3D-mikroskopische Muskelarchitektur bei Zerebralparese (3D-MMAP)

Hintergrund:

Veränderte Muskeleigenschaften bei CP wurden sowohl von unserer eigenen als auch von anderen Forschungsgruppen makroskopisch und mikroskopisch berichtet. Wichtige Experten auf diesem Gebiet erkennen daher an, dass weitere Fortschritte beim Verständnis der Pathogenese veränderter Muskeleigenschaften durch die Durchführung von Studien erzielt werden können, die makro- und mikroskopische Bewertungen von Muskelstrukturen kombinieren, um verschiedene Krankheitsbilder zu definieren. Frühere Untersuchungen haben auch gezeigt, dass verschiedene Behandlungsmodalitäten, wie z. B. Muskeldehnung, -stärkung oder -tonusreduzierung, positive Auswirkungen auf neuromuskuläre Symptome und bestimmte Muskeleigenschaften haben. Allerdings sind die Behandlungsergebnisse nicht immer zufriedenstellend und scheinen muskel- und patientenspezifisch zu sein. Jüngste Entwicklungen bei der instrumentellen Beurteilung dieser klinischen Symptome haben ihre Heterogenität deutlich gemacht. Durch die Anwendung dieser neuartigen instrumentierten Beurteilungen stellten wir fest, dass verschiedene neuromuskuläre Phänotypen auftraten, wie z. B. unterschiedliche Spastikklassen basierend auf Muskelaktivierungsmustern, die während passiver Dehnungen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten gemessen wurden. Während unsere Ergebnisse zeigen, dass diese Phänotypen unterschiedlich auf die Behandlung reagieren, bleibt ihre Ätiologie unbekannt. Diese Ergebnisse legen nahe, dass die patientenspezifische Behandlung verbessert werden kann, wenn sie auf vollständiger definierte Phänotypen abgestimmt wird. Eine umfassende Beschreibung der intrinsischen Muskeleigenschaften, einschließlich mikroskopischer und makroskopischer Merkmale, ist ein wichtiger nächster Schritt zur weiteren Abgrenzung der Phänotypen, sodass sie die klinische Entscheidungsfindung unterstützen können.

Die Pathogenese des veränderten Muskelwachstums bei CP-Kindern bleibt unklar. Es besteht kein Zweifel daran, dass reife Muskeln sich als Reaktion auf veränderte Nutzungsmuster anpassen30, was darauf hindeutet, dass behindertes Muskelwachstum ein sekundärer Prozess ist. Viele Studien beschränkten sich jedoch auf Kinder, die älter als 2 bis 4 Jahre waren, und konnten daher die Ätiologie von Muskeldeformitäten nicht systematisch untersuchen31. Es besteht ein dringender Bedarf, die mikroskopischen Muskeleigenschaften bei kleinen Kindern mit CP in verschiedenen Altersstufen zu untersuchen. Außerdem fehlt noch immer eine vollständige Längsschnittdarstellung des veränderten Muskelwachstums, die einen längeren formbaren Zeitraum der Kindheit abdeckt.

Darüber hinaus beginnt die Therapie für Kinder mit CP in westlichen Ländern in der Regel in sehr jungen Jahren und umfasst Physiotherapie, Dehnverbände, Orthesen und BTX-Injektionen, die alle auf den Muskel gerichtet sind. Die unterschiedlichen Behandlungsverläufe der Teilnehmer aus früheren Studien haben höchstwahrscheinlich die Entwicklung bestimmter Muskeln beeinflusst. Von besonderem Interesse ist die Behandlung mit BTX-Injektionen, die zu einer CP-Therapie erster Wahl zur Behandlung fokaler Spastik mittels Chemodenervation wurde. Während die BTX-Behandlung zu einem verringerten Muskeltonus, einem größeren Bewegungsumfang der Gelenke (ROM) und einem verbesserten Gang führt, haben immer mehr Veröffentlichungen Bedenken geäußert, dass BTX das Muskelwachstum beeinträchtigen könnte. Humanstudien zu mikroskopischen Eigenschaften nach BTX sind selten. Bisher gibt es keine In-vitro-Studien an CP-Muskeln, die die direkte Wirkung von BTX auf adulte Muskelstammzellen untersucht haben. Dies ist tatsächlich erforderlich, da Schlaganfall- und CP-Patienten unterschiedlich sind (in Bezug auf Alter, Wachstumsauswirkungen und Anzahl der BTX-Sitzungen) und Tierstudien auf unterschiedliche Mechanismen intramuskulärer Veränderungen nach BTX zwischen jugendlichen und reifen Muskeln hinweisen. Daher ist es dringend erforderlich, die möglichen Auswirkungen von BTX auf Muskelatrophie und -integrität bei CP mithilfe eines prospektiven Studiendesigns gründlich zu untersuchen. Tatsächlich könnten Forschung und Kliniken von einer detaillierteren und längerfristigen Analyse von Muskelproben profitieren, da es möglich wäre, die kurz- und langfristigen Auswirkungen von BTX-Injektionen auf Muskelgewebe und erwachsene Muskelstammzellen zu charakterisieren.

