«Нерв, пересаджений в інший м’яз, перебудовує його» під себе «»

Навчання 26 серпня 2022 Перегляди: 78

Ріс. 1. Приклад трансформації типу м’язових волокон після пересадки нерва. А — зріз ділянки непрооперованої латеральної головки біцепса щура, в якому переважають м’язові волокна типу ^ b (червоні). B — зріз ділянки біцепса, до якої приєднали ліктьовий нерв: нижче пунктирної лінії — латеральна головка трицепсу, в якій побільшало нервових волокон типів I (жовті) і ^ a (зелені), вище пунктирної лінії — середня головка трицепсу, структура якої залишилася незмінною. C — зріз червонорідного м’яза пензля щура. Пофарбовано за допомогою імуногістохімічних методів. Мікрофотографії з обговорюваної статті в Science Advances

Тварини можуть рухатися завдяки скороченню скелетних м’язів, які управляються моторними нейронами. Тіло такого нейрона розташовується в спинному мозку, а довгий аксон у складі нервового волокна тягнеться в керований м’яз. Великими м’язами і м’язами, від яких потрібна висока точність рухів, керують групи з десятків або навіть сотень моторних нейронів. Склад таких груп і особливості нейронів в них відповідають «підконтрольним» м’язам, проте механізм цієї відповідності поки незрозумілий. Недавнє дослідження європейських нейробіологів дозволяє краще розібратися в цьому питанні. Вони оперували щурів, пересаджуючи їм нерви з м’яза пензля в біцепс. Майже всі операції пройшли успішно — через три місяці після них м’язи відновилися і розвивали таке ж зусилля, як до операції. При цьому виявився несподіваний ефект: структура м’язових волокон змінилася і стала відповідати структурі м’язів-донорів. Вчені вважають, що отримані результати і подальші дослідження в цьому напрямку через кілька років призведуть до прориву в нейротрансплантології та біопротезуванні.

Якщо дещо спростити, то можна вважати, що всім різноманітністю наших рухів ми зобов’язані м’язам. Так, без нервів, які керують ними, або скелета, який служить опорою організму, такі складно влаштовані тварини, як люди, навряд чи могли б виконувати різні швидкі і точні рухи з необхідними для цього зусиллями. Але багато тварин чудово обходяться без кісток, а деякі губки можуть рухатися, хоча у них немає нервової системи.

М’язова тканина ссавців поділяється на три типи:

1) Гладка, що складається з одноядерних веретеноподібних клітин (міоцитів) довжиною 15-500 мкм. З неї складені стінки внутрішніх органів, включаючи кровоносні та лімфатичні судини. Гладка м’язова тканина скорочується і розслабляється повільно, причому відбувається це автоматично, не з нашої волі. 2)

Поперечнополосата скелетна, яка складається з довгих (довжиною до декількох см) міоцитів, у яких безліч ядер і «смугаста» (під мікроскопом) цитоплазма. З неї складені в основному скелетні м’язи, які і дозволяють нам рухатися. 3) Поперечнополосата

серцева, міоцити (кардіоміоцити) якої мають довжину до 150 мкм і розгалужену форму і зростаються один з одним переплетеними відростками, зливаючись цитолазмою (теж «смугастою»).

Поперечні смужки, характерні для останніх двох типів м’язової тканини, створюються чергуванням в її клітинах товстих ниток (міофібрил) білка міозину і тонких ниток білка актину. Рух ниток цих білків один відносно одного і дозволяє м’язу скорочуватися. Молекула міозину скелетного м’яза складається з шести поліпептидних ланцюгів — двох важких (Myosin heavy chain, MHC) і чотирьох легенів (Myosin light chain).

Величезні довгі багатоядерні клітини скелетної м’язової тканини (кожна з яких утворена безліччю зливлися одноядерних міоцитів) — це і є волокна, з яких м’яз складається. Ці волокна бувають трьох типів, і кожному типу відповідає своя ізоформа міозину, що відрізняється будовою MHC. Оксилювальні (повільні, червоні) волокна багаті мітохондріями з високою активністю окислювальних ферментів і працюють на одержуваній ними енергії. Сила і швидкість скорочень цих волокон відносно невеликі, але і втомлюються вони теж повільніше. У цих волокнах присутня ізоформа міозину MHC-I. У гліколітичних (білих) волокнах з ізоформою міозину MHC-^ b на додачу до окислювальних дуже активні ферменти гліколізу (розщеплення цукрів), які дають цим волокнам додаткову енергію. Ці волокна можуть скорочуватися швидше і сильніше, але і втомлюються теж швидше. Є також проміжний тип волокон з ізоформою міозину MHC-^ a, середній за характеристиками між першим і другим.

