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.

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No. of bitstreams: 1 arcarofilho_ca_dr_arafcf_int.pdf: 7378512 bytes, checksum: cb295c066a7be41be3508e2daf64d24f (MD5) Previous issue date: 2018-04-27 / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Considerando os avanços no conhecimento acerca dos mecanismos que controlam o metabolismo de proteínas na musculatura esquelética que permitiram a busca por novas opções para o tratamento das atrofias musculares, o presente estudo teve como objetivo a compreensão do potencial antiproteolítico de inibidores de fosfodiesterase, PDE (pentoxifilina, inibidor não-seletivo de PDE; rolipram, inibidor seletivo de PDE4) em músculos esqueléticos de ratos submetidos à atrofia muscular devido à insuficiência insulínica (diabetes mellitus experimental), com ênfase na elucidação da participação de componentes da sinalização do AMP cíclico (AMPc) nesta resposta. Ratos normais e diabéticos (60 mg/kg de estreptozotocina, administração intravenosa) foram tratados com salina (NS e DS) ou com 2 mg/kg de rolipram (NROL e DROL), ou com 25 mg/kg de pentoxifilina (NPTX e DPTX) durante 3 dias, por via intraperitoneal. Após três dias de tratamento, músculos soleus e extensor digitorum longus (EDL) foram removidos, pesados, congelados e processados para diversas análises: (i) conteúdo de AMPc (ensaio imunoenzimático); (ii) atividades das proteases proteassoma, calpaínas e caspase-3 (uso de substratos específicos fluorigênicos); (iii) níveis proteicos e/ou níveis de fosforilação de componentes das vias proteolíticas, efetores intracelulares sinalizatórios e fatores de transcrição (Western blotting); (iv) determinação dos níveis séricos de insulina e citocinas pró-inflamatórias. Foram realizados experimentos ex-vivo, para verificar a ação direta dos fármacos no controle da proteólise muscular e ativação de efetores intracelulares, via incubações dos músculos na presença de rolipram ou de agonistas de EPAC (Exchange protein directly activated by cAMP) e de PKA (proteína quinase dependente de AMPc), proteínas efetoras ativadas pelo AMPc. Também foram realizados experimentos no Laboratório do Prof. Dr. Marco Sandri, no Venetian Institute of Molecular Medicine, Padova, Itália, para a avaliação do papel de PDE4D no controle do processo autofágico-lisossomal em músculos esqueléticos de camundongos jejuados. Os tratamentos de animais diabéticos com rolipram (DROL) ou com pentoxifilina (DPTX) promoveram uma redução nas atividades do proteassoma e calpaínas em soleus e EDL, bem como nos níveis de componentes-chave do sistema proteolítico ubiquitina-proteassoma (MuRF-1, atrogin-1, conjugados poliubiquitinados), e aumento nos níveis de calpastatina (inibidor das calpaínas). Interesante ressaltar que o grupo DROL apresentou redução na atividade e níveis proteicos de caspase-3, em ambos os músculos, enquanto que o grupo DPTX apenas em músculos EDL. Contribuindo com a redução observada na atividade de caspase-3, houve uma redução nos níveis de Bax (proteína pró-apoptótica) e aumento nos níveis de Bcl-2 (proteína anti-apoptótica) em ambos os músculos de animais DROL. Animais diabéticos tratados com salina (DS) apresentaram aumento nas atividades das três proteases, bem como nos níveis de componentes participantes destes processos proteolíticos. Animais normais e diabéticos tratados com salina (NS e DS) apresentaram níveis de AMPc basais e semelhantes entre si, tanto em soleus quanto em EDL, enquanto que os tratamentos de ratos normais e diabéticos com pentoxifilina (NPTX e DPTX) ou rolipram (NROL e DROL) promoveram aumentos de AMPc, em ambos os músculos. Um dos mecanismos que podem estar envolvidos na inibição da proteólise muscular após aumentos nas concentrações de AMPc envolve a proteína EPAC, responsável por integrar a sinalização do AMPc e a sinalização insulínica via ativação da quinase AKT. Animais diabéticos tratados com pentoxifilina ou com rolipram apresentaram aumento nos níveis proteicos de EPAC 1 e na fosforilação de AKT, quando comparados ao grupo DS. Observamos também um aumento na fosforilação inibitória de fatores de transcrição FoxO 1 e 3a em ambos os músculos de animais DROL. Podemos sugerir que parte das ações de rolipram que culminaram em ativação de AKT e inibição de FoxO na musculatura esquelética possam estar associadas aos aumentos observados nos níveis circulantes de insulina em animais DROL. Investigamos, apenas nos animais tratados com rolipram, a possibilidade de participação da proteína PKA no controle da proteólise muscular. Em animais DROL houve ativação da PKA, verificada tanto pelo aumento na fosforilação de substratos de PKA, bem como do fator