La atrofia del músculo esquelético se produce como consecuencia de múltiples enfermedades y condiciones crónicas. Así mismo, reduce las opciones de tratamiento y los resultados clínicos positivos, comprometiendo la calidad de vida por un aumento de la morbilidad y la mortalidad. La producción de unos niveles mínimos de fuerza muscular es un requisito para la realización de actividades de la vida diaria tales como levantarse de una silla o subir escaleras. Una persona joven sana es capaz de desarrollar este tipo de actividades sin ninguna dificultad, sin embargo tras un periodo de inactividad largo que implique una pérdida de masa muscular este tipo de actividades conllevan una elevada dificultad.
Tanto factores sistémicos como locales pueden iniciar la atrofia muscular. Los factores sistémicos incluyen el aumento de la miostatina y los glucocorticoides, o la falta de las hormonas anabólicas como la insulina o el factor-1 de crecimiento similar a la insulina. Los factores locales incluyen la inactividad muscular, el reposo en cama, inmovilización de miembros, la denervación muscular, distrofias musculares y el envejecimiento muscular.
El fenómeno de pérdida de masa muscular está relacionado con el estrés oxidativo y la inflamación en varias condiciones: inmovilización de las extremidades, suspensión de miembros posteriores, enfermedad pulmonar obstructiva crónica y sepsis. Diversos autores han sugerido que la administración de antioxidantes protege el músculo esquelético durante la suspensión. Sin embargo, los mecanismos moleculares implicados en esta protección siguen siendo un tema de debate.
El objetivo principal de esta tesis doctoral es determinar los mecanismos moleculares implicados en la pérdida de masa muscular tras un modelo de suspensión de miembros posteriores en roedores y su posible prevención con tratamientos farmacológicos, tales como la indometacina y el alopurinol. Este objetivo está basado en las evidencias previas, encontradas por nuestro grupo de investigación, de la implicación de la enzima xantina oxidasa en la generación de radicales libres en la atrofia muscular.
Para llevarlo a cabo hemos estudiado la principal vía de señalización sensible a estrés oxidativo activada por mitógenos, p38MAPK, y la cascada inflamatoria de NF-кB en la atrofia del músculo esquelético. Además, estudiamos la expresión de tres conocidas E3 ubiquitin-ligasas musculares implicadas en la proteólisis: MAFbx, MuRF-1 y Cbl-b. La pérdida de masa muscular durante la inactividad muscular es causada tanto por la apoptosis de mionúcleos como por un desequilibrio entre la degradación y la síntesis de proteínas; por esta razón hemos analizado Akt, una proteína quinasa que desempeña un papel clave en múltiples procesos celulares, tales como metabolismo de la glucosa y la síntesis de proteínas musculares.
Para la consecución de los objetivos de esta tesis se han llevado a cabo tres estudios consecutivos relacionados. En el primer estudio, ratas Wistar macho sometidas durante 14 días a un protocolo de suspensión de miembros posteriores, con o sin tratamiento con alopurinol, se compararon con los controles. En el segundo estudio, se utilizaron ratones silvestres y deficientes en IKKα en el músculo esquelético. En este estudio asignamos aleatoriamente los animales al grupo control o al suspendido de las extremidades posteriores. Por último, en el tercer estudio, ratones macho C57BL/6J, sometidos a un protocolo de suspensión de miembros posteriores, con o sin los siguientes tratamientos: indometacina, alopurinol o indometacina más alopurinol, se compararon con los controles que deambulan libremente.
Nuestros resultados muestran que la suspensión de las extremidades posteriores indujo una activación de la XO, un aumento del estrés oxidativo y de la inflamación, tanto en el plasma como en el músculo esquelético. El estrés oxidativo activa las vías de señalización p38 MAPK y NF-кB que conducen a la activación de las E3 ubiquitina ligasas MAFbx y MuRF-1. La inhibición de la XO, con alopurinol, en ratas, y la supresión IKKα en el músculo esquelético previene parcialmente la atrofia del músculo sóleo. En relación a la vía de síntesis de proteínas, Akt, fue restaurada con el tratamiento con alopurinol y parcialmente en los ratones KO mIKKα, por la inhibición de la E3 ubiquitin-ligasa Cbl-b.
