SVENSK IDROTTSFORSKNING NR 3-2003
Satellitcellers funktion i
muskulaturen
Hur sker den muskulära anpassningen till styrketräning, och får man nya muskelfibrer vid träning? Vad händer i muskler vid skador och under rehabilitering och hur kan vi påskynda rehabiliteringsförloppet? En viktig komponent i sammanhangen är satellitcellers funktion i muskler.
Att förstå hur dessa celler fungerar och hur de påverkas under olika fysiologiska och patologiska
förhållande är av stor betydelse inom idrott och medicinsk rehabilitering.
I. Vad är satellitceller?
Fawzi Kadi
Med Dr, Docent.
Institutionen för
Idrott och Hälsa
Örebro Universitet
58
I slutet av 1800-talet observerade två
forskare förekomsten av små celler i
muskelvävnaden. Då elektronmikroskopet inte ännu var uppfunnet kunde
de inte beskriva dessa små celler i
detalj. Det skulle ta ytterligare ett halvt
sekel (1961) innan forskarna kunde
beskriva muskelsatellitceller närmare
för första gången. Skälet till att de
kallas satellitceller är deras placering
mellan det yttre och inre membranet
vilka tillsammans utgör cellväggen som
omger muskelfibern.
Satellitceller är vilande celler vilka
är uppbyggda på samma sätt som alla
andra celler. När muskeln utsätts för
ökade påfrestningar, kylexponering,
överdriven stretching, träning, eller
mild kompression vaknar satellitcellen
från sitt vilande tillstånd och börjar
aktivt dela sig för att generera ny
muskelvävnad. Upptäckten av satellitceller visade sig vara mycket viktig
för att förstå de mekanismer som ligger
bakom muskelutvecklingen samt de
mekanismer som förklarar musklers
anpassningsförmåga till träning. Dessutom förstås skeendet bakom muskelns
återuppbyggnad efter skador. Satellitceller uppfyller således mycket viktiga
funktioner i muskler. De är viktiga för
muskelfibertillväxt och återuppbyggnad av muskler vid muskelsjukdomar
och belastningsskador. Alltså, utan
satellitceller kan inte muskelfibrer
ersättas eller repareras. Vid styrketräning är det möjligt, tack vara satellitcellers aktivering och delning, att skapa
större muskelfibrer eller helt nya fibrer.
Till skillnad från muskelfibrer i
vuxna muskler vilka inte har förmåga
att dela eller reparera sig kan satellitceller genomgå celldelning och föröka
sig vilket förklarar varför satellitceller
betraktas som musklernas stamceller. Liksom alla andra stamceller har
sålunda satellitceller potentialen att
bota muskelsjukdomar genom cellimplantation. Det är därför viktigt att
förstå hur satellitceller fungerar och
hur dessa mobiliseras vid olika fysiologiska och patologiska tillstånd.
II. Förekomsten av satellitceller
Vid födelsen innehåller musklerna
30-35% satellitceller (procent av alla
kärnor i muskeln) för att senare gradvis
minska i antal tills de i vuxna muskler
utgör mellan 2 och 10%. En milligram
muskelvävnad kan innehålla upp till
500-900 satellitceller, antalet varierar
beroende på muskeltyp. Mer specifikt
så beror denna variation på musklernas
olika embryologiska utveckling, deras
muskelfibersammansättning, samt
deras funktion vid rörelser. Antal satellitceller varierar också från individ till
individ, främst beroende på hur fysiskt
aktiva de är.
III. Hur åskådliggörs satellitceller
Att visualisera satellitceller har varit
och är fortfarande ett viktigt spörsmål.
Det är omöjligt att skilja en vanlig
fiberkärna och en satellitcell åt med
hjälp av ljusmikroskopi. Orsaken är
att satellitceller har samma storlek som
andra vanliga kärnor i muskelfibrer
och att det bara skiljer 20 nanometrar
mellan det inre fibermembranet och
SVENSK IDROTTSFORSKNING NR 3-2003
.
