title: Mikrozirkulatorische und metabolische Veränderungen des Skelettmuskels bei obstruktiver Schlafapnoe - Untersuchungen am Mausmodell
title: Microcirculatory and metabolic changes in skeletal muscle in obstructive sleep apnoea - studies in a mouse model
titleType: AlternativeTitle
Creators: name: Bannow, Laura Isabel
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2024
Subjects: Medical sciences Medicine
Medizin

description: Das Krankheitsbild des obstruktiven Schlafapnoesyndroms (OSAS) wird durch einen repetitiven Kollaps der oberen Atemwege während der Schlafphase und der daraus resultierenden chronisch intermittierenden Hypoxie (CIH) definiert. Im Laufe der letzten zwei Jahrzehnte hat sich die Prävalenz des OSAS mehr als verdoppelt, sodass laut einer populationsbasierten Studie ca. 50 % der Männer und 23 % der Frauen im Alter von 40 bis 85 Jahren eine moderate bis schwere Schlafapnoe aufweisen. Während regelmäßiger Sport die Inzidenz schlafbezogener Atemstörungen senkt, stellt das OSAS selbst einen wesentlichen Risikofaktor für eine verminderte muskuläre Leistungsfähigkeit dar. In den wenigen existierenden Studien am Skelettmuskel konnten bei Betroffenen belastungsabhängige Myalgien sowie morphologische Veränderungen nachgewiesen werden. Als etablierter unabhängiger Risikofaktor für die Entstehung einer Insulinresistenz, die sich im Skelettmuskel durch eine verringerte insulinabhängige Glukoseaufnahme manifestiert, greift das OSAS zudem in den muskulären Stoffwechsel ein. 
Ziel der vorliegenden Arbeit war es in glykolytischen (M. gastrocnemius/M. plantaris/M. vastus) und oxidativen (M. soleus) Extremitätenmuskeln OSAS-spezifische mikrozirkulatorische und metabolische Veränderungen aufzudecken, die als Auslöser für muskuläre Leistungseinbußen in Frage kommen. 
Zur Imitation des OSAS wurde ein etabliertes CIH-Mausmodell im Rahmen dessen männliche C57BL/6J-Mäuse (Wildtyp, WT) und iNOS-/--Mäuse für 6 Wochen je 8 h täglich einer alle 60 s (AHI = 30 h-1) zwischen 7 % und 21 % wechselnden inspiratorischen Sauerstofffraktion ausgesetzt wurden verwendet. Mittels BSI-B4-Lektin-Färbung konnte im oxidativen M. soleus der CIH-exponierten WT-Gruppe eine um 27,2 % erhöhte Kapillardichte und eine rund 10 % ige Zunahme an Kapillarkontakten pro Muskelfaser nachgewiesen werden, die auf mRNA-Ebene durch eine Überexpression proangiogenetischer Faktoren (VEGFa, VEGFR2) in der PCR flankiert waren. Die ultrastrukturelle Analyse von Kapillarprofilen mittels Transmissionselektronenmikroskopie zeigte Zeichen einer Endothelaktivierung und -proliferation sowie einen signifikant erhöhten Anteil an Kapillaren mit luminalen Aussprossungen unter CIH-Exposition verglichen mit Normoxie, welche das Vorliegen einer Angiogenese am ehesten durch Splitting im WT-Soleus bestätigten.
