Ziel der Arbeit ist es, das komplexe Themenfeld der Muskelhypertrophie genauer zu beleuchten. Hierbei werden zunächst die grundlegenden anatomischen Grundlagen unter Berücksichtigung beteiligter Substanzen (Sexualhormone) behandelt. Synthese, Regulation und Steuerung von beteiligten Sexualhormonen werden aufgezeigt und erläutert. Dem Sexualhormon Testosteron als wichtigstem Androgen und entscheidendem anabolen Wachstumsfaktor für Muskelhypertrophie wird hierbei schwerpunktmäßig betrachtet.
Zunächst soll geklärt werden, was man unter Muskelhypertrophie versteht und wie sie abläuft. Um den sexual-hormonellen Weg zur Hypertrophie zu erläutern, werden diese klassifiziert und ferner ihre Synthese sowie Regulation erläutert. Dabei soll der Fokus nunmehr auf Testosteron als "klassischen" und wichtigsten Vertreter der Sexualhormone in Bezug auf das Muskelwachstum gelegt werden. Dementsprechend wird die Wirkungsweise von Testosteron auf Muskelhypertrophie anhand aktueller Studien detailliert erläutert, wobei zelluläre Mechanismen aufgedeckt und reflektiert werden. Vor diesem Hintergrund werden verschiedene anabol-androgene Steroide vorgestellt, deren mögliche medizinische Relevanz erklärt, jedoch ebenso ihr Missbrauchspotenzial im Sportdoping aufgezeigt.
In einem nächsten Schritt soll gezeigt werden, wie die Antidoping-Labore auf diese Situation reagieren und ausführlich dargestellt werden, welche aktuelle Nachweisverfahren der modernen Anti-Doping-Analytik zur Verfügung stehen, wobei zwischen direkten und indirekten Nachweisverfahren differenziert wird. Anschließend wird der für die Muskelhypertrophie entscheidende, negativ-regulierte Ansatz über den Myostatin-Signalweg vorgestellt. Abschließend soll der gentherapeutische Weg zur Muskelhypertrophie beschrieben und anhand des Gendopings erläutert werden. Schließlich sollen noch die mannigfaltigen Risiken und Nebenwirkungen, die mit Gendoping einhergehen, aufgezeigt und reflektiert werden.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung.
2 Muskelhypertrophie
2.1 Anatomische Grundlagen
2.2 Muskelhypertrophie - Definition, Beschreibung und beteiligte Substanzen
3 Der sexualhormonelle Weg zur Muskelhypertrophie Klassifikation und wichtigste Vertreter
3.2 Synthese und Regulation
Synthese der Sexualhormone
3.2.2 Regulation, Steuerung und wesentliche Funktion der Sexualhormone
3.3 Testosteron - Wichtigstes Androgen und entscheidender anaboler Wachstumsfaktor fur Muskelhypertrophie
3.3.1 Stoffwechsel und Wirkung der Androgene beim Mann
Einfluss und Wirkungsweise von Testosteron auf Muskelhypertrophie
3.3.2 Testosteron erhoht die Proteinbiosynthese und a-Aktinin Menge deutlich
Aufdeckung zugrundeliegender zellularer Mechanismen
3.4 Einsatzmoglichkeiten: Medizin und Sportdoping
3.4.1 Medizinische Relevanz und Klassifikation
3.4.2 Anabol-androgenen Steroide als „der Klassiker“ im Sportdoping
3.4.2.1 Motivation, Anlasse sowie mogliche Nebenwirkungen durch Doping mit AAS
3.4.2.2 Pravalenz - Wie haufig werden anabol-androgene Steroide missbraucht
3.5 Nachweisverfahren fur anabol-androgene Steroide: Die Analytik des Sportdopings
Zielgerichtete und nicht-zielgerichtete direkte Einzelnachweisverfahren
3.5.1.1 Methodik: LC-MS und GC-MS - Zwei geeignete Verfahren zur Identifikation von AAS
3.5.1.2 Die Langzeit-Metaboliten-Analyse (LTM) und die percursor ion scan Methode als etablierte direkte „non-targeted“ Nachweisverfahren
3.5.1.3 Einzelverfahren an der Grenze
3.6 Der Biologische Pass - Ein indirektes, holistisches Nachweisverfahren auf dem Vormarsch
3.6.1 Bestehende Problematiken
3.6.1.1 Unbeabsichtigtes Doping durch verunreinigte Substanzen
3.6.1.2 Nahrungserganzungsmittel - Proteinpraparate und Kreatin als legale Alternative zum Doping mit anabolen Substanzen?
3.6.1.3 Praventive Forschung zum Schutz des Verbrauchers
4 Der negativregulierte Weg durch Myostatin zur Muskelhypertrophie
4.1 Regulation und Wirkungsweise von Myostatin auf das Muskel- und Knochenwachstum
4.2 Rekombinantes Myostatin-Propeptid als potenzieller Regulator des Muskel- und Knochenwachstums - Ein Tierversuch
4.3 Ein weiterer Antagonist des Myostatins mit vielfaltiger Wirkung: Follistatin
4.3.1 Molekularer Aufbau und biochemische Eigenschaften
4.3.2 Wirkung und Funktionsweise von Follistatin auf das Muskelwachstum sowie - Regeneration
4.4 Die Relevanz Myostatin basierter Medikamente fur die Behandlung muskularer Erkrankungen sowie deren Missbrauchspotenzial durch Sportdoping
5 Der gentherapeutische Weg zur Muskelhypertrophie
5.1 Definition und Manipulationsmoglichkeiten durch Gendoping
5.2 Moglichkeiten und Grenzen der Nachweisbarkeit von Gendoping - Nachweisproblematik und Losungsansatze fur die Sportwelt am Beispiel einer Studie zum Myostatin-Signalwegs
5.3 Risiken und Nebenwirkungen von Gendoping
6 Fazit und Ausblick
7 Literaturverzeichnis
8 Abbildungsverzeichnis
1 Einleitung
Fur viele Menschen gilt bis heute ein athletischer und muskuloser Korper als ein Abbild von Gesundheit, Starke und Vitalitat.
