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Kein Zucker, kein Problem: Skelettmuskelzellen gedeihen in zuckerarmen Umgebungen, um altersbedingten Muskelschwund zu verhindern

Kein Zucker, kein Problem: Skelettmuskelzellen gedeihen in zuckerarmen Umgebungen, um altersbedingten Muskelschwund zu verhindern

Von mikroskopisch kleinen Bakterien, die durch winzige Räume schwimmen, über Pflanzen, die sich der Sonne zuwenden, bis hin zu Tieren, die über Kontinente und Ozeane wandern: Die Fähigkeit, sich zu bewegen, ist ein grundlegendes Merkmal aller lebenden Organismen – egal wie hirnlos sie auch sein mögen. Was Bakterien und Pflanzen jedoch nicht zur Unterstützung ihrer Bewegungen benötigen, ist Muskelgewebe. Eine lebenswichtige Art von Muskelgewebe ist die Skelettmuskulatur, die dem Menschen die Fähigkeit gibt, sich zu bewegen und verschiedene Aktivitäten auszuführen, angefangen von den alltäglichen Kleinigkeiten wie Zähneputzen oder Schuhe binden bis hin zu großen Bewegungsabläufen, wie dem Sprinten über ein Feld oder dem Klettern auf einen Hügel . 

Leider verfügen wir nicht über einen unbegrenzten Vorrat an Skelettmuskeln. Bereits im Alter von 30 Jahren nimmt unsere Skelettmuskelmasse und -kraft zunehmend ab, wobei 80-Jährige häufig 50 % oder mehr der Muskeln verlieren, die sie in jungen Jahren hatten. Diese drastische Verringerung der Muskelmenge und -kapazität, auch Sarkopenie genannt, führt bei älteren Erwachsenen zu einer Verschlechterung der Lebensqualität und Unabhängigkeit mit einem erhöhten Risiko für Gebrechlichkeit, Stürze, Frakturen und Mortalität. 

Obwohl bei Sarkopenie viele Faktoren eine Rolle spielen, glauben einige Forscher, dass chronisch hoher Blutzucker (Hyperglykämie) mit diesem altersbedingten Muskelschwund zusammenhängt. In einer aktuellen Studie untermauern Forscher der Tokyo Metropolitan University in Japan den Beweis, dass ein hoher Blutzucker tatsächlich schädlich für das Muskelwachstum und die Muskelreparatur ist. Durch Manipulation des Glukosespiegels (Zucker) in Petrischalenkulturen bestimmter Muskelzellen stellen Furuichi und Kollegen fest, dass niedrigere Glukosespiegel die optimalen Bedingungen für das Wachstum von Skelettmuskelzellen bieten, was im Widerspruch zu der zuvor vertretenen Annahme steht, dass alle proliferierenden Zellen in Zucker gedeihen. reichhaltige Umgebungen.

In dieser Studie erläutert das in Tokio ansässige Team weiter, wie sich Hyperglykämie auf die Muskelreparatur auswirkt, was weitreichende Auswirkungen sowohl auf die Behandlung von Sarkopenie als auch auf die Erschließung neuer Möglichkeiten für die Untersuchung des regenerativen Muskelwachstums in der biomedizinischen Forschung haben könnte.

Zucker und Sarkopenie: Das nicht so süße Zeug

Eine Gruppe von Zellen, die stark an der Muskelregeneration beteiligt sind, sind Satellitenzellen, bei denen es sich um Stammzellen handelt, die spezifisch für den Skelettmuskel sind. Wenn ein Muskel geschädigt wird – sei es durch eine Verletzung, eine Krankheit oder einen altersbedingten Verlust – können Satellitenzellen proliferieren oder sich zu Vorläuferzellen namens Myoblasten vermehren, die die Form und Funktion entwickelter Muskelzellen noch nicht vollständig entwickelt haben. Von dort aus differenzieren oder verwandeln sich die Myoblasten in Muskelzellen, sogenannte Myozyten, die zu Muskelfasern verschmelzen und die beschädigten Muskeln reparieren. 

Allerdings wird dieser Prozess der Muskelregeneration, der für den Erhalt der Muskelmasse im Alter unerlässlich ist, durch Hyperglykämie beeinträchtigt – eine Studie fanden heraus, dass Typ-2-Diabetiker das Risiko einer Sarkopenie im Vergleich zu Menschen ohne Diabetes um das Dreifache erhöhten. Untersuchungen haben ergeben, dass es sich hierbei um eine wechselseitige Beziehung handelt. Neben Diabetes, der zu Sarkopenie führt, erhöht auch Muskelschwund das Diabetesrisiko. Ein dritter Faktor in diesem Szenario ist Fettleibigkeit, da übermäßiges Körpergewicht und Fettreserven sowohl zu Diabetes als auch zu Sarkopenie beitragen, während eine eingeschränkte Motilität aufgrund von Sarkopenie die Fettleibigkeit weiter verstärken kann. Da Sarkopenie sowohl Ursache als auch Folge von Diabetes und Fettleibigkeit ist, könnte die Linderung dieses altersbedingten Muskelschwunds durch Senkung des Blutzuckers das Risiko dieser drei Krankheiten, die bei älteren Erwachsenen weit verbreitet sind, verringern und so sowohl die Gesundheit als auch die Lebensdauer verbessern.

diabetes führt zu Sarkopenie, Muskelschwund erhöht auch das Diabetesrisiko.