V. Satellitceller, åldrande och träning
Cellkärna
Satellitcell
Med stigande ålder minskar muskelmassan samt muskelstyrkan och den
muskulära uthålligheten. På den cellulära nivån sker en förlust av muskelfibrer och en minskning i storleken
av kvarvarande fibrer. Studier visar
att även antalet satellitceller minskar
med stigande ålder. Det är oklart om
åldrandet i sig eller nedsatt fysisk
aktivitetsnivå är orsaken bakom minskningen av satellitceller. En viktig fråga i
sammanhanget är om träning hos äldre
kan leda till ökat antal satellitceller?
För att besvara frågan har vi genomfört
en träningsstudie där 11 äldre män (73
± 3 år) genomförde 14 veckors träning
på cykel med en intensitet motsvarande
65-95% V02 max. Förutom förbättrad
syreupptagningsförmåga kunde vi konstatera att antalet satellitceller ökade
med 29%. Hittills har det enbart visats
att antalet satellitceller kan öka med
styrketräning, men att det också sker
förändringar till följd av uthållighetsträning hos äldre är ny kunskap. Att
trampa på cykeln med en viss intensitet hos äldre är kanske tillräckligt för
att aktivera dessa celler och förbättra
muskelfunktionen. Musklerna behöver alltså inte utsättas för särskilt stor
belastning för att depåerna av satellitceller ska påverkas.
Myofibriller
Muskelfiber
Figur 1. Schematisk bild över satellitcellers placering i muskelfibern.
Satellitcell
Figur 2. Åskådliggörande av satellitceller i muskelbiopsier. Satellitceller färgas grönt med hjälp av
en specifik markör (NCAM, Neural Cell Adhesion Molecule). Fibermembranet färgas rött med hjälp
av en annan specifik markör (Laminin).
satellitcellen. Tydligast går det att se
satellitceller med hjälp av elektronmikroskopi. Men flera forskare har börjat
utveckla tekniker som enbart markerar
satellitceller, vilket gör det möjligt att
rutinmässigt urskilja satellitceller och
kärnor med hjälp av ljusmikroskopi.
Ett exempel är användandet av markörer som specifikt färgar satellitceller i
muskelbiopsier.
V. Satellitceller och normal daglig
aktivitet
Normal och frekvent användning av
muskler är avgörande för bibehållande
av normal muskelstorlek och funktion.
Muskelavlastning, som till exempel
vid långvarig sängvila eller gipsför-
band leder till försämrad muskelstyrka
och i värsta fall till muskelförtvining.
En kraftig minskning av fiberarean
inträffar samtidigt som tillväxtprocesserna upphör. I samma muskler har en
markant nedsatt förmåga till celldelning hos satellitceller observerats.
Parallellt med nedsatt celldelningsaktivitet sker en minskning av antalet
satellitceller. Satellitceller återgår till
normal funktion efter ca 2 veckors
normal användning av musklerna och
har således en mycket stor förmåga
att snabbt anpassa sig till ökad eller
nedsatt aktivitetsnivå. Att musklerna
används dagligen är alltså viktigt för
att uppehålla en funktionell status hos
satellitcellerna.
VI. Styrketräning och satellitceller
Muskeln ökar i styrka och storlek
vid styrketräning. En liten ökning
av fiberstorlek kan ske utan hjälp av
satellitceller eftersom befintliga kärnor
i fibern kan öka sin proteinsyntes vid
styrketräning. Vid en större ökning av
fiberstorleken blir satellitceller viktiga
för muskeltillväxten.
