Titelaufnahme

Titel
Sodium channel plasticity in transforming skeletal muscle / Eva-Maria Zebedin
VerfasserZebedin, Eva-Maria
Begutachter / BegutachterinHilber, Karlheinz
Erschienen2007
Umfang93 Bl. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Med. Univ., Diss., 2007
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Skelettmuskulatur / C2C12 / Fasertypenumwandlung / funktionelle Anpassungen / Natriumkanal / Elektrophysiologie / intrakardiale Myoblastentransplantation / Arrhythmien
Schlagwörter (EN)Skeletal muscle / C2C12 / fiber type conversion / functional adaptations / sodium channel / electrophysiology / intracardiac myoblast transplantation / arrythmias
URNurn:nbn:at:at-ubmuw:1-8568 Persistent Identifier (URN)
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Zusammenfassung (Deutsch)

Natriumkanalplastizität im transformierenden Skelettmuskel Unsere Skelettmuskulatur zeichnet sich durch eine große funktionelle Vielfalt aus, die etwa von statischer Haltearbeit bis hin zur schnellen Fluchtreaktion reicht. Dafür muss jeder einzelne Muskel seiner Funktion entsprechend mit spezialisierten "schnellen" und/oder "langsamen" Muskelfasern ausgestattet sein. Selbst der reife Skelettmuskel kann sich geänderten Anforderungen anpassen, es kommt zu einer so genannten "Fasertypenumwandlung". Ein Auslöser dafür ist die Änderung der neuromuskulären Aktivität (i.e. Änderung der Feuerfrequenz des innervierenden Motoneurons). Auf Signaltransduktionsebene scheinen moderate, aber kontinuierliche Veränderungen des intrazellulären Kalziumspiegels eine wichtige Rolle zu spielen. Bis jetzt ist bekannt, dass sich im Rahmen einer Fasertypenumwandlung die Expression von kontraktilen Proteinen und metabolischen Enzymen ändert, aber mögliche Anpassungen elektrophysiologischer Eigenschaften im Skelettmuskel sind noch nicht ausführlich beschrieben. Solche Anpassungen könnten auch Veränderungen in der Expression und/oder Funktion von Ionenkanälen miteinbeziehen.

Zuerst wurde mittels der "Whole Cell Patch-Clamp" Technik die Auswirkung der schnell-zu-langsam Fasertypenumwandlung auf spannungsgesteuerte Natriumkanäle in der C2C12 Mausskelettmuskelzelllinie untersucht.

Beobachtet konnte werden, dass sich die Inaktivierung des Natriumstroms in umgewandelten Zellen signifikant verändert hatte. Dies war höchstwahrscheinlich bedingt durch eine Änderung in der Expression von Natriumkanalisoformen. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass es im Rahmen einer schnell-zu-langsam Fasertypenumwandlung im Skelettmuskel tatsächlich auch zu funktionellen Anpassungen der elektrophysiologischen Eigenschaften kommt.

Neben dieser "Anpassungsfähigkeit" zeigt reife Skelettmuskulatur auch eine hervorragende Regenerationsfähigkeit, deren Grundlage stammzellähnliche "Satellitenzellen" sind. Im Gegensatz dazu kann sich Herzmuskulatur nach massiven Verletzungen (z.B. im Rahmen eines Infarktgeschehens) nicht ausreichend regenerieren, was zur Ausbildung von funktionslosen Bindegewebsnarben und zur Entwicklung einer Herzinsuffizienz führt. Eine vielversprechende Strategie für Herzmuskelregeneration ist nun die Transplantation von Skelettmuskelmyoblasten (das sind teilungsfähige, einkernige Muskelzellen) als Ersatz für zerstörtes Herzmuskelgewebe. Eine wichtige Voraussetzung für eine "funktionelle Heilung" ist, dass Spenderzellen und Zielgewebe in ihrer Funktionsfähigkeit möglichst gut aufeinander abgestimmt sind. Weil aber Zellen, die dem Skelettmuskel entnommen wurden andere elektrophysiologische Eigenschaften haben als Herzmuskelzellen, könnte dieser Unterschied den Erfolg beträchtlich gefährden und/oder Nebenwirkungen hervorrufen. Und tatsächlich ist ein schwerwiegendes Problem im Rahmen dieser Therapie das Auftreten von vorübergehenden Herzrhythmusstörungen. Deren meistens zeitlich begrenztes Auftreten deutet darauf hin, dass die Skelettmuskelzellen nach ihrer Transplantation in das Herz "herzzellähnliche" elektrophysiologische Eigenschaften annehmen.

