Neurobiologia Hermoston regeneraatio lentääkö Teräsmies jälleen? Eero Castrén ja Dan Lindholm Keskushermoston hermovammojen regeneraatio on lähes olematonta. Selkäydinvamman uhriksi joutuvat ovat usein nuoria, ja koska regeneraatiota ei juuri tapahdu, on seurauksena pitkäaikainen vaikea invaliditeetti. Kokeellisen tutkimuksen avulla on pyritty etsimään syytä siihen, miksi keskushermoston vamma ei parane, vaikka ääreishermoston vamma korjautuu. On myös etsitty keinoja, joilla keskushermoston vamman regeneraatiota voitaisiin edistää. Lupaavia tuloksia onkin jo saatu, mutta kliiniset sovellukset ovat valitettavasti vielä kaukana. Hermosoluvaurio voi syntyä monesta eri syystä kuten ulkoisen voiman (trauma) tai hapenpuutteen (iskemia) vaikutuksesta. Se voi liittyä myös kehityshäiriöihin ja neurodegeneratiivisiin sairauksiin. Hermosoluvaurioon liittyy aina myös hermosolun ja sen tukikudoksen toiminnan häiriö tai solukato. Ääreishermostossa vaurio voi pitkälti korjautua itsestään synnyttäen uuden toiminnallisen aksonin vaurioituneen tilalle. Tämä hermosolun uusiutumiskyky on kuitenkin hyvin rajallinen keskushermostovauriossa. Jotta keskushermostovaurion paranemista voitaisiin edistää, on erittäin tärkeää ymmärtää paremmin niitä solu- ja molekyylitason tapahtumia, jotka säätelevät hermoston regeneraatiokykyä. Hermoston regeneraation tutkimus on kasvavan kansainvälisen kiinnostuksen kohteena. Kun Teräsmiestä näytellyt Christopher Reeve sai selkäydinvamman pudottuaan hevosen selästä, hermokudoksen paranemisongelmat tulivat Yhdysvalloissa myös suuren yleisön tietoisuuteen. Teräsmiehen ponnistelut alan tutkimusrahoituksen lisäämiseksi ovat entisestään lisänneet kiinnostusta aiheeseen myös tutkijoiden keskuudessa. Pyrimme tässä katsauksessa valaisemaan tutkimuksen nykytilaa ja niitä periaatteita ja menetelmiä, joilla vaurioitunut hermosolu voidaan pitää hengissä ja sen aksonin kasvua edistää. Suurin osa tutkimuksesta rajoittuu vielä eläinkokeisiin, mutta tulevaisuudessa tutkimustuloksia voidaan toivon mukaan soveltaa myös käytännön kliinisessä työssä. Miksi keskushermoston hermovamma ei korjaannu? Perifeerinen hermo kykenee korvaamaan katkenneen aksoninsa uudella, jos yhteys katkenneiden hermonpäiden välillä säilyy. Katkenneen hermon distaalisessa päässä tapahtuu ns. Wallerin degeneraatio, jossa paikalle vaeltaneet makrofagit ja tulehdussolut eliminoivat katkenneen aksonin ja myeliinijätteet. Samanaikaisesti ääreishermoston tukisolut, Schwannin solut, proliferoituvat ja kehittävät degeneroituvan hermon ympärille tyvikalvotupen, jota myöten regeneroituva aksoni suuntaa kulkunsa kohti kohde-elintä. Schwannin solut myös erittävät kasvutekijöitä (hermokasvutekijä, aivoperäinen neurotrofinen tekijä), jotka auttavat hermosolun proksimaalista tynkää ja soomaosaa pysymään hengissä regeneraation aikana (Schwab ja Bartholdi 1996, Airaksinen ym., tässä numerossa). Mikäli yhteys proksimaalisen ja distaalisen pään välillä katoaa, ei regeneraatiota tapahdu ja hermosolu surkastuu. 574 Duodecim 1999; 115: 574 82 E. Castrén ja D. Lindholm
Keskushermoston neuronit eivät yleensä kykene kasvattamaan uutta aksonia katkenneen tilalle vaan vaurioituneet hermosolut surkastuvat (Schwab ja Bartholdi 1996, Olson 1997, Tatagiba ym. 1997). Useimmat vaurioituneeet neuronit näyttävät kuitenkin pysyvän hengissä pitkiäkin aikoja aksonin katkaisun jälkeen, ellei vaurio paikannu lähelle solun soomaosaa. Syy perifeeristen ja sentraalisten hermojen regeneraatiokyvyn eroon on toistaiseksi epäselvä, mutta hermoston tukikudoksen eroilla on ilmeisesti tärkeä merkitys. Kuten edellä todettiin, Schwannin soluilla on aktiivinen rooli perifeerisen hermovaurion paranemisessa. Keskushermoston myeliiniä tuottava solu oligodendrosyytti sen sijaan näyttää ennemminkin estävän regeneraatiota kuin edistävän sitä (Schwab ja Bartholdi 1996). Tietyissä tilanteissa keskushermoston neuronit kykenevät kuitenkin regeneroitumaan. Varhaisen yksilönkehityksen aikana aksonien vaurio korjautuu niin keskus- kuin ääreishermostossakin ja toiminta palautuu täysin tai lähes täysin