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Abstract
Background
Duchenne muscular dystrophy (DMD) is a progressive muscle‐wasting disease caused by mutations in the dystrophin gene, which leads to structural instability of the dystrophin–glycoprotein‐complex with subsequent muscle degeneration. In addition, muscle inflammation has been implicated in disease progression and therapeutically addressed with glucocorticosteroids. These have numerous adverse effects. Treatment with human immunoglobulin G (IgG) improved clinical and para‐clinical parameters in the early disease phase in the well‐established mdx mouse model. The aim of the present study was to confirm the efficacy of IgG in a long‐term pre‐clinical study in mdx mice.
Methods
IgG (2 g/kg body weight) or NaCl solution as control was administered monthly over 18 months by intraperitoneal injection in mdx mice beginning at 3 weeks of age. Several clinical outcome measures including endurance, muscle strength, and echocardiography were assessed. After 18 months, the animals were sacrificed, blood was collected for analysis, and muscle samples were obtained for ex vivo muscle contraction tests, quantitative PCR, and histology.
Results
IgG significantly improved the daily voluntary running performance (1.9 m more total daily running distance, P < 0.0001) and slowed the decrease in grip strength by 0.1 mN, (P = 0.018). IgG reduced fatigability of the diaphragm (improved ratio to maximum force by 0.09 ± 0.04, P = 0.044), but specific tetanic force remained unchanged in the ex vivo muscle contraction test. Cardiac function was significantly better after IgG, especially fractional area shortening (P = 0.012). These results were accompanied by a reduction in cardiac fibrosis and the infiltration of T cells (P = 0.0002) and macrophages (P = 0.0027). In addition, treatment with IgG resulted in a significant reduction of the infiltration of T cells (P ≤ 0.036) in the diaphragm, gastrocnemius, quadriceps, and a similar trend in tibialis anterior and macrophages (P ≤ 0.045) in gastrocnemius, quadriceps, tibialis anterior, and a similar trend in the diaphragm, as well as a decrease in myopathic changes as reflected by a reduced central nuclear index in the diaphragm, tibialis anterior, and quadriceps (P ≤ 0.002 in all).
Conclusions
The present study underscores the importance of an inflammatory contribution to the disease progression of DMD. The data demonstrate the long‐term efficacy of IgG in the mdx mouse. IgG is well tolerated by humans and could preferentially complement gene therapy in DMD. The data call for a clinical trial with IgG in DMD.
All types of muscles use Ca2+ as their main intracellular messenger. In skeletal muscle fibers abnormal levels of intracellular calcium result in altered contractile properties, altered energy metabolism, and altered gene expression. Moreover, long term failure of normal Ca2+ homeostasis can lead to cell death of muscle fibers by necrosis and apoptosis. Elevations of intracellular Ca2+ levels are more and more regarded as the reason for pathological changes and muscle fiber damage in Duchenne Muscular Dystrophy (DMD). DMD is a severe recessive x-linked muscle disease caused by mutations in the dystrophin gene. The characteristics of DMD are muscle tissue wasting and fibrosis. Both muscle wasting and intracellular Ca2+ are to be reflected in changes of muscle force. Several Ca2+ conducting channels including transient receptor potential (TRP) channels are supposed to account for the abnormal Ca2+ homeostasis in