Thesis (MSc (Physiological Sciences))--Stellenbosch University, 2008. / Introduction: Skeletal muscle atrophy is a mitigating complication that is characterized by a reduction in muscle fibre cross-sectional area as well as protein content, reduced force, elevated fatigability and insulin resistance. It seems to be a highly ordered and regulated process and signs of this condition are often seen in inflammatory conditions such as cancer, AIDS, diabetes and chronic heart failure (CHF). It has long been understood that an imbalance between protein degradation (increase) and protein synthesis (decrease) both contribute to the overall loss of muscle protein. Although the triggers that cause atrophy are different, the loss of muscle mass in each case involves a common phenomenon that induces muscle proteolysis. It is becoming evident that interactions among known proteolytic systems (ubiquitin-proteosome) are actively involved in muscle proteolysis during atrophy. Factors such as TNF-α and ROS are elevated in a wide variety of chronic inflammatory diseases in which skeletal muscle proteolysis presents a lethal threat. There is an increasing body of evidence that implies TNF-α may play a critical role in skeletal muscle atrophy in a number of clinical settings but the mechanisms mediating its effects are not completely understood. It is also now apparent that the transcription factor NF-κB is a key intracellular signal transducer in muscle catabolic conditions. This study investigated the various proposed signalling pathways that are modulated by increasing levels of TNF-α in a skeletal muscle cell line, in order to synthesize our current understanding of the molecular regulation of muscle atrophy. Materials and Methods: L6 (rat skeletal muscle) cells were cultured under standard conditions where after reaching ± 60-65% confluency levels, differentiation was induced for a maximum of 8 days. During the last 2 days, myotubes were incubated with increasing concentrations of recombinant TNF-α (1, 3, 6 and 10 ng/ml) for a period of 40 minutes, 24 and 48 hours. The effects of TNF-α on proliferation and cell viability were measured by MTT assay and Trypan Blue exclusion technique. Morphological assessment of cell death was conducted using the Hoechst 33342 and Propidium Iodide staining method. Detection of apoptosis was assessed by DNA isolation and fragmentation assay. The HE stain was used for the measurement of cell size. In order to determine the source and amount of ROS production, MitoTracker Red CM-H2 X ROS was utilised. Ubiquitin expression was assessed by immunohistochemistry. PI3-K activity was calculated by using an ELISA assay and the expression of signalling proteins was analysed by Western Blotting using phospho-specific and total antibodies. Additionally, the antioxidant Oxiprovin was used to investigate the quantity of ROS production in TNF-α-induced muscle atrophy. Results and Discussion: Incubation of L6 myotubes with increasing concentrations of recombinant TNF-α revealed that the lower concentrations of TNF-α used were not toxic to the cells but data analysis of cell death showed that 10 ng/ml TNF-α induced apoptosis and necrosis. Long-term treatment with TNF-α resulted in an increase in the upregulation of TNF- α receptors, specifically TNF-R1. The transcription factors NF-κB and FKHR were rapidly activated thus resulting in the induction of the ubiquitin-proteosome pathway. Activation of this pathway produced significant increases in the expression of E3 ubiquitin ligases MuRF-1 and MAFbx. Muscle fibre diameter appeared to have decreased with increasing TNF-α concentrations in part due to the suppressed activity of the PI3-K/Akt pathway as well as significant reductions in differentiation markers. Western blot analysis also showed that certain MAPKs are activated in response to TNF-α. No profound changes were observed with ROS production. Finally, the use Oxiprovin significantly lowered cell viability and ROS production. These findings suggest that TNF-α may elicit strong catabolic effects on L6 myotubes in a dose and time dependent manner. Conclusion: These observations suggest that TNF-α might have beneficial effects in skeletal muscle in certain circumstances. This beneficial effect however is limited by several aspects which include the concentration of TNF-α, cell type, time of exposure, culture conditions, state of the cell (disturbed or normal) and the cells stage of differentiation. The effect of TNF-α can be positive or negative depending on the concentration and time points analysed. This action is mediated by various signal transduction pathways that are thought to cooperate with each other. More understanding of these pathways as well as their subsequent upstream and downstream constituents is obligatory to clarify the central mechanism/s that control physiological and pathophysiological effects of TNF-α in skeletal muscle.

