肌肉減少癥是指隨著年齡增長而發生的肌肉質量減少、骨骼肌流失和肌肉功能強度下降等，這是人體衰老的重要標志。影響肌肉質量和功能的原因有很多，但都是基于這兩個基礎機制：肌肉纖維萎縮和肌肉纖維丟失。這種肌肉纖維丟失歸因于老化肌肉和相關肌肉干細胞（MuSC）的再生能力受損。

已經提出了幾種導致MuSC功能受損的機制，特別是MuSC生態位的改變和細胞內在變化。其生態位中的MuSCs固定在宿主肌纖維的肌膜上，即在其基底側通過鈣粘蛋白，在其頂端側通過整合素、蛋白聚糖和肌營養不良蛋白聚糖固定在基底膜。在肌纖維拉伸-縮短后，由于細胞外基質（ECM，即肌內膜）的拉伸和剪切變形，MuSCs承受機械載荷。這些變形也會導致肌肉內的間質液運動。目前尚不清楚MuSCs是否可以感知這些流體運動。

YAP核易位和轉錄活性是否在衰老MuSCs中失調尚不清楚，但YAP核化/活性可能是MuSCs中機械傳感能力改變的指標。衰老MuSCs的機械敏感性受損的后果可能是廣泛的，因為機械線索始終存在，無論它們來自肌肉活動還是生態位條件，并且對細胞功能具有最重要的影響。例如，細胞對基質剛度的感應會影響干細胞的粘附、形態、自我更新和命運決定。在衰老的MuSCs中，粘附、形態、黏著斑、YAP核化/活性和增殖是否發生內在改變尚未得到研究，但如果衰老的MuSCs的機械傳感能力惡化，這些參數也必然會受到影響。

去年，阿姆斯特丹牙科學術中心、比利時魯汶大學神經科學研究所、法國索邦大學等聯合團隊的一項研究曾旨在闡明衰老的MuSCs在感知和響應機械線索的能力方面是否受到內在損害。相關研究成果發表在 Aging 題為“Reduced growth rate of aged muscle stem cells is associated with impaired mechanosensitivity”。 增殖減少可能是骨骼肌再生能力隨年齡增長而下降的限制因素。首先，研究發現盡管YAP核定位很高，但與年輕的MuSCs相比，衰老的MuSCs在體外的生長速率顯著降低。衰老與MuSCs基因表達譜的改變有關。升高的細胞周期抑制劑CDKN2A（P16）是衰老細胞中的細胞標志物，其表達在衰老的MuSCs中被證明增加。實驗發現，與年輕MuSCs相比，衰老的MuSCs表現出較低的Pax7、Ccnd1、Cdk4基因表達和較高的Myog表達，而Cdkn2a在衰老的MuSCs中的表達略高但并不顯著。此外，衰老的MuSCs中的IL-6基因表達較低，這表明衰老的MuSCs在控制增殖和MuSC功能的信號通路中發生了內在改變。即目前的研究支持這樣一種觀點，除了細胞外因素外，MuSCs的一些內在變化會導致MuSC生長速率降低和功能改變，接下來的研究將討論衰老的MuSCs的這些內在變化。

細胞的物理性質，包括面積、頂點高度、形狀、核體積和細胞體積均受到嚴格調控，并受到各種刺激的影響，例如底物剛度、滲透壓變化、剪切應力等機械擾動和生化信號。這些細胞參數的變化會影響干細胞功能和命運。因此，實驗研究了衰老MuSCs的生長速率降低是否也伴隨著細胞形態特性的改變。結果發現（圖1），與年輕的MuSCs相比，衰老的MuSCs的細胞體積增加。細胞體積的增加對MuSCs的機械性能和機械敏感性有影響。此外，研究確定了衰老的MuSCs體積增加是否伴隨著粘附數的減少，結果表明，衰老的MuSCs體積的增加可能至少部分是焦點粘連（focal adhesion）的組裝和/或細胞骨架改變的結果。這可能會影響衰老的MuSCs生態位內的機械性能和機械敏感性。 （A）培養 3 天的年輕和老化 MuSCs 的俯視圖（XY）和橫截面圖像（XZ，白色虛線），并染色 F-肌動蛋白絲（綠色）和細胞核（紅色）以量化細胞形態測量。（B、C）MuSCs在基質膠涂層玻璃基板上的細胞擴散面積和細胞頂點高度。（D、E）老化MuSCs表現出比年輕MuSC大18%的細胞體積，而核體積沒有差異。（F-H）年輕和老化MuSC之間的細胞形狀描述符沒有差異。（I-N）年輕和老化MuSCs的細胞頂點高度，細胞體積和細胞面積之間的相關性。

