The effect of redox potential on the regulation of satellite cells and skeletal muscle healing following exercise-induced muscle damage

Abstract

The primary objectives of the present thesis were to (i) assess the efficacy of NAC treatment in upregulating GSH metabolism as well as in mitigating redox status decline in skeletal muscle following EIMD, (ii) evaluate the muscle damage development and regeneration potential as well as strength recovery after EIMD, (iii) monitor the satellite cells and myogenic responses following EIMD and (iv) investigate the redox-dependent regulation of satellite cells activity (via NAC treatment) during regeneration following EIMD in the total sample as well as in individuals with low and high satellite cells content in skeletal muscle. The secondary aim of this thesis was to examine whether young individuals with different levels of redox status differ in terms of (i) satellite cells content, (ii) dietary nutrient intake profile, (iii) physical fitness and (iv) physical activity markers. In this respect we conducted a comprehensive literature review and summarized the available data from in vitro and in vivo studies, supporting the efficacy of NAC and other antioxidant treatments in upregulating redox status and promoting a redox-dependent regulation of satellite cells and skeletal muscle repair following injury. Afterwards, we recorded the complete methodological scheme for the investigation of the redox-dependent regulation of satellite cells and regeneration following EIMD, in a human clinical trial setting and evaluated the relationship between redox status with dietary profile as well as with physical fitness and activity profile. Moreover, molecular, biochemical, histological and functional analyses on GSH metabolism, antioxidant status, muscle damage, regeneration, satellite cells, myogenic potential and muscle function were performed. The results of this work are presented as different chapters of the current thesis. Summarizing, the results of this thesis indicate that NAC treatment successfully upregulates GSH metabolism in skeletal muscle and mitigates redox status decline following EIMD, especially in individuals with low satellite cell content. Regarding muscle damage and regeneration, EIMD elicits a substantial increase in muscle damage and regeneration markers while the effects of NAC treatment are limited to CK and DOMS responses and not to histological parameters. Moreover, individuals with higher satellite cell content demonstrated higher levels of muscle damage but also exhibited an augmented regenerative capacity following injury. Interestingly, at basal state, satellite cell content (Pax7+ cells) was significantly correlated with muscle GSH/GSSG ratio. Furthermore, satellite cells quantity, proliferation and differentiation increased proportionally post-EIMD. Notably, NAC elicited a significant increase in MyoD+ cells only in the low satellite cell content group during the restorative phase (8 days) following EIMD. Myogenic programming (mRNA expression) also increased after EIMD with no effects of NAC. Muscle function decreased during the inflammatory and restorative phase with NAC treatment mitigating this decline in the low satellite cell group. Moreover, higher GSH and redox status level is associated with higher dietary cysteine intake, improved muscle strength and increased levels of physical activity in young men. Collectively, the results of the present thesis illustrate the beneficial effect of NAC treatment on GSH metabolism, redox status and muscle strength, especially in individuals with low satellite cell content. Notably, individuals with lower satellite cell content also exhibited a lower redox status level. In individuals with higher satellite cell content, NAC supplementation blunts myogenic differentiation and muscle function recovery. Moreover, our data support a redox-dependent regulation of satellite cells at basal state and partially post-EIMD. Muscle damage and regeneration capacity seem to be largely unaffected by redox alterations but rather rely on the basal satellite cell content of the human skeletal muscle.

