Extraocular Muscles in Amyotrophic Lateral Sclerosis

• Main Author: Tjust, Anton
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: Umeå universitet, Anatomi 2017
• Subjects: ALS; EOM; Satellite cells; innervation; neuromuscular disease; neurodegenerative disease
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:umu:diva-129638; http://nbn-resolving.de/urn:isbn:978-91-7601-618-3

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is an incurable neurodegenerative disease of motor neurons characterized by muscle paralysis and death within 3-5 years of onset. However, due to unknown mechanisms, the extraocular muscles (EOMs) remain remarkably unaffected. The EOMs are highly specialized muscles that differ from other muscles in many respects, including innervation and satellite cells (SCs). Understanding whether these factors play a role in the relative sparing of EOMs in ALS could provide useful clues on how to slow down the progression of ALS in other muscles. The EOMs and limb muscles from terminal ALS patients and age-matched controls as well as the commonly used SOD1G93A ALS mouse model were studied with immunofluorescence. Antibodies against neurofilament and synaptophysin were used to identify nerves and neuromuscular junctions (NMJs); against Pax7, NCAM, MyoD, myogenin, Ki-67, dystrophin and laminin, to identify SCs and their progeny in EOMs and limb muscles. The proportion and fiber size of myofibers containing myosin heavy chain (MyHC) slow tonic and MyHC slow twitch were also determined in human EOMs. The abundance of SCs differed extensively along the length of control human EOMs, being twice as abundant in the anterior portion. Pax7-positive cells were also detected in non-traditional SC positions. EOMs from terminal ALS patients showed similar numbers of resting and activated SCs as the controls. In limb muscles of ALS patients, the number of resting and activated SCs ranged from low (similar to normal aged, sedentary individuals) to high numbers, especially in muscles with long duration of disease and varied between the upper and lower limbs. The EOMs maintained a high degree of innervation compared to hindlimb muscles of symptomatic SOD1G93A mice. MyHC slow tonic fibers were less abundant in ALS patients than in controls. The change seemed more pronounced in bulbar onset patients, and in this group of subjects only, there was a strong association between decline in MyHC slow tonic fibers and age of death. Notably, the decline in MyHC slow tonic fibers was unrelated to disease duration. Our data suggested that SCs play a minor role in the progression of ALS in general and in the sparing of the EOMs in particular. The generally preserved innervation in the EOMs of G93A mice may reflect distinct intrinsic properties relevant for sparing of the oculomotor system.  Even though the EOMs are relatively spared in ALS, MyHC slow tonic myofibers were selectively affected and this may reflect differences in innervation, as these fibers are multiply innervated. === Amyotrofisk lateralskleros (ALS) är en obotlig neurodegenerativ sjukdom som främst påverkar kroppens viljestyrda motoriska nervceller. ALS leder till förlamning, muskelförtvining och slutligen döden genom andningssvikt, vanligen inom tre till fem år efter sjukdomsdebuten. Av okända anledningar så bibehålls ögonmusklernas funktion mycket bättre vid ALS i jämförelse med andra muskler och är hos merparten av patienter i stort sett opåverkade. Ögonmusklerna är mycket specialiserade muskler som skiljer sig från andra muskler i kroppen på flera sätt, bland annat genom deras unika nervförsörjning och genom de satellitceller – muskelspecifika stamceller, som finns i dem. En ökad förståelse för hur dessa faktorer inverkar på ögonmusklernas motståndskraft vid ALS skulle kunna ge värdefulla ledtrådar till hur man skulle kunna sakta ned sjukdomens fortskridande i andra muskler vid ALS. Ögonmuskler och extremitetsmuskler från avlidna ALS-patienter och åldersmatchade friska kontroller, tillsammans med transgena möss med den sjukdomsalstrande mutationen SOD1G93A, studerades genom immunfluorescens och efterföljande mikroskopering. Antikroppar mot molekylerna Pax7, NCAM, MyoD, myogenin, Ki-67, laminin och dystrofin användes för att identifiera satellitceller och deras dotterceller i ögonmuskler och extremitetsmuskler. Antikroppar mot neurofilament och synaptofysin användes för att identifiera nerver och neuromuskulära synapser hos transgena SOD1-möss. Antikroppar mot toniska (tonic) och ryckande (twitch) muskelmyosinkedjor användes för att bestämma proportionen av och storleken på dessa typer av muskelfibrer i ögonmuskler från avlidna ALS-patienter och friska kontroller. Mängden satellitceller varierade mellan de främre och de mer bakre delarna i friska, humana ögonmuskler och var dubbelt så många i den främre delen av muskeln jämfört med den mellersta och bakre delen av muskeln. Celler som uttryckte satellitcellsmarkören Pax7 hittades även i icke-traditionella satellitcellspositioner i ögonmusklerna. Mängden satellitceller i ögonmusklerna från ALS-patienter var samma som hos friska kontroller. I extremitetsmusklerna hos ALS-patienter varierade mängden satellitceller mellan låga nivåer (liknande de hos friska åldrade, inaktiva individer) till höga nivåer, särskilt i muskler där sjukdomen fortskridit under lång tid. Dessutom varierade mängden satellitceller mellan övre och nedre extremiteter. Hos symptomatiska SOD1G93A-möss hade ögonmusklerna en mycket välbevarad innervation jämfört med bakbensmusklerna, där många neuromuskulära synapser saknade kontakt mellan nerven och motorändplattan. Proportionen muskelfibrer med toniska muskelmyosinkedjor var lägre hos ALS-patienter jämfört med friska kontroller. Denna minskning var tydligare hos patienter där sjukdomssymtomen hade debuterat i tugg- och ansiktsmuskulaturen – så kallad bulbär ALS. Dessutom fanns det i den här gruppen, men ingen annan studerad grupp, en stark korrelation mellan nedgången i toniska fibrer och patientens ålder. Värt att notera är att minskningen av toniska muskelfibrer saknade korrelation med hur länge patienten hade varit sjuk i ALS. Den generellt välbevarade innervationen i ögonmusklerna hos SOD1G93A-möss kan spegla distinkta inneboende egenskaper hos ögonmusklerna som är av vikt för bevarandet av ögonrörligheten vid ALS. Gällande satellitceller så antyder våra data att satellitceller och deras regenerativa kapacitet spelar en försumbar roll vid ALS i allmänhet och vid ögonmusklernas bevarande i synnerhet. Slutligen, även om ögonmuskler generellt är välbevarade vid ALS så är toniska muskelfibrer märkbart påverkade och detta kan spegla skillnader mellan olika nervcellsgruppers känslighet vid ALS.