Основные способы адаптации мышечных волокон к нагрузке и пути их реализации
Основные способы адаптации мышечных волокон к нагрузке и пути их реализации
Сайт издательства «Медиа Сфера»
содержит материалы, предназначенные исключительно для работников здравоохранения. Закрывая это сообщение, Вы подтверждаете, что являетесь дипломированным медицинским работником или студентом медицинского образовательного учреждения.
Галлямутдинов Р.В.
ФГАОУ ВО «Первый Московский государственный медицинский университет им. И.М. Сеченова» Минздрава России (Сеченовский университет), Москва, Россия
Каштанов А.Д.
ФГАОУ ВО «Первый Московский государственный медицинский университет им. И.М. Сеченова» Минздрава России (Сеченовский университет), Москва, Россия
Куставинова Е.В.
Челябинская государственная медицинская академия
Карташкина Н.Л.
ФГАОУ ВО «Первый Московский государственный медицинский университет им.
Яцковский А.Н.
ГБОУ ВПО Первый МГМУ им. И.М. Сеченова Минздрава России, Москва, Россия, 103009
Основные способы адаптации мышечных волокон к нагрузке и пути их реализации
Авторы:
Галлямутдинов Р.В., Каштанов А.Д., Куставинова Е.В., Карташкина Н.Л., Яцковский А.Н.
Подробнее об авторах
Журнал: Оперативная хирургия и клиническая анатомия. 2019;3(4): 28‑33
DOI: 10.17116/operhirurg2019304128
Как цитировать:
Галлямутдинов Р.В., Каштанов А.Д., Куставинова Е.В., Карташкина Н.Л., Яцковский А.Н. Основные способы адаптации мышечных волокон к нагрузке и пути их реализации. Оперативная хирургия и клиническая анатомия.
2019;3(4):28‑33.
Primary methods of adaptation of muscle fibers to physical activity and the ways of their implementation. Russian Journal of Operative Surgery and Clinical Anatomy. 2019;3(4):28‑33. (In Russ.) https://doi.org/10.17116/operhirurg2019304128
Читать метаданные
На базе ФГАОУ ВО «Первый Московский государственный медицинский университет им. И.М. Сеченова (Сеченовский университет)» А.Д. Каштановым, Р.В. Галлямутдиновым, Е.В. Куставиновой и Н.Л. Карташкиной был выполнен обзор современных данных на тему «Основные способы адаптации мышечных волокон к нагрузке и пути их реализации». Знания о принципах и механизмах адаптации мышечного волокна к нагрузке лежат в основе профессионального спорта и рациональной реабилитации. Понимание процессов адаптации мышц к нагрузке, биохимии, физиологии и генной основы данной процесса необходимо и для профилактики мышечного тонуса, и оптимального состояния опорно-двигательного аппарата и сердечно-сосудистой системой лицам, не занимающихся спортом.
Ключевые слова:
адаптация мышечного волокна
волокна I
IIA
IIB типов
компенсаторная адаптация
биохимическая адаптация
креатинкиназа
креатинин
лактатдегидрогеназа
лактат
Авторы:
Галлямутдинов Р.
В.
ФГАОУ ВО «Первый Московский государственный медицинский университет им. И.М. Сеченова» Минздрава России (Сеченовский университет), Москва, Россия
Каштанов А.Д.
ФГАОУ ВО «Первый Московский государственный медицинский университет им. И.М. Сеченова» Минздрава России (Сеченовский университет), Москва, Россия
Куставинова Е.В.
Челябинская государственная медицинская академия
Карташкина Н.Л.
ФГАОУ ВО «Первый Московский государственный медицинский университет им. И.М. Сеченова» Минздрава России (Сеченовский университет), Москва, Россия
Яцковский А.Н.
ГБОУ ВПО Первый МГМУ им. И.М. Сеченова Минздрава России, Москва, Россия, 103009
Закрыть метаданные
Введение
Большое значение в клинике имеет процесс реабилитации пациентов после травм различного характера. Для более правильного подхода к назначению упражнений для адаптации мышц к нагрузке необходимо учитывать различные аспекты данного процесса: варианты его протекания, генетические и морфофизиологические возможности пациента.
