Introduction

Amyotrofická laterální skleróza (ALS) je progresivní onemocnění charakterizované postižením horních i dolních motorických neuronů (UMN a LMN). U ALS postihuje úbytek svalů přednostně abductor pollicis brevis (APB) a první dorzální interosseus s relativním zachováním abductor digiti minimi (ADM). Tento specifický rys ALS byl označen jako “split-hand” (Wilbourn, 2000). Obecně je rozsah ztráty motorických jednotek u pacientů s ALS výrazně větší v APB než v ADM (Kuwabara et al., 1999). Bylo navrženo, že za různou mírou atrofie malých svalů ruky u ALS stojí jak kortikální, tak periferní mechanismy (Weber et al., 2000; Shibuya et al., 2013). Výsledky studií transkraniální magnetické stimulace ukázaly, že kortikomotoneuronální vstup do míšních motoneuronů inervujících thenární komplex je u normálních účastníků rozsáhlejší (Macdonell et al., 1999; Menon et al., 2014). Takový rozdíl ve vstupech by mohl způsobit, že tyto spinální motoneurony u ALS přednostně degenerují prostřednictvím transsynaptického anterográdního excitotoxického mechanismu. Kortikomotoneuronální projekce do thenárního komplexu jsou u ALS přednostně postiženy, což naznačuje, že kortikomotoneuronální dysfunkce přispívá ke znaku rozdvojené ruky u ALS (Weber et al., 2000). Studie excitability periferních nervů naznačují, že axony motoneuronu inervující APB jsou u ALS hyperexcitabilní a náchylné k degeneraci (Vucic a Kiernan, 2010; Shibuya et al., 2013). Dosud však existuje jen málo studií, které by přímo porovnávaly dysfunkci nebo excitabilitu motoneuronů inervujících APB a ADM. Vlna F je pozdní a nízkoamplitudová odpověď, která odráží antidromní aktivaci motoneuronů (Pastore-Olmedo et al., 2009). F-vlny mohou poskytovat nezávislé měřítko excitability segmentálních motoneuronů (Fisher, 1992; Milanov, 1992; Hachisuka et al., 2015). Hlavním cílem této studie bylo prozkoumat rozdíly v dysfunkci míšních motoneuronů inervujících APB a ADM u ALS pomocí F-vln.

Materiál a metody

Účastníci

Studovali jsme 40 pacientů se sporadickou ALS a 20 normálních účastníků odpovídajícího věku a pohlaví. Všichni pacienti byli vyšetřeni na neurologickém oddělení Peking Union Medical College Hospital v období od srpna 2013 do června 2014. Do studie byli postupně zařazeni pacienti s ALS, kteří splňovali modifikovaná El Escorialova kritéria pro definitivní, pravděpodobnou nebo laboratorně potvrzenou ALS (Brooks et al., 2000). U těchto pacientů byla analyzována různá elektrofyziologická vyšetření a klinické charakteristiky, jako je věk při zařazení a doba od vzniku příznaků. U žádného z pacientů s ALS nebyla zjištěna genetická mutace. Na postižení UMN horních končetin ukazovala přítomnost klonusu, zvýšeného tonu, rychlých šlachových reflexů a pozitivních Hoffmanových příznaků. Pacienti s ALS byli na základě fyzických příznaků zařazeni do dvou skupin. Pacienti ve skupině 1 (20 pacientů s ALS) měli ochablost a slabost vnitřních svalů ruky. Pacienti ve skupině 2 (20 pacientů s ALS) nevykazovali žádné ochabnutí ani slabost vnitřních svalů ruky a vykazovali buď žádné, nebo mírné postižení diskrétních pohybů prstů. Údaje pro více postiženou ruku byly analyzovány u pacientů s ALS ve skupině 1, zatímco údaje pro více intaktní ruku byly analyzovány u pacientů s ALS ve skupině 2. Údaje pro levou ruku byly analyzovány u normálních kontrol (NC). Pacienti s ALS byli klinicky klasifikováni pomocí funkční škály ALS functional rating scale-revised (ALSFRS-R; Cedarbaum et al., 1999) a rozděleni do kategorií podle místa vzniku onemocnění. Elektrodiagnostické znaky všech pacientů s ALS odpovídaly difuzní a progresivní degeneraci buněk předních rohů. V době šetření žádný z pacientů neužíval riluzol ani jiné antispastické léky. Účastníci s koincidenčním syndromem karpálního nebo kubitálního tunelu na základě klinického vyšetření a studií nervového vedení byli vyloučeni. Všechny subjekty poskytly informovaný písemný souhlas s účastí ve vyšetřování. Studie byla schválena etickou komisí pro klinický výzkum Peking Union Medical College Hospital (Peking, Čína) a všechny postupy byly provedeny v souladu s Helsinskou deklarací.