Muskelfibrer består bl.a. av ett
flertal proteiner vilka ligger bakom
musklers sammandragningsförmåga
(muskelkontraktion). Vid styrketräning samarbetar dessa proteiner för
att åstadkomma mycket stora krafter,
vilket gör att alla komponenter i en
muskelfiber inklusive satellitceller
utsätts för höga mekaniska påfrestningar. Dessa mekaniska påfrestningar
är en faktor som kan aktivera satellitceller. Styrketräning initierar också
en begränsad inflammatorisk reaktion i
muskeln samt en frisättning av tillväxtfaktorer såsom HGF och IGF-1. Dessa
substanser är också faktorer som kan
orsaka en aktivering av satellitceller.
Aktiveringen av satellitceller följs
av en intensiv fas av celldelning vilket
genererar ett antal dotterceller. Dessa
nygenererade dotterceller kan utvecklas
59
SVENSK IDROTTSFORSKNING NR 3-2003
Mekanisk belastning,
Tillväxtfaktorer,
Signalsubstanser (cytokiner)
Styrketräning
,
aktivering av satellitcellen
Aktiverad satellitcell
Dotterceller
1. Förser fibern med nya kärnor
2. Bildar äggviteämnen och utvecklas till en ny fiber
3. Förblir vilande satellitceller
Figur 3. Satellitcellers funktion vid styrketräning.
på tre olika sätt beroende på styrketräningsintensiteten. Vid 1) en mild
stimulus smälter dotterceller in i den
intilliggande muskelfibern och börjar
fungera som vanliga muskelfiberkärnor. Eftersom kärnor innehåller genetiskt material kan muskelfibern öka sin
förmåga till proteinsyntes. Fibern kan
tillverka nya proteiner och förstärka
sin struktur vilket ger förutsättning
för fortsatt muskeltillväxt vid träning.
Vid 2) mer intensivt stimulus, smälter
dotterceller samman och bildar nya
muskelfibrer som blir funktionella när
de kopplas till nervsystemet, senor
samt får en adekvat blodtillförsel. Om
antalet nybildade fibrer överstiger
antalet eventuella skadade fibrer sker
en ökning av totala antalet fibrer i
muskeln (hyperplasi). Tredje möjligheten är att några dotterceller kan återgå
till det vilande tillståndet och förbli
satellitceller vilket möjliggör förnyelse
av satellitceller. Enbart ett träningspass
kan leda till satellitcellsaktivering och
celldelning. Denna aktivering blir som
högst 24 timmar efter avslutet pass och
sker oavsett om belastningen orsakar
fiberskador eller inte.
VII. Satellitceller och omvandling av
fibertyp vid träning
Skelettmuskler hos människa består
av minst tre typer av fibrer med olika
60
proteinuppsättning: långsamma fibrer
som innehåller myosin typ 1, snabba
fibrer som innehåller myosin typ 2A
och typ 2X. Förutom dessa tre huvudtyper kan det förekomma fibrer som
innehåller två typer av myosin, dessa
kallas därför hybridfibrer: typ 1&2A
och typ 2A&2X. Antalet hybridfibrer
ökar vid träning vilket visar att det
sker en pågående fibertypomvandling.
Teoretiskt, följer fibertypomvandlingen följande sekvens: 1 <->1&2A
<-> 2A <-> 2A& 2X <-> 2X.
Frågan är hur en fiber som alltid
har fungerat som typ 2A fiber kan
omvandlas till en typ 1 fiber? Forskare har observerat att vid fiberomvandlingen som sker vid träning
bildas också nya fiberkärnor. Denna
observation indikerar att satellitceller har aktiverats och levererat nya
kärnor som i sin tur hjälper fibern
att förnya sin proteinuppsättning.
Detta skulle kunna förklara omvandlingen av en snabb fiberprofil till en
långsammare profil. Nya kärnor som
uppkommer från satellitcellsdelning
ger fibern möjlighet att producera nya
proteiner med högt tempo och kan
också frisätta faktorer som omprogrammerar andra befintliga kärnor i
fibern så att de också börjar producera proteiner som passar den nya
fiberprofilen.
