Study of the contribution of muscle inflammation, IMAT origin and microenvironment to sarcopenic obesity

Introduction The optimal condition for skeletal muscle function is represented by an efficient activation of processes that regulate muscle development, growth, regeneration and metabolism. When the balance among these events is missing, a pathological condition arise. In particular, loss or decrease of skeletal muscle function and mass is linked with severe health diseases such as muscle dystrophies, cancer, obesity and aging process. In this context, sarcopenic obesity, a metabolic disorder followed by atrophy of muscle fibres and reduction of stem cell reservoir (satellite cells in muscle) is associated with increasing ectopic adipose tissue, impairing glucose tolerance and decreasing strength and mobility in old adults. This excess of fatty acids accumulated in several other organs, including skeletal muscle, induces metabolic dysfunctions, β-oxidative alterations, increase of ROS production, lipotoxicity and insulin resistance. Moreover this intermuscular adipose tissue (IMAT) acts as chemoattractant for inflammatory cells, chiefly macrophages, which produce high amount of pro-inflammatory cytokines (TNF-α, IL-6, IL-1, INFγ) and low of anti-inflammatory cytokines (IL-4, IL-10) resulting in chronic low-grade systemic inflammation and muscle loss. Aims The aim of this work is to investigate the origin of intermuscular fat and the complex mechanisms regulating the crosstalk with the surrounding muscle. In the first part of the study we try to understand the differences in muscle inflammation in obese subjects both normoglycemic and diabetic versus healthy patients using muscle biopsies. Moreover, in the same groups of patients, we attempt to identify serum microRNAs as possible useful markers of muscle alterations in presence of obesity. Because it is well known that in chronic diseases, as obesity and diabetes, multifactorial components contribute to the pathology, we decided to investigate the microenvironment of skeletal muscle, represented by extracellular matrix (ECM). We aim to understand if it could have had a role in the deposition of IMAT and on associated inflammatory processes using an obese mouse model. Material and methods From healthy and obese patients either normoglycemic or diabetic, both muscle biopsies and serum samples were collected. By Real-time PCR the first were analysed for selected inflammation markers, whereas the second for the principal muscle circulating miRNAs. In the second part of the study, a detergent-enzymatic decellularization protocol for wild type (C57BL6J) and ob/ob (B6.Cg-Lepob/J) murine quadriceps were set and samples were characterized for DNA content and ECM structure preservation. After that, a volumetric muscle loss model on wild-type mice was created and ECMs from wt or ob/ob quadriceps mice were implanted. The ability of the matrices to be remodelled and reabsorbed was evaluated by immunofluorescence and molecular analysis after 7, 15 and 30 days. Results and discussion mRNA from three human rectus abdomins biopsies from obese patients both normoglycemic and diabetic and three peroneal muscle biopsies from healthy subjects indicate an increase in pro-inflammatory gene expression both in normoglycemic and diabetic patients in comparison with the controls. However, in contrast to what we expected, diabetic subjects, that were under Metformin treatment from at least 1 year, showed a reduction of inflammation. The serum miR133a, miR133b and miR1 levels of healthy and obese patients both normoglycemic and diabetic, display the same trend previously described for muscle biopsies. This suggests a possible direct correlation between muscle inflammation and the release of these circulating miRNAs, which could be used in the future as indicative markers of patient muscle alterations. On the other hand, the decellularization of wild type (wt) and ob/ob quadriceps did not show significant structural differences between the two samples. In vivo transplantation of the two decellularized muscle matrix (ECMs) in wt injured mice induced after 7 days a strong cells migration in the interface between the native tissue and the matrix that gradually diminished after 15 and 30 days. . Pan macrophages cells (CD68+ cells) were found in both ECM implantation, mainly in the area around the stitches and in the interface between the matrix and the native tissue, but in the inner part of the recipient absence of inflammatory infiltrate was evident at all time points. Alcian blue and Masson’s Trichrome stains highlighted similar GAG deposition and collagen components between wt and ob/ob donor ECM. In particular we observed that the scaffold derived from donor affected by a metabolic disease did no induce alteration in structural matrix deposition but promoted a premature M2 inflammation that was reduced or stabilised after 30 days. On the contrary healthy ECM in wt mice start later the tissue rebuilding leading to a more complete regeneration. No differences were also observed in activation or modulation of myogenic and adipogenic pathways after both implantations.

