Metilena biru untuk kecederaan otak: memahami bukti praklinikal

Hentakan pada kepala, arteri tersumbat, dan penyakit neurodegeneratif yang berkembang perlahan semuanya boleh berakhir dengan masalah yang sama: otak tidak lagi mempunyai tenaga untuk menjalankan tugasnya. Hasil akhir yang sama inilah sebabnya satu sebatian terus muncul dalam ketiga-tiga bidang penulisan saintifik tersebut. Namun, hasil akhir yang sama tidak bermakna konsepnya sama. Rawatan yang diberikan sebelum kecederaan, rawatan yang diberikan dalam sejam selepasnya, dan rawatan yang dinilai beberapa bulan kemudian menguji idea yang berbeza, walaupun picagari mengandungi cecair biru yang sama.

Artikel ini menumpukan bahagian literatur tersebut yang berkaitan dengan kecederaan. Ia meninjau maksud penggunaan metilena biru untuk kecederaan otak dalam eksperimen haiwan, membezakan kecederaan traumatik daripada strok dan neurodegenerasi kronik, serta menunjukkan mengapa masa pemberian dos menerangkan kebanyakan perbezaan antara kajian.

Tiga kecederaan, satu kegagalan tenaga

Mekanisme yang menghubungkan model-model ini terletak di dalam mitokondria. Biasanya, elektron bergerak sepanjang rantai pengangkutan elektron untuk menghasilkan ATP, dan rantai yang sihat mengawal spesies oksigen reaktif. Selepas kecederaan, bahagian tertentu rantai itu mula gagal berfungsi, penghasilan ATP menurun, dan penghasilan radikal bebas meningkat. Ulasan Molecular Neurobiology 2018 menerangkan metilena biru sebagai pembawa elektron alternatif: ia menerima elektron daripada NADH dan memindahkannya kepada sitokrom c, yang meningkatkan aktiviti kompleks IV dan memulihkan sintesis ATP walaupun bahagian awal rantai itu terjejas.

Angka yang dilaporkan adalah jelas. Dalam sediaan sel dan hirisan tisu, aktiviti kompleks IV meningkat 30 hingga 100 peratus, manakala penggunaan oksigen meningkat seiring dengannya. Ini menunjukkan bahawa elektron tambahan itu melakukan kerja yang berguna, bukannya bocor sebagai radikal. Dalam model strok tikus, penghasilan ATP di kawasan terjejas adalah kira-kira 30 peratus lebih tinggi 24 jam selepas rawatan berbanding haiwan yang tidak dirawat. Ulasan Biochemistry (Moscow) 2022 menambah kesan susulannya: tekanan oksidatif yang lebih rendah, kurang keradangan saraf, kurang apoptosis, serta kesan terhadap monoamina oksidase, nitrik oksida sintase, biogenesis mitokondria, autofagi, dan pengagregatan protein yang tersalah lipat.

Jadi, konsepnya mudah. Kecederaan menyekat laluan biasa elektron, dan metilena biru menyediakan laluan alternatif. Segala yang menyusul bergantung pada jenis kecederaan, bila ia diberikan, dan bagaimana kesannya diukur.

Kecederaan traumatik bukan strok

Dalam model kecederaan otak traumatik, daya hentakan berlaku sekaligus. Kerosakan utama bersifat mekanikal: tisu terkoyak, salur darah pecah, dan sawar darah-otak terbuka dalam beberapa minit. Apa yang munasabah untuk dipengaruhi oleh metilena biru ialah gelombang sekunder yang menyusul selama beberapa jam dan hari, apabila mitokondria dalam tisu yang masih hidup gagal berfungsi, keradangan merebak, dan edema bertambah. Ukuran hasil dalam kajian ini mencerminkan urutan tersebut: isi padu lesi, kandungan air otak, kelangsungan hidup neuron berhampiran kawasan hentakan, dan tingkah laku kemudian seperti pemulihan motor atau pembelajaran dalam maze.