Studie vedení nervů

Elektrofyziologické testy byly provedeny pomocí elektromyografického (EEG) systému Viking IV (Nicolet Biomedical, Madison, WI, USA). Složené svalové akční potenciály (CMAP) byly zaznamenány ze svalů APB a ADM po stimulaci středového nebo loketního nervu na zápěstí. Teplota kůže studovaných končetin byla udržována na >32 °C. Byla měřena distální motorická latence (DML), amplituda CMAP od vrcholu k vrcholu, rychlost motorického vedení (MCV) a poměr amplitud CMAP ADM/APB.

Studie vlny F

Všichni účastníci byli po celou dobu experimentu v poloze na zádech a uvolnění. F-vlny středového a loketního nervu byly zaznamenány pomocí povrchových elektrod připevněných na kůži nad svaly APB a ADM. Studované nervy byly stimulovány podáním 100 supramaximálních podnětů o frekvenci 1 Hz v místě, které bylo 7 cm proximálně od aktivní záznamové elektrody s katodou proximálně od anody. Celkem 100 podnětů bylo považováno za vhodné pro zkoumání celého potenciálu F-vln (Fisher et al., 1994). Nastavení filtru bylo 20 Hz až 10 kHz, rychlost promítání byla 5 ms na oddíl a zesílení zesilovače bylo 0,5 mV na oddíl. Vlny A, které byly definovány jako identické pozdní odpovědi s konstantní latencí, které se vyskytly alespoň v 8 z 20 stop, byly ze studie vln F vyloučeny (Puksa et al., 2003). Byly analyzovány následující parametry vln F: minimální latence, průměrná latence, maximální latence, perzistence vln F, průměrná amplituda, průměrný poměr amplitudy F/M a počet opakujících se F-vln. Amplituda F-vlny od vrcholu k vrcholu byla měřena, pokud byla amplituda alespoň 40 μV. Poměr průměrné amplitudy F/M byl vypočten vydělením průměrné amplitudy vlny F odpovídající maximální amplitudou CMAP. Opakující se neuron (RN) byl neuron, který vyvolal sérii vln F se stejnou latencí, amplitudou a tvarem, a tyto vlny F byly definovány jako opakující se vlny F. Vlny F byly definovány jako opakující se. RN a opakovací F-vlny byly detekovány vizuální kontrolou a byly ručně superponovány na ostatní opakovací F-vlny. Opakovací F-vlny byly měřeny pomocí následujících indexů: index RN = 100 × počet RN/počet stop s různými tvary F-vln v sérii 100 podnětů; index opakovacích F-vln (Freps) = 100 × počet opakovacích F-vln/celkový počet stop s F-vlnami ve stejném nervu (Chroni et al., 2012).

Statistické analýzy

K posouzení normality dat byl použit Shapiro-Wilkův test. Pokud hodnota P při analýze rozptylu dosáhla významnosti, byl proveden Student-Newman-Keulsův test. K posouzení rozdílů mezi dvěma skupinami byl použit t-test nezávislého výběru. U neparametrických údajů bylo porovnání mezi skupinami provedeno pomocí Kruskal-Wallisova H testu. Po zamítnutí nulové hypotézy bylo párové porovnání skupin testováno pomocí Mannova-Whitneyho U testu a Bonferroniho korekce s hladinou významnosti P < 0,017. Rozdíly v kategoriálních proměnných byly zkoumány pomocí Chí-kvadrát testu. Statistická významnost byla stanovena na P < 0,05. Ke statistickým analýzám byl použit program SPSS for Windows, verze 21.0 (SPSS, Inc., Chicago, IL, USA).

