- The Ca 2+ currents and homeostasis during the aging process of skeletal muscle
- Le correnti e l’omeostasi del Calcio nell’invecchiamento del muscolo scheletrico
- Luin, Elisa
Subject
- satellite cells
- calcium homeostasis
- T-type calcium channels
- L-type calcium channels
- skeletal muscle
- aging
- NEUROSCIENZE
- BIO/09 FISIOLOGIA
Description
- 2006/2007
- Aims: The mechanisms involved in sarcopenia, the decline in muscle mass with aging coupled with loss of force and function, has been actively investigated in animal and human models over the last years [reviewed in Di Iorio et al., Sarcopenia: age-related skeletal muscle changes from determinants to physical disability, Int. J. Immunopathol. Pharmacol. 19 (2006) 703-719]. An important age-associated deficit may be the alteration of the mechanisms controlling Ca2+ handling. Moreover, it has already been proposed that defective fibres in old humans could result from a reduced efficiency of aged satellite cells (a distinct muscle cell subtype, responsible for post-natal growth and repair of damaged fibres) in properly differentiating into myotubes with a mature E-C coupling mechanism [see: Lorenzon et al., Aging affects the differentiation potential of human myoblasts, Exp. Gerontol. 39 (2004) 1545-1554]. Proceeding from these results, the main goal of the present Ph.D. thesis was to investigate whether the inefficiency of aged satellite cells to generate functional skeletal muscle fibres could be partly due to defective voltage-dependent Ca2+ currents. Methods: The whole-cell patch clamp and the videoimaging techniques were employed to measure respectively T- and L-type Ca2+ currents and [Ca2+]i transients in myoblasts and/or myotubes derived from murine and human satellite cells, obtained respectively from young murine skeletal muscle and then aged in vitro under culture conditions, and from human skeletal muscle tissue of healthy donors aged 2, 12, 76 and 86 years. Results: First of all, I confirmed that both murine and human senescent satellite cells fuse more slowly and less efficiently, leading to smaller and thinner myotubes, as known from previous work. Moreover, I showed for the first time that both in myotubes derived from in vitro aged murine satellite cells and in human myotubes derived from satellite cells of old donors the functional expression and the biophysical properties of T- and L-type voltage-dependent Ca2+ channels are impaired. In fact, extensively, less Ca2+ can be available via T-type and L-type channels in old myotubes than in the young ones, and this can be put in relation to the age-related decrease in the quality of myoblast fusion. I also confirmed a specific responsibility of the decrease of the L-type channel number and/or activity for the age-related lowering of intracellular Ca2+ release (the so-called E-C uncoupling; see: Delbono et al., Excitation-calcium release uncoupling in aged single human skeletal muscle fibers, J. Membr. Biol. 148 (1995) 211-222]. Conclusions: From these results one can infer a clear parallelism between the results obtained with the in vitro aging of murine satellite cells model and that concerning the physiological process of human skeletal muscle aging in vivo. In the final analysis, aging effects on voltage-dependent L- and T-type currents could be one of the causes of the inability of old satellite cells to efficiently counteract age-related impairment in muscle force. So, a further strong evidence has been given that in humans, as in other mammals, the satellite cells and the regulation of Ca2+ homeostasis have a decisive role in the physiological process of skeletal muscle aging.
- **************************************************************************************** Scopo della ricerca: Nel corso dell’invecchiamento il muscolo scheletrico subisce cambiamenti significativi, quali la perdita di forza e di massa muscolare (sarcopenia; per una rassegna recente vedere: Di Iorio et al., Sarcopenia: age-related skeletal muscle changes from determinants to physical disability, Int. J. Immunopathol. Pharmacol. 19 (2006) 703-719). Era già noto che le disfunzioni correlate all’età potrebbero essere almeno in parte dovute all’inabilità delle cellule satelliti, le cellule staminali per eccellenza del muscolo scheletrico, di rigenerare fibre muscolari funzionali nell’individuo anziano (vedere: Lorenzon et al., Aging affects the differentiation potential of human myoblasts, Exp. Gerontol. 39 (2004) 1545-1554). Il principale scopo di questa Tesi di Dottorato è stato quello di studiare le possibili modificazioni dei meccanismi che regolano l’omeostasi calcica in cellule satelliti murine ed umane, rispettivamente nel corso dell’invecchiamento in vitro (senescenza replicativa in coltura) ed in vivo. In particolare l’attenzione è stata focalizzata sull’effetto delle alterazioni, collegate all’età, delle correnti al Ca2+ voltaggio-dipendenti di tipo L e di tipo T in miotubi provenienti dalla proliferazione e dal differenziamento di cellule satelliti a vari stadi di invecchiamento. Metodologia: Le cellule satelliti murine utilizzate derivavano da una linea primaria espansa denominata i28; le cellule satelliti umane sono state ottenute da biopsie di individui di diversa età (2, 12, 76 e 86 anni). Esperimenti di elettrofisiologia e di videomicroscopia hanno permesso lo studio rispettivamente delle correnti al Ca2+ e dei transienti di Ca2+ intracellulare, nonché delle loro modifiche collegate all’invecchiamento in vitro e in vivo nei modelli murino ed umano. Risultati: Vengono confermati, sia nel modello murino di invecchiamento in vitro che nel modello umano di invecchiamento in vivo, i dati sulla relazione tra sarcopenia e difficoltà di cellule satelliti invecchiate nel formare un numero sufficiente di nuovi miotubi, che anche morfologicamente risultano diversi da quelli derivanti dalla fusione di cellule satelliti giovani. Inoltre, si dimostra per la prima volta che le correnti al Ca2+ in esame sono espresse in minor percentuale e densità, e più tardivamente nel corso del differenziamento, in miotubi derivati da cellule satelliti murine a stadi avanzati di senescenza replicativa, e in cellule umane da donatore anziano. Anche le proprietà biofisiche dei canali di tipo L e T, presenti in miotubi derivati da cellule satelliti invecchiate in vitro e in vivo, appaiono compromesse; complessivamente, meno Ca2+ può entrare attraverso i due tipi di canale e ciò può essere messo in relazione alla riduzione, correlata all’età, della capacità differenziativa e di fusione in miotubi. Viene ulteriormente messo in rilievo il ruolo determinante, nel corso dell’invecchiamento, del calo in numero e in attività dei canali di tipo L, come meccanismo alla base del minor rilascio di calcio intracellulare (fenomeno del disaccoppiamento eccitazione-contrazione; vedere: Delbono et al., Excitation-calcium release uncoupling in aged single human skeletal muscle fibers, J. Membr. Biol. 148 (1995) 211-222). Conclusioni: Dai risultati ottenuti si evince un netto parallelismo tra il modello dell’invecchiamento in vitro di cellule satelliti murine e l’invecchiamento in vivo di cellule satelliti umane. In ultima analisi, si avvalora l’ipotesi che alterazioni età-dipendenti delle correnti al Ca2+ voltaggio-attivate possano essere alla base dell’impossibilità di cellule satelliti invecchiate di contrastare efficacemente la riduzione di forza muscolare caratteristica dell’anziano.
- XX Ciclo
- 1980
Date
- 2008-04-22T15:44:30Z
- 2008-04-22T15:44:30Z
- 2008-03-13
Type
- Doctoral Thesis
Format
- application/pdf
Identifier
urn:nbn:it:units-5793