Dalam model strok atau iskemia global, corak kecederaannya berbeza. Aliran darah terhenti, kegagalan tenaga menyusul dalam beberapa minit, dan pemulihan aliran darah membawa kecederaan reperfusi tersendiri. Di sini, pemberian dos diselaraskan dengan kejadian pada salur darah, selalunya dalam beberapa minit selepas oklusi atau reperfusi. Ukuran hasil pula menilai keadaan akut tisu dalam tempoh beberapa jam hingga satu atau dua hari: saiz infark, aliran darah, dan pemulihan fungsi awal. Satu corak dalam literatur strok ialah prarawatan, iaitu haiwan diberi dos sebelum oklusi salur darah. Ini menguji pencegahan dengan cara yang tidak boleh ditiru secara beretika pada manusia dalam mana-mana eksperimen trauma kepala.

Hasil kajian strok merupakan yang paling kukuh dalam literatur kecederaan, dan turut merangkumi hasil tanpa kesan yang paling jelas. Tikus yang diberi metilena biru ketika reperfusi selepas satu jam oklusi arteri serebrum tengah mempunyai infark 30 peratus lebih kecil pada hari 2, dengan lebih banyak tisu terancam di kawasan teras dan penumbra berjaya diselamatkan (Shen, 2013). Kajian oklusi kekal mendapati perkembangan tisu terancam menjadi infark lebih perlahan, tetapi tiada pengurangan dalam isi padu infark akhir pada 24 jam bagi kedua-dua dos yang diuji (Rodriguez, 2014). Kajian oklusi ketiga mengurangkan saiz infark kira-kira separuh pada dos pertengahan dan mendokumentasikan ultrastruktur mitokondria serta mitofagi secara langsung dalam otak yang mengalami iskemia. Kajian itu turut melaporkan perincian yang bertentangan dengan jangkaan: apoptosis yang diukur meningkat ketika nekrosis menurun (Di, 2015). Dalam iskemia global pula, infusi dos rendah secara berterusan memulihkan aktiviti sitokrom c oksidase, paras ATP, dan potensi membran mitokondria di kawasan CA1 hipokampus yang rentan, mengekalkan neuron tersebut, dan melindungi ingatan ruang (Lu, 2016). Pengukuran CA1 itu wajar diberi perhatian: data langsung tentang ATP dan rantai respirasi dari dalam otak yang cedera, yang dalam literatur TBI kebanyakannya disimpulkan dan bukannya diukur.

Neurodegenerasi kronik berbeza daripada kedua-duanya. Model penyakit Alzheimer, Parkinson, dan Huntington memberikan dos kepada haiwan selama beberapa minggu atau bulan dan mengukur pengagregatan protein, pengendalian dopamina, atau kemerosotan kognitif secara beransur-ansur. Ukuran hasil tersebut hampir tiada persamaan dengan lesi yang diukur beberapa hari selepas hentakan. Pembaca yang membawa hasil daripada satu kategori ke kategori lain memindahkan dapatan merentasi sempadan yang tidak pernah dilintasi oleh eksperimen tersebut. Panduan kami tentang literatur neurodegenerasi mengekalkan kajian jangka panjang itu dalam kerangkanya sendiri, dan perbandingan dengan bukti khusus strok membezakan reka bentuk kajian penyumbatan salur darah daripada reka bentuk kajian hentakan secara terperinci.

Apa yang sebenarnya dilakukan oleh model TBI

Tiada percubaan metilena biru untuk kecederaan otak traumatik pada manusia yang telah diterbitkan. Keseluruhan rekod TBI terdiri daripada kajian haiwan, kebanyakannya tikus dan mencit, dan tertumpu pada sebilangan kecil eksperimen yang wajar disebut secara khusus kerana perinciannya berbeza dengan cara yang sering hilang dalam ringkasan.

Kajian terawal menggunakan hentakan korteks terkawal memberikan tikus 1 mg/kg secara intravena satu jam selepas hentakan ringan, kemudian 0.5 mg/kg pada tiga jam (Watts, 2014). Isi padu lesi pada MRI kekal lebih rendah dalam haiwan yang dirawat sepanjang dua minggu susulan. Kesilapan pijakan dalam ujian berjalan berkurang secara signifikan pada hari 1, 2, dan 7 tetapi tidak pada hari 14. Pemeriksaan mikroskop pada hari 14 mendapati bilangan neuron yang mengalami degenerasi dalam korteks yang cedera ialah 270 berbanding 368 bagi setiap medan pandangan, dan pewarnaan Nissl yang tidak normal ialah 41 berbanding 73. Dengan kata lain, terdapat perlindungan awal, tetapi kelebihan tingkah laku semakin pudar menjelang minggu kedua.

