Le menomazioni croniche che mettono un muscolo in una posizione accorciata sono associate alla perdita di sarcomeri seriali

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Dopo aver subito un ictus, i pazienti spesso non sono in grado di usare il braccio sul lato colpito. A volte, finiscono per tenerlo vicino al corpo, con il gomito flesso.

In un nuovo studio, i ricercatori della Northwestern University e di Shirley Ryan AbilityLab hanno scoperto che, nel tentativo di adattarsi a questa disabilità, i muscoli in realtà perdono i sarcomeri , i loro mattoni più piccoli e basilari.

Impilati da un capo all’altro (in serie) e da un lato all’altro (in parallelo), i sarcomeri costituiscono la lunghezza e la larghezza delle fibre muscolari. Imaging dei muscoli bicipiti con tre metodi non invasivi, i ricercatori hanno scoperto che i pazienti con ictus avevano meno sarcomeri lungo la lunghezza della fibra muscolare, con conseguente struttura muscolare complessiva più corta.

La ricerca è stata pubblicata oggi (25 giugno) negli Atti della National Academy of Arts and Sciences.

Questa scoperta è coerente con l’esperienza comune dei pazienti di muscoli anormalmente tesi e rigidi che resistono allo stretching e suggerisce che i cambiamenti nel muscolo potenzialmente amplificano i problemi esistenti causati dall’ictus, che è una lesione cerebrale. Il team spera che questa scoperta possa aiutare a migliorare le tecniche di riabilitazione per ricostruire i sarcomeri , aiutando in definitiva ad alleviare il rafforzamento e l’accorciamento muscolare.

“Questa è la prova più diretta che le menomazioni croniche, che mettono un muscolo in una posizione accorciata, sono associate alla perdita di sarcomeri seriali negli esseri umani “, ha affermato Wendy Murray, autrice senior dello studio.

“Capire come i muscoli si adattano a seguito di disabilità è fondamentale per progettare interventi clinici più efficaci per mitigare tali adattamenti e migliorare la funzione in seguito a disabilità motorie”.

Murray è professore di ingegneria biomedica presso la McCormick School of Engineering della Northwestern, professore di medicina fisica e riabilitazione presso la Northwestern University Feinberg School of Medicine e ricercatore presso lo Shirley Ryan AbilityLab.

La ricerca è stata completata in collaborazione con Julius Dewald, professore di terapia fisica e scienze del movimento umano e di medicina fisica e riabilitazione a Feinberg, professore di ingegneria biomedica a McCormick e ricercatore presso Shirley Ryan AbilityLab.

Prima dimostrazione nell’uomo

Con una lunghezza compresa tra 1,5 e 4,0 micron, i sarcomeri comprendono due proteine ​​principali: actina e miosina. Quando queste proteine ​​lavorano insieme, consentono a un muscolo di contrarsi e produrre forza. Sebbene studi precedenti sugli animali abbiano scoperto che i muscoli perdono sarcomeri seriali dopo che un arto è stato immobilizzato in un gesso, il fenomeno non era mai stato dimostrato prima negli esseri umani. Negli studi sugli animali, anche i muscoli che erano più corti perché hanno perso i sarcomeri seriali sono diventati più rigidi.

“Esiste una classica relazione tra forza e lunghezza”, ha affermato Amy Adkins, un Ph.D. studente nel laboratorio di Murray e primo autore dello studio. “Dato che l’intero muscolo è composto da questi elementi costitutivi, la perdita di alcuni di essi influisce sulla forza che il muscolo può generare”.

Per condurre lo studio sugli esseri umani, i ricercatori hanno combinato tre tecniche di imaging medico non invasive: risonanza magnetica per misurare il volume muscolare, ultrasuoni per misurare fasci di fibre muscolari e microendoscopia a due fotoni per misurare i sarcomeri microscopici.

L’imaging apre nuove possibilità

Combinando queste tecnologie presso Northwestern e Shirley Ryan AbilityLab, i ricercatori hanno ripreso i bicipiti di sette pazienti con ictus e quattro partecipanti sani. Poiché i pazienti colpiti da ictus sono più colpiti su un lato del corpo, i ricercatori hanno confrontato l’imaging dal lato affetto dei pazienti con il loro lato non affetto, nonché con le immagini dei partecipanti sani.

I ricercatori hanno scoperto che i bicipiti affetti da ictus avevano meno volume, fibre muscolari più corte e lunghezze di sarcomero comparabili. Dopo aver combinato i dati su più scale, hanno scoperto che i bicipiti affetti avevano meno sarcomeri in serie rispetto ai bicipiti non affetti. Le differenze tra le braccia dei pazienti con ictus erano maggiori rispetto alle braccia dei partecipanti sani, indicando che le differenze erano associate all’ictus.

Combinando l’imaging medico per visualizzare meglio la struttura muscolare, lo studio stabilisce anche che è possibile studiare gli adattamenti muscolari del numero di sarcomeri nell’uomo. Prima della microendoscopia a due fotoni, gli studi sull’uomo erano limitati all’esame dei tessuti dissezionati nei laboratori di anatomia, che forniscono una visione imperfetta di come i muscoli si adattano a lesioni e danni, misurando le lunghezze dei sarcomeri durante l’intervento chirurgico o da una biopsia muscolare, che limita chi può partecipare alla studia.

“In quasi ogni aspetto del nostro mondo, esiste un’importante relazione tra come viene messo insieme qualcosa (la sua struttura) e come funziona (la sua funzione)”, hanno detto i ricercatori. “Parte del motivo per cui l’imaging medico è una risorsa e uno strumento clinico così prezioso è che questo vale anche per il corpo umano e l’imaging ci offre l’opportunità di misurare la struttura”.


