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Bitte verwenden Sie diesen Link, wenn Sie dieses Dokument zitieren oder verlinken wollen: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:9-001535-5

Die Rolle der Serum- und Glukokortikoid induzierbaren Kinase 1 für die Entwicklung der Muskelfibrose in der Maus und die Relevanz für die Duchenne Muskeldystrophie

  • Die Duchenne Muskeldystrophie ist eine der häufigsten monogenen Erbkrankheiten des Kindesalters. Mutationen in dem für das Dystrophin codierenden Genabschnitt führen zur Dystrophin-Defizienz und damit zur Schwächung der Verbindung zwischen den intrazellulären Muskelfilamenten und der extrazellulären Matrix. In der Folge kommt es zu Faseruntergängen und anhaltenden entzündlichen Prozessen. Schließlich wird das Muskelgewebe der Betroffenen von Narbengewebe, wie Bindegewebe und Fett ersetzt. In den letzten Jahren ist die progrediente Fibrosierung bei Duchenne Patienten in den Fokus der Forschung gerückt. In diesem Zusammenhang konnte die Serum- und Glukokortikoid induzierbare Kinase 1 (SGK1), welche einerseits in allen Geweben exprimiert wird und andererseits an der Entwicklung der Fibrose in verschiedenen Organen beteiligt ist, als mögliche Zielstruktur identifiziert werden. Um die Funktion der SGK1 für den Skelettmuskel genauer untersuchen zu können, wurden in der vorliegenden Arbeit Kraftmessungen an isolierten Mm. solei und Zwerchfellsegmenten 100 Tage alter mdx, Wildtyp (WT) und SGK1-defizienter (sgk1 /-) Mäuse durchgeführt. Zusätzlich konnten für dieses Projekt Dystrophin-defiziente Mäuse gezüchtet werden, welchen zusätzlich das SGK1-Gen fehlte (mdx/sgk1-/-). Parallel stattfindende histologische Analysen der Muskeln umfassten unter anderem die HE-Färbung zur Analyse der histologischen Struktur und die Färbung mit Sirius-Rot, welche die Quantifizierung der Menge an Bindegewebe ermöglichte. Das Krankheitsbild repräsentierend wiesen die mdx Muskeln die erwarteten pathologischen Veränderungen in den Untersuchungen auf. Dabei war die spezifische Kraft im M. soleus im Durchschnitt um 30% und im Vergleich der Zwerchfellsegmente um 50% zum WT reduziert. Zusätzlich erfolgte die Muskelermüdung der mdx Muskeln bei repetitiver Stimulation deutlich schneller im Vergleich zum WT-Stamm. Die mdx Muskelquerschnitte wiesen zum Großteil zentrale Kerne auf und die Bindegewebsmenge war signifikant erhöht. Vor allem die mdx Zwerchfellsegmente wiesen mehr als die doppelte Menge an Kollagen im Vergleich zum WT auf. Im Gegensatz dazu zeigten die Muskeln der sgk1-/- Tiere in der histologischen Analyse eine insgesamt intakte Struktur ohne Entzündungszeichen oder zentrale Kerne. Die Menge an Bindegewebe befand sich auf dem Niveau der WT-Kontrolle. Dennoch war die spezifische Kraft bei 120Hz im M. soleus um 20% und im Zwerchfell um 25% im Vergleich zum WT verringert. Überraschenderweise entwickelte das mdx/sgk1-/- Mausmodell in der Kraftmessung der Mm. solei identische spezifische Kräfte wie der WT-Mausstamm. Einzig die Zwerchfellsegmente der mdx/sgk1-/- Tiere wiesen pro Querschnittsfläche ein Kraftdefizit von 20% im Vergleich zum WT auf. Dennoch konnten zentrale Kerne und Entzündungszeichen ähnlich wie in den mdx Muskeln nachgewiesen werden. Im Gegensatz dazu fehlte die Fibrosierung. Der prozentuale Anteil an Bindegewebe der mdx/sgk1-/- Muskeln entsprach dabei dem der WT-Tiere. Abschließend ist festzuhalten, dass der mdx Phänotyp in der vorliegenden Untersuchung hinsichtlich der Histologie und der kontraktions-physiologischen Charakteristik den aus der Literatur bekannten Kriterien entsprach. Des Weiteren konnte bei der Untersuchung der sgk1-/- Tiere ein Einfluss der SGK1 auf die Histologie, wie auch auf die Physiologie der Skelettmuskeln festgestellt werden. Das Fehlen der SGK1 hatte dabei Einfluss auf die Fasertypenverteilung wie auch die Kraftentwicklung. Das mdx/sgk1-/- Mausmodell ermöglichte es, den Einfluss der SGK1 auf die Fibroseentwicklung zu studieren. Es