normaaliksi (Schwab ja Bartholdi 1996). Regeneraatio johtuu tällöin pääosin siitä, että vielä lopullisesti erilaistumattomat neuronit kykenevät muuttamaan toiminnallista ilmiasuaan ja ottamaan vaurioituneiden solujen paikan. Kehityksen myötä keskushermoston solut menettävät kykynsä versoa uusia aksoneita ja muuttaa toiminnallista rooliaan ja näin vaurio jää osittain tai kokonaan korjaantumatta. Keskushermosto regeneroituu myös joillakin alemmilla selkärankaisilla, kuten kaloilla ja sisiliskoilla, mutta korkeammilla selkärankaisilla paranemista ei siis tapahdu perinataalikauden jälkeen (Schwab ja Bartholdi 1996). Jo vuosikymmeniä on tiedetty, että vaikka keskushermoston vaurio ei korjaannukaan, vaurioituneet keskushermoston solut yrittävät regeneroitua kohta vaurion jälkeen. Katkenneesta proksimaalisesta hermotyngästä kasvaa hentoja, lyhyitä versoja. Näiden versojen kasvu pysähtyy ennen kuin ne saavuttavat noin 1 mm:n mitan, ja aikaa myöten ne vetäytyvät takaisin. Näyttää näin ollen siltä, että myös korkeampien selkärankaisten keskushermoston solut ovat säilyttäneet kyvyn regeneroitua, jos olosuhteet ovat suotuisat (Schwab ja Bartholdi 1996). Jos näiden versojen kasvua voitaisiin tukea ja edistää, voisi olla mahdollista, että ainakin osa niistä saattaisi jälleen löytää oikean kohdekudoksensa, mikä voisi johtaa toiminnan osittaiseen tai täydelliseen paranemiseen. Syyt hermoversojen kasvun pysähtymiseen ovatkin olleet intensiivisen tutkimuksen kohteena. Vaikka selvää läpimurtoa ei vielä olekaan näköpiirissä, eräät viimeaikaiset tutkimustulokset viittaavat siihen, että tunnelin päässä saattaa pilkottaa valoa. Käsittelemme jäljempänä niitä syitä, joiden on oletettu johtavan versomisen pysähtymiseen ja joihin tulevaisuuden lääkekehittelyn tulisi siis kohdistua. Kasvutekijöiden puute. Neurotrofiset tekijät säätelevät hermosolujen kasvua ja kehitystä (Lindholm 1990, Arumäe ja Sariola 1997, Airaksinen ym. tässä numerossa). Kehityksen aikana hermosolut ovat riippuvaisia kohde-elimen tuottamasta kasvutekijästä, ja ääreishermoston vaurion jälkeen Schwannin solujen tuottamat neurotrofiinit pitävät neuronia hengissä, kunnes kohde-elin on uudelleen saavutettu. Voitaisiin siis ajatella, että keskushermoston neuroneiden regeneraation epäonnistuminen saattaisi johtua neurotrofiinien puutteesta. Neurotrofiineilla onkin selviä vaikutuksia aivojen vaurioituneisiin soluihin. Jos aikuiselta rotalta katkaistaan septumista hippokampukseen projisoituvien kolinergisten hermosolujen aksonit, nämä surkastuvat kooltaan ja lakkaavat muodostamasta monia kolinergisille hermosoluille tyypillisiä molekyylejä (Hefti 1986). Hermokasvutekijän (NGF) ruiskutus vauriokohtaan tai solujen sooman alueelle palauttaa kolinergisten hermojen koon ja biokemialliset ominaisuudet lähes ennalleen (Hefti 1986). Ei ole kuitenkaan selvää näyttöä siitä, että nämä NGF:llä vitalisoidut neuronit kykenisivät uudelleen hermottamaan hippokampuksen soluja. Kokeellisesti aiheutetun selkäydinvaurion kohdalle ruiskutettu neurotrofiini 3 (NT-3) parantaa kortikospinaalisten hermosolujen elinkykyä ja jopa saa aikaan joidenkin neuriittien versomisen vauriokohdan ympäri (Schnell ym. 1994). Näiden versojen matka pysähtyy kuitenkin vääjäämättömästi muutamaan millimetriin, Hermoston regeneraatio lentääkö Teräsmies jälleen? 575
ja ne vetäytyvät takaisin NT-3-käsittelystä huolimatta. Näyttää siis siltä, että vaikka neurotrofisia tekijöitä tarvitaan pitämään vaurioituneita hermosoluja hengissä ja parantamaan niiden regeneraatiokykyä, ne eivät yksin kykene auttamaan aksoniversoja kasvamaan kohde-elimeen asti. Keskushermoston myeliinin kasvua estävät aineet. Schwannin solujen keskeinen rooli ääreishermoston regeneraatiossa sekä keskushermoston kehityksenaikaisen regeneraationkyvyn häviäminen samaan aikaan oligidendrosyyttien erilaistumisen ja myeliinin muodostuksen alkamisen kanssa on ollut syynä siihen, että oligodendrosyyttejä ja niiden tuottamaa myeliiniä on pitkään epäilty syyllisiksi keskushermoston puutteelliseen regeneraatioon. Oligodendrosyyttejä ja Schwannin soluja