Diese Ansicht herrschte schon in der Antike vor: hier wurden Schonheit, Korperbau und Gottlichkeit kombiniert: Statuen der Gotter wie Aphrodite, Adonis, aber auch der Gottervater Zeus zeigen wohlgebaute Korper mit prachtig ausgebildeter Muskulatur. Auch bei den kontinuierlichen Olympischen Spielen der jungen Bevolkerung zu antiker Zeit ging es um das Prasentieren muskuloser Kraft und Wendigkeit. So geht das heutige asthetische Ideal der westlichen Kultur auf die Antike zuruck und bildet einen wichtigen Strang der Beschaftigung mit Muskelhypertrophie, denn Korperbau, Fitness und Wellness, Schonheit, Asthetik und EbenmaB brauchen ausgebildete Muskulatur.
Einen weiteren Strang der Arbeit an Muskelhypertrophie bilden Krankheiten der Muskelbildung wie Sarkopenie, Muskelatrophie und weitere Myopathien, die therapeutischer MaBnahmen bedurfen. Entsprechend ambitioniert forscht die medizinische Wissenschaft an immer neuen Wegen der Genese fur die meist unheilbaren Muskelerkrankungen.
Eine dritte Dimension der Beschaftigung mit Muskelhypertrophie bildet die illegal-manipulatorische Anwendung von fordernden Substanzen zur dopenden Leistungssteigerung im Sport oder zum (ubertriebenen) Muskelwachstum beim Bodybuilding. Hoher, schneller, weiter! Dies scheint ein weitverbreitetes Credo in der heutigen immer mehr nach Perfektion strebenden Leistungsgesellschaft zu sein, was die in dieser Arbeit ausgewahlten, die Muskelhypertrophie wesentlich determinierenden Substanzen und Methoden zu begehrten Dopingmitteln macht.
Aus diesen Grunden beschaftigen sich die folgenden Ausfuhrungen mit dem Thema Muskelhypertrophie, wobei es Ziel dieser Arbeit ist, ausgewahlte, daran beteiligte Substanzen in ihren Wirkungsmechanismen vorzustellen und mogliche Anwendungsbereiche aufzuzeigen. Dabei wird sich zeigen, dass die drei vorzustellenden Wege der Einflussnahme, namlich sexualhormonell, Myostatin spezifisch und genverandernd, jeweils eine medizinische Dimension sowie eine illegal-manipulatorische Dimension aufweisen, denn das Leistungsstreben geht auch heute uber die naturlichen Grenzen des Menschen hinweg und bedient sich illegaler, eben dopender Methoden.
In einem einfuhrenden Kapitel soll dafur zunachst geklart werden, was genau man unter Muskelhypertrophie versteht und wie sie vom Prinzip her ablauft. Um nun den sexualhormonellen Weg zur Hypertrophie zu erlautern, werden diese in einem zweiten Kapitel klassifiziert und ferner ihre Synthese sowie Regulation erlautert. Dabei soll der Fokus nunmehr auf Testosteron als „klassischem“ und wichtigsten Vertreter der Sexualhormone in Bezug auf das Muskelwachstum gelegt werden. Dementsprechend wird die Wirkungsweise von Testosteron auf Muskelhypertrophie anhand aktueller Studien detailliert erlautert, wobei zellulare Mechanismen aufgedeckt und reflektiert werden. Vor diesem Hintergrund werden nun verschiedene anabol-androgene Steroide vorgestellt, deren mogliche medizinische Relevanz erklart, jedoch ebenso ihr Missbrauchspotenzial im Sportdoping aufgezeigt. Hierfur sollen nicht nur Motivation und Anlasse fur mogliches Doping interpretiert, sondern auch aktuelle Zahlen zur Haufigkeit des Dopings mit anabol-androgenen Steroiden genannt werden. In einem nachsten Schritt soll nun gezeigt werden wie die Antidoping-Labore auf diese Situation reagieren und daher ausfuhrlich dargestellt werden, welche aktuelle Nachweisverfahren der modernen Anti- Doping-Analytik zur Verfugung stehen, wobei zwischen direkten und indirekten Nachweisverfahren differenziert wird. Dabei sollen sowohl groBe Fortschritte und Chancen aufgezeigt, jedoch ebenso Grenzen der Nachweisbarkeit und weiterhin bestehende Probleme reflektiert werden.
Im vierten Kapitel wird nun ausfuhrlich der fur die Muskelhypertrophie entscheidende, negativregulierte Ansatz uber den Myostatin-Signalweg vorgestellt. Hierfur macht es zunachst Sinn, die Regulation und Wirkungsweise von Myostatin auf das Muskel- und Knochenwachstum ausfuhrlich vorzustellen. Dabei sollen auch anhand aktueller Studien zwei naturliche Myostatin- Antagonisten vorgestellt werden, deren Wirkung auf Muskel- und Knochenwachstum immens sind. Vor diesem Hintergrund sollen nun Moglichkeiten medizinischer, auch gentherapeutischer Verwendung und Ansatze sowie bereits realisierte Wege vorgestellt werden.
Im funften und letzten Kapitel soil abschlieBend der gentherapeutische Weg zur Muskelhypertrophie beschrieben und anhand des Gendopings erlautert werden. Dafur werden nach einer definitorischen Scharfung, verschiedene Herangehensweisen und Manipulationsmoglichkeiten durch Gendoping vorgestellt. Vor diesem Hintergrund werden dann Moglichkeiten sowie Grenzen der Nachweisbarkeit an einem konkreten Beispiel des Myostatin-Signalwegs aufgezeigt. SchlieBlich sollen noch die mannigfaltigen Risiken und Nebenwirkungen, die mit Gendoping einhergehen aufgezeigt und reflektiert werden.
In einem abschlieBenden Fazit mit Ausblick werden wichtigste Erkenntnisse zusammenfassend dargestellt und reflektiert.
