КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 22-75-00065
НазваниеОсобенности атрофических процессов в постуральных и локомоторных скелетных мышцах человека при антиортостатической гипокинезии
РуководительБелова Светлана Павловна, Кандидат биологических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Государственный научный центр Российской Федерации - Институт медико-биологических проблем Российской академии наук, г Москва
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2022 - 06.2024 |
Конкурс№70 - Конкурс 2022 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Область знания, основной код классификатора 05 - Фундаментальные исследования для медицины, 05-104 - Физиология
Ключевые словаатрофия мышц, постуральные и локомоторные мышцы, антиортостатическая гипокинезия, протеолиз, анаболический сигналлинг
Код ГРНТИ76.03.53, 76.29.40, 76.35.29
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Исследование молекулярных механизмов развития мышечной атрофии является актуальной задачей современной миологии.
В связи с урбанизацией, автоматизацией и механизацией труда, тяжелой эпидемиологической обстановкой и самоизоляцией у современного человека снижается уровень ежедневной физической активности. Снижение двигательной активности часто связано с различными патологическими состояниями: сердечно-сосудистые заболевания, онкологические заболевания, переломы конечностей, депрессия и другие заболевания, сопровождаемые постельным режимом. Атрофия мышц, вызванная функциональной разгрузкой, наблюдается у космонавтов в условиях невесомости. В модельных экспериментах на животных мы недавно показали, что ограничение двигательной активности приводит к достоверной атрофии постуральных и локомоторных скелетных мышц уже через 3 недели воздействия (Белова С.П., 2021). Скелетные мышцы образованы «медленными» (I тип) и «быстрыми» (II тип) волокнами, которые располагаются мозаичным образом и различаются функциональными свойствами. Мышцы с преобладанием медленных волокон активны при работе низкой интенсивности и большой продолжительности, например при поддержании позы (постуральные мышцы). Быстрые мышцы участвуют в действиях высокой интенсивности и короткой продолжительности (локомоторные мышцы).
Так как снижение мышечной активности связано с различными патологическими состояниями, а также старением, в литературе трудно разделить эффекты, вызванные непосредственно снижением мышечной активности, и патологиями. Наше исследование позволит в чистом виде, на здоровых добровольцах, оценить эффекты, вызванные снижением двигательной активности в постуральной и локомоторной мышцы в одном эксперименте.
Несмотря на большой объем данных в этой области науки, на сегодняшний день не существует эффективных методов снижения или предотвращения развития негативных изменений в мышцах, вызванных функциональной разгрузкой мышц. Известно, что мышечная атрофия это результат снижения синтеза белка и усиления его распада.
Конкретной задачей проекта является анализ катаболических и анаболических сигнальных событий в постуральной (m.soleus) и локомоторной (m.vastus lateralis) мышцах человека при 21-суточной гипокинезии.
Эксперимент с антиортостатической гипокинезией будет проведен на базе ГНЦ РФ ИМБП РАН. Шестеро здоровых мужчин добровольцев в возрасте 25-35 лет в течение 21 суток будут находиться на строгом постельном режиме с углом наклона -6 градусов (антиортостатическая гипокинезия -АНОГ). Игольчатая биопсия m.soleus и m.vastus lateralis будет проводиться до гипокинезии и на 21 сутки гипокинезии. Взятие проб мышечной ткани будет проводиться методом игольчатой биопсии по Бергстрему (Bergstrom J., 1962). Образцы мышечной ткани будут заморожены в жидком азоте и храниться в холодильнике при -85 градусов.
В ходе реализации проекта будут определены следующие маркеры анаболических сигнальных путей: pAkt, Akt, IRS1, pP70S6k, P70S6k, P-p90RSK, P90RSK, pGSK3b, GSK3b, p4E-BP, 4E-BP, pS6, S6 рибосомальный белок, peEF2, eEF2, c-myc, pre45rRNA, pAMPK, AMPK, pACC, ACC, миостатин. Среди маркеров катаболических сигнальных путей будут проанализированы экспрессия E3-убиквитинлигаз MuRF-1, MAFbx, Cbl-b, транскрипционные факторы, регулирующие их экспрессию - pFoxO3, миогенин, цистеиновая протеаза кальпаин 1, убиквитин, будут определены маркеры аутофагии ULK1, LC3. Также будет определена экспрессия изоформ миозина и белки цитоскелета – десмин, актинин 2, актинин 3, телетонин.
Впервые в одном эксперименте на здоровых добровольцах будет проведено комплексное исследование молекулярных процессов в постуральных и локомоторных мышцах человека при 21-суточной гипокинезии. Впервые в исследованиях на мышцах человека при гипокинезии будет проанализирована постуральная камбаловидная мышца (m.soleus) и значительно расширено количество звеньев анализируемых сигнальных путей.
Ожидаемые результаты
Эксперимент с антиортостатической гипокинезией будет проведен на базе ГНЦ РФ ИМБП РАН. Шестеро здоровых мужчин добровольцев в возрасте 25-35 лет в течение 21 суток будут находиться на строгом постельном режиме с углом наклона -6 градусов (антиортостатическая гипокинезия -АНОГ).
Будут получены образцы мышечной ткани постуральной m.soleus и локомоторной m.vastus lateralis до гипокинезии и на 21 сутки гипокинезии. Взятие проб мышечной ткани будет проводиться методом игольчатой биопсии по Бергстрему (Bergstrom J., 1962). Образцы мышечной ткани будут заморожены в жидком азоте и храниться в холодильнике при -85 градусов до дальнейшего анализа.