O músculo esquelético é o tecido mais abundante do organismo, é importante em diversas habilidades básicas nas atividades de vida diária, como: movimento, postura corporal e respiração, além de outros processos fisiológicos importantes para manutenção do equilíbrio metabólico e defesa imunológica. Para se manter em adequado funcionamento, o músculo esquelético possui uma alta plasticidade, remodelando sua estrutura e função de acordo com as exigências do ambiente. Os microRNAs são pequenos RNAs não codificadores de proteínas que podem regular a expressão gênica a nível pós-transcricional. Nas últimas décadas o conhecimento dos microRNAs na biologia do músculo esquelético vem abrindo portas para novas abordagens que visam otimizar a boa saúde da musculatura esquelética. Neste trabalho, nosso principal objetivo foi identificar e caracterizar microRNAs com potencial de modulação da regeneração e massa muscular esquelética. Utilizamos uma análise in silico para identificar os microRNAs que tem como alvo predito genes associados a vias que regulam a regeneração e massa muscular, em seguida manipulamos in vitro (células C2C12) e in vivo (camundongos C57BL/6) a expressão desses microRNAs, analisando a expressão desses genes e as consequências nas células e no tecido muscular. Na primeira parte deste trabalho, analisamos a hipótese de que certos microRNAs poderiam regular a expressão de MuRF1 e MuRF2 (E3-ligase importantes para o processo de regeneração muscular). Identificamos os microRNAs miR-29c e miR-101a que têm como alvo predito MuRF1, e miR-133a e miR-133b que tem como alvo predito MuRF2. MuRF1 é induzido nos primeiros estágios do processo de regeneração muscular e seus miRs potencialmente reguladores são reprimidos durante esse processo. A superexpressão de miR-29c e miR-101a reduz a expressão de MuRF1 em células C2C12, enquanto que, em um ensaio de luciferase, validamos MuRF1 como alvo direto apenas do miR-29c. Além disso, a superexpressão de miR-29c durante a diferenciação de células C2C12 promove a miogênese, com aumento do diâmetro e índice de fusão de miotubos, enquanto que a superexpressão do miR-101a provocou uma redução no diâmetro dos miotubos. Na segunda parte deste trabalho, identificamos in silico o miR-29c como um potencial regulador da massa muscular esquelética, em seguida através de um método de entrega gênica por meio de eletroporação, superexpressamos o miR-29c no músculo de camundongos. A superexpressão do miR-29c, promoveu um aumento da massa e do número de sarcomeros em serie, com ganho de força e função no músculo e esse efeito foi acompanhado de um remodelamento tecidual com aumento do número de células satélite ativadas. Tomados juntos, nossos resultados revelam que o miR-29c tem um efeito hipertrófico com ganho de função. A superexpressão deste microRNA pode ser uma ferramententa útil para futuras abordagens terapêuticas que visem a manipulação da massa muscular esquelética. / The skeletal muscle is the body most abundant tissue. It plays an important role in daily life activities, such as movement, posture, and breathing. In addition, this tissue is crucial at physiological processes like metabolic equilibrium and immune defense. The substantial adaptability in response to environmental change marks skeletal muscle as a plastic organ. This plasticity could be coordinated by microRNAs, those are small non-protein-coding RNAs that regulate post-transcriptional gene expression. This knowledge has fostered new approaches that aim to optimize the skeletal muscle health. Thus, in this work, we intended to identify and characterize microRNAs that modulate the muscle mass and the regeneration process. An in silico analyses has allowed the identification of microRNAs who possibly bind genes from pathways of skeletal muscle mass control and regeneration. After, we manipulated the expression of those microRNAs on C2C12 cells and C57BL/6 mice. Finally, we measured the transcriptional levels of target genes and the impact of these alterations on the cells and on muscle tissue. In the first section of this work, we hypothesized that microRNAs could regulate MURF1 and MURF2 expression, both E3-ligases important for the regeneration process. In our analysis, MURF1 was a predictable target of miR-29c and miR-101a while for MURF2 were identified miR-133a and 133b. During the regeneration process, MURF1 is up-regulated and its predicted target microRNAs are downregulated. In this context the hyperexpression of both miR-29c and miR-101a in C2C12 cells induced MURF1 down-regulation. Furthermore, miR-29c promotes myogenesis with an increase in myotubes diameter and fusion index. In contrast, miR-101a expression reduces myotubes diameter with no change at the fusion index. Lastly, luciferase assay validated only miR-29c directly target MURF1 3`UTR. In the second section of this work, we identified miR-29c as a potential regulator of skeletal muscle mass. Then through gene delivery by electroporation, we induce miR-29c overexpression in mice skeletal muscle. This procedure promoted an increase in muscle mass as well as a gain in strength, endurance and sarcomere number, furthermore the number of activated satellite cells. Taken together our results found that miR-29c has a hypertrophic effect with gain in muscle function. Thus, the overexpression of this microRNA could be a useful tool for future therapeutics that manipulate muscle mass.

Avaliamos no presente estudo: 1) os efeitos do desuso das patas traseiras de ratos por duas semanas sobre as vias de sinalização de síntese e degradação de proteínas no músculo sóleo e a administração de óleos de peixe ricos em eicosapentaenóico (EPA) ou docosaexaenóico (DHA) e 2) as alterações induzidas pelo desuso no músculo sóleo em camundongos FAT-1. Concluímos que, apesar da variação pequena na razão ácidos graxos ômega-6/ômega-3, efeitos significativos da oferta aumentada de ácidos graxos ômega-3 foram observados na área de seção transversa e vias de sinalização relacionadas à síntese e degradação de proteínas no músculo sóleo nos dois protocolos. / We investigated herein: 1) the effects skeletal muscle disuse atrophy induced by two-week hind limb suspension (HS) on protein synthesis and degradation signaling in soleus muscle and the administration of either eicosapentaenoic (EPA) or docosahexaenoic (DHA)-rich fish oil supplementation, and 2) the changes induced by hind limb disuse on soleus muscle of Fat-1 transgenic mice. We concluded that, in spite of the small variation in the omega-6/omega-3 fatty acid ratio, significant effects of the increased omega-3 fatty acid levels were observed on the CSA and signaling pathways associated with soleus muscle protein synthesis and degradation in both experimental protocols.