2 Muskelhypertrophie
2.1 Anatomische Grundlagen
Die meisten Skelettmuskeln der Wirbeltiere bestehen aus mehreren bundelartig angeordneten quergestreiften Muskelfasern, die parallel zur Langstrichtung des Muskels verlaufen. Dabei besteht jede Muskelfaser wiederum aus nur einer polynuklearen Muskelzelle, die dabei aus miteinander fusionierenden Muskelvorlauferzellen, den sogenannten Myoblasten gebildet wird. Jede Muskelfaser enthalt ihrerseits wiederum zahlreiche langs angeordnete Bundel, die Myofibrillen. Diese setzen sich wiederum aus dunnen und dicken Filamenten zusammen, die aus den Strukturproteinen Aktin, Myosin und Tropomyosin zusammengesetzt sind. Diese kontraktilen Strukturproteine bilden gemeinsam das Grundgerust fur die wesentliche Grundeinheit der Muskulatur, die Sarkomere (Campbell und Reece, 2009).
Im Zuge der Verschmelzung der Myoblasten (Synzytium) wandern einige der anfangs noch zentral positionierten Zellkerne an den Rand der Zelle und positionieren sich dort unmittelbar zwischen der Basalmembran und dem Sarkolemm. Aufgrund ihrer dortigen anatomischen Lage zu den Muskelfasern werden sie auch treffend als Satellitenzellen bezeichnet. Da der adulte Skelettmuskel terminal differenziert ist und sich deren zahlreiche Zellkerne innerhalb der Muskelzelle entsprechend nicht teilen konnen, spielen die teilungsfahigen Satellitenzellen, die auch als Stammzellen der Muskulatur bezeichnet werden, eine entscheidende Rolle in samtlichen Wachstums- und Regenrationsprozessen von Muskelzellen (Boonyarom und Inui, 2006).
2.2 Muskelhypertrophie - Definition, Beschreibung und beteiligte Substanzen
Spricht man von Muskelhypertrophie, so meint man damit immer eine VergroBerung des Muskulaturquerschnitts, bedingt durch das Dickenwachstum der Muskelfasern. Die genauen zellularen Ablaufe innerhalb der einzelnen Muskelfasern sind dabei noch nicht vollends erforscht, fest steht jedoch, dass Muskelhypertrophie ein multidimensionaler Prozess ist, der immer in Reaktion auf einen Wachstumsreiz hin geschieht und in dessen Folge es zur VergroBerung des Gesamtmuskelvolumens durch Einlagerung neuer Muskelproteine kommt. Dabei kann ein Wachstumsreiz sowohl von muskularer Beanspruchung wie etwa sportlicher Betatigung oder gezieltem Krafttraining ausgehen, jedoch auch durch gewisse Substanzen wie anabol androgene Steroide, Wachstumshormone und Wachstumsfaktoren initiiert werden. Eine entscheidende Rolle spielen dabei nach aktuellem Stand der Wissenschaft die bereits eingangs erwahnten Satellitenzellen (ebd.). Diese zeigen ein sehr hohes Potenzial, in Reaktion auf Stress, sei er mechanisch oder chemisch ausgelost, zu proliferieren und sich zu differenzieren. Dabei konnte gezeigt werden, dass sich Satellitenzellen, solange sie im inaktivierten Ruhezustand sind, in der G0-Phase ihres Zellzyklus befinden. Werden sie durch einen Reiz stimuliert, teilen sich Satellitenzellen und konnen so bei Bedarf mit einer Muskelfaser verschmelzen und dort durch Einbringung neuer Zellkerne neues Genmaterial zur Verfugung stellen oder beschadigte Zellkerne austauschen. Der Teil der nicht proliferierenden Satellitenzellen, der nicht mit Muskelfasern fusioniert, geht zuruck in den Ruhezustand und liegt somit wieder als Reservezelle vor, sodass sich der Gesamtpool an Satellitenzellen nicht erschopft. Neuere Erkenntnisse konnten zudem zeigen, dass auch aktivierte und bereits differenzierte Satellitenzellen fusionieren konnen und so neue Muskelfasern entstehen konnen. Diesen Prozess der Neubildung von Muskelzellen nennt man Muskelhyperplasie, wobei dieser beim Menschen lange umstritten war und bis heute wissenschaftlich noch nicht eindeutig nachgewiesen wurde. In zahlreichen Experimenten mit Versuchsmausen konnte Muskelhyperplasie bislang durch eine gezielte Behandlung mit Wachstumsfaktoren wie beispielsweise MyostatinBlockern oder Follistatin erzielt werden. Ob sich diese Erkenntnisse auch auf den Menschen ubertragen ist derzeit nicht eindeutig geklart. Abbildung 1 zeigt nun zusammenfassend die verschiedenen Wirkungsweisen von Satellitenzellen (Gampert und Steinacker 2007).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Muskelhypertrophie bezeichnet also einen Prozess des Muskelwachstums durch Zunahme des Gesamtmuskelvolumens, der als Reaktion auf einen Reiz hin geschieht. Dieser kann mechanisch induziert werden, wie etwa durch muskulare Betatigung oder etwa durch gewisse Substanzen ausgelost werden. Dabei spielen insbesondere Sexualhormone, darunter hauptsachlich Testosteron sowie Wachstumsfaktoren wie etwa Myostatin oder Follistatin eine wesentliche Rolle. Im Zuge der folgenden Kapitel werden diese Substanzen ausfuhrlich vorgestellt und deren Wirkungsweise erlautert.