Адаптация мышечного волокна — это приспособление волокон мышц к нагрузке, которое лежит как на фенотипическом, так и на генотипическом уровнях. Скелетные мышцы неоднородны по своему составу (табл. 1), следовательно, для достижения полноценного развития необходимо сочетать аэробные и анаэробные нагрузки, так как различные волокна отвечают на них по-разному [1—6] (табл. 2).
Таблица 1. Основные типы мышечных волокон [5—9].Таблица 2. Различие между аэробными и анаэробными упражнениями [9—12].Примечание. Аэробные нагрузки в основном являются статистическими (мышцы находятся в постоянном напряжении), анаэробные — динамическими (происходит чередование напряжения и расслабления мышц). Полный расход нейромедиатора в синапсах характерен для продолжительных динамических нагрузок, а наиболее низкий расход — для статических нагрузок [13, 14]. Кроме того, в волокнах I типа более выражены эндотелийзависимая дилатация и чувствительность к катехоламинам [15—19].
Пути адаптации мышечного волокна к нагрузке можно разделить на два типа: компенсаторный и биохимический.
Компенсаторная адаптация: может достигаться за счет увеличения количества саркоплазмы (именно она передает напряжение с волокон на сухожилия [20]) или за счет увеличения количества миофибрилл [21] и позволяет выполнять бо́льшую физическую работу [20—23].
Саркоплазматическая адаптация. Для развития волокон по данному типу необходимо применение аэробных нагрузок, которые ведут к изменению количества и качества митохондрий в мышце: кристы уплотняются, а также не только увеличиваются в количестве и размере (хотя наблюдается деградация некоторых), но и объединяются в цепочки [24—27]. Кроме того, при аэробных нагрузках и потреблении кислорода на 80% от максимально возможного наблюдается прирост митохондрий в волокнах I типа (с исходно высоким окислительным потенциалом), повышение нагрузки не приводит к изменениям. Потребление кислорода на 80—95% от максимально возможного характеризуется приростом окислительного потенциала в волокнах II типа (с исходно низким окислительным потенциалом), при меньших нагрузках изменений не наблюдалось [1, 19].
Чрезвычайно важны также генотипические изменения при адаптации [33, 34]. При нагрузках повышается экспрессия PI3K, который активирует экспрессию гена Akt — ключевого в гипертрофии (при нагрузках) и атрофии (падение экспрессии в отсутствие нагрузок [35]). В дальнейшем активируется фермент mTOR [36] (в мышцах содержится в виде двух комплексов — mTORC1 и mTORC2 [37—40]), регулятором которого служит фосфатидная кислота, вырабатывающаяся в мышцах при их работе [39]. Суть действия фермента — повышение отношения синтез/распад белка, что приводит к гипертрофии.
Так, путь PI3K—Akt—mTOR является ключевым в гипертрофии мышечного волокна, следовательно, при его блокаде (рапамицин) данный процесс прекращается [41—43]. Отрицательным же регулятором данного процесса служит AMPK [44, 45].
Для полноценного функционирования мышц им необходимо не только более чем 80% потребление кислорода, но и достаточное количество питательных веществ, необходимых для синтеза новых мышечных белков и волокон, в частности, мясо, яйца, жирные кислоты — Омега-3, специальные смеси аминокислот [46—48].
Второй тип адаптации — биохимический. Он обеспечивается более полным использованием субстрата, увеличивая емкость реакций энергообеспечения [36, 48, 49].
Показателем развития мышечного волокна служит количество фермента креатинфосфокиназы (КФК) [50, 51]. Ее активность у нетренированных людей снижена. У них также не выявлено изменений концентрации КФК в процессе нагрузки, в отличие от спортсменов (наблюдается резкий скачок) [51—56]. Активность КФК свидетельствует о том, что у спортсменов (в отличие от неспортивных людей) наряду с активацией гликолиза задействован и креатинфосфокиназный механизм энергообразования, установлено повышение емкости креатинфосфатного механизма образования энергии в мышечной ткани [51, 57].
Еще один важный показатель — концентрация лактата. Он служит показателем анаэробных процессов энергообразования при мышечной работе. У людей, не занимающихся спортом, наблюдается повышение уровня молочной кислоты [51, 59] до и после нагрузки примерно в 8,68 раза, тогда как у спортсменов происходит увеличение примерно в 2,38 раза. Это объясняется более экономным режимом работы скелетной мускулатуры второй группы, обусловленным тренировками. Активность лактатдегидрогеназы (ЛДГ), в свою очередь, до нагрузки у спортсменов снижена, что указывает на меньшую повреждаемость мышцы действием фоновой физической нагрузки (ходьба). После нагрузки было отмечено повышение активности фермента в крови: у спортсменов в 1,8 раза, у нетренированных людей — в 1,2 раза [51]. Примечательно, что концентрация ЛДГ в крови у тренированных людей может повышаться в 2—10 раз вследствие разрушения клеточных мембран и высвобождения ЛДГ из клеток [28, 41—43, 48].
