Biotechnik bei Muskelstörungen


Hintergrund

Viele chronische Veränderungen der Muskulatur, welche entweder entzündlich oder degenerativ bedingt sein können, gehen mit spezifischen Umbauprozessen des Gewebes einher, z.B. mit vermehrter Fibrosebildung. Eine funktionelle Einschränkung vieler chronischer Muskelveränderungen ist v.a. durch eine verminderte biomechanische Performance, zum einen aktive Kraftentwicklung, zum anderen beeinträchtigte passive Elastizität gegeben. Neben der Vermehrung extrazellulärer Bindeproteine (z.B. Kollagen) könnten auch spezifische Veränderungen der Zellarchitektur hierfür verantwortlich sein. Solche biophysikalischen Langzeitveränderungen könnten insbesondere durch eine progredient gestörte Mechanotransduktion in den Zellen getriggert sein.

Mechanismus

Die zelluären Mechanismen, der zu einem Verlust der Muskelkraft führen, sind vielfältig und vom jeweiligen Modell abhängig. Innerhalb des Lehrstuhls werden anhand von genetisch veränderten Mäusen, welche Mutationen in Genen für extra-sarkomerische und sarkomerische Proteine aufweisen, die Interaktionen zwischen einzelnen Mechanismen sowie deren Veränderungen im zeitlichen Querschnitt untersucht. Die Tiermodelle und die ärztliche Expertise stammen hier v.a. aus einer Kooperation mit dem Lehrstuhl für Neuropathologie (Prof. Schröder), während am Lehrstuhl MBT die biomedizinischen Zelltechniken und optischen Technologien entwickelt und angewandt werden.

Insbesondere Studien der Kontraktilität, der Membran-Erregbarkeit, des Calcium-Haushaltes, Mechano-Transduktion. Entzündungsprozesse und zellulärer Umbau des Zytoskeletts rücken in den Fokus des Interesses. Hierfür werden physiologische Techniken auf Einzelzellebene sowie breit angelegte Methoden der Fluoreszenz- und Laser-Mikroskopie im subzellulären Bereich eingesetzt. Als Beispiel sind nebenstehend Ergebnisse abgeschlossener Studien an dystrophen mdx Mäusen gezeigt.

Dystrophie

Abbildung: A, konfokale Messung von elementaren Ca2+ Freisetzungsereignissen (ECRE) und deren Frequenz über die Zeit. Gezeigt ist der Zeitverlauf in einzelnen dystrophen mdx Muskelzellen, welche mechanisch durch osmotisch-aktive Lösungen gestresst wurden. Kurz nach osmotischem Stress nimmt die ECRE-Frequenz rapide zu, läßt sich aber durch Applikation von pharmakologischen Blockern mechano-sensitiver Kanäle vollständig normalisieren. Diese und weitere Daten führten zu einem Modell, in dem durch hyperaktive mechanosensitive Kanäle die Hemmung auf die Ca2+ Freisetzung in der Zelle aufgehoben oder gelockert wird [aus Teichmann et al. 2008]. B, 3D Rekonstruktion von Second Harmonic Generation (SHG) Bildstapeln, welche mittels Multiphotonen-Mikroskopie an einzelnen Muskelzellen älterer mdx Mäuse gewonnen wurden. Die normale, regelmäßige Ultrastruktur des wild-typ (wt) ist bei mdx Zellen massiv gestört und verändert, so daß hierdurch keine geordnete Kontraktion mehr gewährleistet werden kann. Bildlich gesprochen, ziehen innerhalb derselben Zelle benachbarte Kraftgeneratoren in völlig unterschiedliche Richtungen [aus Friedrich et al. 2010].

Gestörte Mechanotransduktion

In bisherigen Studien konnten wir den Mechanismus der gestörten Mechanotransduktion bei Muskeldystrophie aufklären. Hyperaktive mechanosensitive Kanäle in der Muskelmembran modulieren die normalerweise inhibitorische Wirkung des DHP-Rezeptor (Dihydropyridin) auf die Freisetzung von Ca2+ aus intrazellulären Speichern über den Ryanodin-Rezeptor (RyR, s. Abbildung, A). Dieser Link ist bei mdx Muskeln enthemmt und äußert sich in überschießender Aktivität von quantenhaften Ca2+-Freisetzungen, welche per Konfokalmikroskopie gemessen werden können (‚elementary Ca2+ release events‘, ECRE). Diese überschiessende Aktivität und damit Ca2+-Überladung der Zelle lassen sich pharmakologisch durch Blocker mechanosensitiver Kanäle normalisieren.

Ultrastruktur-Bildgebung

Eine weitere Multiphotonen-Mikroskopie-Studie konnte belegen, daß in Muskelzellen von älteren mdx Tieren bereits ausgeprägte Umbauprozesse des kontraktilen Zytoskeletts stattgefunden haben, welche den zunehmenden Kraftverlust bereits biophysikalisch erklären können. Die ‚Second Harmonic Generation‘ Mikroskopie-Technik wurde ebenfalls berets auf die Desmin-Mutations-Modelle DesR350P bei jungen Tieren angewandt und zeigt auch hier bereits deutliche frühe Ultrasturktur-Veränderungen. Dies wird z.Zt. auf den kompletten Altersverlauf der Tiere angewandt. Unter Zunahme modernster automatisierter Bildverarbeitungsstrategien (Mustererkennungs-Algorithmen) sollen hier Bilddatenbanken für eine mögliche spätere Diagnose- und Verlaufsbeurteilung bei humanen Bildmaterial-Daten anhand definierter Strukturparameter im klinischen Setting generiert werden.

Ein weiterer Fokus aktueller Forschung in unserer Gruppe stellt das Bindeglied zwischen frühen funktionellen und späten strukturellen Veränderungen dar, welche wahrscheinlich durch Entzündungsprozesse vernetzt werden.

Literatur

  • Friedrich O, Both M, Weber C, Schürmann S, Teichmann MDH, von Wegner F, Fink RHA, Vogel M, Chamberlain JS, Garbe C (2010). Microarchitecture is severely compromised but motor protein function is preserved in dystrophic mdx skeletal muscle. Biophys J 98(4): 606-616. doi:10.1016/j.bpj.2009.11.005
  • Teichmann MDH, Wegner FV, Fink RH, Chamberlain JS, Launikonis BS, Martinac B, Friedrich O (2008). Inhibitory control over Ca2+ sparks via mechanosensitive channels is disrupted in dystrophin deficient muscle but restored by mini-dystrophin expression. PLoS One 3(11): e3644. doi:10.1371/journal.pone.0003644