Zelluläre Mechanismen, die an der Muskelpathologie beteiligt sind

Skelettmuskelzerrung ist eine der häufigsten Sportverletzungen, die durch übermäßige Zugbelastung des Muskels verursacht wird und die Region betrifft, in der Muskelfaszikel in das Bindegewebe eindringen (Aponeurose). Es handelt sich also nicht um eine Verletzung, die ausschließlich die Skelettmuskulatur betrifft, sondern die Skelettmuskel-Aponeurose-Schnittstelle. Eine Belastungsverletzung erhöht das Risiko einer erneuten Verletzung erheblich, verändert die Biomechanik des betroffenen Muskels und führt zu einer deutlich vergrößerten Aponeurose. Kürzlich haben die Forscher die Ansammlung von ektopischem Fett im intrafaszikulären Raum und in den Myofibrillen entdeckt. Der Aufbau von ektopischem Fett in der Skelettmuskulatur ist ein degenerativer Zustand und wurde hauptsächlich bei Verletzungen der Rotatorenmanschette beschrieben, wo er mit schlechteren Schulterfunktionswerten einhergeht. Gleichzeitig haben die Forscher eine hohe Zellularität in der pathologischen Muskelaponeurose nach Belastungsverletzungen beobachtet, aber es ist nicht bekannt, um welche Zelltypen es sich bei diesen Zellen handelt. Es scheint daher wahrscheinlich, dass zumindest einige der Zellen fibro-/adipogene Vorläuferzellen (FAPs) sind, die zur Fettansammlung in belastungsgeschädigten Muskeln beitragen, und dass die Fettansammlung ein Faktor sein könnte, der zum hohen Risiko wiederkehrender Verletzungen beiträgt andere medizinische Probleme wie Schmerzen und verminderte Funktion, die oft lange Zeit nach einer Belastungsverletzung beschrieben werden.

Eine weitere häufige Verletzung des Unterschenkels ist der vollständige Achillessehnenriss. Neuere Daten zeigen, dass Patienten im Vergleich zur nicht verletzten Seite langfristige Beeinträchtigungen des verletzten Beins haben. Auch nach vollständigen Achillessehnenrupturen wurde über eine Fettdegeneration der Wadenmuskulatur berichtet, die mit einem schlechten Behandlungsergebnis in Verbindung gebracht wurde. Kürzlich haben die Forscher bei Patienten nach einer Achillessehnenruptur eine Fettinfiltration der Wadenmuskulatur beobachtet, die zu einer Abnahme der Muskelfunktion und damit zu einem schlechten Behandlungsergebnis führen könnte.

Trotz der hohen Prävalenz von Muskelzerrungsverletzungen ist sehr wenig über die zellulären Mechanismen nach einer Zerrungsverletzung bekannt. Darüber hinaus ist die Literatur über die zelluläre Zusammensetzung und Veränderungen nach Achillessehnenrupturen rar. Vor einem Jahrzehnt wurde eine Gruppe von Zellen namens fibro/adipogenic progenitors (FAPs) im interstitiellen Raum der Skelettmuskulatur identifiziert, basierend auf dem Vorhandensein von Stammzellantigen 1+, CD34+, Platelet Derived Growth Factor Receptor α (PDGFR α)+ . Abgesehen von ihrer unterstützenden Aktivität bei der Muskelregeneration haben FAPs das Potenzial, einen adipogenen oder profibrotischen Phänotyp anzunehmen. Trotz der hohen Inzidenz wurde nicht untersucht, ob die traumatische Verletzung und die nachfolgenden biomechanischen Veränderungen im Skelettmuskel und dem damit verbundenen Bindegewebe nach Zerrung oder Achillessehnenriss FAPs aktivieren und wie diese Zellen zur Fettansammlung im Skelettmuskel beitragen .

Hypothesen:

1. Es gibt eine große Menge an fibro-adipogenen Vorläufern (FAPs) mit einem adipogenen Muster in pathologischen Skelettmuskeln nach einer Muskelzerrungsverletzung und einem vollständigen Achillessehnenriss. Die Forscher vermuten, dass bereits in der akuten Phase nach einer Zerrung eine erhöhte Zahl von FAPs mit adipogener Signatur, im chronischen Stadium sowie im Muskel nach einem Achillessehnenriss jedoch eine deutlich höhere Zahl vorliegt.
2. Mechanische Hinweise sind ein Haupttreiber der phänotypischen Drift von FAPs. Das Fehlen mechanischer Stimuli initiiert die Übernahme eines adipogenen Weges in naiven FAPs, während naive FAPs, die mechanischen Stimuli ausgesetzt sind, ihren undifferenzierten Phänotyp beibehalten.
3. Das Anhaften von FAPs an einem weichen Material wird die Annahme eines adipogenen Phänotyps aktivieren, wohingegen ein steifes Material einen stärker fibrotischen Phänotyp in naiven FAPs, die aus gesundem Skelettmuskel isoliert wurden, begünstigt.

Um dies zu testen, werden die Ermittler entweder in der akuten Phase (Probandengruppe A) oder in der chronischen Phase (Probandengruppe B) nach einer Zerrungsverletzung kleine Gewebeproben aus dem verletzten Bereich sowie aus dem Muskelgewebe von Personen entnehmen, die a vollständige Achillessehnenruptur mindestens ein Jahr vor Einschluss (Fachgruppe C). In allen drei Gruppen entnehmen die Ermittler außerdem eine kleine Gewebeprobe aus demselben Muskel wie dem verletzten auf der gesunden Seite. Zusätzlich wird eine größere Muskelbiopsie aus dem kontralateralen gesunden M. vastus lateralis entnommen, um die zelluläre Zusammensetzung und das zelluläre Profil zwischen der pathologischen Skelettmuskel-Aponeurose und einem gesunden Skelettmuskel zu vergleichen.

Um die Bedeutung mechanischer Stimuli zu testen, werden isolierte Muskelzellen mit Fluoreszenz-aktivierter Zellsortierung (FACS) sortiert und anschließend in vitro kultiviert. Ein besonderes Augenmerk legen die Ermittler auf die Kultur unter statischer und dynamischer Anspannung sowie im entspannten Zustand.

Ein Alpha-Niveau von 0,05 wird als signifikant angesehen. Basierend auf früheren Daten werden 10 Teilnehmer für jede Gruppe rekrutiert, was es den Ermittlern ermöglicht, eine geschätzte Verdopplung von FAPs in den verletzten Muskeln (primäres Ergebnis) zu erkennen. Die Poweranalyse für den primären Endpunkt ergab n = 4 für jede Gruppe (α = 0,05, β=0,80, CV = 72,4 %), die die Prüfärzte als klinisch relevant erachten. Die Forscher planen, 10 Teilnehmer in jede Gruppe aufzunehmen, um ausreichend Biopsiematerial von 5 Personen für die Einzelkern-RNA-Sequenzierung und 5 Biopsien für die fluoreszenzaktivierte Zellsortierung und die anschließenden In-vitro-Studien zu haben.