Mecanismos de sarcopenia: conexión entre cronodisrupción, inflamación, disfunción mitocondrial y pérdida muscular en el envejecimiento

Abstract

El envejecimiento implica una declinación gradual en la funcionalidad de los organismos a lo largo del tiempo, lo cual incrementa el riesgo de padecer enfermedades importantes. La sarcopenia, que se caracteriza por la pérdida de masa y función muscular, constituye una enfermedad grave en personas mayores, y está asociada con caídas, deterioro funcional, fragilidad y un mayor riesgo de mortalidad. Aunque los mecanismos subyacentes a la sarcopenia no están completamente claros, se ha sugerido que implican procesos más allá de la pérdida de masa y atrofia muscular. Estudios indican que otros factores como la inflamación crónica, el estrés oxidativo, la disfunción mitocondrial y la apoptosis, así como cambios hormonales y microvasculares, contribuyen a este deterioro funcional del músculo esquelético envejecido. Cada vez hay más evidencias que respaldan la relación entre cronodisrupción y envejecimiento, lo que puede llevar a las deficiencias que resultan en sarcopenia. Los genes y proteínas reloj también se expresan en el músculo esquelético, donde BMAL1, una proteína reloj que conecta este mecanismo con el sistema inmunitario, desempeña un papel crucial en la salud del músculo esquelético, participando en la regulación y reparación muscular, y mejorando el funcionamiento de las mitocondrias en este tejido. Debido a que la expresión de Bmal1 disminuye con la edad, la cronodisrupción en el reloj periférico del músculo podría estar relacionada con la sarcopenia. No obstante, no existen datos que identifiquen una relación causal entre la reducción de la expresión de Bmal1 en el músculo esquelético envejecido y los déficits que culminan en sarcopenia. El ejercicio de resistencia y una dieta adecuada son las principales estrategias en el tratamiento de la sarcopenia. Sin embargo, estos métodos pueden no ser suficientes para prevenir o revertir la sarcopenia, especialmente para contrarrestar los numerosos mecanismos fisiopatológicos que conducen a esta enfermedad. Actualmente, no se dispone de fármacos específicamente aprobados para la sarcopenia, aunque se han sugerido varios con resultados y efectos secundarios diversos. En este sentido, la melatonina, también conocida como N-acetil-5-metoxitriptamina (aMT), se postula como un excelente candidato para el tratamiento de la sarcopenia debido a sus propiedades. Esta hormona es producida por la glándula pineal y se genera también en tejidos extrapineales, incluido el músculo esquelético. Además de sus funciones cronobióticas, que dependen de su producción rítmica en la glándula pineal, la melatonina posee importantes propiedades antioxidantes y antiinflamatorias, al mismo tiempo que estimula la formación de ATP en las mitocondrias. Estos beneficios de la melatonina han sido demostrados en múltiples condiciones experimentales, incluyendo situaciones de inflamación aguda y crónica, envejecimiento y sarcopenia. Por tanto, el objetivo de este trabajo fue demostrar la relación causal entre cronodisrupción (en particular el déficit de Bmal1 con la edad), inflamación, disfunción mitocondrial y pérdida muscular durante el envejecimiento en el modelo de ratón knockout para Bmal1 inducible y específico de músculo esquelético (iMS-Bmal1-/-). Además, se investigó si la melatonina, con sus propiedades antiinflamatorias, antioxidantes y cronobióticas, en combinación con el ejercicio, podía contrarrestar la sarcopenia, y si esto requería la presencia de Bmal1 en el músculo esquelético. Para este estudio, se utilizaron ratones machos y hembras iMS-Bmal1-/-, así como sus controles (iMS-Bmal1flox/flox), los cuales se generaron en nuestro laboratorio. Estos animales se sometieron a diferentes tratamientos, incluyendo ejercicio y/o administración de melatonina. Se analizó el ritmo circadiano de la actividad locomotora de estos ratones mediante el programa de recopilación y análisis de datos de comportamiento circadiano ClockLab. Además, se llevaron a cabo pruebas de campo abierto y en cinta de correr (treadmill) para evaluar la actividad locomotora espontánea, resistencia y fatiga de los animales. Estos datos, junto con las mediciones del peso corporal y del músculo gastrocnemio (GM), se utilizaron para calcular el índice de fragilidad (FI). También se llevaron a cabo análisis histológicos y de microscopía electrónica en el GM de estos ratones. Se realizaron las tinciones de Hematoxilina y Eosina (H&E) para un examen histológico general, tinción de Van Gieson (VG) para diferenciar el tejido conectivo y las fibras musculares, y tinción de succinato deshidrogenasa (SDH) para la detección de la capacidad oxidativa mitocondrial de las fibras musculares. Además, se estudió el perfil de tipo de fibra mediante inmunofluorescencia. Por último, se realizaron análisis morfométricos y cuantitativos sobre las imágenes obtenidas de microscopía óptica y electrónica. Los resultados de este trabajo demostraron que la pérdida de Bmal1 en el músculo esquelético de ratones iMS-Bmal1-/- machos y hembras conduce a una disminución de la condición física y masa muscular en ambos sexos, junto con un aumento en el índice de fragilidad que define un estado de sarcopenia. Estos cambios están vinculados a la reducción del tamaño de las fibras musculares y al aumento de la infiltración de colágeno, sugiriendo la presencia de atrofia y fibrosis, características clave de la sarcopenia. Además, la inactivación de Bmal1 en el músculo esquelético induce una cronodisrupción que se manifiesta en una disminución de la actividad locomotora, especialmente durante la noche, afectando tanto a ratones machos como hembras. Este fenómeno también provoca un adelanto de fase, particularmente notable en las hembras, indicando una influencia significativa en el ritmo circadiano y sugiriendo posibles diferencias entre los sexos. Además, la pérdida de Bmal1 en el músculo esquelético ocasiona un cambio hacia fibras musculares más oxidativas en machos, sin afectar a las hembras. A pesar de este cambio, se observa una disminución en la capacidad oxidativa mitocondrial, sugiriendo una posible adaptación compensatoria ante la reducción de la función mitocondrial. La falta de Bmal1 en el músculo esquelético en ratones de ambos sexos también conlleva un deterioro en la ultraestructura del músculo gastrocnemio, evidenciando un aumento en el daño mitocondrial y una reducción en el número de mitocondrias, factores subyacentes en el desarrollo de la sarcopenia. La melatonina y el ejercicio mitigaron los efectos adversos de la pérdida de Bmal1 en ratones mutantes de ambos sexos, con la excepción del daño mitocondrial, el cual se agravó como resultado del ejercicio excesivo. Estos hallazgos respaldan la importancia de Bmal1 en la salud musculoesquelética y establecen el ratón iMS-Bmal1-/- como un modelo valioso para estudiar la sarcopenia. Además, el ejercicio y la melatonina demuestran ser herramientas terapéuticas efectivas para contrarrestar la sarcopenia, independientemente de la presencia de Bmal1 en el músculo esquelético, destacando la relevancia de los genes reloj como posibles dianas terapéuticas en enfermedades asociadas al envejecimiento.