Überleben der Satellitenzellen

Entgegen der bisherigen Annahme, dass die meisten Zellen große Mengen Zucker benötigen, um sich zu vermehren, fanden Furuichi und Kollegen heraus, dass Satellitenzellen der Skelettmuskulatur Bedingungen mit niedrigem Glukosegehalt bevorzugen – und gedeihen. Nach der Isolierung und Kultivierung von Satelliten- und anderen Muskelzellen junger Mäuse untersuchte das Forschungsteam verschiedene Marker für die Zellgesundheit und das Zellwachstum in Umgebungen mit niedrigem oder hohem Glukosespiegel. 

In der Gruppe mit niedrigem Glukosespiegel, die etwa ein Zehntel so viel Zucker enthielt wie die Gruppe mit hohem Glukosespiegel, wiesen die Satellitenzellen deutlich höhere Proliferationsraten und niedrigere Apoptoseraten auf – den programmierten Zelltod. Dies weist darauf hin, dass eine Glukoserestriktion das Wachstum und die Lebensfähigkeit von Satellitenzellen erleichtert und gleichzeitig Zellschäden und -tod mildert. In den Kulturen mit hohem Glukosegehalt, der dem Blutzuckerspiegel einer Person mit unkontrolliertem Diabetes entsprach, hörte die Zellvermehrung nach einer Woche auf, während sich die Gruppe mit niedrigem Zuckergehalt über zwei Wochen lang weiter vermehrte. Die Zellgruppe mit niedrigem Zuckergehalt hatte auch die Fähigkeit, sich in Myozyten zu differenzieren, die anschließend Muskeln regenerieren oder reparieren könnten, wenn diese Zellkulturen auf den Menschen übertragen würden.

Die meisten Zellen bevorzugen zuckerreiche Umgebungen, da Glukose zur Erzeugung von ATP (Energie) verwendet werden kann, was die Forscher zu der Frage veranlasste, ob es einen bestimmten Grundwert der Zuckerkonzentration gab, den diese Satellitenzellen bevorzugten. Um dies zu testen, fügten Furuichi und Kollegen ein Enzym namens Glukoseoxidase hinzu, das im Wesentlichen Glukose verdaut und abbaut. In dieser Kultur ohne jegliche Glukose gediehen und vermehrten sich die Satellitenzellen trotzdem. Myoblasten – die Vorläufer voll entwickelter Myozyten – funktionierten auch in der Kultur mit niedrigem Glukosegehalt gut. Diese Vorläuferzellen vermehrten sich über zwei Wochen lang weiter und exprimierten ein Protein, das auf eine normale Differenzierung in Muskelzellen hinweist. Sie fanden auch heraus, dass diese Ergebnisse nicht auf alle Zellen zutrafen, da andere Nicht-Muskelzellen, die in Satellitenzellkulturen üblicherweise überwachsen, sich unter den Bedingungen mit niedrigem und ohne Zuckergehalt nicht vermehren konnten. Diese Ergebnisse waren unerwartet, und obwohl klar ist, dass Satellitenzellen ihre Energie aus einer völlig anderen Brennstoffquelle als Glukose beziehen, sind sich die Forscher noch nicht ganz sicher, um welche Quelle es sich handelt – künftige Forschungen werden es zeigen. 

glukoserestriktion erhöht die Proliferation kultivierter Muskelzellen und revolutioniert die bestehenden Konzepte

Fortschritte in der Muskelregenerationsforschung

Aus diesen Ergebnissen ergeben sich wichtige Implikationen für die Stammzellen- und regenerative Medizinforschung. Ein Hauptproblem in der Muskelregenerationsforschung besteht darin, dass die Satellitenzellkulturen mit anderen Nicht-Muskelzellen kontaminiert oder überwuchert werden, da sie in Szenarien mit höherem Zuckergehalt gedeihen und die geringe Vermehrung von Satellitenzellen überwältigen können. Da es sich bei Satellitenzellen um Stammzellen handelt, die spezifisch für die Skelettmuskulatur sind, könnte eine reine und nicht kontaminierte Kultur viel mehr Möglichkeiten für die Untersuchung – und Behandlung – muskelbedingter Erkrankungen bieten, die von Sarkopenie bis hin zu Muskeldystrophie reichen. Obwohl wir nicht sicher wissen, ob eine Senkung des Blutzuckers beim Menschen das Wachstum und die Reparatur der Skelettmuskulatur fördern würde, sind diese Ergebnisse vielversprechend für ihr zukünftiges Potenzial zur Verringerung des Risikos von Sarkopenie, Fettleibigkeit und Typ-2-Diabetes. Die Autoren fassen zusammen: „Unsere Erkenntnis, dass eine Glukoserestriktion die Proliferation kultivierter Muskelzellen erhöht, revolutioniert die bestehenden Konzepte.“

Verweise:

Furuichi Y, Kawabata Y, Aoki M, Mita Y, Fujii NL, Manabe Y. Überschüssige Glukose behindert die Proliferation von Skelettmuskel-Satellitenzellen unter adhärenten Kulturbedingungen. Front-Cell-Entwickler, Biol. 2021;9:640399. Veröffentlicht am 1. März 2021. doi:10.3389/fcell.2021.640399

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Umegaki H. Sarkopenie und Diabetes: Hyperglykämie ist ein Risikofaktor für altersbedingte Muskelmasse und Funktionsminderung. J Diabetes-Untersuchung. 2015;6(6):623-624. doi:10.1111/jdi.12365



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