Организм человека часто сравнивают со сложным механизмом, который состоит из множества подсистем, выполняющих различные функции. Дабы работа механизма была слаженной и не возникало поломок, необходима своевременная диагностика, устранение неполадок и профилактические меры. Здоровый образ жизни, о котором в современном мире говорят все больше, зачастую реализуется по принципу «в здоровом теле здоровый дух». Из этого следует, что нормированные физические нагрузки не просто полезны для организма человека, но и необходимы. И это так, однако некоторые люди даже при наличии желания заниматься спортом, не могут этого делать ввиду своих физиологических особенностей и/или заболеваний. При нехватке активности мышцы и кости человека начинают сильно страдать, что может привести к развитию саркопении и остеопороза. Ученые из Токийского медико-стоматологического университета (Токио, Япония) разработали препарат, который может заменить физическую нагрузку. Из чего сделана чудо-таблетка, каков принцип ее действия, и насколько она эффективно заменяет зарядку? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Есть целый ряд причин, по которым тот или иной человек не занимается физической активностью: от банальных нехватки времени, отсутствия желания и психологических нюансов до вполне осязаемых медицинских ограничений (инфаркт, инсульт, диабет и т. д.). Однако, независимо от причины, нехватка физической активности приводит к негативным последствиям. Именно поэтому даже после сильнейших заболеваний медики назначают пациентам какую-то минимальную зарядку.

Проблема в том, что есть ряд пациентов, которые вообще не могут выполнять какие-либо упражнения, хоть они им и нужны. К таким людям относятся больные цереброваскулярными заболеваниями, деменцией и те, кто уже прикован к кровати. В таких случаях, по мнению авторов исследования, спасательным кругом может стать медикаментозное решение проблемы.

В настоящее время проводится несколько клинических испытаний по разработке терапевтических препаратов для лечения саркопении (потеря мышечной массы и снижение функции мышц), нацеленных на андрогенные рецепторы, а также на миостатин. Но пока не было одобрено ни одного такого препарата.

Также существует множество препаратов для лечения потери костной массы: витамин D3, терипаратид, селективные модуляторы рецепторов эстрогена (SERM), бисфосфонаты, деносумаб и ромосозумаб. Хотя саркопения и остеопороз часто сосуществуют, большинство этих препаратов воздействуют только на кость. Следовательно, даже если будут созданы и одобрены лекарства от саркопении, пациентам придется принимать оба препарата, что может негативно сказаться на их здоровье. Не говоря уже о том, что многие пациенты с подобными проблемами часто принимают и ряд других препаратов для лечения сопутствующих или первопричинных заболеваний. Подобные комбинации препаратов, хоть и нацеленных на благо пациента, также могут обладать рядом побочных эффектов.

Следовательно, существует вполне реальная потребность в создании препарата, который смог бы совокупно улучшать состояние и костей, и мышц. Авторам рассматриваемого нами сегодня труда удалось это сделать. Они разработали LAMZ (локамидазол / locamidazole)который способствует как миогенезу, так и остеобластогенезу, подавляя при этом остеокластогенез.

Введение этого препарата улучшало двигательную функцию, при этом мышцы и кости значительно укреплялись. Механически LAMZ индуцирует Mef2c и PGC-1α путем, зависимым от передачи сигналов кальция. Поскольку эта передача сигналов активируется при физических упражнениях, можно утверждать, что LAMZ имитирует физические упражнения.

Результаты исследования

Изображение №1

Укрепление мышц и костей во время упражнений совпадает с анаболическими изменениями как в мышцах, так и в костях (например, увеличение пролиферации и/или дифференцировки миоцитов и остеобластов и уменьшение их количества в остеокластах). В поисках лекарств, которые могут заменить физические упражнения, ученые создали последовательную систему скрининга препаратов, в которой количественно определялась дифференцировка трех линий клеток в мышцах и костях (миоциты*, остеобласты* и остеокласты*).

Миоциты* — клетки мышечной ткани.

Остеобласты* — молодые клетки костной ткани.

Остеокласты* — гигантские многоядерные клетки позвоночных животных, удаляющие костную ткань посредством растворения минеральной составляющей и разрушения коллагена.