Reka bentuk kecederaan meresap menggunakan perkusi bendalir garis tengah pada mencit dan satu dos intravena 2 mg/kg dalam masa setengah jam (Fenn, 2015). Haiwan yang dirawat menunjukkan ekspresi gen keradangan yang lebih rendah, lebih sedikit mikroglia radang, edema yang kelihatan lebih rendah, dan tiada tingkah laku menyerupai kemurungan pada hari 7. Hasil tanpa kesan juga sama pentingnya: kecederaan itu sendiri hanya meningkatkan kandungan air otak sedikit, dan metilena biru tidak mengatasi kehilangan berat badan atau defisit koordinasi motor. Antiradang tidak sama dengan perlindungan menyeluruh.

Dua kajian mencit menggunakan jadual yang sama, iaitu 1 mg/kg pada satu jam, 0.5 mg/kg pada enam jam, kemudian pemberian dos harian selama tiga hari, dan memperluas pemahaman tentang mekanismenya. Dalam model hentakan korteks, rawatan itu mengecilkan isi padu lesi pada 24 jam, 72 jam, dan hari 14 sambil mengekalkan neuron dan meningkatkan penanda autofagi (Zhao, 2016). Dalam model perkusi bendalir, ia mengurangkan apoptosis neuron, mengurangkan kebocoran sawar darah-otak, dan memperbaik skor neurologi sepanjang dua minggu (Shen, 2019). Walau bagaimanapun, kandungan air otak tidak menunjukkan perbezaan pada 72 jam dalam kajian Zhao, dan prestasi rotarod tidak menunjukkan perbezaan pada hari 1 dan 3 dalam kajian Shen. Ukuran lesi dan kelangsungan hidup sel berubah; ukuran bengkak dan fungsi motor awal tidak semestinya berubah seiring.

Eksperimen yang paling menonjol dari segi masa ialah eksperimen pemberian dos yang ditangguhkan (Watts, 2016). Dengan menggunakan model hentakan yang sama, dos pertama ditangguhkan sehingga 24 jam selepas kecederaan. Menjelang hari 2, kumpulan yang menerima dos tertangguh menunjukkan pengurangan lesi yang setanding dengan haiwan yang dirawat dalam beberapa jam pertama, dan pengurangan itu berterusan pada hari 7 dan 14. Isyarat tingkah lakunya lebih lemah: penambahbaikan kesilapan pijakan dalam kumpulan dos tertangguh merupakan trend yang tidak signifikan. Satu makmal, satu model, satu tempoh 24 jam. Ini ialah bukti sebenar bahawa tempoh peluang rawatan melangkaui beberapa jam pertama, tetapi ia juga merupakan keseluruhan bukti bagi cadangan itu. Perhatikan perangkap istilah tertangguh dalam konteks lain: satu siri kajian Rusia yang menggunakan istilah perlindungan saraf tertangguh dalam tajuknya memberikan dos pada 30 minit dan menggunakan istilah tertangguh untuk merujuk kepada hasil yang berkekalan, bukan permulaan rawatan yang lewat.

Satu kajian kecederaan fokal yang lebih kecil pada tikus melengkapkan gambaran masa dari arah yang lain: pemberian dos sejurus sebelum kecederaan dan pemberian dos 30 minit selepasnya kedua-duanya mengurangkan gangguan fungsi anggota (Stelmashook, 2019). Prarawatan berkesan di makmal justeru kerana makmal menetapkan masa kecederaan.

Ketelitian dos penting di sini. Ulasan tersebut menerangkan dos rendah sebagai merangsang respirasi mitokondria dan dos tinggi sebagai merencatkannya, iaitu corak dwifasa yang sama seperti yang dilihat dalam farmakologi metilena biru. Itulah sebabnya hasil tidak boleh ditafsirkan sebagai lebih banyak metilena biru, lebih banyak pemulihan. Setiap kajian menguji satu titik pada suatu lengkung. Penerangan tentang tindak balas dos menelusuri lengkung itu merentas model, dan profil keselamatan dan kesan sampingan membincangkan apa yang dilakukan oleh dos lebih tinggi sebaliknya.

