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In der vorliegenden Arbeit wird der Einfluss des lokal applizierten, proangiogenen Faktors CYR61 auf die Muskelkraftregeneration, die mögliche Reduktion der Fibrosierung und auf die Gefäßneubildung untersucht. Wir erzeugten ein standardisiertes Trauma des M. tibialis anterior durch Kontusion und Ischämie mit erhöhtem Kompartmentdruck bei 10 Kaninchen der Rasse Weiße Neuseeländer. Anschließend erfolgten die primäre Resektion der Tibia mit lokaler Einlage des CYR61-getränkten Kollagenträgers und die graduelle Distraktion zur Wiederherstellung der ursprünglichen Tibialänge. / In this study we examined the effect of the locally applied proangiogenic factor CYR61 on muscle force restoration, reduction of scar tissue formation and angiogenesis. We generated a standardized trauma of the tibialis anterior muscle with contusion and ischemia and increased compartment pressure in 10 New Zealand white rabbits. The limbs were shortened and a CYR61-coated collagen matrix was applied locally followed by gradual distraction to restore the original length.

Mittels immunhistochemischer- und zyto-fotometrischer Verfahren wurden die Änderungen der glykolytischen und der oxidativen Enzymkapazität im Skelettmuskel von Patienten mit T2DM mit der Muskelfasercharakteristik untersucht. Weiterführende Analysen klären den Zusammenhang zwischen der Änderung der Muskelfaserverteilung und der Enzymkapazität. Durch eine perkutane Biopsie des M. vastus lateralis wurden 10 Patienten mit T2DM und 15 Gesunden Probanden Muskelgewebe extrahiert. In der anschließenden Zytophotometrie erfolgte die Bestimmung der glykolytischen und oxidativen Enzymaktivität in Abhängigkeit der Fasercharakteristik nach SO, FOG und FT-Fasern. Die Untersuchung verdeutlichte eine Verminderung der oxidativen Enzymaktivität des M. vastus lateralis im Homogenat bei bestehenden T2DM mit gleichzeitiger Verringerung der SO- Muskelfasern um 16 Prozent und Erhöhung der FT- Muskelfasern um 49 Prozent im Vergleich zur Kontrollpopulation. Bei T2DM ist sowohl die oxidative als auch die glykolytische Enzymaktivität in den FG-Fasern als auch in den FOGMischfasern signifikant erhöht. Zusammenfassend weisen unsere Ergebnisse darauf hin, dass die geringere oxidative Enzymaktivität im Homogenat des Skelettmuskel von Patienten mit T2DM vielmehr durch einen verminderten Anteil von SO-Fasern als durch verminderte oxidative Aktivität in einzelnen Fasern verursacht ist. Die erhöhte glykolytische und oxidative Enzymaktivität in einzelnen Muskelfasern korreliert mit dem Maß langfristiger BZHomöostase und der Insulinempfindlichkeit. Diese Adaptation der Skelettmuskulatur könnte einen kompensatorischen Mechanismus bezüglich des pathologischen Glukosestoffwechsels des T2DM darstellen.