Был разработан новый метод количественной оценки пролиферации и дифференцировки миоцитов. Было обнаружено, что из 296 соединений в химической библиотеке восемь усиливают пролиферацию и/или дифференцировку клеток C2C12, т. е. клеточной линии миоцитов (1а). Соединение 17b (производное аминоиндазола), которое продемонстрировало наиболее сильное стимулирование образования миотрубочек, усиливало экспрессию тяжелой цепи миозина (1b). Это соединение увеличивало экспрессию Myod1, Myog, Klf5 и Mef2c — факторов транскрипции, которые, индуцируются во время миогенеза и усиливают дифференцировку (1c).

Восемь соединений исследовали на предмет их влияния на остеобластогенез с использованием MC3T3-E1 (линия остеобластных клеток). Обычно используется протокол на основе клеточных культур для количественного определения активности щелочной фосфатазы (ALP от alkaline phosphatase), маркера остеобластов. Этот протокол состоит из нескольких шагов, в ходе которых могут проявляться артефакты, снижающие точность результатов. Потому ученые разработали упрощение метода, которое снижает техническую нагрузку и предотвращает ошибки, связанные с наличием нескольких шагов в протоколе.

С использованием этой системы было продемонстрировано, что 17b обладает наиболее мощной способностью усиливать остеобластогенез (1d), что было подтверждено окрашиванием ALP. Было установлено, что 17b усиливал активность ALP, минерализацию и экспрессию остеогенных генов Runx2, Sp7 (Osterix) и Alpl (щелочная фосфатаза) в клетках свода черепа новорожденных мышей (1e-1g).

Восемь кандидатов были дополнительно оценены на предмет их влияния на остеокластогенез на основе активности остеокластического фермента катепсина К (CtsK). Среди кандидатов было обнаружено, что 17b наиболее эффективно подавляет остеокластогенез (1h–1j). Это соединение усиливало апоптоз (клеточная смерть) остеокластов с увеличением количества расщепленных каспаз и проапоптотических генов (1k).

Таким образом, соединение 17b усиливало как миогенез, так и остеобластогенез, в то же время подавляя остеокластогенез за счет прямого воздействия. По этой причине данное соединение было названо «locamidazole» (локамидазолом), от слов «locomotor» и химической основы «aminoindazole», сокращенно LAMZ.


Изображение №2

После успешных испытаний in vitro («в стекле», т. е. в пробирке, вне живого организма) ученые приступили к испытаниям in vivo (в живом организме). LAMZ переносился в кровь при пероральном введении и, таким образом, вводился один раз в день в течение 14 дней. Это лечение не влияло на массу тела. В конце эксперимента препарат был обнаружен в крови, мышцах и костях без каких-либо обнаруживаемых побочных эффектов на гематологические параметры. Не было никаких явных аномальных результатов, которые указывали бы на возможные побочные эффекты.

Ширина мышечных волокон была больше у мышей, получавших LAMZ, чем у контрольной группы, без явных проявлений дегенерации мышц/сухожилий (2a и 2b). Тесты на беговой дорожке показали, что мыши, получавшие LAMZ, реже проявляли усталость (2c). Также наблюдалось незначительное увеличение пройденного этими мышами расстояния. Мышечная сила тестируемых особей также увеличилась.

Анализ данных микро-КТ показал, что параметры трабекулярной и кортикальной костей были значительно выше у мышей, получавших LAMZ (2d и 2e). Наблюдалось больше остеобластов с более высокой скоростью образования кости, а остеокластов было значительно меньше с более низкой активностью резорбции кости (2f и 2g). LAMZ не вызывал дегенерации суставного хряща.

Эти результаты показали, что препарат LAMZ не только укрепляет мышцы, но и кости, при этом не наблюдается каких-либо побочных эффектов на этих или других тканях организма.

Линифаниб (аналог LAMZ) также проверили на предмет его воздействия на мышцы и кости. Этот препарат усиливал миогенез и остеобластогенез, одновременно подавляя остеокластогенез in vitro, подобно LAMZ. Пероральное введение линифаниба приводило к значительному увеличению ширины мышечных волокон. Также наблюдалось увеличение костной массы и минеральной плотности. Это указывает на то, что производные аминоиндазола обладают общим анаболическим действием на мышцы и кости.