Baca merentas jadual itu: sebatian yang sama, tiga garis masa berbeza. Pencegahan terletak pada baris tengah, rawatan segera pada dua baris pertama, dan hasil tertangguh pada baris pertama dan ketiga.

Pencegahan, rawatan segera, hasil tertangguh

Pencegahan ialah dakwaan yang paling mudah disalahfahami. Dalam model iskemia, haiwan yang diberi dos sebelum oklusi salur darah menunjukkan hasil yang lebih baik, dan hasil itu kadangkala dipetik seolah-olah metilena biru melindungi mana-mana otak daripada sebarang kecederaan pada masa hadapan. Ia tidak menunjukkan perkara sedemikian. Ia menunjukkan bahawa mitokondria yang telah disediakan dengan laluan elektron alternatif lebih mampu menahan kehilangan aliran darah yang dijadualkan. Tiada siapa menjadualkan kecederaan kepala.

Rawatan segera ialah tumpuan bukti TBI. Pemberian dos dalam beberapa jam selepas hentakan menyasarkan rangkaian kecederaan sekunder ketika proses itu masih berlangsung: kegagalan tenaga, tekanan oksidatif, keradangan, bengkak. Penambahbaikan ukuran lesi dan edema di sini ialah kesan rawatan yang sebenar, tetapi ia merupakan rawatan terhadap suatu proses, bukan pemulihan tisu yang terkoyak.

Hasil tertangguh ialah konsep ketiga. Tingkah laku yang diukur beberapa minggu selepas kecederaan, atau pengendalian protein yang diukur setelah beberapa bulan dalam model degeneratif, menjawab sama ada perlindungan awal berkekalan atau sama ada proses perlahan berubah arah. Lesi yang lebih kecil pada 24 jam, trend tingkah laku yang tidak signifikan selepas dos ditangguhkan selama 24 jam, dan penambahbaikan prestasi maze setelah beberapa bulan pemberian dos kronik ialah tiga dakwaan berbeza dengan tiga tuntutan pembuktian berbeza. Setakat ini, hanya yang pertama memenuhi ambang buktinya lebih daripada sekali.

Apa yang tidak dapat ditunjukkan oleh bukti ini

Setiap hasil di atas mempunyai batasan yang sama. Mitokondria rodensia bertindak balas terhadap metilena biru dengan cara yang mungkin turut berlaku pada mitokondria manusia, tetapi tikus yang diberi dos intravena beberapa minit selepas hentakan yang ditentukur tidak sama dengan seseorang yang tiba di jabatan kecemasan beberapa jam selepas jatuh. Anestesia, tahap keterukan kecederaan yang terkawal, haiwan muda yang sihat, dan tempoh susulan yang singkat semuanya mengehadkan sejauh mana dapatan boleh diterapkan. Tiada langsung kajian metilena biru untuk kecederaan akibat letupan, maka jenis kecederaan yang paling relevan kepada pembaca dalam bidang ketenteraan ialah yang mempunyai bukti paling sedikit.

Tiada juga panduan penukaran dos untuk manusia. Literatur haiwan menggunakan laluan intravena dan intraperitoneal pada dos yang dipilih untuk kawalan eksperimen, bukannya titisan oral yang dijual secara runcit. Tiada apa-apa dalam kajian ini yang menetapkan rejimen untuk manusia, dan tiada apa-apa di sini yang menguji metilena biru bersama penjagaan standard bagi kecederaan kepala.

Jadi, ringkasan yang jujur boleh dimuatkan dalam satu perenggan. Dalam rodensia, metilena biru yang diberikan sekitar waktu kecederaan otak traumatik atau iskemik mengekalkan penghasilan tenaga mitokondria, dan pengekalan itu diikuti oleh lesi yang lebih kecil serta skor pemulihan yang lebih baik. Satu kajian hentakan mengekalkan sebahagian kesan pengurangan lesi apabila dos pertama ditangguhkan selama 24 jam. Sama ada mana-mana perkara ini berlaku dalam otak manusia yang cedera masih belum diuji, dan literatur TBI serta strok menguji masa pemberian yang berbeza berdasarkan ukuran hasil yang berbeza. Sesiapa yang menjual kepastian berasaskan bukti ini sedang menambah unsur yang tidak pernah terkandung dalam eksperimen tersebut.