Развитие этих систем необходимо для нивелирования усиления свободнорадикальных реакций, необходимых для перестройки энергетического обмена [12, 60—64] на уровне организма в условиях плановых физических нагрузок. В условиях умеренных физических нагрузок из-за повышенных энергетических затрат увеличивается потребление кислорода и наступает состояние физиологической гипоксии [63—66], следовательно, образуются реактивно-активные формы кислорода с последующим включением свободнорадикальных и перекисных реакций путем мобилизации эндогенных жиров и стимуляции симпатико-адреналовой системы [49, 67—71]. В свою очередь образовавшийся эндогенный кислород обеспечивает поддержание интенсивного энергетического обмена [36, 39, 40, 71—76].
Заключение
Необходимо отметить чрезвычайную важность понимания способов и путей адаптации мышечного волокна к нагрузке для процесса регенерации после травм. Несмотря на малую изученность генотипической адаптации мышечных волокон к нагрузке уже сейчас необходимо составлять реабилитационные программы на их основе; тренировать спортсменов и вести их отбор, базируясь на основах данных процессов.
Необходимо использовать эти знания для коррекции как программ реабилитации пациента и индивидуальных программ тренировок, так и для усовершенствования спорта в целом.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
The authors declare no conflicts of interest.
Мы используем файлы cооkies для улучшения работы сайта. Оставаясь на нашем сайте, вы соглашаетесь с условиями использования файлов cооkies. Чтобы ознакомиться с нашими Положениями о конфиденциальности и об использовании файлов cookie, нажмите здесь.
1.1. Как растут мышцы? . Чердак. Только физика, только хардкор!
С течением времени меняются нравы, мода, технологии, политические течения, социальные устои. Однако красивое человеческое тело востребовано всегда. Развитая мускулатура – это инвестиция, которая будет актуальна в любую эпоху. Поэтому мы ходим в спортзал, поднимаем разные тяжести, придерживаемся плана тренировок, правильно питаемся… Если все делать правильно, телосложение меняется.
Но вот какие же процессы происходят в организме и позволяют «наращивать мышцу», то есть приводят к тому, что мышцы увеличиваются?
Устройство мышц
Сначала разберемся, как устроены мышцы. Они представляют собой набор длинных волокон, которые состоят из двух типов клеток – миотуб и клеток-спутников. Миотубы – это множество сросшихся клеток, объединенных в одну. Ядра, митохондрии и прочие части клетки оттеснены на периферию, а центральную часть занимают так называемые миофибриллы. Это длинные тонкие эластичные трубочки, которые могут сжиматься, именно они отвечают за сокращение мышц. Клетки-спутники облепляют миотубы со всех сторон и в случае повреждения волокон начинают активно делиться и восстанавливать эти повреждения.
Как видите, объем мышц может увеличиваться двумя путями: либо увеличением количества волокон (гиперплазия), либо увеличением размеров самих волокон (гипертрофия). Так как же этого добиться?
Рост мышц
Мы до сих пор точно не знаем, каким образом растут мышцы.
Конечно, известно, что тренировки способствуют этому, но вот детальный механизм увеличения мышц по-прежнему загадка. На этот счет есть только теории, и самая популярная – теория разрушения.
Основная мысль этой теории звучит довольно красиво: согласно ей, ничего строить не нужно! Напротив, мышцу нужно как можно сильнее испортить, и чем больше урон, тем крупнее она станет при дальнейшем самовосстановлении. Сторонники этой теории утверждают, что при высоких нагрузках некоторые миофибриллы повреждаются (например, из-за трения составляющих их структур друг о друга). В результате клетки-спутники начинают активно делиться и восстанавливать микротравмы миофибрилл. В конечном счете происходит так называемая гиперкомпенсация: восстановленные миотубы становятся больше в поперечном сечении. Это происходит потому, что организм приспосабливается к возрастающим нагрузкам. Кроме того, сам процесс восстановления очень инертен, то есть заканчивается лишь спустя некоторое время после того, как восстановлен нормальный объем.
