Experimental approaches to promote functional recovery after severe peripheral nerve injuries

Summary

INTRODUCTION: Reduced regenerative capacity of chronically axotomized neurons and reduced growth support by atrophic Schwann cells are key factors that account for the poor functional outcomes after proximal nerve injuries. In this study we examine two strategies aimed to circumvent deleterious effects of chronic axotomy and chronic denervation on axonal regeneration: (1) exogenous application of neurotrophic factors to chronically axotomized motoneurons to reverse time-related decline in regenerative capacity and (2) intracellular elevations of cyclic AMP (via exogenous application of forskolin and transforming growth factor β [TGF-β]) to induce atrophic dormant Schwann cells to proliferate and re-enter the nonmyelinating growth-supportive phenotype that normally supports axonal regeneration. METHODS: (1) Rat tibial motoneurons were chronically axotomized for 2 months and brain-derived neurotrophic factor (BDNF) and/or glia-derived neurotrophic factor (GDNF) supplied exogenously prior to enumeration of retrogradely labeled neurons that regenerate their axons. (2) Sciatic nerve Schwann cells were chronically denervated for 24 weeks prior to preparation and 48 h in vitro incubation of the nerve explants with saline or forskolin/TGF-β and reinsertion in a 1 cm long silastic sheath between cut tibial nerve stumps in vivo. Motoneurons that regenerated axons were enumerated 6 months later by retrograde labeling. RESULTS: (1) Low-dose but not high-dose BDNF and/or GDNF significantly increased the numbers of TIB motoneurons that regenerated axons after chronic but not immediate axotomy. The BDNF positive effect was mediated via trkB receptors, the inhibitory effects of high-dose BDNF being blocked by a p75-blocking antibody. (2) Treatment of chronically denervated Schwann cells with forskolin/TGF-β more than doubled the number of motoneurons that regenerated their axons through the treated Schwann cells. Regenerated axons were also well myelinated. DISCUSSION: Deleterious effects of chronic axotomy and Schwann cell denervation may be reversed by exogenous application of neurotrophic factors and by cytokines, respectively. Such experimental approaches may translate into strategies to promote functional recovery after nerve repair of the injured peripheral nervous system.

Zusammenfassung

HINTERGRUND: Die eingeschränkte Regenerationskapazität chronisch axotomierter Neurone und reduzierte Wachstumsunterstützung wegen atropher Schwann-Zellen sind die Hauptgründe für das schlechte Ergebnis nach proximalen Nervenverletzungen. In dieser Studie haben wir 2 Strategien untersucht, um diese Probleme zu umgehen: (1) Gabe von neurotrophen Faktoren auf chronisch axotomierte Motorneurone, um die Heilung zu stimulieren; (2) Anhebung des intrazellulären zyklischen AMPs (mittels Gabe von Forskolin und transformierendem Wachstumsfaktor β [TGF-β]), um Schwann-Zellen zur Proliferation zu stimulieren und dazu, den nicht-myelinierten, das Wachstum unterstützenden Phänotypen einzunehmen. METHODEN: (1) Tibiale Motorneurone der Ratte wurden chronisch für 2 Monate axotomiert und mit den neurotrophen Faktoren BDNF (vom Gehirn stammend) und/oder GDNF (von der Glia stammend) vor Auszählung retrograd markierter sich regenerierender Neurone versorgt. (2) Schwann-Zellen vom Nervus ischiadicus wurden für 24 Wochen vor Präparation denerviert und 48 Stunden in vitro in Kochsalzlösung oder Forskolin/TGF-β inkubiert und in einer 1 cm langen Plastikhülle zwischen abgetrennten Nervus-tibialis-Stümpfen in vivo reinseriert. Nach 6 Monaten wurden die regenerierten Motorneuronen mittels retrograder Markierung ausgezählt. ERGEBNISSE: (1) Niedrig dosierter, nicht aber hoch dosierter BDNF und/oder GDNF haben die Zahl der tibialen Motorneurone signifikant vermehrt, welche Axone nach chronischer, nicht aber nach akuter Axotomie regenerierten. Der BDNF-Effekt wurde durch trkB-Rezeptoren mediiert, die Hemmung durch hoch dosierten BDNF mittels p75-blockierenden Antikörpers gehemmt. (2) Behandlung chronisch denervierter Schwann-Zellen mit Forskolin/TGF-β verdoppelte die Zahl der Motorneurone, die ihre Axone durch die behandelten Schwann-Zellen regenerierten. Die regenerierten Axone waren gut myelinisiert. SCHLUSSFOLGERUNGEN: Die schädlichen Folgen chronischer Nervendurchtrennung und Schwann-Zell-Denervation können möglicherweise durch Applikation neurotropher Faktoren und Zytokine behandelt werden. Die angeführten experimentellen Strategien könnten neue therapeutische Konzepte zur Regeneration verletzter peripherer Nerven darstellen.