Влияние ингибитора кислой сфингомиелиназы на окислительный стресс, конечные продукты гликирования и миозиновый фенотип камбаловидной мышцы крыс в условиях функциональной разгрузки

Обоснование. Функциональная разгрузка постуральных мышц сопровождается трансформацией мышечного фенотипа в  сторону экспрессии «быстрых» изоформ тяжёлых цепей миозина (MyHC, myosin heavy chains), а  также увеличением активности кислой сфингомиелиназы (ASM, acid sphingomyelinase), содержания церамидов, активных форм кислорода (АФК) и конечных продуктов гликирования (КПГ). Однако взаимосвязь сфинголипидных механизмов с регуляцией КПГ-ассоциированных процессов и пластичностью мышц до настоящего времени остаётся неизученной.

Цель исследования. Определить взаимосвязь кислой сфингомиелиназы и церамид-ассоциированного увеличения активных форм кислорода с зависимым от конечных продуктов гликирования путём регуляции экспрессии различных изоформ тяжёлых цепей миозина при 7-дневной функциональной разгрузке m. soleus крыс, а также оценить эффективность препарата группы FIASMA в предотвращении изменения мышечного фенотипа.

Методы. Белых крыс-самцов подвергали 7-дневному антиортостатическому вывешиванию (АОВ) с предварительным введением амитриптилина. В полученных m. soleus посредством флуоресцентной микроскопии исследовали уровни ASM, церамида, изоформ MyHC, АФК, NADPH-оксидазы 2 (NOX2, NADPH oxidase 2), MyoD1 (myoblast determination protein 1), КПГ и рецепторов КПГ (RAGE, receptor for advanced glycation end-products). Вестерн-блоттинг использовали для определения NOX2, RAGE и КПГ-модифицированных белков в  гомогенатах тканей. В  модели ex  vivo посредством инкубации мышцы с экзогенными КПГ изучали изменения MyoD1 в миоядрах.

Результаты. Функциональная разгрузка привела к  уменьшению массы и диаметра m. soleus, трансформации миозинового фенотипа, росту уровней ASM, церамида, АФК, NOX2, КПГ, RAGE и ядерного MyoD. При этом уровни NOX2 и КПГ-модифицированных белков остались без изменений. Применение амитриптилина частично нивелировало потерю массы мышц и уменьшение диаметра мышечных волокон, снижая при этом соотношение «быстрых» волокон к  «медленным». Также применение амитриптилина уменьшало уровни ASM, церамида, АФК, RAGE и MyoD1. Инкубация мышц с экзогенным КПГ приводила к увеличению MyoD1 в области миоядер.

Выводы. Активация ASM на фоне разгрузки может способствовать MyoD1- ассоциированной трансформации изоформ MyHC посредством увеличения АФК, способствующих стимуляции сигнальных путей RAGE.

1. Lee PHU, Chung M, Ren Z, Mair DB, Kim DH. Factors mediating spaceflight-induced skeletal muscle atrophy. Am J Physiol Cell Physiol. 2022; 322(3): 567-580. doi: 10.1152/ajpcell.00203.2021

2. Ohira T, Kawano F, Goto K, Kaji H, Ohira Y. Responses of neuromuscular properties to unloading and potential countermeasures during space exploration missions. Neurosci Biobehav Rev. 2022; 136: 104617. doi: 10.1016/j.neubiorev.2022.104617

3. Shenkman BS. From slow to fast: Hypogravity-induced remodeling of muscle fiber myosin phenotype. Acta Naturae. 2016; 8(4): 47-59.

