Elektronenmikroskopische Untersuchung zur Wirkung des löslichen Aktivin-Rezeptors Typ IIB (sActRIIB) in verschiedenen Krankheitsbildern

Abstract

Myostatin und Aktivin A regulieren den Proteinstoffwechsel und hemmen das Muskelwachstum. Die Depletion von Myostatin führt sowohl in einem Myostatin-Null-Mausmodell als auch bei einer Loss-of-function-Mutation im Menschen zu einer starken Muskelhypertrophie und Zunahme der Muskelkraft. Aktivin A beeinflusst zahlreiche weitere Organsysteme, darunter die Niere, das Nervensystem, das kardiovaskuläre System, den Gastrointestinaltrakt und das Reproduktionssystem. Der Myostatin/Aktivin-Signalweg beginnt mit der Bindung an den Aktivinrezeptor, am häufigsten den Aktivinrezeptor Typ IIB (ActRIIB). Der lösliche ActRIIB (sActRIIB) besteht aus der löslichen Form des ActRIIB gekoppelt an das Fc-Fragment von Maus-IgG. Er komplexiert und neutralisiert die Liganden des ActRIIB und hemmt somit die Wirkung von Aktivin A und Myostatin. In mehreren präklinischen Studien führte der sActRIIB zu einer Zunahme der Skelettmuskelmasse und -kraft und reduzierte funktionelle Beeinträchtigungen der Niere und anderer Organe. In der vorliegenden Arbeit wurde der sActRIIB in verschiedenen Mausmodellen der akuten und chronischen Nierenerkrankung sowie der Sarkopenie eingesetzt, um weitere Therapiepotenziale zu untersuchen. Beurteilt wurde dies anhand ultrastruktureller Veränderungen der Skelettmuskulatur und der Niere mittels Transmissionselektronenmikroskopie. Im Progerie-Mausmodell Ercc1Δ/-, das natürliche Alterungsprozesse abbildet, hatte der sActRIIB positive Effekte auf die Ultrastruktur der Niere und der Skelettmuskulatur. Bei Kombination der sActRIIB-Therapie mit einer Kalorien-reduzierten Diät, die bekannterweise das Auftreten und die Progression altersbezogener Erkrankungen verzögert und die Lebenserwartung im Tiermodell steigert, ergaben sich synergistische Effekte. Diese Ergebnisse zeigen eine starke Korrelation mit den bekannten funktionellen Verbesserungen in beiden Organen. Im knock-in Sichelzellmausmodell reduzierte der sActRIIB ebenfalls die tubulären Veränderungen in der Niere und die veränderte Ultrastruktur der Muskulatur. Überdies wurde der sActRIIB in Mäusen eingesetzt, die Cisplatin erhielten, ein häufig verwendetes Zytostatikum mit starken unerwünschten Wirkungen in der Niere. Die sActRIIB-Therapie führte zu einer Abmilderung der beobachteten ultrastrukturellen Veränderungen in der Niere und der Skelettmuskulatur nach Cisplatin-Therapie. Darüber hinaus bestätigte die vorliegende Arbeit auf ultrastruktureller Ebene die vorbeschriebenen funktionellen Nebenwirkungen auf den männlichen reproduktiven Trakt. Zusammenfassend hat die vorliegende Arbeit neue therapeutische Potenziale des sActRIIB aufgezeigt, aber auch Limitationen durch mögliche Nebenwirkungen auf die männliche Fertilität. Weitere Untersuchungen zum molekularen Wirkmechanismus des sActRIIB sind notwendig, um mögliche Nebenwirkungen zu reduzieren und das volle therapeutische Potential der sActRIIB-Therapie auszuschöpfen.

Myostatin and activin A regulate protein metabolism and inhibit muscle growth. Depletion of myostatin leads to strong muscle hypertrophy and an increase in muscle strength both in myostatin null mice and in a loss-of-function mutation in humans. Activin A influences numerous other organ systems, including the kidney, the nervous system, the cardiovascular system, the gastrointestinal tract and the reproductive system. Myostatin and activin A bind to activin receptors, most commonly the activin type IIB receptor (ActRIIB). The soluble ActRIIB (sActRIIB) consists of the soluble form of ActRIIB fused with the Fc-fragment of mouse IgG. It binds and neutralises the ligands of ActRIIB and thus inhibits the effect of activin A and myostatin. In several preclinical studies, sActRIIB induced an increase in skeletal muscle mass and strength and attenuated functional impairments in the kidney and other organs. In the present study, sActRIIB was used in various mouse models for acute and chronic kidney disease as well as for sarcopenia to further investigate its therapeutic potential. This was assessed based on ultrastructural changes in the skeletal muscle and kidney using transmission electron microscopy. In the progeria mouse model Ercc1Δ/-, which depicts natural ageing processes, sActRIIB had positive effects on the ultrastructure of the kidney and the skeletal muscle. The combination of sActRIIB treatment with calorie restriction, which is known to postpone the onset and progression of age-related diseases and to increase life expectancy in animal models, resulted in synergistic effects. These findings strongly correlate with the functional improvement found in both organs. In the sickle cell mouse model sActRIIB also attenuated the tubular changes in the kidney and the ultrastructure of the muscle. Finally, sActRIIB treatment of mice receiving cisplatin, a commonly used cytostatic drug with strong adverse effects in the kidney, attenuated the ultrastructural alterations observed in the skeletal muscles and in the kidney after cisplatin therapy. Moreover, at the ultrastructural level the present study could confirm functional side effects of sActRIIB on the male reproductive tract as described earlier. In summary, the present study has demonstrated new therapeutic potentials of sActRIIB, but also limitations due to possible side effects on male fertility. To reduce possible side effects and to harness the full therapeutic potential of the sActRIIB treatment future research is needed to better understand the molecular mechanism of sActRIIB signalling.