VIII. Återuppbyggnad av muskulatur
efter skador
Regenerationsprocessen och satellitceller
Stora påfrestningar kan leda till att
membranet som skyddar muskelfibern
förstörs. Det kan handla om alltifrån
mikroskador till omfattande förstöring
av membranet. Regenerationsprocessen
består av flera faser och leder till reparation av det skadade fibersegmentet
vid mikroskador eller bildandet av helt
nya fiber vid mer omfattande skador.
När membranet skadas, flödar kalciumjoner in i cellen och aktiverar flera
nedbrytande enzymer (phospholipaser,
proteaser), vilket är början till nekrosen (celldöd). Beroende på traumats
omfattning så uppträder nekrosen
inom ett mindre eller större område av
fibern. Alla cellkomponenter som mitokondrier eller myofibriller i det skadade
området bryts sönder och fibern börjar
snabbt tillverka ett membran som separerar den skadade delen från de icke
drabbade delarna av fibern. Detta är en
inbyggd skyddsmekanism som gör att
enbart den del av fibern där membranet
gick sönder bryts ned. Inflammatoriska
celler – neutrofiler, monocyter och
makrofager – invaderar detta område
inom loppet av en till två dagar. Dessa
inflammatoriska celler, som invaderar
skadeområdet efter skadans uppkomst
är mycket viktiga av flera skäl. De
rengör skadeområdet och leder själva
regenerationen genom frisättandet av
flera signalsubstanser (cytokiner) som
reglerar och kontrollerar satellitcellers
aktivering. Utan dessa inflammatoriska celler blir regenerationen mycket
sämre. Inflammationen initierar också
bildning av nya blodkärl som underlättar muskelregenerationen. När det
skadade segmentet av muskelfibern rengjorts, täcks området av fibrös vävnad
som fungerar som en brygga mellan de
friska ej skadade delarna av fibern.
Vid nästa steg gäller det att fylla
bryggan med nya kontraktila proteiner
för att fibern igen skall börja fungera
optimalt. Satellitceller från det skadade
området och från icke skadade områden aktiveras och börjar producera
dotterceller som smälter samman och
bildar en s.k. myotub (omogen fiber)
som fyller den skadade zonen.
Studier har visat att satellitceller
aktiveras redan några timmar efter skadans uppkomst och intensiv celldelning
sätter igång. Cirka fem dagar efter att
skadan har uppstått minskar celldelningsaktiviteten. Slutligen, två till tre
veckor efter skadan, har nya funktio-
SVENSK IDROTTSFORSKNING NR 3-2003
Nedbrytande enzymer
1
2
Trauma
Inflammatoriska celler
Aktivering av satellitcellen
Den nekrotiska delen avgränsas
3
Reparation av det skadade segmentet
Figur 4. Schematisk bild över regenerationsprocessen
nella fibrer byggts upp. I djurmodeller,
där upp till 80% - 90% av muskeln
förstörts, repareras muskeln inom
loppet av två veckor.
Förekomsten av satellitceller är
alltså mycket viktig för regenerationspotentialen i muskulaturen. Träning
kan öka antalet satellitceller vilket
är mycket viktigt eftersom det bör
resultera i en förbättrad förmåga att
reparera fibrer efter eventuella muskelskador.
Behandlingsstrategier vid muskelskada
Vid första fasen av regenerationen
pågår en inflammatorisk process i
det skadade området. En alltför stor
inflammatorisk reaktion kan och ska
förhindras på olika sätt. Till exempel
rekommenderas vila, kylbehandling
och kompression. Kylbehandling
sänker vävnadstemperaturen och leder
till en sammandragning av blodkärlen
i den skadade vävnaden vilket minimerar hematombildning (blödning)
och förhindrar en alltför stor inflammatorisk reaktion. Det är däremot inte
önskvärt att uppnå en alltför låg vävnadstemperatur då detta kan förvärra
skadans omfattning. Det är dock oklart
hur och om kylbehandling påverkar
satellitceller och därmed regenerationsprocessen.
