Muskuloskelettaler VEGF-Mangel bedingt mitochondriale, strukturelle und kontraktile Veränderungen im Diaphragma der Maus

Eine Schwäche der Atemmuskulatur tritt als häufige „Klinik“ bei Herz-Lungenerkrankungen, Kritisch-Kranken und Maschinell-Beatmeten auf. Als Hauptatemmuskel ist vornehmlich das Zwerchfell - die Luftpumpe des Lebens – betroffen und Belastungsintoleranz, pulmonale Komplikationen sowie eine verschlechterte Gesamtprognose die mögliche Folgen. Typisches Charakteristikum einer Diaphragmalen Dysfunktion ist die abnorme mikrovaskuläre Blut- und Sauerstoffversorgung. Hier ent- und besteht ein Milieu aus Gewebshypoxie, vermehrten Sauerstoffradikalen, Inflammation (Zytokinerhöhung) und gestörter Proteinhomöostase. Dieses wird verdächtigt, einen Prozess von Atrophie und kontraktiler Dysfunktion in Gang zu setzen. Der Vascular Endothelial Growth Factor A spielt als Protein der Gefäßhomöostase eine entscheidende Rolle in der skelettmuskulären Kapillaritätsregulation und ermöglicht den Myofibrillen die Anpassung an (Trainings-)Aktivität oder Inaktivität. Für das Zwerchfell sind Inaktivität unter Beatmung und erhöhte Beanspruchung unter CHI, COPD und bei Kritisch-Kranken bekannt. Einendes Element dieser Krankheitsbilder auf skelettmuskulärer Ebene scheint die abnorme Sauerstoffversorgung. Das Diaphragma wurde bisher wenig untersucht - bekannt ist die hohe Empfindlichkeit des Zwerchfells auf eine veränderte, skelettmuskuläre Homöostase aus Tiermodellen zu CHI, Bluthochdruck, COPD und VIDD. Es ist unklar, ob eine niedrigere VEGF-Expression zur Dysfunktion beiträgt. An gängigen Tiermodellen mit konditioniertem skelettmuskulärem VEGF-Knockout wurde bisher für das Diaphragma weder eine reduzierte kontraktile Funktion in vitro beschrieben noch eine direkte Verbindung zwischen Zwerchfelldysfunktion und reduzierter VEGF-Expression untersucht. In unserer Arbeit gelang es uns nach konditioniertem VEGF-Mangel in diaphragmalen Muskelproben eine reduzierte Kraft (-15%) nachzuweisen. Hinzu kamen spezifische Faserveränderungen der Knockoutgruppe: Ein reduzierter Typ I-Faserquerschnitt und ein reduziertes Kapillar-Faser-Verhältnis. Zudem zeigt die Knockoutgruppe eine reduzierte Expression des kontraktilen Hauptproteins Aktin. Weitere Signaltransduktionsproteine für Muskelatrophie und oxidativen Stress wurden charakterisiert. Letztlich weist diese Arbeit den Kontraktilitätsverlust im Diaphragma bei skelettmuskulärem VEGF-Mangel am Mausmodell nach. Als Ursache dafür sind eingeschränkte Kapillarität, Faseratrophie und sarkolemmales Aktindefizit zu sehen. Vermehrte postulierte Sauerstoffradikale konnten nicht aufgezeigt werden. Möglicherweise aufgrund einer mitochondrialen Kompensation. Der diaphragmale VEGF-Mangel könnte den Schlüsselfaktor für den Beginn der Zwerchfelldysfunktion darstellen und ein möglicher therapeutischer Ansatzpunkt für betroffene Patienten sein

Skeletal myofiber VEGF deficiency leads to mitochondrial, structural and contractile alterations in mouse diaphragm

Diaphragm dysfunction accompanies cardiopulmonary disease and impaired oxygen delivery. Vascular endothelial growth factor (VEGF) regulates oxygen delivery through angiogenesis, capillary maintenance, and contraction-induced perfusion. We hypothesized that myofiber-specific VEGF deficiency contributes to diaphragm weakness and fatigability. Diaphragm protein expression, capillarity and fiber morphology, mitochondrial respiration and hydrogen peroxide (H2O2) generation, and contractile function were compared between adult mice with conditional gene ablation of skeletal myofiber VEGF (SkmVEGF-/-; n=12) and littermate controls (n=13). Diaphragm VEGF protein was ~50 % lower in SkmVEGF-/- than littermate controls (1.45±0.65 vs. 3.04±1.41 pg/total protein; P=0.001). This was accompanied by an ~15% impairment in maximal isometric specific force (F[1,23] = 15.01, P=0.001) and a trend for improved fatigue resistance (P=0.053). Mean fiber cross-sectional area and type I fiber cross-sectional area were lower in SkmVEGF-/- by ~40 % and ~25% (P0.05). However mitochondrial-derived reactive oxygen species (ROS) flux was lower in SkmVEGF-/- (P=0.0003). In conclusion, myofiber-specific VEGF gene deletion resulted in a lower capillary-to-fiber ratio, type I fiber atrophy, actin loss, and contractile dysfunction in the diaphragm. In contrast, mitochondrial respiratory function was preserved alongside lower ROS generation, which may play a compensatory role to preserve fatigue resistance in the diaphragm