NO是一種重要的信號分子，通過激活基質金屬蛋白酶并從ECM釋放肝細胞生長因子，參與肌肉再生過程中MuSCs的激活。先前已經證明，脈動剪切應力（PFSS）誘導的C2C12（小鼠成肌細胞）肌管中NO生成需要完整的糖萼，并且糖萼的去除會消除PFSS對NO產生的影響。研究發現，年輕和老化的MuSCs對PFSS的反應相似，NO產生增強（圖2）。抑制NO是否會導致年輕和衰老的MuSCs活性的差異目前尚不清楚。

造血干細胞與其細胞生態位的粘附性降低會對干細胞數量和功能產生負面影響。在目前的研究中，與年輕的MuSCs相比，老化的MuSCs與基質膠涂層玻璃基板的附著力較低，而由于PFSS應用，大量MuSC脫附。衰老的MuSCs中焦點粘連減少和ITGA7表達降低可能解釋了細胞對基質膠涂層玻璃基板的粘附減少。此外，衰老的MuSCs中Ptk2基因表達的降低與細胞粘附的減少一致。細胞-基質粘附在多能干細胞的增殖和形態中起作用。實驗得出的結論是，衰老MuSCs的生長速率降低至少部分是由于細胞粘附減少。 圖2     PFSS誘導的NO產生和MuSC脫附。（A）PFSS誘導年輕和老化MuSC產生NO。PFSS效果顯著，與靜態對照差異顯著。（B）透明質酸（糖萼成分，綠色）和細胞核（藍色）染色的MuSC。俯視圖（XY）和橫截面圖像（XZ，白色虛線）顯示年輕和老化MuSCs表達糖萼（白色箭頭）。（C）培養第一天和第三天年輕和老化MuSC中的糖萼表達。（D）PFSS處理前后MuSCs的顯微照片顯示老化MuSCs的數量下降。（E）在1小時PFSS期間（4.13 Pa/s），43%的老化MuSC從基質膠涂層的載玻片上脫附。

整合素的細胞質結構域與許多銜接蛋白（即PTK2和paxillin）相連，它們參與肌動蛋白細胞骨架組織、粘附、遷移、增殖、調節細胞形狀以及將生化和機械信號傳遞到細胞中。在目前的研究中顯示，衰老的MuSCs中Ptk2基因表達下降，pPXN簇數量減少，這表明衰老的MuSCs的生長速率降低和機械敏感性喪失至少部分是由于黏著斑形成和/或周轉減少。此外發現，在衰老的MuSCs中，Itga7基因表達和ITGA7蛋白表達均降低，Itga5和Itgb5基因表達也下降。這表明ITGA7表達降低和黏著斑形成與隨著年齡增長而改變的MuSC功能有關，可能是由于生態位變化導致MuSCs的內在變化。ITGA7和pPXN是改善衰老MuSC功能的潛在治療靶點。

在機械傳感中，hippo 通路及其效應子YAP和轉錄調節蛋白1（TAZ）是轉錄輔助因子，通過穿梭到細胞核中并通過與轉錄因子結合誘導基因表達的上調而發揮重要作用。它們決定MuSC的命運并影響肌肉再生。因此實驗研究了在年輕和老化的靜態對照和PFSS處理的MuSCs中YAP核定位。結果發現，老化靜態對照和PFSS處理的MuSCs的總YAP比年輕MuSCs高5.3%，與靜態對照相比，PFSS處理的年輕的MuSC在YAP強度方面呈上升趨勢。此外，還確定了YAP核定位，老化MuSC表現出比年輕MuSC高59%的核YAP熒光強度。PFSS對MuSCs核內的YAP含量沒有顯著變化，但在年輕的MuSCs中，PFSS處理后的YAP核化略有增加。間充質干細胞中的YAP核化取決于細胞附著面積，與焦點粘連的組裝無關。結果發現，附著面積較小的年輕和老化MuSC都表現出更高的YAP核化。

