Infiltración de células mieloides en el músculo esquelético después de la descarga combinada de las patas traseras y la exposición a la radiación en ratones

npj Microgravity volumen 9, Número de artículo: 40 (2023) Citar este artículo

2 Altmetric

Detalles de métricas

El músculo esquelético y el sistema inmunológico se ven muy afectados por el entorno espacial. La diafonía entre estos órganos, aunque establecida, no se comprende completamente. Este estudio determinó la naturaleza de los cambios en las células inmunitarias en el músculo esquelético murino después de la descarga (extremidad trasera) combinada con una sesión aguda de irradiación (HLUR). Nuestros hallazgos muestran que 14 días de HLUR inducen un aumento significativo de la infiltración de células inmunes mieloides en el músculo esquelético.

Los vuelos espaciales presentan múltiples desafíos para el organismo, que debe tratar de adaptarse a los factores ambientales estresantes, principalmente la microgravedad y la radiación ionizante1. La radiación durante las misiones en órbita terrestre baja (p. ej., en la Estación Espacial Internacional) afecta la salud de los astronautas2, y estos efectos serán aún mayores y más peligrosos durante las misiones en el espacio profundo debido a la naturaleza y la dosis de radiación3,4. Dos de los órganos más afectados durante los viajes espaciales son el músculo esquelético y el sistema inmunitario5,6. Como ejemplo, el músculo esquelético de ratones sometidos a microgravedad y radiación por medio de la descarga de las patas traseras (HLU, un análogo animal de vuelo espacial validado7) muestra una pérdida rápida de masa muscular y muestra una desregulación de los reguladores moleculares críticos del crecimiento muscular y el metabolismo8. Curiosamente, existe una creciente evidencia de fuertes asociaciones entre el crecimiento, el metabolismo y la inflamación en el músculo esquelético9,10. De ello se deduce que las alteraciones en el sistema inmunitario debidas a factores estresantes espaciales podrían, a su vez, modificar los fundamentos moleculares dentro del músculo, lo que podría exacerbar los efectos nocivos de la microgravedad y la radiación en este órgano. Sin embargo, los mecanismos que explican la diafonía entre el músculo esquelético y el sistema inmunitario en condiciones similares a las del espacio están lejos de comprenderse. Durante los procesos musculares regenerativos en condiciones normales de gravedad y radiación ionizante, dicha diafonía parece estar mediada por la infiltración de células inmunitarias mieloides y linfoides en el músculo11,12,13. Sin embargo, se desconoce si el entorno espacial desencadena alguna respuesta en las poblaciones de células inmunitarias mieloides y/o linfoides presentes en el músculo esquelético.

En vista de la falta de información sobre las consecuencias de los vuelos espaciales en la integridad y la diafonía del sistema inmunitario-músculo esquelético, diseñamos un estudio para investigar las posibles alteraciones de las células inmunitarias que ocurren dentro del músculo esquelético después de un período de descarga y exposición a la radiación (HLUR). en ratones. Centramos nuestros esfuerzos en determinar la naturaleza de los cambios en las células inmunitarias en el músculo esquelético desde una perspectiva de expresión génica, para luego confirmar nuestros hallazgos utilizando un enfoque inmunohistoquímico. A partir de lo anterior, planteamos la hipótesis de que HLUR induciría una infiltración de células mieloides y linfoides en el músculo esquelético.

Después de 14 días de descarga de las patas traseras y una sesión aguda de radiación (día 7), se encontró una disminución significativa en el peso total húmedo de M. soleus pero no de M. gastrocnemius. (Fig. 1a, b). La reducción en el peso de M. soleus coincidió con una mayor expresión génica de miostatina, un conocido inhibidor de la masa muscular9, que no se encontró en M. gastrocnemius (Fig. 1c, d). La miostatina induce la atrofia muscular al regular al alza los genes relacionados con la atrofia y al inhibir la vía de señalización Akt/mTOR9. Recientemente se descubrió que la vía de señalización de Akt/mTOR estaba desregulada después de la descarga y la irradiación8. Además, se ha sugerido que la misma vía está regulada a la baja después de niveles elevados de citocinas inhibidoras, como TNF-α9, lo que indica una posible diafonía entre el músculo esquelético e inmunológico en condiciones estimulantes de la atrofia.

a, b peso y niveles MSTN de M. soleus. c, d peso y niveles MSTN de M. gastrocnemius. Grupo de descarga y radiación de miembros posteriores HLUR, grupo de control CTRL. *Significativamente diferente al grupo CTRL (pruebas t no pareadas; p < 0,05). Las barras de error representan la desviación estándar.