В результате реализации проекта будут получены данные по следующим маркерам анаболических сигнальных путей: pAkt, Akt, IRS1, pP70S6k, P70S6k, P-p90RSK, P90RSK, pGSK3b, GSK3b, p4E-BP, 4E-BP, pS6, S6 рибосомальный белок, peEF2, eEF2, c-myc, pre45rRNA, pAMPK, AMPK, pACC, ACC, миостатин. Среди маркеров катаболических сигнальных путей будут проанализированы экспрессия E3-убиквитинлигаз MuRF-1, MAFbx, Cbl-b, транскрипционные факторы, регулирующие их экспрессию - pFoxO3, FoxO3, миогенин, цистеиновая протеаза кальпаин 1, убиквитин, будут определены маркеры аутофагии ULK1, LC3. Также будет определена экспрессия изоформ миозина и белки цитоскелета – десмин, актинин 2, актинин 3, телетонин.
Применяемые в проекте методики широко используются во многих современных лабораториях, что позволяет легко сопоставлять полученные в работе данные с данными литературы. Используемая модель функциональной разгрузки применяется во многих ведущих лабораториях, однако особенности сигнальных событий в постуральных и локомоторных мышцах плохо охарактеризованы. Проведенные нами исследования существенно восполнят этот пробел в данной области мышечной физиологии.
Полученные в работе данные могут найти приложение в реабилитационной медицине, неврологии и геронтологии. На основе этих фундаментальных исследований станет возможна разработка более эффективных препаратов средств профилактики атрофических изменений мышц при их функциональной разгрузке и при различных патологических состояниях, учитывающих сходства и различия сигнальных ответов постуральных и локомоторных мышц.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В первый год реализации проекта был проведен эксперимент с 21-суточной антиортостатической гипокинезией на базе ГНЦ РФ ИМБП РАН. Эксперимент с участием добровольцев был одобрен комиссией по биомедицинской этике ГНЦ РФ ИМБП РАН (протокол № 621). Шестеро здоровых мужчин добровольцев в возрасте 25-35 лет в течение 21 суток находились на строгом постельном режиме с углом наклона –6°. Игольчатая биопсия из постуральной (m.soleus) и локомоторной (m.vastus lateralis) мышц проводилась по методу Бергстрема до гипокинезии и на 21 сутки гипокинезии.
Принято считать, что атрофия является результатом сигнальных и молекулярных изменений двух процессов – синтеза белка и распада белка (протеолиза) (Шенкман Б. С.,2003; Jackman R. W., Kandarian S. C.,2004). Однако, соотношение вклада этих процессов в разных моделях разгрузки и на разных объектах исследования давно является предметом дискуссий, кроме того в модельных экспериментах на животных анализируется основная познотоническая мышца - m.soleus, однако на человеке чаще всего анализируется локомоторная m.vastus lateralis, что затрудняет понимание механизмов атрофических процессов у человека. Целью нашего исследования в рамках первого этапа реализации был анализ анаболических маркеров постуральной (m.soleus) и локомоторной (m.vastus lateralis) мышц человека при 21-суточной гипокинезии.
Методом вестерн блоттинга и ПЦР в реальном времени на m.soleus и m.vastus lateralis были проанализированы и получены результаты по ключевым маркерам анаболических сигнальных путей: pAkt, Akt, IRS1, pP70S6k, P70S6k, P-p90RSK, P90RSK, pGSK3b, GSK3b, p4E-BP, 4E-BP, peEF2, eEF2, eEF2k, c-myc, pre45rRNA, pAMPK, AMPK, pACC, ACC.
По результатам работы сделаны следующие выводы: 1. Снижение размеров волокон при гипокинезии в постуральной m.soleus и локомоторной m.vastus lateralis начинается с медленных волокон. 2.После 21-суточной гипокинезии в постуральной m.soleus наблюдаются более глубокие изменения анаболических маркеров, связанных с эффективностью трансляции (скорость синтеза белка на данной рибосоме). P-P70S6k, p4E-BP1, pAMPK и peEF2 снижались и в m.soleus в и m.vastus lateralis, в то время, как в m.soleus были снижены еще и IRS-1, pAkt, pP90RSK1, pACC. 3.После 21-суточной гипокинезии в локомоторной m.vastus lateralis происходит снижение маркеров биогенеза рибосом с-Myc и 45S pre-rRNA, которые определяют трансляционную емкость (количество рибосом на единицу ткани).
Таким образом, при 21-суточной гипокинезии атрофические процессы затрагивают как постуральные, так и локомоторные мышцы, при этом механизмы снижения синтеза белка различаются: в постуральной m.soleus в большей степени снижена эффективность трансляции, а в локомоторной m.vastus lateralis – трансляционная емкость.
Все запланированные на первом этапе проекта исследования выполнены, полученные результаты представлены на 2 конференциях (Интегративная физиология-2022; Рецепторы и внутриклеточная сигнализация-2023), подготовлена статья в журнале «Авиакосмическая и экологическая медицина».
Публикации
1. Белова С.П., Зарипова К.А., Тыганов С.А., Туртикова О.В., Шенкман Б.С. Экспрессия E3-убиквитинлигаз MuRF-1 и MAFbx в постуральной и локомоторной мышцах человека при антиортостатической гипокинезии АВИАКОСМИЧЕСКАЯ И ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ МЕДИЦИНА, - (год публикации - 2023)
2. Белова С.П., Зарипова К.А., Шенкман Б.С. Экспрессия E3-убиквитинлигаз MuRF1 и MAFbx в постуральной и локомоторной мышцах человека при антиортостатической гипокинезии Интегративная физиология, тезисы докладов, стр.85 (год публикации - 2022)