de transcrição CREB, em soleus e EDL. Vale destacar que animais DS apresentaram níveis reduzidos de p-CREB e de substratos fosforilados por PKA em soleus e EDL. Animais diabéticos tratados com os inibidores de PDE apresentaram uma diminuição de citocinas pró-inflamatórias séricas (TNF-, PTX e ROL; IL-1, ROL) e aumento nos níveis de insulina sérica (ROL) em relação aos animais DS. Nos estudos ex vivo, as incubações de músculos soleus e EDL com rolipram levaram a uma redução da proteólise total, bem como aumento na fosforilação de substratos de PKA e de AKT. Músculos soleus e EDL incubados com agonistas de EPAC apresentaram aumento na fosforilação de AKT, enquanto que a incubação com agonista de PKA promoveu aumento na fosforilação dos substratos de PKA (em ambos os músculos) e aumento na fosforilação de AKT (apenas em EDL), quando comparados aos músculos incubados na ausência do fármaco. Nos estudos para compreensão do papel de PDE4D no controle do processo autofágico-lisossomal, observou-se que o silenciamento gênico da PDE4D em músculos tibialis anterior promoveu uma preservação da massa muscular e da área da fibra em animais jejuados, quando comparados ao músculo controle. Músculos flexor digitorium brevis, silenciados para PDE4D, apresentaram diminuição na expressão de proteínas-chave do processo autofágico-lisossomal, tais como LC3 e p62. Estes resultados evidenciam os mecanismos que podem estar envolvidos na ação direta de inibidores de PDE no controle do metabolismo proteico muscular esquelético, via ativação de duas vias dependentes de AMPc: (i) a via PKA/CREB, que pode participar do controle da transcrição de Bcl-2 e calpastatina, bem como na inativação direta de caspases, inibindo assim os processos proteolíticos dependentes de caspase-3 e calpaínas, (ii) a via EPAC/AKT, via fosforilação e inibição de FoxO 1 e 3A, regulando a expressão dos atrogenes (MuRF-1 e atrogin-1) e promovendo uma diminuição na atividade do sistema ubiquitina-proteassoma. Além disso, o tratamento com inibidores de PDE diminuem o processo inflamatório e aumentam os níveis circulantes de insulina, ações que podem contribuir para os efeitos antiproteolíticos. Evidências iniciais também sugerem que PDE4D participa no controle do sistema autofágico-lisossomal na musculatura esquelética. Todos estes resultados indicam que PDE participam no controle de processos proteolíticos, portanto inibidores de PDE emergem como uma opção interessante na ativação da sinalização do AMPc na musculatura esquelética, com vistas à utilização futura no tratamento de quadros de perda de massa muscular durante situações de atrofia. / Considering the advances in the knowledge of the mechanisms controlling the protein metabolism in skeletal muscles that allowed the discover of new options for the treatment of muscle atrophies, the present study aimed to understand the antiproteolytic potential of phosphodiesterase (PDE) inhibitors (pentoxifylline, a non-selective PDE inhibitor; rolipram, a selective PDE 4 inhibitor), in skeletal muscles of rats submitted to muscle atrophy due to insulin insufficiency (experimental diabetes mellitus), with emphasis on the elucidation of the participation of cyclic AMP (cAMP) signaling components. Normal and diabetic rats (60 mg/kg streptozotocin, intravenous administration) were treated intraperitoneally with saline (NS and DS) or with 2 mg/kg rolipram (NROL and DROL) or with 25 mg/kg pentoxifylline (NPTX and DPTX) for 3 days. After three days of treatments, soleus and extensor digitorum longus (EDL) muscles were removed, weighed, frozen and processed for several analyzes: (i) cAMP content; (ii) activities of proteasome, calpain and caspase-3 (use of specific fluorigenic substrates); (iii) protein levels and/or phosphorylation levels of components of proteolytic pathways, intracellular signaling effectors and transcription factors (Western blotting); (iv) determination of serum insulin and proinflammatory cytokines levels. Ex vivo experiments were performed to verify the direct action of the drugs in the control of muscle proteolysis and activation of intracellular effectors, via muscle incubations in the presence of rolipram or agonists of EPAC (Exchange protein directly activated by cAMP) and PKA (cAMP-dependent protein kinase), intracellular effectors activated by cAMP. Experiments were also carried out in the Laboratory of Prof. Dr. Marco Sandri at the Venetian Institute of Molecular Medicine, Padova, Italy, for the evaluation of the role of PDE4D in controlling the autophagic-lysosomal process in skeletal muscles of starved mice. Treatments of diabetic animals with rolipram (DROL) or pentoxifylline (DPTX) promoted a reduction in the activities of proteasome