Glucose Metabolismus und Muskelfaseratrophie in der Frühphase der Critical Illness Myopathie

Abstract

Hintergrund: Critical-Illness-Myopathie (CIM) ist eine erworbene Muskelerkrankung mit unbekannter Ätiologie und ohne wirksame Behandlung. Sie zeichnet sich durch eine schlaffe Lähmung der Skelettmuskulatur und der Atemmuskulatur aus. Die Genesung ist langwierig. Als Risikofaktoren für CIM werden eine Immobilisation und ein gestörter Glukosestoffwechsel angesehen. Ich habe untersucht, ob Störungen im Glukosetransport zur Entwicklung von CIM beitragen und ob sich eine elektrische Muskelstimulation vorteilhaft auswirkt. Methoden: Es wurden von 30 Patienten mit einem erhöhtem Risiko für CIM (SOFA Score ≥ 8 an drei aufeinander folgenden Tagen) innerhalb der ersten Woche nach der Aufnahme auf die Intensivstation Muskelbiopsien entnommen. Ich habe das Muskelgewebe histologisch und durch Immunfluoreszenzfärbung ausgewertet und ausgewählte Proteine und Gene, die mit dem Glukosetransport verbunden sind, untersucht. Kontrollen bestanden aus Muskelgewebe von Menschen ohne Muskelerkrankungen und von Patienten mit unterschiedlichen molekular definierten Muskelerkrankungen. Außerdem wurden die Auswirkungen von elektrischer Muskelstimulation auf die Histologie von Muskelgewebe und die Protein- und mRNA-Expression der CIM Patienten untersucht. Ein zufällig ausgewählter Vastus lateralis wurde für 12 Tage elektrisch stimuliert, während das andere Bein einer Routineversorgung unterzogen wurde. Das Muskelgewebe beider Seiten wurde untersucht. Ergebnisse: Die Biopsien der CIM-Patienten im frühen Stadium der Erkrankung zeigten eine schwach ausgeprägte Typ-2-Faser- Atrophie ohne weitere Auffälligkeiten. Bei den CIM-Patienten war GLUT4 im Muskelgewebe in den perinukleären Räumen eingeschlossen. Im Unterschied dazu war GLUT4 in den Kontrollen am Sarkolemma und in zytoplasmatischen Kompartimenten, welche T-Tubuli entsprechen, lokalisiert. Die Gesamtmenge der GLUT4-Proteine war in allen Gruppen gleich. Während pAKT überreguliert war, war pAMPK unterreguliert. Nach der elektrischen Muskelstimulation war GLUT4, wie bei den Kontrollen, am Sarkolemma und in den T-Tubuli lokalisiert. Im Gegensatz zum nicht stimulierten Bein war pAMPK im stimulierten Bein erhöht. Schließlich wurde auch die Typ-2-Faser-Atrophie verhindert. Schlussfolgerungen: CIM entwickelt sich sehr früh im Verlauf der kritischen Erkrankung bei Intensivpatienten und ist mit einer Insulinresistenz verbunden. Eine elektrische Muskelstimulation führt zur Aktivierung von AMPK und repositioniert GLUT4 zum Sarkolemma. Sie ist wirksam bei der Prävention von Typ-2-Faser-Atrophie im Frühstadium einer kritischen Erkrankung.

Background: Critical illness myopathy (CIM) is a devastating acquired skeletal muscle disease of unknown etiology without effective treatment and characterized by flaccid paralysis and respiratory failure. Recovery is slow. Immobilisation together with a disordered carbohydrate metabolism has been regarded as risk factors for CIM. I asked whether disturbances in glucose transport would contribute to CIM and whether electrical muscle stimulation would be beneficial. Methods: Skeletal muscle biopsies were performed on 30 patients at risk for CIM (SOFA score ≥ 8 for three consecutive days) within the first week after admission to the intensive care unit. I assessed the tissue histologically and by immunofluorescent staining and measured glucose metabolism on mRNA and protein level. Controls included muscle obtained from individuals without neuromuscular disorders and from patients with a variety of molecularly defined muscle disorders. Furthermore, the effect of low frequency electrical muscle stimulation on muscle histology and protein expression in CIM patients was investigated. One Vastus lateralis muscle, randomly selected, was electrically stimulated for 12 days, while the other leg received routine care. Skeletal muscle from both sides was analysed. Results: Early biopsies obtained from critically ill patients showed mild type-2-fiber atrophy without further abnormalities. Skeletal-muscle GLUT4 in CIM patients was trapped at perinuclear spaces. In contrast, in controls GLUT4 was localized at the sarcolemma and at cytoplasmatic sites that correspond to T-tubules. The total amount of the GLUT4 protein did not differ between groups. pAKT was upregulated whereas pAMPK was downregulated. After electrical muscle stimulation GLUT4 was localized at the sarcolemma, like in our controls. pAMPK was higher in the stimulated leg as compared to the contralateral. Finally, also type-2-fiber atrophy was prevented. Conclusion: CIM develops very early in the course of critical illness and is associated with insulin resistance. I show evidence that immobilization also plays a crucial role in triggering the development of CIM. Electrical muscle stimulation induces AMPK activation and re-localizes GLUT4 to the sarcolemma. It is effective in preventing type-2-fiber atrophy in early critical illness.