8 декабря 2021, 14:30

Ученые придумали, как защитить от атрофии мышцы космонавтов (и не только)

  • Физиология
  • Молекулярная биология

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.

Ученые придумали, как защитить от атрофии мышцы космонавтов (и не только)
Авторы работы из ИТЭБ РАН д.б.н. И.М. Вихлянцев и А.Д. Уланова
Источник: Пресс-служба ИТЭБ РАН

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.

Публикации из новости

NOS‐dependent effects of plantar mechanical stimulation on mechanical characteristics and cytoskeletal proteins in rat soleus muscle during hindlimb suspension
Tyganov S.A., Mochalova E.P., Melnikov I.Y., Vikhlyantsev I.M., Ulanova A.D., Sharlo K.A., Mirzoev T.M., Shenkman B.S.
Q1 FASEB Journal 2021 цитирований: 2