最后，研究發現，受剪切力作用的年輕MuSC上調了參與調節粘附，細胞周期和MuSC功能的基因的表達（圖3）。老化的MuSCs對剪切力不太敏感，并且表現出較少的基因上調，這表明機械敏感性降低是由于整合素蛋白表達（即ITGA7，ITGA5和ITGB5）和焦點粘附數減少。此外，實驗觀察到在相似、明確的培養條件下，年輕和衰老的MuSCs之間的機械反應性存在差異。這表明，衰老的MuSCs在體外的機械反應性降低可能是由于衰老相關的細胞內在改變。未來的研究應致力于體內驗證。研究還發現，剪切力會導致年輕和老化的MuSC變形。有趣的是，老化的MuSCs在剪切力下仍然變形，而年輕的MuSCs恢復了其最初的細胞頂點高度。此外，衰老的MuSCs顯示出更高的細胞硬度變化，如力誘導的細胞壓痕所示，這表明衰老的MuSCs具有改變的細胞骨架。 圖3     老化MuSC對PFSS的機械敏感性減弱。（A）響應PFSS的MuSC基因表達。（B）在流體剪切應力處理之前（靜態）和期間染色的年輕和老化 MuSC 的共聚焦俯視圖 （XY） 和橫截面 （XZ） 活細胞圖像，用于 F-肌動蛋白絲（紅色）和細胞核（綠色），說明由于流體剪切應力而導致細胞頂點高度的變化。（C、D）在CFSS處理開始時，CFSS誘導MuSC變形并降低年輕和老化MuSCs的細胞頂點高度。（E）年輕和老化的MuSCs具有相似的楊氏模量（~450Pa）。與年輕MuSC（27%）相比，老化MuSCs（61%）的變異系數較大。（F）力壓痕曲線顯示，與年輕的 MuSC 相比，壓痕老化 MuSC 所需的力變化很大。（G）納米壓痕之前和期間染色 F-肌動蛋白絲（紅色）和細胞核（綠色）的年輕 MuSC 的共聚焦橫截面顯微照片，說明細胞變形（虛線）。

在這項研究中，發現衰老的MuSCs的生長速率受到了內在的損害。由于ITGA7表達降低和粘附形成減少，細胞外部環境和細胞內部之間的機械聯系受到年齡的顯著影響，這與細胞體積增加，MuSC粘附降低以及細胞對機械負荷的機械敏感性改變相吻合。此外，YAP信號在衰老的MuSCs中發生了改變，包括細胞周期基因在內的幾個基因的表達降低。作為一種暗示，一種可能的治療選擇可能是恢復衰老的MuSCs中的ITGA7和粘附數，這可能有助于恢復MuSCs粘附到其生態位以及這些細胞的生長速度。

參考文獻：Haroon M, Boers HE, Bakker AD, Bloks NGC, Hoogaars WMH, Giordani L, Musters RJP, Deldicque L, Koppo K, Le Grand F, Klein-Nulend J, Jaspers RT. Reduced growth rate of aged muscle stem cells is associated with impaired mechanosensitivity. Aging (Albany NY). 2022 Jan 13;14(1):28-53. doi: 10.18632/aging.203830. Epub 2022 Jan 13. PMID: 35023852; PMCID: PMC8791224.
原文鏈接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35023852/

小編旨在分享、學習、交流生物科學等領域的研究進展。如有侵權或引文不當請聯系小編修正。如有任何的想法以及建議，歡迎聯系小編。感謝各位的瀏覽以及關注！
微信搜索公眾號“Naturethink”，了解更多細胞體外仿生培養技術及應用。