Οι κύριοι στόχοι της παρούσας διατριβής ήταν (i) να αξιολογηθεί η αποτελεσματικότητα της χορήγησης ακετυλοκυστεΐνης στην θετική ρύθμιση του μεταβολισμού της γλουταθειόνης καθώς και στον περιορισμό της μείωσης της οξειδοαναγωγικής κατάστασης του σκελετικού μυός μετά από ασκησιογενή μυϊκό τραυματισμό, (ii) να αξιολογηθεί η ανάπτυξη μυϊκού τραυματισμού και η δυνατότητα αναγέννησης του μυός καθώς και αποκατάστασης της μυϊκής λειτουργίας μετά από ασκησιογενή μυϊκό τραυματισμό, (iii) να ερευνηθεί η απόκριση των δορυφόρων κυττάρων και του μυογεννετικού προγραμματισμού μετά από ασκησιογενή μυϊκό τραυματισμό και (iv) να διερευνηθεί η οξειδοαναγωγική ρύθμιση της δραστηριότητας των δορυφόρων κυττάρων (μέσω της χορήγησης ακετυλοκυστεΐνης) κατά την αναγέννηση του σκελετικού μυ μετά από ασκησιογενή μυϊκό τραυματισμό στο συνολικό δείγμα καθώς και σε άτομα με χαμηλή και υψηλή περιεκτικότητα δορυφόρων κυττάρων στον σκελετικό μυ. Ο δευτερεύων στόχος αυτής της διατριβής ήταν να εξετάσει εάν τα νεαρά άτομα με διαφορετικά επίπεδα οξειδοαναγωγικής κατάστασης διαφέρουν ως προς (i) τη ποσότητα δορυφόρων κυττάρων, (ii) το διατροφικό προφίλ πρόσληψης θρεπτικών συστατικών, (iii) τη φυσική κατάσταση και (iv) σε δείκτες φυσικής δραστηριότητας. Για το σκοπό αυτό, πραγματοποιήθηκε αρχικά μια μελέτη βιβλιογραφικής ανασκόπησης και συνοψίστηκαν τα διαθέσιμα δεδομένα από in vitro και in vivo μελέτες, υποστηρίζοντας την αποτελεσματικότητα της ακετυλοκυστεΐνης και άλλων αντιοξειδωτικών ουσιών στην θετική ρύθμιση της οξειδοαναγωγικής κατάστασης και στην ενίσχυση της δραστηριότητας των δορυφόρων κυττάρων και της επιδιόρθωσης του σκελετικού μυός μετά από τραυματισμό. Στη συνέχεια, στην επόμενη μελέτη, καταγράφηκε το πλήρες μεθοδολογικό σχήμα για τη διερεύνηση της οξειδοαναγωγικής ρύθμισης των δορυφόρων κυττάρων και της αναγέννησης του μυός μετά από ασκησιογενή μυϊκό τραυματισμό, σε περιβάλλον κλινικής δοκιμής σε ανθρώπους και σε μια τρίτη μελέτη, αξιολογήθηκε η σχέση μεταξύ της οξειδοαναγωγικής κατάστασης, της διατροφικής πρόσληψης, καθώς και της φυσικής κατάστασης και φυσικής δραστηριότητας. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκαν μοριακές, βιοχημικές, ιστολογικές και λειτουργικές αναλύσεις που αφορούσαν τον καθορισμό του μεταβολισμού της γλουταθειόνης, την αντιοξειδωτική κατάσταση, τον μυϊκό τραυματισμό, την αναγέννηση του μυός, τα δορυφόρα κύτταρα, το μυογεννετικό δυναμικό και τη μυϊκή λειτουργία. Τα αποτελέσματα αυτών των μελετών παρουσιάζονται ως διαφορετικά κεφάλαια της παρούσας διδακτορικής διατριβής. Συνοψίζοντας, τα αποτελέσματα της παρούσας διατριβής υποδεικνύουν ότι η χορήγηση ακετυλοκυστεΐνης ρυθμίζει θετικά τον μεταβολισμό της γλουταθειόνης στον σκελετικό μυ και περιορίζει την μείωση της οξειδοαναγωγικής κατάστασης μετά από ασκησιογενή μυϊκό τραυματισμό, ειδικά σε άτομα με χαμηλή περιεκτικότητα σε