O objetivo do presente estudo foi analisar estrutural e ultra-estruturalmente os músculos EM e CM adultos e idosos empregando métodos de microscopia de luz, microscopia eletrônica de varredura, microscopia eletrônica de transmissão. Os resultados revelaram os feixes de fibras colágenas que constituem o endomísio, perimísio e epimísio presentes no tecido muscular. Nos capilares dos músculos adultos observou-se a presença de pseudópodos endoteliais projetando-se para o lúmen capilar; a referida estrutura não foi encontrada nos capilares dos músculos idosos examinados. A reação histoquímica de NADH-tr permitiu a identificação dos tipos de fibras: Oxidativa (O), Glicolítica-oxidativa (GO) e Glicolítica (G) nas regiões superficial e profunda dos músculos EM e CM de animais adultos e idosos. Todavia, constatou-se aumento da área de secção transversa das fibras O, GO e G. Paralelamente, os dados mostraram diminuição da densidade total das fibras, revelando a plasticidade e atrofia muscular nos músculos de animais com envelhecimento. / The aim of the present study was to analyse structural and ultrastructure of SM and CM of adults and aged animals employing light microscopy, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy methods. The results revealed the bundles of collagen fibers which constituted the endomysium, perimysium and epimysium in the muscle tissue. In the capillaries of the adults muscles observed the presence of endotheliais pseudopod projected to the capillary lumen; this structure do not found in the capillaries of the examined aged muscles. The histochemical reaction of NADH-tr, allowed to identify three types of fibers: Oxidative (O), Oxidative-Glycolytic (OG) and Glycolytic (G) in the surface and deep regions of the SM and CM muscles of adult and aged animals. However, may observed an increased areas of the cross-section the fibers O, OG and G. Parallely, the data showed decreased total density of the fibers, revealing the muscle atrophy and plasticity of aging animals.

A sarcopenia é definida como a perda de massa e de função musculares que ocorre com o envelhecimento. A massa muscular é mantida como resultado do constante balanço entre síntese e degradação proteicas e com o avanço da idade, ocorrem alterações das fibras musculares que têm seu diâmetro reduzido, mudanças na proporção dos diferentes tipos de fibras e redução de proteínas contráteis. Para caracterizar a sarcopenia em ratos Wistar em diferentes idades foram medidas força voluntária máxima, atividade proteassomal e expressão total de Akt 1, p70S6K, MuRF 1 e Atrogina 1 em músculos Sóleo e EDL. Caracterizamos pela primeira vez a sarcopenia em ratos com 13 meses de idade a partir de reduzida massa tecidual dos músculos Sóleo e EDL e de força voluntária máxima avaliada por protocolo de teste de força com uso de escada. A atividade catalítica do proteassoma exibe padrão distinto de acordo com o músculo avaliado e a idade dos animais. / The sarcopenia is defined as the mass and muscle function loss that occurs with the ageing. The muscle mass is maintained as result of the constant balance between synthesis and protein degradation and with the advance of age, occur changes of muscle fibers that has its diameter reduced, changes in the proportion of different types of fibers and reduction of contractile protein. To characterize the sarcopenia in Wistar rats in different ages were measured maximum volunteered strength, proteasome activity and total expression of Akt 1, p70S6K, MuRF 1 and Atrogin 1 in Soleus and EDL muscle. For the first time we characterized the sarcopenia in 13 months old rats from the reduced tissue mass of Soleus and EDL muscle and of maximum volunteered strength analyzed by a protocol ladder climbing test. The catalytic activity of proteasome show a distinct pattern according to the analyzed muscle and the animals\' age.