Есть и другие мнения, например, теория сохранения. Согласно ей микротравмы мышц не являются основной причиной их роста и даже нежелательны. Ведь на их восстановление требуются ресурсы.
Теория сохранения, так же как и теория разрушения, исходит из того, что в процессе тренировок миофибриллы повреждаются. Но это случается далеко не со всеми из них: повреждаются только самые короткие, не параллельные большинству других и в целом ущербные миофибриллы. И именно это является причиной мышечной боли после первых тренировок. При восстановлении они заменяются новыми, более качественными миофибриллами. Уже через два месяца никаких микротравм не происходит, но мышцы продолжают расти. И, согласно этой теории, есть определенные факторы, благоприятствующие росту мышц. А именно:
Первый фактор – наличие аминокислот, то есть кирпичиков, из которых строятся белковые молекулы, а именно из них и состоят мышцы.
Второй фактор – рост концентрации анаболических гормонов, то есть гормонов роста.
Он достигается в результате стресса мышц и запускает процесс синтеза миофибрилл в клетке.
Третий фактор – увеличение концентрации креатинина. Это вещество улучшает энергетический обмен в клетках, и мышцы могут работать дольше на критических режимах.
И четвертый фактор – рост концентрации ионов водорода: поры в мембранах увеличиваются и гормоны легче проникают в клетку.
Как видим, обе теории подразумевают, что рост мышц носит приспособительный, адаптивный характер. Только в одной теории процесс роста запускают травмы, а в другой – процесс запускается сам, и травмы там совсем ни к чему. Но, согласно любым теориям, рост мышц происходит не на тренировке, а после нее – при восстановлении. Именно поэтому так важно питание. Оно должно быть богато белками, аминокислотами, которые, по сути, являются кирпичиками, из которых состоят наши мышцы!
Сложности
Накачать мышцы не составляло бы никакого труда, если бы не множество сложностей.
Помимо процессов анаболизма (то есть роста) в организме непрерывно идут обратные процессы – катаболизма.
То есть организм специально немного разрушает некоторые свои ткани, расщепляет их на более простые составляющие. Делает он это для того, чтобы в случае экстренной ситуации можно было из этих составляющих быстро восполнить силы или восстановить поврежденные ткани. Под раздачу попадают и мышцы: белки расщепляются на аминокислоты. Таким же образом накапливается жир.
Катаболизм усиливается при стрессе, нерегулярном питании, нехватке питательных веществ. Поэтому когда спортсмен набирает массу, он должен исключить все эти факторы, иначе, по-простому говоря, организм будет есть сам себя. И все спортивное питание нацелено на то, чтобы подавить реакции катаболизма: в нем большое количество аминокислот и прочих строительных кирпичиков тела.
Ну и конечно, имеет значение генетика. Зачастую она служит оправданием для лентяев, но на самом деле это не пустой звук. Мышечная ткань бывает двух типов. Условно она называется красной и белой. Красные мышечные волокна активно снабжаются кровью, используют много кислорода, больше приспособлены к непрерывным монотонным нагрузкам, а главное – не склонны к сильному росту.
Белые мышечные волокна, наоборот, скуднее снабжаются кровью и кислородом, способны к большим усилиям, но на непродолжительное время, и при тренировках сильно увеличиваются в размерах.
Соотношение белых и красных волокон у человека определяется генетически, и в процессе тренировок это соотношение может поменяться не более чем на 10 %. Так что если у вас 80 % красных волокон, тяжелым и мускулистым бодибилдером вам не стать. Однако это не повод сидеть на диване, ведь и в этом случае можно добиться красивого и гармоничного телосложения.
Данный текст является ознакомительным фрагментом.
Генезис, модуляция и регенерация скелетных мышц. Молекулярная биология клетки
Термин «мышца» охватывает множество типов клеток, все из которых специализируются на сокращении, но в других отношениях отличаются друг от друга.
Как отмечалось в главе 16, сократительная система, включающая актин и миозин, является основной чертой животных клеток в целом, но мышечные клетки в значительной степени развили этот аппарат. Млекопитающие обладают четырьмя основными категориями клеток, специализирующихся на сокращении: клетки скелетных мышц, клетки сердечной (сердечной) мышцы, клетки гладкой мускулатуры и миоэпителиальные клетки. Они различаются по функциям, строению и развитию. Хотя все они генерируют сократительные силы с помощью организованных систем филаментов на основе актина и миозина, используемые молекулы актина и миозина несколько отличаются по аминокислотной последовательности, по-разному расположены в клетке и связаны с разными наборами белков для контроля. сокращение.