on verrattu toisiinsa ja etsitty molekyylejä, jotka selittäisivät eroja regeneraatiokyvyssä. Oligodendrosyyttien on todettu tuottavan vähemmän laminiinia ja fibronektiiniä, jotka molemmat edistävät neuriittien kasvua (Schwab ja Bartholdi 1996). Oligodendrosyyttien kasvun esto kehityksen aikana pidentää sitä aikaa, jonka kuluessa regeneraatio keskushermostossa on mahdollinen ja jolloin myelinisoivien solujen tuhoaminen vaurioalueelta hermovamman jälkeen edistää aksoniversojen kasvua (Schwab ja Bartholdi 1996). Nämä tulokset viittaavat siihen, että keskushermoston myeliini ei ole pelkästään huono alusta kasvaville aksoneille vaan että se estää aktiivisesti aksonien kasvua. Toimiessaan tutkijana Hans Thoenenin laboratoriossa Martin Schwab tutki viljeltyjen ääreis- ja keskushermoston solujen kykyä kasvattaa neuriitteja iskias- ja näköhermosta katkaistuihin pätkiin olosuhteissa, joissa soluille annettiin optimaalinen neurotrofinen tuki (Schwab ja Thoenen 1985). Vaikka sekä ääreis- että keskushermoston solut kasvattivat lukuisia aksoneita, jotka tunkeutuivat perifeeristä hermostoa edustavaan iskiashermoon, ei kumpikaan neuronityyppi kyennyt tunkeutumaan sentraaliseen näköhermoon. Tulosta tulkittiin siten, että siinä missä ääreishermo edistää aksonien kasvua, keskushermoston hermo estää sitä kasvutekijöiden läsnäolosta riippumatta. Näistä kokeista innostuneena Schwab ryhtyi eristämään keskushermoston myeliinistä aineita, jotka estävät aksonien kasvua. Hän löysikin työryhmineen kaksi proteiinia, NI-35:n ja NI-250:n, jotka ainakin osaltaan aiheuttivat versovien kasvukartioiden vetäytymisen (Caroni ja Schwab 1998a). Hän sai tuotettua myös monoklonaalisen vasta-aineen, IN-1:n, joka neutraloi mainittujen estävien molekyylien vaikutuksen (Caroni ja Schwab 1998b). Tämän vasta-aineen anto rotalle selkäydinvaurion yhteydessä merkittävästi paransi katkaistujen aksonien regeneraatiota vauriopaikan ohitse aina kohdekudokseen asti (Schnell ja Schwab 1990, Bregman ym. 1995). Havainto viittaa siihen, että kyseiset estävät molekyylit vaikuttavat ratkaisevalla tavalla keskushermoston aksonien kyvyttömyyteen korjautua. Aksonien regeneraation estymisen lisäksi myeliinin estävillä molekyyleillä näyttää olevan myös vaurioitumattomien hermosolujen muovautuvuutta estävää vaikutusta. Kun IN-1-vasta-ainetta ruiskutettiin rottiin osittaisen selkäydinvauron jälkeen, vaurioituneiden aksonien parantuneen regeneraation lisäksi myös vaurioitumattomat toisen puolen aksonit kasvattivat uusia kollateraalisäikeitä vaurioalueelle tavalla, joka muistutti varhaisen kehityksen aikana tapahtuvaa versomista ja joka johti merkittävään toiminnalliseen korjaantumiseen (Thallmair ym. 1998). Myeliinin regeneraation estäjien kloonaus ja tarkempi kuvaus ovat viipyneet. Viimevuotisessa Euroopan neurotieteen kokouksessa Schwabin ryhmä kuvasi alustavia tuloksia naudan myeliinistä eristetyn estäjäproteiinin kloonauksesta. Tämä Nogo-1:ksi nimetty aikaisemmin tuntematon geenin tuote on kuitenkin ominaisuuksiltaan yllättävä, sillä molekyylibiologiset ja immunohistokemialliset tulokset viittaavat siihen, että Nogo-1 olisi sytoplasminen proteiini, joka paikantuu solulimakalvostoon, mutta ei solukalvoon. Kuitenkin aikaisemmat tulokset antoivat syyn olettaa, että myeliinin kasvunestäjät olisivat joko kalvoproteiineja tai erittyviä proteiineja. IN-1-vasta-aine kuitenkin tunnistaa Nogo-1:n, mikä viittaa siihen, että Nogo-1 todella olisi kauan etsitty myeliinin regeneraatiota estävä molekyyli. Odotamme kiinnostuneina näiden tulosten julkaisemista. 576 E. Castrén ja D. Lindholm
