Effekte pharmakologischer Interventionen auf Muskelatrophie im Mausmodell der amyotrophen Lateralsklerose (ALS)

Abstract

Die amyotrophe Lateralsklerose (ALS) ist gekennzeichnet durch die Degeneration der oberen und unteren Motoneuronen, welche Kraftlosigkeit und Muskelatrophie verursacht. Die genaue Pathophysiologie der ALS-assoziierten Kachexie ist noch unbekannt. Derzeit ist nur Riluzol für die Behandlung von ALS zugelassen. In der vorliegenden Dissertation wurde die Kachexie bei der ALS näher charakterisiert und neue therapeutische Optionen in einem international standardisierten und etablierten Modell getestet. Unter Verwendung von männlichen und weiblichen transgenen G93A-Mäuse mit einer Mutation im Gen, das für die Superoxid-Dismutase (SOD1) kodiert ist, wurden die Auswirkungen verschiedener Beta-Blocker (10 mg/kg/d Propranolol, 20 mg/kg/d Oxprenolol, 10 oder 20 mg/kg/d R-Oxprenolol, 10 oder 20 mg/kg/d S-Oxprenolol) auf das Fortschreiten der Krankheit und das Überleben, im Vergleich zu Riluzol (Rilutek®, 30 mg/kg/d), als positive Kontrolle, und Placebo getestet. In einer weiteren Studie wurden die Tiere zu einem definierten Endpunkt (medianes Überleben der kombinierten Placebogruppe aus der Überlebensstudie) euthanasiert. In dieser Vergleichsstudie wurde der Einfluss der Behandlung auf das Körpergewicht und -zusammensetzung, sowie auf die Motoneuronenanzahl, die Inflammation sowie auf die Muskelatrophie untersucht. Neben Rilutek und Placebo wurden 20 mg/kg/d R-Oxprenolol, 10 und 20 mg/kg/d S-Oxprenolol verwendet, weil sie den größten positiven Einfluss in der vorangegangenen Überlebensstudie zeigten. Folgende Ergebnisse ergaben sich aus den Studien: (1) Charakterisierung der Kachexie im G93A-SOD1-Mausmodell: • Kachexie ist bei der ALS stark ausgeprägt. Die Untersuchungen der ALS-assoziierten Kachexie ergaben einen signifikanten Verlust des Körpergewichtes, der Fettmasse, einschließlich des braunen Fettgewebes, und der fettfreien Masse. Insbesondere die Skelettmuskelmasse nahm im Verlauf der Krankheit stark ab. (2) ALS- Progression und Überleben: • Durch die Behandlung mit beiden Dosen R- und S-Oxprenolol wurde die ALS-Progression von Stufe 1 zu Stufe 2 verzögert. Die 20 mg/kg/d S-Oxprenolol-Behandlung verlangsamte das Fortschreiten der ALS von Stufe 1 zu Stufe 3 am effektivsten. Das Überleben wurde durch 10 und 20 mg/kg/d R-Oxprenolol sowie 20 mg/kg/d S-Oxprenolol, versus Placebos, signifikant verlängert. Das Razemat Oxprenolol zeigte nur kleine positive Effekte und Rilutek sowie Propranolol besaßen, im Vergleich zu Placebos, keine positiven Effekte auf die ALS-Progression und das Überleben. (3) Vergleichsstudie: • 20 mg/kg/d R-Oxprenolol und beide Dosen S-Oxprenolol (10 oder 20 mg/kg/d) reduzierten bei den Weibchen den Verlust an Körpergewicht, Fett und fettfreie Masse am stärksten. Der Gewichtsverlust des Musculus gastrocnemius (GC) und des Musculus tibialis anterior wurde bei den Weibchen durch die Behandlung mit den höheren Dosen R- und S-Oxprenolol (20 mg/kg/d) verringert. Die Wirkung der ß-Blocker bei den Männchen scheint nicht so effektiv wie bei den Weibchen zu sein. Rilutek besitzt keinen Einfluss auf das Körpergewicht und die Körperzusammensetzung sowie auf die Skelettmuskelmasse. • Der Verlust der Motoneuronen wurde sowohl im primären Motorcortex als auch im lumbalen Rückenmark durch die Behandlung mit Rilutek, 20 mg/kg/d R-Oxprenolol und beiden Dosen S-Oxprenolol (10 oder 20 mg/kg/d) reduziert. Es waren auch weniger Astrozyten und Mikrogliazellen im lumbalen Rückenmark vorhanden. Dennoch ergaben sich nur geringfügige Effekte auf den Zytokinlevel im Blutplasma. • Die Muskelatrophie im GC wurde durch 20 mg/kg/d R-Oxprenolol bei den Männchen und durch 20 mg/kg/d S-Oxprenolol bei den Weibchen abgeschwächt. Der Muskelfaserquerschnitt und der Anteil an größeren Muskelfasern waren höher als bei den Placebos. Die runterregulierte Myostatin- Signalkaskade könnte eine Erklärung dafür sein. Die Analyse einiger Parameter der Akt-Signalkaskade, des Ubiquitin-Proteasom-Systems (UPS), der Apoptose und der Autophagie ergaben einige positive Effekte auf das katabole und anabole Ungleichgewicht im GC.

