Introduction

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) egy progresszív betegség, amelyet a felső és alsó motoros neuronok (UMN és LMN) érintettsége jellemez. ALS-ben az izomsorvadás elsősorban az abductor pollicis brevis-t (APB) és az első háti interosseus dorsalis-t érinti, az abductor digiti minimi (ADM) relatív megőrzése mellett. Az ALS e sajátosságát “osztott kéz” jelnek nevezték el (Wilbourn, 2000). Általánosságban elmondható, hogy ALS-ben szenvedő betegeknél a motoros egységek elvesztésének mértéke jelentősen nagyobb az APB-ben, mint az ADM-ben (Kuwabara és mtsai., 1999). Mind kérgi, mind perifériás mechanizmusokat javasoltak az ALS-ben a kis kézizmok eltérő mértékű atrófiájának hátterében (Weber és mtsai., 2000; Shibuya és mtsai., 2013). A transzkraniális mágneses stimulációs vizsgálatok eredményei azt mutatták, hogy a thenar komplexet innerváló gerincvelői motoneuronok kortikomotoneuronális bemenete kiterjedtebb a normál résztvevőknél (Macdonell és mtsai., 1999; Menon és mtsai., 2014). A bemenetek ilyen különbsége okozhatja ezen gerincvelői motoneuronok preferenciális degenerációját ALS-ben egy transzszinaptikus anterográd exzitotoxikus mechanizmuson keresztül. A thenar komplexbe irányuló kortikomotoneuronális projekciók előnyösen érintettek ALS-ben, ami arra utal, hogy a kortikomotoneuronális diszfunkció hozzájárul az ALS-ben jelentkező osztott kéz jelhez (Weber és mtsai., 2000). A perifériás idegek ingerlékenységével kapcsolatos vizsgálatok azt sugallták, hogy az APB-t innerváló motoneuron-axonok túlingerelhetők és degenerációra hajlamosak ALS-ben (Vucic és Kiernan, 2010; Shibuya és mtsai., 2013). Mindeddig azonban kevés olyan vizsgálat van, amely közvetlenül összehasonlította volna az APB-t és az ADM-et innerváló motoneuronok diszfunkcióját vagy gerjeszthetőségét. Az F-hullám egy késői és alacsony amplitúdójú válasz, amely a motoneuronok antidromikus aktivációját tükrözi (Pastore-Olmedo et al., 2009). Az F-hullámok a szegmentális motoneuronok gerjeszthetőségének független mérőszámát adhatják (Fisher, 1992; Milanov, 1992; Hachisuka et al., 2015). E vizsgálat elsődleges célja az volt, hogy F-hullámok segítségével megvizsgáljuk az APB-t és az ADM-et innerváló gerincvelői motoneuronok diszfunkciójának különbségeit ALS-ben.

Anyagok és módszerek

Résztvevők

40 sporadikus ALS-ben szenvedő beteget és 20 korban és nemben illeszkedő normál résztvevőt vizsgáltunk. Valamennyi beteget a Pekingi Unió Orvosi Főiskolai Kórház Neurológiai Osztályán láttuk el 2013 augusztusa és 2014 júniusa között. Azokat az ALS-betegeket, akik megfeleltek a definitív, valószínűsíthető vagy valószínűsíthetően laboratóriumban igazolt ALS módosított El Escorial-kritériumainak (Brooks és mtsai., 2000), egymás után vettük fel a vizsgálatba. E betegeknél különböző elektrofiziológiai vizsgálatokat és klinikai jellemzőket, például a felvételkori életkort és a tünetek megjelenésétől számított időt elemeztük. Az ALS-betegek egyikénél sem azonosítottak genetikai mutációt. A felső végtagok UMN érintettségére a klonusz, a fokozott tónus, az élénk ínreflexek és a pozitív Hoffman-jelek jelenléte utalt. Az ALS-betegeket fizikai tüneteik alapján két csoportba sorolták. Az 1. csoportba tartozó betegek (20 ALS-es beteg) a kéz intrinzik izmainak sorvadását és gyengeségét mutatták. A 2. csoportba tartozó betegek (20 ALS-es beteg) nem mutatták a kéz intrinsic izmainak sorvadását vagy gyengeségét, és nem vagy csak enyhe károsodást mutattak a diszkrét ujjmozgásokban. Az 1. csoportba tartozó ALS-betegek esetében a jobban érintett kéz adatait elemezték, míg a 2. csoportba tartozó ALS-betegek esetében az ép kéz adatait elemezték. Az ALS-betegeket klinikailag az ALS funkcionális értékelő skála (ALSFRS-R; Cedarbaum et al., 1999) segítségével osztályozták, és a betegség kezdetének helye szerint kategorizálták. Az összes ALS-beteg elektrodiagnosztikai jellemzői összhangban voltak az elülső szarvsejtek diffúz és progresszív degenerációjával. A vizsgálat idején egyik beteg sem szedett riluzolt vagy más görcsoldó gyógyszert. A klinikai vizsgálat és az idegvezetési vizsgálatok alapján egyidejűleg carpalis vagy cubitalis alagút szindrómában szenvedő résztvevőket kizárták. A vizsgálatban való részvételhez valamennyi alany tájékozott írásbeli beleegyezését adta. A vizsgálatot a Peking Union Medical College Hospital (Peking, Kína) klinikai kutatások etikai bizottsága hagyta jóvá, és minden eljárást a Helsinki Nyilatkozatnak megfelelően végeztek.

