title: Morphological and molecular biological alterations in skeletal muscles in an experimental mouse model of fibromyalgia
title: Morphologische und molekularbiologische Veränderungen der Skelettmuskulatur beim experimentellen Fibromyalgie-Mausmodell
Creators: name: Then, Hanna
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2017
Subjects: Fibromyalgiesyndrom
Medical sciences, Medicine
Medizin, Gesundheit
Fibromyalgia , mice modell
Mausmodell , intermittierender Kältestress
Mitochondrien , Skelettmuskulatur
mitochondria , skeletal muscles
intermittent cold stress

description: Das Fibromyalgie-Syndrom (FMS)
      gehört zu den chronischen Schmerzsyndromen, dessen Ätiologie
      bisher unklar ist. Es zeichnet sich v.a. durch
      Muskelschmerzen in verschiedenen Körperregionen aus und tritt
      häufig mit weiteren unspezifischen Symptomen auf. In den USA
      leiden ca. 2 % der Bevölkerung an FMS, wobei das weibliche
      Geschlecht dominiert. Es gibt verschiedene Ansätze zur
      Klärung der Ätiopathogenese des FMS. Strukturelle,
      morphologische und metabolische Veränderungen der
      Skelettmuskulatur werden diskutiert. Daneben existieren
      Hypothesen, nach denen ein Ungleichgewicht an pro- und
      antiinflammatorischen Zytokinen, oxidativer Stress,
      mitochondriale Dysfunktion oder eine abnorme zentrale
      Schmerzverarbeitung Ursache sein könnten. In der vorliegenden
      Arbeit wurde mit Hilfe des intermittierenden
      Kältestressmodells (ICS-Modell) geprüft, wie sich ICS auf die
      Skelettmuskulatur (M. gastrocnemius/M. soleus) männlicher und
      weiblicher Mäuse auswirkt. Dazu wurden mittels
      (immun)histochemischer Färbungen, molekularbiologischer
      Untersuchungen und Elektronenmikroskopie die Morphologie,
      Kapillarisierung/Angiogenese, der Glykogengehalt,
      inflammatorische, Atrophie- und Apoptose-relevante Parameter,
      Innervation und intramuskuläre Mitochondrien der Muskulatur
      von ICS- und Kontrolltieren analysiert. Durch ICS war die
      Muskelfaserquerschnittsfläche (engl. „fiber cross sectional
      area“ [FCSA]) männlicher Tiere im M. gastrocnemius bzw. M.
      soleus um 21,6 % bzw. 33,2 % kleiner. Die Faserdichte
      männlicher ICS-Tiere war hingegen im M. gastrocnemius um 22,9
      % und im M. soleus um 9,4 % erhöht. Die
      Kapillarkontakte/Muskelfaser im M. gastrocnemius bzw. M.
      soleus männlicher ICS-Tiere waren signifikant um 12,5 % bzw.
      11,8 % erniedrigt. Zudem war bei männlichen ICS-Tieren die
      relative Expression Angiogenese-relevanter (VEGF-A, VEGF-B,
      Notch-1, Notch-3) Gene in beiden Muskeln vermindert. Die
      Dichte MuRF1+-Zellen in männlichen ICS-Tieren stieg im M.
      gastrocnemius bzw. M. soleus um 14,7 % bzw. 29,7 % an. Die
      Dichte Fbxo32+-Zellen in männlichen ICS-Tieren war im M.
      gastrocnemius signifikant um 17,7 % und im M. soleus um 8,9 %
      erhöht. In weiblichen ICS-Tieren war die relative Expression
      des MuRF1- bzw. Fbxo32-Gens in beiden Skelettmuskeln erhöht,
      die Dichte an MuRF1+- und Fbxo32+-Zellen jedoch nicht. Es
      fanden sich Hinweise, dass im M. gastrocnemius männlicher
      ICS-Tiere inflammatorische und/oder Atrophie-relevante
      Proteine mit der Regulation der Faserdichte und/oder der FCSA
      verknüpft sind. Apoptotische oder die Innervation betreffende
      Veränderungen der Muskulatur scheinen nicht durch ICS
      beeinflusst zu werden. Auch war durch ICS die
      Mitochondriendichte im M. gastrocnemius bzw. M. soleus
      männlicher Tiere um 17,6 % bzw. 7,9 % verringert. In
      männlichen ICS-Tieren nahm der Anteil morphologisch
      „defekter“ Mitochondrien im M. gastrocnemius bzw. M. soleus
      um 30,7 % bzw. 16,9 % zu. In weiblichen ICS-Tieren nahm der
      Anteil morphologisch „defekter“ Mitochondrien im M.
