Ученые выявили новый механизм поддержания структуры мышц при действии опорного стимула даже в условиях имитируемой невесомости
08.12.2021
Ученые из Института
медико-биологических проблем РАН и Института теоретической и экспериментальной
биофизики РАН исследовали изменения молекулярной организации скелетных мышц в
условиях имитируемой невесомости с помощью подошвенной стимуляции. Такая
стимуляция была предложена еще в 70-е годы XX века
выдающимся российским физиологом профессором И.Б. Козловской, разработавшей
теорию опорной афферентации, но молекулярно-биологические эффекты этого
воздействия стали изучаться российскими учеными только в последние годы. Эти
исследования перспективны для создания методов немедикаментозной
восстановительной медицины. Результаты одного из недавних исследований только
что опубликованы в FASEB
journal.
Проблема
изучения изменений в различных органах и системах животных и человека в
отсутствии гравитации является актуальной, несмотря на то, что полеты в космос совершаются
уже более 60 лет. Известно, что в условиях невесомости происходит атрофия
скелетных мышц, поэтому космонавтам жизненно необходимы тренировки в условиях
полета. Интересным является тот факт, что разные мышцы подвержены атрофии в
разной степени. Наиболее сильно страдают так называемые «медленные» мышцы, к
которым относятся глубокие мышцы спины, поддерживающие вертикальное положение
человека, а также камбаловидная мышца голени.
Камбаловидная
мышца является гравитационно-зависимой, т.е., эта мышца не работает в отсутствие
опоры. Именно поэтому эта мышца является наиболее интересной и удобной для
моделирования и изучения атрофических процессов в мышцах при действии
микрогравитации, т.е., в условиях отсутствия опоры.
Коллективы
авторов из ГНЦ РФ – ИМБП РАН и ИТЭБ РАН давно занимаются изучением изменений в мышцах
при моделировании гравитационной разгрузки. Ученые из ГНЦ РФ – ИМБП РАН использовали
модель вывешивания по методу Ильина-Новикова: крыс подвешивали за хвост к
потолку клетки таким образом, чтобы они могли свободно перемещаться по клетке
на передних лапах, но задние лапы не касались пола. В течение 7 суток происходила
значительная атрофия камбаловидной мышцы задних конечностей животных. Атрофия
проявлялась как на физиологическом уровне (в снижении силы, работоспособности,
пассивной жесткости мышцы, уменьшении площади поперечного сечения мышечных
волокон), так и на молекулярном (наблюдалось увеличение доли «быстрых» волокон,
снижалась интенсивность синтеза белка, уменьшался объем митохондрий, происходила
активация кальпаиновой системы, приводящая к разрушению гигантских белков титина
и небулина, образующих «каркас» саркомера).
«В
представленном исследовании мы с коллегами из ИТЭБ РАН попытались проанализировать
эффекты активации опорной афферентации методом имитации ходьбы – подошвенной
механической стимуляции на фоне опорной разгрузки. Известно, что один из важных
факторов, обуславливающих изменения цитоскелетных белков в условиях
безопорности – это активация кальций-зависимых протеаз кальпаинов. Их
содержание в мышцах весьма значительно, а мышечные цитоскелетные белки, в
первую очередь титин и небулин подвержены распаду под их действием. Как мы показали,
такой распад при вывешивании крыс приводит к глубокому снижению мышечной
жесткости, тонуса. Следовательно, для предотвращения атрофических процессов в
мышцах при микрогравитации нужно применить ингибирование кальпаинов. Одним из
ингибиторов кальпаинов является оксид азота-II (NO), и раньше мы показали, что
увеличение его выработки действительно предотвращает мышечную атрофию. А
недавно учеными ИТЭБ РАН было установлено, что оксид азота также способствует
экспрессии титина в условиях безопорности.
В
этой работе мы использовали 4 группы животных: контроль, группа вывешивания,
группа вывешивания с подошвенной механической стимуляцией, группа вывешивания с
подошвенной механической стимуляцией и инъекциями L-Name. L-NAME ингибирует
NO-синтазу,
катализирующую синтез эндогенного оксида азота (II). Таким образом, мы предположили,
что подошвенная стимуляция, будет способствовать выработке оксида азота и, тем
самым, способствовать предотвращению атрофии», – рассказали соавторы статьи, младший
научный сотрудник Лаборатории структуры и функций мышечных белков ИТЭБ РАН Анна
Уланова и заведующий лабораторией миологии ГНЦ РФ ИМБП РАН профессор Борис Стивович
Шенкман.
«В
группе вывешивания, как и ожидалось, мы с коллегами получили все признаки
атрофии: уменьшение массы мышцы, площади поперечного сечения волокон,
увеличение доли «быстрых» изоформ миозина, деградацию гигантских саркомерных
белков. При этом физиологические исследовуания выявили уменьшение силы и
пассивной жесткости камбаловидной мышцы при вывешивании, тогда как при
подошвенно-механической стимуляции вышеуказанные параметры соответствовали
контрольным значениям, т.е. восстанавливался тонус мышцы. Также было обнаружено,
что подошвенная механическая стимуляция предотвращала уменьшение содержания
ряда мышечных белков, т.е., мы предотвратили развитие атрофии в этой мышце. Однако
все эти положительные изменения не происходили, если под действием ингибитора NO-синтазы уровень оксида азота
оказывался очень низким. Таким образом мы показали, что мышечная активность,
запущенная подошвенной стимуляцией позволяет предотвратить атрофические эффекты
микрогравитации при участии NO-зависимых
механизмов», – дополнили соавторы.
Таким
образом, ученые показали, что подошвенная механическая стимуляция может
предотвращать атрофию мышц в условиях микрогравитации и это действие является NO-опосредованным. Не исключено, что NO-зависимые механизмы играют важную
роль в поддержании нормальной молекулярной структуры опорных мышц при нормальном
стоянии и ходьбе. Важно отметить, что результаты этого исследования могут
использоваться не только для разработки протоколов реабилитации космонавтов после
космических полетов, но и в восстановительном лечении при инсультах, различных
миодистрофиях и других неврологических заболеваниях.
Работа
поддержана государственным заданием ГНЦ РФ ИМБП РАН
Источник: Sergey
A. Tyganov, Ekaterina P. Mochalova, Ivan Y. Melnikov, Ivan M. Vikhlyantsev,
Anna D. Ulanova, Kristina A. Sharlo, Timur M. Mirzoev, Boris S. Shenkman. NOS-dependent effects of plantar mechanical
stimulation on mechanical characteristics and cytoskeletal proteins in rat
soleus muscle during hindlimb suspension. The FASEB journal, 2021 https://doi.org/10.1096/fj.202100783R
https://faseb.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1096/fj.202100783R
Материал подготовила: Алсу Дюкина
Пресс-служба ИТЭБ РАН, iteb-press@yandex.ru