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is caused by degeneration of upper and lower motoneurons resulting in weakness and muscle atrophy. The exact pathophysiology at ALS-associated cachexia is still unknown. Currently, only riluzole is approved for the treatment of ALS. In this dissertation, cachexia in ALS was characterized more in detail and novel therapeutic options in an internationally standardized and established model were tested. Using male and female transgenic G93A mice, with a mutation in the gene encoding the superoxide dismutase (SOD1), the effects of different beta blockers and doses (10 mg/kg/d propranolol, 20 mg/kg/d oxprenolol, 10 or 20 mg/kg/d R-oxprenolol, respectively, 10 or 20mg/kg/d, S-oxprenolol, respectively) on disease progression and survival in comparison to riluzole (Rilutek®, 30mg/kg/d) as a positive control and placebo were tested. In another study, the animals were euthanized at a defined endpoint (median survival of combined placebo groups from the survival study). In this comparative study, the influence of treatment on body weight and body composition, as well as on motoneuron number, inflammation and on muscle atrophy was investigated. Besides using Rilutek and placebo, 20 mg/kg/d R-oxprenolol and 10 or 20 mg/kg/d S-oxprenolol were used because they have shown the greatest positive impact in the previous survival study. The following results were obtained: (1) Characterization of cachexia in the G93A-SOD1 mouse model: • Cachexia is strongly pronounced in ALS. The analyses of ALS-associated cachexia resulted in significantly body weight, fat mass, including the brown fat, and lean mass loss. In particular, the skeletal muscle mass loss was strongly increased during disease progression. (2) Progression of ALS and survival: • Treatment with both doses of R- and S-oxprenolol delayed ALS progression from score 1 to score 2. 20 mg/kg/d S-oxprenolol slowed most effective the progression of ALS from score 1 to score 3. Survival is significantly improved at 10 and 20 mg/kg/d R-oxprenolol and 20 mg/kg/d S-oxprenolol vs. placebo. The racemate oxprenolol only showed little positive effects and Rilutek as well as propranolol had no positive effects on ALS progression and survival compared to placebo. (3) Comparative study: • 20 mg/kg/d R-oxprenolol and both doses S-oxprenolol (10 or 20 mg/kg/d) reduced the loss of body weight, fat and fat-free mass most in female mice. The weight loss of the gastrocnemius muscle (GC) and the tibialis anterior muscle were lower by treatment with the higher doses of R- and S-oxprenolol (20 mg/kg/d). In males, the effect of beta blockers seems to be not that effective as in the females. Rilutek has no effect on body weight and body composition as well as on skeletal muscle mass. • The loss of motor neurons was reduced in the primary motor cortex and also in the lumbar spinal cord by treatment with Rilutek, 20 mg/kg/d R-oxprenolol and the two doses of S-oxprenolol (10 or 20 mg/kg/d). There were also a fewer number of astrocytes and microglia in the lumbar spinal cord. However, only minor effects were seen on the cytokine level in the blood plasma. • Muscle atrophy of the GC was attenuated through 20 mg/kg/d R-oxprenolol in males and through 20 mg/kg/d S-oxprenolol in females. The muscle fiber cross section and the proportion of larger muscle fibers were higher than in placebos. The down regulation of the myostatin signaling cascade might be an explanation for it. There were seen some positive effects on the catabolic and anabolic imbalance in GC muscle by analyzing some parameters of the Akt signaling cascade, the ubiquitin- proteasome system (UPS), apoptosis and autophagy.