idegvezetési vizsgálat

Az elektrofiziológiai vizsgálatokat egy Viking IV elektromiográf (EEG) rendszerrel (Nicolet Biomedical, Madison, WI, USA) végezték. Összetett izomakciós potenciálokat (CMAP) rögzítettünk az APB és az ADM izmokból a medián vagy ulnaris ideg csuklónál történő ingerlése után. A vizsgált végtagok bőrhőmérsékletét >32°C-on tartottuk. Megmértük a disztális motoros latenciát (DML), a csúcs-csúcs CMAP amplitúdót, a motoros vezetési sebességet (MCV) és az ADM/APB CMAP amplitúdó arányt.

F-hullám vizsgálat

A kísérleti személyek mindvégig fekve és nyugalomban voltak. A medián- és ulnaris idegek F-hullámait az APB és ADM izmok fölött a bőrre rögzített felszíni elektródákkal rögzítettük. A vizsgált idegeket 100 szupramaximális, 1 Hz frekvenciájú ingerléssel stimuláltuk egy olyan helyen, amely 7 cm-re volt proximálisan az aktív rögzítő elektródától, a katód pedig proximálisan az anódtól. Összesen 100 ingerületet tartottunk megfelelőnek az F-hullámok teljes potenciáljának feltárásához (Fisher és mtsai., 1994). A szűrőbeállítások 20 Hz és 10 kHz között voltak, a pásztázási sebesség 5 ms/osztás volt, az erősítő erősítése pedig 0,5 mV/osztás. Az F-hullámok vizsgálatából kizártuk az A-hullámokat, amelyeket állandó latenciájú, azonos késői válaszokként definiáltunk, amelyek 20 nyomvonalból legalább 8-ban előfordultak (Puksa et al., 2003). A következő F-hullám paramétereket elemeztük: minimális latencia, átlagos latencia, maximális latencia, F-hullám perzisztencia, átlagos amplitúdó, átlagos F/M amplitúdó arány és az ismétlődő F-hullámok száma. Az F-hullám csúcs-csúcs amplitúdóját akkor mértük, ha az amplitúdó legalább 40 μV volt. Az átlagos F/M amplitúdó arányt úgy számították ki, hogy az átlagos F-hullám amplitúdót elosztották a megfelelő maximális CMAP-amplitúdóval. Ismétlődő neuron (RN) volt az a neuron, amely azonos latenciájú, amplitúdójú és alakú F-hullámok sorozatát hozta létre, és ezeket az F-hullámokat ismétlődő F-hullámokként definiáltuk. Az RN-eket és az ismétlődő F-hullámokat vizuális vizsgálattal detektáltuk, és manuálisan szuperponáltuk a többi ismétlődő F-hullámmal. Az ismétlődő F-hullámokat a következő indexek segítségével mértük: RN index = 100 × RN száma/az eltérő F-hullám alakú nyomvonalak száma a 100 ingerből álló sorozatban; index ismétlődő F-hullámok (Freps) = 100 × ismétlődő F-hullámok száma/az azonos idegben lévő F-hullámokat tartalmazó nyomvonalak száma összesen (Chroni et al., 2012).