3 Der sexualhormonelle Weg zur Muskelhypertrophie
3.1 Klassifikation und wichtigste Vertreter
Im Wesentlichen unterscheidet man Sexualhormone - auch Sexualsteroidhormone genannt - in drei ubergeordnete GroBgruppen: C18-, C19- und C21 Steroide. Bei Steroiden handelt es sich um eine Stoffklasse der Lipide, deren molekulares Grundgerust vom Steran, einem organischen Kohlenwasserstoff-Molekul, abgeleitet ist. Das sogenannte Sterangerust setzt sich aus drei sechsgliedrigen und einem funfgliedrigen Ring zusammen, die ublicherweise mit den Buchstaben A - D bezeichnet werden (Lexikon der Biochemie, 2000). Zwar ist das Grundgerust der Sexualsteroidhormone weitestgehend gleich, die Anzahl der Kohlenstoffatome sowie deren funktionelle Anordnung als Einfach- oder Doppelbindung im Molekul konnen hingegen variieren. Man unterscheidet entsprechend in die oben genannten drei Hauptgruppen. C21-Steroide sind dementsprechend Steroide mit 21 Kohlenstoffatomen und werden auch als Gestagene (gestagen = schwangerschaftserhaltend) bezeichnet. Ein wesentlicher Vertreter dieser Gruppe ist Progesteron, ein in hohen Mengen wahrend der Schwangerschaft produzierten Sexualhormons. Neben den Gestagenen sind es vor allem die Ostrogene (C18-Steroide), die die wichtigste Klasse der weiblichen Geschlechtshormone ausmachen. Hierbei handelt es sich auf molekularer Ebene betrachtet um Molekule, die einen aromatisierten A-Ring aufweisen, der drei Doppelbindungen besitzt und am C3-Atom entweder eine Hydroxylgruppe aufweist, dann hatte man es mit Ostradiol zu tun oder eben eine Ketogruppe, dann handelte es sich um Ostriol. Als dritte Hauptgruppe der Sexualhormone gelten die C19-Steroide, die auch als Androgene bezeichnet werden. Wie die Nomenklatur (andro (griechisch)= mannlich; -gen = erzeugend) bereits vermuten lasst, handelt es sich dabei um vorwiegend „mannliche“ Hormone, beziehungsweise um Sexualsteroidhormone, die die Entwicklung und Aufrechterhaltung mannlicher Merkmale determiniert, wobei der wohl promineste Vertreter der Androgene das Testosteron ist. Da Testosteron in hohem MaBe am Aufbau und Erhalt der Skelettmuskulatur beteiligt ist, wird die Wirkungsweise, sowie mogliche Manipulationsmoglichkeiten durch Testosteron im folgenden Kapitel ausfuhrlich behandelt (Schartl et al. 2009).
3.2 Synthese und Regulation
3.2.1 Synthese der Sexualhormone
Zwar legen Bezeichnungen wie „gestagen“ oder „androgen“ den Schluss nah, von weiblichen oder mannlichen Geschlechtshormonen zu sprechen, eine dichotome Klassifizierung ware in diesem Kontext jedoch irrefuhrend und falsch, da sowohl Frauen in der Lage sind Testosteron zu produzieren, als auch Manner in geringen Mengen Ostrogene synthetisieren. Der wesentliche Unterschied liegt in der Konzentration der jeweiligen Substanzen. Bei genauerer Betrachtung der Synthesewege der Sexualhormone (s. Abbildung 2) ergeben sich im Wesentlichen drei verschiedene Synthesewege. Erstens der in den Gonaden ablaufende A5-Syntheseweg, der fur die Androgensynthese bevorzugt wird, als zweites der im Ovar fur Gestagene und Ostrogene bevorzugte A4-Syntheseweg und zuletzt der Weg durch die Nebennierenrinden, der wiederum fur die Androgensynthese zustandig ist (Schartl et al. 2009). Die Bezeichnung A4 und A5 beziehen sich auf das jeweilige Kohlenstoffatom, an dem eine Doppelbindung das C4 oder eben das C5 Atom.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2 Synthesewege der Sexualsteroide:
Blaueidentisch mit V324076 Pfeile = Androgensynthese bevorzugt in den Gonaden (&5-Syntheseweg). Rote Pfeile: Gestagen und Ostrogensynthese bevorzugt im Ovar (A4- Syntheseweg). Grune Pfeile: Androgensynthese in den Nebennieren (Schartl, 2009).
Wie nun Abbildung 2zu entnehmen ist, stellt Cholesterin den Ausgangsstoff fur jeden Weg der Sexualsteroidsynthese dar. Ausgehen davon werden in zahlreichen enzymatischen Reaktionen Schritt fur Schritt die Geschlechtshormone Testosteron, Ostradiol und Progesteron synthetisiert. An allererster Stelle aller Synthesewege steht der Transport von Cholesterin aus dem endoplasmatischen Retikulum durch die Mitochondrienmembran und die anschlieBende Cytochrom-P450 abhangige enzymatische Abspaltung der Seitenketten und die damit einhergehende Katalyse von Cholesterin zum Prohormon Pregnenolon. Dieses stellt auch den Ausgangspunkt des primar in den Leydig-Zellen der Testes ablaufenden A5-Synthesewegs dar und kann seinerseits zu 17a-Hydroxypregnenolon konvertiert werden, welches wiederum uber Dehydroepiandrosteron (DHEA) und Androstendiol zu Testosteron katalysiert werden kann. Das eigentliche Endprodukt des A5-Synthesewegs stellt Dihydrotestosteron, der biologisch aktivste Metabolit des Testosterons, dar.
Im Gegensatz dazu steht am Anfang des primar im Ovar ablaufenden A4- Synthesewegs das aus Pregnenolon metabolisierte Progesteron. Es bildet die Ausgangssubstanz, die in vier Schritten uber 17a-Hydroxyprogesteron zunachst zu Androstendion, dann zu Ostron und letztlich zu Ostradiol umgewandelt. Bei der Frau benotigt die im Ovar stattfindende Produktion von Ostradiol uberdies die Beteiligung zweier Zellpopulationen: die sogenannten Thekazellen, die fur die Testosteronsynthese zustandig sind, sowie Granulosazellen, die durch Aromatasen das Testosteron zu Ostradiol aromatisieren (Schartl et al. 2009). Die Synthese von Progesteron findet in einem dritten speziellen Zelltyp, dem sogenannten Corpus luteum -auch Gelbkorper genannt -statt.
Zwar werden in der Nebennierenrinde - genau genommen der Zona reticularis - auch Androgene wie DHEA, Androstendion und letztlich auch Testosteron produziert, jedoch sind diese kaum wirksam und mit Blick auf ihre androgenen Eigenschaften zu vernachlassigen. Generell spielen die adrenalen Androgene eine unwesentliche Rolle im Prozess der Muskelhypertrophie und konnen somit nur am Rande erwahnt bleiben. Der fur das Muskelwachstum wichtigste Wachstumsfaktor stellt namlich das in den Gonaden produzierte Testosteron dar, was im Zuge der nachsten Kapitel detailliert vorgestellt wird.
