Valutazione delle misure di esito della connettività dell'unità motoria del diaframma di ratto come biomarcatori quantitativi della degenerazione e della compensazione del motoneurone frenico

I motoneuroni frenici (MN), che si estendono dai livelli di miotomo C3 a C6, formano l’ultimo collegamento dal sistema nervoso centrale (SNC) al muscolo diaframma¹. Le unità motorie freniche (MU) sono costituite da un singolo MN spinale e dalle sue fibre muscolari del diaframma innervate che formano la più piccola unità funzionale del sistema neuromuscolare respiratorio. La funzione ventilatoria richiede un’adeguata contrazione del muscolo diaframma ottenuta attraverso l’attivazione coordinata del pool frenico di MU ^2,3. Molte malattie neurologiche, tra cui la sclerosi laterale amiotrofica (SLA), provocano una grave compromissione ventilatoria, contribuendo in ultima analisi alla causa della morte⁴.

Diversi approcci elettrofisiologici possono essere impiegati per valutare e monitorare l’integrità del pool di unità motorie (MU) in vivo. Il potenziale d’azione muscolare composto (CMAP) riflette la depolarizzazione sommata di tutte le fibre muscolari in un muscolo specifico o gruppo muscolare dopo la stimolazione dei nervi periferici ed è sensibile a una serie di condizioni neuromuscolari, tra cui la SLA ^5,6 e l’atrofia muscolare spinale (SMA)^7,8,9. Una limitazione della valutazione CMAP è che la germinazione collaterale può portare al mantenimento dell’ampiezza e dell’area CMAP anche in presenza di perdita di MU¹⁰. Per superare questa limitazione, sono state apportate modifiche alla tecnica CMAP per valutare sia il numero dell’unità motoria che la taglia¹¹. Inoltre, uno studio in vivo che ha indagato la valutazione funzionale della CMAP del diaframma mediante un sistema elettrofisiologico ha suggerito che potrebbe anche essere fattibile utilizzare la tecnica di registrazione CMAP del diaframma descritta per la stima del numero di unità motorie¹².

La tecnica di stima incrementale del numero di unità motorie (MUNE) è stata inizialmente introdotta nei primi anni ’70 da McComas et al. per il muscolo estensore breve delle dita nell’uomo¹³. L’approccio incrementale MUNE è stato una modifica della tradizionale tecnica di registrazione CMAP durante la quale è stata erogata una stimolazione gradualmente crescente per registrare incrementi quantistici, tutti o nessuno, submassimali come indici delle risposte di singole unità motorie. Gli incrementi sommati e medi sono stati utilizzati per calcolare una stima della dimensione di un potenziale di una singola unità motoria (SMUP). Questa dimensione calcolata è stata poi divisa nell’ampiezza CMAP per stimare il numero di MU che innervano il muscolo in esame¹¹. MUNE dimostra un’elevata sensibilità nel rilevare e monitorare la perdita di unità motorie, consentendo l’identificazione della disfunzione dell’unità motoria prima di cambiamenti osservabili in misure come l’ampiezza CMAP o l’area^14,15. Nei pazienti affetti da SLA, MUNE ha dimostrato di essere eccezionalmente sensibile, fungendo da importante biomarcatore per l’insorgenza, la progressione e la prognosi della malattia^16,17.

Numerosi adattamenti di MUNE sono stati sviluppati e ampiamente utilizzati per valutare la funzione MU in condizioni come la neurodegenerazione, il danno neurale e il naturale processo di invecchiamento 18,19,20,21. Dalla descrizione iniziale, vari adattamenti che utilizzano sia le risposte elettrofisiologiche che le misurazioni della forza incrementale (meccanica) sono stati impiegati sia negli studi sull’uomo che nei modelli animali²². MUNE fornisce una valutazione funzionale non invasiva della connettività dei motoneuroni con il muscolo. L’applicazione longitudinale di MUNE consente la comprensione della progressione della malattia o del fenotipo indotto e la valutazione degli effetti protettivi o rigenerativi degli interventi terapeutici, sia in ambito clinico che preclinico. Indipendentemente dall’efficacia delle misure MUNE e dalla rilevanza clinica della tecnica per i pool di MU nella maggior parte del corpo umano, gli sforzi si sono in gran parte concentrati sui muscoli degli arti nei muscoli dei roditori 10,23,24,25.

Pertanto, gli obiettivi di questo studio erano descrivere un approccio per ottenere il potenziale d’azione muscolare composto (CMAP), SMUP e il numero di unità motorie freniche (MUNE) come valutazioni in vivo che possono essere utilizzate longitudinalmente negli studi preclinici sui roditori per quantificare il MUNE, la dimensione dell’unità motoria (rappresentata come SMUP) e il CMAP. Inoltre, presentiamo dati rappresentativi che evidenziano la perdita del numero di MU del diaframma in seguito alla somministrazione intrapleurica di un agente degenerativo frenico MN, il frammento della tossina B del colera coniugato alla saporina (CTB-SAP).