HIPERTROFIA MUSCULARĂ SCHELETICĂ: CREȘTEREA CELULEI ESTE CREȘTERE CELULARĂ
INTRODUCERE
„Utilitatea modelului de ablație sinergică la rozătoare în identificarea mecanismelor moleculare și celulare ale hipertrofiei musculare scheletice”. Autorii au discutat limitări importante ale modelului de ablație sinergică (SA). Deși suntem de acord cu multe dintre punctele ridicate, scopul acestui răspuns este de a oferi un dialog și o discuție suplimentară privind unele dintre dezavantajele menționate ale modelului SA la rozătoare.
CREȘTEREA CELULARĂ ESTE CREȘTERE CELULARĂ
În analiza lor, Roberts și colab. sugerează că SA generează „un stimul de creștere fără egal, diferit de orice alt model între specii”. Deși suntem de acord cu ideea că SA produce o creștere suprafiziologică în mușchiul scheletic, propunem ideea că multe dintre mecanismele de care dispune o celulă pentru a acumula biomasă și a crește în dimensiune sunt similare, indiferent de rata acestei creșteri sau chiar de tipul celular. De exemplu, sistemul target of rapamycin (TOR) este un regulator-cheie al creșterii celulare, conservat între drojdie, Caenorhabditis elegans, Drosophila și mamifere. Semnalizarea prin mTOR a fost implicată în hipertrofia musculară scheletică indusă de supraîncărcare mecanică, identificată inițial folosind modelul SA, înainte de a fi validată în studii de exerciții de rezistență la oameni, așa cum discutăm în analiza inițială. Dincolo de rolul său în hipertrofia musculară scheletică, semnalizarea mTOR este implicată în hipertrofia cardiacă patologică robustă și creșterea celulelor canceroase. În acest sens, dovezile acumulate sugerează că hipertrofia musculară scheletică remodelează metabolismul celular pentru a genera biomasă similară cu cea a celulelor canceroase. Această reprogramare metabolică este caracterizată de o creștere a glicolizei și a căilor sale anabolice interconectate (sinteza serinei și căile pentozofosfatului). Factorii de reprogramare metabolică specifici cancerului, inclusiv factorul de transcripție MYC, au fost implicați și în hipertrofia musculară scheletică, mai întâi ca răspuns la SA și ulterior în mușchiul uman după exerciții de rezistență. Izofoma 2 a piruvat kinazei (PKM2), asociată cancerului, care deplasează metabolismul glucozei de la lanțul respirator către producția de lactat (glicoliză aerobă), este de asemenea crescută ca răspuns la antrenamentul cu exerciții de rezistență la oameni, sprijinind în continuare relevanța fiziologică a reprogramării metabolice în hipertrofia musculară umană. În ansamblu, aceste descoperiri susțin conceptul că multe mecanisme fundamentale ale creșterii celulare sunt conservate indiferent de specie, tip celular, rată de creștere etc., ceea ce face din SA un model eficient pentru studierea hipertrofiei musculare scheletice induse de încărcare. De fapt, așa cum am abordat în articolul nostru inițial, răspunsul de creștere amplificat (adică rata și magnitudinea crescute ale creșterii) indus de SA este exact caracteristica care îl face atât de util ca instrument de descoperire.
ROBUSTEȚEA RĂSPUNSULUI LA ABLAȚIA SINERGICĂ DEPĂȘEȘTE LIMITĂRILE CHIRURGICALE
Roberts și colab. ridică o îngrijorare legată de afirmația noastră conform căreia SA este un model extrem de reproductibil. Autorii fac trimitere corectă la diferențe în procedurile chirurgicale care, fără îndoială, duc la rezultate divergente. Din cauza variațiilor în procedurile chirurgicale, ni se alătură în apelul pentru un control riguros al tehnicii chirurgicale și al raportării ulterioare, în special standardizarea intervenției de tip „sham”. Totuși, această problemă este prezentă în toate tehnicile experimentale. În mod natural va exista variație de la un laborator la altul și de la un tehnician la altul. Provocarea este, așadar, identificarea modelelor care produc rezultate relativ insensibile la variația tehnică; SA reprezintă un astfel de model, producând în mod constant rezultate robuste în ceea ce privește creșterea musculară. De exemplu, Roberts și colab. menționează că unii cercetători preferă intervenții chirurgicale mai puțin invazive pentru a minimiza regenerarea fibrelor rezultată din procedură. Deși laboratorul nostru nu folosește exact aceste măsuri, intervențiile noastre SA nu duc la o regenerare apreciabilă a fibrelor (nucleere centrale minime sau expresia lanțului greu de miozină embrionară), demonstrând astfel că variațiile în tehnica SA nu compromit rezultatele majore, atâta timp cât intervențiile sunt bine controlate și executate corespunzător.
