I denne kontekst, spiller muskel-specifikke stamceller (også kendt som satellit celler) en central rolle i regulering af muskelmasse og integritet. Indledningsvist en kort introduktion til musklernes opbygning, for at sætte scenen for forskningsfeltet;

• Skeletmuskulatur er iblandt kroppens mest komplekse, dog også mest velorganiserede vævstyper. Vores muskler er omgivet af en ydre hinde med sener i hver ende, som hæfter til forskellige knogler, der spænder henover mindst ét led.
• Hele muskler er yderligere inddelt i fascikler, udgjort af bunder af muskelfibre (sidestillet med muskelceller). Disse indeholder musklernes egentlige kontraktile elementer, og er således alle orienteret parallelt med musklens trækretning.
• Muskelfibrene har forskellige kontraktions egenskaber, afhængigt af bl.a. deres molekylære sammensætning af energi-skabende filamenter, hvormed de kan karakteriseres på et kontinuum fra langsomme og udholdende type I-fibre til hurtige og eksplosive type IIx-fibre, kort fortalt.
• Muskelfibrene er omgivet af membranstrukturer, der forbinder dem til hinanden samt transmitterer sammentrækningskraften under kontraktion fra de enkelte muskelfibre via fasciklerne og videre ud til senerne.

Den del af træningsfysiologisk forskning, der vedrører muskel satellitcelle respons og biologi, finder selvsagt sted på det cellulære niveau. Dette indbefatter udtagning af muskelvævsprøver (biopsier) i forbindelse med humane studier, eller udtagning af hele muskler fra mindre forsøgsdyr. Hermed tillades en række forskellige analyser, der kan give indsigt i stamcelle funktionen. Mest udbredt analyseres muskelpræparaterne ved brug at immunhistokemi; en metode hvor de nedfrosne biopsier skæres i skiver af 7-10 mikrometers tykkelse, hvorefter de lægges på glasplader og behandles med en række forskellige antistoffer, som tillader visualisering af specifikke molekylære strukturer under belysning med forskellige bølgelængder i et avanceret lysmikroskop. I figur 1 ses et eksemplarisk tværsnit af en human muskelbiopsi. Af 1C fremgår muskelcellernes ekstremt velorganiserede struktur, med enkelte muskelceller afgrænset som typisk femeller sekskantede celler adskilt af membranstrukturer.

Noter til figur 1
Normalvist vil de forskellige cellulære strukturer fremstå i forskellige farver. Som i tilfældet på indsatte billede 1A = satellitceller; røde prikker // 1B = cellekerner; blå prikker // 1C & 1D = type I fibre; grønne / type II fibre; sorte / cellekerner; blå / satellitceller; lyserøde / muskelfibermembran; neon grøn.

Muskelceller er, til sammenligning med andre celletyper i kroppen, gigantiske i størrelse. Typisk findes de i omegnen af 50-100 mikrometers tykkelse og er op til flere centimeter lange – groft talt kan man mht. størrelse sammenligne dem med menneskehår. Muskelcellernes størrelse, nødvendiggør at de har flere cellekerner til at varetage de processer der skal til for at fungere planmæssigt, herunder proteinsyntese. Muskelcellen er således et syncsytium, dvs. en sammensmeltning af flere hundrede celler og har derfor multiple cellekerner (myonuklei). Af figur 1D fremgår flere cellekerner, identificeret som intense hvide prikker, i tilknytning til hver enkelt muskelfiber. Cellekernerne varetager således proteinsyntesen for en afgrænset del af den samlede muskelcelles cytoplasma. I praksis opgøres dette afgrænsede område som et tværsnitsareal pr. cellekerne, og betegnes som det myonuklære domæne.

