Axonal hyperpolarization in amyotrophic lateral sclerosis

Tese de mestrado, Neurociências, Faculdade de Medicina, Universidade de Lisboa, 2015Background: Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a progressive fatal neurodegenerative disorder of uncertain pathogenesis. Nerve excitability examination (Threshold Tracking) is a novel method that complements conventional nerve conduction studies. This technique provides insight into peripheral nerve function and the physiological mechanisms underlying axonal membrane properties. Our aim is to study the effect of contraction on ion channels function of peripheral axons in ALS patients, in muscles with different degree of motor unit loss. Methods: We examined the median nerve of 10 healthy controls and 22 ALS patients divided in 2 groups according to the M-wave peak-tobaseline amplitude of the ABP response (ALS group 1 > median value, ALS group 2 < median value) using the automated threshold-tacking program, QTRAC. Differences in baseline values were tested through the One-way analysis of variance (ANOVA), ALS group 1 vs ALS group 2 vs controls. Paired-t test was applied to compare results before and after intervention (contraction) in each group. Results: No significant differences in demographic characteristics were found among groups: age, disease duration, gender (p>0.05). At baseline, values were not significantly different among the three groups for all the measurements investigated. In the group of healthy controls, comparing measurements before and after exercise did show a significantly smaller resting I/V slope (p<0.001), greater threshold changes in TEd peak and TEd20 (peak) – (p<0.000 and p=0.001, respectively) and reduced refractoriness at 2 ms (p=0.001), after exercise. In ALS group 1, we observed a statistically significant reduction in the relative refractory period, as well in the refractoriness at 2 and 2.5 ms (p=0.001 for all). Moreover, the superexcitability at 5 ms was significantly increased (p=0.001), following contraction. In ALS patients group 2, the only change observed was a significant threshold reduction during the early phases of hyperpolarization, TEh (10-20 ms) - (p<0.001). Conclusion: Changes in agreement with hyperpolarization was observed in controls after exercise, as expected. In ALS patients, our observations suggest a dysfunctional Na+/K+ pump, in particular in weak muscles. This might imply that in weak muscles, exercise in can be detrimental to axons, which are unable to compensate for repeated depolarization.Introdução: A esclerose lateral amiotrófica (ELA) é uma doença neurodegenerativa progressiva e fatal. Na sua forma clássica a ELA afeta os neurônios motores em duas ou mais regiões do corpo. Atinge o segundo neurónio motor que reside no corno anterior da medula espinhal e tronco cerebral, assim como o primeiro neurónio motor presente no córtex. A idade de início é variável, tipicamente ocorre pelos 58-63 anos. É uma doença com relativa baixa incidência, mas com prognóstico reservado, dado que 50% dos doentes morrem nos 30 meses após o início dos sintomas. Na ausência de um marcador biológico estabelecido, o diagnóstico é essencialmente clínico, dependente da demonstração de sinais do 1º e do 2º neurónio. No entanto, a electromiografia é especialmente importante neste contexto, dado poder revelar envolvimento do 2º neurônio motor em músculos clinicamente normais. O principal fator que leva ao defeito funcional na ELA é a fraqueza muscular devida à perda de neurônios motores. Assim, intervenções que possam aumentar a força em músculos preservados, como o exercício, poderia preservar a função e, possivelmente, ter impacto na sobrevida do doente. No entanto, por outro lado, o exercício poderá condicionar o esgotamento de unidades motoras disfuncionais e, assim, ter um efeito lesivo. No entanto, não existem dados robustos na literatura que esclareçam esta controversia. O estudo de condução nervosa convencional, apesar de ser o gold standard para estudo do nervo periférico, fornece pouca informação sobre a excitabilidade da membrana axonal. O threshold tracking é uma técnica complexa, recente, que permite o estudo da excitabilidade dos axónios, desta forma complementando os estudos convencionais da condução nervosa convencionais. Em particular, esta técnica esclarece os mecanismos fisiológicos subjacentes às propriedades da membrana axonal, como por exemplo o estudo dos diferentes canais iônicos, e da eficácia da bomba-sódio-potássio, ativada por despolarizações repetidas. Já foram realizados alguns estudos sobre a excitabilidade axonal em doentes com ELA. O objectivo do nosso trabalho é estudar o efeito do exercício (contração muscular) na função dos canais iônicos dos axónios periféricos, em músculos com diferentes graus de perda de unidades motoras, desta forma esclarecendo a função da bomba-sódio-potássio subjacente ao processo de hiperpolarização. Métodos: Foram examinados 10 controlos saudáveis e 22 doentes com o diagnóstico de ELA, sendo estes divididos em 2 grupos de acordo com a amplitude da resposta motora por estimulação do nervo mediano com captação no músculo abductor curto do polegar (ELA grupo 1 superior à mediana, ELA grupo 2 inferior à mediana, definida a amplitude como o pico-à-linha-de-base) ou de acordo com a força muscular. Neste protocolo foi estudado o segmento do nervo mediano no punho, antes e depois da contração máxima do músculo abductor curto do polegar (1 minuto, antes de cada teste), com o uso do programa automático QTRACT. As variáveis estudadas foram: strength-duration time constant; reobase; threshold electrotonus; no recovery-cycle; current threshold. Para determinar diferenças nas avaliações iniciais entre os três grupos (ELA grupo 1, ELA grupo 2 e controlos) foi utilizado o teste one-way (ANOVA). O teste t-student emparelhado foi aplicado comparar em cada grupo os resultados antes e depois da intervenção (contracção muscular). O estudo foi aprovado pela comissão de ética da Faculdade de Medicina da Universidade de Lisboa-CHLN. Resultados: No grupo de doentes com ELA 13 eram do sexo feminino, a mediana da idade de início foi de 58,5 anos (variando de 38 a 76), a mediana da duração da doença foi de 11,5 meses (variando de 4 a 36), a forma de início foi bulbar (disartria) em nove doentes, em cinco a doença teve início nos membros superiores e em oito doentes nos membros inferiores. Todos os doentes estavam sob tratamento com riluzol. A população de controle de 10 indivíduos tinha uma idade mediana de 51,9 (variando de 30 a 70 anos). Não se observaram diferenças significativas relativamente às características demográficas entre os dois grupos de ELA, em particular quanto à idade, duração da doença e sexo (p>0,05). Na avaliação inicial não foram encontradas diferenças significativas entre os três grupos para todos os parâmetros investigados. Comparando nos diferentes grupos as alterações promovidas pela contração muscular, no grupo de controles saudáveis o estudo evidenciou uma redução do resting I/V slope após o exercício (p<0,001), assim como um aumento no limiar na TEd pico e TEd20 (pico) - p<0,000 e p = 0,001, respectivamente. Relativamente à refratoriedade aos 2 ms, esta foi significativamente menor após o exercício (p = 0,001). No grupo ELA 1 observou-se uma redução estatisticamente significativa no período refractário relativo e na refratoriedade aos 2 e 2,5 ms (p=0,001), para além de um aumento na superexcitabilidade aos 5 ms (p = 0,001). No grupo 2 dos doentes com ELA a única alteração significativa observada foi uma redução (p