Изображение №3

Чтобы исследовать функциональный механизм, с помощью которого LAMZ увеличивает мышцы и кости, было проведено секвенирование РНК и анализ генной онтологии. Эти анализы идентифицировали гены с высокой экспрессией в клетках, обработанных LAMZ, и путь, обогащенный этими клетками (3a).

Митохондриальные гены были обогащены в клетках, обработанных LAMZ, с наибольшим количеством вовлеченных генов (3b). Введение LAMZ увеличивало содержание митохондрий как в миоцитах, так и в остеобластах (3с).

Как напоминают ученые, коактиватор транскрипции PGC-1α усиливает митохондриальный биогенез. Этот коактиватор также известен тем, что поддерживает мышцы и кости, действуя совместно с факторами транскрипции.

мРНК PGC-1α (Ppargc1a) была высоко экспрессирована в миоцитах и ​​остеобластах, обработанных LAMZ (3d). Ингибитор PGC-1α SR18292 отменял ускорение образования мышечных трубок и экспрессию Myog, индуцированную LAMZ (3e и 3f). В остеобластных клетках ингибирование PGC-1α замедляло ускорение остеобластогенеза, минерализацию и экспрессию остеобластных генов (3g-3i).

Эти результаты показывают, что LAMZ оказывает влияние на дифференцировку мышечных трубок и остеобластов посредством PGC-1α. Пероральное введение LAMZ увеличивало экспрессию Ppargc1a в мышцах и костях испытуемых мышей (3j). Также было обнаружено, миогенез миобластов человека, стимулированных LAMZ, усиливался наряду с повышенной экспрессией PPARGC1A. Остеобластная дифференцировка и минерализация мезенхимальных стволовых клеток человека стимулировались LAMZ с повышенной экспрессией PPARGC1A.

Чтобы определить, действует ли LAMZ через PGC-1α, мышам вводили SR18292 одновременно с пероральным введением LAMZ. Ингибирование PGC-1α с помощью SR18292 уменьшало увеличение ширины мышечных волокон, отменяя увеличение мышечной силы. Также было обнаружено, что ингибирование PGC-1α притупляет действие LAMZ на кость. Вместе эти результаты показывают, что эффекты LAMZ на мышцы и кости опосредованы PGC-1α.


Изображение №4

Как отмечают ученые, физические упражнения индуцируют приток Ca²⁺ в цитозоль*, вызывая сигнальный путь кальция, что приводит к экспрессии PGC-1α.

Цитозоль* — жидкое содержимое клетки.

Было установлено, что LAMZ увеличивает внутриклеточный Ca²⁺ как в миоцитах, так и в остеобластах (4a и 4b) с уменьшением ингибирующего фосфорилирования PLCγ1 — преобразователя передачи сигналов кальция (4c).

Учитывая эти наблюдения, ученые решили установить, увеличивает ли LAMZ PGC-1α, облегчая этот путь. Блокада передачи сигналов кальция добавлением ингибитора кальцинейрина FK506 ослабляла усиление миогенеза, опосредованного LAMZ (4d и 4e). Обработка также полностью нивелировала усиление экспрессии Ppargc1a, индуцированное LAMZ (4e).

Введение KN93 — ингибитора компонентной молекулы передачи сигналов кальция — снижало ускорение остеобластогенеза и минерализации, вызванных LAMZ (4f–4h). Увеличение остеобластных генов и кальций-чувствительного гена Fos также уменьшалось ввиду применения KN93 (4h). Кроме того, Ppargc1a, индуцированный LAMZ, был ослаблен (4h).


Изображение №5

Фактор транскрипции Mef2c функционирует как молекулярный узел в передаче сигналов кальция, приводя к экспрессии различных генов, включая собственно Ppargc1a и Mef2c. Было показано, что Mef2c индуцируется как в миоцитах, так и в остеобластах, стимулированных LAMZ, но не при ингибировании передачи сигналов кальция (5a).