För att besvara frågan har muskelå-
teruppbyggnaden efter skador hos djur
med eller utan kylbehandling studerats.
Resultaten visar att det sker en viss
fördröjning av regenerationen men
annars sågs inga skillnader i slutresultat
mellan kylbehandlade respektive icke
kylbehandlade muskler. Kylbehandling
är kanske därför mer effektivt som
smärtreducerande medel än som medel
för att påskynda återuppbyggnaden.
Vad gäller terapeutiskt ultraljud så
har det visats att det ökar aktiveringen
av både satellitceller och av fibroblaster
(celler ansvariga för bildning av fibrös
vävnad). Ökad aktivering av satellitceller påverkar dock inte signifikant
bildandet av nya fibrer. Däremot
resulterar en ökad aktivering av fibroblaster till en överdriven tillverkning av
kollagenstrådar (bindväv), vilket inte är
önskvärt.
Många frågor gällande satellitcellers
roll vid regenerationsprocessen och hur
de påverkas av olika behandlingsstrategier är ännu idag obesvarade. Mer
forskning kring dessa celler är en förutsättning för att bättre kunna lägga upp
tränings- och rehabiliteringsprogram.
av deras potentiella användning som
botemedel mot vissa muskelsjukdomar.
Cellerna kan lätt isoleras från levande
muskler, odlas och sedan fortsätta
fungera när de återimplanteras i muskler. Implanterade satellitceller har sedan
lätt att smälta samman med befintliga
muskelfibrer. På så sätt är det möjligt
att i en muskel som saknar ett visst
protein, tillföra nya friska satellitceller
vilka ger muskeln möjlighet att själv
börja tillverka det saknade proteinet.
Fawzi Kadi, Med Dr, Docent.
Institutionen för Idrott och Hälsa
Örebro Universitet, 701 82 Örebro
Tel: 019 301160/ Fax: 0119 303486
[email protected]
Litteratur
Bischoff R. The satellite cell and muscle
regeneration. In A. G. Engel, C. Franzini-Armstrong (Myology). New York: McGraw-Hill,
1994;97–118
Charifi N, Kadi F, Feasson L, Denis C.
Effects of endurance training on satellite
cell frequency in skeletal muscle of old men.
Muscle Nerve 2003; 28:87-92.
Kadi F, Charifi N, Denis C, Lexell J. Satellite
cells and myonuclei in young and elderly
women and men. Muscle and Nerve (in press).
Kadi F. Adaptation of human skeletal muscle
to training and anabolic steroids. Acta Physiol
Scand 2000;646:1-52.
Kadi F, Thornell LE. Concomitant increases in
myonuclear and satellite cell content in female
trapezius muscle following strength training.
Histochem Cell Biol 2000;113:99-103.
Mauro A. Satellite cells of skeletal muscle
fibers. J Biophys Biochem Cytol 1961;9:493495
McCormick KM, Schultz E. Role of satellite
cells in altering myosin expression during
avian skeletal muscle hypertrophy. Dev Dyn
1994;199: 52-63.
Rantanen J, Thorsson O, Wollmer P, Hurme
T, Kalimo H. Effects of therapeutic ultrasound
on the regeneration of skeletal myofibers after
experimental muscle injury. Am J Sports Med.
1999; 27: 54-59.
Schultz E, McCormick KM. Skeletal muscle
satellite cells. Rev Physiol Biochem Pharmacol
1994;123:213-257.
White T, Esser K. Satellite cell and growth
factor involvement in skeletal muscle growth.
Med Sci Sports Exerc 1989; 21:S158-S163.
Satellitcellers roll vid behandling av
muskelsjukdomar
Under de senaste åren har satellitceller
i skelettmuskulaturen blivit ett mycket
populärt forskningsområde på grund
61