DMD. Gene expressions of TRP channels have been studied in human and mouse skeletal muscle and among others TRPC3, TRPC6 and TRPV4 channels were found to occur in skeletal muscles. The present study followed the hypothesis that TRPC3, TRPC6 and TRPV4 are functional in skeletal muscle fibers and that they contribute to muscular Ca2+ homeostasis. Further, it was assumed that dysfunction of the mentioned TRP channels contributes to abnormal contractile properties and pathology and of dystrophin-deficient muscle. To study Ca2+ changes in mouse skeletal muscle fibers the fluorescent calcium indicator Fura-2 was used. Further, the technique of Mn2+ quench of Fura-2 fluorescence was applied. Muscle force measurements of mouse soleus and diaphragm strips were performed. To elucidate abnormalities of TRP channel function in dystrophin-deficient muscle, muscles and muscle fibers of mdx mice were studied. Hyperforin, an activator of TRPC6 channels elicited increases of calcium levels in wildtype muscle fibers. These increases were partly inhibited by the TRPC6 inhibitor 1-(5-chloronaphthalenesulfonyl) homopiperazine hydrochloride (ML-9). The TRPC3/TPRC6 activator 1-oleoyl-2-acetyl-sn-glycerol (OAG) resulted in increased calcium entry, which was attenuated by ML-9. 2-aminoethoxydiphenylborane (2-APB), an unspecific TRP channel inhibitor, suppressed calcium entry in muscle fibers under basal conditions. In addition, the specific TRPC3 inhibitor Pyr3, strongly inhibited background calcium entry. The TRPV4 activator 4α-phorbol 12,13-didecanoate (4α-PDD) induced significant increased calcium entry and this increase could be inhibited by the TRPV4 inhibitor HC 067047. During muscle force recordings ML-9 significantly inhibited twitches and tetani and accelerated muscle fatigue during sustained repetitive stimulation. The results indicate that TRPC3, TRPC6 and TRPV4 are functionally expressed in mouse muscle fibers. TRPC3 stays active under the basal conditions and contributes to background calcium entry. In contrast, TRPC6 and TRPV4 did not seem to be active at resting conditions, but could be pharmacologically activated. TRPC6 may play a role to counteract the calcium loss under long-term muscle fatigue. Though TRPC3 and C6 play a role for muscular Ca2+ homeostasis, it is unclear whether and how the two channels associate and cross-talk with each other in skeletal muscle cells. In mdx fibers Pyr3 inhibited background calcium influx stronger that in WT fibers, implying a possible over-activation of TRPC3 channels in mdx muscle fibers. At later stages mdx muscle showed marked decrease in force reflecting muscle wasting. Soleus showed moderate decrease and diaphragm showed severe decrease (more than 60%) in force. Resistance to muscle fatigue was shown in mdx soleus muscle when compared with WT soleus muscle. Diaphragm segments of mdx mice showed very strong resistance to muscle fatigue. The results indicate a substantial loss of muscle mass, an increase in oxidative fiber types and a reduction of fast fatigable muscle fibers. It is concluded that the hypothesis of functional expression of TRPC3, TRPC6 and TRPV4 in mouse skeletal muscle has been confirmed. The results give improved knowledge about the relation of Ca2+ homeostasis, mdx pathology and TRP channels. Diaphragms of old mdx mice show severe muscle weakness but the remaining fibers of the diaphragm showed strong fatigue-resistance. The application of a TRPC3 inhibitor may be a promising treatment to prevent high Ca2+ mediated muscle damage in muscular dystrophy.