Satellitcelle biologi
Muskel stamcellerne blev opdaget ved et tilfælde i begyndelsen af 1960’erne af Dr. Alexander Mauro. Ved inspektion at muskelvævsprøver med elektronmikroskopi bemærkede han en gruppe af celler, der lå i tæt tilknytning til muskelfibrene, men indskudt imellem den tosidede membran der omgiver fibrene. Deres atypiske anatomiske placering i periferien af muskelfibrene gav ophav til deres udbredte angivelse som satellitceller. Desuden er satellitcellerne typisk tæt forbundet til kapillærerne, hvorfra de modtager store dele af de nødvendige næringsstoffer og signalmolekyler. Ved analyse af muskeltværsnit under lysmikroskop som vist i figur 1, identificeres satellitceller ved co-lokalisation af Pax7 transskriptionsfaktoren (generel markør for stamceller, figur 1A) og DAPI (generel markør for DNA-strukturer, figur 1B). I ovenstående eksempel markerer de to pile tilstedeværelsen af satellitceller (figur 1D). I humane muskler vil man typisk finde satellitceller i tilknytning til 5-20% af muskelfibrene på et muskeltværsnit, og det er anslået at omtrent 3-5% af en muskelfibers samlede antal cellekerner er udgjort af satellitceller. I deres basaltilstand findes satellitcellerne i et hvilende stadie af celle-cyklus, men kan aktivers som følge af enden mekanisk stimulus (eg. træning og/eller vævsskade) eller på baggrund af blodbårne signalstoffer og molekyler (eg. vækstfaktorer, cytokiner eller hormoner). Ved aktivering indtræder satellitceller i celle-cyklus og giver således ophav til to nye datterceller. Dattercellerne kan videre uddifferentieres til en form for forstadie til muskelceller eller forblive som satellitceller og vende tilbage til det hvilende stadie. De datterceller, som uddifferentieres, kan enden fusionere med andre differentierede celler og tilgå regenerative processer eller fusionere direkte med allerede eksisterende muskelfibre for at bidrage til et vækstrespons ved at “donerer” sin cellekerne og herved indgå i muskelcellen som en myonuklei. De eksakte mekanismer, som afgør om satellitcellerne uddifferentieres eller ej er stadig ukendte. Men det er hensigtsmæssigt ud fra et evolutionært synspunkt at dattercellerne har muligheden for at vende tilbage til status som satellitceller af hensyn til ikke at udtømme puljen af delings-pararte stamceller. Tidligere har man tænkt satellitcellernes hvilende stadie som en passiv tilstand, men den seneste forskning antyder at det er en meget nøje reguleret systemisk påvirkning, der afholder cellerne fra at dele sig sporadisk. En lang række af blodbårne molekyler spiller en rolle for at holde satellitcellerne hvilende, blandt andet har den negative regulator af muskelmasse myostatin en påvirkning af cellerne, der holder dem i bero for celledeling.

Muskelfiber regeneration
Fra studier på dyr har man slået fast at funktionelle satellitceller er strengt nødvendige for muskelfibrenes evne til at regenerere efter vævsskade. Man har udviklet nogle transgene mus, hvis satellitceller udtrykker særlige genetiske markører, som gør det muligt at blokere cellernes indtrædelse i celle-cyklus ved aktivering under indgivelse af et særligt stof, kaldet Tamoxifen. I studier har man således induceret muskelskade på to grupper af transgene mus, hvoraf den ene gruppe har dysfunktionelle satellitceller. Ved undersøgelse af muskelintegriteten syv dage efterfølgende vævsskade har man konsekvent fundet at mus med funktionelle satellitceller genvinder muskelcelleorganisationen, hvorimod muskler fra mus uden funktionsdygtige satellitceller ikke regenerere overhovedet. Modellerne brugt til at inducere vævsskade i denne type forsøg er ret ekstreme – sædvanligvis har man brugt intramuskulær indsprøjtning af giftige kemikalier, trykskade eller forbrænding. Tilsvarende studier, kan naturligvis ikke gennemføres på mennesker af etiske årsager. Dertil kommer, at det ikke er muligt på samme måde at “slukke” for satellitcellefunktionen i humane studier, hvormed studierne bliver en anelse mere deskriptive.