Muskuloskelettaler VEGF-Mangel bedingt mitochondriale, strukturelle und kontraktile Veränderungen im Diaphragma der Maus

Eine Schwäche der Atemmuskulatur tritt als häufige „Klinik“ bei Herz-Lungenerkrankungen, Kritisch-Kranken und Maschinell-Beatmeten auf. Als Hauptatemmuskel ist vornehmlich das Zwerchfell - die Luftpumpe des Lebens – betroffen und Belastungsintoleranz, pulmonale Komplikationen sowie eine verschlechterte Gesamtprognose die mögliche Folgen. Typisches Charakteristikum einer Diaphragmalen Dysfunktion ist die abnorme mikrovaskuläre Blut- und Sauerstoffversorgung. Hier ent- und besteht ein Milieu aus Gewebshypoxie, vermehrten Sauerstoffradikalen, Inflammation (Zytokinerhöhung) und gestörter Proteinhomöostase. Dieses wird verdächtigt, einen Prozess von Atrophie und kontraktiler Dysfunktion in Gang zu setzen. Der Vascular Endothelial Growth Factor A spielt als Protein der Gefäßhomöostase eine entscheidende Rolle in der skelettmuskulären Kapillaritätsregulation und ermöglicht den Myofibrillen die Anpassung an (Trainings-)Aktivität oder Inaktivität. Für das Zwerchfell sind Inaktivität unter Beatmung und erhöhte Beanspruchung unter CHI, COPD und bei Kritisch-Kranken bekannt. Einendes Element dieser Krankheitsbilder auf skelettmuskulärer Ebene scheint die abnorme Sauerstoffversorgung. Das Diaphragma wurde bisher wenig untersucht - bekannt ist die hohe Empfindlichkeit des Zwerchfells auf eine veränderte, skelettmuskuläre Homöostase aus Tiermodellen zu CHI, Bluthochdruck, COPD und VIDD. Es ist unklar, ob eine niedrigere VEGF-Expression zur Dysfunktion beiträgt. An gängigen Tiermodellen mit konditioniertem skelettmuskulärem VEGF-Knockout wurde bisher für das Diaphragma weder eine reduzierte kontraktile Funktion in vitro beschrieben noch eine direkte Verbindung zwischen Zwerchfelldysfunktion und reduzierter VEGF-Expression untersucht. In unserer Arbeit gelang es uns nach konditioniertem VEGF-Mangel in diaphragmalen Muskelproben eine reduzierte Kraft (-15%) nachzuweisen. Hinzu kamen spezifische Faserveränderungen der Knockoutgruppe: Ein reduzierter Typ I-Faserquerschnitt und ein reduziertes Kapillar-Faser-Verhältnis. Zudem zeigt die Knockoutgruppe eine reduzierte Expression des kontraktilen Hauptproteins Aktin. Weitere Signaltransduktionsproteine für Muskelatrophie und oxidativen Stress wurden charakterisiert. Letztlich weist diese Arbeit den Kontraktilitätsverlust im Diaphragma bei skelettmuskulärem VEGF-Mangel am Mausmodell nach. Als Ursache dafür sind eingeschränkte Kapillarität, Faseratrophie und sarkolemmales Aktindefizit zu sehen. Vermehrte postulierte Sauerstoffradikale konnten nicht aufgezeigt werden. Möglicherweise aufgrund einer mitochondrialen Kompensation. Der diaphragmale VEGF-Mangel könnte den Schlüsselfaktor für den Beginn der Zwerchfelldysfunktion darstellen und ein möglicher therapeutischer Ansatzpunkt für betroffene Patienten sein

Muskuloskelettaler VEGF-Mangel bedingt mitochondriale, strukturelle und kontraktile Veränderungen im Diaphragma der Maus

