Skeletal Muscle Resident Progenitor Cells Coexpress Mesenchymal and Myogenic Markers and Are Not Affected by Chronic Heart Failure-Induced Dysregulations

Abstract

Background and Purpose In heart failure (HF), metabolic alterations induce skeletal muscle wasting and decrease of exercise capacity and quality of life. The activation of skeletal muscle regeneration potential is a prospective strategy to reduce muscle wasting; therefore, the aim of this project was to determine if functional properties of skeletal muscle mesenchymal progenitor cells (SM-MPC) were affected by HF-induced functional and metabolic dysregulations. Methods Gastrocnemius muscle biopsy samples were obtained from 3 healthy donors (HD) and 12 HF patients to purify mRNA for further analysis and to isolate SM-MPC. Cells were expanded in vitro and characterized by immunocytochemistry and flow cytometry for expression of mesenchymal (CD105/CD73/CD166/CD146/CD140b/CD140a/VIM) and myogenic (Myf5/CD56/MyoG) markers. Cells were induced to differentiate and were then analyzed by immunostaining and Q-PCR to verify the efficiency of differentiation. The expression of genes that control muscle metabolism and development was compared for HD/HF patients in both muscle biopsy and in vitro-differentiated myotubes. Results The upregulation of MYH3/MYH8/Myf6 detected in HF skeletal muscle along with metabolic alterations indicates chronic pathological activation of the muscle developmental program. SM-MPC isolated from HD and HF patients represented a mixed population that coexpresses both mesenchymal and myogenic markers and differs from AD-MMSC, BM-MMSC, and IMF-MSC. The functional properties of SM-MPC did not differ between HD and HF patients. Conclusion In the present work, we demonstrate that the metabolic and functional alterations we detected in skeletal muscle from HF patients do not dramatically affect the functional properties of purified and expanded in vitro SM-MPC. We speculate that skeletal muscle progenitor cells are protected by their niche and under beneficial circumstances could contribute to muscle restoration and prevention and treatment of muscle wasting. The potential new therapeutic strategies of HF-induced skeletal muscle wasting should be targeted on both activation of SM-MPC regeneration potential and improvement of skeletal muscle metabolic status to provide a favorable environment for SM-MPC-driven muscle restoration.

Lack of a skeletal muscle phenotype in adult human bone marrow stromal cells following xenogeneic-free expansion

“…However, the percentage of human bmMSCs committed to neurogenesis may be limited as only a small proportion (5.9 ± 2.1) of passage 4 bmMSCs expanded in P/ PL were positive for the neural lineage commitment CD56/NCAM phenotypic marker [64,65]. There are conflicting reports on the expression of CD56/NCAM on human bmMSCs with two studies showing that bmMSCs cultured in 10-20% FBS do not express or express very little CD56 [95,96], while another study showed that the fraction of CD56 bright bmMSCs was less than 15% [97]. A study investigating bmMSCs from five healthy females (age 21-31 years old) expanded in human PL and assessed at passages 2 or 3 showed that the proportion of positive cells varied considerably with the percentage of positive cells extending from 23.6 to 88.5% [98].…”

Transcriptome analysis of skeletal muscles revealed the effect of exercise on the molecular mechanisms regulating muscle growth and metabolism in patients with heart failure

“…Обычно спортивные тренировки стимулируют увеличение массы скелетной мускулатуры за счет активации сателлитных клеток и реализации их потенциала миогенной дифференцировки. Недавно мы показали, что в мышечной ткани пациентов с ХСН хронически активирована программа регенерации мышечной ткани, которая не завершается формированием "взрослой", функциональной мышеч ной ткани; такое состояние является патологическим и было описано ранее для разных типов мышечных дистрофий [3]. Однако в стандартизированных условиях in vitro резидентные стволовые клетки (СК) скелетной мускулатуры пациентов с ХСН активно диф-ференцировались в миотрубки, демонстрируя со храннось регенеративного потенциала мышечной ткани при ХСН [3].…”

“…Недавно мы показали, что в мышечной ткани пациентов с ХСН хронически активирована программа регенерации мышечной ткани, которая не завершается формированием "взрослой", функциональной мышеч ной ткани; такое состояние является патологическим и было описано ранее для разных типов мышечных дистрофий [3]. Однако в стандартизированных условиях in vitro резидентные стволовые клетки (СК) скелетной мускулатуры пациентов с ХСН активно диф-ференцировались в миотрубки, демонстрируя со храннось регенеративного потенциала мышечной ткани при ХСН [3]. Таким образом, мы пришли к заключению, что активация резидентной СК у пациентов с ХСН возможна, и правильно подобранная программа физической реабилитации может способствовать активации регенераторного потенциала СК скелетной мускулатуры, восстановлению мышечной ткани и росту, препятствовать развитию саркопении и увеличивать толерантность к физическим нагрузкам.…”

“…Это наблюдение важно и ново: большинство опубликованных работ содержат доказательства, подтверждающие мнение о том, что СК скелетных мышц больных с СН плохо поддерживают рост мышц из-за ряда патологических факторов, включая ингибирование активации и пролиферации сателлитных клеток белком Ang II через его рецептор I типа [12], более низкую плотность капиллярной сети в мышцах [13], устойчивую активацию основных путей деградации белков -протеосомного и лизосомально-аутофагического [14]. В наших последних работах, однако, мы продемонстрировали, что в стандартизированных условиях in vitro СК скелетных мышц и костного мозга, полученные от пациентов с СН, не теряют регенеративного потенциала, что свидетельствует о том, что стабилизация микроокружения in vivo может привести к физиологически значимой активации СК [3,15]. В настоящей работе мы показываем, что этот потенциал может быть стимулирован у пациентов с СН с помощью персонализированного курса тренировок, что приводит к предотвращению мышечного истощения и повышению толерантности к физической нагрузке.…”

“…Cosgrove BD, et al (2014) и Bernet JD, et al (2014) показали, что повышение активности p38 MAPK-пути приводит к нарушению способности к самообновлению старых мышечных СК, но фармакологическое ингибирование или нокдаун p38-α/β способствует их омоложению [25,26]. Принимая во внимание эти результаты, наряду с полученными нами ранее данными, которые подтверждают способность СК пациентов с СН дифференцироваться в поддерживающей среде in vitro [3,15], мы полагаем, что инактивация MAPK-пути, индуцированная тренировками (рис. 2Б), может способствовать преду-преждению истощения скелетной мускулатуры у пациентов с ХСН за счет восстановления регенеративного потенциала мышечных СК.…”