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



 

©РАН 2022