Mittels immunhistochemischer- und zyto-fotometrischer Verfahren wurden die Änderungen der glykolytischen und der oxidativen Enzymkapazität im Skelettmuskel von Patienten mit T2DM mit der Muskelfasercharakteristik untersucht. Weiterführende Analysen klären den Zusammenhang zwischen der Änderung der Muskelfaserverteilung und der Enzymkapazität. Durch eine perkutane Biopsie des M. vastus lateralis wurden 10 Patienten mit T2DM und 15 Gesunden Probanden Muskelgewebe extrahiert. In der anschließenden Zytophotometrie erfolgte die Bestimmung der glykolytischen und oxidativen Enzymaktivität in Abhängigkeit der Fasercharakteristik nach SO, FOG und FT-Fasern. Die Untersuchung verdeutlichte eine Verminderung der oxidativen Enzymaktivität des M. vastus lateralis im Homogenat bei bestehenden T2DM mit gleichzeitiger Verringerung der SO- Muskelfasern um 16 Prozent und Erhöhung der FT- Muskelfasern um 49 Prozent im Vergleich zur Kontrollpopulation. Bei T2DM ist sowohl die oxidative als auch die glykolytische Enzymaktivität in den FG-Fasern als auch in den FOGMischfasern signifikant erhöht. Zusammenfassend weisen unsere Ergebnisse darauf hin, dass die geringere oxidative Enzymaktivität im Homogenat des Skelettmuskel von Patienten mit T2DM vielmehr durch einen verminderten Anteil von SO-Fasern als durch verminderte oxidative Aktivität in einzelnen Fasern verursacht ist. Die erhöhte glykolytische und oxidative Enzymaktivität in einzelnen Muskelfasern korreliert mit dem Maß langfristiger BZHomöostase und der Insulinempfindlichkeit. Diese Adaptation der Skelettmuskulatur könnte einen kompensatorischen Mechanismus bezüglich des pathologischen Glukosestoffwechsels des T2DM darstellen.:1. Zusammenfassung der Arbeiten 1.1 Hintergrund und Ziel der Arbeit 1.2 Studiendesign und Methoden 1.3 Ergebnisse 1.3.1 Bestimmung der Faserzusammensetzung und der metabolischen Enzymaktivität des M. vastus lateralis bei Typ 2 Diabetes mellitus 1.3.2 Zusammenhang zwischen den Parametern der Hyperglykämie und der Insulinresistenz mit der faserspezifischen Stoffwechselaktivität des M. vastus lateralis bei Typ 2 Diabetes mellitus 1.3.3 Die Stickstoffoxid-Synthase-Aktivität der Skelettmuskelfasern des Typ 2 Diabetes mellitus 1.4 Schlussfolgerungen 1.5 Literaturverzeichnis 2. Publikationen 2.1 Altered Fiber Distribution and Fiber-Specific Glycolytic and Oxidative Enzyme Activity in Skeletal Muscle of Patients With Type 2 Diabetes 2.2 Metabolic profile and nitric oxide synthase expression of skeletal muscle fibers are affected by type 1 and type 2 diabetes 3. Erklärung über die eigenständige Abfassung der Arbeit

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Es ist bekannt, dass eine diabetische Stoffwechsellage über einen gesteigerten Proteinabbau zu einer Muskelatrophie führen kann. Ein zentrales System beim Abbau von Muskelproteinen ist hierbei das Ubiquitin-Proteasom-System mit seinen zwei spezifischen E3-Ligasen MuRF-1 und MAFbx. Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluss einer Hyperglykämie auf die Expression von Proteinen des Ubiquitin-Proteasom-Systems im Skelett- und Herzmuskel zeit- und konzentrationsabhängig zu untersuchen. Insbesondere stand die Expression der E3-Ligasen MuRF-1 und MAFbx sowie die daraus folgende Auswirkung auf die Protein-Ubiquitinylierung im Fokus der Untersuchungen. Weiterhin sollte der Einfluss der Hyperglykämie auf die Apoptoserate von Skelett- und Herzmuskelzellen analysiert werden. Seit Kurzem stehen die GLP-1-Analoga als neue Antidiabetika für die Therapie des Diabetes mellitus Type II zur Verfügung. Da in Studien bereits positive Effekte der GLP-1-Analoga am Herzmuskel festgestellt wurden, sollte in der vorliegenden Studie geprüft werden, ob das GLP-1-Analogon Liraglutid die Veränderungen am Herzmuskel beeinflussen kann. Um die Fragestellungen zu klären, wurden verschiedene Untersuchungen in der Zellkultur durchgeführt. Skelettmuskel Myoblasten (undifferenzierte C2C12-Zellen), Skelettmuskel Myotuben (differenzierte C2C12-Zellen) und neonatale Rattenkardiomyozyten wurden unterschiedlichen Glukosekonzentrationen (5mM, 12mM, 25mM) für 24 oder 72 Stunden ausgesetzt. Die Herzmuskelzellen wurden zusätzlich in den Glukosekonzentrationen unter Zusatz von 12 mg/ml Liraglutid für 72h inkubiert. Die Expression der E3-Ligasen wurde mit qRT-PCR (MuRF-1 und MAFbx) und Western Blot (MuRF-1) quantifiziert. Die Poly-Ubiquitinylierung wurde mittels Western Blot bestimmt. Unter Verwendung des Cell Death Detection ELISA (Roche Diagnostics) wurde die Apoptoserate evaluiert. Die Inkubation von Skelett- und Herzmuskelzellen für 24 h mit hyperglykämischen Medium hatte kaum einen Einfluss auf die Expression von MuRF-1 und MAFbx sowie die Apoptoserate. Bei einer Inkubationszeit von 72 h konnten signifikante Erhöhungen bei 25mM Glukose für MuRF-1, MAFbx, der Poly-Ubiquitinylierung und der Apoptoserate in Skelett und Herzmuskelzellen festgestellt werden. Diese Anstiege konnten durch den Zusatz von Liraglutid beim Herzmuskel verhindert werden. Die Ergebnisse der vorliegenden Studie konnten zeigen, dass eine Hyperglykämie in der Zellkultur nach 72 h die Expression von zwei wichtigen Ubiquitin-E3-Ligasen sowie die Steigerung der Apoptoserate induzieren kann und dass dies durch Liraglutid am Herzmuskel verhindert werden kann. Diese Vorgänge können eventuell den Proteinverlust bzw. die Muskelatrophie beim Diabetes mellitus zum Teil erklären. Durch die positive Beeinflussung von Liraglutid an den Herzmuskelzellen könnte sich hier ein therapeutisches Potential zur Muskelatrophiebehandlung ergeben.