Statisztikai elemzések

A Shapiro-Wilk tesztet használtuk az adatok normalitásának értékelésére. Amikor a varianciaanalízis P-értéke elérte a szignifikanciát, a Student-Newman-Keuls-tesztet végeztük el. A két csoport közötti különbségek értékelésére a független mintás t-próbát alkalmaztuk. A nem parametrikus adatok esetében a csoportok közötti összehasonlításokat a Kruskal-Wallis H-teszt segítségével végeztük el. A nullhipotézis elutasítása után a csoportok páronkénti összehasonlítását Mann-Whitney U-teszttel és Bonferroni korrekcióval vizsgálták, P < 0,017 szignifikanciaszint mellett. A kategorikus változók közötti különbségeket a Chi-négyzet teszttel vizsgáltuk. A statisztikai szignifikanciát P < 0,05-nél állapítottuk meg. A statisztikai elemzések elvégzésére az SPSS for Windows, 21.0 verzióját (SPSS, Inc., Chicago, IL, USA) használtuk.

Eredmények

Az ALS-betegek és az NC résztvevők klinikai profilját az 1. táblázat foglalja össze. Minden ALS-beteg klinikailag LMN-predomináns volt. A vizsgálati kor, a nemek aránya és a testmagasság hasonló volt a három csoportban. Az ALS-betegek között a felső végtagi betegség az 1. csoportban a betegek 70%-át, a 2. csoportban a betegek 25%-át tette ki. 11 ALS-beteg volt az 1. csoportban és 10 a 2. csoportban két érintett testrésszel, és 9 generalizált beteg volt az 1. csoportban és 10 a 2. csoportban. A betegség időtartama és az ALSFRS-R pontszámok nem különböztek jelentősen az 1. és 2. csoportba tartozó ALS-betegek között.

A 2. táblázat az ALS-betegek és az NC-k idegvezetési vizsgálatának eredményeit mutatja. Az ADM/APB CMAP amplitúdó aránya szignifikánsan megnövekedett az 1. csoportba tartozó ALS-betegeknél az NC csoporthoz képest, ami összhangban volt az ALS-betegeknél megfigyelhető osztott kéz jellel (Kuwabara és mtsai., 2008). Az ALS-betegek és az NC-k F-hullám vizsgálatának eredményeit a 3. táblázat tartalmazza. Az APB átlagos F-hullám amplitúdója szignifikánsan alacsonyabb volt az 1. csoportban, mint a 2. csoportban, amelyek összehasonlíthatóak voltak a 2. csoport és az NC-k között. Az ADM átlagos F-hullám amplitúdói az 1. és 2. csoportban szignifikánsan megnövekedtek az NC-khez képest. Az APB és az ADM F/M amplitúdó arányai az 1. csoportban szignifikánsan magasabbak voltak, mint a 2. csoportban és az NC-kben, míg a 2. csoport és az NC-k hasonló F/M amplitúdó arányokat mutattak. Az APB F-hullám perzisztenciája, amely szignifikánsan alacsonyabb volt az ALS betegeknél, mint az NC-knél, hasonló volt az 1. és a 2. csoport között. Az ADM F-hullám perzisztenciája szignifikánsan alacsonyabb volt az 1. csoportban, mint a 2. csoportban és az NC-kben, míg az ADM F-hullám perzisztenciája hasonló volt a 2. csoport és az NC-k között. Az APB RN indexe és Freps indexe szignifikánsan megnövekedett az 1. és 2. csoportban az NC-khez képest, de ezek az indexek hasonlóak voltak az 1. és 2. csoport között. Az ADM RN indexe és Freps indexe szignifikánsan magasabb volt az 1. csoportban, mint a 2. csoportban és az NC-kben, míg a 2. csoport és az NC-k hasonló értékeket mutattak ezen indexek tekintetében. Az 1. ábra reprezentatív példákat mutat be az 1. és 2. csoportba tartozó ALS-betegek és az NC-k ALS-betegeitől rögzített F-hullám-nyomvonalakra a medián és az ulnaris idegek esetében.

