Beoordeling van de connectiviteitsuitkomstmaten van de motoreenheid van het rattendiafragma als kwantitatieve biomarkers van degeneratie en compensatie van phrenische motorneuronen

Phrenische motorneuronen (MN’s), die zich uitstrekken van C3- tot C6-myotoomniveaus, vormen de laatste schakel van het centrale zenuwstelsel (CZS) naar de middenrifspier¹. Phrenische motorische eenheden (MU’s) bestaan uit een enkele spinale MN en zijn geïnnerveerde middenrifspiervezels die de kleinste functionele eenheid van het respiratoire neuromusculaire systeem vormen. De beademingsfunctie vereist een adequate samentrekking van de middenrifspier, bereikt door gecoördineerde activering van de phrenic MU-pool ^2,3. Veel neurologische aandoeningen, waaronder amyotrofische laterale sclerose (ALS), leiden tot ernstige ademhalingsstoornissen en dragen uiteindelijk bij aan^{de doodsoorzaak}.

Er kunnen verschillende elektrofysiologische benaderingen worden gebruikt om de integriteit van de pool van de motoreenheid (MU) in vivo te evalueren en te bewaken. Samengesteld spieractiepotentiaal (CMAP) weerspiegelt de samengevatte depolarisatie van alle spiervezels in een specifieke spier of spiergroep na perifere zenuwstimulatie en is gevoelig voor een reeks neuromusculaire aandoeningen, waaronder ALS ^5,6 en spinale musculaire atrofie (SMA) ^7,8,9. Een beperking van CMAP-beoordeling is dat collaterale ontkieming kan leiden tot een gehandhaafde CMAP-amplitude en -oppervlakte, zelfs in aanwezigheid van MU-verlies¹⁰. Om deze beperking te overwinnen, zijn er wijzigingen aangebracht in de CMAP-techniek om zowel het aantal motoreenheden als maat¹¹ te evalueren. Bovendien suggereerde een in vivo studie naar de functionele beoordeling van membraan CMAP door een elektrofysiologisch systeem dat het ook haalbaar zou kunnen zijn om de beschreven membraan CMAP-registratietechniek te gebruiken voor het schatten van het aantal motoreenheden¹².

De techniek van de incrementele schatting van het aantal motorische eenheden (MUNE) werd voor het eerst geïntroduceerd in de vroege jaren 1970 door McComas et al. voor de extensor digitorum brevis-spier bij mensen¹³. De incrementele MUNE-benadering was een modificatie van de traditionele CMAP-opnametechniek waarbij een geleidelijk toenemende stimulatie werd toegediend om kwantische, alles-of-geen submaximale stappen vast te leggen als indices van responsen van enkelvoudige motoreenheden. De opgetelde en gemiddelde stappen werden gebruikt om een schatting te maken van de grootte van een enkele motoreenheidspotentiaal (SMUP). Deze berekende grootte werd vervolgens verdeeld in de CMAP-amplitude om het aantal MU’s te schatten dat de spier in onderzoek¹¹ innerverteert. MUNE vertoont een hoge gevoeligheid bij het detecteren en bewaken van verlies van de motoreenheid, waardoor disfunctie van de motoreenheid kan worden geïdentificeerd voordat waarneembare veranderingen in maatregelen zoals CMAP-amplitude of gebied^14,15 worden waargenomen. Bij ALS-patiënten is bewezen dat MUNE uitzonderlijk gevoelig is en dient als een prominente biomarker voor het begin, de progressie en de prognose van de ziekte^16,17.

Er zijn talloze aanpassingen van MUNE ontwikkeld en op grote schaal gebruikt om de MU-functie te beoordelen bij aandoeningen zoals neurodegeneratie, neuraal letsel en het natuurlijke verouderingsproces 18,19,20,21. Sinds de eerste beschrijving zijn verschillende aanpassingen waarbij gebruik wordt gemaakt van zowel elektrofysiologische reacties als incrementele kracht (mechanische) metingen toegepast in zowel menselijke studies als diermodellen²². MUNE biedt een niet-invasieve functionele beoordeling van de connectiviteit van motorneuronen met de spier. Longitudinale toepassing van MUNE maakt het mogelijk om de progressie van ziekte of geïnduceerde fenotypes te begrijpen en de beschermende of regeneratieve effecten van therapeutische interventies te evalueren, zowel in klinische als preklinische omgevingen. Ongeacht de effectiviteit van MUNE meet reproduceerbaarheid en de klinische relevantie van de techniek voor MU-pools in het grootste deel van het menselijk lichaam, zijn de inspanningen grotendeels gericht op ledemaatspieren in knaagdierspieren 10,23,24,25.

Daarom waren de doelstellingen van deze studie het beschrijven van een benadering voor het verkrijgen van samengesteld spieractiepotentieel (CMAP), SMUP en phrenic motor unit number (MUNE) als in vivo beoordelingen die longitudinaal kunnen worden gebruikt in preklinische knaagdierstudies om de MUNE, de grootte van de motoreenheid (weergegeven als SMUP) en CMAP te kwantificeren. Verder presenteren we representatieve gegevens die het verlies van het middenrif MU-nummer benadrukken na intrapleurale toediening van een freen MN-degeneratief middel, choleratoxine B-fragment geconjugeerd aan saporine (CTB-SAP).