Zusammenfassend lasst sich also sagen, dass die Synthese der Sexualhormone sowohl beim Mann als auch bei der Frau ausgehend von Cholesterin uber verschiedene Wege, entweder in den Gonaden oder der Nebennierenrinde ablauft, wobei schwerpunktmaBig verschiedene Endprodukte entstehen. Die Produktion und Aufrechterhaltung des Sexualhormonhaushalts ist naturgemaB reglementiert und geschieht in der Regel als Reaktion auf einen gewissen Reiz oder Stimulus. Dabei spielen diverse reglementierende sowie limitierende Faktoren eine wichtige Rolle, die im nachsten Kapitel genauer beleuchtet werden sollen.
3.2.2 Regulation, Steuerung und wesentliche Funktion der Sexualhormone
Zieht man in Betracht, dass sowohl Ostradiol als auch Testosteron, beziehungsweise Dihydrotestosteron als Ausgangsstoff das Cholesterin zu Grunde liegt, bildet dieses logischerweise einen ersten limitierenden Faktor; genauer genommen sein Transport aus dem endoplasmatischen Retikulum durch die Mitochondrienmembran und die konsekutive enzymatische Katalyse - selbst (Schartl et al. 2009). Die Produktion der Sexualsteroide laufen beim Mann und der Frau nach einem sehr ahnlichen Prinzip ab, an dessen Anfang die Sekretion eines Dekapeptidhormons namens Gonadotropin-releasing-Hormons (GnRH) steht. Dieses Hormon wird pulsatil ausgeschuttet und bindet auf den Zellen der Adenohypophyse auf spezifischen Gaq-Protein-gekoppelten GnRH-Rezeptoren und sezerniert dadurch die zwei glandotropen Gonadotropine, luteinisierendes Hormon (LH) und folikelstimulierendes Hormon (FSH). Diese entfalten ihre Wirkung durch Bindung an Gas-gekoppelte LH- und FSH-Rezeptoren (Schartl et al. 2009).
Beim Mann bewirket LH die Androgenproduktion in den Leydig-Zellen, wohingegen es bei der Frau in den Thekazellen wirkt und somit die Ovulation und ferner die Progesteronsynthese initiiert. FSH seinerseits stimuliert beim Mann die Initiierung der Spermatogenese durch die Stertoli-Zellen, wobei es bei Frauen die Follikelreifung antreibt und somit eine Mehrproduktion von Ostradiol in den Granulosazellen bewirkt. Der pulsatile Initialreiz variiert in Frequenz und Hohe geschlechterspezifisch und individuell, wobei insbesondere fur den weiblichen Hormonhaushalt die Einhaltung des pulsatilen Musters essenziell ist, wohingegen der mannliche Hormonhaushalt weniger sensibel auf etwaige Schwankungen reagiert (Schartl et al. 2009). Die Regulation dieser Impulse, etwa durch Anpassungen an unterschiedliche physiologische, aber auch psychologische Bedingungen und Bedurfnisse, geschieht im Wesentlichen durch Ruckkopplung zwischen stimulierenden und hemmenden Systemen. Der wohl wichtigste Faktor hierbei ist das negative Feedback der Gonaden als die primar hormonproduzierenden Organe an den Hypothalamus und ferner die an Hypophyse als sekundare Steuerungsorgane. Wird also beispielsweise eine kritische Menge an Ostradiol erreicht, wird die FSH-Produktion der Frau entsprechend durch Bildung des Peptids Inhibin B gedrosselt. Dieses wird bei Frauen in den Granulosazellen, beim Mann dagegen in den Sertoli-Zellen sezerniert (Schartl et al. 2009).
Die Regulation und Steuerung des Sexualsteroidhormonhaushalts ist also zusammenfassend betrachtet ein komplexer und vor allem sensibler Prozess, der sich im Wesentlichen aus Wechselwirkungen zwischen einzelnen Organen und Organellen auszeichnet. Das der Regulation zugrunde liegende System aus Hormonen und Prohormonen zeigt sich dabei bei Frauen allgemein storungsanfalliger und sensibler als bei Mannern. Bei beiden steht jedoch als Hauptfunktion die Aufrechterhaltung der reproduktiven Funktion und der betreffenden Organe, also der primaren Geschlechtsmerkmale, im Vordergrund. Fur die Auspragung sekundarer Geschlechtsmerkmale muss jedoch wieder genauer zwischen mannlichen und weiblichen Organismen unterschieden werden. Bei der Frau sind es die Ostrogene, genau genommen das Ostradiol,die sowohl die Fortpflanzungsfahigkeit wahrend der reproduktiven Lebensphase, als auch die sekundaren Geschlechtsmerkmale im Wesentlichen determiniert. So ist Ostradiol - hauptsachlich in der Pubertat - fur die Initiierung des Brustwachstums, der Pubarche sowie der Menarche verantwortlich. Aber auch psychologische Aspekte wie eine gesteigerte Libido zum Zeitpunkt der Ovulation werden durch Ostradiol gesteuert. Die Androgene der Frau hingegen haben eine im Vergleich zum Mann eine eher schwach ausgepragte Wirkung. Zwar produzieren Frauen neben DHEA auch Androstendion, die androgene Wirkung dieser beiden Prohormone ist jedoch ausgesprochen schwach, da diese zu 2/3 in der Nebennierenrinde und nur zu 1/3 im Ovar synthetisiert werden. Im peripheren Gewebe wie zum Beispiel in der Haut, im Haarfollikel, der Klitoris oder im Fettgewebe, konnen DHEA und Androstendion allerdings zu Testosteron umgewandelt werden (Schartl et al. 2009). Die genaue Wirkungsweise von Testosteron wird im folgenden Kapitel ausfuhrlich erlautert.