Echipa care a formulat contraargumente a menționat de asemenea utilizarea „supraîncărcărilor duale”, în cadrul cărora atât solearul, cât și plantarului sunt lăsați intacți în timpul intervenției SA, inducând astfel supraîncărcare mecanică asupra ambilor mușchi. Pe baza propriei noastre experiențe anecdotice din laboratorul nostru, din partea mai multor tehnicieni, suntem întru totul de acord că supraîncărcarea duală induce deteriorări severe ale solearului și, prin urmare, suntem total de acord că eficacitatea SA este limitată exclusiv la mușchiul plantar. Merită menționat și faptul că unele grupuri au studiat hipertrofia în mușchiul extensor digitorum longus (EDL) prin excizia mușchiului tibialis anterior (TA). Cu toate acestea, deoarece EDL este activ doar în faza de balans a mersului și efectuează exclusiv contracții concentrice pentru a ridica greutatea piciorului în timpul mersului, este puțin probabil ca EDL să reprezinte un model relevant de supraîncărcare mecanică.
NICIO PIATRĂ NU RĂMÂNE NEÎNTORSĂ ATUNCI CÂND FOLOSEȘTI UN CIOCAN PNEUMATIC
În analiza lor, Roberts și colab. întreabă: „dacă o observație moleculară robustă (și potențial nouă) este documentată cu SA, trebuie ea să apară și în alte modele de supraîncărcare și/sau să fie necesară pentru ca hipertrofia musculară să aibă loc?” Autorii fac apoi o comparație inspirată între datele transcriptomice obținute în hipertrofia indusă de SA și cele provenite din antrenamentul de rezistență la oameni. Ei sugerează că diferența drastică în numărul de gene diferențial exprimate după un criteriu de ±2,0 ori (aprox. 1.700 DEGs la 7 zile de SA față de doar 15 DEGs la 24 h după ultima sesiune a unui program de 10 săptămâni de antrenament de rezistență) este probabil zgomot. Deși suntem de acord că poate exista o diferență mare în răspunsul molecular dintre SA la rozătoare și exercițiile de rezistență la oameni, din cauza efectului de „ciocan pneumatic” al SA, și că nu toate observațiile prezente în SA sunt relevante pentru hipertrofia musculară, dorim să clarificăm câteva aspecte.
În primul rând, dacă există semnificativ mai puține gene diferențial exprimate ca răspuns la exercițiile de rezistență la oameni, heterogenitatea mai mare dintre participanți este probabil un factor major. Această heterogenitate poate fi prezentă mai ales în funcție de nivelul lor de antrenament (adică antrenați vs. neantrenați). Cu o deviație standard mai mare și o variabilitate ridicată în expresia genelor, statisticile testelor (log-fold change) tind să fie mai mici, reducând puterea de a detecta diferențele reale.
De asemenea, trebuie avute în vedere diferențele în modul de exercițiu, momentul prelevării, procesarea datelor etc., atunci când comparăm exercițiile de rezistență la oameni cu modelele de hipertrofie la rozătoare. Pentru a oferi o comparație „mere cu mere”, am comparat date de secvențiere ARN după 72 h de SA la mușchiul plantar al șoarecelui cu date de secvențiere ARN dintr-un interval de 24 h de exercițiu de rezistență în mușchiul vastus lateralis la oameni, folosind P ajustat < 0,05 pentru ambele seturi de date — ambele provenite din laboratoarele noastre și procesate similar. Am raportat că 1.933 de gene au fost semnificativ supraexprimate după SA la șoareci, iar 2.399 au fost semnificativ supraexprimate după exerciții de rezistență la oameni. Acest rezultat este remarcabil, deoarece mai multe gene au fost supraexprimate în urma exercițiilor de rezistență în 24 h la oameni, comparativ cu SA pe termen scurt la șoareci. Analiza căilor pentru genele comune supraexprimate (424) a identificat îmbogățirea unor căi precum adeziunile focale, reglarea citoscheletului de actină și proteoglicanii din cancer. Această analiză întărește punctul nostru anterior, și anume că genele asociate cancerului sunt implicate în hipertrofia musculară la șoareci și oameni, iar „creșterea este creștere”.