δορυφόρα κύτταρα. Όσον αφορά τον μυϊκό τραυματισμό και την αναγεννητική ικανότητα του μυός, ο ασκησιογενής μυϊκός τραυματισμός προκαλεί σημαντική αύξηση στους δείκτες μυϊκής βλάβης και αναγέννησης, ενώ οι θετικές επιδράσεις της χορήγησης ακετυλοκυστεΐνης περιορίζονται στις αποκρίσεις της κρεατινικής κινάσης και της εμφάνισης του καθυστερημένου μυϊκού πόνου και όχι σε ιστολογικές παραμέτρους. Επιπλέον, άτομα με υψηλότερη περιεκτικότητα σε δορυφόρα κύτταρα εμφάνισαν υψηλότερα επίπεδα μυϊκής βλάβης, τα οποία συνοδεύτηκαν επίσης από αυξημένη αναγεννητική ικανότητα μετά από τον μυϊκό τραυματισμό. Σε συνθήκη ηρεμίας, η περιεκτικότητα του σκελετικού μυ σε δορυφόρα κύτταρα (Pax7+) συσχετίστηκε σημαντικά με τον λόγο της ανοιγμένης προς την οξειδωμένη γλουταθειόνη (οξειδοαναγωγική κατάσταση) στον μυ. Επιπλέον, η ποσότητα, ο πολλαπλασιασμός και η διαφοροποίηση των δορυφόρων κυττάρων αυξήθηκαν αναλογικά μετά τον ασκησιογενή μυϊκό τραυματισμό. Συγκεκριμένα, η χορήγηση ακετυλοκυστεΐνης προκάλεσε σημαντική αύξηση στα MyoD+ κύτταρα, μόνο στην ομάδα με τη χαμηλότερη περιεκτικότητα σε δορυφόρα κύτταρα, κατά τη διάρκεια της περιόδου αποκατάστασης (8 ημέρες) μετά τον ασκησιογενή μυϊκό τραυματισμό. Ο μυογεννετικός προγραμματισμός (έκφραση mRNA) επίσης αυξήθηκε μετά τον ασκησιογενή μυϊκό τραυματισμό χωρίς σημαντική επίδραση της ακετυλοκυστεΐνης. Η μυϊκή λειτουργία μειώθηκε κατά τη διάρκεια της αποκατάστασης μετά τον τραυματισμό, με την χορήγηση της ακετυλοκυστεΐνης να περιορίζει σημαντικά αυτή την μείωση στην ομάδα με τη χαμηλότερη περιεκτικότητα σε δορυφόρα κύτταρα. Επιπλέον, υψηλότερα επίπεδα γλουταθειόνης και οξειδοαναγωγικής κατάστασης συσχετίστηκαν με υψηλότερη διατροφική πρόσληψη κυστεΐνης, αυξημένη μυϊκή δύναμη και αυξημένα επίπεδα σωματικής δραστηριότητας. Συνολικά, τα αποτελέσματα της παρούσας διατριβής απεικονίζουν την ευεργετική επίδραση της χορήγησης ακετυλοκυστεΐνης στον μεταβολισμό της γλουταθειόνης, την οξειδοαναγωγική κατάσταση και τη μυϊκή λειτουργία, ειδικά σε άτομα με χαμηλότερα επίπεδα δορυφόρων κυττάρων στον σκελετικό μυ. Συγκεκριμένα, άτομα με χαμηλότερη περιεκτικότητα σε δορυφόρα κύτταρα εμφάνισαν και χαμηλότερα επίπεδα οξειδοαναγωγικής κατάστασης. Στα άτομα με υψηλότερη περιεκτικότητα σε δορυφόρα κύτταρα, η χορήγηση ακετυλοκυστεΐνης ανέστειλε τη διαφοροποίηση των δορυφόρων κυττάρων και την αποκατάσταση της μυϊκής λειτουργίας. Επιπλέον, τα δεδομένα της παρούσας διατριβής υποστηρίζουν μια εξαρτώμενη σχέση μεταξύ οξειδοαναγωγικής κατάστασης και δορυφόρων κυττάρων σε κατάσταση ηρεμίας, και υπό προϋποθέσεις, μετά από ασκησιογενή μυϊκό τραυματισμό. Η επαγωγή του μυϊκού τραυματισμού και η ικανότητα αναγέννησης του μυός φαίνεται να μην επηρεάζονται σε μεγάλο βαθμό από αλλαγές στην οξειδοαναγωγική κατάσταση, αλλά πιθανώς εξαρτώνται από την ποσότητα των δορυφόρων κυττάρων στον ανθρώπινο σκελετικό μυ.