Wibroterapia przywraca podstawową aktywność genów zaburzoną chronicznym odciążeniem mięśni.

Atrofia (zanik masy) mięśni jest częstym problem m. in. w starzeniu, chorobach nerwowo-mięśniowych, czy w warunkach obniżonej grawitacji. Stosując model laboratoryjny chronicznego odciążenia ciała przez zastosowanie testu 60-dniowego odpoczynku w łóżku (60-ODP), po raz pierwszy przeanalizowano globalny profil ekspresji genów w połączeniu z analizą proteomiczną (profilu białkowego), celem mapowania molekularnych adaptacji w nieużywanym mięśniu płaszczkowatym łydki (grupa kontrolna – KON). Te same analizy przeprowadzono w odpowiedzi na zapobiegające efektom chronicznego odciążenia konwencjonalne ćwiczenia oporowe bez – (OPO) lub z włączonymi wibracjami (WOPO). Stosując technologię mikromacierzy DNA i analizując ekspresję (aktywność) blisko 30000 genów, zidentyfikowano 235 genów, które w grupie KON po teście 60-ODP wykazywały różną ekspresję względem stanu sprzed testu. Aktywność pozostałych genów nie zmieniała się. Po włączeniu w przebieg testu 60-ODP ćwiczeń oporowych, a więc w grupie OPO, obserwowano podobną liczbę genów różnie aktywowanych chronicznym odciążeniem, natomiast włączenie do testu 60-ODP, obok ćwiczeń oporowych, również wibroterapii (WOPO), skutkowało zmianami w aktywności 51 genów. Analiza profilu ekspresji genów pozwoliła zidentyfikować nowe – wyłącznie związane z odpowiedzią na sygnały mechaniczne wibracji w ludzkim mięśniu płaszczkowatym łydki. Procedura WOPO efektywnie zredukowała kluczowe morfologiczne i biochemiczne skutki testu 60-ODP prowadzące do atrofii mięśni, prawdopodobnie poprzez regulację aktywności genetycznej.

Głównym celem przedstawianych badań niemiecko-włosko-australijskiej grupy naukowców  była analiza wpływu chronicznego odciążenia ludzkiego antygrawitacyjnego mięśnia postawy (płaszczkowatego łydki) na wielkoskalowy profil ekspresji genów oraz modulacja tego wpływu przez ćwiczenia oporowe bez – lub z nałożonymi wibracjami.

• Po teście chronicznego odpoczynku w łóżku, względem stanu sprzed testu:
  w grupie KON zidentyfikowano 235 genów o różnej aktywności,
  w grupie OPO – 206 genów,
  w grupie WOPO – 51.
• Większość zmian w ekspresji genów i w profilu białkowym wiązała się z funkcjami struktur kurczliwych oraz z kluczowymi szlakami metabolicznymi, jak glikoliza, fosforylacja oksydacyjna, cykl Krebsa i metabolizm tłuszczów.
• Zidentyfikowano nowy zestaw genów w ludzkim mięśniu płaszczkowatym związany wyłącznie z odpowiedzią na sygnały mechaniczne wibracji: geny PANK2 oraz DENND2C.

Opracowano na podstawie:

Salanova M, Gambara G, Moriggi M, et al. Vibration mechanosignals superimposed to resistive exercise result in baseline skeletal muscle transcriptome profiles following chronic disuse in bed rest. Sci Rep. 2015;5:17027. Published 2015 Nov 24. doi:10.1038/srep17027

Badana populacja

Analizę ekspresji genów przeprowadzono na 12 zdrowych mężczyznach, losowo przydzielonych do 3 równolicznych grup (n = 4): KON, OPO lub WOPO.

Procedura badania

Uczestników badania z grupy KON poddawano testowi 60-ODP. Podobnie w grupie OPO, ale dodatkowo podczas trwania testu 60-ODP wykonywano odpowiednie ćwiczenia oporowe (5 – 10 min; 3/ tydzień) na specjalnie skonstruowanym urządzeniu. Badani z grupy WOPO przechodzili identyczną procedurę jak w grupie OPO, podczas której podawano im dodatkowo wibracje (patrz niżej).