4. Sekunov AV, Protopopov VA, Skurygin VV, Shalagina MN, Bryndina IG. Muscle plasticity under functional unloading: Effects of an acid sphingomyelinase inhibitor clomipramine. J Evol Biochem Physiol. 2021; 57(4): 925-935. doi: 10.1186/s13395-018-0177-7

5. Petrov AM, Shalagina MN, Protopopov VA, Sergeev VG, Ovechkin SV, Ovchinina NG, et al. Changes in membrane ceramide pools in rat soleus muscle in response to short-term disuse. Int J Mol Sci. 2019; 20(19): 4860. doi: 10.3390/ijms20194860

6. He Z, Xu Q, Newland B, Foley R, Lara-Sáez I, Curtin JF, et al. Reactive oxygen species (ROS): Utilizing injectable antioxidative hydrogels and ROS-producing therapies to manage the doubleedged sword. JMater Chem B. 2021; 9(32): 6326-6346. doi: 10.3390/ijms20194860

7. Nowotny K, Jung T, Höhn A, Weber D, Grune T. Advanced glycation end products and oxidative stress in type 2 diabetes mellitus. Biomolecules. 2015; 5(1): 194-222. doi: 10.3390/biom5010194

8. Kuzan A. Toxicity of advanced glycation end products (Review). Biomed Rep. 2021; 14(5): 46. doi: 10.3892/br.2021.1422

9. Riuzzi F, Sorci G, Sagheddu R, Chiappalupi S, Salvadori L, Donato R. RAGE in the pathophysiology of skeletal muscle. J Cachexia Sarcopenia Muscle. 2018; 9(7): 1213-1234. doi: 10.1002/jcsm.12350

10. Egawa T, Kido K, Yokokawa T, Fujibayashi M, Goto K, Hayashi T. Involvement of receptor for advanced glycation end products in microgravity-induced skeletal muscle atrophy in mice. Acta Astronaut. 2020; 176: 332-340. doi: 10.1016/j.actaastro.2020.07.002

11. Sorci G, Riuzzi F, Arcuri C, Giambanco I, Donato R. Amphoterin stimulates myogenesis and counteracts the antimyogenic factors basic fibroblast growth factor and S100B via RAGE binding. Mol Cell Biol. 2004; 24(11): 4880-4894. doi: 10.1128/MCB.24.11.4880- 4894.2004

12. Протопопов В.А., Секунов А.В., Панов А.В., Брындина И.Г. Взаимосвязь сфинголипидных механизмов с окислительным стрессом и изменениями митохондрий при функциональной разгрузке постуральных мышц. Acta biomedica scientifica. 2024; 9(2): 228-242. doi: 10.29413/ABS.2024-9.2.23

13. Huang Y, He M, Zeng Q, Li L, Zhang Z, Ma J, et al. A multihole cryovial eliminates freezing artifacts when muscle tissues are directly immersed in liquid nitrogen. J Vis Exp JoVE. 2017; (122): 55616. doi: 10.3791/55616

14. Chiappalupi S, Sorci G, Vukasinovic A, Salvadori L, Sagheddu R, Coletti D, et al. Targeting RAGE prevents muscle wasting and prolongs survival in cancer cachexia. J Cachexia Sarcopenia Muscle. 2020; 11(4): 929-946. doi: 10.1002/jcsm.12561

15. Yao D, Brownlee M. Hyperglycemia-induced reactive oxygen species increase expression of the receptor for advanced glycation end products (RAGE) and RAGE ligands. Diabetes. 2010; 59(1): 249-255. doi: 10.2337/db09-0801

16. Ekmark M, Rana ZA, Stewart G, Hardie DG, Gundersen K. De-phosphorylation of MyoD is linking nerve-evoked activity to fast myosin heavy chain expression in rodent adult skeletal muscle. J Physiol. 2007; 584(2): 637-650. doi: 10.1113/jphysiol.2007.141457

17. Legerlotz K, Smith HK. Role of MyoD in denervated, disused, and exercised muscle. Muscle Nerve. 2008; 38(3): 1087-1100. doi: 10.1002/mus.21087

18. Zammit PS. Function of the myogenic regulatory factors Myf5, MyoD, myogenin and MRF4 in skeletal muscle, satellite cells and regenerative myogenesis. Semin Cell Dev Biol. 2017; 72: 19-32. doi: 10.1016/j.semcdb.2017.11.011