The six extraocular muscles (EOMs) are arranged around the eyeball as agonist-antagonist pairs performing the eye movements. The EOMs comprise a distinct muscle group that is fundamentally different from other skeletal muscle, which is reflected on many levels, such as functionality, anatomy as well as in their molecular make-up. Physiologically EOMs are considered superfast, high endurance muscles that are continuously active. In addition, EOMs contain unusual slow-tonic fibers that share features with amphibian and avian slow-tonic fibers. EOMs also express slow/cardiac isoforms of proteins and genes along with the typical isoforms of fast muscle fibers. Another striking hallmark of EOM is their differential involvement in a number of diseases. For instance, EOMs are preferentially spared in Duchenne Muscular Dystrophy (DMD). DMD is the most common fatal, genetic disease in males clinically characterized by progressive muscle wasting. Mutations in the dystrophin gene result in a destabilization of the muscle membrane causing muscle fiber damage. While all other skeletal muscles deteriorate the EOMs remain morphologically and functionally healthy. In the pathogenesis of DMD elevated Ca2+ levels are believed to be an early event and it has been shown that EOMs are protected from pharmacologically induced Ca2+ damage. The goal of this study was to characterize the spared EOMs, in particular their Ca2+ homeostasis, in the context of DMD pathology to reveal new potential therapeutic targets for the disease. A combination of physiological, molecular and biochemical methods was used to investigate the Ca2+ homeostasis of EOMs to demonstrate clear differences compared with the fast limb muscle tibialis anterior (TA). Ca2+ handling of stimulated cultured EOM myotubes suggested more efficient Ca2+ removal from the cytoplasm after induced Ca2+ influx compared with cultured myoblasts from TA. Subsequent mRNA and protein expression analyses of myoblasts and adult muscle tissue revealed high expression levels of many key Ca2+ regulating and buffering proteins in rodent EOMs compared with TA. Among these Ca2+ proteins were slow/cardiac proteins, which normally are not found in fast muscles. For instance, the sarcoplasmic Ca2+ ATPase SERCA2 was elevated along with its regulator phospholamban (PLN). Further, PLN was preferentially endogenously phosphorylated at Thr17 suggesting continuous activation of SERCA2 and possibly the fast isoform SERCA1, the main Ca2+ pumps responsible for removing Ca2+ from the cytoplasm after muscle contraction. Furthermore, Ca2+ buffers, such as calsequestrin (CASQ2) and parvalbumin (PARV) were elevated. These results suggest that EOMs are endowed with a unique and superior Ca2+ homeostasis that facilitates efficient Ca2+ buffering and removal from the cytoplasm. This is in agreement with their continuous and fast activation cycles, as well as with a potential protective mechanism in prevention of Ca2+ overload in DMD. The extreme activity patterns of EOM suggested that a high activity of store-operated Ca2+ entry (SOCE) plays a critical part to replenish Ca2+ for rapid and continuous cycles of contractions. To extend the data on general Ca2+ homeostasis and because of possible implications of store-operated Ca2+ influx and other Ca2+ influx pathways in DMD, the expression patterns of group 1 transient receptor potential (TRP) channels and the proteins Orai1 and STIM1 were studied. The TRP channels, TRPC1, TRPC6 and TRPV4 channel proteins in addition to STIM1 showed higher expression in EOM compared with TA. High TRPC1, TRPV4 and STIM1 levels could play a significant role in the high fatigue resistance, muscle differentiation and SOCE in EOM. In addition, tissue from the mdx mouse model of DMD was investigated. The only channels differentially expressed in mdx EOM compared with normal EOM were TRPM4 and TRPM7 (decreased in mdx EOM) and TRPV4 (increased in mdx EOM). Although, these changes in mdx EOM were of small magnitude, they could point toward subtle compensatory changes related to the disease process. In general, EOMs seem to be unaffected by the disease and inherently protected. In conclusion, the results in this thesis have improved the understanding of the Ca2+ homeostasis in EOMs and suggest that EOM may be better able to prevent prolonged elevation of cytoplasmic Ca2+ levels. These data may help to design new therapeutic approaches targeting Ca2+ handling proteins to ameliorate muscular dystrophy.