Darüber hinaus können auch verschiedene Mechanismen zusammenwirken, die dem veränderten Muskelwachstum zugrunde liegen. Während die Vielfalt der Phänotypen wahrscheinlich das Zusammenspiel mehrerer Faktoren widerspiegelt und unterschiedliche Wege als vermutliche Hauptakteure bei der Pathogenese veränderter Muskeleigenschaften und neuromuskulärer Symptome vorgeschlagen wurden, gibt es noch wenig Verständnis über die vorherrschende Wirkung unter bestimmten Umständen. In der Literatur wird auf ein enges Zusammenspiel zwischen ECM und SCs hingewiesen, sodass die Zusammensetzung und die mechanischen Eigenschaften der ECM die Aktivität und Erneuerung der SC regulieren. und umgekehrt diktieren SCs die ECM-Zusammensetzung. Weitere CP-bezogene Forschung ist erforderlich, um die Bedeutung von Änderungen in SCs, ICs und ECM-Komponenten und deren Zusammenspiel zu bestimmen.

Die Ätiologie der CP kann auch für das Verständnis der Pathogenese veränderter Muskeleigenschaften relevant sein.

Obwohl Frühgeburt und hypoxisch-ischämische Schädigung, Plazentainsuffizienz und pränatale Infektion bekannte Ursachen für CP sind, fehlen bei mehr als 30 % der Kinder traditionelle Risikofaktoren. In vielen dieser Fälle wird eine genetische Ursache für die Erkrankung vermutet. Tatsächlich deuten aktuelle Schätzungen darauf hin, dass bis zu 30 % der CP-Fälle genetischer Natur sein könnten. Daher könnten einige Muskeleigenschaften zumindest bei einem Teil der CP-Kinder auch genetisch bedingt sein. Darüber hinaus weisen bestimmte Gruppen von Patienten mit hereditärer spastischer Paraplegie (HSP) ein sehr ähnliches klinisches Bild auf wie die beidseitig betroffenen Patienten mit CP (d. h. ähnliche Symptome wie Spastik, Muskelschwäche, verminderte Muskelkontrolle und veränderte Muskelstruktur)

Ziel:

Ziel 1: Untersuchung der MIKROSKOPISCHEN MUSKEL-EIGENSCHAFTEN bei CP und Definition ihres Beginns in einem frühen Krankheitsstadium und ihres Fortschritts mit Wachstum und Pathologie sowie die Abgrenzung ihrer potenziellen genetischen Natur (≈ WP 1).

Zunächst werden Muskelbiopsien gesammelt, um die mikroskopischen Eigenschaften von zwei Altersgruppen von CP- und TD-Kindern (2–5 gegenüber 6–9 Jahren) zu definieren. Es wird angenommen, dass (1) bei CP-Kindern im Vergleich zu TD-Kindern ein geringerer Prozentsatz an kontraktilem Material, ein erhöhter Kollagengehalt, eine verringerte Anzahl von SCs und eine veränderte Fasergrößenverteilung beobachtet werden und (2) diese Unterschiede alters- und muskelspezifisch sind.

Da zweitens Kenntnisse über frühe Ereignisse und eine Nachverfolgung dieser Ereignisse auf mikroskopischer Ebene fehlen, werden wiederholte Biopsien in zwei CP-Gruppen (d. h. mit und ohne BTX-Behandlungsgeschichte) gesammelt, um Veränderungen in den mikroskopischen Eigenschaften auf verschiedenen Ebenen zu untersuchen Zeitpunkte vor und nach BTX-Injektionen. Die Mikrobiopsien unter Vollnarkose (zum Zeitpunkt der BTX-Sitzung und 1,2 Jahre später, d. h. zum Zeitpunkt der wiederholten BTX-Sitzung) werden am medialen Gastrocnemius und Semitendinosus durchgeführt, während die Mikrobiopsien unter lokaler Anästhesie (nach 3 Monaten) durchgeführt werden vor und 3 und 6 Monate nach BTX) wird nur am medialen Gastrocnemius durchgeführt. Es wird angenommen, dass (1) die BTX-Injektion unmittelbar veränderte strukturelle Muskeleigenschaften und molekulare Veränderungen induziert, die sich teilweise innerhalb von 1,2 Jahren erholen, kombiniert mit (2) der Verlauf der Veränderungen (wie Kollagengehalt und Persistenz von Entzündungszellen) zwischen BTX unterschiedlich ist -naive Patienten und Patienten mit BTX-Behandlungsgeschichte während der 1,2-jährigen Nachbeobachtung.