Arpikudoksen kasvua estävä vaikutus. Hermosolujen vauriokohtaan kasvaa pääosin astrosyyttien muodostama arpikudos, jonka on ajateltu toimivan esteenä vaurion läpi versoville aksoneille ja siten olevan regeneraation kannalta haitallinen (Schwab ja Bartholdi 1996). Koska regeneraatio jää keskushermostossa joka tapauksessa alkuasteelle, ei tätä hypoteesia ole juuri päästy testaamaan. Vastikään julkaistiin tutkimus (Davies ym. 1997), jossa keskushermoston valkoiseen aineeseen kudosta vaurioittamatta istutetut ääreishermoston spinaaliganglion solut kasvattivat pitkiä hermosäikeitä harmaaseen aineeseen myeliinin läsnäolosta huolimatta. Jos solut istutettiin kudosta vaurioittaen, ulokkeiden kasvu epäonnistui ja tämä kasvun estyminen korreloi kudoksen välitilaan erittyneiden proteoglykaanien määrän kanssa. Näyttää siis siltä, että regeneraation estyminen riippuisi ennemminkin arpikudosta muodostavien astrosyyttien tuottamasta solunulkoisesta väliaineesta eikä niinkään arpikudoksen aiheuttamasta fysikaalisesta esteestä. Tilanne on kuitenkin monimutkainen, sillä astrosyytit tuottavat myös kasvutekijöitä, jotka edistävät hermosolun kasvua (Schwab ja Bartholdi 1996). Lisäksi toiset kasvutekijät säätelevät glia-arven syntyä kudosvauriopaikalle. Itse totesimme muutama vuosi sitten, että keskushermostovamman alueelle kerääntyvät makrofagit ja mikrogliasolut tuottavat transformoivaa kasvutekijä beetaa (TGFβ), joka soluviljelyolosuhteissa vähensi astrosyyttien proliferaatiota (Lindholm ym. 1992). Makrofagit saattavat näin TGF-β:n välityksellä rajoittaa glia-arven kehittymistä ja edistää vaurion paranemista. Aksonivaurion mahdollisia hoitokeinoja Regeneraation estäjien neutralointi (kuva 1). Oligodendrosyyttien tuottamia, aksonien versomista ja regeneraatiota estäviä molekyylejä neutraloiva IN-1-vasta-aine paransi huomattavasti kortikospinaalisten ratojen kykyä regeneroitua kokeellisesti aiheutetun selkäydinvaurion jälkeen (Schnell ja Schwab 1990, Bregman ym. 1995). Myös näköhermon katkaisun jälkeen tämä vasta-aine paransi verkkokalvon gangliosolujen regeneraatiokykyä, ja septumin kolinergisten solujen regeneraatio parani niin ikään vasta-aineen vaikutuksesta (Schwab ja Bartholdi 1996). Hiljattain osoitettiin, että vasta-aine parantaa myös toiminnan palautumista osittaisen selkäydinvaurion jälkeen (Thallmair ym. 1998). Näyttäisi siltä, että suurin osa toiminnan palautumisesta johtuu kuitenkin vastakkaisen puolen kortikospinaalisten ratojen versomisesta vaurion puolelle eikä niinkään vaurioituneiden aksonien regeneraatiosta sinänsä. Näin ollen on vielä epäselvää, kuinka paljon vasta-aine auttaisi ihmisen täydellisessä sekäydinvauriossa, jossa jäljelle jääneitä terveitä ja siten versomiseen kykeneviä aksoneita ei ole jäljellä. Joka tapauksessa tämä monoklonaalinen vasta-aine tai sen humanisoitu muoto saattavat jo lähiaikoina tulla alustaviin kliinisiin kokeisiin hermovamman paranemiskyvyn edistäjinä. Hermosolujen kasvutekijöitä tarvitaan edistämään hermosolun eloon jäämistä ja aksonin kasvua vaurion jälkeen. Erityisesti ne hermosolut, joiden aksoni katkeaa läheltä solun soomaosaa, kuolevat, elleivät ne saa kasvutekijöitä. Eri hermosolupopulaatiot ovat riippuvaisia eri neurotrofisista tekijöistä, ja useamman neuroniryhmän vaurioituessa (kuten yleensä käy sekä traumaattisen että iskeemisen vaurion yhteydessä) saatetaan joutua käyttämään eri tekijöiden yhdistelmiä. Hermoston käsvutekijöiden käyttöä degeneratiivisten tautien hoidossa on vastikään käsitelty tämän lehden palstoilla (Castrén ym. 1998). Käytännössä neurotrofiinihoitoa tullaan todennäköisesti käyttämään yhdessä muiden menetelmien kanssa. Neurotrofiini 3 (NT-3) paransi aksonien regeneraatiota kokeellisessa selkäydinvauriossa, mutta NT-3:n teho lisääntyi huomattavasti, kun hoito yhdistettiin IN-1-vasta-aineeseen (Schnell ym. 1994). Myös fibroblastikasvutekijä paransi kudossiirteillä korjatun kokeellisen spinaalivaurion paranemista (Cheng ym. 1996). Itse kasvutekijän annon lisäksi on ajateltavissa, että vauriota voitaisiin hoitaa veriaivoesteen läpäisevillä aineilla, jotka vaikuttavat hermosoluun kasvutekijän tavoin (Castrén ym. 1998). Toisena mahdollisuutena on myös tutkittu endogeenisten neurotrofiinien tuotannon kiihdyttämistä lääkeaineilla (kuva 1). Her- Hermoston regeneraatio lentääkö Teräsmies jälleen? 577