În plus, 2.126 de gene au fost semnificativ subexprimate după SA la șoareci, iar 1.411 gene au fost semnificativ subexprimate după exercițiile de rezistență la oameni. Analiza căilor pentru genele comune (258) din cele două seturi de date a identificat îmbogățirea unor căi metabolice (semnalizarea PPAR și AMPK) în genele subexprimate. Aceste asemănări pot fi legate de reprogramarea metabolică de tip Warburg la șoareci și oameni, ceea ce, din nou, se aliniază punctelor noastre de mai sus.
Pe lângă aceste date, Viggars și colab. au prezentat o analiză transcriptomică a răspunsului la antrenamentul de rezistență „SpillOver” prin stimulare electrică a mușchiului TA la șobolani. Ei au identificat 2.398 DEGs după 2 zile de antrenament, 2.218 după 10 zile, 1.755 după 20 de zile și 3.312 după 30 de zile. Luate împreună, aceste date subliniază faptul că numărul de DEGs după SA este rezonabil și nu reflectă neapărat zgomot.
Mai mult, Roberts și colab. indică „date bioinformatice la șoareci care arată modificări semnificative ale genelor asociate disfuncției mitocondriale la zilele 3, 5 și 7”, ca un posibil exemplu de zgomot amplificat în SA, deoarece „antrenamentul de rezistență la oameni îmbunătățește aspecte ale funcției mitocondriale”. Totuși, susținem că subreglarea genelor fosforilării oxidative și a respirației mitocondriale stimulate de piruvat după supraîncărcare mecanică acută poate fi datorată devierii piruvatului din mitocondrii în favoarea glicolizei aerobe și producerii de precursori biosintetici pentru creștere, mai degrabă decât unor mitocondrii disfuncționale. Astfel, mai degrabă decât un exemplu de zgomot, reducerea metabolismului mitocondrial ar putea reprezenta un răspuns programat și acut, care nu poate fi comparat cu efectul cronic al antrenamentului de rezistență.
În final, și cel mai important, este necesară o clarificare. Când afirmăm că SA ridică evenimentele moleculare și celulare relevante peste „zgomotul” biologic, nu înseamnă că SA duce la mai puține astfel de evenimente, scoțând la iveală doar cele mai importante. Dimpotrivă, SA produce un stimul de creștere atât de puternic, încât o gamă vastă de mecanisme legate de creștere sunt implicate în răspuns. Cu alte cuvinte, SA intensifică acele căi moleculare individuale care poate nu ar fi detectate folosind modele cu un stimul de creștere mai blând sau ar putea fi pierdute în heterogenitatea răspunsului uman.
UTILIZAREA ABLAȚIEI SINERGICE PENTRU A STUDIA MECANISME DINCOLO DE HIPERTROFIA MUSCULARĂ
Roberts și colab. subliniază un aspect important: „SA probabil are consecințe fiziologice care pot depăși 5 zile după intervenția chirurgicală.” Pe lângă exemplele excelente pe care le oferă, supraîncărcarea mecanică cronică indusă de SA duce și la o creștere a fibrelor oxidative de tip I și la o creștere a densității capilarelor, lucru care nu este o caracteristică principală a hipertrofiei musculare scheletice la oameni. Deși aceste mecanisme nu sunt transferabile la antrenamentul de rezistență la oameni, propunem că modificările biologice care însoțesc SA pot fi totuși utile pentru studierea mecanismelor dincolo de hipertrofia musculară. De exemplu, SA a fost folosit ca model pentru a investiga mecanismele tranzițiilor de tipuri de fibre și pentru a studia captarea glucozei mediată de insulină, independent de efectele asupra hipertrofiei fibrelor musculare. Prin urmare, deși suntem de acord că SA este cel mai potrivit pentru studierea hipertrofiei musculare, există situații în care SA poate oferi un model eficient pentru studierea altor procese biologice.