Les sphingolipides sont une famille de lipides membranaires dotés d'un rôle structural, influant sur les propriétés de la bicouche lipidique, mais ils agissent aussi comme des molécules effectrices au rôle essentiel dans de nombreux aspects de la biologie cellulaire. Les sphingolipides céramide, sphingosine et S1P ont des effets opposés: le céramide et la sphingosine inhibent la prolifération et promeuvent la réponse apoptotique à différents stimulus de stress, la S1P est un stimulateur de la prolifération et de la survie cellulaires. Le céramide peut être produit par la voie de synthèse de novo, et l'hydrolyse de la sphingomyéline membranaire catalysée par les sphingomyélinases. Ces deux voies peuvent être activées par la cytokine pro-inflammatoire TNFa, capable d’induire une perte musculaire et jouant un rôle crucial dans le développement de la cachexie. Nous avons fait l'hypothèse que le céramide, ou un de ses métabolites, peuvent être des médiateurs de la perte musculaire tumeur-induite. Nous avons examiné le rôle du céramide dans l'atrophie induite in vitro par le TNFa chez les myotubes, en utilisant des analogues de céramide et des inhibiteurs du métabolisme sphingolipidique. L'apport de céramides exogènes est capable de reproduire l'effet atrophique du TNFa, ce qui suggère que le céramide peut participer à l'atrophie musculaire. Pour vérifier si les céramides sont les médiateurs de l'atrophie induite par le TNFa, nous avons analysé l'effet d'inhibiteurs ciblant différentes étapes du métabolisme: l'inhibition de la voie de synthèse de novo est incapable de rétablir la taille des myotubes en présence de TNFa, alors que les inhibiteurs de sphingomyélinase neutre suppriment l'atrophie TNFa-induite. L’accumulation de céramide et de sphingosine augmente l’effet pro-atrophique, tandis que la S1P a un effet protecteur. Ces observations montrent que, dans les myotubes, le céramide, ou un métabolite produits par la voie de la sphingomyélinase neutre en réponse à une stimulation par le TNFa, participent à l'atrophie des cellules. Pour évaluer le rôle in vivo des sphingolipides, nous avons traité la souris BalbC porteuse d’un carcinome C26 avec myriocine, inhibiteur de la synthèse de novo, capable d'induire une déplétion du muscle en sphingolipides, Ce traitement protège partiellement les souris contre la perte de poids corporel et de poids des muscles induite par la tumeur, sans affecter la taille de celle-ci. De plus, la myriocine réverse significativement la perte de taille des fibres musculaires et réduit l'expression des atrogenes, ce qui montre qu'elle protège le muscle contre l'atrophie. Ces résultats suggèrent fortement que le céramide, ou un métabolite sphingolipidique en aval, est impliqué dans l'atrophie musculaire tumeur-induite. La voie des sphingolipides apparaît donc comme une nouvelle cible potentielle d'interventions pharmacologiques visant à protéger le tissu musculaire contre l'atrophie. / The sphingolipids are a family of membrane lipids with only a structural role, influencing lipid bilayer properties, but they also act as effector molecules with essential roles in many aspects of cell biology. The sphingolipids ceramide, sphingosine and S1P have shown opposite effects: whereas ceramide and sphingosine usually inhibit proliferation and promote apoptotic responses to different stress stimuli, S1P is known to stimulate cell growth, and promote cell survival. Ceramide can be produced through the de novo synthesis pathway, and by membrane sphingomyelin hydrolysis catalyzed by sphingomyelinases. Both pathways can be activated by the pro-inflammatory cytokine TNFa. Because this cytokine has been shown to promote muscle loss and seems to be crucial in the development of cachexia, we hypothesized that the formation of ceramide, or a metabolite, can be involved in tumor-induced muscle wasting. We investigated the role of ceramide in the in vitro atrophic effects of TNFa on differentiated C2C12 myotubes, by using cell permeant ceramides and inhibitors of sphingolipid metabolism. We observed that TNFa atrophic effects, as evaluated by the reduction in myotube area, are mimicked by exogenous ceramides, supporting the idea that ceramide can participate in muscle atrophy. To verify if ceramide is a mediator of TNFa-induced atrophy, and to identify the metabolites potentially involved, we analyzed the effects of drugs able to block sphingolipid metabolism at different steps: the inhibition of de novo synthesis pathway was unable to restore myotube size in the presence of TNFa whereas the inhibitors of neutral sphingomyelinases reversed TNFa-induced atrophy. Moreover, an accumulation of ceramide and sphingosine induced pro-atrophic effects, whereas sphingosine-1-phosphate had a protective effect. These observations establish that in C2C12 myotubes, ceramide or other downstream metabolites such as sphingosine, produced by the neutral sphingomyelinase pathway in response to TNFa stimulation, participate in cell atrophy. To evaluate the in vivo role of sphingolipids, we treated BalbC mice carrying C26 adenocarcinoma woth Myriocin, an inhibitor of the de novo pathway of ceramide synthesis, that is able to deplete muscle tissue in all sphingolipids, was administered daily to the animals. This treatment partially protected animals against tumor-induced loss of body weight and muscle weight, without affecting the size of tumors. Moreover, myriocin treatment significantly reversed the decrease in myofiber size associated with tumor development, and reduced the expression of atrogenes Foxo3 and Atrogin-1, showing that it was able to protect against muscle atrophy. These results strongly suggest that ceramide, or a downstream sphingolipid metabolite, is involved in tumor-induced muscle atrophy. The sphingolipid pathway thus appears as a new potential target of pharmacological interventions aiming at protecting muscle tissue against atrophy.