and calpain in soleus and EDL, as well as reduced the levels of key components of the ubiquitin-proteasome system (MuRF-1, atrogin-1, polyubiquitinated conjugates), and increased the levels of calpastatin (calpain inhibitor). Interestingly, DROL rats showed a reduction in the activity and in the protein levels of caspase-3 in both muscles, whereas DPTX rat had reductions only in EDL muscles. Contributing to the reduction in caspase-3 activity, it was observed a reduction in the content of Bax (pro-apoptotic protein) and an increase of Bcl-2 (anti-apoptotic protein) in both muscles of DROL rats. Diabetic animals treated with saline (DS) showed an increase in the activities of the three proteases, as well as increases in the levels of components belonging to these proteolytic processes. Normal and diabetic animals treated with saline (NS and DS) had basal and similar levels of cAMP in both soleus and EDL, whereas the treatments of normal and diabetic rats with pentoxifylline (NPTX and DPTX) or with rolipram (NROL and DROL) promoted increases in cAMP in both muscles. One of the mechanisms that may be involved in the muscle proteolysis inhibition after increases in cAMP involves the EPAC protein, responsible for integrating the cAMP and the insulin signaling pathways via AKT activation. Diabetic animals treated with pentoxifylline or with rolipram showed an increase in the protein levels of EPAC 1 and in the phosphorylation of AKT, when compared with the DS group. We also observed an increase in the phosphorylation (inhibitory) of FoxO 1 and 3a in both muscles of DROL rats. It can be suggested that part of the rolipram actions causing AKT activation and FoxO inhibition in skeletal muscles may be associated with the increases in the circulating levels of insulin observed in DROL animals. It was investigated, only in animals treated with rolipram, the possible involvement of PKA in the control of muscle proteolysis. DROL rats had activation of PKA, verified both by the increase in the phosphorylation of PKA substrates, as well as in the phophorylation of the transcription factor CREB, in soleus and EDL. DS rats had decreased levels of p-CREB and of the PKA substrates, in soleus and EDL. Diabetic animals treated with PDE inhibitors showed a decrease in serum proinflammatory cytokines (TNF-, PTX and ROL; IL-1, ROL) when compared with DS. In ex vivo studies, incubations of soleus and EDL with rolipram caused a reduction of the total proteolysis as well as an increase in the phosphorylation of PKA substrates and and of AKT. Soleus and EDL muscles incubated with EPAC agonist showed increased in the AKT phosphorylation, whereas incubation with PKA agonist promoted an increase in the phosphorylation of PKA substrates (in both muscles) and and increase in the AKT phosphorylation (EDL), when compared with muscles incubated in the absence of the drugs. In studies to understand the role of PDE4D in the control of the autophagic-lysosomal process, it was observed that the PDE4D gene silencing in anterior tibialis muscles caused a preservation of the muscle mass and fiber area in fasted animals when compared with control muscle. Flexor digitorium brevis muscles, silenced for PDE4D, showed a decreased expression of key proteins of the autophagic-lysosomal process, such as LC3 and p62. These results suggested the mechanisms that may be involved in the direct action of PDE inhibitors in the control of skeletal muscle protein metabolism, through activation of two cAMP-dependent pathways: (i) the PKA/CREB pathway, which may participate in transcriptional control of Bcl-2 and calpastatin, as well as causing direct inactivation of caspases, thus inhibiting the proteolytic processes dependent on caspase-3 and calpains, (ii) the EPAC/AKT pathway, via phosphorylation and inhibition of FoxO 1 and 3a factors, regulating the expression of atrogenes (MuRF-1 and atrogin-1) and promoting a decrease in activity of ubiquitin-proteasome system. Treatments with PDE inhibitors also decreased the inflammatory process and increased the circulating linsulin levels, which may be contributing to the antiproteolytic responses. Initial evidence also suggests that PDE4D participates in the control of the autophagy-lysosomal system in skeletal muscles. All these results indicate that PDE participate in the control of proteolytic processes, therefore PDE inhibitors emerge as an interesting option to activate the cAMP signaling in the skeletal muscles, which may be used in the future in treatments muscle mass loss during atrophy situations. / FAPESP: Processo 2013/18861-2 / FAPESP: Processo 2014/12202-0 / FAPESP: Processo 2017/02348-5

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.