LIMITĂRILE ALTORY MODELE DE HIPERTROFIE MUSCULARĂ
Echipa care formulează contraargumentele prezintă un argument solid pentru utilizarea altor modele experimentale de hipertrofie musculară, atât la rozătoare, cât și la oameni. Utilitatea acestor modele nu poate fi subestimată, iar SA are, într-adevăr, mai multe neajunsuri care sunt compensate de caracteristicile altor modele (de exemplu, modele voluntare, intermitente etc.). Multe dintre punctele forte ale modelului SA sunt menționate în articolul nostru original; totuși, merită evidențiate și alte avantaje practice ale SA în comparație cu alte abordări.
Unul dintre aceste beneficii este intervalul de timp condensat al hipertrofiei. În timp ce alte modele (de exemplu, alergarea progresivă cu roată încărcată și antrenamentul de rezistență la oameni) necesită săptămâni sau chiar luni pentru a produce creșteri semnificative ale masei musculare, SA produce creșteri ale dimensiunii musculare scheletice, mediate de miofibrile, în doar 7 zile. Mai mult, având în vedere efectul puternic al SA, sunt necesare mărimi de eșantion mai mici pentru a detecta modificările moleculare și structurale ca răspuns la un stimul de creștere. Alte modele pot necesita, de asemenea, animale cazate individual (de exemplu, alergarea PoWeR) și/sau mult timp și efort din partea tehnicienilor (de exemplu, tragerea saniei), pe când, per ansamblu, SA este mai puțin solicitantă și implică costuri zilnice mai reduse.
CONCLUZII
Roberts et al. au realizat un articol bine scris, precis și important, în care au discutat limitările modelului SA. Suntem de acord cu majoritatea preocupărilor lor și apreciem angajamentul lor față de integritatea științifică și dialog. Prin acest răspuns, dorim să atragem atenția asupra scopului articolului original, acela de a evidenția modelul SA ca un instrument de descoperire. Deși echipa de contrargumentare a abordat multe limitări relevante ale modelului SA, sperăm ca cititorul să aprecieze utilitatea modelului SA în producerea unei hipertrofii robuste și reproductibile, care a oferit baza preclinică pentru o mai bună înțelegere a mecanismelor moleculare și celulare ale hipertrofiei musculare scheletice.
By. Bitanu Alexandru
Referinte:
1. Roberts MD, Hornberger TA, Phillips SM. The utility—and limitations—of the rodent synergist ablation model in examining mechanisms of skeletal muscle hypertrophy. Am J Physiol Cell Physiol 2024. doi:10.1152/ajpcell.00405.2024.
2. Burke BI, Ismaeel A, McCarthy JJ. The utility of the rodent synergist ablation model in identifying molecular and cellular mechanisms of skeletal muscle hypertrophy. Am J Physiol Cell Physiol, 2024. doi:10.1152/ajpcell.00362.2024.
3. Lengefeld J, Zatulovskiy E. Editorial: Cell size regulation: molecular mechanisms and physiological importance. Front Cell Dev Biol 11: 1219294, 2023. doi:10.3389/fcell.2023.1219294.
4. Laplante M, Sabatini DM. mTOR signaling in growth control and disease. Cell 149: 274–293, 2012. doi:10.1016/j.cell.2012.03.017.
5. Baumert P, M€antyselk€a S, Sch€onfelder M, Heiber M, Jacobs MJ, Swaminathan A, Minderis P, Dirmontas M, Kleigrewe K, Meng C, Gigl M, Ahmetov II, Venckunas T, Degens H, Ratkevicius A, Hulmi JJ, Wackerhage H. Skeletal muscle hypertrophy rewires glucose metabolism: an experimental investigation and systematic review. J Cachexia Sarcopenia Muscle 15: 989–1002, 2024. doi:10.1002/jcsm.13468.