Menetelmä että katkaistun näköhermon aksonit todellakin tunkeutuvat katkaisukohtaan ommeltuun iskiashermon tuppeen ja ainakin osa aksoneista kasvaa siirteen distaalipäähän asti. Samanlainen regeneraatio ääreishermon siirteeseen tapahtui myös selkäytimen alueella. Distaalipäästä ulos kohti keskushermoston valkeaa ainetta pyrkivien aksonien kasvu rajoittui kuitenkin jälleen vain pieneen versomiseen eikä merkittävää kasvua siirteen distaalipuolella tapahtunut. Kun siirteen distaalipää tuotiin aivan lähelle lopullista kohdekudosta, jotkut siirteestä ulos kasvavat aksonit saavuttivat kohdesolunsa ja muodostivat toimivia synapseja (Aguayo ym. 1991). Kun katkaistun näköhermon päähän liitettiin iskiashermosiirre, jonka toinen pää ulottui colliculus superiorin alueelle asti, jotkut verkkokalvon gangliosolujen aksonit tunkeutuivat tähän luon- Vauriokohta Kohde-elin Regeneraation estäjien neutralointi Ääreishermo siirteenä Neurotrofisia tekijöitä tuottavat solut siirteenä: Schwannin solu, geneettisesti muunnettu solu Endogeenisen neutrofiinituotannon indusointi Keinotekoiset siirteet Kuva 1. Aksonivaurion mahdollisia korjaustapoja. Mukailtu Olsonin (1997) artikkelista. mosoluja aktivoivat aineet, kuten kaiinihappo, lisäävätkin huomattavasti NGF:n ja BDNF:n synteesiä (Lindholm ym. 1994). Kaiinihapolla on kuitenkin siinä määrin pahoja sivuvaikutuksia, että sen kliininen käyttö neurotrofiinisynteesin edistämiseen ei liene mahdollista, mutta muita neurotrofiinien endogeenista tuotantoa lisääviä aineita etsitään kuumeisesti. Ääreishermosiirteitä (kuva 1) on jo kauan kokeiltu siltana, joka auttaa aksonien kasvua vaurion proksimaalisesta päästä distaaliseen (Olson 1997). Siirteen Schwannin solut tuottavat useita kasvutekijöitä sekä tarvittavan tyvikalvon hermon aksonin kasvulle. Siirteistä on ollut apua korjattaessa eri hermosoluvaurioita ääreishermostossa, mutta ne ovat toimineet myös keskushermostossa, muun muassa näköhermossa. Aguayo ym. (1991) ovat osoittaneet, 578 E. Castrén ja D. Lindholm
nolliseen kohdekudokseensa ja muodostivat synapseja. Valon väläyttäminen vaurioitetun silmän edessä sai aikaan mitattavan sähköisen vasteen colliculus superiorin soluissa, mikä osoittaa ainakin osittaista toiminnan palautumista (Aguayo ym. 1990). Karoliinisessa instituutissa työskentelevä Lars Olsson ryhmineen saavutti pari vuotta sitten merkittävän virstanpylvään kokeellisen selkäydinvaurion hoidossa (Cheng ym. 1996). Tutkijat katkaisivat rotalta selkäytimen ja poistivat siitä palan. Tärkeimpien proksimaalisten ratayhteyksien kohdalle asetettiin interkostaalihermosta otetut siirteet, joiden distaalipää ohjattiin vaurion distaalipuolelle harmaaseen aineeseen valkoisen aineen sijasta, ja sekä siirteet että vauriokohta käsiteltiin fibroblastikasvutekijällä (FGF-1). Osa näin käsiteltyjen rottien kortikospinaalisista aksoneista kasvoi siirteen läpi ja tunkeutui useita millimetrejä distaalisen selkäytimen harmaaseen aineeseen. Muutaman kuukauden kuluttua näiden rottien takaraajat toimivat merkittävästi paremmin kuin hoitamatta jääneiden. Tutkijat olettavat, että tämän käänteentekevän tuloksen taustalla voisi olla siirteiden ohjaaminen harmaaseen aineeseen hylkiväksi tiedetyn valkoisen aineen sijasta. Myös FGF- 1:llä näytti olleen merkittävä rooli. Nämä tulokset osoittavat, että ääreishermon siirteellä saattaa jokus olla kliinisiä sovelluksia hermovammojen paranemisen edistämisessä. Koe-eläimillä tehdyissä regeneraatiokokeissa kasvutekijöitä on usein yhdistetty hermosiirteen käyttöön (Olson 1997). Luonnollisten siirteiden lisäksi on viime aikoina kokeiltu pelkkien kasvutekijöitä tuottavien solujen kuten Schwannin solujen tai geneettisesti haluttua kasvutekijää tuottamaan muunneltujen solujen käyttöä siirteinä (kuva 1). Myös täysin keinotekoisten aineiden käyttöä siirremateriaaleina on tutkittu (kuva 1). Keinotekoisiin siirteisiin voidaan lisätä kasvutekijöitä ja muita aineita, kuten aksonien kasvua edistävää kollageenia tai myeliinin kasvuinhibiittoreja neutraloivia vasta-aineita. Tällaisten siirteiden käyttö on kuitenkin vielä aivan alkuasteella, ja jää nähtäväksi, onko niillä koskaan kliinistä käyttöä ihmisen hermovamman korjauksessa. Hermoston kantasolut Viime aikoihin asti uskottiin, että syntymän jälkeen ei uusia hermosoluja enää synny vaan hermosolujen määrä