Mwiększość ludzi porusza się o wiele mniej niż nasi przodkowie, zmiana w użytkowaniu, która prawdopodobnie znajduje odzwierciedlenie w budowie samych mięśni. Zrozumienie struktury naszych mięśni jest kluczowym krokiem w kierunku udoskonalenia medycyny regeneracyjnej w chorobach nerwowo-mięśniowych. Jednak trudno było określić ilościowo aspekty tego, jak zmieniły się mięśnie, w tym podstawowe szczegóły, takie jak to, jakie włókna istnieją w poszczególnych częściach mięśnia. Teraz grupa naukowców znalazła sposób na lepszą identyfikację tych włókien. Wykorzystując zintegrowaną metodę spektrometrii mas, naukowcy odkryli grupę „superszybkich” mięśni u myszy. Postępy nauki.

Mięśnie składają się z włókien wolnokurczliwych, które powodują mniejsze skurcze mięśni i są bardziej odporne na zmęczenie, oraz z dwóch rodzajów włókien szybkokurczliwych, które powodują większe skurcze w krótszych impulsach. Jednak badania sugerują, że powtarzane ćwiczenia mogą w rzeczywistości powodować zmianę typu włókien mięśniowych, a naukowcy spekulowali nawet, że gdyby zastosowali odpowiednią technologię, mogliby znaleźć typy pośrednie, które zacierają granice między wolno i szybkokurczliwymi włóknami. Ng Shyh-Chang, biolog zajmujący się komórkami macierzystymi w Instytucie Zoologii Chińskiej Akademii Nauk i Pekińskim Instytucie Komórek Macierzystych i Medycyny Regeneracyjnej, który jest współautorem nowego badania, mówi Naukowiec że chciał dokładniej zbadać te włókna i zidentyfikować, które podtypy metaboliczne istnieją w której części mięśnia.

Najbardziej idealną metodą badania tego byłoby użycie spektrometrii mas, mówi Ng. Wyjaśnia, że ​​sprawdzony protokół spektrometrii mas, zwany spektrometrią mas z chromatografią cieczową (LC-MS), polega na kruszeniu tkanki w półpłynną mieszaninę zwaną zawiesiną, a następnie przepuszczaniu metabolitów z tego płynu przez wyspecjalizowane kolumny chromatograficzne przez spektrometr masowy w celu oddzielenia i identyfikacji ważnych białek i metabolitów. Chociaż metoda LC-MS wytwarza silne sygnały, które ułatwiają identyfikację podstawowych typów włókien w próbce, Ng mówi, że ponieważ metoda wykorzystuje raczej rozdrobnioną niż nienaruszoną tkankę, trudno jest ustalić, jak dokładnie te włókna są rozproszone i zidentyfikować rzadkie podtypy włókien.

Aby przezwyciężyć ten problem, Ng i współpracownicy postanowili zbadać rozkład włókien za pomocą obrazowania spektrometrii mas (MSI), które może rejestrować obrazy o wysokiej rozdzielczości nienaruszonych zamrożonych sekcji mięśni. Rodzaj MSI Ng, który ma zostać zastosowany, proces zwany desorpcją laserową wspomaganą matrycą (MALDI) polega na potraktowaniu zamrożonych sekcji mięśni materiałem matrycowym, a następnie uderzeniu ich pulsującym laserem mikrometr po mikrometrze w celu wytworzenia mapy jonów, które mogą można prześledzić wstecz do określonych komórek lub włókien pochodzenia. Ponieważ MSI może pracować na nienaruszonej tkance, daje również naukowcom lepsze wyobrażenie o tym, które części tkanki idą dokąd i jak różne włókna grupują się razem. Chociaż MSI jest potężny, Ng mówi, że może mieć problemy z wytwarzaniem takich samych silnych sygnałów jak LC-MS, co może utrudniać zorientowanie się, na co patrzysz. Mówi chemik z University of Florida, Richard Yost Naukowiec w e-mailu, że „MSI nie radzi sobie najlepiej, gdy szuka nieukierunkowanych związków, szczególnie w niskich stężeniach. To tam gdzie [LC-MS] świeci”.

