Skelettmuskelregeneration bei Überlebenden einer kritischen Krankheit: Wie lässt sich der Ausfall von Satellitenzellen verhindern? (SATELLITE)

Hintergrund:

Muskelschwäche ist eine häufige Komplikation bei Patienten, die eine schwere kritische Krankheit oder ein Trauma überlebt haben. Eine veränderte Muskelkraft und Funktionsfähigkeit verschlechtert die Leistungsfähigkeit und Lebensqualität der Patienten erheblich. Eine spezifische Behandlung existiert nicht und die Pathogenese ist noch nicht vollständig geklärt. Akute Sepsis oder ausgedehnte Entzündungsreaktionen sind die Hauptrisikofaktoren für die Entwicklung einer Muskelschwäche bei kritisch kranken Patienten. Jüngste Studien haben gezeigt, dass Muskelschwäche durch den Verlust der Fähigkeit von Skelettmuskelzellen verursacht werden kann, auf die Verletzung zu reagieren und sich zu regenerieren. Satellitenzellen der Skelettmuskulatur, die unterhalb der Basallamina einzelner Muskelfasern lokalisiert sind, sind für die Muskelregeneration verantwortlich. Nach der Muskelschädigung werden Satellitenzellen aus dem Ruhezustand (G0-Phase) aktiviert und treten in den Zellzyklus ein (G1-Phase). Anschließend proliferieren sie und differenzieren sich zu den Myoblasten, die dann verschmelzen und mehrkernige zylindrische Myotuben bilden. Die Zellen verschmelzen dann zu den Myofibrillen und verbinden sich mit den nicht beschädigten Muskelfasern. Einige Satellitenzellen kehren in den G0-Zustand zurück, um den Pool ruhender Skelettmuskelzellen wieder aufzufüllen. Als Reaktion auf die Schädigung von Satellitenzellen werden die mitochondriale Biogenese und die Synthese neuer myofibrillärer Proteine ​​aktiviert, um die neue Muskelmasse aufzubauen, die neue intrazelluläre Inhalte enthält. Daher spielen Satellitenzellen eine entscheidende Rolle für die Muskelfaserregeneration. An Tiermodellen durchgeführte Pilotstudien (z. B. Labormäuse, die die akute Sepsis entwickelten) zeigten eine Verringerung des Mitochondriengehalts und der DNA, eine erhöhte Produktion reaktiver Sauerstoffspezies und Veränderungen der oxidativen Phosphorylierung. Die Anomalien im bioenergetischen Profil von Satellitenzellen gelten als Ursache für deren verminderte Regenerationsfähigkeit. Der genaue Mechanismus ist jedoch noch nicht vollständig aufgeklärt. Veränderungen in der mitochondrialen Struktur und Dynamik von Satellitenzellen bei kritisch kranken Patienten sind ebenfalls unbekannt. In den letzten Jahren wurde die Assoziation von mitochondrialen Funktionen mit mitochondrialer Dynamik bei verschiedenen pathologischen Zuständen und Krankheiten untersucht. Abhängig von äußeren Einflüssen und metabolischen Anforderungen unterliegen Mitochondrien dramatischen Formänderungen, die einen sehr signifikanten Einfluss auf den Zellstoffwechsel haben können. Der ausgewogene Prozess der mitochondrialen Spaltung und Fusion spielt eine Schlüsselrolle bei der mitochondrialen Biogenese und der Entfernung beschädigter Mitochondrien. Der Prozess ist absolut notwendig für das richtige Wachstum und die Funktion des Muskelgewebes. Die mitochondriale Dynamik und Morphologie kann unter pathologischen Umständen verändert werden: Unter mildem Stress und Hunger kann sich die mitochondriale Morphologie von kleinen Kugeln oder kurzen Stäbchen zu langen Tubuli mit einer erhöhten Kapazität für oxidative Phosphorylierung ändern. Andererseits führt akuter schwerer Stress zu einer Mitochondrienspaltung und einer fehlerhaften oxidativen Phosphorylierung. Mehrere an Tiermodellen durchgeführte Studien haben gezeigt, dass Proteine, die für den Prozess der mitochondrialen Fusion und Spaltung verantwortlich sind, absolut entscheidend für das ordnungsgemäße Wachstum und die Funktion von Skelettmuskelzellen sind. Daher spielen Veränderungen in der mitochondrialen Dynamik oft eine entscheidende Rolle bei der Dysfunktion der Skelettmuskulatur und wurden kürzlich ausführlich bei mehreren Myopathien untersucht.