3.3 Testosteron - Wichtigstes Androgen und entscheidender anaboler Wachstumsfaktor fur Muskelhypertrophie
3.3.1 Stoffwechsel und Wirkung der Androgene beim Mann
Anders als bei der Frau findet beim Mann etwa 95% der Testosteronproduktion uber den A5-Syntheseweg in den Leydig-Zellen des Hoden statt (6-7 mg/Tag) und lediglich 5% des Testosterons entstammen dem adrenalen A4-Syntheseweg. Entsprechend gilt Testosteron als das Hauptprodukt der Sexualsteroidsynthese und ist bestimmender Faktor in der Ausbildung und Entwicklung der mannlichen primaren sowie sekundaren Geschlechtsmerkmale. Die Testosteronsynthese wird dabei von der Hypophyse reguliert, wo es primar durch die von GnRH stimulierte LH-Sekretion gesteuert wird (s. Abbildung 3) (Schartl et al. 2009). In den Leydig-Zellen des Hodens bindet LH an einen speziellen LH-Rezeptor (LHR) und aktiviert mit Hilfe von Adenylatcyclase, zyklischem Adenosinmonophospaht (cAMP) und Proteinkinase A (PKA) sogenannte StAR Proteine (Steroidogenic acute regulatory protein). StAR Proteine sind wiederum fur den Transport von Cholesterin, das ja wie bereits oben erwahnt Ausgangsstoff fur die Testosteron- und Ostradiolsynthese ist, aus der mitochondrialen Membran, woraufhin dieses enzymatisch und Cytochrom-P450 abhangig in seine Folgeprodukte umgewandelt werden kann (Schartl et al. 2009). Vollstandig synthetisiert, gelangt Testosteron uber die Blutlaufbahn in seine Zielzelle, wo es lokal teilweise zu Dihydrotestosteron und Ostradiol metabolisiert wird. In den Zielzellen binden DHT und Testosteron an spezielle Androgenrezeptoren (AR)
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Testosterons frei im Blutplasma vorkommen und somit biologisch aktiv sind.
Mannliches Testosteron zeichnet sich in seiner Wirkung auf der einen Seite insbesondere durch sein hohes androgenes Potenzial, das heiBt durch seinen groBen Effekt auf die Maskulinisierung des Individuums aus, als auch durch seine anabole, also aufbauende Wirkung, aus. So Initiiert Testosteron in der fruhen Phase der Pubertat die Spermatogenese und bewirkt die Ausbildung der sekundaren Geschlechtsmerkmale wie beispielsweise eine Vertiefung der Stimme, der Korperbehaarung und vor allem auch die Steigerung der Proteinbiosynthese in den Zellen der Skelettmuskulatur und die Ausbilder eines typisch „mannlichen“ Phanotyps. Aus psychologischer Perspektive betrachtet, wirkt sich Testosteron allgemein steigernd auf Aggressivitat sowie Machtmotivation eines Menschen aus (Schartl et al. 2009).
3.3.2 Einfluss und Wirkungsweise von Testosteron auf Muskelhypertrophie
3.3.2.1 Testosteron erhoht die Proteinbiosynthese und a-Aktinin Menge deutlich
Dass also Testosteron auch beim Muskelwachstum eine entscheidende Rolle spielt, ist somit bekannt. Dabei konnte auch in zahlreichen Versuchen belegt werden, dass Testosteron nicht nur die Muskelhypertrophie wesentlich vorantreibt, sondern auch lipolytisch auf Adipozyten wirkt. Zwar sind diese Wirkungsweisen seit langem bekannt, die interzellularen Mechanismen, sowie beteiligte Komponenten und Wechselwirkungen sind bislang jedoch nur durftig erforscht (Basualton-Alarcon et. al. 2013). Fest steht, dass Muskelhypertrophie einen auBerst komplexer Prozess darstellt, der stets als Reaktion auf gewisse Stimuli stattfindet. Dies konnen mechanisch induzierte Trainingsreize oder Hormonausschuttungen sein, die eine VergroBerung der Muskelzellen und eine Steigerung der Proteinbiosynthese zur Folge haben. Auf molekularer Ebene spielen sich dabei in den Muskelzellen zahlreiche, wie gesagt noch nicht bis ins Detail erforschte, Prozesse ab, die an verschiedenen Stellen uber diverse Signalwege und eine Vielzahl beteiligter Substanzen stattfindet. Fest steht jedoch, dass die Aktivierung des sogenannten mTOR (mammalian target of rapamycin) Enzym Signalwegs, der in allen Saugetieren vorkommt und an der Proliferation, Motilitat, dem Wachstum und dem Uberleben von Zellen beteiligt ist, eine entscheidende Rolle spielt. mTOR ist ein Protein, das in allen Saugetieren vorkommt und das Immunsupressivum Rapamycin (Sirolismus) bindet (Basualton-Alarcon et. al. 2013). Da die hypertrophe Wirkung von Testosteron nicht alleine auf dem mTOR-Signalweg ablauft und insgesamt einem komplexen Wirkungsmechanismus zu Grunde liegt, mussen auch weitere Substanzen und Mechanismen in Betracht gezogen werden. Neben mTOR ist auch die Signaltransduktion uber Androgenrezeptoren (AR) wesentlich am Muskelwachstum beteiligt, indem sie als Transkriptionsfaktoren die Genexpression regulieren. Aber wie genau laufen diese Prozesse auf zellularer ab?
Hierfur nun ein Ruckgriff auf eine Studie mehrerer namhafter chilenischer Forschungsinstitute, darunter das Institut fur Biomedizin, das Zentrum fur zellmolekulare Forschung sowie die Universitat von Santiago de Chile, welche es sich entsprechend zur Aufgabe gemacht haben, den Einfluss von Testosteron auf Muskelhypertrophie in einem aufwandigen Versuch an L6 Myotuben von Versuchsratten genau zu analysieren, um herauszufinden, welche Substanzen, Mechanismen und Wechselwirkungen neben Androgenrezeptoren in den Prozess der Muskelhypertrophie involviert sind. Dafur wurden neugeborenen Ratten (ein bis drei Tage alt) Muskelgewebe aus den Hinterbeinen entnommen, aufwandig prapariert und fur zwolf Stunden mit Testosteron inkubiert und folgende Parameter untersucht: Zunachst wurde der Einfluss auf den Myotubendurchmnesser untersucht, indem man nichtbehandelte Myotuben mit testosteronstimulierten verglich. Wie Abbildung 4 zeigt, ist der Durchmesser (C.S.A. = cross-sectional area) von mit Testosteron inkubierten Myotuben deutlich erhoht. Dabei erhohte sich bereits nach zwolfstundiger Inkubation der Muskeldurchschnitt um 35,24% im Vergleich zu nicht stimulierten Myotuben, wobei die Anzahl der Nuklei pro Myotube jedoch gleich blieb. Der enorme Anstieg des Gewebedurchmessers lasst sich in diesem Fall durch einen rasanten Anstieg der a-Aktin mRNA und entsprechend der Menge an a-Aktin Proteinen erklaren. Wie Abbildungen 5 und 6 eindeutig zeigen, erhohten sich die Werte jeweils um 219,58% im Falle der a- Aktin mRNA und sogar um 291,15% mit Blick auf die a-Aktin Gesamtproteinmenge schon nach sechsstundiger Inkubation mit Testosteron. Die a-Aktin Proteine wurden durch klassisches Western Blotting mit anschlieBender SDS-PAGE (s. Kapitel 4) sichtbar gemacht, wobei P-Tubulin als Referenzsubstanz (loading control) eingesetzt wurde.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 4 Veranderung des Myotubendurchmessers (crosssectional area) im Vergleich: B (basal) steht fur unbehandelte Myotuben und T (Testosteron) fur mit Testosteron (100 nM) behandeltes Gewebe (Basualto- Alarcon et. al. 2013).
