С возрастом мышцы естественным образом слабеют, но ученые обнаружили, что некоторые изменения, связанные со старением, на самом деле могут защищать мышечные клетки от повреждений. Новое исследование объясняет, почему в стареющих мышцах увеличивается доля мышечных волокон другого типа, и выявляет важнейшую молекулу, которая может стать основой нового подхода к лечению атрофии мышц.
Мышечная ткань состоит из пучков волокон с разными функциями. Быстросокращающиеся волокна обеспечивают мощные и быстрые движения, но относительно быстро утомляются. Медленносокращающиеся волокна, напротив, поддерживают продолжительную активность и содержат большее количество митохондрий — клеточных структур, отвечающих за выработку большей части энергии, необходимой мышцам.
С возрастом мышечная сила снижается, а митохондрии становятся менее эффективными. Удивительно, но в стареющих мышцах увеличивается доля медленносокращающихся волокон, хотя эти волокна в значительной степени зависят от тех самых митохондрий, которые теряют свою функциональность. Исследователи наблюдали аналогичные изменения при некоторых заболеваниях, вызывающих атрофию мышц.
В связи с этим возникает важный вопрос: почему мышцы все больше полагаются на систему выработки энергии, которая становится все менее эффективной?
Чтобы разобраться в этом, ученые сосредоточились на изучении кардиолипина — особой молекулы жира, которая содержится почти исключительно во внутренней мембране митохондрий. Кардиолипин помогает поддерживать характерную складчатую структуру мембраны, которая необходима для нормальной работы митохондрий.
При недостатке кардиолипина митохондриям становится сложнее вырабатывать достаточное количество энергии. Кроме того, они хуже производят химические сигналы и необходимые вещества, которые нужны клеткам для функционирования.
Исследователи обнаружили, что с возрастом или при развитии заболеваний уровень кардиолипина в митохондриях мышечных клеток как у мышей, так и у людей снижается. Это снижение сопровождалось структурными аномалиями в митохондриях и нарушением их нормальной функции.
Чтобы выяснить, является ли снижение уровня кардиолипина непосредственной причиной этих изменений, а не просто сопутствующим фактором, ученые экспериментальным путем снизили уровень кардиолипина у молодых мышей.
Результаты эксперимента были очень похожи на то, что происходит при естественном старении. Мышечные волокна переходили из быстросокращающегося типа в медленносокращающийся, что соответствовало закономерностям, ранее наблюдавшимся у пожилых мышей и людей.
Что еще более поразительно, восстановление уровня кардиолипина примерно до двух третей от нормального значения начало обращать вспять процесс атрофии мышц и полностью предотвратило преждевременную смерть подопытных животных.
Дальнейшие эксперименты позволили найти неожиданное объяснение этой трансформации. Оказалось, что переход к медленным мышечным волокнам — это не только нарушение мышечной функции, но и защитная реакция организма.
Когда концентрация кардиолипина снижается, поврежденные митохондрии вырабатывают гораздо большее количество активных форм кислорода (АФК). Эти высокореактивные молекулы могут повреждать клеточные структуры, но они также играют важную роль в передаче сигнала о том, что в организме что-то не так.
Исследователи обнаружили, что АФК способствуют переходу от быстрых мышечных волокон к медленным. Когда они обрабатывали мышечные клетки, в которых не хватало кардиолипина, антиоксидантом, снижающим уровень АФК, трансформация становилась менее выраженной.
Белок ERR? играет ключевую роль в координации этого процесса. Он заставляет клетки реорганизовывать митохондрии и менять характеристики мышечных волокон. Когда ученые подавляли активность ERR? в мышечных клетках, выращенных в лабораторных условиях, переход от одного типа волокон к другому полностью прекращался.
Команда исследователей также выяснила, как перестроившиеся волокна помогают организму защищаться.
Мыши с недостаточным количеством кардиолипина поглощали значительно больше глюкозы из крови. Однако их мышцы не использовали этот дополнительный сахар в первую очередь для выработки энергии.
Эксперименты с использованием специально меченой глюкозы показали, что мышечные клетки перенаправляли сахар на выработку собственных антиоксидантов. Это помогло защитить их от вредного воздействия избытка АФК.
“Переключение волокон происходит не из-за ослабления мышц, а из-за того, что мышцы обменивают энергию на защиту. Именно поэтому вмешательство в этот процесс может иметь неприятные последствия: когда мы давали мышам антиоксиданты для уничтожения АФК, состояние их мышц ухудшалось, а не улучшалось”, - поясняет Фабиан Фингер, доцент Копенгагенского университета, первый автор и один из авторов-корреспондентов исследования.
Несмотря на то, что полученные данные указывают на возможные методы лечения возрастного снижения мышечной массы, эксперименты, демонстрирующие защитный механизм и обратное развитие мышечной атрофии, были проведены на мышах. Образцы мышц человека были использованы только для того, чтобы установить, что уровень кардиолипина у людей также снижается с возрастом.
Тем не менее, у исследователей уже есть несколько способов повлиять на уровень кардиолипина.
Недавно Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) в ускоренном порядке одобрило эламипретид, препарат, предназначенный для стабилизации уровня кардиолипина при синдроме Барта, редком наследственном заболевании. Это говорит о том, что применение данной молекулы возможно с медицинской точки зрения, хотя ее эффективность в борьбе с обычной возрастной потерей мышечной массы остается неизвестной.
Другой потенциальной мишенью для лечения является ERRy, белок, отвечающий за адаптацию мышц к митохондриальному стрессу.
ERRy относится к семейству белков, называемых ядерными рецепторами. Эти белки уже являются мишенями для примерно 10-15% одобренных FDA лекарств, изготовленных из небольших молекул. Препараты, активирующие ERRy, также изучаются в рамках доклинических исследований для других медицинских применений.
Полученные данные свидетельствуют о том, что будущие методы лечения могут быть эффективными за счет восстановления уровня кардиолипина или воздействия на защитные механизмы, контролируемые ERRy.
“Больше всего меня вдохновляет то, что даже частичного восстановления кардиолипина было достаточно для восстановления мышц. Теперь вопрос в том, можем ли мы повысить уровень кардиолипина в стареющих мышцах или нацелить его на снижение, чтобы способствовать здоровой адаптации. Именно в этом заключается терапевтический потенциал”, - говорит Захари Герхарт-Хайнс, доцент Центра фундаментальных метаболических исследований NNF Копенгагенского университета и старший автор исследования.
Копенгагенский университет. Пер.: PSYCHOL-OK.RU