Para comprender los mecanismos detrás de esta diafonía después de HLUR, se realizaron análisis de expresión génica de marcadores inmunes conocidos en M. soleus. HLUR aumentó la expresión del marcador mieloide CD11b (p = 0,05) y se observó una tendencia al aumento de la citocina proinflamatoria TNF-α (p = 0,07), mientras que no se encontraron diferencias entre HLUR y CTRL en marcadores linfoides como CD4, CD8 y CD20. Además, no se encontraron diferencias en los niveles de INF-γ o IL-6 (Fig. 2a). Para obtener una mejor comprensión de los tipos de células inmunitarias mieloides que impulsan estos marcadores inflamatorios aumentados, se analizaron marcadores adicionales para las células inmunitarias presentes en el tejido del músculo esquelético. Se encontró un aumento significativo de la expresión (p < 0.05) de ICAM-1, H2-Ab, CD11c, CD86 y MMP-12, lo que respalda la inducción de infiltración de células mieloides pero no linfoides después de HLUR (Fig. 2b, c). El aumento de la expresión génica de estos marcadores inflamatorios podría reflejar un mecanismo compensatorio para la atrofia en curso y/o una respuesta inmunitaria inducida por la radiación. De hecho, investigaciones anteriores han demostrado procesos de curación deteriorados después de una lesión del músculo esquelético en ratones con depleción de macrófagos14.

Expresión del gen a-c de células inmunitarias inflamatorias, mieloides y marcadores de células inmunitarias linfoides en M. soleus. d expresión génica de marcadores de células inmunes inflamatorias, mieloides y células inmunes linfoides en M. gastrocnemius (eje X en escala log ^-2). e número de células CD11b positivas en M. gastrocnemius. f ejemplo de secciones transversales utilizadas para detectar células positivas para CD11b. Grupo de descarga y radiación de miembros posteriores HLUR, grupo de control CTRL. *Significativamente diferente al grupo CTRL (pruebas t no pareadas; p < 0,05). Las barras de error representan la desviación estándar.

Como siguiente paso, evaluamos si los incrementos de marcadores inflamatorios después de HLUR ocurrieron también en M. gastrocnemius. Se encontró un aumento significativo de CD11c (p = 0,02) y CD11b (p = 0,048), una tendencia hacia una mayor expresión de TNF-α (p = 0,06), mientras que H2-Ab y CD86 permanecieron sin cambios (Fig. 2d). Así, de manera similar a los resultados encontrados para M. soleus, HLUR pareció provocar una inducción de células mieloides en M. gastrocnemius. Estos hallazgos, especialmente los de M. gastrocnemius, sugieren que el aumento de la inflamación precede a la atrofia muscular. Esta hipótesis está en línea con trabajos previos que muestran un enriquecimiento de las vías KEGG y términos de ontología génica relacionados con una mayor respuesta inflamatoria antes de la atrofia muscular en ratas descargadas15.

Para validar el aumento de la expresión génica de marcadores inflamatorios después de HLUR, se realizó una tinción inmunohistoquímica de CD11b. En línea con el aumento de la expresión génica de CD11b, se encontró un número significativamente mayor de células positivas para CD11b por área en el músculo esquelético de HLUR en comparación con CTRL (P = 0.043; Fig. 2e, f). Este resultado confirma que existe una infiltración de células mieloides en el músculo esquelético después de la combinación de radiación y descarga, lo que podría estar relacionado con los mecanismos de reparación que intentan reducir la atrofia muscular16. Sin embargo, se necesitan estudios adicionales para determinar la especificidad de la participación particular de la población de células inmunitarias en la diafonía del músculo esquelético-inmune después de las condiciones del vuelo espacial. Además, se debe considerar el uso de protocolos de radiación más similares a los rayos cósmicos y los eventos de partículas solares que los rayos X utilizados aquí para extrapolar los resultados actuales a las condiciones espaciales reales.