Zobacz „Naukowcy używają wirówki do odkrywania hormonu”

Ng i współpracownicy stanęli przed zagadką: mogli uzyskać rozdzielczość metabolitów LC-MS lub rozdzielczość przestrzenną MSI. Albo, uświadomił sobie Ng, mogą po prostu robić jedno i drugie. Aby zwiększyć swoje szanse na sukces i mając nadzieję, że dowiedzą się więcej o podtypach włókien, Ng i jego zespół zaczęli od tkanki mięśniowej nóg myszy, ponieważ jej struktura jest stosunkowo prosta, a duże włókna wytwarzałyby silne sygnały, ułatwiając ich identyfikację. Ng postanowił przepuścić włókna przez LC-MS i przetworzyć je w istniejących bazach danych metabolomu, aby wybrać sygnały z różnych grup włókien. Następnie wykorzystali te same włókna do sprawdzenia krzyżowego danych LC-MS z danymi MSI, pomagając im połączyć wzorce, które widzieli w LC-MS, z obrazami MSI o wysokiej rozdzielczości. Używając włókien mięśniowych i LC-MS do trenowania oprogramowania MSI w celu identyfikacji wzorców metabolicznych, Ng i jego zespół stworzyli zoptymalizowany system, który łączył wysoką specyficzność i poziom szczegółowości MSI ze zdolnością LC-MS do określania metabolitów w pojedynczym włóknie skala.

„Integracja [LC-MS] a MSI sprawia, że ​​takie badania znacznie częściej dostarczają cennych informacji” — pisze Yost.

Zachwyceni, że udało im się uruchomić technologię, Ng i jego koledzy przejrzeli zdjęcia w nadziei, że znajdą coś interesującego. „Szukaliśmy metabolitów i pewne rzeczy wyróżniały się tam, gdzie byliśmy, jak„ huh, to dziwne, nie spodziewaliśmy się tego ”- mówi Ng. Wśród niespodzianek był wzór ugrupowań włókien mięśniowych. Rozpoczynając eksperyment, Ng i jego zespół szukali podejrzanych pośrednich włókien mięśniowych. Zamiast tego odkryli, że każdy z podzbiorów włókien mięśniowych bardzo różni się od pozostałych i mieści się w kategoriach, które zostały już zidentyfikowane – z jednym wyjątkiem.

Przeprowadzając analizę genetyczną włókna, które nie pasowało do istniejącej kategorii, Ng był zszokowany, gdy znalazł sygnatury tak zwanych „superszybkich” włókien mięśniowych w mięśniach kończyn myszy. Włókna te, zwykle występujące w obszarach znanych z ich bardzo dużej prędkości i wytrzymałości, takich jak ludzkie oczy i skrzydła kolibrów, nigdy wcześniej nie zostały udokumentowane w kości kończyn ssaków. Superszybkie włókna, które znaleźli w kończynie myszy, różniły się nieco od tych obserwowanych w innych częściach ciała, mówi Ng. Chociaż zastosowania kliniczne są odległe, mówi, że znalezienie tych włókien w mięśniach kończyn jest szczególnie ekscytujące dla medycyny regeneracyjnej, spekulując, że ze względu na ich dużą prędkość ruchu można je wykorzystać do zwiększenia neurostymulacji i poprawy koordynacji nerwowo-mięśniowej u ludzi.

Wiedząc, że włókna mięśniowe mogą zmieniać typy, jest prawdopodobne, że naukowcy mogliby znaleźć sposób na sztuczne wywołanie produkcji superszybkich włókien w mięśniach pacjentów z chorobą Parkinsona, ale najpierw muszą przeprowadzić więcej badań nad tym, jak te włókna zmieniają się naturalnie w organizmie.

„Zanim zobaczyłeś skamieniałego dinozaura, nie myślałeś, że dinozaur będzie istniał” – mówi. „Ale teraz, kiedy już zobaczyłeś dinozaura, możesz zacząć go szukać [more] dinozaury. Więc wiedząc co [superfast muscle] wygląda w kończynach, pozwala nam teraz to rozpoznać, a następnie zacząć szukać czynników, które mogą to wywołać”.