Wykonywano biopsję 24 próbek mięśnia płaszczkowatego łydki – po 2 od każdego pacjenta (2 dni przed rozpoczęciem oraz 2 dni przed zakończeniem testu 60-ODP). Próbki biopsyjne natychmiast mrożono w ciekłym azocie oraz przechowywano w -80 °C do dalszych procedur.

RNA izolowano z homogenatów biopsyjnych, stosując RNeasy Micro Kit (Qiagen). Biblioteki komplementarnego DNA (cDNA) generowano z całkowitego RNA o stężeniu wejściowym 40-120 ng, stosując Ambion WT Expression Kit (Life Technologies) zgodnie z zaleceniami producenta. Następnie tworzono biblioteki komplementarnego RNA, w których wykrywano różnicowo ekspresjonowane geny, stosując mikromacierze GeneChip “HuGene 1.0 ST v1” (Affymetrix) oferujące pokrycie całego transkryptomu, w tym wypadku uznawanego za 28869 genów.

Walidacji wyników dostarczanych przez analizę mikromierzy dokonywano analizując skład białkowy próbek biopsyjnych, stosując spektrometrię mas oraz immunobloting.

Wykorzystanie wibracji w badaniu

Protokół WOPO zakładał, jak w przypadku grupy OPO – krótkie serie (5 – 10 min; 3/ tydzień) ćwiczeń oporowych, uzupełniane o podawanie w trakcie ich trwania wibracji. Wibracje całego ciała (24-26 Hz; 3,5-4 mm; 8,7-10,2 g) podawano badanym z grupy WOPO na obie stopy za pomocą wibrującej platformy, w pozycji leżącej twarzą do góry.

Wyniki

Po teście 60-ODP zaobserwowano w grupie KON na ogół obniżenie ekspresji licznych specyficznych genów kodujących enzymy związane z funkcjami kurczliwymi mięśni oraz z przemianami energetycznymi w komórce, takimi jak: glikoliza beztlenowa, fosforylacja oksydacyjna, cykl Krebsa, metabolizm tłuszczów.

Głównymi genami, które okazały się być regulowane wyłącznie przez sygnały mechaniczne wibracji, okazały się PANK2 (niezbędny w syntezie koenzymu A) oraz DENND2C (związany z licznymi fizjologicznymi funkcjami komórki, w tym z organizacją cytoszkieletu).

Komentarz

Zastosowanie konwencjonalnej metody przeciwdziałania skutkom chronicznego odciążenia układu mięśniowo-szkieletowego, poprzez wprowadzenie podczas unieruchomienia krótkich serii ćwiczeń oporowych okazało się jedynie częściowo zapobiegać wywoływanym przez owo odciążenie zmianom w profilu ekspresji genów/ aktywności genetycznej. Natomiast wzbogacenie ćwiczeń oporowych o podawanie w czasie ich trwania wibracji dopodeszwowo (WOPO) – wibracji całego ciała, ale koncentrujących się głównie na mięśniu płaszczkowatym łydki, skutkowało niemal całkowitemu przeciwdziałaniu zmianom aktywności genetycznej obserwowanym zarówno w grupie KON, jak i OPO.

Opisywane badania sugerują, że ćwiczenia oporowe z nałożonymi wibracjami realnie wpływają na normalną ekspresję dużej grupy genów związanych z funkcjami mięśniowymi w teście chronicznego odciążenia układu mięśniowo-szkieletowego. Wibracje znacząco poprawiały efektywność ćwiczeń oporowych we wzmacnianiu metabolizmu substratów energetycznych.

Wydaje się, że omawiane wyniki niosą potencjał kliniczny w kierunku optymalizacji protokołów przeciwdziałających atrofii mięśni indukowanej chronicznym odciążeniem w rehabilitacji, geriatrii a także w aspekcie prognozowanych długotrwałych misji kosmicznych.

Więcej w: