Satellitenzellen in der Muskulatur

Funktion

Satellitenzellen spielen eine essentielle Rolle bei der Reparatur und Regeneration von Muskelfasern.

Satellitenzellen haben das Potenzial, zusätzliche Myonuklei für ihre Muttermuskelfaser zu bilden oder in einen Ruhezustand zurückzukehren. Genauer gesagt, können Satellitenzellen nach ihrer Aktivierung wieder in den Zellzyklus eintreten, um sich zu vermehren und zu Myoblasten zu differenzieren.

Lage

Satellitenzellen befinden sich zwischen der Basalmembran und dem Sarkolemm der Muskelfasern.

Sie können in Furchen liegen, die entweder parallel oder quer zur Längsachse der Faser verlaufen.

Ihre Verteilung über die Faser kann sehr unterschiedlich sein.

Nicht-proliferative, ruhende Myosatellitenzellen, die an ruhende Skelettmuskeln angrenzen, sind daran zu erkennen, dass sie deutlich zwischen Sarkolemm und Basallamina liegen, ein hohes Verhältnis von Kern- zu Zytoplasma-Volumen aufweisen, nur wenige Organellen (z. B. Ribosomen, endoplasmatisches Retikulum, Mitochondrien, Golgi-Komplexe) besitzen, einen kleinen Kern haben und im Verhältnis zu den Myonuklei eine große Menge an Kern-Heterochromatin aufweisen.

Aktivierte Satellitenzellen weisen dagegen eine erhöhte Anzahl von Caveolae, zytoplasmatischen Organellen und eine geringere Menge an Heterochromatin auf.

Satellitenzellen können sich differenzieren und fusionieren, um bestehende Muskelfasern zu vergrößern und neue Fasern zu bilden. Diese Zellen stellen die älteste bekannte Stammzellnische bei Erwachsenen dar und sind sowohl am normalen Muskelwachstum als auch an der Regeneration nach Verletzungen oder Krankheiten beteiligt.

In unbeschädigten Muskeln ist die Mehrheit der Satellitenzellen ruhig; sie differenzieren sich nicht und teilen sich nicht. Als Reaktion auf eine mechanische Belastung werden die Satellitenzellen aktiviert. Aktivierte Satellitenzellen vermehren sich zunächst als Skelettmyoblasten, bevor sie eine myogene Differenzierung durchlaufen.

Dichte und Verteilung

Etwa 1% - 5% der Kerne eines Myofasers sind Satellitenzellkerne. Es scheint, dass die oxidativeren Muskelfasern eine höhere Dichte an Satellitenzellkernen aufweisen als die glykolytischen Myofasern.

Der höhere Prozentsatz an Satellitenzellkernen bei oxidativen oder langsam zuckenden Fasern könnte auf ihre stärkere Beanspruchung, wie z.B. die Aufrechterhaltung der Körperhaltung und leichte Aktivität, und damit auf eine stärkere Abnutzung zurückzuführen sein.

Reparatur von Muskeln

Wenn Muskelzellen verletzt werden, werden ruhende Satellitenzellen unter der Basalmembran freigesetzt. Sie werden aktiviert und treten erneut in den Zellzyklus ein. Es gibt Hinweise darauf, dass diese Zellen in der Lage sind, mit bestehenden Myofasern zu verschmelzen, um das Wachstum und die Reparatur zu erleichtern.

Satellitenzellen vermehren sich nach einem Muskeltrauma und bilden neue Myofasern in einem Prozess, der der fötalen Muskelentwicklung ähnelt. Nach mehreren Zellteilungen beginnen die Satellitenzellen mit den geschädigten Myotubes zu verschmelzen und durchlaufen weitere Differenzierungen und Reifungsprozesse, deren Kennzeichen periphere Kerne sind.

Auswirkungen von Bewegung

In Studien am Menschen hat sich gezeigt, dass sowohl hochintensives Krafttraining als auch Ausdauertraining zu einer erhöhten Anzahl von Satellitenzellen führt. Diese Ergebnisse legen nahe, dass ein sportliches Training sinnvoll sein könnte, um dem altersbedingten Rückgang der Satellitenzellen entgegenzuwirken.

Die Aktivierung der Satellitenzellen wurde auch auf ultrastruktureller Ebene nach dem Sport nachgewiesen. Es hat sich gezeigt, dass das granuläre endoplasmatische Retikulum, die freien Ribosomen und die Mitochondrien der stimulierten Muskelgruppen durch aerobes Training deutlich zunehmen. Außerdem wurde nachgewiesen, dass Satellitenzellen mit Muskelfasern verschmelzen und neue Muskelfasern bilden.