У кожного м’яза своє співвідношення волокон різних типів, що дозволяє їй оптимально виконувати своє завдання. Повільні «окислювальні» волокна типу I переважають у м’язах, які призначені для невеликих, але частих зусиль (наприклад, стабілізуючі м’язи корпусу і хребта або внутрішні м’язи живота). Там же, де потрібні менш часті, але великі зусилля (скажімо, в м’язах-згинальниках кінцівок) переважає міозин «швидкого» другого типу.

З точки зору структурної організації та управління з боку нервової системи скелетні м’язи підрозділюються на моторні одиниці (МЕ). Кожна моторна одиниця — це група волокон разом з іннервуючим їх мотонейроном. Тіла мотонейронів знаходяться в передніх рогах спинного мозку (парних частинах його сірої речовини, див. розповідь В. Дубиніна про спинний мозок), а їхні аксони в складі нервів доходять до іннервованих м’язів, наприклад передніх кінцівок.

Ріс. 2. Будова моторних одиниць скелетних м’язів. Зліва — два аксона нервових клітин (червоний і синій) з передніх рогів спинного мозку іннервують дві різних моторних одиниці, що складаються з м’язових волокон. Справа — мікрофотографія, на якій видно, як відростки розгалужуваного на кінці аксона з’єднуються з окремими м’язовими волокнами за допомогою нейромишкових синапсів. Зображення зі статті M. Al Harrach, 2016. Modeling of the sEMG/Force relationship by data analysis of high resolution sensor network

Група нейронів, які іннервують один м’яз, формує в передньому розі спинного мозку мотонейронний пул. У пулі є нейрони різного розміру: великі входять у великі МЕ з безліччю волокон, дрібні — в МЕ поменше. Маленькі МЕ (включають десятки волокон) зустрічаються там, де потрібен тонкий контроль рухів (наприклад, у пальцях або м’язах ока). Великі ж МЕ (з сотнями волокон) зустрічаються в м’язах, де тонкий контроль зусилля не потрібен (наприклад, в литковому м’язі). Моторні одиниці, залежно від м’язових волокон, теж поділяються на описані вище три типи. При збільшенні навантаження на м’яз послідовно включаються в роботу МЕ першого, другого і третього типів. Це дозволяє гнучко регулювати розвивану силу.

Зрозуміло, що структура пулу нейронів, що іннервують м’яз, — їх кількість, розмір і «спеціалізація» — повинна відповідати структурі самого м’яза. Однак які механізми забезпечують цю відповідність? Розібратися в цьому, принаймні частково, змогла група вчених з Австрії, Канади та Великобританії, чия робота була нещодавно опублікована в журналі Science Advances.

Автори статті, ставлячи досліди на лабораторних щурах, хірургічним шляхом відділяли м’язово-шкірний нерв (входить в плечове нервове сплетіння) від латеральної головки біцепса передньої кінцівки. Замість нього в те ж місце підсаджувався ліктьовий нерв, який в нормі іннервує червонорідні м’язи пензля (рис. 3). У кожного щура так оперували тільки одну з передніх лап, друга залишалася в якості контрольної. Всього в експерименті брало участь 66 звірів.

Ріс. 3. Схема експерименту. Зліва — контрольна ситуація: ліктьовий нерв іннервує червонорідні м’язи кисті гризуна (як і повинен в нормі). Справа — той же нерв пересаджений до латеральної головки біцепса. У центрі показані пули мотонейронів в передніх рогах спинного мозку (червоні відповідають м’язовому нерву, сині — ліктьовому нерву). Зображення з обговорюваної статті в Science Advances

Донорський нерв містив помітно більше аксонів, ніж вихідний, тому в місці з’єднання на ньому спочатку утворювалася пухлина — неврома (це нормально при порушенні цілісності нерва — саме так організм щура і «сприймав» операцію). Неврома формується з найтонших волоконців — нейрофібрил, які пронизують нервову клітку в усіх напрямках, формуючи її скелет і систему, що проводить. Під час росту аксона і його відростків (або їх ворожнечі в новий м’яз, як в даному випадку) нейрофібрили формують на їх кінцях «колби росту», які утворюють синапси, що передають сигнал іншій нервовій клітці або м’язовому волокну. Зазвичай неврома приносить сильний біль, але жоден з прооперованих звірків не виявляв її ознак.