Zudem konnte ebenfalls im M. soleus eine mehr als dreifache Zunahme der Faserpopulation mit kleiner Querschnittsfläche (unter 800 µm2) sowie eine um 13,5 % verringerte Faserquerschnittsfläche der Typ IIa-Fasern beobachtet werden. Diese atrophischen Veränderungen waren offenbar unabhängig von einer Aktivierung des Ubiquitin-Proteasom-Systems, was aus der fehlenden Expressionssteigerung der Ubiquitinligase MuRF1 sowohl auf Protein- als auch mRNA-Ebene hervorging. Ein gleichzeitiger Fasertypenshift in Richtung oxidativer Typ I-Fasern im CIH-exponierten M. soleus könnte auf Denervations-Reinnervationsvorgänge hinweisen. Hierfür spricht auch der 7,5fach erhöhte Prozentsatz an Muskelfasern mit zentralisierten Zellkernen im Vergleich zur normoxischen Kontrolle. Die Untersuchung der motorischen Endplatten (MEP) mittels Bungarotoxin-Färbung zeigte im CIH-exponierten WT-Soleus eine signifikante Abnahme der Fläche als auch der Länge der MEP in Relation zur Faserquerschnittsgröße bzw. dem Faserumfang. Entsprechende morphologische Veränderungen werden in der Literatur mit altersbedingter Denervierung und gestörter neuromuskulärer Regeneration in Verbindung gebracht. In der TEM-Analyse der Mitochondrien konnte zudem ein mehr als 80 % höherer Anteil an defekten Mitochondrien unter CIH verglichen mit Normoxie detektiert werden, welcher invers mit der Größe der MEP korrelierte. 
Auf Transkript- und Proteineben zeigte sich unter CIH im Vergleich zur normoxischen Kontrolle für die inflammatorischen Marker IL1β, COX2 und CD68 eine verringerte Expression, während sich für IL6 keine Veränderungen ergaben. 
Zusammenfassend steht die verminderte muskuläre Leistungsfähigkeit bei OSAS-Patienten a.e. mit einer CIH-abhängigen neuromuskulären Degeneration mit konsekutiver selektiver Atrophie in Zusammenhang, welche durch eine mitochondriale Dysfunktion getriggert werden könnte. Währenddessen zeigt sich die bei OSAS-Erkrankten häufig beschriebene chronisch systemische Inflammation als ursächlich vernachlässigbar. Die kompensatorisch zu sehende vermehrte Kapillarisierung scheint entweder kapazitär oder funktionell nicht ausreichend um eine suffiziente Oxygenierung des Muskels sicherzustellen und die Degenerationsprozesse zu verhindern.
Bemerkenswerterweise konnte eindeutig gezeigt werden, dass sämtliche CIH-abhängigen Veränderungen isoliert im oxidativen M. soleus auftraten, während in der glykolytischen Muskulatur keine vergleichbaren Unterschiede gefunden wurden. Somit sollte auch in zukünftigen Studien die Muskelspezifität dringend berücksichtigt werden.
Unter iNOS-Defizienz zeigte sich im M. soleus ein protektiver Effekt auf die CIH-induzierte Atrophie. Bei einer zudem bereits signifikant um 30,4 % erhöhten Kapillardichte im M. soleus der normoxischen iNOS-/--Tiere im Vergleich zum WT konnte unter CIH-Exposition keine zusätzliche Steigerung der Kapillarisierung beobachtet werden. Im Gegensatz dazu führte die iNOS-Defizienz zur morphologischen Destruktion der MEP. Bereits die normoxischen iNOS-/--Tiere zeigten im M. soleus eine geringere relative Fläche und Länge sowie einen signifikant erhöhten Anteil an fragmentierten MEP verglichen mit den normoxischen WT-Tieren. CIH-Exposition führte zur zusätzlichen Reduktion in Fläche und Länge. Im Vergleich zum WT wirkte sich die iNOS-Deletion zudem destruktiv auf die Integrität der mitochondrialen Ultrastruktur aus und ging mit einer Mitochondrienschwellung einher. Dennoch war weder bei den normoxischen noch den CIH-exponierten WT-Tieren eine muskuläre iNOS-Expression nachzuweisen. Die gezeigten Veränderungen müssen folglich durch eine extramuskuläre iNOS-Defizienz, beispielsweise auf Motoneuronebene, verursacht sein, woraus sich weiterer Forschungsbedarf ergibt. 
Abschließend ist zu erwähnen, dass die CIH-Exposition bis auf eine signifikant reduzierte Gewichtszunahme weder im WT noch bei den iNOS-/--Tieren metabolische Veränderungen nach sich zog. Insbesondere führte CIH zu keiner reduzierten Insulinsensitivität, welche durch die Untersuchung von Fruktosamin bestimmt wurde. Es ist demnach anzunehmen, dass zur Koinzidenz von OSAS und Insulinresistenz Faktoren beitragen, die von dem hier verwendeten CIH-Modell nicht berücksichtigt werden.