El tratamiento que previno de forma más efectiva el proceso de atrofia muscular fue la combinación de la indometacina más alopurinol. Esto está mediado por la inhibición de la las vías p38-MAFbx y NF-кB-MuRF-1. Nuestros datos señalan un beneficio potencial de la administración de indometacina junto con el alopurinol, para astronautas, pacientes encamados durante periodos prolongados de inmovilización de miembros, así como en la sarcopenia y la caquexia.
Por otro lado la atrofia del músculo esquelético es una de las complicaciones más comunes en la diabetes. En este caso también existe un aumento de la degradación de proteínas, así como una disminución de la síntesis de las mismas. Actualmente hay al menos tres sistemas diferentes que han demostrado estar involucrados en la degradación de proteínas: el sistema lisosomal, la activación de Ca2+ citosólico y el sistema ubiquitin proteasoma. Un tema controvertido y que ha desatado mucho interés es el posible papel de los radicales libres en la fisiopatología de la diabetes. Así pues, Oberley en 1988 ya correlacionó el estrés oxidativo con la diabetes. La mayoría de los autores postulan el papel del estrés oxidativo en el desarrollo de las complicaciones diabéticas debido al daño tisular que producen los radicales libres. Sin embargo, existen algunos autores que implican a los radicales libres no tan sólo en las complicaciones del diabético, sino también en la misma etiología de la enfermedad. Esto se extrae a partir del estudio de varios fármacos inductores de diabetes en animales de experimentación, como la estreptozotocina y el aloxano, que destruyen selectivamente los islotes de Langerhans pancreáticos por un mecanismo oxidante, y del hecho que su acción puede ser inhibida por la administración de antioxidantes. No obstante, aunque se ha señalado anteriormente que el estrés oxidativo juega un papel importante en la patología de la diabetes y sus complicaciones, la información sobre el papel del estrés oxidativo en el músculo esquelético en la diabetes y cómo prevenirla es muy limitada.
El objetivo de esta segunda parte de la tesis doctoral fue determinar los mecanismos moleculares implicados en la pérdida de masa muscular en la diabetes experimental inducida con estreptozotocina y su posible prevención con la administración de α-galacto-oligosacáridos.
Para la consecución de los objetivos, se utilizaron ratas Wistar Ham macho divididas en tres grupos experimentales: controles, ratas diabéticas (inducida por estreptozotocina) y ratas diabéticas tratadas con α-galacto-oligosacáridos. Así mismo, estudiamos el papel del estrés oxidativo asociado a la diabetes experimental inducida con estreptozotocina sobre la masa músculo-esquelética en ratas. Así como el papel de p38 y de NF-кB en la pérdida de masa muscular en un modelo de diabetes experimental.
Los resultados que obtuvimos de este estudio demuestran que el estrés oxidativo asociado a la diabetes inducida por estreptozotocina en ratas produce una pérdida significativa de la masa muscular, debida, en parte, tanto a la fosforilación de p38 como a la activación de NF-кB. El tratamiento con α-galacto-oligosacáridos previene el estrés oxidativo y la fosforilación de p38 sin que se observe una prevención significativa en la pérdida de masa muscular.Skeletal muscle atrophy is a debilitating consequence of multiple chronic diseases and conditions. It reduces treatment options and positive clinical outcomes as well as compromising quality of life and increasing morbidity and mortality. The generation of critical levels of power are a prerequisite to perform simple tasks of daily life, such as rising from a chair or climbing stairs. For a young healthy person these activities can be performed easily, however after a prolonged period of forced inactivity a loss of muscle mass occurs. Then simple tasks become increasingly difficult.
Both systemic and local factors can initiate muscle atrophy. Systemic factors include increased myostatin and glucocorticoids; or a lack of anabolic hormones, such as insulin or insulin-like growth factor-1. Local factors include muscle inactivity, bed rest, limb immobilization, muscle denervation or muscular dystrophies, and muscle ageing.
Recently it has been shown that muscle atrophy is linked to reactive oxygen species production and an inflammation state when limbs are immobilized, during hindlimb-unloading, in chronic obstructive pulmonary disease, and sepsis. Several authors have suggested that administration of antioxidants protects skeletal muscle during unloading. However, the molecular mechanisms involved in this protection remain a topic of debate.