En resumen, nuestros hallazgos muestran que 14 días de descarga y una sesión de radiación inducen un aumento significativo de marcadores inflamatorios y de células inmunitarias en el músculo esquelético. Esto puede ocurrir como un mecanismo compensatorio para retrasar la atrofia del músculo esquelético. Es importante destacar que el protocolo combinado de descarga y radiación provocó una infiltración de células inmunes mieloides, pero no linfoides, en el tejido del músculo esquelético. Estos hallazgos resaltan la diafonía entre el músculo esquelético y el sistema inmunológico durante las condiciones del vuelo espacial. Se necesitan estudios futuros para mejorar nuestra comprensión de la dinámica y la especificidad de las células inmunes involucradas en la diafonía del músculo esquelético inmune. Los estudios que utilizan tecnología unicelular junto con enfoques ómicos parecen una estrategia particularmente interesante para avanzar en el conocimiento sobre la diafonía músculo-inmune durante los vuelos espaciales.

Diez ratones fueron sometidos a 14 días de descarga de patas traseras (HLU) mediante suspensión de la cola con una sesión de radiación aguda (dosis = 25 mGy, rayos X) el día 7 de descarga (grupo HLUR). Se usaron diez ratones como control (jaulas similares, radiación simulada). Los ratones fueron sacrificados y Mm. Se obtuvieron sóleo y gastrocnemio. Se utilizaron muestras de músculo para analizar marcadores genéticos de inflamación y células inmunitarias específicas. Finalmente, las muestras de músculo se sometieron a análisis de inmunohistoquímica para confirmar los hallazgos encontrados a nivel de expresión génica. Los métodos se realizaron de acuerdo con las pautas y regulaciones internacionales (Unión Europea) y nacionales (Bélgica) y fueron aprobados por Medanex Clinic (EC MxCl 2018–100).

Veinte ratones macho C57/BL6J adultos (14 semanas) se aleatorizaron en un grupo de control (CTRL; n = 10) y un grupo de descarga y radiación (HLUR; n = 10). Los ratones se alojaron individualmente y se mantuvieron en un ciclo de luz-oscuridad de 12:12 h. Los ratones se emparejaron con la dieta, es decir, los ratones CTRL comieron lo que comió el ratón HLUR emparejado el día anterior.

La descarga (es decir, la microgravedad en las patas traseras) se logró mediante la técnica de suspensión de la cola. En resumen, bajo sedación, la cola se unió al dispositivo de suspensión de la jaula en tres puntos a lo largo de su longitud. Una vez que los ratones estuvieron suspendidos en el dispositivo, no se permitió que sus patas traseras tocaran la rejilla metálica en el piso de la jaula. El ángulo de suspensión entre el animal y el suelo promedió 30°. La intervención de descarga se mantuvo durante 14 días. Después de este período (o 14 días en jaulas y condiciones similares para los animales CTRL), los ratones se sacrificaron y Mm. Los músculos sóleo y gastrocnemio de ambas extremidades posteriores se diseccionaron, pesaron y congelaron en isopentano preenfriado con nitrógeno líquido, y luego se mantuvieron a -80 °C hasta su posterior análisis.

Se administró una dosis total de radiación X de 25 mGy (ratones HLUR). Esta dosis es comparable a la cantidad total de dosis efectiva que encuentran los astronautas durante una misión en el espacio profundo de 2 semanas17. Durante la irradiación, los ratones se mantuvieron dentro de sus respectivas jaulas envueltos en bolsas de autoclave transpirables para mantener las condiciones libres de patógenos específicos. Los ratones CTRL se irradiaron de forma simulada, es decir, se embolsaron, se trasladaron en jaulas en automóvil a las instalaciones de radiación y luego se regresaron a las instalaciones para animales para experimentar las mismas condiciones térmicas y el estrés potencial inducido por el transporte que HLUR.

Uno de los M. soleus y ~20 mg de uno de los M. gastrocnemius de las patas traseras de todos los ratones se homogeneizaron en TRIzol y se extrajo el ARN total y se transcribió inversamente a ADNc. La expresión génica (ARNm) se determinó utilizando procedimientos de PCR en tiempo real cuantitativos. Se utilizaron cebadores específicos de genes para marcadores de procesos inmunitarios/inflamatorios. El panel de transcritos probado fue el siguiente: CD4, CD8, CD20, IFN-γ, CD11b, CD11c, MHCII, TNF-α, IL-6, CD206, iNOS, Arginase, CD86, CD80, PTGS, iCam y HPRT (control /gen de referencia).