Výsledky

Klinické profily pacientů s ALS a účastníků NC jsou shrnuty v tabulce 1. V tabulce 1 jsou uvedeny klinické profily pacientů s ALS a účastníků NC. U všech pacientů s ALS klinicky převažovala LMN. Věk při vyšetření, poměr pohlaví a výška byly ve všech třech skupinách srovnatelné. Mezi pacienty s ALS tvořilo onemocnění se začátkem na horních končetinách 70 % pacientů ve skupině 1 a 25 % pacientů ve skupině 2. Ve skupině 1 bylo 11 pacientů s ALS a 10 pacientů ve skupině 2 se dvěma postiženými oblastmi těla a ve skupině 1 bylo 9 generalizovaných pacientů a 10 pacientů ve skupině 2. Doba trvání onemocnění a skóre ALSFRS-R se mezi pacienty s ALS ve skupinách 1 a 2 významně nelišily.

Tabulka 2 uvádí výsledky studie nervového vedení u pacientů s ALS a NC. Poměr amplitudy ADM/APB CMAP byl u pacientů s ALS ve skupině 1 ve srovnání se skupinou NC významně zvýšený, což bylo pozorováno v souladu se znakem rozdvojené ruky u pacientů s ALS (Kuwabara et al., 2008). Výsledky studie vln F u pacientů s ALS a NC jsou uvedeny v tabulce 3. Průměrná amplituda vlny F pro APB byla významně nižší u skupiny 1 než u skupiny 2, které byly srovnatelné mezi skupinou 2 a NCs. Průměrné amplitudy vln F pro ADM ve skupinách 1 a 2 byly významně zvýšené ve srovnání s amplitudou u NCs. Poměry amplitud F/M APB a ADM ve skupině 1 byly významně vyšší než ve skupině 2 a NCs, zatímco ve skupině 2 a NCs byly poměry amplitud F/M podobné. Perzistence vlny F APB, která byla u pacientů s ALS významně nižší než u NCs, byla mezi skupinami 1 a 2 srovnatelná. Perzistence F-vlny ADM byla u skupiny 1 významně nižší než u skupiny 2 a NCs, zatímco perzistence F-vlny ADM byla u skupiny 2 a NCs podobná. Index RN a index Freps APB byly významně zvýšeny ve skupinách 1 a 2 ve srovnání s NCs, ale tyto indexy byly mezi skupinami 1 a 2 srovnatelné. Index RN a index Freps ADM byly významně vyšší u skupiny 1 než u skupiny 2 a NCs, zatímco skupina 2 a NCs vykazovaly podobné hodnoty těchto indexů. Na obrázku 1 jsou uvedeny reprezentativní příklady stop F-vln pro střední a loketní nerv zaznamenaných u pacientů s ALS ve skupinách 1, 2 a NCs.

Tabulka 4 ukazuje diagnostickou výkonnost vlny F u ALS oproti NC. Vlna F by mohla být použita k odlišení pacientů s ALS od NC. Index RN a index Freps APB se ukázaly být spolehlivými proměnnými pro odlišení pacientů s ALS od NCs, neboť plocha pod křivkou (AUC) pro index RN (0,998, 95% interval spolehlivosti (CI) 0,937-1,000) a index Freps (1,000, 95% CI 0,940-1,000) vykazovaly “velmi dobrou” diagnostickou užitečnost. Zbývající proměnné vlny F měly nižší hodnoty AUC než index RN a index Freps APB, a vykazovaly tak menší diagnostickou užitečnost. Poměr amplitudy ADM/APB CMAP vykazoval AUC 0,766 (95% CI 0,638-0,865, P < 0,001) a mohl mírně odlišit pacienty s ALS od NC. Použití hraniční hodnoty ADM/APB > 1,7 (Kim et al., 2015) pro diagnostiku ALS přineslo střední senzitivitu (52,5 %) a vysokou specificitu (85,0 %) ve srovnání s kontrolami. Ukázalo se, že perzistence vlny F (P = 0,002), index RN (P < 0,001) a index Freps (P < 0,001) v APB odlišují pacienty s ALS od NC robustněji než poměr amplitudy ADM/APB CMAP.

