Zur Morphologie der peripheren Nervenregeneration und zur Beeinflussung des axonalen Regenerationsverhaltens durch elektrische Nervenstimulation

Abstract

Die funktionelle Wiederherstellung nach Verletzung eines peripheren Nervs ist trotz optimaler chirurgischer Versorgung oft ungenügend. Eine mögliche Erklärung für dieses Versagen der funktionellen Regeneration ist in der Morphologie der axonalen Regeneration zu suchen. Durch die Entwicklung transgener Mäuse, die fluoreszierende Proteine in einem Teil ihrer Axone exprimieren, sind wir in der Lage, die Antwort regenerierender Axone auf Nervendurchtrennung und –naht auf Ebene der individuellen Einzelstrukturen verfolgen zu können. Mäuse, die ein gelb fluoreszierendes Protein in einem Teil ihrer Axone exprimieren, erhielten nach bilateraler Durchtrennung des N. ischiadicus entsprechende Transplantate aus Wildtyp-Mäusen. Die zu beobachtende Fluoreszenz im distalen Nervenstumpf entsprach somit sicher dem Einwachsen regenerierender Axone von proximal. Fünf oder sieben Tage nach der Transplantation wurden die Nerven entnommen. Unsere Beobachtungen bestätigen, dass Regeneration ein gestaffelter Prozess ist, bei dem nur ein Viertel der Axone die Reparaturstelle nach einer Woche durchquert hat. Viele Axone verzweigten sich auf ihrem Weg durch den Reparaturspalt, aber auch noch weit im distalen Stumpf und konnten so mit zahlreichen distalen Regenerationswegen interagieren. Eine Vielzahl an Axonen vollführte auf ihrem Weg durch den Reparaturspalt eine laterale Auslenkung, die sich als unabhängig von der Spaltbreite darstellte. Diese morphologischen Eigenschaften axonaler Regeneration können erklären, warum präzise chirurgische Verfahren nach Nervenverletzung bei der Wiedererlangung einer optimalen Funktion an ihre Grenzen stoßen. Die seitliche Auslenkung der Axone unterliegt keiner chirurgischen Steuerbarkeit und erfordert andere Herangehensweisen, um die durchtrennten Axone mit geeigneten distalen Leitschienen zu verknüpfen. Zahlreiche Studien der letzten Jahrzehnte deuten eine positive Beeinflussung der axonalen Regeneration durch elektrische Stimulation an. Um diesen potentiellen Einfluss auf das individuelle Regenerationsverhalten der Axone zu untersuchen, erhielt in unserem Versuch eine Gruppe der Mäuse intraoperativ eine einseitige einstündige elektrische Stimulation mit 20 Hz. Es zeigte sich ein Anstieg der Anzahl regenerierender Axone zum frühen Zeitpunkt der Regeneration sowohl durch Rekrutierung von mehr Axonen, die den Reparaturspalt durchquerten, als auch durch eine gesteigerte Verzweigungsaktivität. Durch eine Komprimierung des gestaffelten Regenerationsprozesses – nach elektrischer Stimulation hatten fast doppelt so viele Axone den Reparaturspalt nach einer Woche durchquert als in der Kontrollgruppe – wird die Reinnervation des distalen Stumpfs gefördert ohne die Wachstumsgeschwindigkeit der Axone zu verändern. Dieser Anstoß der Regeneration deutet den potentiellen Nutzen der elektrischen Nervenstimulation als klinisches Hilfsmittel an.

Despite advances in surgical repair, functional recovery after peripheral nerve injury is often deficient. Through the use of transgenic mice that express fluorscent protein in a subset of their axons, examination of regenerating axons on an individual level is possible. Mice that express the fluorscent protein gained a sciatic nerve graft of nonexpressing littermates. Our results confirm nerve regeneration as a staggered process. Various regenerating axons branch or perform a lateral excursion and thus are able to choose from many different distal Schwann cell tubes. This could be a potential explanation for the limits of surgical repair after peripheral nerve regeneration. Several recent studies indicate that brief electrical stimulation could enhance the axonal regeneration. To examine this potential benefit at individual behavior of regenerating axons, in one experimental group of mice a continuous electrical stimulation of 20-Hz was delivered intraoperatively unilateral for 1 hour. Within the stimulation group the number of regenerating axons is increased significantly at early time of regeneration. This increase of axon counts is as well a result of recruiting more axons to cross the repair gap, as a result of an increased branching, without increasing the number of branches per branching axon. Thus, electrical stimulation enhances the reinnervation of the distal stump by compressing the staggered process of axonal regeneration without increasing the axonal growth rate. This impulse of axonal regeneration indicates the potential benefit of the electrical nerve stimulation as a clinical device.