Eine Schwäche der Atemmuskulatur tritt als häufige „Klinik“ bei Herz-Lungenerkrankungen, Kritisch-Kranken und Maschinell-Beatmeten auf. Als Hauptatemmuskel ist vornehmlich das Zwerchfell - die Luftpumpe des Lebens – betroffen und Belastungsintoleranz, pulmonale Komplikationen sowie eine verschlechterte Gesamtprognose die mögliche Folgen. Typisches Charakteristikum einer Diaphragmalen Dysfunktion ist die abnorme mikrovaskuläre Blut- und Sauerstoffversorgung. Hier ent- und besteht ein Milieu aus Gewebshypoxie, vermehrten Sauerstoffradikalen, Inflammation (Zytokinerhöhung) und gestörter Proteinhomöostase. Dieses wird verdächtigt, einen Prozess von Atrophie und kontraktiler Dysfunktion in Gang zu setzen. Der Vascular Endothelial Growth Factor A spielt als Protein der Gefäßhomöostase eine entscheidende Rolle in der skelettmuskulären Kapillaritätsregulation und ermöglicht den Myofibrillen die Anpassung an (Trainings-)Aktivität oder Inaktivität. Für das Zwerchfell sind Inaktivität unter Beatmung und erhöhte Beanspruchung unter CHI, COPD und bei Kritisch-Kranken bekannt. Einendes Element dieser Krankheitsbilder auf skelettmuskulärer Ebene scheint die abnorme Sauerstoffversorgung. Das Diaphragma wurde bisher wenig untersucht - bekannt ist die hohe Empfindlichkeit des Zwerchfells auf eine veränderte, skelettmuskuläre Homöostase aus Tiermodellen zu CHI, Bluthochdruck, COPD und VIDD. Es ist unklar, ob eine niedrigere VEGF-Expression zur Dysfunktion beiträgt. An gängigen Tiermodellen mit konditioniertem skelettmuskulärem VEGF-Knockout wurde bisher für das Diaphragma weder eine reduzierte kontraktile Funktion in vitro beschrieben noch eine direkte Verbindung zwischen Zwerchfelldysfunktion und reduzierter VEGF-Expression untersucht. In unserer Arbeit gelang es uns nach konditioniertem VEGF-Mangel in diaphragmalen Muskelproben eine reduzierte Kraft (-15%) nachzuweisen. Hinzu kamen spezifische Faserveränderungen der Knockoutgruppe: Ein reduzierter Typ I-Faserquerschnitt und ein reduziertes Kapillar-Faser-Verhältnis. Zudem zeigt die Knockoutgruppe eine reduzierte Expression des kontraktilen Hauptproteins Aktin. Weitere Signaltransduktionsproteine für Muskelatrophie und oxidativen Stress wurden charakterisiert. Letztlich weist diese Arbeit den Kontraktilitätsverlust im Diaphragma bei skelettmuskulärem VEGF-Mangel am Mausmodell nach. Als Ursache dafür sind eingeschränkte Kapillarität, Faseratrophie und sarkolemmales Aktindefizit zu sehen. Vermehrte postulierte Sauerstoffradikale konnten nicht aufgezeigt werden. Möglicherweise aufgrund einer mitochondrialen Kompensation. Der diaphragmale VEGF-Mangel könnte den Schlüsselfaktor für den Beginn der Zwerchfelldysfunktion darstellen und ein möglicher therapeutischer Ansatzpunkt für betroffene Patienten sein

Skeletal myofiber VEGF deficiency leads to mitochondrial, structural, and contractile alterations in mouse diaphragm

Diaphragm dysfunction accompanies cardiopulmonary disease and impaired oxygen delivery. Vascular endothelial growth factor (VEGF) regulates oxygen delivery through angiogenesis, capillary maintenance, and contraction-induced perfusion. We hypothesized that myofiber-specific VEGF deficiency contributes to diaphragm weakness and fatigability. Diaphragm protein expression, capillarity and fiber morphology, mitochondrial respiration and hydrogen peroxide (H2O2) generation, and contractile function were compared between adult mice with conditional gene ablation of skeletal myofiber VEGF (SkmVEGF−/−; n = 12) and littermate controls ( n = 13). Diaphragm VEGF protein was ~50% lower in SkmVEGF−/−than littermate controls (1.45 ± 0.65 vs. 3.04 ± 1.41 pg/total protein; P = 0.001). This was accompanied by an ~15% impairment in maximal isometric specific force ( F[1,23] = 15.01, P = 0.001) and a trend for improved fatigue resistance ( P = 0.053). Mean fiber cross-sectional area and type I fiber cross-sectional area were lower in SkmVEGF−/−by ~40% and ~25% ( P &lt; 0.05). Capillary-to-fiber ratio was also lower in SkmVEGF−/−by ~40% ( P &lt; 0.05), and thus capillary density was not different. Sarcomeric actin expression was ~30% lower in SkmVEGF−/−( P &lt; 0.05), whereas myosin heavy chain and MAFbx were similar (measured via immunoblot). Mitochondrial respiration, citrate synthase activity, PGC-1α, and hypoxia-inducible factor 1α were not different in SkmVEGF−/−( P &gt; 0.05). However, mitochondrial-derived reactive oxygen species (ROS) flux was lower in SkmVEGF−/−( P = 0.0003). In conclusion, myofiber-specific VEGF gene deletion resulted in a lower capillary-to-fiber ratio, type I fiber atrophy, actin loss, and contractile dysfunction in the diaphragm. In contrast, mitochondrial respiratory function was preserved alongside lower ROS generation, which may play a compensatory role to preserve fatigue resistance in the diaphragm.NEW &amp; NOTEWORTHY Diaphragm weakness is a hallmark of diseases in which oxygen delivery is compromised. Vascular endothelial growth factor (VEGF) modulates muscle perfusion; however, it remains unclear whether VEGF deficiency contributes to the onset of diaphragm dysfunction. Conditional skeletal myofiber VEGF gene ablation impaired diaphragm contractile function and resulted in type I fiber atrophy, a lower number of capillaries per fiber, and contractile protein content. Mitochondrial function was similar and reactive oxygen species flux was lower. Diaphragm VEGF deficiency may contribute to the onset of respiratory muscle weakness.</jats:p