A 4. táblázat az F-hullám diagnosztikus teljesítményét mutatja ALS vs. NC-k esetében. Az F-hullám segíthet az ALS-betegek és az NC-k megkülönböztetésében. Az APB index RN és index Freps megbízható változóknak tűntek az ALS betegek és az NC-k megkülönböztetésében, mivel az index RN (0,998, 95%-os konfidenciaintervallum (CI) 0,937-1,000) és az index Freps (1,000, 95%-os CI 0,940-1,000) görbe alatti területe (AUC) “nagyon jó” diagnosztikai hasznosságot mutatott. A többi F-hullámváltozó alacsonyabb AUC-értékkel rendelkezett, mint az APB index RN és index Freps, és így kisebb diagnosztikai hasznosságot mutatott. Az ADM/APB CMAP-amplitúdó aránya 0,766-os AUC-értéket mutatott (95% CI 0,638-0,865, P < 0,001), és mérsékelten képes volt megkülönböztetni az ALS-betegeket az NC-ktől. Az ADM/APB > 1,7 cut-off érték (Kim és mtsai., 2015) használata az ALS diagnosztizálásához mérsékelt szenzitivitást (52,5%) és magas specificitást (85,0%) eredményezett a kontrollokhoz képest. Úgy tűnt, hogy az F-hullám perzisztencia (P = 0,002), az index RN (P < 0,001) és az index Freps (P < 0,001) az APB-ben robusztusabban különbözteti meg az ALS-betegeket az NC-ktől, mint az ADM/APB CMAP amplitúdó aránya.

Diszkusszió

A vizsgálat elsődleges célja az volt, hogy az F-hullám mérésekkel megállapítsa az APB és ADM motoneuronok közötti diszfunkciós különbségeket ALS-es betegeknél. Az ALS javasolt stádiumbeosztási rendszere szerint (Roche és mtsai., 2012) a betegség stádiumai összehasonlíthatóak voltak az 1. és 2. csoport között. Az 1. és 2. csoport között a felső végtagok kialakulásának százalékos aránya közötti különbség a betegség progressziójának eltérő mintázata mögött állhat a két csoport között. A motoros egységek becsült száma és a CMAP-amplitúdók hasznos paraméterek a motoneuronvesztés értékelésére, míg az F-hullám az elülső szarvsejtek diszfunkciójának vagy instabilitásának közvetlen szondája lehet (Hachisuka és mtsai., 2015). Az F-hullám perzisztenciája összefügg az LMN-ek számával és a motoneuronok gerjeszthetőségével (Schiller és Stalberg, 1978; de Carvalho és mtsai., 2002; Argyriou és mtsai., 2006). Az ismétlődő F-hullámok hátterében álló javasolt mechanizmusok az egyes elülső szarvsejtek fokozott gerjeszthetősége, egyes motoneuronok csökkent gerjeszthetősége vagy a motoneuronok elvesztése (Schiller és Stalberg, 1978; Petajan, 1985; Peioglou-Harmoussi et al., 1987; Hachisuka et al., 2015). A motoneuronok elvesztésével az egyes motoneuronokból származó ismétlődő F-hullámok könnyebben felismerhetők; azonban azzal érveltek, hogy az egyes motoneuronok visszagyújtásának alacsony gyakorisága miatt ez a mechanizmus meglehetősen valószínűtlen (Chroni és mtsai., 2012). Fiziológiailag jelentős különbségek voltak az F-hullámok perzisztenciájában és az ismétlődő F-hullámok számában az APB és az ADM között. Ezek az eredmények összefüggésbe hozhatók az APB-t innerváló funkcionális motoneuronok alacsonyabb számával (Gooch és mtsai., 2014), vagy az APB fokozott kérgi gátló modulációjával (Menon és mtsai., 2014).

