Mitochondriale Dysfunktion als therapeutisches Ziel in FSHD

Fazioskapulohumerale Dystrophie (FSHD) ist eine unheilbare, vererbbare Erkrankung die hauptsächlich die skelettale Muskulatur betrifft. Klinisch wird FSHD primär als fortschreitender Muskelschwund bzw. - verlust beschrieben. Die genetische Ursache für FSHD sind Mutationen im Erbgut der betroffenen Patienten, die zu einer anhaltenden Produktion des Proteins DUX4 führen, welches normalerweise nicht im Muskel vorkommt. Wird DUX4 fälschlicherweise im Muskel produziert, führt dies zu fortschreitender Muskeldegeneration. Wie das jedoch genau geschieht und welche molekularen Mechanismen beteiligt sind ist bisher unbekannt. Mehrere Studien haben gezeigt, dass FSHD Patienten einen beeinträchtigten Muskelstoffwechsel aufweisen, ein Zustand der als metabolischer Stress bekannt ist. Da Skelettmuskel ein metabolisch sehr aktives Gewebe ist muss er zu jeder Zeit über ausreichend Energie verfügen um seine vielfältigen Funktionen aufrecht erhalten zu können. Eine anhaltende Beeinträchtigung der komplexen bioenergetischen Mechanismen die dafür notwendig sind resultiert daher in einer chronischen Störung der Muskelfunktion. Mitochondrien, kleine Kraftwerke in den Muskelzellen, sind hierbei von zentraler Bedeutung, da sie den Muskel mit ausreichend Energie versorgen müssen damit er seine Arbeit verrichten kann (zum Beispiel Kontraktion). Wenn diese Mitochondrien nicht entsprechend funktionieren, führt dies zu einer zunehmenden Energiekrise, die folglich Muskeldegeneration auslöst. Unsere Untersuchungen über die Rolle von DUX4 in Muskelzellen von FSHD Patienten haben ergeben, dass DUX4 den Muskelstoffwechsel dahingehend verändert, dass große Mengen sogenannter Radikale entstehen. Radikale sind kleine, hochreaktive und potenziell Schaden auslösende Moleküle. Da sie ein zwangsläufiges Nebenprodukt des Stoffwechsels sind, müssen sie entsprechend kontrolliert werden um Schaden in den Muskelzellen zu verhindern. Erhöhte Mengen an Radikalen in FSHD beeinträchtigen den Muskelstoffwechsel und bewirken so eine Störung der Muskelfunktion, vor allem, wenn sie in die Sauerstoffverwendung des Muskels eingreifen. Sauerstoff ist ein zentraler Metabolit und die lokale Sauerstoffverfügbarkeit im Muskel kann stark variieren, zum Beispiel wenn wir trainieren. Ein hochkomplexes Wechselspiel zwischen Mitochondrien, Radikalen und Sauerstoffverarbeitung erlaubt es Muskeln, sich auf metabolische bzw. bioenergetische Fluktuationen einzustellen, ohne dass es zu Schaden kommt. Unsere vorläufigen Daten legen nahe, dass in FSHD eine erhöhte Produktion von Radikalen die Störung der Sauerstoffverwendung und somit eine Deregulierung der mitochondrialen Funktion verursacht. Diese metabolische Störung kann durch Gabe von Antioxidantien, Substanzen die Radikale unschädlich machen können, teilweise verhindert werden, was eine erhebliche Verbesserung der Funktionalität von FSHD Muskeln bewirkt. Antioxidantien wurden bereits erfolgreich in klinischen Studien an FSHD Patienten getestet, die Therapie hatte bis jetzt allerdings eher moderate positive Effekte auf die Muskelfunktion. Dies liegt unter anderem daran, dass wir die exakten Mechanismen, welche metabolischem Stress in FSHD zugrunde liegen, noch nicht genau kennen. Daher ist das Ziel dieses Projekts, die bioenergetischen und metabolischen Unterschiede zwischen gesundem und FSHD Muskel im Detail zu studieren, um neue therapeutische Angriffspunkte zu finden, was die klinische Effektivität von Antioxidantien-basierten Therapien verbessern wird. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf einer genauen Untersuchung der Beziehung zwischen Mitochondrien, Radikalen, Sauerstoff und Muskelfunktion. Eine Vielzahl an Antioxidantien sind bereits als Nahrungsergänzungsmittel zugelassen und könnten daher schnell und kostengünstig aus dem Forschungslabor zum Patienten in die Klinik translatiert werden. Diese Untersuchung des Muskelstoffwechsels als therapeutischem Ziel für die Behandlung von FSHD wird sowohl unser Verständnis verbessern, wie DUX4 Muskelschwund auslöst, als auch neue, gezieltere Antioxidantien-basierte Therapien identifizieren, welche unterstützend zu den heute noch wenig fortgeschrittenen, experimentelleren anti-DUX4 Therapien eingesetzt werden können.

