Zielsetzung: Verletzungen der Skelettmuskulatur sind sehr häufig, da sie nicht
nur direkt aus einer Verletzung resultieren, sondern auch durch iatrogene
Beschädigungen des Muskels während verschiedener operativer Eingriffe (z.B.
Hüft- bzw. Knie-Ersatz- Operationen) hervorgerufen werden. Die begrenzte
Regenerationsfähigkeit des verletzen Muskels schränkt die generelle Funktion
des Gewebes ein und führt dadurch zu unbefriedigenden Heilungsergebnissen bei
den betroffenen Patienten. Gegenwärtig gibt es keine Behandlungsansätze in der
klinischen Anwendung, welche die Regeneration von kontraktilem Muskelgewebe
ermöglichen. In Vorarbeiten konnten wir jedoch im Tiermodellen und im Menschen
zeigen, dass Zell-basierte Strategien in der Lage sind die Regeneration von
verletztem Skelettmuskel substantiell zu verbessern. Neben einem
unvollständigen Verständnis der exakten Mechanismen durch welche die
verwendeten Zellen die Muskelfunktion wiederherstellen, besteht ein Mangel an
verlässlichen Markern zur akkuraten Unterscheidung der verschiedenen
pathologischen Regionen innerhalb des verletzten Muskels. Solche Marker
(Demonstratoren) sind eine der Schlüsselvoraussetzungen für die
Weiterentwicklung, die Stratifizierung und für das Monitoring der Wirksamkeit
unserer experimentellen Zell-basierten Therapien zur Verbesserung der
Muskelheilung.Non-target–Proteomanalysen, wie beispielsweise 2D-
Gelelektrophorese (2DE) oder Flüssigkeitschromatographie (LC) basierter
Massenspektrometrie (MS), sind ein viel versprechender Ansatz zur
Identifizierung von neuen therapeutischen Targets und Markern zur
Charakterisierung von pathophysiologische Prozessen. Allerdings ermöglichen
diese Methoden nicht die räumliche Unterscheidung der pathophysiologischen
Regionen. Die in situ Analyse, mittels kombinierter non-target Proteomanalyse
und bildgebender Massenspektrometrie, erscheint daher ein vielversprechender
Ansatz für die Identifizierung neuer Marker für die Lokalisation der
unterschiedlichen pathologischen Regionen in traumatisierten Skeletmuskulatur
zu sein. Experimentelles Design: Mit Hilfe der (i) bildgebenden
Massenspektrometrie auf Basis der Matrix-unterstützten Laser-
Desorption/Ionisation (MALDI Imaging), zur direkten (in situ) Analyse von
Proteinen/Peptiden im Gewebe, und (ii) komplementärer bottom-up
Massenspektrometrie (LC-MS/MS) zur die Proteinidentifizierung, wurden die
charakteristischen pathophysiologischen Veränderungen in Formalien-fixiertem
und Paraffin eingebettetem verletzten Skelettmuskulatur untersucht (Tiermodel;
Ratte). Identifizierte charakteristische Proteinmarker wurden anschließend
mittels Immunhistologischer Färbung validiert. Ergebnisse: Alpha skeletal
muscle actin (Acts) und Carbonic anhydrase 3 (Ca3) wurden als
vielversprechende neue Biomarker für die Diskriminierung der
pathophysiologischen Regionen, Trauma und Trauma umgebenden Gewebe,
identifiziert und validiert.Purpose: Skeletal muscle injuries are extremely common, since they do not only
result directly from an injury, but also from iatrogenic muscle damage
enduring various surgical procedures (e.g. hip or knee replacement surgery).
The limited regeneration of the injured skeletal muscle is clinically
challenging, compromises the general tissue function and results in
unsatisfying outcome for the affected patients. To date, no treatment approach
exists in clinical use, which allows the regeneration of contractile muscle
tissue. However, our previous work demonstrates that cell-based strategies are
able to enhance the regeneration of skeletal muscle in animal models and
humans. A part from an incomplete understanding of the exact mechanisms by
which specific cells promote restoration of skeletal muscle function; there is
a lack of reliable markers to discriminate accuraty the different
pathophysiological regions within the injured muscle. Such markers are one key
requirement for the further development, risk stratification, and the
monitoring of efficacy of experimental cell-based therapies aiming to enhance
muscle healing. Non-targeted proteome methodologies, such as gel-
electrophoresis (2DE) or liquid chromatography (LC) combined with mass
spectrometry (MS), are promising to reveal new pathophysiological-related
markers and therapeutic targets. However these methodologies give little
knowledge about the actual spatial distribution of pathophysiological changes.
Therefore, in situ analysis, by using a combination of non-targeted proteomic
approaches and imaging mass spectrometry, seems to be a promising approach to
identify such novel markers for the localization of the different
pathophysiological regions in traumatized skeletal muscle. Experimental
design: Matrix-assisted laser desorption/ionization imaging mass spectrometry
(MALDI-IMS) for direct (in situ) peptide signature analysis and subsequent
bottom-up mass spectrometry (LC-MS/MS) were used to identify proteins, which
describing the spatial characteristics of pathophysiological changes in
injured rate skeletal muscle tissue. The results were validated by
immunohistochemistry staining. Results: Alpha skeletal muscle actin (Acts) and
carbonic anhydrase 3 (Ca3) were identified and validated as promising novel
biomarkers to discriminate the primary trauma and trauma adjacent region
within the muscle tissue.Conclusions and clinical relevance: This is the first
study showing that tissue-based proteomic profiling by the non-target
approaches MALDI-IMS and subsequent“bottom up” LC −MS/MS analysis is a
suitable method to identify proteomic (bio) markers and to discriminate
pathophysiological alterations between the primary trauma and trauma adjacent
muscle. We propose that the presented workflow provides the basis for
monitoring and stratification of (cell-based) therapeutic approaches aiming to
improve muscle healing
