Нормальное функционирование миелинизированных нервных волокон обеспечивается особенностями их морфологии, которые включают неоднородное распределение ионных каналов и сближение мембран аксона и Шванновской клетки на расстояния 2-4 нм. Работу нервного волокна можно исследовать и корректировать с использованием нанотехнологий.

Структура

Строение аксона

Миелиновое нервное волокно имеет сложное строение [1]. Оно покрыто миелиновой оболочкой не на всем протяжении волокна, В периферической нервной системе миелиновая оболочка образуется в результате многократного оборачивания Шванновских клеток вокруг аксона (рис. 1). Области не покрытые миелиновой оболочкой называются перехватами Ранвье. В области покрытой миелиновой оболочкой можно выделить паранодальный, юкстапаранодальный и межперехватный участки. Они располагаются следующим образом: межперехватный участок на торцах переходит в юкстапаранодальный, юкстапаранодальный в паранодальный, паранодальный непосредственно примыкает к перехвату Ранвье.

В перехвате расположены натриевые и медленные калиевые каналы, участвующие в проведении возбуждения по нервному волокну.

В паранодальной, юкстапаранодалыгой и межперехватной области нет натриевых каналов и медленных калиевых каналов, здесь находятся быстрые калиевые каналы (при демиелинизации они гиперполяризуют оголенный участок мембраны, исключая его участие в проведении возбуждения и препятствуя тем самым снижению скорости проведения, хотя из-за миграции медленных каналов скорость проведения все равно снижается), кальций-зависимые калиевые каналы, АТФ-зависимые калиевые каналы и др. Разделение каналов увеличивает скорость проведения импульса вдоль волокна.

Ограниченность экстраклеточного пространства

Ламеллы Шванновских клеток

Латеральные концы Шванновских клеток имеют микроворсинки. Микроворсинки содержат специальные белки, которые называются ERM белками. ERM белки одним концом связываются с цитоскелетом клетки а другим - с белками мембраны. Кроме того они могут образовывать цепочки. Взаимодействия ERM белков и белков мембраны регулируется фосфорилированием. В результате таких взаимодействий микроворсинки прикрепляются к мембране аксона, ограничивая области экстраклеточного пространства, контактирующие с перехватом Ранвье и с межперехватным участком.

Значение ограниченности экстраклеточного пространства. Шванновская клетка значительно ограничивает внеклеточное пространство вокруг аксона (щели шириной примерно 15 нм). Такие размеры хорошо обеспечивают выравнивание состава внешней среды путем диффузии в длительных временных масштабах, однако при интенсивной активности нейронов концентрация калия в внеклеточном пространстве может сильно возрастать, что сказывается на возбудимости и функциональном состоянии нервного волокна. При проведении серий потенциалов действия в периаксональном пространстве накапливается калий, который поглощается миелиновыми клетками, меняет их форму и вызывает выделение кальция из экстраклеточных слоев миелина.

Белковые комплексы, обеспечивающие структуру

Миелиновая оболочка неоднородна. Можно выделить компактный и некомпактный миелин. Они различаются по набору белков, входящих в их состав, по локализации, по плотности и др [2].

Компактный миелин

Компактный миелин содержит белки Р0, МВР и РМР22. Эти белки формируют комплексы путем белок-белковых взаимодействий. Комплекс образованный белком Р0 отвечает за упаковку миелина. Большинство мутантных белков РМР22 находятся в ЭПР и не попадают в компактный миелин. Изменение стехиометрии белков Р0 и РМР22 приводят к изменению фазового состояния мембраны.

Некомпактный миелин

Некомпактный миелин расположен в основном в паранодальных зонах и в насечках Шмидта-Лантермана. Отдельные слои связаны с помощью специальных структур - контактов (адгезивных, плотных, щелевых). Насечки Шмидта-Лантермана, и некомпактный миелин обеспечивают радиальную диффузию веществ. Щелевые контакты между слоями мембран Шванновской клетки весьма важны, так как образуют радиальный путь для диффузии — через насечки. С одной стороны это облегчает обмен веществами, однако с другой стороны, это уменьшает электрическое сопротивление миелина. Функционирование щелевых контактов сильно зависит от уровня ионов кальция (при увеличении концентрации кальция каналы закрываются).

Белки паранодальной области и перехвата Ранвье

Натриевые каналы связаны с анкерином G, который, в свою очередь, взаимодействует с белками цитоскелета и таким образом участвует в кластеризации потенциалзависимых Na+-каналов в области перехватов Ранвье.

Специфическое взаимолействие белков микровиллей Шванновской клетки, таких как нейрофасцины Cam-белки и аналогичных белков аксональной мембраны в области перехвата и области прикрепления миелина определяют организацию и положение перехватов в онтогенезе и при ремиелинизации.

Нейрофасцин и Nr-Cam экспрессируются раньше анкерина G и потенциал-зависимых натриевых каналов в развивающемся перехвате. В паранодальной области гетеродимеры контактина и Caspr соединяются с изоформами нейрофосцина Nf-155. Все эти молекулы - также компоненты межмембранных контактов.

Белки юкстапаранодального и межперехватного участков

В юкстапаранодальной области гомолог Caspr - Caspr2 связывается с потенциалзависимыми калиевыми каналами К1.1 и К1.2. Caspr и Caspr2 имеют похожую внеклеточную часть но только у Caspr 2 есть т.н. PDZ домен, участвующий в узнавании соответствующих доменов К каналов. Нарушения генов кодирующих белки связей (контактин, Caspr, CGT) приводят к демиелинизации и деорганизации аксоналыюй мембраны.

Патология

Демиелинизация

Демиелинизацией сопровождается множество заболеваний. Разрушение миелиновой оболочки может быть вызвано различными факторами — ферментами, болезнетворными агентами, облучением, нарушением синтеза белков, важных для структуры нервного волокна, нарушениями системы иммунитета и др. При этом может наблюдаться снижение скорости проведения сигналов, и несанкционированное возбуждение соседних аксонов.

Увеличение [Са2+]i в цитоплазме аксона, влияние на митохондрии

При длительном проведении потенциалов действия происходит активация потенциалзависимых Са2+-каналов аксона и десорбция Са2+ из миелина, что может приводить к длительному увеличении кальция в цитоплазме аксона. При этом происходит поглощение его митохондриями, что, в свою очередь, приводит к деполяризации митохондриальной мембраны и гибели митохондрий и нейронов.

Нанотехнологии

Возможно в будущем с помощью нанотехнологий станет возможным ускорение процессов восстановления демиелинизированной оболочки нерва или облегчение симптомов врожденных нарушений миелиновой оболочки, путем доставления и прикрепления наночастиц в участки аксона, отвечающие за те или иные нарушения, замены дефектных белков, выполняющих важные функции на соответствующие наноконструкции. Предотвращение патологической диффузии каналов при демиелинизации закрепляет натриевые и калиевые каналы в правильных участках. Доставка лекарственных средств по микротрубочкам аксона в иннервируемые органы (увеличит точность воздействия). Кроме того есть вероятность, что возможно будет использование углеродных нанотрубочек для облегчения восстановления нервов заново после повреждений и формирования новой миелиновой оболочки Шванновской клеткой при ремиелинизации.

Квантовые точки могут использоваться для визуализации различных процессов в нейроне происходящих в течение длительного промежутка времени (например, изменение рН [3] внутри и вокруг нервного волокна в покое и прекращение этого изменения при проведении потенциала действия, изменение потенциала на митохондриях после различных воздействий, аксональный транспорт, изменение геометрии Шванновских клеток, в наблюдение за развитием паразита, вызывающего демислини-зацию и др.)