Em quadros mais avançados da insuficiência cardíaca (IC), além do comprometimento do miocárdio, observa-se uma importante perda de massa muscular esquelética, a qual contribui para o mau prognóstico e orbimortalidade dos pacientes. As espécies reativas de oxigênio (ROS) parecem estar diretamente envolvidas no desenvolvimento e progressão da atrofia muscular em doenças crônico-degenerativas. De fato, já é sabido que a IC está associada ao estresse oxidativo na musculatura esquelética, o qual parece contribuir para o catabolismo proteico culminando em atrofia muscular na síndrome, apesar desta relação de causa e efeito ainda ser pouco investigada. No entanto, as fontes envolvidas na produção exacerbada de ROS na musculatura esquelética em ratos com infarto do miocárdio ainda não foram caracterizadas. Como a NADPH oxidase é um complexo enzimático especializado em produzir ROS, e sabendo que esta família de enzimas pró-oxidantes é ativada for agentes pró-inflamatórios e alguns agonistas de receptores acoplados à proteína G que estão aumentados na IC, na primeira parte do projeto de pesquisa testou-se a hipótese de que as NADPH oxidases estariam hiperativadas nos músculos plantar e sóleo de ratos submetidos ao infarto do miocárdio, contribuindo para um quadro de estresse oxidativo e consequente hiperativação do sistema proteolítico ubiquitina proteassoma (SUP), culminando assim na atrofia deste tecido. Para testar esta hipótese, ratos Wistar foram submetidos à cirurgia de infarto do miocárdio ou Sham e, quatro semanas pós-cirurgias, foram submetidos a oito semanas de tratamento com uma substância inibidora da NADPH oxidase (apocinina) ou placebo. Foram quantificados nos músculos plantar e sóleo: níveis de mRNA de componentes da família Nox da NADPH oxidase presentes no tecido muscular, bem como a atividade desse complexo enzimático; marcadores de estresse oxidativo; atividade de enzimas antioxidantes e concentração total de glutationa; níveis de mRNA de componentes do SUP e atividade do proteassoma; e o trofismo muscular (Subprojeto 1). A segunda parte deste projeto testou a hipótese de que o treinamento físico aeróbico (TFA) previniria a hiperativação das NADPH oxidases na musculatura esquelética de ratos submetidos ao infarto do miocárdio, contribuindo para uma diminuição do quadro de estresse oxidativo e menor ativação do SUP, prevenindo assim a atrofia deste tecido. Para testar esta hipótese, ratos Sham e infartados foram submetidos a oito semanas de TFA ou permaneceram sedentários (Subprojeto 2). As variáveis estudadas foram as mesmas relacionadas ao subprojeto 1. Os resultados do subprojeto 1 demonstraram que o infarto do miocárdio em ratos promove atrofia do músculo plantar desencadeada em parte pela ativação da NADPH oxidase, promovendo uma maior produção de ROS e consequente hiperativação do SUP. Além disso, o infarto do miocárdio promove atrofia do músculo sóleo, a qual também está associada a um aumento dos níveis de ROS e da atividade do proteassoma, porém independente da ativação da NADPH oxidase. Em relação ao subprojeto 2, nossos dados também demonstram que o TFA previne parcialmente a atrofia do músculo plantar de ratos infartados, prevenindo a hiperativação da NADPH oxidase e a hiperativação do SUP induzida pelo infarto do miocárdio. Essa intervenção não farmacológica também previne a atrofia do músculo sóleo dos ratos infartados associada à redução das ROS e à redução da hiperativação do SUP induzida pelo infarto do miocárdio, porém de forma independente da atividade do complexo enzimático NADPH oxidase. Dessa forma, concluímos que a NADPH oxidase está envolvida de maneira músculo-específica com a produção de ROS levando a ativação do SUP e à atrofia muscular associada ao infarto crônico do miocárdio. O TFA é capaz de prevenir a atrofia muscular esquelética induzida pelo infarto do miocárdio associada a redução das ROS em ambos os músculos estudados. No musculo plantar, esta resposta esta relacionada a uma redução na hiperativação do complexo enzimático NADPH oxidase, ressaltando a contribuição desse complexo para a geração de ROS em músculos glicolíticos de ratos infartados. O TFA consiste em importante ferramenta não farmacológica agindo na homeostase redox e proteica no musculo esquelético de ratos infartados / Although heart failure (HF) is a syndrome of cardiac origin, it promotes significant skeletal muscle atrophy in more advanced stages, which contributes to poor prognosis and increased mortality rate. Reactive oxygen species (ROS) seem to be directly involved in the development and progression of muscle atrophy in chronic degenerative diseases. In fact, HF is associated with skeletal muscle oxidative stress, which seems to contribute to protein catabolism and muscle atrophy. However, it is important to highlight that the sources involved in the exacerbated skeletal muscle ROS production in HF have not been characterized yet. NADPH oxidase enzyme complex is an important source of ROS production activated by proinflammatory cytokines and some G-protein-coupled receptors, which are increased in HF. Therefore, in the first part of the thesis, we tested whether NADPH oxidases would be overactivated in plantaris and soleus muscles of rats submitted to myocardial infarction, thus contributing to oxidative stress and consequent ubiquitin proteasome proteolytic system (UPS) hyperactivation, ultimately leading to muscle atrophy. To test this hypothesis, Wistar rats underwent myocardial infarction or Sham surgery and, four weeks post-surgery, rats underwent eight weeks of treatment with an NADPH oxidase inhibitor (apocynin) or placebo. It was quantified in plantaris and soleus muscles: mRNA levels of skeletal muscle-NOX family, as well as NADPH oxidase