pienenee vääjäämättömasti iän myötä vähittäisen solukuoleman takia. Nyttemmin on kuitenkin osoitettu, että ainakin nuorten aikuisten tietyillä aivoalueilla syntyy uusia hermosoluja (Gage ym. 1995). Nämä myöhään syntyvät hermosolut ovat peräisin hermoston kantasoluista, joita on viime vuosina opittu kasvattamaan soluviljelyssä fibroblastikasvutekijä 2:n (FGF-2) tai epidermaalisen kasvutekijän (EGF) avulla (Gage ym. 1995). Hermoston kantasolut tuottavat kaikkia hermoston solutyyppejä eli neuroneita, astrosyyttejä ja oligodendrosyyttejä (mutta ei mikrogliasoluja, jotka ovat erilaistuneita makrofageja ja siten hematopoieettista alkuperää) (Fisher 1997). Kantasolut näyttävät sijaitsevan aivan aivokammion seinämässä, ilmeisesti aivokammiota reunustavassa ependyymisolukerroksessa, ja ne jakautuvat normaalisti hyvin hitaasti (Johansson ym. 1999). Kantasolut erilaistuvat toistaiseksi tuntemattoman signaalin vaikutuksesta ensin ns. esiastesoluiksi, jotka jakautuvat nopeasti lähellä aivokammion seinämää. Nämä erilaistuvat edelleen mahdollisesti vielä toisen esiastetyypin kautta lopulta kypsiksi neuroneiksi, astrosyyteiksi tai oligodendrosyyteiksi, jotka migroituvat keskushermostossa usein kauaskin alkuperäiseltä synnyinseudultaan (Gage ym. 1995). Kuvassa 2 on esitetty tiivistäen niitä tekijöitä, jotka mahdollisesti ohjaavat kantasoluja ja niistä erilaistuvia esiastesoluja tietylle erilaistumispolulle. Tällaiset tekijät ovat olleet intensiivisen tutkimuksen kohteena, mutta yksiselitteisiä tuloksia on vielä kovin vähän. On kuitenkin ajateltavissa, että tulevaisuudessa kyettäisiin aivokammion seinämästä otetusta koepalasta kasvattamaan hermoston kantasoluja ja erilaistamaan niitä sitten tiettyjen tekijöiden avulla haluttuun suuntaan, esimerkiksi dopaminergisiksi hermosoluiksi tai niiden esiasteiksi (Fisher 1997). Näitä soluja voitaisiin käyttää autologisena hermosolusiirteenä korvaaman vaikkapa Parkinsonin taudin tuhoamia substantia nigran hermosoluja. Työskennellessään Fred Gagen laboratoriossa Hermoston regeneraatio lentääkö Teräsmies jälleen? 579
Kantasolu? FGF 2 EGF FGF 2 EGF PDGF??? FGF 2, NT 3? Neuroblasti??? Glioblasti PDGF FGF 2 Tyypin 1A glioblastin esiaste Tyypin O2A glioblastin esiaste CNTF T3? Interneuroni Neuroni Tyypin 1 astrosyytti Tyypin 2 astrosyytti Oligodendrosyytti Kuva 2. Hermoston solujen sukupuu ja joitakin hermoston solujen erilaistumiseen vaikuttavia aineita. Neuronit, astrosyytit ja oligodendrosyytit polveutuvat yhteisestä kantasolusta. Takaisin kaareutuvat nuolet kuvaavat itseään kopioivaa solupopulaatiota, suorat nuolet erilaistumista uudeksi solutyypiksi. CNTF = siliaarinen kasvutekijä, EGF = epidermiaalinen kasvutekijä, FGF = fibroblastikasvutekijä, NT-3 = neurotrofiini 3, PDGF = verihiutalekasvutekijä, T3 = trijodityroniini. Mukailtu Fisherin (1997) artikkelista. Jaana Suhonen osoitti, että aikuisen rotan hippokampuksesta peräisin olevat hermoston esiastesolut säilyvät elävinä, kun ne istutetaan toisen rotan aivoihin ja kykenevät ainakin tietyillä aivoalueilla erilaistumaan kypsiksi hermosoluiksi (Suhonen ym. 1996). Edellä hahmoteltu hermoston korjaustapa saattaa siis olla lähempänä toteutumista kuin on kuviteltukaan. Kantasolujen erilaistuminen esiastesoluksi ja näiden jakautuminen näyttävät lisääntyvän selkäydinvamman seurauksena (Johansson ym. 1999). Esiastesolut vaeltavat vaurioalueelle ja erilaistuvat siellä astrosyyteiksi ja saattavat näin osaltaan olla tuottamassa vauriopaikalle kehittyvää arpikudosta. Olisi kiehtovaa tutkia, voitaisiinko jakautuvien esiastesolujen erilaistumista ohjata astrosyyttien sijasta neuronaaliseen suuntaan ja saattaisiko tämä edistää selkäydinvamman tai muun keskushermostovaurion paranemista. Regeneroituvien aksonien ohjautumien kohdekudokseen Vaikka aksonin regeneraatiota pystyttäisiin edellä kuvatuilla menetelmillä edistämään, hermosolun toiminnallinen kypsyminen edellyttää myös aksonin kasvukartion ohjautumista oikeaan paikkaan ja lopulta synapsin muodostusta alkuperäisen kohdekudoksen kanssa. Tutkittaessa hermosolun aksonin ohjautumista solu- 580 E. Castrén ja D. Lindholm