Die Muskeldystrophie Duchenne wird X-chromosomal vererbt und ist die häufigste Muskelerkrankung im Kindesalter. Ursächlich ist eine Mutation im Dystrophin-Gen auf der Position Xp21. Einer der Hauptfaktoren für die Krankheitsentstehung ist die intrazelluläre Ca2+-Überladung der Dystrophin-defizienten Muskelzellen. Diese resultiert vermutlich aus einem gesteigerten Ca2+-Einstrom in die Dystrophin-defiziente Muskelzelle über spezifische Kationenkanäle. Zunehmend in Betracht gezogen werden hier die TRP- (transient receptor potential) Kanäle. Ziel dieser Arbeit war es, mittels molekularbiologischer Methoden, ausgewählte TRP-Kanäle zu untersuchen. Es sollten diejenigen Ca2+-Kanäle identifiziert werden, denen bei der Muskeldystrophie Duchenne eine pathogenetische Bedeutung zukommt. Dies soll zukünftig eine gezielte pharmakologische Interventionsmöglichkeit zur Behandlung der Muskeldystrophie Duchenne eröffnen. Zu diesem Zweck wurden Myozyten (immortalisierte Dystrophin-positive IMO-Zellen und Dystrophin-negative IMORTO-MDX- oder SC-5 Zellen) während der Muskelzellproliferation und -differenzierung betrachtet. Die mRNA-Expressionen der TRP-Kanäle TRPC3, TRPC6, TRPM4, TRPM7 und TRPV4, die intrazellulären Lokalisationen von TRPC3, TRPC6, TRPM7 und TRPV4 sowie die Protein- Expression von TRPC3 wurden bestimmt. Ferner wurde die Abhängigkeit der Expression von TRPC3, TRPM4 und TRPV4 von unterschiedlichen externen Ca2+- Konzentrationen in beiden Zelllinien untersucht. Während der Muskelzelldifferenzierung stiegen die mRNA-Expressionen von TRPC3 und TRPM4 sowohl in den SC5- als auch in den IMO-Zellen an. TRPC3 wurde darüber hinaus in den IMO-Zellen am Ende des Differenzierungszeitraumes im Myotubenstadium signifikant mehr exprimiert als in den SC-5-Zellen. TRPC3 war vornehmlich intrazellulär lokalisiert, eine Plasmamembranständigkeit in den SC-5 Zellen ist nicht auszuschließen. Für TRPC6 konnte auf mRNA-Ebene in beiden Zelllinien eine vergleichbare Expression während der Proliferation detektiert werden. Während der Differenzierung stieg die Expression von TRPC6 in den SC-5-Zellen an, fiel jedoch in den IMO-Zellen ab. TRPC6 könnte somit als Marker der Muskeldystrophie fungieren. Die Lokalisation von TRPC6 scheint in den SC-5-Zellen sowohl perinukleär als auch sarkolemmal vorzuliegen. Die Expression von TRPM7 stieg in den IMO-Zellen während der Differenzierung, blieb hingegen in den SC-5-Zellen aus. Für TRPV4 konnten keine Expressionsunterschiede det ektiert werden. Die Ergebnisse sprechen für eine Beteiligung der Kanäle TRPC3, TRPC6 und TRPM7 an der Pathogenese der Muskeldystrophie Duchenne. Sie könnten als pharmakologische Angriffspunkte in der Therapie der Duchenne-Muskeldystrophie in Betracht kommen und sollten daher weiter untersucht werden.
Der TRPM7-Kanal ist ubiquitär exprimiert (Montell et al., 2005) und an multiplen physiologischen und pathologischen Prozessen beteiligt (Monteilh-Zoller et al., 2003). Durch TRPM7-Knockdown mittels siRNA wurde in dieser Arbeit versucht, die Bedeutung des Ionenkanals für die Differenzierungsfähigkeit von kultivierten Muskelzellen zu untersuchen. In Vorversuchen erfolgte die Etablierung der siRNA-Transfektionstechnik mit HEK293-Zellen nach zwei unterschiedlichen Protokollen. Zunächst konnte der TRPC6-Knockdown an TRPC6 überexprimierenden HEK293-Zellen gezeigt werden. Das Vorgehen wurde anschließend auf den zu untersuchenden Kanal TRPM7 in C57Bl-Zellen übertragen. Dazu musste die Methodik wiederholt abgewandelt werden, um möglichst viele vitale und transfizierte