Il muscolo ha la capacità di adattarsi all’ambiente andando incontro ad ipertrofia, iperplasia e allungamento seriale dei sarcomeri mediante opportuna stimolazione meccanica e ormonale.

Dal punto di vista clinico è interessante conoscere le chiavi per cui il muscolo riesce a sovra-compensare e a modificarsi in quanto nella nostra popolazione sempre più anziana la perdita di massa muscolare con l’età e le patologie degenerative (vasculopatie, insufficienza cardiaca e renale, diabete mellito, osteoartrosi) è causa di fragilità, invalidità, fratture e quindi allettamento, scarsa qualità di vita.

I processi di risposta adattativa del muscolo sono stati studiati usando tecniche di immagine come la DXA (dual x ray absorptiometry), CT (computerized tomography) MRI scan (risonanza magnetica) e ultramicroscopia per analizzare l’area di sezione delle fibre muscolari (CSA).

 

Come già detto esistono stimoli ormonali (extracellulari) molecolari (intracellulari) e meccanici che provvedono ad “accendere gli interruttori” che portano ad una ipertrofia adattativa della fibra muscolare.

 

Allenamento:

• Stimolo meccanico: danno e rigenerazione adattariva delle strutture meccaniche, trasduzione del segnale meccanico
• Stimolo metabolico: rilascio di cataboliti
• Stimolo neurologico: liberazione del calcio intracellulare e attivazione calmodulina
• Stimolo ormonale: Attivazione mTor

 

Attraverso l’allenamento possiamo influenzare più variabili: il carico che permette una migliore attivazione neurologica e rilascio di calcio sarcoplasmatico e la creazione di un danno muscolare e dei tessuti connettivali associati. Il carico ha effetto anche sulle strutture ossee, tendinee e cartilaginee.

La produzione di cataboliti cellulare quali il lattato, l’acido e l’ipossia producono effetti a livello metabolico cellulare.

 

A livello cellulare questo si traduce in attivazione di meccanismi molecolari (proteine ed enzimi) con attività chinasica o fosfatasica capaci di attivare dei sistemi genetici di produzione di proteine (sintesi proteica) ribosomi e sistemi sia a livello di membrana che a livello nucleare.

 

Alcune di questi enzimi sono mTor, l’AMP chinasi, la calcineurina, le kinasi regolate extracellularmente 1 e 2 (ERK1/2), la Mitogen Activated Protein Kinase (MAP K p38), la chinasi JNK, NF-kB, la fosfatidil inositolo trifosfato chinasi (PI3K), la fosfo-chinasi B (PKB/AKT) e la fosfochinasi C e molte altre.

 

Mtor

Fondamentali per la sintesi proteica, muscolare e non, sono i complessi molecolari costituiti dalla proteina mTOR – mammalian target of rapamycina (mTOR): una kinasi che è codificata dal gene MTOR, della famiglia delle fosfatidil insolitolo 3 Kinasi.

mTOR si collega ad altre proteine regolatorie e serve come componente chiave di due distinti complessi proteici mTORC 1 e mTORC2 che regolano diversi processi cellulari. In dettaglio il componente mTOR funziona come una serina/treonina protein kinasiche regola la crescita cellulare, la mobilità cellulare, la sopravvivenza cellulare, la sintesi proteica, l’autofagia e la trascrizione in presenza di energia, nutrienti, stimoli ormonali e stato redox della cellula.

 

mTORC1

Il complesso mTORC1, è un complesso proteico che funziona da sensore dei nutrienti, energia e stato redox e controlla la sintesi proteica.

mTORC1 è composto dalla proteina mTOR, dalla proteina associata RPTOR dalla subunità mTORC LST8 (mLST8) dalla Proline-rich AKT1 substrate 1 (PRAS40) e dalla proteina DEP domain-containing mTOR-interacting protein (DEPTOR).

Il complesso mTORC1 regola la sintesi proteica cellulare posto che siano disponibili substrati (Leucina, acido beta idrossi beta metilburirrico), substrati ridotti, stimoli ormonali (Androgeni, Igf1..) e meccanici.

MTORC1 è il principale regolatore cellulare implicato nella replicazione e differenziazione cellulare fondamentale nell’ipertrofia muscolare.

La cellula muscolare non inizia un processo energeticamente costoso per aumentare la sintesi proteica e il proprio metabolismo se non sono presenti risorse e adeguati stimoli ormonali che segnalino uno stato anabolico.

mTORC1 risponde a stimoli ormonali sistemici: IGF1, Follistatina/miostatina, Androgeni, B2Agonisti, osteocalcina; nonché a segnali meccanici: Integrine, DGC, GPR56, peptidi di matrice, frequenza di stimolazione nervosa.

Questi includono ormoni e fattori di crescita che hanno un effetto positivo diretto o che antagonizzano dei regolatori negativi, e segnali meccanici che agiscono a livello della membrana plasmatica o attraverso il citoscheletro muscolare.

