Sfidare la gravità: modelli di invecchiamento muscoloscheletrico nello spazio / Defying gravity: musculoskeletal aging models in space

Sfidare la gravità: modelli di invecchiamento muscoloscheletrico nello spazio / Defying gravity: musculoskeletal aging models in space

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Cosa succede ai nostri muscoli a livello cellulare con l'avanzare dell'età? Anne McArdle, professoressa di invecchiamento muscoloscheletrico all'Università di Liverpool (Regno Unito), è affascinata da questa domanda e dedica la sua ricerca alla comprensione di come i sistemi muscolari diventino disfunzionali, in particolare con l'invecchiamento. Per studiare l'invecchiamento muscolare in modo accelerato, Anne ed i suoi colleghi utilizzano un modello di microgravità, che prevede l'invio di cellule muscolari alla Stazione Spaziale Internazionale (ISS).

In occasione dell'ELRIG Drug Discovery Anne ha presentato parte della sua ricerca sui muscoli in microgravità ed abbiamo avuto l'opportunità di incontrarla per approfondire i vantaggi dei modelli in microgravità nella ricerca sull'invecchiamento muscolare e come questi modelli possano contribuire allo sviluppo di interventi terapeutici.

Cosa sappiamo del ruolo delle specie reattive dell'ossigeno (ROS), dei mitocondri e delle giunzioni neuromuscolari nell'invecchiamento del muscolo scheletrico?

A partire dai 50 anni circa, perdiamo circa il 2% della nostra massa muscolare ed il 3% della sua funzionalità ogni anno. Questa perdita è caratterizzata dalla completa scomparsa delle cellule muscolari, le cosiddette fibre muscolari, nonché dall'atrofia delle cellule rimanenti. Si ritiene che questa perdita sia causata da una cattiva innervazione, ovvero da un'interruzione della normale comunicazione tra nervo e cellule muscolari a livello della giunzione neuromuscolare, il punto in cui una sinapsi collega un motoneurone ad una fibra muscolare.

Un altro problema che riscontriamo è che gli individui anziani non riescono a sviluppare la massa muscolare con l'avanzare dell'età come fanno i giovani. Quando i giovani sviluppano i muscoli, si verifica un adattamento muscolare. Sappiamo che uno dei principali segnali per questo adattamento è la produzione acuta di specie reattive dell'ossigeno (ROS) a livello della membrana plasmatica, che attiva i geni responsabili dell'ipertrofia muscolare. In età avanzata, questa produzione acuta di ROS non si verifica. Al contrario, i mitocondri diventano disfunzionali ed iniziano a produrre un eccesso di ROS al loro interno. Questo, insieme alla denervazione delle cellule muscolari, interferisce con i processi adattativi di sviluppo muscolare. Una produzione cronica di ROS da parte dei mitocondri attiva processi degradativi che producono citochine pro-infiammatorie ed altre molecole dannose all'interno dei muscoli. Se riuscissimo a comprendere a fondo cosa succede a livello di segnalazione cellulare e disfunzione mitocondriale, credo che potremmo davvero fare la differenza nella lotta alla perdita di massa muscolare in età avanzata.

Quali tecniche utilizzate per studiare l'invecchiamento del muscolo scheletrico?

Utilizziamo diverse tecniche. Ci avvaliamo della microscopia per monitorare le singole molecole ed il loro movimento, nonché per determinare i siti di produzione di specie reattive dell'ossigeno (ROS), che possono includere la membrana plasmatica od i mitocondri. Eseguiamo anche analisi proteiche standard, analisi delle proteine ​​e misurazioni dell'attività enzimatica per studiare i processi che non funzionano correttamente con l'avanzare dell'età e collegarli alla misurazione della funzione muscolare. Collaboriamo con la Liverpool John Moores University (Regno Unito) per condurre studi sulla funzione umana, in modo da poter valutare potenziali approcci terapeutici mirati ad alcune delle molecole che riteniamo cruciali nell'invecchiamento muscolare ed, in effetti, nella perdita di massa muscolare in altre patologie. Infine, utilizziamo la microgravità per modellare l'invecchiamento muscolare, in quanto si tratta di un modello accelerato innovativo e molto utile per lo sviluppo di farmaci.

Perché la microgravità rappresenta un modello utile per lo studio dell'invecchiamento muscolare?

