Erik Walbeehm – The Role Of The Proximal Segment In Perpheral Nerve Regeneration
SUMMARY:
The role of the proximal segment in peripheral nerve regeneration has been viewed as a membranous pipe, transporting building blocks from the cell body to the growth cone. Previous research demonstrated that there were undeniably changes in the proximal segment following nerve injury. These changes involved a decrease in number of axons from 5-7%, a decrease in axonal diameter, a decrease in peak-peak amplitude of compound action potentials, decreases in conduction velocity. Furthermore, crushing a nerve produced less dramatic changes then transection and subsequent reconstruction.
When a transection and reconstruction model, utilising the common peroneal nerve in rabbits, was evaluated using magnetoneurography (MNG) a very consistent 55-65% decrease in peak-peak amplitude was found. This decrease was still measurable up to 36 weeks following the transection and reconstruction. A decrease in conduction velocity was measurable up to eight weeks post-reconstruction but normalised at twelve weeks.
For this thesis, the decrease in peak-peak amplitude was compared to conduction velocity and function recovery, demonstrating a significant decrease in signal amplitude and CV in the first 8 weeks after reconstruction. After 8 weeks of regeneration time, motor function and the CV of the recorded signals start to recover, but the signal amplitudes did not. This remained the same until 36 weeks. It was suggested that a number of the axons, not reaching a proper target organ lost their signal-conducting capability.
When comparing electrophysiological parameters to myelinated axon counts, a correlation was found between the decrease in peak-peak amplitude and the decrease in larger, myelinated axons. The larger the diameter of an axon, the higher its peak-peak amplitude and this implied that the decrease in peak-peak amplitude could be explained by the decrease in larger axons.
Comparing the results of 72 proximal segments in order to clarify whether the changes in the proximal segment could be influenced by the type of repair, demonstrated that delaying a repair for 24 hrs actually resulted in a lesser decrease in peak-peak amplitude. This could not be corroborated for the distal segment in a following chapter.
To determine the “quality” of a repair the distal/proximal ratio was calculated. This ratio is an indication of the fibres that have actually crossed a repair. This was tested by comparing two types of injury, a crush injury with a transection and reconstruction, with known different outcome. This showed a higher d/p ratio for the crush injury, even though the proximal segment also showed a higher peak-peak amplitude. It was concluded that the d/p ratio is a measure of regeneration across a repair, but to reach a conclusion the peak-peak amplitude of the proximal segment needs to be taken in consideration also.
After injury to a nerve, the nerve ends retract. Sometimes the ends cannot be sutured together without creating tension. Consequently a nerve graft is used, to reduce that tension. A primary repair, however, produces better results then a nerve graft. To understand the effects of tension on a nerve repair, the mechanism of how a normal peripheral nerve deals with longitudinal tension needed clarification first.
On excision, nerve segments shortened by 10-15%. That mechanism was structural-, rather then cell based. Stretching the nerve demonstrated that an intact nerve has different properties then an excised nerve. Furthermore, nerve segments absorbed more water without epineurium, than with intact epineurium. Based on these results a three layer composite model was hypothesised demonstrating how a nerve deals with longitudinal tension.
Following this paper an interest rose in the strength of the separate layers, gliding layers of the nerve and the endoneurial swelling pressure. Stretching the core showed this was the weakest structure of the nerve. It furthermore appeared that the interface between sheath and core was not a free gliding layer but demonstrated an interface break strength at about 50% of the core break strength, suggesting a ruture sequence of interface gliding, core rupture and sheath rupture. The endoneurial fluid pressure disappeared by 60 min post mortem. This contradicted the notion that the pressure was proteoglycan based but rather metabolically maintained, in combination with epineurial impermeability. Furthermore, based on the results of the last two papers, it appears that the whole nerve is stronger than the sum of its parts.
