Mechanismen der Testosteronwirkung auf den Skelettmuskel
Die Mechanismen, durch die Testosteron die Skelettmuskelmasse erhöht, sind kaum bekannt. Histomorphometrische Analysen von Biopsien des Musculus vastus lateralis, die von jungen und älteren Männern erhalten wurden, die an Testosteron-Dosis-Wirkungs-Studien teilnahmen, haben gezeigt, dass die Verabreichung von Testosteron eine Hypertrophie sowohl der Skelettmuskelfasern vom Typ I als auch vom Typ II induziert. Testosteron beeinflusst jedoch nicht die absolute Anzahl oder den relativen Anteil der Muskelfasern vom Typ I und II. Eine durch Testosteron induzierte Zunahme der Muskelgröße ist mit einer Zunahme der Anzahl von Satellitenzellen verbunden.
Drei allgemeine Hypothesen wurden vorgeschlagen, um die anabolen Wirkungen von Testosteron auf den Skelettmuskel zu erklären, und sie schließen sich nicht gegenseitig aus. Es ist möglich, dass alle drei Wege – zusätzlich zu anderen bekannten und unbekannten Wegen – zu den während der Testosterontherapie beobachteten Zuwächsen der Skelettmuskelmasse beitragen. Diese Hypothesen umfassen die Stimulierung der Muskelproteinsynthese, die Stimulierung der Achse des Wachstumshormons / Insulin-ähnlichen Wachstumsfaktors I und die Regulation der Differenzierung mesenchymaler Stammzellen.
Die Hypothese der Proteinsynthese hat das Feld seit den 1940er Jahren dominiert, als Testosteron eingesetzt wurde Es wurde gezeigt, dass andere Androgene die Stickstoffretention bei Männern mit Androgenmangel erhöhen. Diese Beobachtungen führten zu der Hypothese, dass Testosteron die Muskelproteinsynthese stimuliert. Mehrere Forscher, die stabile Isotope verwenden, haben gezeigt, dass die Testosterontherapie die fraktionierte Muskelproteinsynthese und die Wiederverwendung von Aminosäuren verbessert. Die Auswirkungen von Testosteron auf den Abbau von Muskelproteinen sind weniger klar.
Die Hypothese der Muskelproteinsynthese erklärt die wechselseitige Änderung der Fettmasse und die erhöhte Anzahl von Satellitenzellen bei mit Testosteron behandelten Männern nicht leicht. Diese Beobachtungen veranlassten uns, die alternative Hypothese zu betrachten, dass Testosteron die Differenzierung von mesenchymalen multipotenten Zellen regulieren, ihre Differenzierung in die myogene Linie fördern und die adipogene Differenzierung hemmen könnte. Um diese Hypothese zu testen, fragten wir zunächst, ob Androgenrezeptorprotein in mesenchymalen Vorläuferzellen im Skelettmuskel exprimiert wurde. Wir fanden heraus, dass das AR-Protein vorwiegend in Satellitenzellen exprimiert wurde, die durch ihre Position außerhalb des Sarkolemmas, aber innerhalb der Lamina sowie durch C-Met- und CD34-Färbung identifiziert wurden. Eine AR-Proteinexpression wurde auch in vielen Myonuklei und in CD34 + -Zellen außerhalb der Lamina, vaskulären Endothelzellen und Myofibroblasten beobachtet. Somit exprimieren eine Reihe von mesenchymalen, multipotenten Vorläuferzellen, die im Skelettmuskel residieren, AR und könnten Ziele der Androgenwirkung sein.
Wir haben die Auswirkungen von Testosteron und DHT auf die Differenzierung von Multipotenten bestimmt mesenchymale C3H10T1 / 2-Zellen. Obwohl unbehandelte Zellen geringe Mengen an AR-Protein exprimieren, regulieren DHT und Testosteron die AR-Expression in diesen Zellen. Die Androgenstimulation der AR-Expression wurde durch den AR-Antagonisten Flutamid blockiert, was darauf hindeutet, dass AR an dieser Autoregulation beteiligt ist. Die Inkubation mit Testosteron und DHT erhöht die Anzahl der MyoD + myogenen Zellen und MHC + Myotubes und die MyoD + MHC mRNA- und Proteinspiegel, die dosisabhängig erhöht wurden. Sowohl Testosteron als auch DHT verringern auch die Anzahl der Oil Red O-positiven Adipozyten und regulieren die Expression von PPARγ2-mRNA und PPARγ2- und C / EBPα-Proteinen, die Marker für die adipogene Differenzierung sind, herunter. Die Auswirkungen von Testosteron und DHT auf die Myogenese und Adipogenese werden durch Bicalutamid, einen Androgenrezeptorantagonisten, blockiert. Daher regulieren Testosteron und DHT die Differenzierung von mesenchymalen multipotenten Zellen, indem sie ihre Differenzierung in die myogene Linie fördern und ihre Differenzierung in Adipozyten über einen AR-vermittelten Weg hemmen (Abbildung 27.3). Die Beobachtung, dass die Differenzierung von mesenchymalen multipotenten Zellen androgenreguliert ist, liefert eine einheitliche Erklärung für die Wechselwirkungen von Androgenen auf die Muskel- und Fettmasse und für den beobachteten Anstieg der Satellitenzellzahl. Unsere Daten schließen nicht aus, dass Androgene auch zusätzliche Schritte in myogenen und adipogenen Differenzierungswegen beeinflussen können.