Il nostro interesse per la microgravità è nato quando abbiamo visto gli astronauti di ritorno dalla Stazione Spaziale Internazionale (ISS), dopo sei mesi trascorsi sulla Terra, presentare una perdita di massa muscolare fino al 30%. Questa perdita muscolare è probabilmente dovuta a diverse ragioni, ma ci siamo chiesti se i processi che si verificano negli astronauti dopo alcuni mesi nello spazio fossero simili a quelli che avvengono negli individui più anziani sulla Terra nel corso di decenni.

Abbiamo ipotizzato che si trattasse dello stesso processo, ma accelerato nello spazio. Ed in effetti, è proprio ciò che abbiamo scoperto nel nostro studio del 2021, MicroAge I. In questo studio, costrutti muscolari 3D coltivati ​​in laboratorio sono stati collocati in contenitori speciali che fornivano alle cellule ossigeno e nutrienti ed inviati nello spazio. I contenitori erano anche in grado di stimolare elettricamente le cellule a contrarsi per simulare l'esercizio fisico. Il nostro obiettivo era esaminare come i muscoli reagissero alla sola microgravità ed all'esercizio fisico in microgravità e come ciò si relazionasse alla perdita di massa muscolare legata all'età sulla Terra. Abbiamo osservato l'attivazione di processi coinvolti nella degradazione muscolare, tra cui un aumento della proteolisi, cambiamenti nella funzione mitocondriale e nella produzione di citochine quando i costrutti muscolari erano in microgravità. Anche la risposta dei costrutti muscolari all'esercizio fisico è risultata attenuata, in modo simile a quanto osservato nei muscoli delle persone anziane sulla Terra.

Ciò significa che la microgravità ci offre un modello che ci permette di sviluppare e testare rapidamente farmaci ed altri interventi, un processo che sulla Terra richiederebbe un decennio. Nello spazio, possiamo testare questi interventi in pochi giorni.

Quali sono i prossimi passi per la tua ricerca sui muscoli in microgravità?

Ciò che pensiamo possa accadere quando queste cellule si trovano in condizioni di microgravità – e che è stato proposto anche da altri – è che i mitocondri funzionino come sensori di gravità. Sulla Terra, i mitocondri sono sensori di attività, mentre nello spazio sono sensori di gravità. Tuttavia, in entrambe le situazioni si verificano gli stessi processi di perdita di massa muscolare.

Quello che stiamo facendo ora, credo, sia particolarmente importante perché abbiamo due lanci programmati per il 2025/26. Uno di questi lanci è per uno studio chiamato MicroAge II, che fa seguito al nostro studio precedente ed inizia a esaminare gli interventi. Questa volta stiamo applicando una certa tensione ai muscoli mentre si trovano in microgravità per vedere se ciò mantiene la struttura e la funzione mitocondriale e previene la degenerazione muscolare.

Cosa ti è piaciuto di più di Drug Discovery 2024?

La fase di scoperta di farmaci è stata entusiasmante per diversi motivi. Sono riuscito a contattare alcune aziende con cui collaboriamo già per scoprire le loro ultime tecnologie e discutere di come potremmo utilizzarle e testarle. Ho anche avuto modo di conoscere le offerte di alcune aziende emergenti, ed è stato fantastico entrare in contatto con realtà e strumenti che di solito non abbiamo modo di utilizzare. Proprio poco fa, parlavo con alcuni colleghi accademici di quanto poco si faccia questo tipo di interazione. Il mondo accademico non comunica con l'industria, quindi ELRIG crea la situazione ideale per unire i due ambiti. E certamente, in quanto accademico, è stato molto stimolante vedere le nuove tecnologie.

ENGLISH

What happens to our muscles on a cellular level as we age? Anne McArdle, Professor of Musculoskeletal Aging at the University of Liverpool (UK), is fascinated by this question, dedicating her research to understanding how muscular systems become dysfunctional, specifically in aging. To investigate muscular aging in an accelerated capacity, Anne and her colleagues utilize a microgravity model, which involves sending muscle cells to the International Space Station (ISS).

At ELRIG Drug Discovery Anne presented some of her microgravitational muscle research, and we got a chance to catch up with her at the event to learn more about the benefits of microgravity models in muscle aging research as well as how these models can inform intervention development.

What do we know about the role of reactive oxygen species (ROS), mitochondria and neuromuscular junctions in skeletal muscle aging?