In diesem Projekt möchten die Forscher die kausalen Zusammenhänge zwischen der Mitochondrienfunktion und ihrer Form in Satellitenzellen untersuchen, die von kritisch kranken Patienten in der akuten, protrahierten und post-intensivmedizinischen Phase der kritischen Erkrankung gewonnen wurden.

Hypothesen und Ziele des Projekts:

Vor diesem Hintergrund stellen die Forscher die Hypothese auf, dass eine kritische Erkrankung Satellitenzellen in der Skelettmuskulatur schädigt, die später die strukturelle und funktionelle Erholung der Skelettmuskulatur beeinträchtigt und zu anhaltender Schwäche und fehlgeschlagenen funktionellen Ergebnissen beiträgt.

Erstens, strukturell und funktional (inkl. bioenergetische) Eigenschaften von Satellitenzellen werden in der akuten, protrahierten und Post-Intensiv-Phase bei kritisch kranken Patienten mit Kontrollpersonen verglichen. Zweitens werden die Forscher die Hypothese testen, dass strukturelle und/oder funktionelle Veränderungen von Satellitenzellen bei Überlebenden einer kritischen Krankheit mit der Gesamtmuskelmasse und -kraft korrelieren. Drittens werden die Faktoren untersucht, die die Bioenergetik und die mitochondriale Morphologie von Satellitenzellen beeinflussen (z. B. extrazelluläres Entzündungsmilieu, auf der Intensivstation übliche Medikamente sowie Ernährungs- und anabole Faktoren).

Design:

Prospektive Kohortenstudie mit explorativen physiologischen Endpunkten.

Studienfächer:

Kritisch kranke Patienten: erhalten eine mechanische Beatmung, die innerhalb von 72 Stunden nach der Aufnahme aufgenommen werden muss und die wahrscheinlich 7 Tage oder mehr Aufenthalt auf der Intensivstation benötigen; plötzlicher Krankheitsbeginn, der rechtzeitig feststellbar ist (z. B. Trauma, Schlaganfall, plötzlicher Herzstillstand etc.).

Kontrollpersonen: Orthopädische Patienten mit elektivem Hüftgelenkersatz mit sehr gutem bis sehr gutem Leistungszustand, nur begrenzt auf Gelenkschmerzen (ECOG 0).

Einwilligungsverfahren:

Alle urteilsfähigen Patienten werden gebeten, eine prospektive schriftliche Einverständniserklärung abzugeben. Für nicht urteilsfähige Patienten findet ein aufgeschobenes Einwilligungsverfahren statt. In diesem Fall überprüft und bestätigt ein unabhängiger Arzt, dass der Patient nicht urteilsfähig ist und alle Kriterien für die Aufnahme in die Studie erfüllt. Die nächsten Angehörigen des Patienten werden so bald wie möglich mit Hilfe einer Informationsbroschüre über die Studie informiert. Der Patient wird gebeten, eine Einverständniserklärung abzugeben und zu unterzeichnen, sobald er/sie die Fähigkeit dazu wiedererlangt. Im Falle einer Verweigerung der Einwilligung werden die Patientendaten nicht in der Per-Protocol-Analyse verwendet.

Methoden:

Die zu verwendenden allgemeinen methodischen Ansätze sind wie folgt. Zeitpunkte: Geeignete Patienten werden zu Studienbeginn, nach 7 Tagen und nach 6 Monaten durch klinische Tests, Stoffwechseltests und Muskelbiopsien beurteilt. Kurz gesagt, am Tag 0 wird die Muskelmasse mit diagnostischem Ultraschall (einer Messung der Querschnittsfläche des Rektusmuskels) beurteilt und eine Biopsie des Musculus vastus lateralis wird mit einer Bergström-Nadel durchgeführt. Es werden Basisblutproben entnommen, Plasma wird abgetrennt und bei -80° C für die spätere Analyse von Zytokinen und Hormonspiegeln eingefroren. Täglich werden Urinproben gesammelt, mit Toluol übergossen und in einer Tiefkühlanlage zur späteren Bestimmung des Stickstoffgehalts und des 3-Methylhistidinspiegels (zur Berechnung der Muskelabbaurate und der Stickstoffbilanz) gelagert. Am 7. Tag werden alle oben genannten Verfahren erneut durchgeführt. Darüber hinaus wird jedes Mal, wenn der Patient das Bewusstsein wiedererlangt, auch die Muskelkraft nach dem Score des Medical Research Council (MRC) bewertet (standardisiertes Testen der Muskelkraft [0-5] an 12 Muskelgruppen an allen 4 Gliedmaßen, was den Score 0-60 ergibt ( 60 was auf normale Muskelkraft hindeutet)). Bei der Entlassung aus der Intensivstation werden die Patienten und Angehörigen gebeten, Kontaktdaten für die Nachsorge von 6 Monaten anzugeben. Am Tag 180 werden alle Prozeduren wiederholt. Darüber hinaus wird die Insulinsensitivität nach nächtlichem Fasten durch hyperinsulinämische euglykämische Klemme an den Tagen 7 und 180 gemessen.

Klinische Ergebnisse: werden durch objektive validierte Tests wie den SF-36-Fragebogen zur Bewertung der Lebensqualität, den Medical Research Council Score der Muskelkraft und den 6-Minuten-Gehtest zur Messung der aeroben Leistung bewertet.

Metabolische Eigenschaften: werden auf Ganzkörperebene durch hyperinsulinämische euglykämische Klammern und auf Gewebeebene durch Vastus-lateralis-Biopsien beurteilt. Insulinsensitivität und Substratoxidation werden nach Fasten über Nacht durch hyperinsulinämische euglykämische Klemme gemessen.

Laborverfahren: Mitochondrienforschung: Muskelgewebebiopsien werden aus dem Vastus lateralis-Muskel mit der Bergström-Nadelbiopsietechnik durchgeführt. Die Probe aus jeder Biopsie wird in drei Teile getrennt (jeweils 25–100 mg). Ein Teil wird sofort in mit flüssigem Stickstoff gekühltem Isopentan für die spätere Analyse der Muskelfasertypisierung und immunhistochemischen Analyse eingefroren. Der zweite Teil wird zur Herstellung von Homogenaten und zur Messung der hochauflösenden Respirometrie in das Atmungsmedium auf Eis gegeben, das es ermöglicht, die Funktion einzelner Atmungskomplexe im zytosolischen Kontext zu bestimmen und grundlegende funktionelle Stoffwechselindizes zu messen. Hauptsächlich werden die ATP-Produktion, die mitochondriale Entkopplung, die Kapazität der Elektronentransportkette und die Atmung in Verbindung mit einzelnen Komplexen bewertet. Der dritte Teil dient der Isolierung und Kultur von Skelettmuskelzellen. Zunächst werden Satellitenzellen aus Biopsien mittels FACS oder Magnetic Beads isoliert. Die Satellitenzellen werden kultiviert und globale mitochondriale Indizes werden durch Messung der Sauerstoffverbrauchsrate bewertet. Dies wird mit einem extrazellulären Flussanalysator oder einer hochauflösenden Respirometrie verarbeitet, die eine Messung der Sauerstoffverbrauchsrate und der Laktatproduktion in Echtzeit ermöglicht. Dies ermöglicht die Bestimmung der ATP-Produktion in lebenden Zellen, der Entkopplung der inneren Mitochondrienmembran, der maximalen Atmungskapazität der Atmungskette, der Glykolysekapazität und der Fettsäureoxidation oder der Atmung in Verbindung mit einzelnen Komplexen der Atmungskette. Gleichzeitig werden reaktive Sauerstoffspezies und das mitochondriale Membranpotential gemessen. Darüber hinaus werden Form und Größe der Mitochondrien, die Dichte des mitochondrialen Netzwerks und die dynamische Anordnung dieser miteinander verbundenen Organellen mittels konfokaler Laser-Scanning-Mikroskopie in Live-Cell-Imaging analysiert. Alle Parameter werden in der akuten, protrahierten und Post-Intensiv-Phase einer kritischen Erkrankung untersucht.