Diskuse

Primárním cílem této studie bylo pomocí měření F-vlny zjistit rozdíly v dysfunkci APB a ADM motoneuronů u pacientů s ALS. Podle navrženého systému stagingu ALS (Roche et al., 2012) byla stadia onemocnění mezi skupinami 1 a 2 srovnatelná. Rozdíl v procentuálním zastoupení nástupu onemocnění horních končetin mezi skupinami 1 a 2 může být základem odlišného vzorce progrese onemocnění mezi oběma skupinami. Odhadovaný počet motorických jednotek a amplitudy CMAP jsou užitečnými parametry pro hodnocení ztráty motoneuronu, zatímco vlna F může být přímou sondou dysfunkce nebo nestability buněk předních rohů (Hachisuka et al., 2015). Perzistence vlny F souvisí s počtem LMN a excitabilitou motoneuronů (Schiller a Stalberg, 1978; de Carvalho et al., 2002; Argyriou et al., 2006). Navrhované mechanismy, které jsou základem opakujících se F-vln, jsou zvýšená excitabilita v určitých buňkách předních rohů, snížená excitabilita v některých motoneuronech nebo ztráta motoneuronů (Schiller a Stalberg, 1978; Petajan, 1985; Peioglou-Harmoussi et al., 1987; Hachisuka et al., 2015). Při ztrátě motoneuronů mohou být opakované F-vlny z jednotlivých motoneuronů snadněji rozpoznatelné; tvrdí se však, že nízká frekvence zpětného vzplanutí jednotlivých motoneuronů činí tento mechanismus spíše nepravděpodobným (Chroni et al., 2012). Z fyziologického hlediska byly zjištěny významné rozdíly v perzistenci F-vln a počtu opakujících se F-vln mezi APB a ADM. Tyto nálezy mohou souviset s nižším počtem funkčních motoneuronů inervujících APB (Gooch et al., 2014) nebo se zvýšenou kortikální inhibiční modulací APB (Menon et al., 2014).

U ALS se dysfunkce spinálních motoneuronů rozvíjí postupně před nástupem zjevných příznaků (Bradley, 1987). V této studii vykazovali pacienti s ALS, u nichž nebylo detekovatelné chřadnutí nebo slabost rukou, významně sníženou perzistenci vln F a vyšší hodnoty indexu RN a indexu Freps pro APB ve srovnání s pacienty s NC. Kromě toho tito pacienti s ALS vykazovali relativně normální hodnoty F-vln v ADM. Tyto údaje jsou v souladu s preferenční dysfunkcí spinálních motoneuronů inervujících APB u ALS (Baumann et al., 2012). U ALS však mohou být míšní motoneurony inervující APB aktivnější než motoneurony inervující ADM a amplituda CMAP nemusí mít dostatečnou citlivost pro detekci ztráty motoneuronu, protože zbývající motoneurony mohou poskytovat kompenzační kolaterální reinervaci denervovaných svalových vláken (van Dijk et al., 2010). Analýza F-vln, zejména F-vln ve středových nervech, by mohla pomoci odhalit jemné změny buněk předních rohů i u pacientů s ALS bez klinických příznaků, a může tak poskytnout užitečný přístup k hodnocení progrese onemocnění.

Ukázalo se, že poškození LMN snižuje amplitudu F-vln (Fisher, 1992). Svalová atrofie může vést ke slabší svalové odpovědi tím, že částečně neutralizuje hyperexcitabilitu motoneuronového poolu (Drory et al., 1993). V této studii vykazovali pacienti s ALS, u nichž se projevoval příznak rozdvojené ruky, významně snížené amplitudy F-vln, sníženou perzistenci F-vln a zvýšený počet opakujících se F-vln v APB ve srovnání s ADM, což pravděpodobně odráží závažnější poškození míšních motoneuronů inervujících APB. Ke zvýšení amplitudy vln F by mohla přispět tvorba velkých postreinervačních motorických jednotek (Drory et al., 2001). Výrazně zvýšená amplituda vlny F v ADM ve srovnání s APB u pacientů s ALS odpovídá pomalejšímu úbytku motoneuronů v motoneuronovém poolu ADM (Baumann et al., 2012). Poměr amplitudy F/M kvantifikuje podíl motoneuronového poolu, který je aktivován během série vln F (Drory et al., 2001). Výrazně zvýšený poměr amplitudy F/M v APB ve srovnání s poměrem v ADM pacientů s ALS odráží zvýšenou tendenci motoneuronů inervujících APB generovat F-vlny. Naopak kombinace snížené průměrné amplitudy vln F a zvýšeného poměru amplitudy F/M v APB zdůrazňuje přednostní zapojení APB u ALS. Opakované F-vlny indikují patologické změny v motorických jednotkách (Hachisuka et al., 2015). Výrazné zvýšení počtu opakovacích F-vln v APB může znamenat vyšší stupeň hyperexcitability v rámci míšních motoneuronů inervujících APB (Fang et al., 2015).