Das Enzym 11beta-HSD1 stellt im intrazellulären Glucocorticoidstoffwechsel eine wichtige Prärezeptorkontrolle dar. Es reguliert die intrazelluläre Cortisolkonzentration durch die enzymatische Umwandlung des aus dem Blutkreislauf aufgenommenen und hormonell inaktiven Cortisons zum aktiven Cortisol. Die Bedeutung einer erhöhten 11beta-HSD1 Expression und Aktivität bei der Entstehung von Übergewicht und Insulinresistenz wurde bisher vorwiegend in Leber und Fettgewebe untersucht und nachgewiesen. Wenig erforscht sind die Funktionen der 11beta-HSD1 im Muskelgewebe. In dieser Arbeit wurde die Funktion und Regulation der 11beta-HSD1 im Skelettmuskel mithilfe der murinen Skelettmuskelzelllinie C2C12 und primärer humaner Myoblasten untersucht. Es konnte demonstriert werden, dass die 11beta-HSD1 in Abhängigkeit des Differenzierungsgrades exprimiert wird und als Oxo-Reduktase aktiv ist, sowie selbst einen Regulator der Differenzierung darstellt. Es zeigte sich ein Feed-Forward-Mechanismus des Cortisons, das die 11beta-HSD1 in den Skelettmuskelzellen akut und chronisch induzierte, sowie eine gleichzeitige Veränderung der GRalpha- und MRalpha-Expressionen gegenregulatorisch zur 11beta-HSD1. Die Daten aus der Mauszelllinie konnten zum größten Teil in primären humanen Myoblasten bestätigt werden. Zudem konnten mehrere Transkriptionsfaktoren wie CREB, Myogenin und MEF-2c identifiziert werden, die in den verschiedenen Phasen der Differenzierung unterschiedliche Relevanz für die Regulation der 11beta-HSD1 Promotoraktivität hatten. Des Weiteren wurden die Proteolyserate und die Expression der E3-Ubiquitin-Ligasen Atrogin-1 und MuRF-1 11beta-HSD1-abhängig durch Cortison induziert. Trotz alledem führte eine Langzeit-Stimulation mit Cortison zu einer 11beta-HSD1-abhängigen Induktion der Differenzierung mit einer Veränderung der Muskelfasertypen in Richtung langsam-zuckender Muskelfasern, was eine Bedeutung für das klinische Bild der glucocorticoid-induzierten Muskelatrophie haben kann. / The enzyme 11beta-HSD1 functions as an important pre-receptor control of intracellular glucocorticoid action regulating the intracellular cortisol concentration by enzymatic conversion of the hormonal inactive cortisone up-taken from blood circulation to the active cortisol. A pivotal role of an increased 11beta-HSD1 expression and activity for the development of overweight and insulin resistance has been analysed and demonstrated particularly in liver and adipose tissue. However, the functions of 11beta-HSD1 in skeletal muscle tissue are rarely investigated. For analysis of function and regulation of the 11beta-HSD1 in skeletal muscle the murine skeletal muscle cell line C2C12 as well as primary human myoblasts from healthy volunteers were used. 11beta-HSD1 was shown to be expressed and functionally active as oxo-reductase in human and murine skeletal muscle cells dependent on the differentiation but as well to function as a regulator of differentiation itself. The stimulation experiments revealed a feed-forward-mechanism of cortisone that induced 11beta-HSD1 acutely and chronically. Concurrently, GRalpha and MRalpha were expressed contra-regulatory to 11beta-HSD1. For the most part these data were confirmed in human primary myoblasts. Several transcription factors as CREB, Myogenin and MEF-2c were identified having different relevance for regulation of 11beta-HSD1 promoter activity during the different phases of differentiation. Furthermore, treatment with cortisone increased protein degradation and expression of the two E3-ubiquitin-ligases Atrogin-1 and MuRF-1 in an 11beta-HSD1-dependent way. Nonetheless, a long-term stimulation by cortisone revealed an 11beta-HSD1-dependent induction of differentiation accompanied by modification of muscle fiber type composition towards slow-twitch muscle fibers that may play a role for the clinical picture of glucocorticoid-induced muscle atrophy.