Az ALS-ben a gerincvelői motoneuronok diszfunkciója fokozatosan alakul ki a nyílt tünetek megjelenése előtt (Bradley, 1987). Jelen vizsgálatban az ALS-betegek, akiknél nem volt kimutatható pazarlás vagy gyengeség a kézben, szignifikánsan csökkent F-hullám perzisztenciát és magasabb index RN és index Freps értékeket mutattak az APB-re vonatkozóan, mint az NC-sek. Továbbá ezek az ALS betegek viszonylag normális F-hullám értékeket mutattak az ADM-ben. Ezek az adatok összhangban vannak az APB-t innerváló gerincvelői motoneuronok preferenciális diszfunkciójával az ALS-ben (Baumann és mtsai., 2012). ALS-ben azonban az APB-t innerváló gerincvelői motoneuronok aktívabbak lehetnek, mint az ADM-et innerváló motoneuronok, és a CMAP-amplitúdó nem biztos, hogy elegendő érzékenységgel rendelkezik a motoneuronvesztés kimutatásához, mivel a megmaradt motoneuronok kompenzációs kollaterális reinnervációt biztosíthatnak a denervált izomrostoknak (van Dijk és mtsai., 2010). Az F-hullámok, különösen a mediánidegek F-hullámainak elemzése segíthet az elülső szarvsejtek finom változásainak kimutatásában még a klinikai tünetek nélküli ALS-betegeknél is, és így hasznos megközelítést nyújthat a betegség progressziójának értékeléséhez.

A LMN károsodása bizonyítottan csökkenti az F-hullámok amplitúdóját (Fisher, 1992). Az izomsorvadás gyengébb izomválaszhoz vezethet azáltal, hogy részben semlegesíti a motoneuron-állomány hiperexcitabilitását (Drory és mtsai., 1993). A jelen vizsgálatban az ALS-betegek, akiknél az osztott kéz jele jelentkezett, szignifikánsan csökkent F-hullám amplitúdót, csökkent F-hullám perzisztenciát és az APB-ben az ADM-hez képest megnövekedett számú ismétlődő F-hullámot mutattak, ami valószínűleg az APB-t innerváló gerincvelői motoneuronok súlyosabb károsodását tükrözi. Az F-hullámok amplitúdójának növekedéséhez hozzájárulhat a nagyméretű post-reinnervációs motoros egységek kialakulása (Drory és mtsai., 2001). Az ADM-ben az APB-hez képest jelentősen megnövekedett F-hullám amplitúdó az ALS-betegeknél összhangban van az ADM motoneuron-állományának lassabb motoneuronvesztésével (Baumann és mtsai., 2012). Az F/M amplitúdó arány számszerűsíti a motoneuron-állománynak azt az arányát, amely egy F-hullámsorozat során aktiválódik (Drory és mtsai., 2001). Az APB-ben az ALS betegek ADM-jéhez képest jelentősen megnövekedett F/M amplitúdó arány az APB-t innerváló motoneuronok F-hullámok generálására való fokozott hajlamát tükrözi. Ezzel szemben a csökkent átlagos F-hullám amplitúdó és a megnövekedett F/M amplitúdó arány kombinációja az APB-ben az APB preferenciális érintettségét hangsúlyozza az ALS-ben. Az ismétlődő F-hullámok a motoros egységek kóros elváltozásaira utalnak (Hachisuka és mtsai., 2015). Az APB-ben az ismétlő F-hullámok számának jelentős növekedése az APB-t innerváló gerincvelői motoneuronok nagyobb fokú hiperexcitabilitására utalhat (Fang és mtsai., 2015).

Érdekes, hogy azoknál az ALS-betegeknél, akiknél nem volt kimutatható kézizom-atrófia, az APB átlagos F-hullám-amplitúdója szignifikánsan magasabb volt, mint azoknál az ALS-betegeknél, akiknél a kettéosztott kéz jele jelentkezett. Az ADM átlagos F-hullám amplitúdója azonban összehasonlítható volt a két ALS-betegcsoportban, függetlenül a kézizom-atrófiától, de szignifikánsan magasabb volt az ALS-betegeknél, mint az NC-knél. Az APB és az ADM közötti F-hullámjellemzők közötti különbségek a motoros egységen belüli degeneráció és regeneráció egymással versengő hatásainak tulajdoníthatók. A motoros neuronok degenerációjával a túlélő motoros neuronok a denervált izomrostok axonális sprouting révén történő reinnerválásával kompenzálnak (Ibrahim és el-Abd, 1997). ALS-ben a denervációs folyamat korábban kezdődhet és gyorsabban haladhat a thenar régióban. A degeneráció üteme lassabb volt az ADM-et innerváló motoneuronokban, mint az APB-t innerváló motoneuronokban. További vizsgálatokra van szükség annak tisztázására, hogy az ALS-ben milyen mechanizmusok járulnak hozzá az APB-t és az ADM-et innerváló motoneuronok közötti különbségekhez a motoneuronok diszfunkciójában. Azt gyanítottuk, hogy agykérgi mechanizmusok, perifériás axonális mechanizmusok vagy gerincvelői szegmentális diszfunkció, különösen a gerincvelői gátló áramkörökben, hozzájárulhatnak az APB-t innerváló gerincvelői motoneuronok preferenciális degenerációjához (Turner és Kiernan, 2012; Ramírez-Jarquín és mtsai., 2014).

