作者:朱汉斌 来源:中国科学报 发布时间:2024/2/20 20:20:22
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研究发现低强度脉冲超声促进骨骼肌再生的新应用

 

近日,广东省科学院微生物研究所研究员谢黎炜团队与南方医科大学南方医院康复医学科主任刘刚团队合作,首次报道了低强度脉冲超声可通过AMP激活蛋白激酶(AMPK)代谢通路调控骨骼肌卫星细胞和成肌纤维细胞的活性,在骨骼肌再生中显示出显著的巨大的治疗潜力。相关成果发表于《细胞信号》。

“我们研究发现低强度脉冲超声参与了肌肉再生过程中对肌卫星细胞活性的调节,为低强度脉冲超声的作用机制提供了重要的见解,为其在改善损伤后骨骼肌再生方面的应用奠定了理论基础,并为骨骼肌损伤和相关疾病的治疗策略提供了新靶点和新思路。”论文通讯作者谢黎炜对《中国科学报》表示。

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低强度脉冲超声治疗肌肉损伤机制图。受访者供图

骨骼肌占人体总质量的40%

作为运动系统的重要组成部分,骨骼肌参与人体各种身体活动。骨骼肌占人体总质量的40%,随着年龄的增长,骨骼肌会发生结构和功能变化,50岁之后人体每十年平均会损失15-30%的肌肉质量,肌肉强度也会急剧下降。

流行病学调查显示,肌肉损伤占所有运动损伤的10%-55%,如果没有及时进行肌肉功能的康复,会引起代谢紊乱,机体各项机能逐渐下降、出现机体虚弱、活动能力和平衡能力降低等,容易引发跌倒,骨折等不良后果,严重影响到患者的生活和生活质量。因此,促进骨骼肌损伤后的再生,尤其是中老年人一直是康复医学的主要研究方向之一。

论文第一作者、谢黎炜团队与南方医科大学南方医院康复医学科联合培养的硕士研究生段惠敏表示,骨骼肌损伤后的再生是一个精准调节的生物学过程,需要有序调用一系列细胞和分子。其中,肌卫星细胞作为骨骼肌的原代成体干细胞,在骨骼肌损伤再生过程中发挥着至关重要的作用。“这些细胞位于骨骼肌肌膜和基板之间,促进肌肉的生长、修复和再生。”

据介绍,低强度脉冲超声作为新兴的康复物理因子治疗手段,具有非侵入性、精确、靶向、和易于使用等特性。它能够靶向身体的固定部位,引起组织中的热和非热生理效应,提供必要的机械刺激从而达到治疗作用。目前低强度脉冲超声的临床应用主要集中在骨折愈合,骨关节炎等治疗方向,在骨骼肌方面的临床应用较少。

“尽管先前的研究确实证明了低强度脉冲超声在肌肉萎缩疾病中表现出较好的治疗作用,但肌卫星细胞在低强度脉冲超声积极效果中的具体贡献仍然是一个未知。”谢黎炜说。

促进骨骼肌损伤后的再生

研究人员通过构建心脏毒素肌肉损伤模型,在损伤的早期经过低强度脉冲超声的干预后,结果表明低强度脉冲超声治疗显著增加肌卫星细胞群和新形成肌纤维的数量和大小,同时降低急性损伤阶段的纤维化水平。并且损伤后30天观察到持续的益处,表明早期低强度脉冲超声干预通过促进肌卫星细胞增殖和分化来促进长期恢复。这些结果显示低强度脉冲超声在组织重塑和提高再生效率方面的潜能。

“我们的研究证明了低强度脉冲超声在骨骼肌损伤后再生中显著的治疗潜力,主要是通过增强肌卫星细胞和成肌细胞的活性来介导的。”谢黎炜表示,作为细胞能量储备的关键指标,AMPK在细胞能量中起着核心作用,AMPK的激活可以触发一系列代谢调节机制。

骨骼肌再生的过程复杂,涉及多种细胞类型和分子机制。肌肉再生是一个能量密集的过程,静息的肌卫星细胞的激活表现出更高的代谢需求和增强的线粒体活性,这一过程高度依赖于能量代谢和细胞内信号传导途径的精确调控。

谢黎炜团队假设低强度脉冲超声对肌卫星细胞的调节可能涉及到AMPK/GLUT4/PGC1α能量通路。体内实验结果表明,低强度脉冲超声可以通过激活AMPK,诱导Glut4和PGC-1α的表达,促进了线粒体生物发生,这可能为肌卫星细胞的增殖和分化提供充足的能量供应,有利于骨骼肌的再生。

体外研究结果显示,低强度脉冲超声治疗明显加速C2C12成肌细胞分化,同样的AMPK磷酸化增加,导致了Glut4和PGC1α表达上调,并且提高了细胞的葡萄糖摄取能力和线粒体生物发生,最终提高细胞能量利用率。并且AMPK被抑制后,逆转了低强度脉冲超声对成肌细胞分化的促进作用。

论文共同通讯作者刘刚表示,该研究通过细胞和动物心肌毒素肌肉损伤模型,研究了低强度脉冲超声对肌卫星细胞和骨骼肌再生的影响,首次报道了低强度脉冲超声对骨骼肌损伤后再生中的积极作用,这与肌肌卫星细胞和成肌细胞活性的调节密不可分。

此外,体外研究证实了低强度脉冲超声对肌卫星细胞的调节作用可能归因于其增强细胞能量代谢的能力。

相关论文信息:https://doi.org/10.1016/j.cellsig.2024.111097

 
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