      gastrocnemius bzw. im M. soleus um 22,5 % bzw. 31,1 % zu. In
      männlichen ICS-Tieren nahm die Mitochondriengröße im M.
      gastrocnemius um 63,5 % und im M. soleus um 26,8 % zu. Diese
      Ergebnisse bestätigen bereits beschriebene Veränderungen in
      der Skelettmuskulatur von FMS-Patienten und deuten darauf
      hin, dass durch ICS v.a. im M. gastrocnemius männlicher Tiere
      atrophische Prozesse einsetzen, die zu einer verminderten
      FCSA führen. Hieran scheinen die beiden Ligasen MuRF1 und
      Fbxo32 beteiligt zu sein. Diese Prozesse scheinen bei
      weiblichen Tieren erst später ein zu setzen. Die Verringerung
      der Kapillarisierung der Muskulatur männlicher ICS-Tiere
      weist darauf hin, dass ICS die Verteilung von
      Sauerstoff/Nährstoffen zu den Muskelfasern und den
      Abtransport von Stoffwechselprodukten reduziert. Dies könnte
      das Auftreten von Schmerzen/Fatigue nach Belastung beim FMS
      erklären. Durch die zahlenmäßigen und morphologischen
      Veränderungen der Mitochondrien könnte es zu einem
      Funktionsverlust der Mitochondrien kommen. Dieser könnte zu
      einer Verminderung der oxidativen Kapazität der
      Skelettmuskulatur und zur Atrophie von Muskelfasern führen.
      Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass in künftigen
      Untersuchungen zum FMS mittels ICS-Mausmodell v.a. der M.
      gastrocnemius männlicher Tiere analysiert werden sollte, da
      hier die ICS-induzierten Veränderungen früher und deutlicher
      als bei Weibchen eingesetzt haben. Zur weiteren Evaluation
      mitochondrialer Funktionsstörungen sollte der Metabolismus,
      im Speziellen die Energieträger ATP und Kreatinphosphat wie
      auch der Lactat- und Pyruvatgehalt, in der Sklettmuskulatur
      von ICS-Tieren untersucht werden. Auch sollten oxidative und
      antioxidative Parameter sowie die Proteinexpression von IL-6
      und TNF und die Invasion von CD68+-Zellen in der
      Skelettmuskulatur von ICS-Tieren bestimmt werden. Ferner
      sollte der Zusammenhang von proinflammatorischen bzw.
      Atrophie-relevanten Markern und der FCSA bzw. der Faserdichte
      in der Skelettmuskulatur von FMS-Patienten untersucht werden.
      Bei entsprechender klinischer Datenlage könnten die in dieser
      Arbeit gefundenen Ergebnisse zu neuen therapeutischen
      Interventionsmöglichkeiten führen.
description: Fibromyalgia syndrome (FMS) is a
      chronic pain disorder with unknown etiology. It is
      characterized by widespread musculoskeletal pain in different
      regions of the body. Furthermore, it is often accompanied by
      non-specific symptoms. The prevalance of FMS in the USA is 2
      % for both sexes with dominance of the female sex. There are
      various different approaches to the etiopathogenesis of FMS.
      On the one hand, structural, morphological as well as
      metabolic changes in the skeletal muscles could induce the
      symptoms of FMS. On the other hand, an imbalance between pro-
      and anti-inflammatory cytokines, oxidative stress,
      mitochondrial dysfunction or an altered central pain
      processing could be the causes of FMS. In the present study
      we used the mouse modell of FMS using intermittent cold
      stress (ICS). The aim of this study was to investigate how
      ICS affects skeletal muscles (M. gastrocnemius and M. soleus)
      of male and female mice. For this purpose we made use of
      (immun)histochemical stainings, molecular biological
      techniques and transmission electron microscopy for revealing
      changes in the morphology, capillarization and angiogenesis,
      content of glycogen, inflammation, atrophy, apoptosis,
      innervation and mitochondria of skeletal muscles. There was a
      21,6 % and 33,2 % decrease in fiber cross sectional area
      (FCSA) in gastrocnemius/soleus and a 22,9 % and 9,4 %
      increase in fiber density in the male ICS mice in
      gastrocnemius/soleus. These changes are found especially in
      gastrocnemius of male ICS mice. In addition, a 12,5 % and
      11,8 % decrease of the capillary contacts per fiber exists in
      gastrocnemius and soleus muscles of male ICS mice in
      comparison with the control. Furthermore, Vegfa, Vegfb,
      Notch1 and Notch3 expressions (RNA level) were decreased in
      gastrocnemius und soleus muscles of male ICS mice.