A korábbi kutatások kimutatták, hogy az ALS-ben gyakrabban megfigyelhető az osztott kéz jel, és az ADM/APB CMAP amplitúdó megnövekedett aránya szinte ALS-specifikus. A jelen vizsgálat kimutatta, hogy az ADM/APB neurofiziológiai kritériuma, a CMAP amplitúdó arány >1,7 (Kuwabara és mtsai., 2008) mérsékelt érzékenységgel és magas specificitással rendelkezik az ALS és az NC megkülönböztetésében, ami összhangban van a korábbi vizsgálatokkal (Kim és mtsai., 2015). Ebben a vizsgálatban az F-hullám paraméterek segíthetnek megbízhatóan megkülönböztetni az ALS-betegeket a normális résztvevőktől. Továbbá az F-hullám perzisztencia, az index RN és az index Freps az APB-ben megbízhatóan meg tudta különböztetni az ALS-betegeket az NC-ktől, mivel ezek a mérőszámok nagyobb AUC-értékeket mutattak, mint az ADM/APB CMAP amplitúdó aránya.

Az elemzésünknek számos korlátja van. Ez egy keresztmetszeti vizsgálat volt, és viszonylag kis számú résztvevő került bevonásra. Nagyobb populáción végzett követéses vizsgálatra van szükség ahhoz, hogy konkrétan meghatározzuk az ALS-ben az osztott kéz jellel összefüggő gerincműködési zavarok mértékét. Egy másik lehetséges korlátozás az ALS-t utánzó szindrómában szenvedő betegekből álló kontrollcsoport hiánya. Egy ilyen csoport hasznos lenne az F-hullám klinikai értékének értékeléséhez az ALS és az ALS-t utánzó rendellenességek megkülönböztetésében. Ezenkívül ugyanezen betegcsoportokon további elektrofiziológiai vizsgálatokat kellene végezni, amelyek az UMN diszfunkciójának, valamint a motoros axonok gerjeszthetőségének értékelésére szolgáló módszereket használnak, hogy jobban megvilágítsák e jelenség patofiziológiáját.

Végeredményben eredményeink az F-hullám jellemzőinek különbségeit mutatják az APB és az ADM között ALS-ben szenvedő betegeknél. Az F-hullámok ezen változásai jellemzőek az ALS-es betegekre, és hasznosak lehetnek az ALS megkülönböztetésében bizonyos ALS-t utánzó rendellenességektől. A kis kézizmok eltérő mértékű sorvadásának hátterében álló patofiziológiai mechanizmusok tisztázása fényt derítene az ALS patogenezisére.

A szerzők hozzájárulása

JF és LC: a kísérleteket kitalálta, végrehajtotta és megtervezte. JF, LC, ML és YG: elemezték az adatokat. ML, YG, XL, DL, BC, DS és QD: hozzájárultak a reagensekhez/anyagokhoz/elemzőeszközökhöz. JF és LC: hozzájárultak a kézirat megírásához.

Érdekütközésre vonatkozó nyilatkozat

A szerzők kijelentik, hogy a kutatást olyan kereskedelmi vagy pénzügyi kapcsolatok hiányában végezték, amelyek potenciális összeférhetetlenségként értelmezhetők.

Köszönet

Köszönetet szeretnénk mondani az ALS-betegeknek és az egészséges önkénteseknek, akik részt vettek ebben a vizsgálatban.