Рисунок 22-40
Четыре класса мышечных клеток млекопитающего. (A) Схематические рисунки (в масштабе). (B-E) Сканирующие электронные микрофотографии, показывающие (B) скелетную мышцу шеи хомяка, (C) сердечную мышцу крысы, (D) гладкую мышцу мочевого пузыря (подробнее.
..)
Клетки скелетных мышц отвечают практически за все движения, которые находятся под произвольным контролем. Эти клетки могут быть очень большими (2–3 см в длину и 100 мкм в диаметре у взрослого человека), и их часто называют мышечных волокон из-за их сильно вытянутой формы. Каждый из них представляет собой синцитий, содержащий множество ядер в общей цитоплазме. Другие типы мышечных клеток более традиционны и обычно имеют только одно ядро. Клетки сердечной мышцы напоминают волокна скелетных мышц тем, что их актиновые и миозиновые филаменты выстроены в очень упорядоченные ряды, образуя серию сократительных единиц, называемых саркомерами , так что клетки имеют исчерченный (полосатый) вид. Гладкомышечные клетки названы так потому, что они не кажутся исчерченными. Функции гладких мышц сильно различаются: от продвижения пищи по пищеварительному тракту до поднятия волос в ответ на холод или страх. Миоэпителиальные клетки также не имеют исчерченности, но в отличие от всех других мышечных клеток лежат в эпителии и происходят из эктодермы.
Они образуют мышцу-расширитель радужной оболочки глаза и служат для удаления слюны, пота и молока из соответствующих желез, как обсуждалось ранее (см. Ресурсы). Четыре основные категории мышечных клеток можно далее разделить на отличительные подтипы, каждый из которых имеет свои характерные особенности.
Механизмы сокращения мышц обсуждаются в главе 16. Здесь мы рассмотрим, как образуется и поддерживается мышечная ткань. Мы сосредоточимся на скелетных мышечных волокнах, которые имеют любопытный способ развития, поразительную способность модулировать свой дифференцированный характер и необычную стратегию восстановления.
Новые волокна скелетных мышц формируются путем слияния миобластов
В предыдущей главе описывалось, как некоторые клетки, происходящие из сомитов эмбриона позвоночных на очень ранней стадии, определяются как миобласты, предшественники волокон скелетных мышц. Как обсуждалось в главе 7, способность быть миобластом зависит от белков, регулирующих гены, по крайней мере, двух семейств — MyoD семейство основных белков спираль-петля-спираль и семейство MEF2 белков-боксов MADS.
Они действуют в комбинации, чтобы дать миобластам память о своем коммитированном состоянии и, в конечном счете, регулировать экспрессию др. генов, которые придают зрелой мышечной клетке ее специализированный характер (см. ). После периода пролиферации миобласты претерпевают резкое изменение фенотипа, которое зависит от скоординированной активации целой батареи специфичных для мышц генов, процесс, известный как дифференцировка миобластов. По мере дифференциации они сливаются друг с другом, образуя многоядерные скелетные мышечные волокна. Слияние включает специфические молекулы межклеточной адгезии, которые опосредуют распознавание между вновь дифференцирующимися миобластами и волокнами. После того, как дифференцировка произошла, клетки не делятся, и ядра никогда больше не реплицируют свою ДНК.
Рисунок 22-41
Слияние миобластов в культуре. Культуру окрашивают флуоресцентным антителом (зеленый) против миозина скелетных мышц, который маркирует дифференцированные мышечные клетки, и ДНК-специфическим красителем (синий) , чтобы показать ядра клеток.
