Скелетные мышцы составляют около 45 процентов массы тела человека, и их способность сокращаться необходима для поддержания жизнеспособности. Здоровые мышцы могут регенерировать после незначительных травм с помощью мышечных стволовых клеток. Этот процесс запускается вследствие местного и системного воспалительного ответа, в частности, цитокин интерферон-гамма (IFN-γ) регулирует процесс формирования мышечной ткани. И если воспаление, возникшее вследствие травмы, побуждает мышцы к регенерации, то нерегулируемые воспалительные процессы, которые характерны для некоторых заболеваний, приводят к потере мышечной массы и мышечной слабости. К таким заболеваниям относятся, например, хронические обструктивные легочные заболевания, ревматоидный артрит и дерматомиозит. Кроме того, повышенный уровень IFN-γ в крови обычно наблюдается после гриппа или цитокинового шторма вследствие тяжелого течения ковида.

Связь хронического воспаления и мышечной дистрофии была подтверждена экспериментами на грызунах и клиническими исследованиями. Соответствующих исследований in vitro проведено не было из-за отсутствия подходящих моделей: обычная культура мышечных клеток не воспроизводит многих свойств мышечной ткани. Предыдущие работы позволяли предположить, что IFN-γ влияет на мышцы в результате активации сигнального пути JAK/STAT.

Ранее группа исследователей из Дюкского университета (США) под руководством Ненада Бурсака (Nenad Bursac) разработала 3D-модель человеческих скелетных мышц («мышечные пучки»). Тогда ученые показывали, что мышечные пучки отвечают на электрическую стимуляцию, имитирующую физические упражнения, соответствующими изменениями в метаболизме и приростом в размере и силе. В новой работе эта же группа ученых описала механизм прямого влияния IFN-γ на структуру и функцию скелетных мышц, а также показала положительный эффект физических упражнений.

Ученые исследовали влияние IFN-γ на мышечные пучки, культивированные из клеток трех независимых доноров. На пучки воздействовали интерфероном в дозировке 20 нанограмм на миллилитр в течение недели, а затем проверяли, есть ли изменения в их структуре, биохимических и функциональных свойствах и в выделении сигнальных молекул цитокинов. При этом часть клеток в ходе эксперимента получала не только дозы интерферона, но подвергалась электрическому воздействию, который имитировал физические упражнения. Еще часть только «занималась спортом».

Мышечные пучки, которые получали IFN-γ, ослабли по сравнению с контрольной группой. Например, интерферон снизил амплитуду тетануса, длительного сокращения мышцы, на 68 процентов. Электрическая стимуляция улучшила показатели клеток, приблизив их к показателям контрольной группы, которая не подвергалась воздействию интерферона.

Само по себе воздействие интерферона к потере мышечной массы не привело. Однако те клетки, которые только «занимались физическими упражнениями», набрали больше массы, чем те, которые получали электрическую стимуляцию одновременно с дозами интерферона. Интерферон же снизил диаметр мышечных трубочек (8,8 микрометров против 11,3 микрометров у клеток из контрольной группы), а электрическая стимуляция обратила этот эффект. Схожая тенденция наблюдалась при измерении длины клеток. «Физические упражнения» также благотворно повлияли на экспрессию сократительных белков в клетках.

Воздействие интерфероном также повлияло на состав сигнальных молекул, выделяемых клетками: в среде повысилось содержание некоторых провоспалительных цитокинов. И этот эффект оказался обратим электрической стимуляцией клеток.

Электрическая стимуляция частично (на 50 процентов) ослабила активацию сигнального пути JAK/STAT в мышечных пучках. Это доказывает, что вдобавок к прямой пользе физических упражнений, существует определенный молекулярный механизм, обеспечивающий противовоспалительный эффект «физкультуры», который предотвращает ослабление мышц. Кроме того, существующие препараты-ингибиторы янус-киназы (JAK) тофацитиниб и барицитиниб в клинических дозах также предотвратили структурные и функциональные потери в мышечных клетках.

Таким образом, авторы работы показали, что физические упражнения напрямую препятствуют вызванной хроническими воспалительными процессами мышечной атрофии, и возможно сами по себе являются противовоспалительной терапией таких заболеваний. Кроме того, ученые отмечают, что добавление немышечных клеток в их модель, а также использование различных провоспалительных цитокинов и имитирующих упражнения режимов позволит и дальше исследовать механизмы воспалений человеческих мышц и разрабатывать эффективное лечение мышечных дистрофий.

О пользе физических упражнений для восстановления функций мышц после болезней ученые и медики говорили и ранее. Так, было показано, что утрата мышечного тонуса после травм или болезней обратима.

Фото: Zhaowei Chen et al. / Science Advances, 2021