UNERWARTETE ENTDECKUNG

Forscher der East Carolina University haben herausgefunden, dass sich ein Muskel im Fuß aufgrund seines Verhaltens ohne Sauerstoff grundlegend von anderen Muskeln unterscheidet. Ihre Untersuchung fängt gerade erst an, herauszufinden, warum.

Skelettmuskeln werden für Atmung, Bewegung und Temperaturregulierung verwendet – die Aktivitäten des Lebens, die Sauerstoff durchströmen, weil er für die Aufrechterhaltung des Energiepotenzials notwendig ist, sagte Espen Spangenburg, Professor für Physiologie und Vorsitzender der Abteilung für Anatomie und Zellbiologie an der Brody School der Medizin.

Der rot hervorgehobene Abschnitt des Fußes stellt die Lage des Musculus flexor digitorum brevis im menschlichen Fuß dar. (Foto mit freundlicher Genehmigung von Wikimedia Commons)

Der Flexor Digitorum Brevis, kurz FDB, ist ein Skelettmuskel, der sich in den Füßen von Säugetieren befindet. Der FDB wird häufig in biologischen Experimenten verwendet, da der Muskel für viele verschiedene Arten physiologischer Messungen zugänglich ist.

Spangenburg erforscht hauptsächlich Skelettmuskeln, aber vor einigen Jahren half er seinem Brody-Forscherkollegen Joseph McClung bei einer Studie über Therapien für periphere arterielle Verschlusskrankheiten. Die Studie forderte in präklinischen Modellen eine Verringerung des Blutflusses zu den Extremitäten von Probanden. Da der FDB der am weitesten vom Herzen entfernte Muskel ist, hätte er als erster Anzeichen einer Schädigung durch die Einschränkung des Blutflusses zeigen müssen.

Aber das ist nicht passiert.

„Einer der Leute in meinem Labor kam herein und warf seine Sachen in mein Büro. Er war wirklich aufgeregt“, sagte Spangenburg. „Er sagt: ‚Ich schaffe es nicht, diesen Muskel zum Sterben zu bringen‘ und war darüber wirklich verärgert. Ich schaute ihn andauernd an und dachte: ‚Moment mal, wir machen das ganz falsch.‘“

Wenn der Muskel nicht durch die Einschränkung des Blutflusses und damit des Sauerstoffflusses abstirbt, dachte Spangenburg, dann passiert vielleicht etwas Seltsames. Er musste den Fokus seines Teams ändern, um herauszufinden, warum der Muskel unter Bedingungen überlebt, die laut der aktuellen Wissenschaft nicht möglich sein sollten.

Die FDB-Proben, die Spangenburg und sein Team untersuchten, waren nicht so unsterblich wie ein Superheld aus einem Film. Jede Menge Beleidigungen führten dazu, dass das Muskelgewebe auseinanderfiel, aber aus irgendeinem Grund konnte die FDB viel länger ohne Sauerstoff überleben als andere Arten von Skelettmuskeln.

Sauerstoff ist für die Funktion der Skelettmuskulatur notwendig, da er in den Mitochondrien ATP produziert, ein Molekül, das für Zellprozesse wie Muskelkontraktion und Nervenkommunikation notwendig ist. Wenn der sauerstoffarme FDB-Muskel keinen Sauerstoff benötigt, um seinen Energiebedarf zu decken, wollte Spangenburgs Team wissen, welche anderen Mechanismen das ATP bereitstellen könnten.

Die Glykolyse, der Abbau von im Muskelgewebe gespeicherten Kohlenhydraten, schien eine praktikable Option zu sein, und ihre Arbeit ergab, dass sie einen Teil der Energie liefern könnte, die das FDB-Gewebe lebensfähig hielt. Tests zeigten jedoch, dass die Glykolyse allein nicht ausreichte.

Warum scheint sich der FDB-Muskel anders zu verhalten als andere Muskeln?

Spangenburg war ratlos und brachte sein Team zurück ans Zeichenbrett. Er kontaktierte eine andere ECU-Forscherin, Kelsey Fisher-Wellman, die sich auf die Beziehung zwischen Mitochondrien und Krebs spezialisiert hat. Die beiden Labore bündelten ihre Ressourcen und begannen mit dem, was Spangenburg einen „entdeckungsbasierten Ansatz“ nennt, indem sie Tausende von Proteinen untersuchten und sie mit anderen Muskelprofilen verglichen. Sie identifizierten eine Reihe von Proteinen, die nur in der FDB vorkommen und vielversprechend sind, um die Unterschiede zwischen der FDB und anderen Skelettmuskeln zu erklären.