Zellen zu erhalten. Als Kontrollen dienten untransfizierte Zellen, mit unspezifischer siRNA-transfizierte Zellen und mit HiPerFect, dem Transfektionsreagenz, behandelte Zellen. Letztendlich konnte eine ausreichende Anzahl der transfizierten Zellen bezüglich ihrer Proliferation und Differenzierung anhand von zwei Differenzierungsmarkern, dem Ryanodinrezeptor 1 und dem SCN4A, untersucht werden. Dabei zeigten sich die folgenden Ergebnisse: Ein bis zwei Tage nach der Transfektion mit spezifischer siRNA zeigte sich eine verminderte Expression des TRPM7 in Muskelzellkulturen von ca. 50% im Vergleich zu den Kontrollen. Die Differenzierung der siRNA-transfizierten Zellen zeigte sich mikroskopisch deutlich eingeschränkt. Die Hemmung der TRPM7-Expression verlangsamte die Proliferation und Differenzierung der kultivierten Muskelzellen. Die beschriebenen Auswirkungen ließen sich aber nicht nur bei den siRNA-transfizierten Zellen, sondern teilweise auch bei Einsatz des HiPerFectes ohne zusätzliche siRNA erkennen. Die untransfizierten Zellen differenzierten – wie erwartet – am besten. Die Differenzierung der transfizierten Zellen war nicht abhängig von der Menge der siRNA. Die muskelspezifischen Marker, der Ryanodinrezeptor 1 und der spannungsgesteuerte Na+-Kanal SCN4A, waren nach siRNA-Anwendung gegen den TRPM7 tendenziell vermindert. Es zeigte sich jedoch auch eine Reduktion der Differenzierungsmarker in den transfizierten Kontrollgruppen. Zusammenfassend scheint der TRPM7 für Zellproliferation und Differenzierung von Muskelzellen relevant zu sein. Die C57Bl-Zellen reagierten allerdings recht sensitiv auf Transfektionen, so dass diesbezüglich nur eine eingeschränkte Aussage getroffen werden kann. Wegen seiner ubiquitären Expression, seiner Beteiligung an diversen physiologischen und pathophysiologischen Prozessen und seiner bedeutenden Rolle für die Mg2+-Homöostase bleibt der TRPM7 ein höchst interessanter und relevanter Ionenkanal.
Die Duchenne Muskeldystrophie stellt eine X-chromosomal rezessiv vererbte, schwere Form der Muskeldystrophie dar. Die Ursache ist eine Mutation im Dystrophingen und die Folgen äußern sich in Muskelschwäche, Muskelfasernekrosen und einer verstärkten Fibrosierung. Der genaue Pathomechanismus ist noch nicht abschließend geklärt. Durch Muskelbiopsien von DMD Patienten und mit Hilfe des homologen Tiermodells, der mdx-Maus, konnte herausgefunden werden, dass der intrazelluläre Kalziumgehalt der Dystrophin-defizienten Muskelfasern erhöht ist. Einen möglichen Therapieansatz könnte die Blockierung von Kationenkanälen der Muskelfasermembran, die den pathologischen Kalziumeinstrom ermöglichen, darstellen. In vorangegangenen Arbeiten werden die TRP-Kanäle (Transient Receptor Potential channels) für den pathologischen Kalziumeinstrom mitverantwortlich gemacht. In der vorliegenden Arbeit wurde der Fokus in erster Linie auf einen Vertreter der TRP-Kanal-Superfamilie, den TRPV4, gelegt. Zu diesem Zweck wurde die TRPV4-Knock out Maus näher untersucht. Zunächst führte man eine Standardhistologie mit Hilfe von HE, Sirius RED und ATPase-Färbung durch. Sowohl die Faserkaliberbestimmung als auch die Messung des Bindegewebsanteils zeigten keine Unterschiede zum Wildtypen. Eine anschließende Genstudie mittels RT-PCR ermöglichte die Quantifizierung der mRNA Expression von 22 TRP-Kanälen in der murinen Skelettmuskulatur. Dabei sollte in dieser Arbeit unter anderem die Frage einer möglichen Gegenregulation anderer-Kanäle auf Grund des TRPV4-Mangels in der TRPV4-KO Maus geklärt werden. Des