Når man har undersøgt satellitcelleaktivering som respons til muskelskade hos mennesker har man udsat forsøgspersoner for uvant arbejde og/eller maksimale excentriske muskelkontraktioner, der er påvist særligt effektive til at inducere mikroskader på muskelfibermembranen. Ved analyse af muskelbiopsier i dagene efterfølgende beskadigende muskelaktivitet finder man betragtelige stigninger i antallet af aktive satellitceller i tilknytning til muskelfibrene allerede 24 timer efter afslutningen af muskelarbejdet.

Denne stigning i stamcelleaktivitet er identificerbar helt op til en uges varighed efter det beskadigende stimuli, men opnår typisk et maksimum imellem 48-72 timer. Benævnelsesværdigt, har et nyere studie undersøgt den regenerative respons til 300 maksimale excentriske muskelkontraktioner og fandt en selektiv stigning på 73% i antallet at satellitceller forbundet til type II muskelfibre, hvorimod ingen ændring blev rapporteret i type I fibre.

Dette antyder at satellitcelle responset til beskadigende stimuli er forbundet med en vis fibertypespecificitet. Der er stor variation på den procentuelle stigning i satellitcelleantal imellem eksisterende humane studier, hidtil er der rapporteret stigninger på 25-155% fra udgangspunktet indenfor de første 24 timers regeneration. Disse divergerende fund kan formentlig tilskrives forskelle i omfanget af den inducerede vævskade afhængigt af stimulationsprotokol, samt inter-individuel variation imellem forsøgspersoner.

Blandt andet, er det et valideret fund at responsparatheden af satellitcellerne er aftagende med alderen. I et studie udsatte man mænd i to aldersgrupper (unge: 23-35 år // ældre: 60-75 år) for samme vævsskadende kontraktionsprotokol, og 24 timer efter skadesinduktion var antallet af satellitceller steget med 141% hos unge versus 51% hos ældre.

Her er det vigtigt at understrege at de to aldersgrupper havde et ens udgangspunkt mht. satellitcelleantal forinden muskelarbejdet. Den sænkede aktivitet af satellitceller med stigende alder er blandt andet dikteret at en øget påvirkning af netop myostatin.

Satellitceller & Træningstilpasninger
Styrketræning
En af de grundlæggende fysiologiske tilpasninger til konventionel styrketræning er forøgelse af muskelmasse. I skeletmuskulatur er der ikke belæg for at konkluderer at tilvæksten i muskelmasse som respons til styrketræning skyldes en forøgelse i antallet af muskelfibre, i stedet vokser de eksisterende muskelfibre og bliver således tykkere i diameter. For at dette kan lade sig gøre skal der være
en positiv netto-balance i proteinsyntesen, dvs. at raten for tilbygningen af nyt muskelprotein skal overstige raten af muskelprotein nedbrydning. Proteinsyntesen er beroende på to overordnede mekanismer;

• Transskription – oversættelsen af DNA til mRNA (aminosyre-koden for protein). Denne proces finder eksklusivt sted i cellekernen.
• Translation – oversættelse af mRNA til færdigt nydannet protein. Denne proces finder sted i ribosomerne, der er placeret i nær tilslutning til cellekernen.

Den totale muskelproteinsyntese er således per definition et produkt af antallet af cellekerner (den transskriptionelle kapacitet) og hver enkelt muskelfibers evne til at omsætte mRNA til protein (den translationelle kapacitet). Dette er skematisk præsenteret i figur 2.

Som beskrevet tidligere, er en af satellitcellernes centrale egenskaber at de kan donere deres kerne til at blive en ny myonuklei, hvormed den transkriptionelle kapacitet øges og den molekylære basis for proteinsyntese forbedres.

Dog tyder det på, i modsætning til muskelfiber regeneration, at satellitceller ikke er nødvendige for muskelvækst. I dyrestudier, med de samme transgene mus som beskrevet ovenfor, har man vist at mus med dysfunktionelle satellitceller oplever samme muskelvækst som almindelige mus i respons til 6 ugers muskulær overbelastning. Dette antyder at muskelfibre har evnen til at vokse uafhængigt af stamcellefunktionen. Dette, i kombination med studier, der påviser at enkelte styrketræningspas kan øge muskelproteinsyntesen uden samtidig forøgelse i antallet af cellekerner førte til konklusionen at eksisterende fibre kan øge deres translationelle effektivitet tilstrækkeligt til at understøtte betragtelig muskelvækst.