Wie auf Abbildung 6 klar zu erkennen ist, nimmt die Intensitat der a-Aktin Bande deutlich zu, was durch das vermehrte Vorhandensein von a-Aktin erklart werden kann. Auch ein direkter Vergleich von nichtstimulierten und mit Testosteron behandeltem Myotubegewebe unter einem Konfokalmikroskop zeigt deutliche Unterschiede (s. Abbildung 7). Wie zu erkennen ist, unterscheiden sich die beiden Gewebe nicht nur in ihrem Durchmesser, sondern zeigt sich hier auch eine eindeutige Veranderung in der Anordnung der a-Aktinin Molekule, woraus eine veranderte Maserung der Muskulatur resultiert. Wahrend sich das a-Aktinin im testosteronstimulierten Gewebe regelmaBig und dicht angeordnet und auf den ganzen Muskel verteilt, weist der Vergleichsstrang eine eher unregelmaBige Struktur auf und enthalt deutlich weniger a-Aktinin. Bedenkt man die Funktion von a-Aktinin als Mikrofilamentprotein, das fur die Anlagerung von Aktin an die Z-Scheiben im Sarkomer verantwortlich ist, verdeutlicht dies anschaulich die hypertrophe Wirkung von Testosteron. SchlieBlich kommt Aktin als Strukturprotein in allen eukaryotischen Zellen vor und ist wesentlicher Bestandteil von Muskelfasern (Basualto-Alarcon et al. 2013)
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 6 Veranderung der a- Aktin Menge im Vergleich zum unbehandelten Gewebe. B-Tubulin wurde als Referenzsubstanz (loading control) aufgetragen (Basualto- Alarcon et. al. 2013).
3.3.2.2 Aufdeckung zugrundeliegender zellularer Mechanismen
Der Anstieg der Proteinbiosynthese in den Myotuben der Versuchsratten lasst sich unter anderem durch einen deutlichen Anstieg der sogenannten S6K1 (ribosomal protein S6 kinase 1), eines Regulators der Protein-Translation erklaren. Im Versuch zeigte sich, dass Testosteron die S6K1 Konzentration im Muskelgewebe stufenweise ansteigen lasst (s. Abbildung 8 Phosphorylierung von S6K1 durch Testosteron (Basualto- Alarcon et. al. 2013).
Abbildung 8). Wie zu erkennen ist, steigt die S6K1-Aktivitat bereits nach funf Minuten Inkubationszeit und erreicht nach 60 Minuten in etwa eine 3,5-fach hohere Konzentration als in der Ausgangssituation. Die Konzentration wurde in diesem Fall durch Western-Blotting des Zelllysats (whole-cell lysate) bestimmt. Dabei wurde mittels eines speziellen Antikorpers, der auf die (neu) phosphorylierten Proteine reagiert, die Differenz zwischen ursprunglicher Proteinmenge, sowie neu entstandenen
Proteinen. Wie an den Western-Blot-Banden deutlich zu erkennen ist, nimmt die Intensitat der p(phosphorylierte)-S6K1 Banden deutlich zu. Da S6K1 im direkten Zusammenhang mit Muskelhypertrophie steht, ist es von Noten herauszufinden, welche Mechanismen jenem Anstieg der S6K1 Konzentration zugrunde liegen. Dafur untersuchte man drei Kinasen, die als mogliche Vorlauferaktivatoren (upstream activators) fur mTOR fungieren. Dabei handelt es sich erstens um Phosphoinosid-3-Kinasen (PI3K)/Akt, ein ebenfalls in samtlichen eukaryotischen Zellen vorkommendes Enzym, das an Zellwachstum und Proliferation beteiligt ist. Akt-Kinasen (1-3) sind Enzyme der Proteinkinase B und damit Proteine, die an der Signaltransduktion im Korper beteiligt sind. Sie sind insofern von Bedeutung, da sie eine zentrale Rolle in der Regulation zellularer Prozesse, der Zellproliferation und vor allem dem Zellzyklus einnehmen. Als drittes spielen sogenannte extracellular-signal regulated (ERK1- 8) Kinasen eine wichtige Rolle im Organismus des Menschen. ERK Kinasen gehoren zu den Mitogen-aktivierten Kinasen (MAP-Kinasen) und sind als Signaltransduktionswege an samtlichen Prozessen des Zellwachstums, der Zelldifferenzierung und dem programmierten Zelltod beteiligt (Basualto-Alarcon et al. 2013). Im Versuch lieB sich zeigen, dass Testosteron die Phosphorylierung sowohl von PI3K/Akt als auch von ERK1/2 ansteigen lasst (s. Abbildung 9 und 10). Dabei steigt die Phosphorylierungsrate innerhalb der ersten funf Minuten, kulminiert bei Minute funf und sinkt dann graduell. p-Akt steigt ebenfalls, jedoch bis Minute 15 - wie deutlich an der vierten p-Akt Bande zu sehen ist - und fallt auch dann wieder schrittweise zuruck.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Um nun herauszufinden, ob ERK1/2 oder PI3K/Akt die S6K1 Phosphorylierung und die dadurch drastisch vermehrte a-Aktin-Proteinbiosynthese beeinflussen, hat man in einem nachsten Schritt Myotuben mit Testosteron inkubiert und die jeweiligen ERK1/2 oder PI3K/Akt Aktivitaten unterdruckt und beobachtet, wie S6K1 unter Zugabe von Testosteron weiterhin phosphoryliert und entsprechend aktiviert wird. Hierfur verwendeten Alarcon et. al. zur Hemmung von ERK1/2 einen MAP-Kinase Inhibitor (PD-98059) und Akt-Inhibitor-VIII zur Unterdruckung von Akt. Die PI3K Inhibition gelang durch LY294002.
Wie nun aus Abbildung 11 hervorgeht, bewirkt die Inhibition von ERK1/2 keine Veranderung der S6K1 Aktivitat, wohingegen die Hemmung von Akt eine deutliche Verringerung der S6K1 Phosphorylierung zur Folge hat. Den wohl dessen Hemmung, was sich ferner in ebenso gehemmter S6K1 Phosphorylierung manifestierte (Alarcon et. al. 2013). Zusammenfassend kann man somit konstatieren, dass eine deutliche Abnahme der fur die Muskelhypertrophie typischen Phosphorylierungsaktivitat der S6K1 Kinasen festzustellen ist, sobald PI3K und Akt Kinasen sowie mTOR (vorliegend als mTORC1) durch spezifische Suppressiva geblockt werden.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Als nachstes stellten sich den Wissenschaftlern die Frage, welchen Zusammenhang es zwischen ERK1/2, S6K1/Akt und m-TOR und der a-Aktin Proteinbiosynthese, auf der einen Seite und vor allem auch, welche AR in diesem Kontext spielt. Aus diesem Grund wurde ahnlich wie im Versuchsschritt zuvor Myotuben mit 100nM Testosteron fur zwolf Stunden stimuliert und erneut mit jeweils PD-98058, LY294002, Akt Inhibitor VIII und Rapamycin inkubiert. Aus der sich ergebenen Synopse (s. Abbildung 12) lasst sich folgenden Bild zeichnen: Wie bereits antizipiert wurde, erhohte sich die Menge an a-Aktin nach Testosteronstimulation signifikant. Wie deutlich zu erkennen ist, verringert sich die a-Aktin Menge bei Hemmung der ERK1/2 Kinasen nur unwesentlich, sodass diese als entscheidender Signalweg ausgeschlossen werden kann. Anders verhalt es sich bei S6K1, Akt und mTOR: Hier ist nun ganz deutlich eine signifikante Hemmung der a-Aktin-Produktion bei Inhibition der jeweiligen Substanzen zu verzeichnen (s. Abbildung 12). Hier kommt es zu minimaler (LY) bis garkeiner (Akt VIII, Rapa) Proteinbiosyntheseaktivitat, was so noch nicht bekannt war. Bislang vermutete man namlich die Initiierung der a-Aktin- Proteinbiosynthese primar durch Androgenrezeptoren (Alarcon et. al. 2013). Diese spielen zwar insgesamt eine entscheidende Rolle im Prozess des Muskelwachstums, die a-Aktin- Proteinbiosynthese initiieren diese jedoch nicht. Dies lieB sich nachweisen, indem man in einem nachsten Schritt die Androgenrezeptoren durch ein hochwirksames Antiandrogen namens Bicalutamid blockierte, dadurch inaktivierte und anschlieBend beobachtete, ob es bei Testosteronstimulation trotzdem zur a-Aktin- Synthese kommt. Das Ergebnis war eindeutig: Trotz inaktivierter Androgenrezeptoren kam es unvermindert zur Proteinsynthese (s. Abbildung 13). Es ist also der Einfluss von PI3K/Akt, S6K1 und mTOR als beeinflussende Faktoren der gesteigerten a-Aktin Proteinbisonthese und nicht nur wie bis dahin angenommen Androgenrezeptoren.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 13 Die Proteinbiosynthese- Aktivitat bei blockierten Androgenrezetoren (Basualto-Alarcon et. al. 2013).
Da sich Muskelyhpertrophie im Wesentlichen als Volumenwachstum beziehungsweise Dickenwachstum charakterisieren lasst, ist es von Noten zu untersuchen, welche Substanzen sich wie auf eine VergroBerung des Muskelfaserdurchmessers auswirken. Hierfur untersuchte man nun den Einfluss von PI3K/Akt, mTOR sowie von AR, indem man erneut zunachst Myotuben fur zwolf Stunden mit Testosteron stimulierte und ferner wieder die einzelnen Substanzen durch entsprechende Gegenspieler hemmte. Zusammenfassend betrachtet lasst sich hier erkennen, dass sowohl die Hemmung PI3K/Akt als auch mTOR einen verminderten CSA Wert zur Folge haben (s. Abbildung 14).
Selbiges gilt auch fur die Unterdruckung der AR durch Bicalutamid. Dieses wirkt auf AR indem es deren Migration aus dem Cytosol in den Nucleus verhindert, was einen wesentlichen Teil seiner Aktivierung ausmacht. Wie Abbildung 15 nun zeigt, findet bei Hemmung der AR kein Dickenwachstum des Muskels statt, was nun den Schluss zulasst, dass das testosteroninduzierte Volumenwachstums eines Muskels uber den mTOR/S6K1 Signalweg - aktiviert durch PI3K/Akt - und in Kombination mit AR stattfindet (Alarcon et. al. 2013). Androgenrezeptoren beeinflussen dabei nicht direkt die Proteinbiosynthese sarkomerischer Proteine wie a-Aktin, sondern scheinen den gesamt-zellularen Prozess der Muskelhypertrophie zu steuern. Anders verhalt es sich bei mTOR. Hier wirkt sich eine Hemmung sowohl auf die a-Aktin Produktion, als auch auf das Dickenwachstum aus. Die genaue Rolle der ERK1/2 Kinasen konnte von Alarcon et. al. nicht eindeutig geklart werden. Zwar induzierte Testosteron dessen Phosphorylierung deutlich, ein direkter Zusammenhang im Prozess der Hypertrophie hingegen konnte nicht festgestellt werden. Insgesamt lasst sich also auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse folgendes Schema postulieren (s. Abbildung 16):
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