Weiteren wurde auch ein Vergleich der mRNA Kanal-Expression zwischen schnellen (EDL) und langsamen (SOL) Muskel vorgenommen. Die Untersuchungen zeigten, dass von den 22 analysierten TRP-Kanälen 16 auf mRNA Ebene exprimiert werden. Dabei wiesen TRPV2 und TRPV3 eine erhöhte mRNA Expression in der TRPV4-KO Mutante im Vergleich zum Wildtyp auf. Signifikant war dieser Unterschied für TRPV2 im M. soleus und für TRPV3 in allen drei untersuchten Skelettmuskeln (TA, EDL, SOL). Dies könnte für eine Gegenregulation dieser 2 TRP-Kanäle in TRPV4-defizienten Muskelfasern sprechen. Des Weiteren wurde eine signifikant verstärkte mRNA Expression von TRPM3, M4, M6, M8, V2, V4, und V6 im langsam zuckenden M. soleus im Vergleich zum schnell zuckenden EDL beobachtet. Dies trifft sowohl für die TRPV4-KO als auch für die WT Mäuse zu und könnte für eine stärkere Expression dieser TRP-Kanäle in den langsamen TYP 1 Fasern des M. soleus sprechen. Aus den vorliegenden Ergebnissen geht hervor, dass im Falle des Verlustes eines TRP-Kanals höchstwahrscheinlich andere Vertreter dieser Kanalfamilie in der Lage sind durch eine verstärkte Expression den Mangel zu kompensieren. Dies gilt es im Rahmen einer möglichen Therapie der Duchenne Muskeldystrophie, zum Beispiel mit Hilfe von TRP-Kanalblockern, zu beachten.
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.
Der TRPC6 Kanal ist Teil einer Familie nicht selektiver Kationenkanäle, den Transient-Receptor-Potential-Canonical Kanälen. Der TRPC6 Kanal ist durch Diacylglycerol (DAG), ein Spaltprodukt der Phospholipase C, aktivierbar. Durch den Kinaseinhibitor ML-9 kann er inaktiviert werden. In der Skelettmuskulatur von Wildtyp-Mäusen und Dystrophin-defizienten mdx-Mäusen wird der TRPC6 Kanal stark exprimiert. Eine Beteiligung des TRPC6-Kanals am Store-Operated-Calcium-Entry (SOCE) wurde ebenso diskutiert wie ein Vorliegen als Rezeptor-gesteuerter Ionenkanal (ROC). In dieser Arbeit wurde der Kalziumeinstrom des Sarkolemms mit Hilfe der Mangan-Quench-Technik an Mäuseskelettmuskelzellen untersucht. Der TRPC6 Kanal wurde mittels ML-9 inhibiert mit dem Ziel einen möglichen Einfluss auf den Kalziumeinstrom in die Skelettmuskelzellen der Mäuse zu untersuchen. Dies geschah sowohl in Ruhe als auch nach Entleerung der intrazellulären Kalziumspeicher. Es konnte nachgewiesen werden, dass der TRPC6 Kanal nicht zum Ruhekalziumeinstrom in der Skelettmuskulatur beiträgt. Er ist dort zwar hoch exprimiert, jedoch unter Ruhebedingungen nicht aktiv. Da der Kanal durch DAG und auch Hyperforin aktivierbar ist, spricht dies für ein Vorliegen als Rezeptor-gesteuerter Kanal in Skelettmuskelzellen. Durch die Anwendung des SERCA-Inhibitors Thapsigargin konnte der SOCE sowohl in Wildtyp- als auch mdx-Skelettmuskelzellen dargestellt werden. Nach Vorinkubation mit Thapsigargin zeigte sich jeweils ca. eine Verdoppelung der Quenchraten im Vergleich zu den Ruhebedingungen. Auch nach Entleerung der Kalziumspeicher blieb der TRPC6 Kanal inaktiv. Der TRPC6-Kanal ist am SOCE-Mechanismus, zumindest in Mäuseskelettmuskelzellen, nicht beteiligt. Eine Beteiligung anderer Mitglieder der TRPC-Familie bleibt jedoch denkbar. Für eine mögliche Beteiligung des Kanals am pathologisch erhöhten Kalziumeinstrom des Sarkolemms, wie sie im Rahmen der Pathogenese der Duchenne-Muskeldystrophie diskutiert wird, konnten in dieser Arbeit keine Hinweise gefunden werden. Hinsichtlich der getesteten Parameter unterschieden sich die Muskelfasern von Wildtyp-Mäusen nicht von den Zellen Dystrophin-defizienter mdx-Mäuse.