konnte festgestellt werden, dass der pathologische Ersatz der quergestreiften Muskulatur durch Bindegewebe im mdx/sgk1-/- in Bezug zum mdx Phänotyp verringert war. Das Fehlen des SGK1-Proteins führt demnach zur Unterbrechung einer für die Fibroseentwicklung wichtigen Signalkaskade. Des Weiteren konnte ein positiver Effekt der SGK1-Defizienz bei fehlendem Dystrophin auf die Kraftentwicklung der Muskeln festgestellt werden. Dennoch waren starke degenerative bzw. regenerative Prozesse histologisch nachweisbar. Die Ergebnisse zeigen, dass die SGK1 ein wichtiger Mediator in der Fibroseentwicklung der Muskeldystrophie ist. Damit könnte das Enzym ein potentielles Ziel zur pharmakologischen Beeinflussung des Verlaufs der DMD und einer Vielzahl anderer degenerativer Erkrankungen darstellen.
  • Objective: The serum- and glucocorticoid-inducible kinase SGK1 contributes to a variety of physiological functions, such as regulation of gene expression, metabolism and membrane transport. Under certain pathophysiological conditions SGK1 can stimulate fibrosis and thereby aggravate dysfunction and failure of organs. In this study we investigated whether lack of SGK1 influences structure, function and/or fibrosis development of dystrophin-deficient mdx muscle. Methods: Force measurements were performed on isolated soleus muscles and diaphragm segments from 100 d old mdx and wildtype mice, SGK1 deficient (sgk1-/-) mice, and on muscles of a newly bred mdx mutant, lacking both, dystrophin and SGK1 (mdx/sgk1-/-). Histological analyses of muscles included H&E staining of cryosections to quantify central nuclei in muscle fibers. Sirius red staining was applied to quantify connective tissue. Results: Mdx muscles showed the typical pathological features of muscular dystrophy. Specific force was reduced (on average by 30% for soleus muscles and by 50% for diaphragm segments; n=7/7). In addition muscle fatigue occurred faster in mdx muscles. Most mdx fibers contained central nuclei. The area covered by connective tissue in muscle cross sections was increased (on average 7% in mdx vs. 3.5% in wildtype muscles). The histological appearance of muscles from sgk1-/- mice was overall intact. Central nuclei were not observed and the fraction of connective tissue was identical to that of wildtype muscle. However, specific force was significantly reduced in SGK1-deficient muscles (force reduction: 20% for soleus muscles and 25% for diaphragm segments, n=7/7). Surprisingly, mdx/sgk1-/- mice did not display significantly reduced force of soleus muscles and only a slight force reduction of the diaphragm segments (by 20%, n=7/7). Most muscle fibers of the double mutants contained central nuclei, but fibrosis was not observed. The areas covered by connective tissue in soleus, tibial, EDL and diaphragm muscles were not higher than those in wildtype mice. Conclusion: The sole lack of SGK1 in mouse muscle does not lead to pronounced changes in muscle structure and function. However, dystrophin-deficient mdx muscle seems to benefit form SGK1 deficiency. SGK1 appears to be an important player in the process of fibrotic remodeling and subsequent weakness of dystrophin-deficient mouse muscle.

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Metadaten
Author: Martin Steinberger
URN:urn:nbn:de:gbv:9-001535-5
Title Additional (English):Lack of the serum- and glucocorticoid-inducible kinase SGK1 improves muscle force characteristics and attenuates fibrosis in dystrophic mdx mouse muscle
Advisor:Prof. Dr. Heinrich Brinkmeier
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2013/06/18
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Universitätsmedizin (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2013/05/29
Release Date:2013/06/18
GND Keyword:Dystrophin, Fibrose, Histopathologie, Kraftmessung
Faculties:Universitätsmedizin / Institut für Pathophysiologie
DDC class:600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 610 Medizin und Gesundheit