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Es ist bekannt, dass eine diabetische Stoffwechsellage über einen gesteigerten Proteinabbau zu einer Muskelatrophie führen kann. Ein zentrales System beim Abbau von Muskelproteinen ist hierbei das Ubiquitin-Proteasom-System mit seinen zwei spezifischen E3-Ligasen MuRF-1 und MAFbx. Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluss einer Hyperglykämie auf die Expression von Proteinen des Ubiquitin-Proteasom-Systems im Skelett- und Herzmuskel zeit- und konzentrationsabhängig zu untersuchen. Insbesondere stand die Expression der E3-Ligasen MuRF-1 und MAFbx sowie die daraus folgende Auswirkung auf die Protein-Ubiquitinylierung im Fokus der Untersuchungen. Weiterhin sollte der Einfluss der Hyperglykämie auf die Apoptoserate von Skelett- und Herzmuskelzellen analysiert werden. Seit Kurzem stehen die GLP-1-Analoga als neue Antidiabetika für die Therapie des Diabetes mellitus Type II zur Verfügung. Da in Studien bereits positive Effekte der GLP-1-Analoga am Herzmuskel festgestellt wurden, sollte in der vorliegenden Studie geprüft werden, ob das GLP-1-Analogon Liraglutid die Veränderungen am Herzmuskel beeinflussen kann. Um die Fragestellungen zu klären, wurden verschiedene Untersuchungen in der Zellkultur durchgeführt. Skelettmuskel Myoblasten (undifferenzierte C2C12-Zellen), Skelettmuskel Myotuben (differenzierte C2C12-Zellen) und neonatale Rattenkardiomyozyten wurden unterschiedlichen Glukosekonzentrationen (5mM, 12mM, 25mM) für 24 oder 72 Stunden ausgesetzt. Die Herzmuskelzellen wurden zusätzlich in den Glukosekonzentrationen unter Zusatz von 12 mg/ml Liraglutid für 72h inkubiert. Die Expression der E3-Ligasen wurde mit qRT-PCR (MuRF-1 und MAFbx) und Western Blot (MuRF-1) quantifiziert. Die Poly-Ubiquitinylierung wurde mittels Western Blot bestimmt. Unter Verwendung des Cell Death Detection ELISA (Roche Diagnostics) wurde die Apoptoserate evaluiert. Die Inkubation von Skelett- und Herzmuskelzellen für 24 h mit hyperglykämischen Medium hatte kaum einen Einfluss auf die Expression von MuRF-1 und MAFbx sowie die Apoptoserate. Bei einer Inkubationszeit von 72 h konnten signifikante Erhöhungen bei 25mM Glukose für MuRF-1, MAFbx, der Poly-Ubiquitinylierung und der Apoptoserate in Skelett und Herzmuskelzellen festgestellt werden. Diese Anstiege konnten durch den Zusatz von Liraglutid beim Herzmuskel verhindert werden. Die Ergebnisse der vorliegenden Studie konnten zeigen, dass eine Hyperglykämie in der Zellkultur nach 72 h die Expression von zwei wichtigen Ubiquitin-E3-Ligasen sowie die Steigerung der Apoptoserate induzieren kann und dass dies durch Liraglutid am Herzmuskel verhindert werden kann. Diese Vorgänge können eventuell den Proteinverlust bzw. die Muskelatrophie beim Diabetes mellitus zum Teil erklären. Durch die positive Beeinflussung von Liraglutid an den Herzmuskelzellen könnte sich hier ein therapeutisches Potential zur Muskelatrophiebehandlung ergeben.