6. M€antyselk€a S, Kolari K, Baumert P, Yl€a-Outinen L, Kuikka L, Lahtonen S, Permi P, Wackerhage H, Kalenius E, Kivel€a R, Hulmi JJ. Serine synthesis pathway enzyme PHGDH is critical for muscle cell biomass, anabolic metabolism, and mTORC1 signaling. Am J Physiol Endocrinol Physiol 326: E73–E91, 2024. doi:10.1152/ajpendo.00151.2023.
7. Meinhold M, Verbrugge S, Shi A, Sch€onfelder M, Becker L, Jaspers RT, Zammit PS, Wackerhage H. Yap/Taz activity is associated with increased expression of phosphoglycerate dehydrogenase that supports myoblast proliferation. Cell Tissue Res 395: 271–283, 2024. doi:10.1007/s00441-023-03851-w.
8. Stadhouders LEM, Smith JAB, Gabriel BM, Verbrugge SAJ, Hammersen TD, Kolijn D, Vogel ISP, Mohamed AD, de Wit GMJ, Offringa C, Hoogaars WMH, Gehlert S, Wackerhage H, Jaspers RT. Myotube growth is associated with cancer-like metabolic reprogramming and is limited by phosphoglycerate dehydrogenase. Exp Cell Res 433: 113820, 2023. doi:10.1016/j.yexcr.2023.113820.
9. Valentino T, Figueiredo VC, Mobley CB, McCarthy JJ, Vechetti IJ Jr. Evidence of myomiR regulation of the pentose phosphate pathway during mechanical load-induced hypertrophy. Physiol Rep 9: e15137, 2021. doi:10.14814/phy2.15137.
10. Wackerhage H, Vechetti IJ, Baumert P, Gehlert S, Becker L, Jaspers RT, De Angelis MH. Does a hypertrophying muscle fibre reprogramme its metabolism similar to a cancer cell? Sports Med 52: 2569–2578, 2022. doi:10.1007/s40279-022-01676-1.
11. Chaillou T, Lee JD, England JH, Esser KA, McCarthy JJ. Time course of gene expression during mouse skeletal muscle hypertrophy. J Appl Physiol (1985) 115: 1065–1074, 2013. doi:10.1152/japplphysiol.00611.2013.
12. Murach KA, Liu Z, Jude B, Figueiredo VC, Wen Y, Khadgi S, Lim S, Morena da Silva F, Greene NP, Lanner JT, McCarthy JJ, Vechetti IJ, von Walden F. Multi-transcriptome analysis following an acute skeletal muscle growth stimulus yields tools for discerning global and MYC regulatory networks. J Biol Chem 298: 102515, 2022. doi:10.1016/j.jbc.2022.102515.
13. Edman S, Jones RG 3rd, Jannig PR, Fernandez-Gonzalo R, Norrbom J, Thomas NT, Khadgi S, Koopmans PJ, Morena F, Peterson CS, Scott LN, Greene NP, Figueiredo VC, Fry CS, Zhengye L, Lanner JT, Wen Y, Alkner B, Murach KA, von Walden F. The 24-hour time course of integrated molecular responses to resistance exercise in human skeletal muscle implicates MYC as a hypertrophic regulator that is sufficient for growth (Preprint). bioRxiv, 2024. doi:10.1101/2024.03.26.586857.
14. Pillon NJ, Gabriel BM, Dollet L, Smith JAB, Sardon Puig L, Botella J, Bishop DJ, Krook A, Zierath JR. Transcriptomic profiling of skeletal muscle adaptations to exercise and inactivity. Nat Commun 11: 470, 2020. doi:10.1038/s41467-019-13869-w.
15. Verbrugge SAJ, Gehlert S, Stadhouders LEM, Jacko D, Aussieker T, M J de Wit G, Vogel ISP, Offringa C, Sch€onfelder M, Jaspers RT, Wackerhage H. PKM2 determines myofiber hypertrophy in vitro and increases in response to resistance exercise in human skeletal muscle. Int J Mol Sci 21: 7062, 2020. doi:10.3390/ijms21197062.
16. Lee JD, Fry CS, Mula J, Kirby TJ, Jackson JR, Liu F, Yang L, Dupont-Versteegden EE, McCarthy JJ, Peterson CA. Aged muscle demonstrates fiber-type adaptations in response to mechanical overload, in the absence of myofiber hypertrophy, independent of satellite cell abundance. J Gerontol A Biol Sci Med Sci 71: 461–467, 2016. doi:10.1093/gerona/glv033.