Ved gentagelse af studiet på transgene mus nogle år senere var udfaldet dog et andet. Denne gang forlængede man den muskulære overbelastning periode yderligere to uger, og fandt en signifikant forskel i forøgelsen af muskelfibrenes tværsnitsareal favoriserende musene med normal satellitcellefunktion.

Resultaterne indikerede samtidig at forskellen i muskelvækst imellem de to typer af mus primært kunne tilskrives en stigning i antallet af myonuklei hos de normale mus, hvormed den transkriptionelle kapacitet for proteinsyntese øgedes. Sammenfattende tyder det altså på, at muskelfibre til en vis grænse kan optimere proteinsyntesen tilstrækkeligt til at understøtte muskelvækst, men at yderligere vækst kræver inkorporering af nye cellekerne for at øge basis for tilbygningen af yderligere protein. Dette er bekræftet af deskriptive humane studier, hvor man finder en stærk positiv sammenhæng imellem muskelfiber størrelse og antallet af cellekerner i tilknytning til fibrene, som vist i figur 3.

På basis af en sammenfatning af humane træningsstudier, der har undersøgt cellulære væksttilpasninger i respons til styrketræning, tyder det på at ændringer i muskeltværsnitsareal på > 25% kræver mobilisering af satellitcellerne og indbygning af flere myonuklei. Analogt, er det et konsistent fund i styrketræningsfysiologien, at der findes et øvre loft for det myonuklære domæne på omtrent 2200 mikrometer pr. cellekerne. Denne domæne størrelse lader altså til at være den maksimale, hvormed yderligere muskelfibervækst kræver donation af nye myonuklei for at kunne bevare domænet rimeligvis konstant. Som vist i figur 4, kan progressiv træning altså føre til et vækstrespons af muskelfibrene akkompagneret med en stigning i antallet at cellekerne.

Man regner med at den gennemsnittelige myonuklei har en levetid på 5-15 år. Således vil man altså formentlig bevare den forøgede basis for muskelproteinsyntese i flere år efter træningsophør. I længere perioder uden træning, når netto-balancen i proteinsyntese omvendes, ser man altså at muskelfibertværsnittet vil reduceres uden samtidig bortgang af cellekerner.

I disse tilfælde er vejen til forøgelse af muskelmassen via re-træning hurtigere – et fænomen bedre kendt som “muskel hukommelse”. Dette bør have implikationer i forbindelse med sanktionerne imod topatleter ved misbrug at exogene stoffer (anabole steorider, væksthormon, etc.) til at fremme muskelmassen.
Ligesom det er tilfældet med regeneration, findes der også stor variation indenfor satellitcelle-antal og respons imellem forskellige individer. Et stort styrketræningsstudie undersøgte effekten af 16 ugers tung varieret styrketræning i en population af både mænd og kvinder i alderen fra 20-80 år. På baggrund af forsøgspersonernes procentuelle ændringer i muskelfibertværsnitsareal inddelte man dem i tre subgrupper efter deres responsivitet til træningen. Her fandt man, at den tredjedel af forsøgspersonerne der responderede kraftigst på træningen ikke alene havde markant flere satellitceller ved udgangspunktet, men også at de var markant bedre til at aktiverer deres satellitceller og inkorporere dem som myonuklei i deres muskelfibre. Det var fortrinsvist unge raske mænd der udgjorde størstedelen af den mest responsive gruppe, hvorimod gennemsnitsalderen for dem, der responderede mindst var noget højere.

Aerob træning
Satellitcellers betydning i forbindelse med aerobe træningsstrategier er hidtil meget sparsomt undersøgt. Dette skyldes primært at sådanne træningsformer ikke er forbundet med hverken muskelskade eller et betragteligt vækstrespons. Ikke desto mindre, har man i flere dyrestudier observeret et højere antal satellitceller i mus med fri adgang til løbehjul kontra stillesiddende mus, hvilket tyder på at aerob træning har en positiv effekt på satellitcellefunktionen.

De eksakte mekanismer herfor er ikke kortlagte, men med samtidig stigning i antallet af kapillærer imellem muskelfibrene hos udholdenhedstrænede mus, kan man forestille sig at det systemiske miljø, der omgiver satellitcellerne, bliver mere gunstigt i forhold til leverance af næringsstofferne til stamcellerne.
Som beskrevet indledningsvist findes muskelfibre på et kontinuum fra type I-til type IIx-fibre. Med længerevarende aerob træning har man observeret en forskydning i fibertype-kompositionen i retning af de mere udholdende type I-fibre og en samtidig reduktion i antallet af type II-fibre. Dette foreslår, at nogle type II fibre undergår en form for fibertypeskift og bliver til type I fibre. I de ganske få humane studier, der undersøger satellitcellers betydning for det cellulære respons til aerob træning, har man brugt høj-intense intervalbaserede træningsprotokoller af 6-10 ugers varighed. Her har man fundet et stigende antal af hybrid muskelfibre efter træningsperioden, dvs. muskelfibre der udtrykker karakteristika normalvist kendt for både type I- og type II fibre – potentielt fibre der er ved at undergå den beskrevne transition fra type II til type I.
Antallet af satellitceller tilknyttet disse hybrid fibre har ligeså været forhøjet som følge af aerobe træningsinterventioner. Dette kunne antyde at satellitcellerne har en væsentlig betydning, ikke kun for vækstog/eller regenerationsrespons, men også remodellering af de enkelte muskelfibres fænotype. Fremtidig forskningsprojekter til undersøgelse af satellitcellers betydning for non-vækst muskelcellulære tilpasninger til træning er tiltrængte.

Konklusion
Satellitceller spiller en væsentlig rolle for såvel musklernes respons til forskelligartet træning som for regeneration af muskelvæv. Graden af nødvendighed af funktionsdygtige satellitceller er med til at understrege forskellen af cellernes betydning for hhv. regeneration og muskelvækst – satellitcellerne er uundværlige for at muskelfibre kan regenerere imens muskelfibre kan stimuleres til en vis grad af vækst igennem mekanismer der ikke påkræver satellitcelleaktivering.
Generelt ses en nedsætning af satellitcellefunktionen med alderen, hvilket kan være en væsentlig forklaring på aldersbetinget tab af muskelmasse samt udvikling af det uhensigtsmæssige forfald af muskelsundhed, som nogle individer oplever med stigende alder. En dybere forståelse at de underliggende mekanismer for satellitcelleaktivering vil kunne bidrage til udvikling af terapeutiske strategier specifikt målrettet satellitcellerne for at imødekomme henfald af muskelmasse og kvalitet.

Litteratur

• Cermak, N. M., Snijders, T., McKay, B. R., Parise, G., Verdijk, L. B., Tarnopolsky, M. A.,… Van Loon, L. J. (2013). Eccentric exercise increases satellite cell content in type II muscle fibers. doi: 10.1249/ MSS.0b013e318272cf47
• Dreyer, H. C., Blanco, C. E., Sattler, F. R., Schroeder, E. T., & Wiswell, R. A. (2006). Satellite cell numbers in young and older men 24 hours after eccentric exercise. doi:10.1002/mus.20461
• Joanisse, S., McKay, B. R., Nederveen, J. P., Scribbans, T. D., Gurd, B. J., Gillen, J. B.,… Parise, G. (2015). Satellite cell activity, without expansion, after nonhypertrophic stimuli. doi:10.1152/ajpregu.00249.2015 Petrella, J. K., Kim, J. S., Mayhew, D. L., Cross, J. M., & Bamman, M.
• M. (2008). Potent myofiber hypertrophy during resistance training in humans is associated with satellite cell-mediated myonuclear addition: a cluster analysis. doi:10.1152/japplphysiol.01215.2007
• Fry, C. S., Lee, J. D., Jackson, J. R., Kirby, T. J., Stasko, S. A., Liu, H.,… Peterson, C. A. (2014). Regulation of the muscle fiber microenvironment by activated satellite cells during hypertrophy. doi:10.1096/fj.13239426