(A) Через короткое время после перехода на (подробнее…)
Миобласты, которые продолжали пролиферировать в культуре в течение двух лет, все еще сохраняют способность дифференцироваться и могут сливаться с образованием мышечных клеток в ответ на подходящее воздействие. изменение условий культивирования. Соответствующие сигнальные белки, такие как фактор роста фибробластов или гепатоцитов (FGF или HGF), в культуральной среде могут поддерживать миобласты в пролиферативном, недифференцированном состоянии: если эти растворимые факторы удаляются, клетки быстро перестают делиться, дифференцируются и сливаются. Однако система контроля сложна, и прикрепление к внеклеточному матриксу также важно для дифференцировки миобластов. Более того, процесс дифференцировки кооперативный: дифференцирующиеся миобласты секретируют факторы, которые, по-видимому, стимулируют дифференцировку др. миобластов. У интактного животного миобласты и мышечные волокна удерживаются в ячейках соединительнотканного каркаса, образованного фибробластами.
Эта структура направляет развитие мышц и контролирует расположение и ориентацию мышечных клеток.
Мышечные клетки могут изменять свои свойства, изменяя содержащиеся в них изоформы белка
После образования скелетные мышечные волокна растут, созревают и изменяют свой характер в соответствии с функциональными потребностями. Геном содержит несколько вариантных копий генов, кодирующих многие характерные белки клетки скелетных мышц, и РНК-транскрипты многих из этих генов могут подвергаться сплайсингу несколькими способами. В результате может быть получено множество вариантов белков (изоформ) для компонентов сократительного аппарата. По мере созревания мышечного волокна образуются различные изоформы, адаптированные к изменяющимся требованиям к скорости, силе и выносливости у плода, новорожденного и взрослого человека. В одной взрослой мышце можно найти бок о бок несколько различных типов скелетных мышечных волокон, каждый из которых имеет разные наборы изоформ белка и разные функциональные свойства (11).
Медленные мышечные волокна (для устойчивого сокращения) и быстрые мышечные волокна (для быстрых сокращений) иннервируются медленными и быстрыми двигательными нейронами, соответственно, и иннервация может регулировать экспрессию и размер генов мышечных волокон с помощью различных моделей электрической стимуляции, которые эти нейроны доставлять.
Рисунок 22-42
Быстрые и медленные мышечные волокна. Два последовательных поперечных среза одного и того же фрагмента мышцы ноги взрослой мыши были окрашены разными антителами, каждое из которых специфично для своей изоформы белка тяжелой цепи миозина, и изображения двух срезов были наложены друг на друга (подробнее…)
Волокна скелетных мышц Выделяют миостатин для ограничения собственного роста
Мышца может расти тремя способами: ее волокна могут увеличиваться в количестве, длине или обхвате. Поскольку скелетные мышечные волокна не могут делиться, большее их количество может образоваться только за счет слияния миобластов, а количество многоядерных скелетных мышечных волокон во взрослом возрасте фактически достигается рано — до рождения, у человека.
Однажды сформировавшись, скелетное мышечное волокно обычно сохраняется на протяжении всей жизни животного. Однако отдельные мышечные ядра могут быть добавлены или потеряны. Таким образом, огромное постнатальное увеличение мышечной массы достигается за счет увеличения клеток. Рост в длину зависит от рекрутирования большего количества миобластов в существующие многоядерные волокна, что увеличивает количество ядер в каждой клетке. Увеличение обхвата, которое происходит в мышцах тяжелоатлетов, включает как рекрутирование миобластов, так и увеличение размера и количества сократительных миофибрилл, которые поддерживает каждое ядро мышечного волокна.
Каковы же тогда механизмы, контролирующие количество и размер мышечных клеток? Одна часть ответа заключается во внеклеточном сигнальном белке, называемом миостатином . Мыши с мутацией потери функции в гене миостатина имеют огромные мышцы — в два-три раза больше, чем в норме. Как количество, так и размер мышечных клеток, по-видимому, увеличены.
Мутации в одном и том же гене обнаруживаются у так называемых «двухмускульных» пород крупного рогатого скота (см.): при отборе на большую мускулатуру скотоводы невольно отбирали дефицит миостатина. Миостатин принадлежит к надсемейству сигнальных белков TGFβ и обычно вырабатывается и секретируется клетками скелетных мышц. Его функция, очевидно, заключается в обеспечении отрицательной обратной связи для ограничения роста мышц. Небольшие количества белка могут быть обнаружены в кровотоке взрослых людей, и было сообщено, что количество повышено у больных СПИДом, у которых наблюдается истощение мышц. Таким образом, миостатин может действовать как негативный регулятор мышечного роста как во взрослой жизни, так и в процессе развития. Рост некоторых других органов также контролируется отрицательно-обратным действием фактора, который они сами производят. Мы встретимся с другим примером в следующем разделе.