Zajímavé je, že pacienti s ALS, u nichž nebyla detekovatelná atrofie svalů ruky, vykazovali průměrnou amplitudu F-vln pro APB, která byla významně vyšší než u pacientů s ALS, u nichž se projevoval příznak rozdvojené ruky. Průměrná amplituda vlny F pro ADM však byla u obou skupin pacientů s ALS srovnatelná bez ohledu na atrofii svalů ruky, ale u pacientů s ALS byla významně vyšší než u NC. Rozdíly v charakteristikách vlny F mezi APB a ADM lze přičíst konkurenčním účinkům degenerace a regenerace v rámci motorické jednotky. Při degeneraci motorických neuronů přežívající motorické neurony kompenzují reinervaci denervovaných svalových vláken prostřednictvím axonálního klíčení (Ibrahim a el-Abd, 1997). U ALS může proces denervace začít dříve a postupovat rychleji v oblasti thenaru. Rychlost degenerace byla pomalejší u motoneuronů inervujících ADM než u těch, které inervují APB. K objasnění mechanismů, které u ALS přispívají k rozdílům v dysfunkci motoneuronů inervujících APB a ADM, jsou nutné další studie. Předpokládali jsme, že k přednostní degeneraci míšních motoneuronů inervujících APB mohou přispívat kortikální mechanismy, periferní axonální mechanismy nebo míšní segmentální dysfunkce, zejména v míšních inhibičních okruzích (Turner a Kiernan, 2012; Ramírez-Jarquín et al., 2014).

Předchozí výzkum prokázal, že znak rozštěpené ruky je častěji pozorován u ALS a zvýšený poměr amplitudy CMAP ADM/APB je téměř specifický pro ALS. Tato studie prokázala, že neurofyziologické kritérium ADM/APB poměru amplitudy CMAP >1,7 (Kuwabara et al., 2008) má střední senzitivitu a vysokou specificitu při odlišení ALS od NC, což je v souladu s předchozími studiemi (Kim et al., 2015). V této studii by parametry vlny F mohly pomoci spolehlivě odlišit pacienty s ALS od normálních účastníků. Navíc perzistence vlny F, index RN a index Freps v APB mohly spolehlivě odlišit pacienty s ALS od NC, protože tyto míry vykazovaly větší hodnoty AUC než poměr amplitudy ADM/APB CMAP.

Naše analýza má několik omezení. Jednalo se o průřezovou studii a byl do ní zahrnut relativně malý počet účastníků. Ke konkrétnímu určení rozsahu míšní dysfunkce spojené se znakem rozdvojené ruky u ALS je nutná následná studie s větším počtem osob. Dalším potenciálním omezením je absence kontrolní skupiny pacientů, kterou by tvořili pacienti se syndromy napodobujícími ALS. Taková skupina by byla užitečná pro posouzení klinické hodnoty vlny F při rozlišování ALS od poruch, které napodobují ALS. Kromě toho by měly být na stejných skupinách pacientů provedeny další elektrofyziologické studie, které by využívaly metody pro hodnocení dysfunkce UMN a také excitability motorických axonů, aby se více osvětlila patofyziologie tohoto jevu.

Na závěr naše zjištění ukazují rozdíly v charakteristikách vlny F mezi APB a ADM u pacientů s ALS. Tyto změny ve vlnách F jsou charakteristické pro pacienty s ALS a mohou být užitečné pro odlišení ALS od některých poruch, které ALS napodobují. Objasnění patofyziologických mechanismů, které jsou základem rozdílné úrovně atrofie drobných svalů ruky, by vrhlo světlo na patogenezi ALS.

Příspěvky autorů

JF a LC: vymysleli, provedli a navrhli experimenty. JF, LC, ML a YG: analyzovali data. ML, YG, XL, DL, BC, DS a QD: přispěli reagenty/materiály/analytickými nástroji. JF a LC: přispěli k napsání rukopisu.

Prohlášení o střetu zájmů

Autoři prohlašují, že výzkum byl prováděn bez jakýchkoli komerčních nebo finančních vztahů, které by mohly být chápány jako potenciální střet zájmů.

Poděkování

Rádi bychom poděkovali pacientům s ALS a zdravým dobrovolníkům, kteří se zúčastnili této studie.

.