Uno de los M. gastrocnemii de todos los ratones se orientó para el corte transversal y se cortaron secciones transversales de 5 μm en un criostato a -22 °C y se montaron en portaobjetos de vidrio. Las secciones se tiñeron usando anticuerpos monoclonales para Cd11b (BioLegend, rat IgG2b, clon M1/70) para analizar la infiltración de células mieloides. A continuación, las secciones transversales teñidas se capturaron mediante microscopía de campo claro con un aumento de 20x (Leica DMLA, software Leica application suite X). Se capturaron de tres a cuatro imágenes que representan un área fija de 1,96 mm2 por imagen en cada sección transversal (secciones transversales promedio por muestra; 3,5). Se empleó una canalización semiautomática utilizada para detectar la tinción específica de Cd11b utilizando el software ImageJ para Mac OS X. A continuación, se promedió el número de células positivas en todas las secciones transversales.

Se utilizaron pruebas t no pareadas para comparar el peso muscular, la expresión génica y la infiltración celular entre los grupos HLUR y CTRL. El nivel de significación se fijó en el 5% (p < 0,05). Todos los análisis estadísticos se realizaron utilizando Prism 9 para Mac OS X (GraphPad Software, San Diego, CA).

Más información sobre el diseño de la investigación está disponible en el Resumen de informes de investigación de Nature vinculado a este artículo.

Los datos que respaldan las conclusiones de este artículo serán puestos a disposición por los autores previa solicitud razonable.

Los Libros Blancos de SciSpacE; Investigación humana; Libro Blanco 12: Fisiología Humana. La Agencia Espacial Europea. (2021).

Cucinotta, FA Riesgos de radiación espacial para los astronautas en múltiples misiones de la Estación Espacial Internacional. PLoS One 9, e96099 (2014).

Artículo PubMed PubMed Central Google Académico

Nelson, GA Radiación espacial y exposiciones humanas, una cartilla. radiar Res. 185, 349–358 (2016).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Townsend, LW Implicaciones del entorno de radiación espacial para la exploración humana en el espacio profundo. radiar prot. Dosim. 115, 44–50 (2005).

Artículo CAS Google Académico

Fernandez-Gonzalo, R., Baatout, S. & Moreels, M. Impacto de la irradiación de partículas en el sistema inmunológico: de la clínica a Marte. Frente. inmunol. 8, 177 (2017).

Artículo PubMed PubMed Central Google Académico

LeBlanc, A. et al. Volumen muscular, tiempos de relajación de resonancia magnética (T2) y composición corporal después del vuelo espacial. Aplicación J. Fisiol. Bethesda MD 1985 89, 2158–2164 (2000).

CAS Google Académico

Globus, RK & Morey-Holton, E. Descarga de extremidades traseras: análogo de roedor para microgravedad. Aplicación J. Fisiol. Bethesda MD 1985 120, 1196–1206 (2016).

CAS Google Académico

Fix, DK, Hardee, JP, Bateman, TA y Carson, JA Efecto de la irradiación sobre la señalización de Akt en la atrofia del músculo esquelético. Aplicación J. Fisiol. Bethesda MD 1985 121, 917–924 (2016).

CAS Google Académico

Frost, RA & Lang, CH Proteína quinasa B/Akt: un nexo entre el factor de crecimiento y la señalización de citoquinas para determinar la masa muscular. Aplicación J. Fisiol. 103, 378–387 (2007).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Crossland, H., Skirrow, S., Puthucheary, ZA, Constantin‐Teodosiu, D. & Greenhaff, PL El impacto de la inmovilización y la inflamación en la regulación de la masa muscular y la resistencia a la insulina: diferentes rutas para puntos finales similares. J. Physiol. 597, 1259–1270 (2019).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Yang, W. & Hu, P. La regeneración del músculo esquelético está modulada por la inflamación. J. Orthop. Traducir 13, 25–32 (2018).

Google Académico

Chazaud, B. Inflamación y regeneración del músculo esquelético: ¡déjalo en manos de los macrófagos! Tendencias Immunol. 41, 481–492 (2020).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Cho, J., Kuswanto, W., Benoist, C. & Mathis, D. La especificidad del receptor de células T impulsa la acumulación de una población reparadora de células T reguladoras dentro del músculo esquelético con lesión aguda. proc. nacional Academia ciencia Estados Unidos 201914848 (2019). https://doi.org/10.1073/pnas.1914848116.

