The effect of chronic constriction injury to the sciatic nerve on myofibrillar protein synthesis in rat tibialis anterior

Abstract

This doctorate comprised several projects investigating skeletal muscle metabolism in neuromuscular diseases, resulting in multiple publications. Based on the doctoral degree regulations of the Charité Berlin, this dissertation will focus exclusively on the first project that led to a “top journal” publication. In this project I investigated skeletal muscle protein turnover in rat tibialis anterior (TA) following chronic constriction injury to the sciatic nerve. While changes to muscle protein metabolism after nerve transection are relatively well understood, knowledge on other peripheral nerve injuries is sparse. Chronic constriction injury was caused by implanting a cuff tightly around the sciatic nerve of male Sprague-Dawley rats between 21 to 22 weeks of age (n=10). Four weeks after surgically inducing the injury, bodyweight of the animals did not change significantly while body composition was altered. Lean body mass decreased by 3.7 % from 75.4 % (± 2.3 %) to 71.7 % (± 1.3 %) which was accompanied by a concomitant increase in bodyfat by 2.7 % from 18.3 % (± 2.1 %) to 21.2 % (± 2.5 %) (p<0.01, p<0.05). Locally, the constriction injury had caused a decrease in muscle mass of 66 % (±10 %) and 50 % (± 17 %) of the TA and extensor digitorum longus, respectively (p<0.001, p<0.001). We found that this loss of mass was predominantly caused by a decrease in fiber diameter rather than fiber number: Average fiber diameter of type I fibers in the TA decreased by 38 % (47 µm ±3 µm [control] to 34 µm ± 3 µm [damaged]), type II a fibers by 30 % (47 µm ± 4 µm [control] to 36 µm ± 7 µm [damaged]) and type II b fibers by 70 % (56 µm ± 6 µm [control] to 33 µm ± 6 µm [damaged]) (p<0.01, p<0.05, p<0.001) while fiber number did not decrease in a statistically significant manner. We used stable isotope labeling via deuterium oxide to investigate changes of myofibrillar protein synthesis during the last two weeks of the intervention. Despite substantial loss of muscle mass and apparent fiber atrophy, myofibrillar protein synthesis was increased in every single animal by an average 55 % in nerve damaged TA compared to the contralateral control leg (3.23 ± 0.72 [damaged] to 2.09 ± 0.26%∗day−1 [control]) (p<0.001). This increase in myofibrillar protein synthesis was supported by a coinstantaneous increase in the protein levels of p70S6K1 by 33 % from 1.8 ± 0.2 to 2.4 ± 0.3 AU (p<0.01). In conclusion, we found that constriction injury of the sciatic nerve is accompanied by a substantial decrease in muscle mass and muscle fiber diameter despite a significant increase in myofibrillar protein synthesis and anabolic signaling protein levels. As such, to ameliorate muscle loss in chronic nerve constriction injury, targeting myofibrillar protein breakdown could hold more promise than targeting the already increased synthesis of myofibrillar proteins.

Diese Promotion befasste sich mit Projekten zum Stoffwechsel der Skelettmuskulatur in neuromuskulären Erkrankungen, wovon mehrere in Publikationen resultierten. Basierend auf der Promotionsordnung der Charité Berlin behandelt diese Dissertation ausschließlich das erste Projekt, aus welchem eine „Top Publikation“ hervorging. Dieses Projekt untersuchte Änderungen des Proteinstoffwechsels in Muskelgruppen, die von chronischer Nervenkonstriktion betroffen sind. Während ähnliche Untersuchungen zu vollständig denervierten Muskeln publiziert sind, ist wenig über den Muskelstoffwechsel in anderen peripheren Nervenverletzungen bekannt. Eine chronische Nervenkonstriktion des N. ischiadicus wurde durch die Implantation einer Manschette um den Nerv 21-22 Wochen alter Sprague-Dawley Ratten (n=10) hervorgerufen. Vier Wochen postoperativ war das Körpergewicht der Tiere unverändert, anders als die Körperkomposition: Die fettfreie Masse reduzierte sich um 3.7 % von 75.4 % (± 2.3 %) auf 71.7 % (± 1.3 %), was von einem gleichzeitigen Anstieg des Fettanteils um 2.7 % von 18.3 % (± 2.1 %) auf 21.2 % (± 2.5 %) begleitet wurde (p<0.01, p<0.05). Lokal verursachte der Nervenschaden eine Reduktion des Muskelgewichtes des M. tibialis anterior (TA) und M. extensor digitorum longus um 66 % (± 10 %) und 50 % (± 17 %) (p<0.001, p<0.001). Diese Reduktion der Muskelmasse ließ sich primär auf Faseratrophie zurückführen: Der Durchmesser der Typ I Fasern reduzierte sich im TA um 38 % (47 μm ± 3 μm [Kontrolle] zu 34 μm ± 3 μm [Intervention]), der Typ II A Fasern um 30 % (47 μm ± 4 μm [Kontrolle] zu 36 μm ± 7 μm [Intervention]) und der Typ II B Fasern um 70 % (56 μm ± 6μm [Kontrolle] zu 33 μm ± 6 μm [Intervention]) (p<0.01, p<0.05, p<0.001), während sich die Faserzahl nicht signifikant unterschied. Um die Syntheserate von myofibrillärem Protein zu untersuchen, verwendeten wir während der letzten zwei Wochen der Intervention Isotopenmarkierung durch Deuteriumoxid. Trotz des starken Verlustes an Muskelmasse sahen wir einen signifikanten Anstieg der myofibrillären Proteinsynthese von durchschnittlich 55 % im TA des nervengeschädigten Beines (3.23 ± 0.72 [Intervention] zu 2.09 ± 0.26 %∗Tag−1 [Kontrolle]) (p<0.001). Jedes Tier zeigte einen Anstieg der Proteinsyntheserate mit der Intervention. Dieser Anstieg der Syntheserate wurde von einer simultanen Zunahme des Signalproteins p70S6K1 um 33 % (1.8 ± 0.2 AU [Kontrolle] zu 2.4 ± 0.3 AU [Intervention] begleitet (p<0.01), welches dafür bekannt ist, die Proteinsynthese und Zellproliferation zu aktivieren. Zusammenfassend demonstriert diese Arbeit, dass chronische Konstriktion des N. ischiadicus zu starkem Muskelschwund und Faseratrophie führt, welche von einem Anstieg der Muskelproteinsynthese und anaboler Signalproteine begleitet wird. Strategien, welche die Proteolyserate von myofibrillärem Protein verlangsamen, könnten daher vielversprechendere Interventionsziele bei Nervenkonstriktion darstellen als jene, die das Verstärken der bereits erhöhten Muskelproteinsyntheserate zum Ziel haben.