Abbildung 27.3. Dieses Modell der Androgenwirkung stellt die Hypothese auf, dass Androgene die Differenzierung von mesenchymalen Stammzellen in die myogene Linie fördern und deren Differenzierung in die adipogene Linie hemmen. Zusätzlich wurde gezeigt, dass Testosteron und DHT die Differenzierung von Preadipozyten in Adipozyten hemmen. Andere haben gezeigt, dass Testosteron die fraktionierte Muskelproteinsynthese erhöht.
In separaten Studien haben wir gezeigt, dass DHT auch die Differenzierung von aus dem menschlichen Mark stammenden mesenchymalen Stammzellen von erwachsenen Männern reguliert. DHT reguliert die AR-Expression hoch und hemmt die Lipidakkumulation in von hMSCs differenzierten Adipozyten und reguliert die Expression von aP2, PPAR & ggr;, Leptin und C / EBP & agr; herunter. Bicalutamid schwächt die hemmenden Wirkungen von DHT auf die adipogene Differenzierung von hMSCs ab. In Gegenwart von DHT differenzierte Adipozyten akkumulieren kleinere Öltröpfchen, was auf einen verringerten Reifungsgrad hinweist. DHT verringert den Einbau von markierter Fettsäure in Triglycerid und reguliert die Acetyl-CoA-Carboxylase- und DGAT2-Expression in Adipozyten, die von hMSCs stammen, herunter. Somit hemmt DHT die adipogene Differenzierung von hMSCs über einen AR-vermittelten Weg, beeinflusst jedoch nicht die Proliferation von beiden hMSCs.
Neue Erkenntnisse legen nahe, dass die Wnt-Signalübertragung eine wichtige Rolle bei der Regulierung der Differenzierung von mesenchymalen Vorläufern spielt Zellen und dieses Testosteron und DHT fördern die Assoziation des ligandierten Androgenrezeptors mit β-Catenin, stabilisieren letzteres und bewirken, dass der Androgenrezeptor-β-Catenin-Komplex in den Kern transloziert und eine Reihe von Wnt-Zielgenen aktiviert. Doppelte Immunfluoreszenz- und Immunpräzipitationsstudien haben gezeigt, dass AR, β-Catenin und TCF-4 sowohl in Testosteron-behandelten (100 nM) als auch in DHT-behandelten (10 nM) Zellen im Kern co-lokalisiert sind, was darauf hindeutet, dass sie interagieren, um a zu bilden Komplex. Sowohl β-Catenin als auch TCF-4 spielen eine wesentliche Rolle bei der Vermittlung von Androgeneffekten auf die Differenzierung von C3H10T1 / 2-Zellen.
Testosteron reguliert die Expression mehrerer Wnt-Zielgene, einschließlich Follistatin, das spielt eine wesentliche Rolle bei der Vermittlung der Auswirkungen von Testosteron auf die Myogenese. Das Androgensignal wird über Follistatin an den TGF- & bgr; / SMAD-Weg übermittelt, wodurch die TGF- & bgr; / SMAD-Signalübertragung in vivo und in vitro blockiert wird (Abbildung 27.4).
Abbildung 27.4. Die Rolle des Wnt-Signalwegs bei der Vermittlung von Androgeneffekten auf den Skelettmuskel. Androgene regulieren die Differenzierung von mesenchymalen multipotenten Zellen in die myogene Linie, indem sie die Assoziation von ligandiertem AR mit Beta-Catenin fördern, letzteres stabilisieren und eine Translokation des AR-Beta-Catenin-Komplexes in den Kern bewirken, wo er mit TCF-4 assoziiert und das reguliert Expression einer Reihe von Wnt-Zielgenen, einschließlich Follistatin. Diese Wnt-Zielgene, insbesondere Follistatin, regulieren die myogene und adipogene Differenzierung. Andere Komponenten des kanonischen Wnt-Pfades sind ebenfalls gezeigt. AR; Androgenrezeptor; TCF-4: T-Zell-Faktor-4; APC: Adenom Polyposis Colon; Dsh: zerzaust; GSK3: Glykogensynthasekinase 3 Beta; LiCl: Lithiumchlorid.
Es ist allgemein anerkannt, dass die Testosterontherapie die Sekretion des pulsatilen Wachstumshormons (GH) erhöht und die Insulin-ähnliche Serumkonzentration erhöht Wachstumsfaktor I (IGF-I) -Konzentrationen bei peripubertären Jungen und bei Jungen mit konstitutioneller Verzögerung der Pubertät. Der Testosteron-assoziierte Anstieg der GH-Sekretion ist das Ergebnis einer höheren GH-Sekretionsmasse pro Burst und einer höheren maximalen GH-Sekretionsrate innerhalb jedes Bursts. Zusätzlich erhöhen Androgene die Größe des Nyctohemeralrhythmus in der Masse der GH-Sekretionsimpulse. Diese Erhöhung der GH-Sekretion kann zu den wachstumsfördernden Wirkungen von Testosteron bei Jungen mit konstitutioneller Verzögerung der Pubertät beitragen. Es wurde auch gezeigt, dass die Androgenverabreichung die zirkulierenden IGF-I-Spiegel erhöht und die intramuskuläre IGF-I-mRNA-Expression bei Männern hochreguliert. Anekdotisch haben wir jedoch beobachtet, dass die Testosterontherapie die Muskelmasse auch bei hypogonadalen Männern mit Hypophysektomie und GH-Mangel erhöht. Diese Daten legen nahe, dass eine Testosterontherapie zwar die GH-Sekretion und die zirkulierenden IGF-I-Spiegel erhöhen kann, jedoch möglicherweise nicht wesentlich für die Vermittlung der anabolen Wirkungen von Testosteron auf den Muskel ist. Die Rolle des intramuskulären IGF-I-Systems bei der Vermittlung von Androgeneffekten auf den Muskel muss ebenfalls weiter untersucht werden.