Um den Einfluss eines "herzzellähnlichen" Milieus auf die elektrophysiologischen Eigenschaften von Skelettmuskelzellen zu klären, wurde eine "herzzellähnliche" Umgebung nachgestellt. Dafür wurden C2C12 Skelettmuskelzellen mit Medium, das zuvor von primären Herzmuskelzellen "konditioniert" wurde, behandelt. So konnten dann funktionelle Änderungen der Natriumkanaleigenschaften der "konditionierten" Zellen im Vergleich mit unbehandelten Zellen untersucht werden. Gezeigt konnte werden, dass die "Konditionierung" der Skelettmuskelzellen sowohl die Aktivierungs- als auch die Inaktivierungseigenschaften ihrer Natriumkanalströme signifikant veränderte. Die Skelettmuskelzellen nahmen "herzzellähnliche"elektrophysiologische Eigenschaften an, was durch eine geänderte Expression von Natriumkanalisoformen erklärt werden konnte. Daraus kann abgeleitet werden, dass Herzmuskelzellen die Expression von Natriumkanalisoformen in Skelettmuskelzellen auf "parakrinem" Weg beeinflussen und dadurch Skelettmuskelzellen mit "herzzellähnlichen" Natriumkanaleigenschaften generiert werden. Zusammenfassend, in zwei unabhängigen Versuchsansätzen konnte klar die funktionelle Plastizität elektrophysiologischer Eigenschaften in Skelettmuskelzellen gezeigt werden.

Zusammenfassung (Englisch)

Sodium channel plasticity in transforming skeletal muscle A unique characteristic of skeletal muscle is its functional diversity.

The scope of duties of muscle ranges from long lasting holding work to rapid, almost unloaded movements. Therefore each skeletal muscle of the body contains a distinct composition of so-called "fast" and "slow" muscle fibers, each of which specialized for certain challenges. This composition is not static, and even adult muscle fibers are capable of adapting their molecular composition by altered gene expression (i.e.

fiber type conversion). Altered neuromuscular activity (i.e. the pattern of firing frequencies of motor neurons) is generally believed to represent the stimulus for triggering fiber type conversions. With respect to signal transduction, modest but continuous changes in intracellular calcium levels seem to be essentially involved. Until now, changes in the expression of contractile proteins and metabolic enzymes in the course of fiber type conversion are well described, but very little is known about possible adaptations in the electrophysiological properties of skeletal muscle cells. Such adaptations may involve changes in the expression and/or function of ion channels. First, the effects of fast-to-slow fiber type conversion on currents through voltage-gated sodium channels in the mouse skeletal muscle cell line C2C12 were investigated using the whole-cell patch clamp technique.

Sodium current inactivation was found to be significantly altered in converted cells. This was most likely due to altered sodium channel isoform expression. Summarizing, the results implicate that fast-to-slow fiber type conversion of skeletal muscle cells indeed involves functional adaptations of their electrophysiological properties.

Apart from its fiber type plasticity, adult skeletal muscle tissue shows a remarkable ability to regenerate after injury. A distinct pool of stem cell-like cells called "satellite cells" is responsible for this unique characteristic of even highly differentiated tissue. In contrast to skeletal muscle, cardiac muscle tissue lacks a considerable potential to regenerate. Following injury, such as that by myocardial infarction, the damaged area is replaced by non-functional scar tissue. A promising strategy for cardiac muscle regeneration is the transplantation of skeletal myoblasts (proliferating, mono-nucleated muscle cells) into the injured heart (myoblast transplantation). A critical prerequisite for optimal "functional healing" is a functional match between host and donor tissue. The fact that cells originating from skeletal muscle have different electrophysiological properties than cardiomyocytes, however, may considerably limit the success of this therapy and, in addition, cause side effects. Indeed, a major problem observed after myoblast transplantation is the occurrence of ventricular arrhythmias. The most often transient nature of these arrhythmias may suggest that, once transplanted into cardiac tissue, skeletal muscle cells adopt more cardiac-like electrophysiological properties.

In order to clarify the impact of a cardiac cell environment on electrophysiological parameters of transplanted skeletal muscle cells, we simulated a "cardiac-like environment" in vitro. Therefore C2C12 myocytes were treated with medium preconditioned by primary cardiocytes and their functional sodium current properties were compared with those of control cells. This "conditioning"-treatment significantly altered the activation and inactivation properties of sodium currents from "skeletal muscle"- to more "cardiac"-like ones, which could be explained by changes in sodium channel isoform expression. To conclude, cardiomyocytes altered sodium channel isoform expression of skeletal muscle cells via a paracrine mechanism. Thereby, skeletal muscle cells with more cardiac-like sodium current properties were generated.

To summarize, in two independent experimental settings functional plastictity could be clearly demonstrated for electrophysiologic parameters in skeletal muscle cells.