      Gastrocnemius and soleus muscles of male ICS mice show an
      14,7 % and 29,7 % increase of density of MuRF1+ cells and an
      17,7 % and 8,9 % increase of density of Fbxo32+ cells,
      whereas in female ICS mice MuRF1 expression and Fbxo32
      expression (RNA level) were increased in these muscles. In
      contrast, the densities of MuRF1+ and Fbxo32+ cells were not
      increased in female ICS mice. There is evidence, that in
      gastrocnemius muscle of male ICS mice inflammation and/or
      atrophy-relevant proteins seem to be associated with the
      regulation of fiber density and/or FCSA. In contrast,
      apoptosis and innervation seem not to be influenced by ICS.
      Furthermore, there was a 17,6 % and 7,9 % decrease of density
      of mitochondria in gastrocnemius and soleus of male ICS mice
      in comparison with control. Additionally, ICS affected the
      morphology of mitochondria negatively in gastrocnemius and
      soleus muscles of male, but also in female mice. In
      gastrocnemius muscles there was a significant 30,7 % increase
      of “damaged” mitochondria in male ICS mice and a significant
      22,5 % increase in female ICS mice in comparison with the
      control. Morover, in soleus muscles there was a significant
      16,9 % increase of “damaged” mitochondria in male ICS mice
      and a significant 31,1 % increase in female ICS mice in
      comparison with the control. In male ICS mice the size of
      mitochondria showed an 63,5 % and 26,8 % increase in
      gastrocnemius and soleus muscles in comparison with the
      control. These results confirm already described findings in
      skeletal muscles of FMS patients. They suggest that ICS
      induces atrophic processes especially in gastrocnemius of
      male ICS mice, which leads to a decreased FCSA. The two
      muscle-specific E3 ubiquitin ligases MuRF1 and Fbxo32 seem to
      be involved in these processes. In skeletal muscles of female
      mice ICS-induced alterations seem to occur not at all or
      delayed. The decrease in capillarization of skeletal muscles
      in male ICS mice points to a reduced distribution of
      oxygen/nutritive substances to muscle fibers and to a
      decreased evacuation of end products of the metabolism. These
      changes could explain the pain and the postexertional fatigue
      in FMS patients. In addition to the described results,
      mitochondrial alterations seem to be induced by ICS
      especially in gastrocnemius muscle of male mice. The present
      results suggest that the numerical and morphological
      mitochondrial abnormalities lead to an impaired mitochondrial
      function. This could not only lead to a loss of oxidative
      capacity but also to an atrophy of muscle fibers. We
      recommend for future research on FMS using ICS to prefer
      gastrocnemius muscle of male ICS mice because the ICS-induced
      alterations in male mice begin earlier and more clearly than
      in female mice. Moreover, in further research there should be
      an observance of the metabolism of the skeletal muscles for
      clearing mitochondrial disorders. Especially the
      concentrations of adenosine triphosphate (ATP) and
      phosphocreatinine as well as the concentrations of lactate
      and pyruvate should be investigated and quantified in
      skeletal muscles of ICS mice. Furthermore, there should be
      research on oxidative and anti-oxidative parameters, the
      protein expression of IL-6 and TNF as well as a potential
      invasion of CD68+ cells in skeletal muscle of ICS mice.
      Moreover, the correlation between inflammation and/or
      atrophy-relevant proteins and fiber density and/or FCSA
      should be tested in skeletal muscles of FMS patients.
      Presuming appropriate clinical data, the results of this
      dissertation might open novel possibilities for therapeutic
      intervention.