítica en 3D se logró con gran precisión utilizando microscopía confocal en PhrMNs de ratas adultas. Luego de una etapa de pre-procesamiento, la segmentación de los árboles dendríticos se realizó semi-automáticamente en 3D y usando mediciones directas del área superficial, se derivó un modelo cuadrático para estimar dicha área partiendo del diámetro de la dendrita primaria (r2 = 0.932; p<0.0001). Este método podría mejorar la evaluación de la plasticidad neuronal en respuesta a trauma u otras enfermedades permitiendo la estimación de la arborización dendrítica en PhrMNs, ya que el diámetro de la dendrita primaria puede obtenerse confiablemente de numerosas técnicas de tinción retrógrada