Questi segnali vengono poi convertiti a livelllo traslazionale per indurre sintesi proteica e a livello trascrizionale per regolare l’espressione di due maggiori set di geni che sono geni per la sintesi dell RNA e quindi di proteine che codificano proteine contrattili, di accoppiamento e proteine implicate nel metabolismo cellulare.

 

Stimoli ormonali:

IGF1

L’IGF è un potente fattore di crescita sintetizzato sistematicamente nel fegato sotto lo stimolo dell’ormone della crescita che regola la crescita delle cartilagini epifisarie durante i primi anni di vita nonché stimolare la crescita muscolare attraverso l’attivazione del suo recettore IGF1R e attivare la via PI3K-Akt- mTOR.

Esistono molte isoforme dell’IGF1 alcune prodotte paracrinalmente a livello muscolare che hanno funzione di attivare il reclutamento di cellule satelliti n caso di stimolazione meccanica (MGF). L’insulina stessa ha la capacità di attivare il recettore IGF1R (e vice versa). Inoltre esistono fattori modulanti che possono aumentare e diminuire la sensibilità del recettore verso il suo ligando IGF1.

 

Follistatina/miostatina

La miostatina (nota anche con il nome di GDF8 e l’attivina A sono membri della superfamiglia dei fattori di crescita trasformanti Beta TGFβ che agiscono come regolatori negativi della crescita muscolare legando il recettore ActRII (recettore tipo II dell’Attivina).

L’effetto è bloccato dall’inibitore endogeneo Follistatina che agisce pertanto come segnale attivatore della crescita muscolare.

L’inibizione del gene della myostatina o l’iperattivazione della follistatina o l’uso della follistatina FST288 induce ipertrofia muscolare nel topo con un passaggio della composizione delle fibre muscolari da lente a veloci.

Lo stesso risultato si ottiene mediante l’uso di recettori solubili ActRII che sequestrano la myostatina.

La myostatina legandosi al suo recettore causa un blocco della via Akt-mTor, mentre la follistatina lo attiva e promuove la sintesi proteica.

Altri membri della famiglia del TGFβ, come le BMP (Bone morphogenetic proteins) mostrano un effetto di stimolo della sintesi proteica muscolare attraverso l’attivazione del complesso AKT-mTor.

 

Androgeni

Gli androgeni, come il testosterone e il piu potente DHT sono induttori dell’ipertrofia muscolare mediante il legame con il loro recettore AR che attiva la traduzione dei geni a livello nucleare.

Il testosterone si trasforma in DHT mediante l’attività della 5 alfa reduttasi di cui esistono due isoforme, la SDR5a1 si trova nel muscolo scheletrico ed è indotta dall’esercizio fisico.

Il blocco degli androgeni porta a perdita delle proteine muscolari mediante sopressione del complesso Akt-mTORC1 verosimilmente tramite una riduzione dell’espressione di IGF1, reversibile dalla somministrazione di androgeni.

Oltre alla via dell’attivazione del recettore nucleare AR esiste una via nongenomica dell’interazione degli androgeni mediante recettori di membrana che attivano la via Akt-mTor (l’inibizione dell’attività genomica del AR in vitro causa comunque un aumento androgeno dipendente dei miotubuli e l’attivazione di Akt-mTor.

Gli androgeni inoltre causano proliferazione delle cellule satelliti (SC) mioblasti, la loro fusione e accrescimento (iperplasia).

 

β agonisti

L’adrenalina interagisce con i recettori di membrana β2 (β2AR) e attiva una proteina G accoppiata codificata dal gene ADRB2 che è il recettore beta più abbondante nel tessuto muscolare.

L’attivazione del recettore causa un aumento del cAMP e attivazione della PKA (protein kinasi A) che attiva il fattore trascrizionale CREB (cAMP Response Element Binding Protein) e tramite il fattore MEF2 porta all’espressione genica che porta a ipertrofia.

Il trattamento cronico con β2 agonisti causa ipertrofia muscolare attraverso vie poco studiate che sembrano includere la via IGF1-Pi3K-Akt-mTor e l’attivazione di CREB.

Lo studio della via di attivazione è complicato dalla rapida desensibilizzazione dei recettori β2AR verso il loro ligando.

 

Osteocalcina

Il ruolo dell’osteocalcina nella crescita muscolare è stato evidenziato da studio su topi knockout del recettore dell’osteocalcina (GPR6A) che vanno incontro ad atrofia muscolare, nonché sull’evidenza che la somministrazione di osteocalcina esogena è sufficiente per indurre aumento di massa muscolare dopo 4 settimane di terapia nei topi adulti.

La via per cui questo avviene probabilmente è una parte dell’asse endocrino muscolo-osso per cui il carico induce il rilascio dal muscolo di IL6 durante l’esercizio induce la risposta degli osteoclasti e questi rilasciano osteocalcina che ha effetto trofico sul muscolo.

 

Meccanotraduzione

L’esercizio con i pesi induce ipertrofia muscolare e il fatto che solo la contrazione vs carico produce questo effetto implica un sistema di segnalazione dello stress meccanico.

