Открытие стало возможным благодаря использованию выращенных в лаборатории искусственных человеческих мышц, продемонстрировав потенциальную мощь первой в своем роде платформы в таких исследованиях. Результаты исследования опубликованы на страницах издания Science Advances.
“Множество процессов происходит во всем человеческом теле во время физических упражнений, – сказал Ненад Бурсак, профессор биомедицинской инженерии в Дюке. – Наша инженерная мышечная платформа является модульной, что означает, что мы можем смешивать и сочетать различные типы клеток и тканевых компонентов, если захотим. Но в этом случае мы обнаружили, что мышечные клетки способны самостоятельно принимать противовоспалительные меры”.
Среди многих молекул, которые могут вызвать воспаление, одна провоспалительная молекула, в частности интерферон гамма, была связана с различными типами мышечного истощения и дисфункции. В то время как предыдущие исследования на людях и животных показали, что физические упражнения могут помочь смягчить последствия воспаления в целом, было трудно различить, какую роль могут играть сами мышечные клетки, не говоря уже о том, как они взаимодействуют со специфическими молекулами-нарушителями, такими как интерферон гамма.
“Мы знаем, что хронические воспалительные заболевания вызывают атрофию мышц, но мы хотели посмотреть, произойдет ли то же самое с нашими искусственными человеческими мышцами, выращенными в чашке Петри, – сказал Чжаовэй Чэнь, постдокторский исследователь в лаборатории Бурсака и первый автор статьи. – Мы не только подтвердили, что интерферон гамма работает главным образом через определенный сигнальный путь, мы показали, что тренирующиеся мышечные клетки могут непосредственно противостоять этой провоспалительной сигнализации независимо от присутствия других типов клеток или тканей”.
Чтобы доказать, что только мышца способна блокировать разрушительную силу интерферона гамма, Бурсак и Чен обратились к разработанной мышечной платформе, которую лаборатория разрабатывает уже почти десять лет. Они первыми начали выращивать сокращающиеся, функциональные скелетные мышцы человека в чашке Петри, и с тех пор лаборатория совершенствует свои процессы, например, добавляя в рецепт иммунные клетки и резервуары стволовых клеток.
В настоящем исследовании исследователи взяли эти полностью функциональные, выращенные в лаборатории мышцы и залили их относительно высоким уровнем гамма-интерферона в течение семи дней, чтобы имитировать эффекты длительного хронического воспаления. Как и ожидалось, мышца стала меньше и потеряла большую часть своей силы.
Затем исследователи снова применили интерферон гамма, но на этот раз также подвергли мышцу моделируемому режиму упражнений, стимулируя ее парой электродов. Хотя они ожидали, что процедура вызовет некоторый рост мышц, как было показано в их предыдущих исследованиях, они были удивлены, обнаружив, что она почти полностью предотвращает последствия хронического воспаления. Затем они показали, что имитированные физические упражнения ингибируют определенный молекулярный путь в мышечных клетках и что два препарата, используемые для лечения ревматоидного артрита, тофацитиниб и барицитиниб, которые блокируют один и тот же путь, оказывают одинаковое противовоспалительное действие.
“Во время тренировки сами мышечные клетки были прямо противоположны провоспалительному сигналу, индуцированному интерфероном гамма, чего мы не ожидали, – сказал Бурсак. – Эти результаты показывают, насколько ценными могут быть выращенные в лаборатории человеческие мышцы для открытия новых механизмов заболевания и потенциальных методов лечения. Существуют представления о том, что оптимальные уровни и режимы физических упражнений могут бороться с хроническим воспалением, не перенапрягая клетки. Может быть, с нашей инженерной мускулатурой мы можем помочь выяснить, верны ли такие представления”.