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.

La cachexie est un syndrome clinique et métabolique caractérisé par une perte de tissu adipeux et de tissu musculaire, fréquemment observé chez les patients atteints de cancer. La myostatine (Mstn) régule négativement la masse musculaire. Bien que la régulation des mécanismes moléculaires impliqués dans le contrôle de la masse musculaire joue un rôle central dans la cachexie associée au cancer, les relations existant entre la Mstn et les mécanismes physiopathologiques restent largement inconnues. Suite à l’inoculation de cellules Lewis lung carcinoma (LLC) à des souris, nous avons montré que l’invalidation du gène de la Mstn (souris Mstn-/-) confère une résistance au développement de la cachexie associée au cancer par rapport à des souris sauvages. La déficience en Mstn prévient la perte de masse musculaire et réduit la croissance tumorale, 35 jours après l’injection des cellules LLC, et est associée à un allongement de la durée de vie des souris. L’invalidation du gène de la Mstn provoque aussi une augmentation de l’apoptose des cellules LLC et une diminution de l'expression de gènes impliqués dans la prolifération et le métabolisme tumoraux. L’activation des systèmes protéolytiques ubiquitine-protéasome et autophagie-lysosome, due au développement tumoral, est réduite voire supprimée dans le muscle des souris Mstn-/-. L’accumulation de céramides intramusculaires, un sphingolipide formé suite à une lipolyse exacerbée, est corrélée à la perte de masse musculaire, suggérant que les céramides pourraient être un médiateur cellulaire impliqué dans la cachexie associée au cancer. Ces résultats montrent que la Mstn joue un rôle essentiel dans la cachexie associée au cancer / Cachexia is a complex clinical and metabolic syndrome, whose definition is imprecise, characterized by an uncontrolled loss of adipose tissue and skeletal muscle mass, frequently observed in cancer patients, and leading to death in 25% of cancer patients. Myostatin (Mstn) is a negative regulator of skeletal muscle mass and a critical determinant of skeletal muscle homeostasis. Although the regulation of the molecular mechanisms involved in the control of skeletal muscle mass plays a central role in the pathogenesis of cancer cachexia, the relationships between Mstn and the pathophysiological mechanisms remain largely unknown. Following subcutaneous inoculation of Lewis lung carcinoma cells (LLC) in mice, we showed that the Mstn gene inactivation (Mstn-/- mice) confers resistance to the development of cancer cachexia, compared to wild type mice. Mstn deficiency prevents the loss of skeletal muscle mass and reduces tumor growth, 35 days after the inoculation of LLC cells, and this is associated with a longer life of mice. Mstn gene inactivation also causes an increased apoptosis of LLC cells and decreases expression of genes involved in tumor proliferation and metabolism. Activation of ubiquitin-proteasome and autophagy-lysosome proteolytic systems, triggered by tumor growth is significantly reduced or suppressed in skeletal muscle of Mstn-/- mice. Accumulation of intramuscular ceramides, a sphingolipid synthesized due to excessive lipolysis, is correlated with the loss of muscle mass, suggesting that ceramides may be a cellular mediator involved in the pathogenesis of cancer cachexia. These results show that Mstn plays a critical role in the pathogenesis of cancer cachexia

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

Background About half of heart failure (HF) patients, while having preserved left ventricular function, suffer from diastolic dysfunction (so-called HFpEF). No specific therapeutics are available for HFpEF in contrast to HF where reduced ejection fractions (HFrEF) can be treated pharmacologically. Myocardial titin filament stiffening, endothelial dysfunction, and skeletal muscle (SKM) myopathy are suspected to contribute to HFpEF genesis. We previously described small molecules interfering with MuRF1 target recognition thereby attenuating SKM myopathy and dysfunction in HFrEF animal models. The aim of the present study was to test the efficacy of one small molecule (MyoMed-205) in HFpEF and to describe molecular changes elicited by MyoMed-205. - Methods Twenty-week-old female obese ZSF1 rats received the MuRF1 inhibitor MyoMed-205 for 12 weeks; a comparison was made to age-matched untreated ZSF1-lean (healthy) and obese rats as controls. LV (left ventricle) unction was assessed by echocardiography and by invasive haemodynamic measurements until week 32. At week 32, SKM and endothelial functions were measured and tissues collected for molecular analyses. Proteome-wide analysis followed by