Summan, M. et al. Macrófagos y regeneración del músculo esquelético: un estudio de agotamiento de liposomas que contienen clodronato. Soy. J. Physiol. Reg. Integrar compensación Fisiol. 290, R1488–R1495 (2006).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Cui, Q. et al. El análisis de secuenciación de ARN (RNA-seq) de la expresión génica proporciona nuevos conocimientos sobre la atrofia del músculo esquelético inducida por la descarga de las patas traseras. Ana. Traducir Medicina. 8, 1595 (2020).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Wang, X., Zhao, W., Ransohoff, RM y Zhou, L. Los macrófagos infiltrantes se activan ampliamente en la etapa inicial para apoyar la reparación de lesiones musculares esqueléticas agudas. J. Neuroinmunol. 317, 55–66 (2018).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Zeitlin, C. et al. Mediciones de radiación de partículas energéticas en tránsito a Marte en el Laboratorio de Ciencias de Marte. Ciencia 340, 1080–1084 (2013).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Descargar referencias

Los experimentos descritos en este manuscrito fueron financiados en parte por ESA/BELSPO/Prodex, contrato IMPULSE CO-90-11-2801-04 y la Asociación Europea de Investigación de Baja Gravedad en forma de premio de investigación 2020-2021. RFG cuenta con el apoyo de una beca de carrera de la Agencia Espacial Nacional Sueca (2021-00159).

Financiamiento de acceso abierto proporcionado por el Instituto Karolinska.

Departamento de Fisiología y Farmacología, Karolinska Institutet, Estocolmo, Suecia

Eric B. Emanuelsson y Carl Johan Sundberg

Unidad de radiobiología, SCK CEN, Centro Belga de Investigación Nuclear, Mol, Bélgica

Bjorn Baselet, Mieke Neefs, Sarah Baatout, Brit Proesmans y Lisa Daenen

Departamento de Aprendizaje, Informática, Gestión y Ética, Karolinska Institutet, Estocolmo, Suecia

carl johan sunberg

Departamento de Medicina de Laboratorio, División de Fisiología Clínica, Instituto Karolinska, Estocolmo, Suecia

Helene Rundqvist & Rodrigo Fernandez-Gonzalo

Unidad de Fisiología Clínica, Hospital Universitario Karolinska, Estocolmo, Suecia

Helene Rundqvist & Rodrigo Fernandez-Gonzalo

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

Análisis molecular EBE en tejido muscular esquelético y redacción de manuscritos. Diseño de concepto de BB, experimentos con animales que incluyen disecciones de músculos, edición y revisión de manuscritos. MN experimentos con animales que incluyen disecciones musculares, revisión del manuscrito. Diseño de concepto de SB y edición y revisión de manuscritos. Experimentos con animales de BP que incluyen disecciones musculares. Experimentos con animales LD incluyendo disecciones musculares. Edición y revisión del manuscrito CJS. Diseño de concepto de recursos humanos, análisis molecular en tejido muscular esquelético y edición y revisión de manuscritos. Diseño de concepto de RFG, análisis molecular en tejido muscular esquelético, redacción y revisión del manuscrito.

Correspondencia to Rodrigo Fernandez-Gonzalo.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Nota del editor Springer Nature se mantiene neutral con respecto a los reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

Acceso abierto Este artículo tiene una licencia internacional Creative Commons Attribution 4.0, que permite el uso, el intercambio, la adaptación, la distribución y la reproducción en cualquier medio o formato, siempre que se otorgue el crédito correspondiente al autor o autores originales y a la fuente. proporcionar un enlace a la licencia Creative Commons e indicar si se realizaron cambios. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en una línea de crédito al material. Si el material no está incluido en la licencia Creative Commons del artículo y su uso previsto no está permitido por la regulación legal o excede el uso permitido, deberá obtener el permiso directamente del titular de los derechos de autor. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Reimpresiones y permisos

Emanuelsson, EB, Baselet, B., Neefs, M. et al. Infiltración de células mieloides en el músculo esquelético después de la descarga combinada de las patas traseras y la exposición a la radiación en ratones. npj Microgravedad 9, 40 (2023). https://doi.org/10.1038/s41526-023-00289-w

Descargar cita

Recibido: 08 Septiembre 2022

Aceptado: 25 de mayo de 2023

Publicado: 07 junio 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41526-023-00289-w

Cualquier persona con la que compartas el siguiente enlace podrá leer este contenido:

Lo sentimos, un enlace para compartir no está disponible actualmente para este artículo.

Proporcionado por la iniciativa de intercambio de contenido Springer Nature SharedIt

Noticias

Infiltración de células mieloides en el músculo esquelético después de la descarga combinada de las patas traseras y la exposición a la radiación en ratones