У середньому через 12 тижнів після операції донорський нерв приживався в прооперованій частині м’яза, вороста в неї так само, як це робив старий (див. рис. 3). При цьому кількість ME в прооперованій латеральній головці біцепса виростала в середньому в 1,7 рази (з приблизно 30 в контрольних м’язах до 50 в прооперованих м’язах, мова також про середні значення). Всього в донорському ліктьовому нерві було в середньому 280 відростків мотонейронів, але іннервувати латеральну головку біцепса стали, таким чином, тільки близько однієї шостої частини з них. Збільшення кількості аксонів призвело до того, що середній розмір МЕ зменшився.

Кожен аксон мотонейрона заробив у складі своєї МЕ. Тільки в одного зі звірят були зафіксовані полііннервація і денервація — порушення, при яких одна МЕ іннервується кількома аксонами, а інші — жодним (рис. 4). Всього було вивчено 2120 нейромишкових сполук.

Ріс. 4. A, B — утворення невроми в прооперованих м’язах. C — полііннервація і денервація в одному з прооперованих м’язів. D — нормальне гілювання донорського нерва в м’язі і утворення нейромишкових сполук. Відростки нейрона флюоресцентно пофарбовані зеленим, нейромишкові синапси — світло-червоним. Мікрофотографії з обговорюваної статті в Science Advances

Структура прооперованого м’яза при цьому змінилася, ставши схожою на структуру м’яза-донора, яку нерв іннервував спочатку (рис. 1). У нормі в латеральній головці біцепса значно переважають швидкі гліколітичні волокна підтипу ^ b. А після пересадки в неї ліктьового нерва в ній в значній кількості з’явилися повільні окислювальні волокна типу I і проміжні типу ^ a, яких багато і в червонорідних м’язах пензля. Ця трансформація відбулася за рахунок зміни експресії MHC в м’язових клітинах: аксони нового нерва фактично «змусили» синтезувати важкі ланцюги міозину нових типів. Раніше в інших дослідженнях вже було показано здатність мотонейронів керувати цим процесом у м’язових клітинах (див., наприклад, S. Schiaffino, C. Reggiani, 2011. Fiber Types in Mammalian Skeletal Muscles).

При цьому сила, яку здатний розвивати біцепс щура, відновилася практично до початкового рівня всього за 12 тижнів, чого зазвичай не спостерігається при відновленні після невротмезису (розриву нерву), який цілком можна порівняти з виробленою операцією. Автори статті вважають, що це пов’язано з тим, що в «новому» нерві було більше аксонів, здатних до реіннервації м’язових одиниць.

Залишається сподіватися, що виявлені ефекти, які проявилися при акуратній пересадці нервових волокон в інший м’яз, в майбутньому знайдуть практичне застосування в нейрохірургії і трансплантології. Автори обговорюваної роботи висловлюють упевненість, що подальші дослідження в цьому напрямку втіляться в нових медичних технологіях, які допоможуть пацієнтам, які відновлюються після важких травм з втратою мобільності кінцівок, заново знаходити радість руху. Вчені також вважають, що їхня робота вже в найближчі роки призведе до появи нових систем управління і передачі нервових імпульсів, завдяки яким біопротези майже зрівняються за своїми можливостями зі справжніми кінцівками.

Джерело: Konstantin D. Bergmeister, Martin Aman, Silvia Muceli, Ivan Vujaklija, Krisztina Manzano-Szalai, Ewald Unger, Ruth A. Byrne, Clemens Scheinecker, Otto Riedl, Stefan Salminger, Florian Frommlet, Gregory H. Borschel, Dario Farina and Oskar C. Aszmann. Peripheral nerve transfers change target muscle structure and function // Science Advances. 2019. V. 5. eaau2956. DOI: 10.1126/sciadv.aau2956.

Олег Соколенко