Протеинът neurturin предпазва мускулните влакна от дегенерация

Професорът по молекулярна физиология от института „Karolinska“ в Стокхолм, Швеция, провежда изследване, чиято цел е да установи как промените в скелетните мускули повлияват тяхната функция и здравословното състояние на човека. Екипът му открива важен протеин, без който не бихме могли да координираме движенията си.

Начало и цели на проучването

Основната задача на експертите от шведския институт е не само да разберат молекулните механизми, от които зависи способността ни да се движим, но и да се потърсят нови форми за лечение за различни мускулни и неврологични нарушения.

Видове неврони и мускулни влакна

За да се движим, усмихваме и изразяваме себе си, мускулите ни трябва да получават сигнали от специални двигателни неврони. Изключително важно е характеристиките на комуникиращите двигателни неврони и мускулните влакна (наречени още двигателни единици) да съвпадат. Бързо възбуждащите се двигателни неврони стимулират мускулните влакна, които се съкращават също толкова бързо, а бавно възбуждащите стимулират влакната, които се съкращават по-бавно (и които са по-издръжливи при умора). Нужни са ни и двата вида двигателни единици, за да бъдем бързи и издръжливи.

Комуникация между неврони и мускули

Двигателните неврони и мускулите комуникират непрекъснато помежду си. Подаден сигнал от един неврон винаги води до свиване на определен мускул. За Руас и колегите му представлява интерес дали мускулите могат да „отговорят“, тоест да изпращат свои съобщения на двигателните неврони, както и какви биха били последствията от подобна обратна комуникация.

Според учените е много важно да се открият сигналите, които посредничат в комуникацията неврон-мускул, защото, когато тя прекъсне поради някаква причина (травма, мускулно увреждане или заболяване на двигателните неврони като например амиотрофична латерална склероза), мускулите започват да отслабват и може да се стигне до парализа.

За пациентите с невромускулни заболявания редовните физически упражнения често са невъзможни, което още повече мотивира учените да открият кои молекули отговарят за връзката между неврони и мускули. С тяхна помощ биха могли на по-късен етап да разработят нови терапевтични подходи, насочени именно към хората с нарушения, които да им позволят да извършват поне умерена физическа дейност.

Провеждане на изследване върху мускулните протеини и невромускулната функция на тялото

По-рано Руас и останалите членове на екипа му идентифицират протеина neurturin, който се произвежда от мускулите, като използват клетъчни култури. По време на инвитро лабораторни експерименти те забелязват, че neurturin има ключова роля за изграждането на точките на невромускулно свързване – синапсът между двигателните неврони и мускулните влакна.

Следващата стъпка е да се проследят процесите в жив организъм, като за целта учените извършват генни модификации в лабораторна мишка, в която нивата на протеина са постоянно високи.

Анализират се и биопсии от мускул на пациенти с различни заболявания и на доброволци, които извършват разнородни физически дейности. Така екипът установява при какви условия мускулите освобождават neurturin.

Молекулярни техники показват ефекта, който протеинът има върху мускулите, двигателните неврони и целия организъм. Чрез вирусни вектори учените инжектират генетично рекомбиниран neurturin в диви мишки, за да оценят терапевтичния потенциал на протеина.

Заключения

Има достатъчно научни доказателства, че характеристиките на двигателните неврони оказват влияние върху характеристиките на мускулните влакна. Ако се свържат бавно възбуждащ се двигателен неврон и бързо съкращаващо се мускулно влакно, то в един момент влакното ще се промени и ще започне да се съкращава много по-бавно. С други думи, ще стане издръжливо на тежки натоварвания.

Протеинът прави мускулите по-устойчиви на дегенерация

Руас пояснява: „Стана ясно, че промените в мускулите дават отражение върху невроните и техните характеристики. Открихме, че извлеченият от мускулите neurturin увеличава броя на бавните мускулно-невронни единици*. Това е особено важно, защото бавните двигателни единици са по-устойчиви на дегенерация, която се наблюдава при пациенти с амиотрофична латерална склероза.
Бяхме изненадани да разберем, че една молекула може да промени параметрите на двигателен неврон, така че той да изпраща сигнали на влакна, които се съкращават не по-бързо, а по-бавно и съответно са по-устойчиви на увреждане."

На системно ниво протеинът neurturin подобрява метаболитните процеси в организма на мишките, координацията на движенията и тяхната издръжливост. Руас вярва, че той може да помогне на пациенти с диабет например, при които се наблюдава влошен енергиен метаболизъм на мускулите.

Ролята на генетичните модификации в изследването

Според Руас, без генетично модифицираните мишки, биологичните свойства на протеина neurturin никога нямаше да бъдат разгадани. Изследванията, които се фокусират върху механизмите на комуникация между органите в човешкото тяло с помощта на фактори като neurturin, трябва да се провеждат върху живи организми, убеден е ученият.

Когато пациентът приема конкретен медикамент, той действа първо върху органа, който трябва да бъде лекуван, но има първични и вторични ефекти и върху другите части на тялото. Пред екипа на професора стои задачата да разбере какви биха били тези ефекти и едва тогава да се премине към разработване на терапевтични решения, които включват важния протеин.

Ограничения в проучването

До момента лабораторните експерименти са извършвани само върху клетъчни култури и животински модели. В бъдеще експертите трябва да проучат дали производството на neurturin повлиява също толкова добре и човека. Руас уточнява, че тези молекули и механизми обикновено са много сходни при различните видове, но не изключва възможността от известни биологични различия във функциите на протеина при животните и при хората.

Според професора по молекулярна физиология част от използваните върху мишките вирусни вектори могат да се приложат и върху хора, но би било много по-лесно да се заложи на пречистена форма на протеина.

Роля на neurturin при лечение на пациенти с мускулни и неврологични заболявания

Руас споделя: „Ако протеинът има същия положителен ефект върху мускулния метаболизъм, характеристиките на двигателните неврони и координацията на движенията при човека, това означава, че сме постигнали наистина огромен напредък. Възможно е с прием на въпросния протеин да подобрим здравословното състояние и живота на пациенти с различни невромускулни нарушения или диабет.

Neurturin и амиотрофична латерална склероза

В момента се провеждат предклинични изпитания за ефекта от протеина върху модели с амиотрофична латерална склероза. Учените му възлагат големи надежди, тъй като neurturin успя да видоизмени мускулните влакна при мишките така, че да бъдат по-издръжливи на физическо натоварване и устойчиви на дегенерация.

Крайната цел на екипа е да намери солидни научни доказателства за пряката връзка между физическата активност, мускулния тонус и продължителността на живота. В същото време те изследват и няколко други гени, молекули и механизми, които вероятно играят не по-малко ключова роля за благоприятния ефект от движението върху здравето.

* Jorge C. Correia, Yildiz Kelahmetoglu, Paulo R. Jannig, Sandra Kleiner, Eva Hedlund, Jorge L. Ruas. Muscle-secreted neurturin couples myofiber oxidative metabolism and slow motor neuron identity. Cell metabolism. 2021.