Рисунок 22-43
Регулирование размера мышц с помощью миостатина. (A) Нормальная мышь по сравнению с мутантной мышью с дефицитом миостатина.
(B) Нога нормальной и (C) мыши с дефицитом миостатина, с удаленной кожей, чтобы показать массивное увеличение мускулатуры у мутанта. (подробнее…)
Некоторые миобласты сохраняются в виде покоящихся стволовых клеток во взрослом возрасте
Несмотря на то, что люди обычно не генерируют новые волокна скелетных мышц во взрослом возрасте, способность к этому не утрачена полностью. Клетки, способные служить миобластами, сохраняются в виде маленьких, уплощенных и неактивных клеток, находящихся в тесном контакте со зрелой мышечной клеткой и заключенных в ее оболочке базальной пластинки (11). Если мышца повреждена, эти -сателлитные клетки активируются для пролиферации, и их потомство может сливаться для восстановления поврежденной мышцы. Таким образом, сателлитные клетки представляют собой стволовые клетки взрослых скелетных мышц, обычно находящиеся в резерве в состоянии покоя, но доступные при необходимости в качестве самообновляющегося источника терминально дифференцированных клеток.
Спортсмены, которые специализируются на мышечной силе, часто повреждают свои мышечные волокна и, как считается, зависят от этого механизма восстановления мышц, что приводит к регенерированным волокнам, которые часто сильно разветвляются.
Рисунок 22-44
Сателлитная клетка на волокне скелетной мышцы. Образец окрашен антителом (красный) против мышечного кадгерина, М-кадгерина, который присутствует как на сателлитной клетке, так и на мышечном волокне и концентрируется в месте, где находятся их мембраны (подробнее…)
Процесс восстановления мышц с помощью сателлитных клеток, тем не менее, ограничен в своих возможностях. Например, при одной из форм мышечной дистрофии дифференцированные клетки скелетных мышц повреждаются из-за генетического дефекта цитоскелетного белка дистрофина. В результате сателлитные клетки пролиферируют, чтобы восстановить поврежденные мышечные волокна. Однако эта регенеративная реакция не успевает за повреждением, и мышечные клетки в конечном итоге заменяются соединительной тканью, блокируя любую дальнейшую возможность регенерации.
Подобная потеря способности к восстановлению, по-видимому, способствует ослаблению мышц у пожилых людей.
При мышечной дистрофии, когда сателлитные клетки постоянно вынуждены размножаться, их способность к делению может быть истощена в результате прогрессирующего укорочения их теломер в ходе каждого клеточного цикла (обсуждается в главе 17). Стволовые клетки других тканей, таких как кровь, ограничены таким же образом: в норме они делятся очень медленно, а мутации или исключительные обстоятельства, заставляющие их делиться быстрее, могут привести к преждевременному истощению запаса стволовых клеток.
Резюме
Волокна скелетных мышц являются одной из четырех основных категорий клеток позвоночных, специализирующихся на сокращении, и они отвечают за все произвольные движения. Каждое волокно скелетной мышцы представляет собой синцитий и развивается путем слияния многих миобластов. Миобласты активно размножаются, но после слияния они больше не могут делиться. Слияние обычно следует за началом дифференцировки миобластов, при которой координировано включаются многие гены, кодирующие специфичные для мышц белки.
Некоторые миобласты сохраняются в состоянии покоя в виде сателлитных клеток во взрослых мышцах; когда мышца повреждена, эти клетки реактивируются, чтобы пролиферировать и сливаться, чтобы заменить потерянные мышечные клетки. Мышечная масса регулируется гомеостатически с помощью механизма отрицательной обратной связи, при котором существующая мышца секретирует миостатин, который ингибирует дальнейший рост мышц.
Первая сокращающаяся человеческая мышца, выращенная в лаборатории
Главная » О нас » Новости и СМИ
13 января 2015 г. | Кен Кингери
Исследователи из Университета Дьюка сообщают о первой выращенной в лаборатории сокращающейся человеческой мышце, которая может произвести революцию в открытии лекарств и персонализированной медицине.
Впервые в лаборатории исследователи Дьюка вырастили человеческие скелетные мышцы, которые сокращаются и реагируют так же, как нативные ткани, на внешние раздражители, такие как электрические импульсы, биохимические сигналы и фармацевтические препараты.
