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Zum Einfluss des Kationenkanals TRPV4 auf Kontraktionsverhalten und Ermüdung von Maus-Skelettmuskeln
(2012)
Diejenigen Mechanismen, welche innerhalb der skeletalen Myozyten zur Kontraktion und Kraftentfaltung führen, sind heute, bis auf wenige verbleibende Mysterien, sehr gut verstanden. In der Hauptsache werden zu den relevanten Membranproteinen, die im Exzitations- und Kontraktionsgeschehen der Myozyten von Bedeutung sind, der sarkolemmale Dihydropyridinrezeptor sowie der sarkoplasmatische Ryanodinrezeptor gezählt - nicht aber TRP-Ionenkanäle. Diese werden hingegen u.a. mit der Sensorik von Geschmack, Temperatur, Osmolarität, Nozizeption sowie taktiler Reize in Verbindung gebracht. TRP-Ionenkanäle werden ubiquitär exprimiert. Ihre Existenz innerhalb des Sarkolemms von Myozyten, sowohl vom glatten als auch vom quergestreiften Typus, ist belegt. Die belgische Gruppe um Nadège Zanou, Georges Shapovalov und Phillip Gailly publizierten Hinweise, die darauf hindeuten, dass ein spezieller kanonischer TRP-Ionenkanal, der TRPC1, möglicherweise eine Rolle im Kontraktionsgeschehen der quergestreiften Myozyten spielt. Solche Beobachtungen werfen unter anderem die Frage auf, ob es weitere Kandidaten der TRP-Proteinfamilie gibt, die in die myozytären Kontraktionsprozesse involviert sind. Es ist derzeit teilweise geklärt, welche Funktionen TRP-Ionenkanäle der TRPV-Subfamilie innerhalb glatter Muskelzellen übernehmen. Welche Bedeutung Vertreter der TRPV-Subfamilie für die quergestreiften Myozyten haben, ist aktuell aber noch nicht hinreichend geklärt. Die vorliegende Dissertation thematisiert die wissenschaftliche Frage nach der funktionellen Bedeutung von TRPV4-Ionenkanälen für die Kontraktions- und Ermüdungsvorgänge innerhalb der quergestreiften Muskulatur der Maus. Um die Frage beantworten zu können, ob TRPV4-Kationenkanäle innerhalb der quergestreiften Myozyten funktional sind, führten wir In-vitro-Kraftmessungen mit isolierten Mm. solei der Wildtypmäuse C57Bl/10Sc/J und C57Bl/6 sowie der TRPV4-defizienten Maus durch. Darüber hinaus haben wir den Einfluss von 4aPDD, ein Phorbolesterderivat und selektiver TRPV4-Aktivator, auf Kontraktions- und Relaxationszeiten, die maximalen Kraftentwicklungen sowie die Muskelermüdung (Fatigue) untersucht. Im Rahmen unserer Untersuchungen konnten wir zeigen, dass sich der quergestreifte Muskel über eine TRPV4-Stimulation im Hinblick auf seine Maximalkraftentwicklung und Ermüdungserscheinungen positiv beeinflussen lässt, wohingegen dabei sowohl die Kontraktions- als auch die Relaxationskinetiken unbeeinflusst blieben. Unsere Resultate und Beobachtungen stellen somit ein deutliches Plädoyer für die Funktionalität der TRPV4-Ionenkanäle innerhalb der quergestreiften Myozyten dar.
Diese Arbeit beschreibt die Konstruktion einer 3D-gedruckten modularen
Messapparatur (M3DOMA), die eine simultane Messung von Kraft und Drehmoment in allen drei Raumachsen (X, Y und Z) an drei beliebigen Zähnen des Zahnbogens erlaubt und in weiteren Ausbaustufen auf alle Zähne eines Zahnbogens erweitert werden kann. Die Messapparatur wird in Hinblick auf den Aufbau und dessen Eigenschaften, wie der Ruherausch, die Wiederholbarkeit, sowie die Verlässlichkeit der Messungen, beschrieben.
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.