Es wird vermutet, dass Sport die Freisetzung von Signalmolekülen wie Entzündungsstoffen, Zytokinen und Wachstumsfaktoren aus dem umgebenden Bindegewebe und der aktiven Skelettmuskulatur auslöst.

Vor allem HGF, ein Zytokin, wird von der extrazellulären Matrix über den Stickstoffoxid-abhängigen Weg in die Muskeln übertragen. Man geht davon aus, dass HGF die Satellitenzellen aktiviert, während der insulinähnliche Wachstumsfaktor I (IGF-1) und der Fibroblasten-Wachstumsfaktor (FGF) die Proliferationsrate der Satellitenzellen nach der Aktivierung erhöhen.

Satellitenzellen und Muskelregeneration

Satellitenzellen spielen aufgrund ihrer Fähigkeit, sich zu vermehren, zu differenzieren und sich selbst zu erneuern, eine entscheidende Rolle bei der Muskelregeneration.

Vor einer schweren Verletzung des Muskels befinden sich die Satellitenzellen in einem ruhenden Zustand. Bei leichten Verletzungen kann es zu einer leichten Proliferation kommen, aber bei schweren Verletzungen muss eine größere Anzahl von Satellitenzellen aktiviert werden.

Diese Signale lösen eine Entzündungsreaktion im Muskelgewebe aus. Das Verhalten der Satellitenzellen ist ein hochgradig regulierter Prozess, um das Gleichgewicht zwischen dem ruhenden und dem aktiven Zustand herzustellen. Bei einer Verletzung erhalten die Satellitenzellen in den Myofasern Signale von Proteinen aus dem verletzten Skelettmuskel, sich zu vermehren.

Die Proteine, die für die Aktivierung der Satellitenzellen verantwortlich sind, werden Mitogene genannt. Ein Mitogen ist ein kleines Protein, das eine Zelle dazu veranlasst, in den Zellzyklus einzutreten. Wenn die Zellen Signale von den Neuronen erhalten, führt dies dazu, dass sich die Myofasern depolarisieren und Kalzium aus dem sarkoplasmatischen Retikulum freisetzen.

Die Freisetzung von Kalzium veranlasst die Aktin- und Myosinfilamente, sich zu bewegen und den Muskel zusammenzuziehen.

Studien ergaben, dass transplantierte Satellitenzellen auf Myofasern die mehrfache Regeneration von neuem Muskelgewebe unterstützen. Diese Ergebnisse unterstützen die Hypothese, dass Satellitenzellen die Stammzellen der Muskeln sind.

Abhängig von ihrer relativen Position zu den Tochterzellen auf den Myofasern teilen sich die Satellitenzellen asymmetrisch oder symmetrisch. Die Nische und der Standort bestimmen das Verhalten der Satellitenzellen bei ihrer Proliferation und Differenzierung.

Im Allgemeinen ist der Skelettmuskel von Säugetieren relativ stabil und weist nur eine geringe Fluktuation der Myonuklei auf. Kleinere Verletzungen durch tägliche Aktivitäten können ohne Entzündung oder Zelltod repariert werden. Größere Verletzungen führen zu Myofasernekrosen und Entzündungen und veranlassen die Satellitenzellen, sich zu aktivieren und zu vermehren. Der Prozess von der Myofasernekrose zur Myofaserbildung führt zur Muskelregeneration.

Die Muskelregeneration erfolgt in drei sich überschneidenden Phasen:

1. Die Entzündungsreaktion,
2. die Aktivierung und Differenzierung der Satellitenzellen und
3. die Reifung der neuen Myofasern

sind für die Muskelregeneration entscheidend.

Dieser Prozess beginnt mit dem Absterben der geschädigten Muskelfasern, wobei die Auflösung des Myofasersarkolemmas zu einer Erhöhung der Myofaserdurchlässigkeit führt. Die Störung der Myofaserintegrität zeigt sich in erhöhten Plasmaspiegeln von Muskelproteinen.

Das Absterben der Myofasern führt zu einem Kalziumeinstrom aus dem sarkoplasmatischen Retikulum, der den Gewebeabbau einleitet.

Auf die Nekrose der Myofasern folgt eine Entzündungsreaktion.

In Zeiten des Muskelwachstums und der Regeneration können Satellitenzellen zwischen Myofasern und Muskeln und über Bindegewebsbarrieren hinweg wandern. Signale aus der geschädigten Umgebung lösen diese Verhaltensänderungen der Satellitenzellen aus.