SAMENVATTING:
De rol van het proximale segment in perifere zenuwregeneratie werd gezien als een membraneuze pijp die bouwstenen aanlevert van het cellichaam voor de “growth cone”. Eerder onderzoek toonde al aan dat er onweerlegbare veranderingen waren in het proximale segment, na zenuwletsel. Deze veranderingen omvatten een 5-7% afname van aantal vezels, een afname in piek-piek amplitude van de samengestelde actiepotentialen en een afname van de geleidingssnelheid van de zenuw. Een crush letsel gaf dezelfde veranderingen alleen in mindere mate. In eerder onderzoek waarin een transsectie en reconstructie model vande nervus peroneus longus bij konijnen werd gebruikt en geëvalueerd middels magnetische neurografie (MNG), werd een consistente 55-65% afname gezien van piek-piek amplitude.
Voor dit proefschrift werd de afname in piek-piek amplitude vergeleken met geleidingssnelheid en functie herstel. Dit liet een afname van piek-piek amplitude zien en een afname van geleidingssnelheid tot 8 weken. Na 8 weken regeneratie tijd herstelden motor functie en geleidingssnelheid zich, maar piek-piek amplitude bleef verlaagd. Dit bleef hetzelfde tot 36 weken. De hypothese was dat een aantal axonen hun geleidingsvermogen verloren.
Vervolgens werden de elektrofysiologische parameters, in hetzelfde model, vergeleken met histologische tellingen van gemyeliniseerde axonen. Er werd een goede correlatie gevonden tussen de afname van piek-piek amplitude en afname van de grotere axonen (tussen 10 en 15 mm). Omdat de piek-piek amplitude quadratisch toeneemt met de diameter, werd geconcludeerd dat de afname in piek-piek amplitude met name lag aan de afname in grotere axonen.
In een vergelijking van 72 proximale segmenten na verschillende types herstel kon worden geconcludeerd dat het type herstel geen verschil gaf, maar een 24 uurs uitstel gaf een mindere afname in piek-piek amplitude. Dit kon niet worden aangetoond voor het distale segment in een volgende studie.
Om de kwaliteit van een zenuwnaad te bepalen werd de distaal/proximaal ratio bepaald. Deze ratio geeft een indicatie van het aantal vezels dat over een naad heen is gegroeid. Om dit te testen werden twee types zenuwletsel, een crush en een transsectie en reconstructie, met bekende uitkomst met elkaar vergeleken.
Het crush letsel toonde een hogere d/p ratio, ondanks dat de piek-piek amplitude in het proximale segment ook verhoogd was. Er werd geconcludeerd dat de d/p ratio een maat geeft voor regeneratie over een zenuwnaad, maar dat om conclusies te kunnen trekken de piek-piek amplitude in het proximale segment ook in ogenschouw genomen moet worden
Na een doorsnijding van een zenuw trekken de zenuweinden terug. Dit kan spanning geven bij het weer aan elkaar hechten van de uiteinden, met name enkele dagen na het trauma. Als gevolg daaarvan moet er een zenuwtranplantaat gebruikt worden om de spanning te neutraliseren. Het herstel van een primaire zenuwnaad is echter beter dan dat van een transplantaat. Om de effecten van spanning op een zenuwnaad beter te begrijpen, moet eerst begrepen worden hoe een zenuw met longitudinale spanning omgaat.Een zenuwsegment verkleinde 10-15% na doorsnijding. Dat mechanisme bleek eerder op structurele eigenschappen te bestaan dan op celcontractie. Tevens werd gevonden date en intacte zenuw znders met spanning omgaat dan een een doorgesneden zenuw.. Het epineurium bleek een barriere voor wateropname van de zenuw. Op basis van deze resultaten werd een drie lagig model gepostuleerd.
Hierop volgend werd de sterkte van de verschillende lagen onderzocht, de interfaces tussen de lagen geanalyseerd en gekeken naar het mechanisme van de endoneuriale vloeistof druk.
De rekexperimenten toonden aan dat de kern ((endoneurium met axonen) de zwakste structuur was. Tevens was er geen echte glijlaag tussen de kern en het epineurium, maar was er ongeveer 50% van de breeksterkte van de kern nodig om de lagen te scheiden. Dit suggereert een breek volgorde van interface, kern, epineurium. De endoneuriale vloeistof druk verdween na 60 minuten post-mortem. Dit was in contradictie met een proteoglycan gebaseerd mechanisme en indiceert meer een metabool ondersteund process, in combinatie met epineurale impermeabiliteit. Op basis van de trekresultaten van de laatste twee papers is de gehele zenuw sterker dan de som van de delen.