Fazioskapulohumerale Muskeldystrophie (FSHD) ist eine prävalente, unheilbare genetische Muskelerkrankung, die durch fortschreitenden Muskelabbau und -verlust gekennzeichnet ist. Obwohl die genetischen Mutationen, die FSHD verursachen, identifiziert wurden, sind die biologischen Mechanismen, die die Krankheit antreiben, unzureichend verstanden. Es ist jedoch bekannt, dass FSHD-Muskeln unter beeinträchtigten Energieproduktionsprozessen leiden, was als metabolischer Stress bezeichnet wird. Dieser Stress kann auftreten, wenn Mitochondrien, die Kraftwerke der Zellen, nicht richtig funktionieren und ein Ungleichgewicht von hochreaktiven Molekülen, den reaktiven Sauerstoffspezies (ROS), auslösen. Eine übermäßige Produktion von ROS verursacht oxidativen Stress, der Zellen schädigt und letztlich zum Zelltod führt. FSHD-Muskeln zeigen verschiedenste Stoffwechselstörungen, und obwohl mitochondriale Dysfunktion und oxidativer Stress zur Muskelschädigung bei der Krankheit beitragen, insbesondere durch das FSHD-verursachende DUX4-Protein, sind die zugrundeliegenden Mechanismen unzureichend erforscht. Dieses Projekt versuchte zu klären, wie metabolischer Stress zu FSHD beiträgt. Wir konzentrierten uns darauf, wie DUX4-induzierte Veränderungen im Muskelstoffwechsel den Krankheitsverlauf beeinflussen und versuchten, neue therapeutische Strategien zu identifizieren. Mithilfe von Muskelzellen aus FSHD-Patienten und Zellen mit induzierbarer DUX4-Expression untersuchten wir die Rolle von mitochondrialen reaktiven Sauerstoffspezies (mitoROS) in der Störung des mitochondrialen Stoffwechsels und der erhöhten Empfindlichkeit von FSHD-Muskeln gegenüber niedriger Sauerstoffverfügbarkeit (Hypoxie). Unsere Untersuchungen zeigten, dass die DUX4-Expression in Muskelzellen zu sofortigen mitochondrialen Veränderungen führt, insbesondere zu einer erhöhten Produktion von mitoROS. Dieser Effekt tritt vor dem Zelltod auf und ist unter Hypoxie besonders ausgeprägt. Die Verabreichung von mitochondriengezielten Antioxidantien verringerte die negativen Auswirkungen von DUX4, z.B. erhöhte Zellsterblichkeit und verringerte Muskelbildung (Hypotrophie), drastisch, insbesondere in Hypoxie. Diese gezielten Antioxidantien waren effektiver als konventionelle Antioxidantien, was die therapeutische Bedeutung einer direkten Beeinflussung der mitochondrialen Dysfunktion unterstreicht. Weiterhin identifizierten wir Mitochondrien als die Hauptquelle des oxidativen Stresses in FSHD, da sie vermehrt mitoROS innerhalb der mitochondrialen Atmungskette produzieren. Diese wichtige Entdeckung verknüpft mitochondriale Dysfunktion direkt mit oxidativem Stress. Wir untersuchten daher auch das Potenzial von direkt auf die Atmungskette abzielenden Antioxidantien wie mitoQ10, das sich im Vergleich zu anderen Antioxidans-Ansätzen als hochwirksam in der Reduktion oxidativen Stresses und Erhaltung der mitochondrialen Funktion erwies. Zusätzlich untersuchten wir die Auswirkungen der gestörten Stickstoffmonoxid (NO)-Signalgebung in FSHD. Wir entdeckten, dass übermäßige Produktion von mitoROS in FSHD-Mitochondrien die Verfügbarkeit von NO reduziert, was die Fähigkeit des Muskels beeinträchtigt neue Mitochondrien zu produzieren. Reduziertes NO korrelierte mit verringerter mitochondrialer Masse und Funktion in FSHD-Muskeln. Die Beeinflussung von spezifischen NO-sensitiven Signalwegen mit zugelassenen Medikamenten verringerte oxidativen Stress und verbesserte mitochondriale Funktion, was einen neuen therapeutischen Ansatz bietet. Zusammenfassend identifizierte diese Forschung oxidativen Stress durch mitochondriale Dysfunktion als Schlüsselmechanismus in FSHD. Diese Mechanismen können gezielt mit Medikamenten behandelt werden. Unsere Ergebnisse werden durch transkriptomische Analysen von FSHD-Muskelbiopsien unterstützt, die eine weitreichende Beeinträchtigung der Gene zeigen, die mit mitochondrialer Funktion, oxidativem Stress und NO-Signalgebung in Verbindung stehen, was eine Grundlage für neue therapeutische Strategien bildet.