Aktivierung und Mitose

Eine Schädigung der Skelettmuskelfasern führt zu einer Aktivierung der Satellitenzellen durch verschiedene Mitogene, die noch nicht eindeutig definiert sind. Aktivierte Satellitenzellen durchlaufen einen oder mehrere Mitosezyklen, aus denen Tochterzellen hervorgehen. Das Schicksal dieser zusätzlichen Zellen hängt von den chemischen Signalen ab, die auf die Zelle einwirken.

Zellschicksal und Funktion

Die Tochterzellen können:

• Weitere Mitosezyklen durchlaufen
• Mit geschädigten Fasern oder mit anderen Satellitenzellen zu einem Myotubus verschmelzen
• In einen Ruhezustand zurückkehren

Hypertrophie und Fasertyp-Transformation

Es ist unklar, ob eine Myofaserschädigung notwendig ist, damit die Satellitenzellen aktiviert werden, aber neuere experimentelle Arbeiten zeigen, dass Satellitenzellen wahrscheinlich zusätzliche Kerne während der Myofaserhypertrophie als Reaktion auf Krafttraining beitragen.

Außerdem zeigen neuere Erkenntnisse, dass Satellitenzellen während der Umwandlung des Fasertyps aktiviert werden.

Transplantation von Satellitenzellen

Leider scheinen transplantierte Satellitenzellen nur eine begrenzte Wanderungsfähigkeit zu haben und sind nur in der Lage, Muskeln im Bereich der Entnahmestelle zu regenerieren. Daher sind systemische Behandlungen oder sogar die Behandlung eines ganzen Muskels auf diese Weise nicht möglich.

Es wurde jedoch gezeigt, dass andere Zellen im Körper wie Perizyten und hämatopoetische Stammzellen in ähnlicher Weise zur Muskelreparatur beitragen können wie die körpereigenen Satellitenzellen.

Satellitenzellen und kultiviertes Fleisch

Myosatellitenzellen tragen am meisten zur Muskelregeneration und -reparatur bei, was sie zu einem Hauptziel für die Fleischzüchtung macht.

Satellitenzellen sind die Hauptquelle für die postnatale Muskelzellbildung, während embryonale Myoblasten für die pränatale Muskelbildung verantwortlich sind. Eine einzelne Satellitenzelle kann sich vermehren und zu einer größeren Menge von Muskelzellen werden.

Mit der Erkenntnis, dass Satellitenzellen die Vorläufer der meisten Skelettmuskelzellen sind, wurde die Theorie aufgestellt, dass, wenn diese Zellen im Labor gezüchtet und auf Gerüsten platziert werden könnten, um Fasern zu bilden, die Muskelzellen dann für die Lebensmittelproduktion verwendet werden könnten.

Diese Theorie hat sich bewahrheitet.

Vorgehen

Im ersten Schritt wird eine Fleischsorte ausgewählt, z.B. wenn das gewünschte Produkt Rindfleisch ist, werden die Zellen von einer Kuh entnommen.

Im nächsten Schritt werden die Myosatelliten-Zellen aus der ausgewählten Zellquelle isoliert und aussortiert.

Nach der Trennung in die einzelnen Zellbestandteile müssen die Myosatelliten-Zellen in einem Bioreaktor vermehrt werden, einem Gerät, in dem Mikroorganismen oder Zellen in einem leicht zu kontrollierenden Medium gezüchtet werden.

Das gewählte Medium simuliert die optimalen Bedingungen für die Vermehrung der Zellen in einem Organismus.

Nach der Vermehrung werden die Zellen mithilfe eines Gerüsts geformt. Dieses Gerüst kann eine organische Struktur wie dezellularisiertes pflanzliches oder tierisches Gewebe, eine anorganische Struktur wie Polyacrylamid oder eine Mischung aus beidem sein.

Sobald sich die Zellen an das Gerüst geheftet haben und vollständig ausgereift sind, sind sie zu einem rohen Fleischprodukt geworden.

Der letzte Schritt umfasst alle notwendigen Lebensmittelprozesse, die für das gewünschte Endprodukt erforderlich sind.

Zusammenfassung

Satellitenzellen sind entscheidend für die Anpassungsfähigkeit der Skelettmuskulatur.

Ihre Aktivierung und Funktion ermöglichen die Reparatur und Regeneration von Muskelschäden sowie die Anpassung der Muskeln an erhöhte Belastungen und veränderte Anforderungen.

Dies macht sie zu einem zentralen Element bei der Muskelanpassung und -regeneration.