WBs and RT-PCR was applied to identify specific genes and affected molecular pathways. MuRF1 knockout mice (MuRF1-KO) SKM tissues were included to validate MuRF1-specificity. - Results By week 32, untreated obese rats had normal LV ejection fraction but augmented E/e′ ratios and increased end diastolic pressure and myocardial fibrosis, all typical features of HFpEF. Furthermore, SKM myopathy (both atrophy and force loss) and endothelial dysfunction were detected. In contrast, MyoMed-205 treated rats had markedly improved diastolic function, less myocardial fibrosis, reduced SKM myopathy, and increased SKM function. SKM extracts from MyoMed-205 treated rats had reduced MuRF1 content and lowered total muscle protein ubiquitination. In addition, proteomic profiling identified eight proteins to respond specifically to MyoMed-205 treatment. Five out of these eight proteins are involved in mitochondrial metabolism, dynamics, or autophagy. Consistent with the mitochondria being a MyoMed-205 target, the synthesis of mitochondrial respiratory chain complexes I + II was increased in treated rats. MuRF1-KO SKM controls also had elevated mitochondrial complex I and II activities, also suggesting mitochondrial activity regulation by MuRF1. - Conclusions MyoMed-205 improved myocardial diastolic function and prevented SKM atrophy/function in the ZSF1 animal model of HFpEF. Mechanistically, SKM benefited from an attenuated ubiquitin proteasome system and augmented synthesis/activity of proteins of the mitochondrial respiratory chain while the myocardium seemed to benefit from reduced titin modifications and fibrosis.

L’exposition à une situation d’hypokinésie induit une atrophie fonctionnelle et phénotypique du musclesquelettique. Différents mécanismes sont suggérés contribuer à ce phénomène de plasticité musculaire,incluant en particulier des modifications de l’homéostasie calcique et de la production d’espèces réactivesde l’oxygène qui, en relation avec certains processus inflammatoires, activeraient des voies d’apoptose etde protéolyse musculaire. Le présent travail a porté un intérêt spécifique à ces phénomènes dans le cadrede l’atrophie musculaire induite par une hypokinésie ainsi que dans la récupération après cessation de ceprotocole. À l’aide d’approches cellulaires nous montrons que l’extrusion du calcium cytoplasmique estconsidérablement ralentie dans les fibres musculaires atrophiées. Cet effet, lié au moins en partie à unecontribution altérée des mitochondries, pourrait jouer un rôle dans l’activation de voies protéolytiquescalcium-dépendantes. Dans un deuxième temps, nous avons étudié l’évolution du niveau de stressoxydant et de l’expression de différentes cytokines ainsi que de marqueurs de la voie apoptotiquecaspase-dépendante et de la protéolyse musculaire au cours du phénomène de récupération après la fin del’hypokinésie. Les résultats montrent que le retour à la normale de la masse musculaire est facilité lors dela phase précoce (1-5 jours) de récupération via la modulation de l’apoptose mitochondriale et de laprotéolyse musculaire. Par contre le stress oxydant et la voie apoptotique impliquant TNF-a persistentjusqu’à 14 jours de récupération, alors que la masse musculaire est déjà reconstituée. / Exposure to hypokinesia induces a functional and phenotypic atrophy of skeletal muscle. Several types ofmechanisms have been suggested to contribute to this plasticity phenomenon, including changes inintracellular calcium handling and in production of reactive oxygen species which, together withinflammatory processes, would activate muscle apoptosis and proteolysis pathways. The present workspecifically focussed on these mechanisms within the framework of a model of hypokinesia-inducedatrophy and of recovery from this atrophy. Measurements on isolated muscle cells revealed that the rateof myoplasmic calcium extrusion was considerably reduced in atrophied muscle fibres. This effect whichappears to be, at least in part, related to an altered mitochondrial contribution, may play a pivotal role inthe activation of calcium-dependent proteolysis pathways. We then studied the time course of changes inoxidative stress as well as in the expression level of several cytokines and proteins specifically involvedin proteolysis and caspase-dependent apoptotic pathways, along the course of recovery from atrophy. Ourresults demonstrate that, at early stages (1-5 days) of recovery, muscle re-growth is mediated via themodulation of mitochondrial-driven apoptosis and muscle proteolysis. In contrast, oxidative stress and theTNF-a related apoptotic pathway remain activated until late stages (14 days) of recovery, at a time whenmuscle mass has already recovered.