Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Die Bedeutung des Hypoxie-induzierbaren Faktors-1 im Muskeltrauma

Nigge, Elke

Traumatic skeletal muscle injury requires a timely and concerted sequence of cellular events to maintain and restore muscle function. The post-traumatic mechanisms involve degradation, inflammation and subsequent regeneration, all of it being set in an environment of deficient perfusion while demanding intense metabolic activity. This argues for a vital role of hypoxia-inducible factor 1 (HIF-1) within this scenario. As one of the key regulators of oxygen-homeostasis, HIF-1 drives the response upon hypoxia by controlling the expression of genes that encode for glucose metabolism, oxygen supply and consumption, as well as cell death and survival. HIF-1 is a heterodimeric transcription factor complex comprising an oxygen-dependently regulated α-subunit and a constitutively expressed β-subunit. Aside from oxygen tension, transcriptional activity can also be modulated by various growth factors, of which among others fibroblast growth factor 2 (FGF-2) and the insulin-like growth factors (IGFs) are also known to play a role in soft tissue regeneration. To study the meaning of HIF-1 with regard to the extent of damage and the onset of regeneration, a drop-mass technique trauma model with mice harboring a conditional HIF-1α –knockout in striated muscle or myeloid cells was deployed. Evaluation of knockout specific differences was accomplished by means of NMRI, histology, blood chemistry, FACS, and gene expression analysis of untreated mice and at 5 different time points ranging from 3 to 168 hours post-trauma. Functional muscle - HIF-1α knockout was verified by the significant reduction in transcription of the HIF-1 target gene pyruvatedehydrogenase kinase 1 (PDK-1). The muscle-specific lack of HIF-1 was associated with partly significantly lower muscle mass and a greater susceptibility for (post-)traumatically induced muscle fiber damage. Affected mice developed a somewhat more extended tissue necrosis with concomitantly enhanced inflammatory response and a discernibly derogated regeneration capacity. Loss of HIF-1α also impaired activation, aggregation and invasive capacity of myeloid cells, resulting in a partially attenuated inflammatory reactivity. Mice carrying this knockout consequently suffered from a bated viability and the apparently reduced phagocytic removement of tissue debris. Nonetheless, the early regenerative processes appeared not be affected. As to what extent these knockout-related differences actually lead to subsequent alterations in final muscle architecture and function, however, can only be determined through more extended observation periods involving performance tests.

Traumatisch bedingte Verletzungen der Skelettmuskulatur erfordern die umgehende Aktivierung einer fein abgestimmten Kaskade zellulärer Veränderungen, um die Muskelfunktion zu erhalten bzw. wiederherzustellen. Diese post-traumatischen Mechanismen umfassen stoffwechselaktive Vorgänge wie Degeneration, Inflammation und schließlich Regeneration, und das alles in einer von Mangelperfusion geprägten Umgebung. Dies spricht für eine entscheidende Rolle des Hypoxie-induzierbaren Faktors–1 (HIF-1) im Rahmen dieses Szenarios. Als eine der Schlüsselfiguren der Sauerstoff-Homöostase reguliert HIF-1 die zelluläre Antwort auf Hypoxie, indem es die Expression der Gene von Glucose-Stoffwechsel, O2 –versorgung und –verbrauch sowie Zelltod und –überleben kontrolliert. HIF-1 ist ein heterodimerer Transkriptionsfaktor bestehend aus einer O2-abhängig regulierten α-Untereinheit und einer konstitutiv exprimierten β-Untereinheit. Seine transkriptionelle Aktivität wird nicht nur durch die lokale Sauerstoffspannung sondern auch verschiedene Wachstumsfaktoren moduliert. Hierzu gehören u.a. die auch an der Geweberegeneration beteiligten Insulin-ähnlichen Wachstumsfaktoren (IGF) und der Fibroblasten-Wachstumsfaktor–2 (FGF-2). Die Bedeutung von HIF-1 für das Ausmaß der Schädigung und die beginnende Regeneration wurde am Fallgewicht-induzierten Muskeltrauma studiert. Hierfür standen Mäuse mit einem konditionellen HIF-1α –Knockout in quergestreifter Muskulatur oder Zellen der myeloischen Reihe zur Verfügung. Die Knockout-bedingten Unterschiede wurden anhand von MRT, Histologie, Blutchemie, FACS und Genexpressionsanalyse in unbehandelten Mäusen sowie zu 5 verschiedenen Zeitpunkten zwischen 3 und 168 Stunden post-trauma ermittelt. Der funktionelle Knockout des Muskel - HIF-1α wurde durch die signifikant reduzierte Transkription des HIF-1–Zielgens Pyruvatdehydrogenase-Kinase–1 (PDK-1) nachgewiesen. Dieser muskelspezifische HIF-1 – Mangel war mit einer teilweise signifikant geringeren Muskelmasse und einer vermehrten Empfänglichkeit für (post-) traumatisch induzierte Muskelfaserschädigung assoziiert. Die betroffenen Tiere entwickelten eine etwas ausgedehntere Nekrose begleitet von einer verstärkten Entzündungsreaktion und verbunden mit einer verminderten Regenerationsfähigkeit. Ebenso beeinträchtigte der Verlust von HIF-1α die Fähigkeit der myeloiden Zellen zur Aktivierung, Aggregation und Invasion, und führte somit zu einer teilweise abgeschwächten entzündlichen Immunantwort. Infolgedessen ließen Mäuse mit diesem Knockout eine herabgesetzte Widerstandsfähigkeit sowie eine deutliche Reduktion der phagozytären Beseitigung von Zelldebris erkennen. Die regenerativen Prozesse wurden hiervon jedoch nicht erkennbar in Mitleidenschaft gezogen. Eine Einschätzung, inwiefern diese Knockout-bedingten Abweichungen tatsächlich in eine veränderte Muskelarchitektur oder –funktion münden, kann jedoch nur mit Hilfe eines längeren Beobachtungszeitraums und der Einbeziehung funktioneller Tests erfolgen.

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Nigge, Elke: Die Bedeutung des Hypoxie-induzierbaren Faktors-1 im Muskeltrauma. Hannover 2007. Tierärztliche Hochschule.

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