activity; oxidative stress markers; antioxidant enzymes activity and total glutathione concentration; mRNA levels of UPS components and proteasome activity; and muscle trophicity (Subproject 1). In the second part of the thesis we tested whether aerobic exercise training (AET) would prevent NADPH oxidases overactivity in plantaris and soleus muscles of rats submitted to myocardial infarction, thus decreasing oxidative stress and UPS hyperactivation, preventing skeletal muscle atrophy. To test this hypothesis, Sham and infarcted rats underwent eight weeks of AET or remained sedentary (Subproject 2). The variables studied were the same as in Subproject 1. The results of the subproject 1 demonstrated that myocardial infarction in rats induces plantaris muscle atrophy triggered in part by overactivation of NADPH oxidase promoting increased ROS production paralleled by UPS hyperactivation. Moreover, myocardial infarction induced soleus muscle atrophy, which was also associated with increased ROS levels and proteasome overactivity, but independently of NADPH oxidase activation. Regarding the subproject 2, our data showed that AET partially prevented plantaris muscle atrophy in infarcted rats, preventing myocardial infarction-induced NADPH oxidase hyperactivation and UPS hyperactivation. AET also prevented soleus muscle atrophy in infarcted rats, which was associated with a ROS levels reduction and prevention of myocardial infarction-induced UPS hyperactivation, but independently of NADPH oxidase activity. Collectively, our data give support for the involvement of NADPH oxidase as a source of ROS production leading to UPS activation and skeletal muscle atrophy associated with chronic myocardial infarction, however this occurs in a muscle specific pattern. AET prevents myocardial infarction-induced skeletal muscle atrophy and exacerbated ROS levels in both plantaris and soleus muscles. In plantaris muscle, this response is related to a prevention of NADPH oxidase hyperactivation, highlighting the contribution of this enzyme complex to ROS production in glycolytic muscles of infarcted rats. Finally, AET is an important nonpharmacologic tool acting in skeletal muscle redox and protein homeostasis of infarcted rats

Introdução. A insuficiência cardíaca (IC) é caracterizada por exacerbação da atividade nervosa simpática muscular (ANSM), baixa tolerância ao esforço e dispneia. Além disso, é característico nessa população o desequilíbrio entre o anabolismo e catabolismo, favorecendo dessa maneira uma acentuada perda da massa magra muscular, o que agrava ainda mais a qualidade de vida nos pacientes com IC. Dentre as alterações anabólicas observadas na IC avançada destaca-se a diminuição dos hormônios GH, IGF-1 e testosterona. A testosterona, um importante hormônio para as características masculinizantes e na manutenção da massa muscular, apresenta acentuada redução com o avançar da doença. Esta perda da massa magra, leva ao processo de caquexia muscular e consequente atrofia, com diminuição da força e da capacidade funcional do paciente com IC. A reposição de testosterona nesses pacientes tem sido estudada e se mostra uma importante terapêutica para melhorar a capacidade funcional e força muscular. Porém, não se conhece claramente o papel deste tratamento medicamentoso sobre o processo anabólico muscular, bem como na melhora da composição corporal. O exercício físico como tratamento não medicamentoso tem sido amplamente recomendado na IC por reduzir a ANSM, melhorar o fluxo sanguíneo periférico, aumentar a força muscular e melhorar a qualidade de vida. Entretanto, a combinação das estratégias do exercício físico associado à terapia de reposição de testosterona, não é conhecido em pacientes com IC. Métodos. 24 pacientes com IC foram randomizados em 3 grupos: Treinamento (TR, n=9), Testosterona (T, n=8) e Treino+Testosterona (TRT, n=7). A ANSM foi avaliada pela técnica de Microneurografia. O fluxo sanguíneo do antebraço foi avaliado pela pletismografia de oclusão venosa. A composição corporal foi avaliada pela densitometria (DEXA). A biópsia do músculo vasto-lateral foi feita para avaliarmos a área de secção transversa da fibra e a tipagem de fibras musculares. A qualidade de vida foi avaliada pelo questionário de Minnesota. O treinamento físico aeróbio em bicicleta foi realizado 3 vezes por semana, com 40 minutos de exercício por sessão, pelo período de 4 meses. A reposição de testosterona foi realizada pela administração intramuscular de undecilato de testosterona pelo período de 4 meses. Resultados. Após 4 meses de intervenção, observamos restauração dos níveis de testosterona em todos os grupos. A ANSM reduziu nos grupos TR e TRT. Não houve aumento do fluxo sanguíneo entre os grupos. O consumo de oxigênio aumentou em todos os grupos, porém apenas o grupo TRT aumentou a potência máxima ao exercício. A massa magra apresentou aumento significativo apenas no grupo TRT. Não observamos mudança no conteúdo mineral ósseo entre os grupos. Apenas o grupo TRT aumentou de maneira significativa a área de secção transversa das fibras tipo I (oxidativas). A qualidade de vida melhorou apenas nos grupos TR e TRT. Conclusões. O exercício físico associado à terapia de reposição de testosterona se mostrou mais eficaz em reduzir a ANSM, aumentar a capacidade funcional, a força muscular, a massa magra com um importante aumento das fibras do tipo I. Nossos resultados enfatizam a importância do exercício físico em pacientes com IC e traz uma nova perspectiva com a associação da testosterona para pacientes com hipogonadismo / Introduction. Heart failure (HF) is characterized by exacerbation of muscle sympathetic nerve activity (MSNA), exercise intolerance and dyspnea. Furthermore, is characteristic