Скелетная мускулатура не атрофируется, если снизить гравитацию на треть

По мере освоения космоса человеком все важнее становится понимать, как различные уровни гравитации влияют на работу организма. Среди основных систем органов скелетные мышцы особенно чувствительны к пониженной гравитации, однако минимальный порог, необходимый для поддержания гомеостаза, до сих пор остается неясным. Группа под руководством японских ученых показала, что гравитация силой примерно 2/3 от земной значительно препятствует атрофии мышц. 

Исследователи предположили, что деградация скелетных мышц зависит от дозы гравитации, и что существует промежуточный уровень, при котором этот процесс можно ослабить. Для проверки гипотезы мышей помещали в разные уровни гравитации с помощью центрифужной системы искусственной гравитации MARS на борту МКС (от микрогравитации до земного уровня), а после полета анализировали их скелетную мускулатуру. 

Самцов мышей линии C57BL/6J, всего 24 животных, доставили на МКС, где с помощью системы MARS подвергали их воздействию микрогравитации, 0,33 g, 0,67 g или 1 g в течение 27–28 дней. По возвращении из космоса масса тела мышей, подвергшихся воздействию 0,67 g и 1 g, оказалась значительно ниже, чем подвергшихся микрогравитации и оставшегося на земле контроля (эти две группы, наоборот, набрали вес). 

Сила хвата передних лап с поправкой на массу тела значительно снизилась у мышей, находившихся в микрогравитации или при 0,33 g. В группах более высокой гравитации таких изменений не наблюдалось — по-видимому, более высокая гравитационная нагрузка предотвратила снижение функциональности. 

Камбаловидная мышца (SOL), одна из мышц голени, которая очень чувствительна к изменениям гравитации, значительно атрофировалась в группах микрогравитации и 0,33 g. Гистологический анализ также выявил уменьшение толщины мышечных волокон при микрогравитации. Нагрузка уже в 0,33 g предотвращала это уменьшение, однако для сохранения силы хвата ее было недостаточно. 

Чтобы выяснить, почему для сохранения мышечной массы достаточно меньшей гравитации, чем для поддержания работоспособности мышц, авторы провели электроимпедансную миографию и проанализировали соотношение типов мышечных волокон. 

Скелетные мышцы состоят из медленных (тип I) и быстрых (тип II с подтипами IIa, IIx и IIb) волокон, или миофибрилл. Они отличаются метаболизмом и экспрессируют разные изоформы тяжелой цепи миозина. При этом известно, что мышечные волокна типов I и IIa более уязвимы к гиподинамии, чем волокна типов IIx и IIb. Ученые выявили количественные изменения в составе миофибрилл камбаловидной мышцы при микрогравитации — доля медленных волокон становилась меньше, а быстрых, соответственно, больше. Изменения диэлектрической проницаемости и проводимости мышцы соотносились со степенью атрофии. 

Секвенирование РНК камбаловидной мышцы выявило гены, экспрессия которых зависит от гравитации. В частности, атрогенные гены Foxo1, Foxo3, Trim63 и Capn1, которые индуцируются при разных формах мышечной атрофии, экспрессировались на более высоком уровне у мышей, подвергшихся микрогравитации или 0,33 g. 

Также ученые проанализировали метаболиты плазмы. Они обнаружили сдвиги в метаболоме, ассоциированные с низкой гравитацией. Используя гравитацию в качестве непрерывной переменной, они выявили 11 метаболитов, уровень которых зависит от гравитационной нагрузки. К ним относились креатин, лактат, глицерин и глутамат, уровни которых возросли, а также ассоциированные с аминокислотами метаболиты, такие как глицин и бетаин (их уровни, наоборот, снизились). Наблюдаемые изменения указывают на усиление процессов гликолиза и липолиза при пониженной гравитации.

Авторы заключают: нагрузки в 0,67 g достаточно для того, чтобы предотвратить значительную атрофию скелетных мышц и изменения состава их волокон во время космического полета. 

Родились детеныши самцов мыши, которым пересадили стволовые клетки сперматогониев, полгода хранившиеся на МКС