„Wir dachten, wir würden viele energiebasierte Dinge sehen, aber das ist nicht das, was wir wirklich sehen. Es scheint uns, dass der Muskel eine Möglichkeit hat, seine Umgebung zu kontrollieren“, sagte Spangenburg. „Eines der Dinge, von denen wir dachten, dass es das tun könnte, ist der Winterschlaf. Das haben wir noch nicht widerlegt.“

Fisher-Wellman sagte, die Entdeckung, die Spangenburgs Labor gemacht habe, sei von grundlegender Bedeutung, was bedeutet, dass die potenziellen Hinweise auf die Säugetierbiologie, die sich aus den Ergebnissen ergeben, weitreichende Auswirkungen haben könnten, die noch berücksichtigt werden müssen.

„Dieser Muskel unterscheidet sich grundlegend von anderen“, sagte Fisher-Wellman. „Das ist der spannende Teil. Sobald man diese Lücken schließt, wird es etwas einfacher zu erkennen, wo die Erkenntnisse angewendet werden können.“

Fisher-Wellmans Labor bei ECU war an der Entdeckung beteiligt. Sein Team führte die notwendigen Proteomikuntersuchungen durch, um die Unterschiede zwischen dem FDB und anderem Muskelgewebe, das als Kontrolle für das Experiment verwendet wurde, zu validieren. Bei der Proteomik handelt es sich um eine Technik, bei der die Struktur von Gewebe reduziert, also im Wesentlichen zerkleinert wird. Dies ermöglicht die Analyse mit einem Massenspektrometer, einem High-Tech-Gerät, das die molekularen Komponenten des untersuchten Gewebes ermitteln kann.

Das Labor von Fisher-Wellman führte die Proteomikverfahren an FDB-Muskelproben sowie an zwei anderen Arten von Muskelgewebe desselben Spenders durch, um sie als Kontrollen zu verwenden. Zwei Kontrollen, so Fisher-Wellman, hätten die Gültigkeit der Ergebnisse gefestigt.

„Ich bin von den Daten genauso überrascht wie alle anderen. Als ich zum ersten Mal davon hörte, dachte ich: ‚Komm schon, das kann nicht wahr sein‘, und dann sieht man die Daten immer und immer wieder … das ist wild“, sagte Fisher-Wellman. „Ich werde gespannt sein, wohin sie damit kommen. Jemand wird eine Weile beschäftigt sein.“

Eine der anhaltenden Herausforderungen bei der Untersuchung von Muskelgewebe ist die Plastizität – die Fähigkeit des Muskelgewebes, sich an die an es gestellten Anforderungen anzupassen. Ein Läufer kann vom Sprinten zum Langstreckenlauf wechseln und jeder Bewegungsstil erfordert, dass sich derselbe Muskel unterschiedlich verhält. Wenn ein Astronaut längere Zeit im Weltraum unter Schwerelosigkeit verbringt, verändert sich der Muskel, um den Stoffwechsel- und Bewegungsbedürfnissen des Einzelnen gerecht zu werden. Aufgrund der inhärenten Plastizität des Muskelgewebes wird die Isolierung von Variablen für Forscher zu einer noch größeren Herausforderung.

Ein weiterer verwirrender Aspekt der Entdeckung ist, warum ein Muskel, der für die Bewegung notwendig, aber nicht grundlegend für die Lebenserhaltung ist – man denke an Herz- oder Zwerchfellmuskeln, die das Herz schlagen und die Lunge atmen –, sich angepasst hätte, um ohne Sauerstoff viel länger zu überleben als andere Muskeltypen. Obwohl Spangenburg einige Ideen hat, vielleicht die starken und wiederholten Belastungen, die der Fuß bei Bewegung ausübt, ist er immer noch nicht sicher, eine Hypothese aufzustellen.

Das Fehlen eines offensichtlichen Grundes, warum sich die FDB so verhält, ist gleichermaßen spannend und frustrierend.

„Um drei Uhr morgens starrte ich an die Decke und kratzte mir am Kopf. Ich war fest entschlossen, das herauszufinden“, sagte Spangenburg. „Es war eine Erinnerung daran, wie wenig wir verstehen. Manchmal denken wir, wir hätten die Dinge herausgefunden, und dann kommt es zu einem Moment, in dem unser vollständiges Verständnis der Dinge völlig zunichte gemacht wird.“

Everett Minchew, ein Ph.D. Der Kandidat, der im Spangenburg-Labor arbeitet und im Dezember seinen Abschluss machen wird, ist von der grundlegenden Natur der Ergebnisse ermutigt, die eine breite praktische Anwendung in allen medizinischen Forschungsdisziplinen finden können. Auch wenn die Grundlagenforschung nicht immer einfach sei, sagte er, seien die Ergebnisse relativ einfach auf ein nichtwissenschaftliches Publikum zu übertragen.

Die Doktoranden Everett Minchew (rechts) und Nick Williamson arbeiten im Spangenburg Lab der East Carolina University. (ECU-Foto von Cliff Hollis)

Everett Minchew stammt aus einer Medizinerfamilie in New Jersey. Nachdem er einige Ärzte begleitet hatte, wurde ihm klar, dass Physiologie seine Berufung war und er tiefer in die Funktionsweise des Körpers eintauchen wollte.