viljelmissä on viime vuosien aikana löydetty joukko uusia aineita, jotka ohjaavat kasvukartion käyttäytymistä (Tessier-Lavigne ja Goodman 1996). Nämä aineet voidaan jakaa kasvua edistäviin ja sitä estäviin tekijöihin, ja ne näyttävät yhdessä määrävän sekä aksonin suunnan että sen kohteena olevan synapsin. Sama aine saattaa edistää tietyn aksonijoukon kasvua ja samalla työntää toisia aksoneita luotaan. Tällaisia ovat mm. netriinit ja semaforiinit, jotka houkuttelevat NT-3:lle herkkiä sensorisia hermosäikeitä mutta hylkivät NGF:lle herkkiä säikeitä (Tessier-Lavigne ja Goodman 1996). Nämä aineet ovat tarkan säätelyn kohteina kehityksen aikana, mikä takaa sen, että oikea hermosolu lopulta löytää oikean kohdesolunsa. Vastikään löydetyn efriini-nimisen kasvutekijäperheen jäsenet osallistuvat myös aksonin kasvun ohjaamiseen. Efriinit ja niitä sitovat reseptorit ilmentyvät usein suurenevana tai pienenevänä gradienttina keskushermoston tietyissä osissa (Flanagan ja Vanderhaeghen 1998). On oletettu, että nämä gradientit ohjaavat hermosäikeiden kasvua niin, että kukin säie etsii paikkansa kohdekudoksen reseptorigradientissa sen mukaan, kuinka paljon efriiniä ne itse tuottavat. On luultavaa, että kaikki edellä mainitut aineet ja niiden interaktiot ovat tärkeitä aksonin ohjautumiselle kehityksen aikana (Flanagan ja Vanderhaeghen 1998). Toistaiseksi tiedetään vain hyvin vähän siitä, esiintyykö vastaavia ohjaavia tekijöitä myös aikuisen keskushermostossa ja kykenevätkö ne ohjaamaan aksonin kasvua vaurion jälkeen. On kuitenkin saatu viitteitä siitä, että samanlaiset mekanismit voisivat säädellä aksonin ohjautumista sekä kehityksen että regeneraation aikana. Tietoja hermosolun normaalista kasvusta ja kehityksestä voidaankin siten usein soveltaa tutkimukseen, joka pyrkii edistämään aksonin regeneraatiota. Valoa tunnelin päässä? Keskushermoston hermovamman ennuste on nykyään varsin lohduton: kudosturvotusta hillitsevää ja vaurion laajenemisen estävää hoitoa lukuun ottamatta ei akuuttivaiheessa ole juuri mitään tehtävissä (Schwab ja Bartholdi 1996). Tilanne on erityisen lohduton selkäydinvammapotilailla, sillä he ovat usein nuoria ja seurauksena on pysyvä vaikea invaliditeetti. Näyttää kuitenkin siltä, että hermosolut sekä selkäydinvaurion ylä- että alapuolella säilyvät elävinä pitkiäkin aikoja vaurion jälkeen ja ainakin osa selkäytimen tason reflekseistä jää toimimaan vaurion alapuolelle, mitä voidaan käyttää kuntoutuksessa hyväksi. Pienikin määrä aivoista tulevaa hermotusta saattaisi hyvin palauttaa osan tahdonalaisesta toiminnan kontrollista ja parantaa merkittävällä tavalla potilaiden elämänlaatua. Viime vuosien ponnistelut keskushermoston aksonien regeneraatiokyvyn palauttamiseksi ovat johtaneet siihen, että tunnelin päässä pilkottaa valoa. Vaikka keskushermoston aksonien regeneraatiokyky kyettäisiinkin palauttamaan, on ratkottavana vielä monia toiminnan palautumisen kannalta merkittäviä kysymyksiä. Kykenevätkö regeneroituvat aksonit ohjautumaan oikeisiin kohdekudoksiin ja muodostamaan toiminnan kannalta mielekkäitä synapseja? Tapahtuuko erityyppisten aksonien (esim. nousevat sensoriset radat ja laskevat motoneuronit) regeneraatio samalla tavalla? Saadaanko regeneraatiota aikaan vain akuutissa vaiheessa, vai onko myös vuosia pyörätuolissa istuvalla potilaalla toivoa? Perustutkijoiden on ratkaistava vielä monia visaisia kysymyksiä, ennen kuin kliiniset kokeet voivat alkaa, ja siitä on vielä pitkä matka käypään hoitoon. Mutta mikäpä ei olisi Teräsmiehelle mahdollista! *** Kiitämme Schweizer Paraplegiker Stiftungia selkäydintutkimukseen (DL) myönnetystä apurahasta sekä LT Maija Castrénia ja LL Anu Puumalaista heidän käsikirjoitusvaiheessa antamistaan arvokkaista kommenteista. Hermoston regeneraatio lentääkö Teräsmies jälleen? 581