Mef2c был дезактивирован с использованием shRNA, чтобы проверить, опосредует ли этот транскрипционный фактор эффекты LAMZ (5b). Миоциты, подвергшиеся нокдауну Mef2c, не реагировали на LAMZ: экспрессия тяжелой цепи миозина, Myog и Ppargc1a не повышались с помощью LAMZ в этих клетках (5c и 5d). В остеобластах с нокдауном Mef2c не было значительного ускорения дифференцировки и минерализации остеобластов (5e и 5f). Экспрессия остеобластных генов и Ppargc1a также значительно не увеличивалась (5g).
Данные результатов указывают на то, что LAMZ нацелен на сигнальный путь кальция для стимуляции миогенеза и остеогенеза.

Учеными был отмечен любопытный эффект: активация Mef2c с помощью LAMZ отменялась с помощью SR18292 как в миоцитах, так и в остеобластах (5h). Это указывает на реципрокную регуляцию между Mef2c и PGC-1α.

В совокупности эти результаты показывают, что LAMZ облегчает путь передачи сигналов кальция, чтобы индуцировать Mef2c и PGC-1α, тем самым усиливая миогенез и остеогенез.


Изображение №6

Чтобы определить, обладает ли LAMZ эффективностью в качестве нового терапевтического препарата для лечения нарушений опорно-двигательного аппарата, препарат перорально вводили мышам, чьи задние конечности были ослаблены.

Пероральное введение LAMZ значительно повышало экспрессию Ppargc1a в мышцах и костях. У мышей, получавших препарат, наблюдалось увеличение ширины мышечных волокон (6a и 6b). Костная масса также увеличивалась, что было подтверждено с помощью микро-КТ (6c и 6d).

Наблюдалось значительное увеличение остеобластов и поверхности остеоида* (6e и 6f), а остеокластическая резорбция кости уменьшалась.

Остеоид* — в гистологии это неминерализованная органическая часть костного матрикса, которая формируется до созревания костной ткани.

Изображение №7

По вышеописанным результатам тестов уже вполне очевидно, что LAMZ оказывает положительное влияние и на мышцы, и на кости. Однако тесты проводились с применением перорального препарата, который не всегда можно применять ввиду (к примеру, для пациентов в коме). Посему ученые решили протестировать инъекционный вариант LAMZ.

Учитывая, что AUC (площадь под кривой) была примерно вдвое меньше, чем при пероральном введении, инъекцию проводили два раза в день. Инъекция привела к увеличению мышечных волокон, а также к улучшению костной массы и минеральной плотности. Другими словами, LAMZ действует как терапевтическое средство при нарушениях опорно-двигательного аппарата, активизируя мышцы и кости с помощью PGC-1α, имитируя физические упражнения (схема выше).

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог

Физическая активность нужна всем людям — это факт. И дело даже не в регулярном посещении спортзалов, а в образе жизни, которому следует человек. Возможно, регулярные прогулки в парке и не сделают из вас Шварценеггера, но смогут уберечь от развития некоторых проблем опорно-двигательного аппарата. Проблема в том, что столь важная физическая активность может быть недоступна для тех, кто был бы и рад ею заниматься. Различные заболевания могут ограничивать подвижность человека или вовсе привести к ее отсутствию. В такой ситуации физические упражнения могут быть заменены препаратными эквивалентами.

В рассмотренном нами сегодня труде ученые описали препарат локамидазол (LAMZ), который положительно влияет на мышцы и кости, усиливая рост соответствующих клеток. Отличительной особенностью данного препарата от ранее разработанных (но так и не одобренных) аналогов заключается в его комплексном действии, отсутствии побочных эффектов и вариативность введения (возможен как пероральный, так и инъекционный методы).

Во время лабораторных тестов препарат вводили мышам, чьи задние конечности были долгое время обездвижены, от чего мышцы и кости потеряли свою прежнюю силу и прочность. Особи, получавшие препарат, демонстрировали большую ширину мышечных волокон, большую максимальную мышечную силу, более высокую скорость формирования кости и более низкую активность резорбции кости.

Учитывая столь положительные результаты тестов, ученые со всей уверенностью заявляют, что их препарат может стать отличным терапевтическим методом для лечения нарушений опорно-двигательного аппарата у малоподвижных пациентов или у тех, кому физические упражнения запрещены.

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?