in this population the imbalance between anabolism and catabolism which lead to loss of skeletal muscle mass worsening quality of life in HF patients. Prior studies have demonstrated decrease in anabolic hormones such as GH, IGF-1 and testosterone. Testosterone, an important hormone for masculinization feature and maintenance of muscle mass, shows sharp decline in advanced HF. Loss muscle mass leads to cachexia and atrophy which decrease strength and functional capacity in HF patients. Testosterone replacement in these patients has been studied and shows an important therapeutic to enhance functional capacity and muscle strength. However it is not known the role of this medical treatment on muscle anabolic process as well as on body composition. Physical exercise as a non-medication treatment has been widely recommended to reduce MSNA, enhance peripheral blood flow, increase muscle strength and improve quality of life. However, the combination of the strategies of physical exercise associated with testosterone replacement therapy is not known in HF patients. Methods. 24 HF patients were randomized in 3 groups: Training (TR, n=9), Testosterone (T, n=8) and Training+Testosterone (TRT, n=7). MSNA was recorded by microneurography technic. Forearm blood flow was evaluated by venous occlusion plethysmography. Body composition was measured by densitometry (DEXA). Muscle biopsy was done in vastus lateralis to evaluate the cross-sectional area and type of fibers. Quality of life was assessed by Minnesota living with heart failure questionnaire. Aerobic exercise training on a bicycle was performed 3 times per week, with 40 minutes of exercise per session, for a period of 4 months. Testosterone replacement was performed by intramuscular administration of testosterone undecylate for a period of 4 months. Results. After 4 months testosterone levels were restored in all groups. MSNA decreased in TR and TRT groups. There was no increase in blood flow between groups. Oxygen consumption increased in all groups, but only the TRT group showed increase in maximum power to exercise. Lean body mass increased significantly only in the TRT group. We did not observe changes in bone mineral content between groups. Only TRT group significantly increased the cross-sectional area of type I fibers (oxidative). The quality of life improved only in TR and TRT groups. Conclusions. Exercise training associated with testosterone replacement therapy was more effective in reducing MSNA, increase functional capacity, muscle strength, lean mass with a significant increase in type I fibers. Our results emphasize the importance of physical exercise in patients with HF and bring a new perspective to association testosterone for patients with hypogonadism

A ruptura do ligamento cruzado anterior (LCA) tem sido associada com alterações na propriocepção e alterações na função mecânica da articulação do joelho. A ruptura de um órgão proprioceptivo como o LCA pode alterar os padrões de ativação da musculatura que atravessa a articulação do joelho, uma vez que o sistema nervoso central deixa de receber informações dos mecanorreceptores presentes nesse ligamento. Já as alterações na função mecânica da articulação do joelho se devem à perda de uma estrutura importante na restrição e controle dos movimentos articulares, e também tem implicações sobre as propriedades elétricas e mecânicas dos músculos que atuam sobre essa articulação. A eletromiografia e a dinamometria isocinética são técnicas que nos permitem avaliar as propriedades elétricas e mecânicas do sistema muscular, respectivamente. No entanto, não foi encontrado na literatura um estudo sistemático que tivesse avaliado a capacidade de produção de força isocinética em diferentes velocidades angulares de movimento e a ativação elétrica muscular de pacientes com ruptura do LCA e pacientes com reconstrução do LCA. Portanto, o objetivo desse estudo foi de avaliar a relação torque-velocidade (T-V) e a atividade eletromiográfica (EMG). dos músculos extensores e flexores do joelho, em sujeitos saudáveis e com lesão (ruptura completa e pós-reconstrução) do LCA. A amostra foi constituída de 33 sujeitos divididos em três grupos: 11 sujeitos sem nenhuma lesão de joelho (grupo controle), 11 sujeitos com reconstrução do LCA (grupo operado), e 11 sujeitos com ruptura do LCA, todos com indicação médica de cirurgia (grupo não-operado). O torque concêntrico dos músculos extensores e flexores do joelho foi avaliado nas velocidades de DOIs, 30°/5, 600/s, 900/s, 120°/5, 180°/5 e 2400/s. Sinais EMG foram obtidos dos músculos reto femoral, vasto lateral,vasto medial e o bíceps femora!. Os resultados mostraram diminuição significativa na produção de torque dos extensores do joelho do grupo não-operado, em relação aos outros grupos. Houve também diminuição da ativação do músculo vasto lateral do grupo não-operado em relação ao grupo controle, e aumento da ativação dos músculos isquiotibiais. Essas alterações na ativação muscular parecem ocorrer com o objetivo de minimizar o deslocamento anterior da tíbia que aumentaria pela ruptura do ligamento, que não restringiria a tendência da anteriorização tibial, decorrente da contração do músculo quadríceps. Esses resultados parecem indicar que a lesão do LCA provoca mudanças nas propriedades mecânicas e elétricas dos músculos do joelho de pacientes com ruptura de LCA. Além disso, nossos resultados sugerem que o sinal EMG e a relação T-V são técnicas eficientes na identificação dessas adaptações funcionais. / The rupture of anterior cruciate ligament (ACL) has been associated to changes in the proprioception and changes in the Kneejoint mechanics. The rupture of a proprioceptive organ much as the ACL might change the activation pattern of