Kirjallisuutta Aguayo A J, Bray G M, Rasminsky M, Zwimpfer T, Carter D, Vidal-Sanz M. Synaptic connections made by axons regeneratin in the central nervous system of adult mammals. J Exp Biol 1990; 153: 199 224. Aguayo A J, Rasminsky M, Bray G M, ym. Degenerative and regenerative responses of injured neurons in the central nervous system of adult mammals. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci 1991; 331: 227 43. Arumäe U, Sariola H. Apoptoosi hermoston kehityksessä ja rappeutumistaudeissa. Duodecim 1997; 113: 1590 6. Bregman B S, Kunkel-Bagden E, Schnell L, Dai H N, Gao D, Schwab M E. Recovery from spinal cord injury mediated by antibodies to neurite growth inhibitors. Nature 1995; 378: 498 501. Caroni P, Schwab M E. Two membrane protein fractions for rat central myelin with inhibiotry properties for neurite growth an fibroblast spreading. J Cell Biol 1988(a); 106: 1281 8. Caroni P, Schwab M E. Antibody against myelin-associated inhibitor of neurite growth neutralizes nonpermissive substrate properties of CNS white matter. Neuron 1988(b); 1: 85 96. Castrén E, Tiihonen J, Männistö P. Mitä uutta neurofarmakologiasta? Duodecim 1998; 114: 993 1001. Cheng H, Cao Y, Olson L. Spinal cord repair in adult paraplegic rats: partial restoration of hind limb function. Science 1996; 273: 510 3. Davies S J, Fitch M T, Memberg S P, Hall A K, Raisman G, Silver J. Regeneration of adult axons in white matter tracts of the central nervous system. Nature 1997; 390: 680 3. Fisher L. Neural precursor cells: applications for the study and repair of the central nervous system. Neurobiol Dis 1997; 4: 1 22. Flanagan J G, Vanderhaeghen P. The ephrins and Eph receptors in neural development. Ann Rev Neurosci 1998; 21: 3090 45. Gage F H, Ray J, Fisher L J. Isolation, characterization, and use of stem cells from the CNS. Annu Rev Neurosci 1995; 18: 159 92. Hefti F. Nerve growth factor promotes survival of spetal cholinergic neuronsafter fimbrial transection. J Neurosci 1986; 6: 2155 62. Johansson C B, Momma S, Clarke D L, Risling M, Lendahl U, Frisén J. Identification of a neural stem cell in the adult mammalian central nervous system. Cell 1999; 96: 25 34. Lindholm D. Kasvutekijä hermoston kehityksen säätelijöinä. Duodecim 1990; 106: 1501 7. Lindholm D, Castrén E, Berzaghi M, Blochl A, Thoenen H. Activitydependent and hormonal regulation of neurothrophin mrna levels in the brain implications for neuronal plasticity. J Neurobiol 1994; 25: 1362 72. Lindholm D, Castrén E, Kiefer R, Zafra F, Thoenen H. Transforming growth factor-β2 in rat brain: Increase after injury and inhibition of astrocyte proliferation. J Cell Biol 1992; 117: 395 400. Olson L. Regeneration in the adult central nervous system: experimental repair stragegies. Nat Med 1997; 3: 1329 35. Schnell L, Schneider R, Kolbeck R, Barde Y A, Schwab M E. Neurotrophin-3 enhances sprouting of corticospinal tract during development and after adult spinal cord lesion. Nature 1994; 367: 170 3. Schnell L, Schwab M E. Axonal regeneration in the rat spinal cord produced by an antibody against myelin-associated neurite growth inhibitors. Nature 1990; 343: 269 72. Schwab M E, Bartholdi D. Degeneration and regeneration of axons in the lesioned spinal cord. Physiol Rev 1996; 76: 319 70. Schwab M E, Thoenen H. Dissociated neurons regenerate in to sciatic but not optic nerve explants in culture irrespective of enurotrophic factors. J Neurosci 1985; 5: 2415 23. Suhonen J O, Peterson D A, Ray J, Gage F H. Differentiation of adult hippocampus-derived progenitors in olfactory neurons in vivo. Nature 1996; 383: 624 7. Tatagiba M, Brosamle C, Schwab M E. Regeneration of injured axons in the adult mammalian central nervous system. Neurosurgery 1997; 40: 541 6. Tessier-Lavigne M, Goodman C. The molecular biology of axon guidance. Science 1996; 274: 1123 33. Thallmair M, Metz G A S, Z Graggen W J, Raitenau O, Gartje G L, Schwab M E. Neurite growth inhibitor restrict plasticity and functional recovery following corticospinal tract lesion. Nature Neurosci 1998; 1: 124 31. EERO CASTRÉN, professori eero.castren@uku.fi Kuopion yliopisto, A. I. Virtanen -instituutti PL 1627 70211 Kuopio DAN LINDHOLM, professori dan.lindholm@bmc.uu.se Uppsala Universitet, Institution för Neurovetenskap, Enhet för neurobiologi Box 587, 751 23 Uppsala Ruotsi 582