Entscheidende Fortschritte in der Pathogenese des Typ 1 Diabetes wurden durch den Einsatz von Modelltieren erzielt, die ebenso wie der Mensch spontan einen Typ 1 Diabetes ausbilden. Eines dieser Modelltiere ist die BB-Ratte (Bio Breeding Ratte). Sie entwickelt ein dem Typ 1 Diabetes des Menschen sehr ähnliches Krankheitsbild mit den typischen Kennzeichen wie Insulitis, Insulinopenie, Hyperglycämie, Ketoseneigung, Polyurie und Polydipsie. Analog zum Menschen sind bei diesen Tieren bestimmte Gene des Haupthisto-kompatibilitätskomplexes (MHC) für die Entwicklung eines Diabetes essentiell und werden als Iddm 1 bezeichnet. Kreuzungsstudien zeigten jedoch, dass nicht nur diese Gene, sondern auch Nicht-MHC-Gene (Iddm-2, Iddm-3, Iddm4 etc.) für die Entwicklung verantwortlich sind. Um die Bedeutung der Nicht- MHC- Gene zu prüfen, wurden verschiedene kongene BB.SHR-Linien etabliert, indem chromosomale Segmente mit nachgewiesenen Nicht-MHC-Genen von Diabetes- resistenten SHR-Ratten (spontan hypertensive Ratte) durch wiederholte Rückkreuzung auf die BB-Ratten ausgetauscht wurden. Durch den Austausch von Iddm2 (BB.LL) konnte die Entstehung eines Diabetes verhindert werden, aus dem Austausch von Iddm4 (BB.6S) resultierte eine drastischen Senkung der Diabeteshäufigkeit im Vergleich zum Parentalstammes (15 vs. 86%) Das Ziel dieser Arbeit bestand darin, zu klären, welche Faktoren auf molekularer Ebene die Destruktion einerseits und anderseits eine Protektion der ß-Zellen unter Verwendung von Langerhansschen Inseln der kongenen Linien BB.LL, BB.6S und des BB/OK-Parentalstammes in vitro bedingen. Es konnte gezeigt werden, inwieweit Calcium als Mitregulator bei der Freisetzung von Insulin aus den Langerhansschen Inseln und Cytokine als generelle Stressoren die Funktion und die Expression von Schutzproteinen beeinflusst. Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigten, dass bei Langerhansschen Inseln des BB.LL- und BB.6S- Stammes in Gegenwart einer erhöhten Calciumkonzentration eine Stimulierung der Insulinausschüttung möglich war, während die des BB/OK Stammes unter den gleichen Bedingungen mit reduzierter Insulinausschüttung reagierten. Gleichermaßen zeigte sich eine höhere Expression der Schutzproteine vor und nach der Inkubation mit Cytokinen zwischen den Linien, wobei eine negative Korrelation zur Diabetesinzidenz nachweisbar war, d.h. eine niedrige Calbindinexpression des BB/OK Stammes korrelierte mit einer hohen Diabetesmanifestation (ca. 86%), während die Calbindinexpression der Langerhansschen Inseln des BB.6S-Stammes mit einer niedrigen Inzidenz einherging. Auch die Expression von HSP70, einem speziellen protektiven Protein zeigte in den Untersuchungen eine negative Korrelation zur Diabetesmanifestation. Die vorgelegten Befunde ließen den Schluss zu, dass molekulare Mechanismen die BB.6S- und BB.LL- Linie vor einer Diabetesmanifestation schützen, während die suszeptiblen BB.OK-Ratten diese protektiven Mechanismen nicht besitzen.