17. Murach KA, White SH, Wen Y, Ho A, Dupont-Versteegden EE, McCarthy JJ, Peterson CA. Differential requirement for satellite cells during overload-induced muscle hypertrophy in growing versus mature mice. Skelet Muscle 7: 14, 2017. doi:10.1186/s13395-017-0132-z.
18. Bruusgaard JC, Johansen IB, Egner IM, Rana ZA, Gundersen K. Myonuclei acquired by overload exercise precede hypertrophy and are not lost on detraining. Proc Natl Acad Sci USA 107: 15111–15116, 2010. doi:10.1073/pnas.0913935107.
19. Lieber RL, Ward SR. Skeletal muscle design to meet functional demands. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci 366: 1466–1476, 2011. doi:10.1098/rstb.2010.0316.
20. Chen EY, Tan CM, Kou Y, Duan Q, Wang Z, Meirelles GV, Clark NR, Ma’ayan A. Enrichr: interactive and collaborative HTML5 gene list enrichment analysis tool. BMC Bioinformatics 14: 128, 2013. doi:10.1186/1471-2105-14-128.
21. Kuleshov MV, Jones MR, Rouillard AD, Fernandez NF, Duan Q, Wang Z, Koplev S, Jenkins SL, Jagodnik KM, Lachmann A, McDermott MG, Monteiro CD, Gundersen GW, Ma’ayan A. Enrichr: a comprehensive gene set enrichment analysis web server 2016 update. Nucleic Acids Res 44: W90–W97, 2016. doi:10.1093/nar/gkw377.
22. Xie Z, Bailey A, Kuleshov MV, Clarke DJB, Evangelista JE, Jenkins SL, Lachmann A, Wojciechowicz ML, Kropiwnicki E, Jagodnik KM, Jeon M, Ma’ayan A. Gene set knowledge discovery with Enrichr. Curr Protoc 1: e90, 2021. doi:10.1002/cpz1.90.
23. Viggars MR, Sutherland H, Lanm€uller H, Schmoll M, Bijak M, Jarvis JC. Adaptation of the transcriptional response to resistance exercise over 4 weeks of daily training. FASEB J 37: e22686, 2023. doi:10.1096/fj.202201418R.
24. Ismaeel A, Thomas NT, McCashland M, Vechetti IJ, Edman S, Lanner JT, Figueiredo VC, Fry CS, McCarthy JJ, Wen Y, Murach KA, von Walden F. Coordinated regulation of myonuclear DNA Methylation, mRNA, and miRNA levels associates with the metabolic response to rapid synergist ablation-induced skeletal muscle hypertrophy in female mice. Function (Oxf) 5: zqad062, 2024. doi:10.1093/function/zqad062.
25. Vaupel P, Multhoff G. Revisiting the Warburg effect: historical dogma versus current understanding. J Physiol 599: 1745–1757, 2021. doi:10.1113/JP278810.
26. Degens H, Turek Z, Hoofd LJ, Van’t Hof MA, Binkhorst RA. The relationship between capillarisation and fibre types during compensatory hypertrophy of the plantaris muscle in the rat. J Anat 180: 455–463, 1992.
27. McCarthy JJ, Fox M, Tsika GL, Gao L, Tsika RW. beta-MHC transgene expression in suspended and mechanically overloaded/suspended soleus muscle of transgenic mice. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol 272: R1552–R1561, 1997. doi:10.1152/ajpregu.1997.272.5.R1552.
28. Weyrauch LA, McMillin SL, Witczak CA. Insulin resistance does not impair mechanical overload-stimulated glucose uptake, but does alter the metabolic fate of glucose in mouse muscle. Int J Mol Sci 21: 4715, 2020. doi:10.3390/ijms21134715.
29. Terena SM, Fernandes KP, Bussadori SK, Deana AM, Mesquita-Ferrari RA. Systematic review of the synergist muscle ablation model for compensatory hypertrophy. Rev Assoc Med Bras (1992) 63: 164–172, 2017. doi:10.1590/1806-9282.63.02.164.