Minchew glaubt, dass das Physiologie-Forschungsteam am ECU auf Augenhöhe mit jeder großen Institution im Land ist, und er ist stolz darauf, Teil des Spangenburg-Labors zu sein.

„Man sieht ständig große Entdeckungen aus den namhaften Schulen; einen kleinen Ausschnitt davon hier bei ECU zu haben, ist ziemlich aufregend“, sagte Minchew.

„Das Schöne ist, dass ich, wenn meine Freunde und Familie mich nach meiner Forschung fragen, das Projekt in Laiensprache erklären kann und sie genauso begeistert sind“, sagte Minchew. „Es wäre eine ganz andere Geschichte, wenn ich an so etwas wie einer sehr spezifischen Proteinstruktur arbeiten würde, die nicht leicht zu verstehen ist.“

Die Flaute der Wissenschaft könnten die Zahlen sein. Ah-ah-Momente sind rar gesät.

„Sie möchten nie hören, dass die Leute Ihre Veröffentlichungen als inkrementell bezeichnen. Wir befinden uns jetzt in einer seltsamen Umgebung, in der jetzt jeder die vollständige Antwort haben möchte. Wir haben angefangen, Daten zu sammeln und dann mit der Reproduktion begonnen, dann waren wir sicher, dass wir etwas auf der Spur waren.“ Ich dachte mir: ‚Nun, ich werde damit nicht weitermachen‘“, erinnert sich Spangenburg.

Zuerst musste er die Mathematik aufarbeiten.

Spangenburg war eines Tages zu Hause und arbeitete daran, einige Zahlen zu entschlüsseln. Sein Sohn Quincy, der ein Junior an der DH Conley High School in Greenville ist und an einem College-Infinitesimalkurs teilnimmt, fragte seinen Vater, woran er arbeite.

„Ich arbeitete an diesem Tag zufällig von zu Hause aus und war außer Form, weil ich wusste, dass ich es mathematisch berechnen sollte, es aber nicht herausfinden konnte“, sagte Spangenburg. „Ich zog ihn an und sagte: ‚Hier ist meine Situation.‘“

Quincy sagte, die Daten sähen wie eine Polynomfunktion aus und er dachte, er könne eine Tangente verwenden, um die Antwort zu berechnen, die Espen aus den Daten abzuleiten versuchte. Espen gab Quincy die Daten und eineinhalb Stunden später kam Quincy zurück und sagte seinem Vater, dass er es herausgefunden habe.

„Wir mussten einige Anpassungen an seinem Ansatz vornehmen, aber er entwickelte buchstäblich eine Methode, wie wir die Daten auswerten würden“, sagte Spangenburg. „Aber dann wusste ich nicht, was ich tun sollte, denn wenn jemand so etwas zur Forschung hinzufügt, fügt man ihn normalerweise der Arbeit hinzu.“

Spangenburg befand sich in einer Zwickmühle – welche Auswirkungen würde es sowohl auf ihn als auch auf seinen Sohn haben, Quincy als Co-Autor in die Zeitung aufzunehmen? Würde es als Vetternwirtschaft angesehen werden? War es ethisch?

„Ich rief einige meiner Kollegen an und sagte: ‚Okay, das ist passiert.‘ Was soll ich tun? Soll ich ihn der Zeitung hinzufügen? Das ist seltsam. Ich möchte nicht, dass das seltsam aussieht“, sagte Spangenburg. „Und sie kamen alle mit dem gleichen Ergebnis heraus: ‚Könnten Sie es getan haben?‘“

„Nicht so, wie Quincy es gemacht hat, auf eine Art und Weise, die für die Leser greifbar war“, antwortete Espen. Quincy sei ein integraler Bestandteil der Forschung, antworteten seine Kollegen – man müsse ihn als Co-Autor hinzufügen.

Unabhängig davon, wessen Name auf dem Papier steht, veranlassen die Ergebnisse des Teams bereits Forscher anderer Institutionen, Annahmen über die Funktionsweise des Körpers in Frage zu stellen.

„Ich habe einen Typen, der mir gerade ein ganzes Experiment mit dem FDB-Muskel geschickt hat und gefragt hat: ‚Verschwende ich meine Zeit? Sollte ich das überhaupt tun?‘“, sagte Spangenburg. „Dieser Befund könnte das ändern, was wir später in Lehrbüchern schreiben, denn dieser Muskel ist eine Ausnahme von der Regel. Und das bedeutet, dass es möglicherweise noch andere Ausnahmen geben könnte. Es ist möglicherweise nicht die einzige.“

Spangenburgs Augen leuchten, wenn er über die Möglichkeiten spricht, die sich aus den Erkenntnissen seines Teams ergeben.

„Man beginnt zu erkennen, wie komplex die Systeme sind. Manchmal unterschätzen wir die Komplexität.“