La ricerca di un meccanosensore ha esplorato la membrana plasmatica e il citoscheletro del sarcomero. Al momento sono emersi diverse vie di integrazione dello stimolo meccanico volte alla traduzione dello stimolo verso la sintesi muscolare.

Lo stimolo meccanico generato dalla contrazione muscolare o dall’allungamento passivo sono trasmessi attraverso due complessi multiproteici che attraversano la membrana plasmatica e connettono la matrice extracellulare (ECM):

• il complesso Distrofina glicoproteina (DGC)
• il complesso di adesione delle integrine

La distrofina (la mutazione del cui gene causa la distrofia muscolare di Duchenne) è una proteina localizzata tra il sarcolemma e lo strato più esterno dei miofilamenti all’interno della fibra muscolare. E’ una proteina coesiva che connette i filamenti di actina ad altre proteine di supporto che risiedono sul versante interno della membrana cellulare della fibra muscolare (sarcolemma).

Queste proteine di supporto si connettono alla guaina fibrosa dell’endomisio dell’intera fibra muscolare. La distrofina stabilizza la rigidità della fibra e supporta la forza muscolare e connette la parte contrattile (sarcomero) al sarcolemma tramite i costameri, strutture di collegaemnto dispos te tutto intorno alla fibra muscolare in corrispondenza del disco z e che accoppiano la forza esercitata dal muscolo alla parte connettivale di collagene di endomisio, epimisio e perimisio e infine al tendine e quindi all’osso.

Mutazioni della distrofina e della integrina α7β1 (la forma di integrina predominante nel muscolo scheletrico dell’adulto) causano danni muscolari indotti dalla contrazione.

Oltre alla funzione stabilizzante meccanica distrofina e integrine sono parte di un sistema di traduzione del segnale meccanico e sono potenzialmente inplicati nell’ipertrofia indotta dall’esercizio fisico.

Le integrine sono collegate all’actina tramite la proteina Talina che puo attivare differenti vie di segnalazione attraverso la focal adhesion kinase (FAK) e la integrina linked Kinase (ILK) due chinasi potenzialmente implicate nella meccanotraduzione del muscolo striato.

Una proteina associata alla integrina chiamata Melusina è stata valutata come “sensore” di carico giacché il livello di Melusina decresce in muscoli non allenati e l’iperespressione di Melusina può prevenire la sarcopenia da disuso.

La Syntrofina è un componente del complesso DGC (Dystrophine glycoprotein complex) che è collegata con la nNOS (neuronal nitric oxide syntase). La cascata di attivazione porta al rilascio di NO e all’aumento del calcio intracellulare che porta all’attivazione di mTOR.

Uno studio (34) ha mostrato che la γ1 syntrofina interagisce con la Diacilglicerolo kinasi zeta (DGKζ che fosforila il diacilglicerolo e cede acido fosfatidico il quale regola l’attivazione meccanica di mTOR e ciò conduce all’ipertorfia. L’iperespressione della DGKζ induce ipertrofia muscolare scheletrica.

Un altro sistema di meccanotraduzione della membrana plasmatica è il GPR56 un complesso proteico membro della famiglia delle proteine di adesione il cui ligando extracellulare è il collagene di tipo III.

Il GPR56 la cui espressione è controllata dal coattivatore di trascrizione PGC 1α4, è un attivatore di mTOR e la soppressione knockout nei topi di GPR56 blocca la risposta ipertrofica del muscolo.

A Livello del sarcomero lo stress meccanico a livello del disco Z produce una risposta nucleare tramite l’attivazione della Muscle LIM proteine (MLP) che trasloca nel nucleo.

La Titina sembra implicata in studi sul muscolo diaframma. Mutazioni della titina che la rendono meno elastica causa ipertrofia compensativa.

 

Sintesi Ribosomiale

La produzione del Rna Ribosomiale indotta da mTor avviene tramite la RNA polimerasi I che produce la subunità 47S che viene poi processata alle versioni mature (5,8S, 18S e 28S) e tramite la RNA polimerasi III che sintetizza la subunità 5S e il transferRNA tRNA grazie ai fattori MYC e UBF.

I complessi ribosomiali vengono assemblati nel nucleolo.

La crescita muscolare è quindi accompagnata e dipendente dalla sintesi ribosomiale tramite I fattori MYC e UBF che sono aumentati durante l’allenamento con I pesi.

E’ interessante che esiste una variabilità individuale della risposta nella sintesi di rRNA indotta dall’esercizio fisico.

Variabilità individuale della crescita (CSA) delle fibre muscolari dopo 4 settimane di uguale programma allenamento in adulti (60-75ys).

Sono stati individuati tre gruppi: no responders (Scarsa sintesi ribosomiale), Moderate responders (media sintesi ribosomiale), Extreme responders (elevata sintesi ribosomiale).

Altri studi (64) indicano che la risposta nella sintesi di rRNA dipende dalla quantità ed intensità dell’esercizio fisico.

 

Commento allo studio: Molecular Mechanism of Skeletal Muscle Hypertrophy – Journal of Neuromuscular diseases 8 (2021) 169 a cura del Dr Matteo Munari