Выращенная в лаборатории ткань должна вскоре позволить исследователям тестировать новые лекарства и изучать заболевания в функционирующих человеческих мышцах вне человеческого тела.
Исследованием руководили Ненад Бурсак, адъюнкт-профессор биомедицинской инженерии в Университете Дьюка, и Лоран Мэдден, научный сотрудник лаборатории Бурсака. Оно появилось 13 января в журнале eLife с открытым доступом.
«Прелесть этой работы в том, что она может служить испытательным стендом для клинических испытаний в чашке», — сказал Бурсак. «Мы работаем над тем, чтобы проверить эффективность и безопасность лекарств, не ставя под угрозу здоровье пациента, а также воспроизвести функциональные и биохимические сигналы заболеваний, особенно редких и тех, которые затрудняют взятие биопсии мышц».
Бурсак и Мэдден начали с небольшого образца клеток человека, которые уже вышли за пределы стволовых клеток, но еще не стали мышечной тканью. Они расширили эти «миогенные предшественники» более чем в 1000 раз, а затем поместили их в поддерживающие трехмерные леса, заполненные питательным гелем, что позволило им сформировать выровненные и функционирующие мышечные волокна.
«У нас большой опыт создания биоискусственных мышц из клеток животных в лаборатории, и нам понадобился год, чтобы настроить такие параметры, как плотность клеток и геля, а также оптимизировать культуральную матрицу и среду, чтобы это работало с мышечными клетками человека. — сказал Мэдден.
Мэдден подверг новую мышцу множеству тестов, чтобы определить, насколько она похожа на нативную ткань человеческого тела. Она обнаружила, что мышцы сильно сокращаются в ответ на электрические раздражители — впервые для человеческих мышц, выращенных в лаборатории. Она также показала, что сигнальные пути, позволяющие нервам активировать мышцу, не повреждены и функционируют.
Чтобы увидеть, можно ли использовать мышцу в качестве прокси для медицинских тестов, Бурсак и Мэдден изучили ее реакцию на различные препараты, включая статины, используемые для снижения уровня холестерина, и кленбутерол, препарат, который, как известно, используется не по прямому назначению для повышения эффективности.
усилитель для спортсменов.
Эффекты препаратов аналогичны эффектам, наблюдаемым у пациентов-людей. Статины имели дозозависимый ответ, вызывая аномальное накопление жира при высоких концентрациях. Кленбутерол показал узкое благоприятное окно для увеличения сокращения. Оба этих эффекта были зарегистрированы у людей. Кленбутерол не повреждает мышечную ткань грызунов в таких дозах, показывая, что выращенные в лаборатории мышцы давали истинно человеческий ответ.
«Одна из наших целей — использовать этот метод для предоставления пациентам персонализированной медицины», — сказал Бурсак. «Мы можем взять биопсию у каждого пациента, вырастить много новых мышц, чтобы использовать их в качестве тестовых образцов, и поэкспериментировать, чтобы увидеть, какие лекарства будут лучше всего работать для каждого человека».
Эта цель может быть недалеко; Бурсак уже работает над исследованием с клиницистами Duke Medicine, включая Дуайта Коберла, доцента педиатрии, чтобы попытаться сопоставить эффективность лекарств у пациентов с воздействием на выращенные в лаборатории мышцы.
Группа Бурсака также пытается выращивать сокращающиеся человеческие мышцы, используя индуцированные плюрипотентные стволовые клетки вместо биопсийных клеток.
«Есть некоторые заболевания, такие как мышечная дистрофия Дюшенна, например, которые затрудняют биопсию мышц», — сказал Бурсак. «Если бы мы могли вырастить работающие, пригодные для тестирования мышцы из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, мы могли бы взять один образец кожи или крови и больше никогда не беспокоить пациента».
Другие исследователи, участвовавшие в этом исследовании, включают Джорджа Траски, профессора биомедицинской инженерии Р. Юджина и Сьюзи Э. Гудсон и старшего заместителя декана по исследованиям Инженерной школы Пратта, и Уильяма Краусса, профессора биомедицинской инженерии, медицины и ухода за больными. в Университете Дьюка.
Исследование было поддержано грантами NIH R01AR055226 и R01AR065873 от Национального института артрита, скелетно-мышечных и кожных заболеваний и Uh3TR000505 от Общего фонда NIH для инициативы по микрофизиологическим системам.