Drittens: Während in der Literatur auf ein enges Zusammenspiel zwischen ECM, SCs und ICs hingewiesen wird, mangelt es an CP-bezogener Forschung zur Wechselwirkung zwischen mikroskopischen Eigenschaften. Ein potenzieller Schlüsselregulationsfaktor, der veränderte mikroskopische Muskeleigenschaften bestimmt, wird definiert, insbesondere die relative Bedeutung von Veränderungen adulter Stammzellen durch Definition ihrer Wechselwirkung mit ECM-Anomalien. Es wird angenommen, dass (1) das unausgeglichene Zusammenspiel zwischen adulten Stammzellen und ECM mit veränderten Muskeleigenschaften zusammenhängt, (2) sich der Grad des Ungleichgewichts mit der Zeit entwickelt und (3) muskelspezifisch ist.

Viertens deutet die neuere Literatur auf einen genetischen Beitrag zur Pathologie bei etwa 30 % der Kinder mit CP hin, und Untergruppen von Patienten mit HSP (SPG3a und SPG4) haben genetische Probleme identifiziert und weisen ähnliche klinische Symptome auf wie die Kinder mit bilateraler CP. Dies löst einen neuartigen Forschungsweg zur Differenzierung induzierter pluripotenter Stammzellen in mehreren Abstammungslinien bei einer ausgewählten Gruppe von Patienten mit nachgewiesener genetischer Mutation aus. Es wird angenommen, dass die patientenspezifische Zellmodellierung genetische Mutationen widerspiegelt, die den Phänotyp des Patienten beeinflussen.

Ziel 2: Abgrenzung integrierter CP-PHENOTYPEN, die für eine Behandlung anfällig sind, durch Identifizierung der Zusammenhänge zwischen verschiedenen Ebenen der Muskelveränderungen (makro- und mikroskopisch) und neuromuskulären Symptomen. Der Fokus liegt vor allem auf dem Symptom Spastik und der BTX-Behandlung. (≈ AP 2).

Der Biopsieentnahme bei den eingeschriebenen Kindern von WP1 gehen immer Ultraschallmessungen voraus. Im Rahmen ihrer routinemäßigen klinischen Nachsorge erhalten diese Kinder vor der Behandlung auch eine Ganganalyse und klinische Beurteilungen (unter Verwendung standardmäßiger klinischer Skalen) neuromuskulärer Symptome. Zusätzlich werden instrumentelle Beurteilungen der Spastik und Kraft durchgeführt. Dies ermöglicht eine integrierte Analyse mehrerer Datensätze, um integrierte CP-Phänotypen abzugrenzen. Zunächst werden Zusammenhänge zwischen makro- und mikroskopischen Eigenschaften und Spastik untersucht. Es wird angenommen, dass (1) das makroskopische Wachstum signifikant mit der Anzahl und dem Verhalten von SCs und ICs, den Fasertypeigenschaften und indirekt mit ECM-Anomalien zusammenhängt, (2) der makroskopische Parameter EI mit der mikroskopischen Integrität des Muskelgewebes zusammenhängt und ( 3) Die Muskeleigenschaften unterscheiden sich zwischen den Muskeln, die anhand ihrer Spastikmuster klassifiziert werden. Zweitens werden Richtlinien entwickelt, um die BTX-Behandlung genau auf die integrierten Phänotypen abzustimmen. Es wird die Hypothese aufgestellt, dass (1) BTX ein verändertes Muskelvolumen und eine veränderte Muskelintegrität induziert, aber die Anzahl der SCs nicht verändert, und (2) die BTX-Reaktion signifikant mit spezifischen Baseline-CP-Phänotypmarkern korreliert (insbesondere mit der Muskelintegrität).

Methoden/Design:

Um den Mechanismus und den zeitlichen Verlauf der Muskeleigenschaften zu verstehen und zu definieren, werden verschiedene Studien mit unterschiedlichen Studiendesigns eingesetzt. Diese Studien sind in zwei Arbeitspakete gegliedert, die jeweils eines der beiden spezifischen Forschungsziele abdecken.