The major aim of this doctoral thesis was to determine the molecular mechanisms involved in the loss of muscle mass induced by hindlimb unloading in rodents and its possible prevention with drug treatments, such as indomethacin and allopurinol. This objective is based on previous evidence found by our research group, which shows the involvement of the xanthine oxidase enzyme in the generation of free radicals in muscle atrophy.
For this purpose we have studied the main redox sensitive signaling p38 mitogen-activated protein kinase (MAPK) and the inflammatory cascade of NF-кB involved in skeletal muscle atrophy. Furthermore we studied the expression of two well-known muscle specific E3 ubiquitin ligases involved in proteolysis, MAFbx and MuRF-1. The loss of muscle mass during muscular inactivity is caused by both apoptosis of myonuclei and by an imbalance between protein degradation and synthesis. For this reason, we analysed Akt, a protein kinase that plays a key role in multiple cellular processes, such as glucose metabolism and muscular protein synthesis, by inhibition of the E3 ubiquitin-ligase Cbl-b.
To carry out the objectives of this thesis, we conducted three related consecutive studies. In the first study, male Wistar rats conditioned by 14 days of hindlimb unloading, with or without the allopurinol treatment, were compared with freely ambulating controls. In the second study, were used female and male wild-type and mIKKα KO mice randomly assigned to the control or hindlimb unloading groups. Finally, in the third study, male C57BL/6J mice, conditioned by 14 days of hindlimb unloading, with or without, indomethacin, allopurinol or indomethacin plus allopurinol treatments, were compared with freely ambulating controls.
Our results show that the hindlimb unloading induced XO activation, increased oxidative stress and inflammation, both in plasma and skeletal muscle. Oxidative stress signaling activated p38 MAPK and NF-кB pathways that lead to activation of the E3 ubiquitin ligases MAFbx and MuRF-1. XO inhibition, by allopurinol, in rats, and the suppression IKKα in skeletal muscle partially prevents the atrophy of the soleus muscle. The protein synthesis pathway, Akt, was restored by treatment with allopurinol and partly, in the KO mIKKα mice, by inhibiting the E3 ubiquitin ligase Cbl-b.
The most effective treatment to prevent the muscular atrophy process was the combination of allopurinol plus indomethacin. This is mediated by inhibition of the p38 and NF-кB MAFbx-MuRF-1 pathways. Our data point out the potential benefit of allopurinol and indomethacin administration for the bedridden, astronauts, limb immobilization and sarcopenic and cachexia patients.
Furthermore skeletal muscle atrophy is one of the most common complications in diabetes. In this case, there is also an increase in protein degradation and decreased in its synthesis. Currently, there are at least three different systems which have proved to be involved in protein degradation: the lysosomal system, activation of cytosolic Ca2+ and the ubiquitin proteasome system. A controversial topic that has triggered a lot of interest is the possible role of free radicals in the pathophysiology of diabetes. Thus, Oberley in 1988 correlated oxidative stress with diabetes. Most authors suggest the role of oxidative stress in the development of diabetic complications due to tissue damage produced by free radicals. However, some authors associate free radicals in not only diabetic complications, but also in the etiology of diabetes itself. This is concluded from a study of various drugs inducing diabetes in experimental animals, such as streptozotocin and alloxan which selectively destroy pancreatic Langerhans islets by an oxidative mechanism, and their action can be inhibited by the administration of antioxidants. However, although it has previously been indicated that oxidative stress plays an important role in the pathology of diabetes and its complications, the information about the role of oxidative stress in skeletal muscle in diabetes, and how to prevent it, is very limited.
To achieve our objectives, male Wistar Ham rats were randomly divided into three groups as controls, diabetic rats (induced by streptozotocin) and diabetic rats treated with α-galacto-oligosaccharides. Additionally, we studied the role of oxidative stress associated with experimental diabetes induced by streptozotocin on skeletal muscle mass in rats. We also studied the role of p38 and NF-кB in the loss of muscle mass in a model of experimental diabetes.
The results obtained from this study show that oxidative stress associated with streptozotocin-induced diabetes in rats produces a significant loss of muscle mass, due in part to both the phosphorylation of p38 and activation of NF-кB. Treatment with α-galacto-oligosaccharides prevents oxidative stress and phosphorylation of p38 but significant prevention of loss of muscle mass was not observed