Starting from the age of about 50, we lose approximately 2% of our muscle and 3% of its function each year. This loss is characterized by a complete loss of muscle cells, so-called muscle fibers, as well as an atrophy of remaining cells. We think this loss is driven by poor innervation – when the normal crosstalk between the nerve and the muscle cells fails at the neuromuscular junction, the place where a synapse connects a motor neuron to a muscle fiber.

The other problem that we see is that older individuals can’t build their muscles as they age the way younger people can. When young people build muscle, they undergo muscular adaptation. We know that one of the major signals for this adaptation is the acute production of ROS at the plasma membrane, which activates the genes responsible for hypertrophy of the muscle. In old age, we don’t see this acute production of ROS. Instead, the mitochondria become dysfunctional and start producing excess ROS within themselves. This, along with denervation of muscle cells, then interferes with the adaptive, muscle-building processes. A chronic production of ROS by mitochondria activates degradative processes that produce pro-inflammatory cytokines and other damaging molecules within muscles. If we can get to the bottom of what’s going on there in terms of the raw signaling and the mitochondrial dysfunction, I think we can really make a difference to muscle loss in old age.

What techniques do you use to investigate skeletal muscle aging?

We use a number of techniques. We use microscopy to monitor single molecules and their movement as well as determine the sites of ROS production – which could include at the plasma membrane or the mitochondria. We also conduct standard protein assays, protein analyses and enzymatic activity measurements to investigate the processes that aren’t functioning well in old age and link these through to measurement of muscle function. We collaborate with Liverpool John Moores University (UK) to do some human function studies, so we can look at potential ways to therapeutically target some of the molecules that we think are critical in muscle aging and indeed muscle loss in other illnesses. Finally, we employ microgravity to model muscular aging as it is a really useful, novel accelerated model for drug development.

Why is microgravity a useful model of muscle aging?

We became interested in microgravity when we saw astronauts coming back from 6 months in the ISS displaying up to 30% muscle loss. This muscle loss probably happens for several reasons, but we wondered whether the processes occurring in astronauts after a few months in space were similar to those occurring in older individuals on Earth over decades.

We hypothesized that it was the same process but accelerated in space. And indeed, that’s what we found in our 2021 study, MicroAge I. In this study, lab-grown 3D muscle constructs were placed into special containers that provided the cells with oxygen and nutrients and sent into space. The containers were also able to electrically stimulate the cells to contract to mimic exercise. Our aim was to examine how the muscles responded to microgravity alone and to exercise in microgravity and how this relates to age-related loss of muscle mass on Earth. We saw the activation of processes that are involved in muscle degradation, including increased proteolysis, changes in mitochondrial function and cytokine production when muscle constructs were in microgravity. The response of the muscle constructs to exercise was also attenuated, in a similar manner to muscles of older people on earth.

This means that microgravity provides us with a model that allows us to rapidly develop and test drugs and other interventions, a process that would take a decade to test on Earth. In space, we can test these interventions in just a few days.

What’s next for your muscles-in-microgravity research?

What we think might be happening when these cells are in microgravity conditions – and it’s been proposed by others – is that the mitochondria are working as gravity sensors. On Earth, mitochondria are activity sensors while in space they’re gravity sensors. However, the same processes of muscle loss are occurring in both situations.

What we’re doing now, I think, is particularly important because we’ve got two launches scheduled for 2025/26. One of these launches is for a study called MicroAge II, which is following from our previous study and is starting to look at interventions. What we’re doing this time is putting some tension on the muscles while they’re in microgravity to see if that maintains mitochondrial structure and function and prevents muscle degeneration.

What have you enjoyed most about Drug Discovery 2024?

Drug Discovery has been exciting for several reasons. I’ve managed to catch up with some companies we already work with to find out what their latest technology is and discuss how we might be able to utilize and test some of that tech. I’ve also been learning about what some newer companies offer, so it’s been great to gain some exposure to companies and tools we don’t usually see. Just a moment ago, I was talking to some of my academic colleagues about how we just don’t do this enough. Academia doesn’t speak to industry, so ELRIG creates an ideal situation to mix the two. And certainly, as an academic, it’s been very exciting to see the new technologies.

Da:

https://www.biotechniques.com/cell-and-tissue-biology/defying-gravity-musculoskeletal-aging-models-in-space/