Aging involves a gradual decline in organism functionality over time, increasing the risk of major diseases. Sarcopenia, characterized by muscle loss and dysfunction, is a serious condition in older individuals, linked to falls, functional decline, frailty, and higher mortality risk. While the underlying mechanisms of sarcopenia are not entirely clear, it has been suggested that they involve processes beyond the loss of muscle mass and atrophy. Studies indicate that other factors such as chronic inflammation, oxidative stress, mitochondrial dysfunction, and apoptosis, as well as hormonal and microvascular changes, contribute to this functional deterioration of aged skeletal muscle. There is growing evidence supporting the relationship between circadian disruption and aging, which may lead to deficits culminating in sarcopenia. Clock genes and proteins are also expressed in skeletal muscle, where BMAL1, a clock protein connecting this mechanism with the immune system, plays a crucial role in muscle health, participating in regulation, repair, and enhancing mitochondrial function in this tissue. Because Bmal1 expression decreases with age, peripheral muscle clock disruption may be related to sarcopenia. However, there is no data identifying a causal relationship between reduced Bmal1 expression in aging skeletal muscle and the deficits that lead to sarcopenia. Resistance exercise and a proper diet are key strategies in treating sarcopenia. However, these methods may not be sufficient to prevent or reverse sarcopenia, especially in countering the numerous pathophysiological mechanisms leading to this condition. Currently, there are no specific drugs approved for sarcopenia, although several have been suggested with varied results and side effects. In this regard, melatonin, also known as Nacetyl- 5-methoxytryptamine (aMT), is proposed as an excellent candidate for sarcopenia treatment due to its properties. This hormone is produced by the pineal gland and is also generated in extrapineal tissues, including skeletal muscle. In addition to its chronobiotic functions, dependent on pineal gland production, melatonin possesses significant antioxidant and anti-inflammatory properties, while also ATP formation in mitochondria. These benefits of melatonin have been demonstrated in multiple experimental conditions, including acute and chronic inflammation, aging, and sarcopenia. The aim of this study was, then, to demonstrate the causal relationship between circadian disruption (specifically Bmal1 deficiency with age), inflammation, mitochondrial dysfunction, and muscle loss during aging in the inducible skeletal musclespecific Bmal1 knockout mouse model (iMS-Bmal1-/-). Additionally, we investigated whether melatonin, with its anti-inflammatory, antioxidant, and chronobiotic properties, in combination with exercise, could counteract sarcopenia, and whether this required the presence of Bmal1 in skeletal muscle. To conduct this study, male and female iMS-Bmal1-/- mice, as well as their controls (iMS-Bmal1flox/flox), previously generated in our laboratory, were used. These animals underwent different treatments, including exercise and/or melatonin administration. The circadian rhythm of locomotor activity of these mice was analyzed using the ClockLab program for circadian behavior data collection and analysis. In addition, open field and treadmill tests were performed to evaluate spontaneous locomotor activity, endurance, and fatigue of the animals. These data, along with measurements of body weight and gastrocnemius muscle (GM), were used to calculate the frailty index (FI). Histological and electron microscopy analyses were also carried out on the GM of these mice. Hematoxylin and Eosin (H&E) staining was performed for a general histological examination, Van Gieson (VG) staining to differentiate connective tissue and muscle fibers, and succinate dehydrogenase (SDH) staining for the detection of mitochondrial oxidative capacity in muscle fibers. Additionally, fiber type profile was studied through immunofluorescence. Finally, various morphometric and quantitative analyses were performed on the images obtained from optical and electron microscopy. The results of this study demonstrated that the loss of Bmal1 in the skeletal muscle of iMS-Bmal1-/- male and female mice leads to a decrease in physical fitness and muscle mass in both sexes, along with an increase in the frailty index defining a state of sarcopenia. These changes are linked to a reduction in the size of muscle fibers and an increase in collagen infiltration, suggesting the presence of atrophy and fibrosis, key characteristics of sarcopenia. Additionally, the inactivation of Bmal1 in skeletal muscle induces chronodisruption manifested by a decrease in locomotor activity, especially during the night, affecting both male and female mice. This phenomenon also causes a phase advance, particularly noticeable in females, indicating a significant influence on the circadian rhythm and suggesting possible sex differences. Furthermore, the loss of Bmal1 in skeletal muscle results in a shift towards more oxidative muscle fibers in males, without affecting females. Despite this shift, a decrease in mitochondrial oxidative capacity is observed, suggesting a possible compensatory adaptation to the reduction in mitochondrial function. The absence of Bmal1 in the skeletal muscle in mice of both sexes also leads to deterioration in the ultrastructure of the gastrocnemius muscle, indicating an increase in mitochondrial damage and a reduction in the number of mitochondria, underlying factors in the development of sarcopenia. Melatonin and exercise mitigated the adverse effects of Bmal1 loss in mutant mice of both sexes, with the exception of mitochondrial damage, which was exacerbated as a result of excessive exercise. These findings support the importance of Bmal1 in musculoskeletal health and establish the iMS-Bmal1-/- mouse as a valuable model for studying sarcopenia. Additionally, exercise and melatonin prove to be effective therapeutic tools to counteract sarcopenia, regardless of the presence of Bmal1 in skeletal muscle, highlighting the relevance of clock genes as potential therapeutic targets in age-associated diseases.