Introduzione La condizione ottimale attraverso cui il muscolo scheletrico può espletare la propria funzione è rappresentata da un’ efficiente attivazione dei processi che regolano lo sviluppo, la crescita, la rigenerazione e il metabolismo del muscolo stesso. Quando viene a mancare l’equilibrio tra questi eventi è il momento in cui insorge una condizione patologica. Nello specifico, una perdita o riduzione di massa e funzionalità muscolare è collegata a gravi malattie, quali distrofie, cancro, obesità e processi di invecchiamento. In questo contesto, l’obesità sarcopenica, una malattia metabolica che porta ad atrofia delle fibre muscolari e riduzione delle cellule staminali (chiamate nel muscolo cellule satelliti), è associata ad un aumento in zone ectopiche di tessuto adiposo, a riduzione della tolleranza al glucosio e a perdita di forza e motilità soprattutto in adulti e anziani. Questo accumulo di acidi grassi in altri distretti corporei, compreso il muscolo scheletrico, induce disfunzioni metaboliche, alterazioni nella β-ossidazione, aumento di produzione di ROS, lipotossicità e insulino-resistenza. Inoltre questo tessuto adiposo intermuscolare (IMAT) agisce come chemoattrattivo per le cellule infiammatorie, soprattutto macrofagi, che, una volta in sede, producono elevate quantità di citochine pro-infiammatorie (TNF-α, IL-6, IL-1, INFγ) e basse quantità di citochine anti-infiammatorie (IL-4, IL-10). Tutto ciò porta ad un costante basso grado di infiammazione sistemica e a conseguente perdita di massa muscolare. Scopo Scopo di questo lavoro è quello di investigare l’origine del tessuto adiposo intermuscolare e i meccanismi che regolano il dialogo tra questo e il tessuto muscolare circostante. La prima parte dello studio ha lo scopo di capire, utilizzando biopsie muscolari, le differenze che ci sono a livello di infiammazione del muscolo in soggetti obesi normoglicemici e diabetici rispetto ai pazienti sani. Inoltre, analizzando i sieri di pazienti che appartengono alle stesse categorie sopraelencate, saranno individuati possibili miRNA da utilizzare come marcatori identificativi delle alterazioni muscolari in presenza di obesità. Poiché in malattie croniche, quali obesità e diabete di tipo2, diversi fattori contribuiscono alla patologia, abbiamo deciso di investigare anche il microambiente del muscolo scheletrico, inteso come matrice extracellulare (ECM). Utilizzando un modello murino di obesità cercheremo di capire se questo può avere un ruolo nella deposizione dell’IMAT e dei processi infiammatori ad esso associati. Materiali e metodi Sia biopsie muscolari sia campioni di siero sono stati prelevati da pazienti sani, obesi normoglicemici e obesi diabetici. Mediante l’utilizzo di analisi di Real-time PCR le prime sono state analizzate per i principali marcatori infiammatori, mentre i secondi per i principali miRNA muscolari circolanti. Nella seconda parte dello studio, invece, è stato settato un protocollo di decellularizzazione del tipo detergente enzimatico su quadricipiti murini di topi wild type (C57BL6J) e di topi ob/ob (B6.Cg-Lepob/J) e i campioni ottenuti sono stati caratterizzati per il contenuto di DNA e le componenti strutturali della matrice. In seguito è stato creato un modello di perdita consistente di massa muscolare in topi wild type (wt) ed è stata impiantata nelle sede di danno una porzione di matrice proveniente da topi wt o ob/ob. La capacità delle diverse matrici di essere rimodellate e riassorbite è stata analizzata dopo 7, 15 e 30 giorni mediante analisi di immunofluorescenza e molecolari. Risultati e discussione L’mRNA estratto da 3 biopsie di retto addominale di pazienti obesi normoglicemici e obesi diabetici, insieme a 3 biopsie di muscolo peroniere di soggetti sani indica la presenza di una maggiore espressione dei geni pro-infiammatori sia nei soggetti obesi normoglicemici sia diabetici in confronto a quelli sani. Tuttavia, in contrasto con quanto ci aspettavamo, i pazienti diabetici che erano in trattamento con Metformina da almeno 1 anno mostravano un grado infiammatorio inferiore. Osservando poi i livelli di miRNA 133a, miR133b e miR1 presenti nel siero di una coorte di pazienti sani, obesi normoglicemici e obesi diabetici abbiano notato lo stesso andamento descritto in precedenza per le biopsie muscolari. Questo ci suggerisce una possibile correlazione diretta tra infiammazione muscolare e rilascio di questi miRNA circolanti, che in futuro potranno essere utilizzati come marcatori della condizione muscolare del paziente. La decellularizzazione dei quadricipiti wt e ob/ob non ha evidenziato differenze strutturali tra le due matrici. Inoltre il trapianto in vivo di entrambe ha indotto a 7 giorni una forte migrazione cellulare all’interfaccia tra tessuto nativo e matrice, la quale diminuisce a 15 e 30 giorni dopo impianto. Cellule macrofagiche (CD68+) sono state trovate in entrambe le matrici, soprattutto nelle aree attorno ai punti di sutura e all’interfaccia con il tessuto nativo, tuttavia a nessun time point è evidente una condizione infiammatoria nella parte più interna del muscolo nativo. La colorazione Alcian Blue e quella della Tricromica di Masson hanno mostrato un’ induzione nella deposizione di glicosamminoglicani e di collagene simile tra le due matrici. Nello specifico, abbiamo osservato, quindi, che una matrice derivante da un donatore affetto da malattia metabolica non è in grado di indurre un’alterazione nella deposizione di componenti strutturali ma promuove una prematura risposta infiammatoria di tipo M2 che si riduce o stabilizza dopo 30 giorni dall’impianto. Al contrario, la matrice proveniente da topi sani induce una ricostruzione del tessuto più ritardata ma che porta a una miglior e completa rigenerazione. Nessuna differenza, infine, è stata osservata in termini di attivazione e modulazione dei segnali miogenici e adipogenici per entrambi gli impianti.