Механическое воздействие мышечных сокращений стимулирует рост моторных нейронов

Одно из направлений исследования важности физических нагрузок посвящено взаимодействию скелетных мышц и моторных нейронов. Эти компоненты развиваются и работают совместно для координации произвольных движений, но при этом точные механизмы их воздействия друг на друга остаются неясными. Команда исследователей из Массачусетского технологического института решила выяснить, как именно молекулы, выделяемые мышцами, воздействуют на рост нейронов in vitro, а также оценила вклад механических взаимодействий между клетками.

Авторы применили собственный метод неинвазивной механической стимуляции клеток, названный MagMA (magnetic matrix actuation — магнитное приведение матрикса в движение). Система MagMA состоит из гидрогеля со встроенными в него магнитными частицами. Воздействие на них внешнего магнитного поля вызывает контролируемую деформацию субстрата и имитирует мышечное сокращение.

В качестве альтернативы исследователи культивировали мышечные клетки в гидрогеле с регулируемой жесткостью на основе фибрина. Клетки выращивали до монослоя и вызывали их сокращения с помощью стимуляции светом с длиной волны 470 нм в течение 30 минут, имитируя ежедневную физическую нагрузку. Культуральную среду собирали и анализировали содержащиеся в ней миокины — биохимические факторы, выделяемые мышечными клетками при регулярном сокращении.

Из эмбриональных стволовых клеток мыши получали трехмерные нейронные сфероиды. В течение 5 дней их либо обрабатывали средой, содержащей миокины, либо культивировали на субстрате MagMA, чтобы сравнить роль биохимического и механического воздействия на рост нейронов.

И биохимическая стимуляция миокинами, и механическая стимуляция с помощью MagMA способствовала значительному увеличению общей длины отростков нейронов и площади их миграции. Интересно, что между механически и биохимически стимулированными сфероидами не было выявлено значительных различий — оба воздействия одинаково способствовали росту.

Мотонейроны, подвергшиеся тому или иному типу стимуляции, существенно увеличили экспрессию генов, способствующих росту нейронных отростков и ветвлению аксонов. У них также наблюдалась активация сигнальных путей, связанных с работой нервных синапсов и регуляцией нервно-мышечных взаимодействий.

Таким образом, исследователи подтвердили, что мышечные сокращения способствуют росту и созреванию моторных нейронов, в том числе благодаря именно механическому воздействию. Раньше из-за отсутствия подходящих моделей доказать эту гипотезу не удавалось, но новая in vitro платформа дала возможность исследовать биохимическое воздействие секретируемых мышцами факторов, а также изучить непосредственное влияние механической нагрузки, возникающей во время сокращения мышц. Полученные данные могут способствовать изучению и оптимизации тренировочных программ для стимуляции мышечной активности, а также улучшат понимание взаимодействия между мышцами и двигательными нейронами.

Силовые тренировки запускают механизм удаления поврежденных компонентов клеток