L’alterazione delle proprietà muscolari dovuta alla disfunzione motoria ha un impatto negativo sulla mobilità e sulla cura di sé dei sopravvissuti all’ictus e quindi è stata una delle principali preoccupazioni cliniche nel trattamento dei pazienti con ictus. I pazienti post-ictus spesso mostrano cambiamenti sostanziali nel tono/tensione muscolare, inclusa la fase flaccida iniziale (cioè, riduzione della tensione muscolare) che inizia poco dopo un ictus e il successivo sviluppo di spasticità muscolare che aumenta la tensione muscolare negli arti colpiti (Dietz e Berger , 1983; Hufschmidt e Mauritz, 1985; Lee et al., 1987; Feit et al., 1989; Sinkjaer et al., 1993, 1996; Sinkjaer e Magnussen, 1994; Booth et al., 2001).

Sebbene la tensione muscolare alterata dopo l’ictus, come la spasticità, sia stata associata a cambiamenti nelle proprietà delle fibre muscolari e dei sarcomeri (Lieber e Friden, 2002), il ruolo della tensione muscolare alterata dopo l’ictus nell’adattamento sarcomerico rimane poco chiaro. I cambiamenti delle proprietà muscolari passive dopo l’ictus sono stati studiati a livello articolare (Chung et al., 2004, 2008) e gli studi ecografici hanno dimostrato la contrattilità muscolare e le caratteristiche dei tendini post-ictus (Gao e Zhang, 2008; Zhao et al. , 2008).

La suddetta ricerca ha studiato le funzioni muscolari da un livello di sistema in un momento particolare (cioè, un disegno di studio trasversale); una migliore comprensione attraverso indagini in vivo dei cambiamenti nella morfologia del sarcomero e nella tensione muscolare in diversi momenti consequenziali può aiutare a far avanzare la guida clinica (Smeulders e Kreulen, 2006).

Si ritiene che l’adattamento delle cellule muscolari (sarcomerogenesi) sia un processo responsabile del mantenimento della relazione ottimale tra lunghezza e forza-lunghezza regolando il numero di sarcomeri in serie, in modo che il muscolo possa essere utilizzato in modo efficiente (Herring et al., 1984 ).

Il processo di adattamento delle cellule muscolari viene attivato in risposta alla richiesta di carico di lavoro come osservato in studi precedenti che coinvolgono immobilizzazione e allungamento (Goldspink et al., 1974; Williams e Goldspink, 1978; Williams et al., 1999; Gajdosik, 2001; Caiozzo et al., 2002; Lindsey et al., 2002; Coutinho et al., 2004), scarico degli arti posteriori (Kasper e Xun, 2000; Wang et al., 2006) e tenotomia (Baker e Hall-Craggs, 1978 ). Tuttavia, si sa poco riguardo ai cambiamenti nelle proprietà intrinseche delle cellule muscolari dopo l’ictus.

È stato suggerito che un’innervazione intatta, sia discendente che ascendente, è fondamentale per un corretto adattamento/adattamento della lunghezza del sarcomero e che la sarcomerogenesi potrebbe verificarsi a un ritmo più lento se l’innervazione è compromessa (McLachlan e Chua, 1983; Huijing e Jaspers, 2005 ; Swaroop et al., 2009).

Ad esempio, in uno studio di allungamento della gamba di ratto con i gruppi di solo allungamento, allungamento con Botox, allungamento con neurectomia e chirurgia simulata, il numero di sarcomeri seriali nelle fibre muscolari soleo del gruppo di solo allungamento ha avuto un’aggiunta significativamente maggiore di sarcomeri in serie rispetto agli altri tre gruppi (Swaroop et al., 2009).

Nei bambini con paralisi cerebrale (CP), si è ritenuto che l’alterazione dell’adattamento sarcomerico allo stiramento del muscolo durante la crescita/sviluppo sia la causa dell’aumento della lunghezza del sarcomero osservato in questa popolazione di pazienti neurologici (Dayanidhi e Lieber, 2014; Matthiasdottir et al. ., 2014; Mathewson e Lieber, 2015; Kinney et al., 2017). Nell’ictus ischemico, tuttavia, rimane poco chiaro se e come le cellule muscolari possono adattarsi in risposta ai cambiamenti nell’ambiente meccanico muscolare durante la progressione della patologia.

Le indagini quantitative per valutare la tensione delle fibre muscolari in vivo e la sua influenza sull’adattamento sarcorico post-ictus sono limitate a causa delle difficoltà nei test su soggetti umani. I modelli preclinici di roditori consentono ai ricercatori di studiare le malattie neurologiche e le disfunzioni del sistema motorio (Farr e Whishaw, 2002; Farr et al., 2006; Granziera et al., 2007). I topi con ictus indotto hanno dimostrato deficit funzionali e motori simili a quelli osservati nei pazienti con ictus, come l’attività locomotoria, l’andatura e il tono degli arti (Hunter et al., 2000; Li et al., 2004).

Pertanto, l’obiettivo di questo studio era di indagare l’adattamento sarcomerico e i cambiamenti nella tensione muscolare dopo l’ictus utilizzando un modello di ictus ischemico di topo. Abbiamo ipotizzato che i cambiamenti nella tensione muscolare dovuti a una lesione neurale non porterebbero all’adattamento sarcomerico a causa dell’innervazione alterata nei topi a seguito di ictus ischemico.

link di riferimento: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fphys.2020.581846/full


Ulteriori informazioni: Amy N. Adkins et al, Il numero seriale di sarcomeri è sostanzialmente diminuito all’interno del bicipite brachiale paretico in individui con ictus emiparetico cronico, Proceedings of the National Academy of Sciences (2021). DOI: 10.1073/pnas.2008597118

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