the muscles that cross the Kneejoint, as the central nervous system does not receive information form the mechano receptors present in this ligament. The change in the knee joint mechanics is related to the loss of an ímportant structure, responsible for the control and restriction of the joint motion, and also has implications over the electrical and mechanical properties of the muscles acting over the joint. The electromyography (EMG) and the isokinetic dynamometers are techniques that allow us to evaluate the electrical and mechanícal properties of the muscular system, respectively. However, we could not find a systematic study evaluating the isokinetic force production capacity at different angular velocities and the muscle electrical activity of patients with ACL-deficient a patients with ACL-reconstruction. Therefore, the purpose of this study was to evaluate the torque-velocíty (T-V) relationship and the electromyographic sígnals of the knee extensor and flexor muscles of healthy subjects and subjects with ACL rupture (with and without reconstruction). Thirty-three male subjects (healthy= 11; ACL-deficient= 11; ACL-reconstructed= 11) had their knee extensor and flexor concentric torque evaluated at the angular velocities of OO/s, 300/s, 600/s, 900/s, 1200/s, 1800/sand 2400/s. EMG signals were obtained from the rectus femoris, vastus lateralis, vastus medialis and biceps femoris. The results show a reduction of the knee extensor torque of the ACL-deficient group compared to the healthy and ACL-reconstructed groups. Also there was a reduction of the EMG activity of the vastus lateralis muscle and an increase in the EMG activity of the biceps femoris muscle of the ACL-deficient group compared to the healthy group. These changes in muscle activation appear to occur with the goal of minimizing the tibial anterior drawer, which should increase due to the ACL rupture, as the ligament would not restrict the tendency of the anterior drawer movement due to the contraction of the quadriceps muscle anymore. These results seem to indicate that the ACL rupture causes changes in the mechanical and electrical properties of the muscles crossing the knee joint of patients with ACL rupture. In addition, our results suggest that the EMG signal and the T-V relationship are good techniques to evaluate these functional adaptations.

Made available in DSpace on 2016-06-02T20:18:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 3973.pdf: 3412425 bytes, checksum: 4be152bd7ce18a298fe811d9024f0e59 (MD5) Previous issue date: 2011-11-28 / Universidade Federal de Minas Gerais / The quadriceps muscle weakness and atrophy after the anterior cruciate ligament (ACL) rupture, is present before and after its reconstruction, and are important limitations that restrict the return of subjects to activities of daily living and sports. The combination of reduced synthesis and increased levels of protein degradation results in a rapid loss of muscle protein. The rapid muscle proteolysis occurs in several animal models and in different conditions in humans, and are mainly associated to the ubiquitn proteasome system (UPS). Neuromuscular mechanisms are associated with atrophy and weakness of the quadriceps muscle after ACL rupture and reconstruction, but the molecular pathways involved in this process are unknown. The identification of these pathways may facilitate the establishment of therapeutic strategies to alleviate the muscle deficit. Thus, the objective of this thesis was to evaluate the effect of ACL transection of rats in the expression of genes of UPS (MuRF-1, Atrogina-1), as well as the expression of myostatin (involved in control of muscle mass) by the Real Time PCR (polymerase chain reaction) technique. It was evaluated the content of ubiquitinated proteins by Western blotting and the cross-sectional area of muscle fibers (CSA) of the vastus medialis (VM), rectus femoris (RF) and vastus lateralis (VL) of the quadriceps. Elevated Atrogin-1, MuRF-1 and myostatin mRNA levels were observed after ACL transection in all muscles assessed, as the reduction of CSA in VM and VL muscles. The results of this thesis contributed to the understanding of the mechanisms of quadriceps muscle atrophy after ACL transection. / A atrofia e fraqueza do quadríceps após a ruptura do ligamento cruzado anterior (LCA), presentes antes e após sua reconstrução, são importantes limitações que restringem o retorno dos indivíduos às atividades da vida diária e desportivas. A rápida proteólise muscular que ocorre nos diversos modelos animais e em diferentes condições em humanos se deve, principalmente, ao sistema ubiquitna proteassoma (UPS). Mecanismos neuromusculares são associados à atrofia e fraqueza do quadríceps após a ruptura e reconstrução do LCA, porém as vias moleculares envolvidas nesse processo são desconhecidas. A identificação dessas vias pode favorecer o estabelecimento de estratégias terapêuticas para amenizar o déficit muscular. Assim, o objetivo dessa tese foi avaliar o efeito da transecção do LCA de ratos na expressão dos genes pertencentes ao UPS (MuRF-1, a Atrogina-1), e também da Miostatina (envolvida no controle da massa muscular) pela técnica de PCR (reação em cadeia da polimerase) em tempo real no quadriceps. Avaliou-se ainda o conteúdo de proteínas ubiquitinadas por Western Blotting e a área de secção transversa das fibras musculares (AST) dos músculos Vasto Medial (VM), Reto Femoral (RF) e Vasto Lateral (VL). Níveis elevados de Atrogina-1, MuRF-1 e Miostatina ocorreram após transecção do LCA em todos os músculos avaliados assim como a redução da AST nos músculos VM e VL. Os resultados desta tese contribuiram para a compreensão dos mecanismos de atrofia do quadríceps após a transecção do LCA.