Als Teil der TRP-Ionenkanalfamilie handelt es sich bei dem TRPV4 um einen nicht selektiven Kationenkanal mit einer höheren Spezifität gegenüber Kalziumionen im Ver-gleich zu anderen Kationen. Dieser Kanal ist bereits in einer Vielzahl von Geweben mit unterschiedlichen Funktionen beschrieben worden, über seine genaue Funktion in der quergestreiften Muskulatur ist jedoch bisher wenig bekannt. Untersuchungen an Dystrophin-defizienten-Mausmuskelfasern – einem Modell für die Muskeldystrophie vom Typ Duchenne – zeigten einen erhöhten intrazellulären Kalzi-umgehalt auf, der für die pathogenetischen Veränderungen wie Muskelzellnekrosen und verstärkter Fibrosierung im Rahmen dieser Erkrankung verantwortlich gemacht wird. Durch seine hohe Ionenselektivität und dadurch bedingte Einflussnahme auf die Kalzi-umhomöostase ist eine Beteiligung des TRPV4 in diesem Zusammenhang denkbar. Pritshow et. al. konnten zudem zeigen, dass der TRPV4 Kanal in quergestreifter Musku-latur eines Wildtyp-Mausmodells unter gezielter Stimulation positiven Einfluss auf die maximale Kraftentwicklung und Ermüdungserscheinungen nimmt. Auf Basis dieser Erkenntnisse sind in der vorliegenden Arbeit elektrophysiologische Untersuchungen des TRPV4 Kanals mit den spezifischen Kanalaktivatoren 4α-PDD und GSK1016790A an isolierten TRPV4 Wildtyp-und Knockout-Skelettmuskelfasern der Maus durchgeführt worden. Untersuchungsgegenstand waren dabei mittels Kalium-chlorid induzierte Kalziumtransienten, die sich unter dem Einfluss der TRPV4 Kanalak-tivität veränderten. Die Ergebnisse zeigten, dass 4α-PDD in Wildtyp-Skelettmuskelfasern zu einer höheren Offenheitswahrscheinlichkeit des TRPV4 und damit auch zu einem vermehrten Ein-strom an Kalziumionen, erkennbar am langsameren Abklingen des Transienten, führt. Im Gegensatz dazu führte die Stimulation mit 4α-PDD in TRPV4 Knockout-Skelettmuskelfasern zu einem schnelleren Abklingen des Transienten im Vergleich zur Kontrolle – ein Effekt, der bis dato in der Literatur nicht erklärt werden kann. Des Wei-teren erreichten die induzierten Kalziumtransienten schneller das Maximum, Grund hierfür könnte eine mögliche Gegenregulation anderer TRP-Kanäle sein. Die Anwendung des selektiven TRPV4 Kanalaktivators GSK1016790A ergab keine signifikanten Veränderungen im Vergleich zur unstimulierten Situation. Da es bisher keine Daten zur Verwendung von GSK1016790A im Zusammenhang mit Skelettmus-kelfasern gibt, die zum Vergleich herangezogen werden konnten, sind Aussage-und Interpretationsmöglichkeiten bezüglich Validität und Reliabilität begrenzt. Die Einflussnahme des TRPV4 auf die gemessenen Kalziumtransienten und der dadurch erzielten Modulation der Kalziumhomöostase in isolierten Skelettmuskelfasern ist durch die Ergebnisse belegt. Welche Interventionsmöglichkeiten sich damit bezüglich der Duchenne Muskeldystrophie ergeben, sollte Gegenstand weiterer Untersuchungen sein.