Infiltration de cellules myéloïdes dans le muscle squelettique après déchargement combiné des membres postérieurs et exposition aux radiations chez la souris

npj Microgravité volume 9, Numéro d'article : 40 (2023) Citer cet article

2 Altmétrique

Détails des métriques

Le muscle squelettique et le système immunitaire sont fortement affectés par l'environnement spatial. La diaphonie entre ces organes, bien qu'établie, n'est pas entièrement comprise. Cette étude a déterminé la nature des modifications des cellules immunitaires dans le muscle squelettique murin suite à un déchargement (membre postérieur) combiné à une séance d'irradiation aiguë (HLUR). Nos résultats montrent que 14 jours de HLUR induit une augmentation significative de l'infiltration des cellules immunitaires myéloïdes dans le muscle squelettique.

Les vols spatiaux présentent de multiples défis pour l'organisme, qui doit tenter de s'adapter aux facteurs de stress environnementaux, principalement la microgravité et les rayonnements ionisants1. Le rayonnement pendant les missions en orbite terrestre basse (par exemple, sur la Station spatiale internationale) affecte la santé des astronautes2, et ces effets deviendront encore plus importants et plus dangereux pendant les missions dans l'espace lointain en raison de la nature et de la dose de rayonnement3,4. Deux des organes les plus touchés lors des voyages spatiaux sont le muscle squelettique et le système immunitaire5,6. À titre d'exemple, le muscle squelettique de souris soumis à la microgravité et aux radiations au moyen du déchargement des membres postérieurs (HLU ; un analogue animal de vol spatial validé7) affiche une perte rapide de masse musculaire et montre une dérégulation des régulateurs moléculaires critiques de la croissance musculaire et du métabolisme8. Fait intéressant, il existe de plus en plus de preuves de fortes associations entre la croissance, le métabolisme et l'inflammation dans le muscle squelettique9,10. Il s'ensuit que les altérations du système immunitaire dues aux facteurs de stress spatiaux pourraient à leur tour modifier les fondements moléculaires du muscle, exacerbant potentiellement les effets délétères de la microgravité et des radiations sur cet organe. Cependant, les mécanismes expliquant la diaphonie entre le muscle squelettique et le système immunitaire dans des conditions spatiales sont loin d'être compris. Au cours des processus musculaires régénératifs dans des conditions normales de gravité et de rayonnement ionisant, une telle diaphonie semble être médiée par l'infiltration de cellules immunitaires myéloïdes et lymphoïdes dans le muscle11,12,13. Cependant, on ne sait pas si l'environnement spatial déclenche une réponse dans les populations de cellules immunitaires myéloïdes et/ou lymphoïdes présentes dans le muscle squelettique.

Compte tenu du manque d'informations concernant les conséquences des vols spatiaux sur la diaphonie et l'intégrité du système immunitaire et du muscle squelettique, nous avons conçu une étude pour étudier les altérations potentielles des cellules immunitaires survenant dans le muscle squelettique après une période de décharge et d'exposition aux radiations (HLUR). Chez la souris. Nous avons concentré nos efforts sur la détermination de la nature des modifications des cellules immunitaires dans le muscle squelettique du point de vue de l'expression génique, pour ensuite confirmer nos résultats à l'aide d'une approche immunohistochimique. De ce qui précède, nous avons émis l'hypothèse que HLUR induirait une infiltration de cellules myéloïdes et lymphoïdes dans le muscle squelettique.

Après 14 jours de déchargement des membres postérieurs et une séance aiguë de rayonnement (jour 7), une diminution significative du poids total humide de M. soleus mais pas de M. gastrocnemius a été constatée. (Fig. 1a, b). La réduction du poids de M. soleus s'est accompagnée d'une augmentation de l'expression génique de la myostatine, un inhibiteur bien connu de la masse musculaire9, qui n'a pas été trouvé chez M. gastrocnemius (Fig. 1c, d). La myostatine induit l'atrophie musculaire en régulant à la hausse les gènes liés à l'atrophie et en inhibant la voie de signalisation Akt/mTOR9. La voie de signalisation Akt/mTOR s'est récemment révélée dérégulée après décharge et irradiation8. De plus, il a été suggéré que la même voie soit régulée à la baisse suite à des niveaux accrus de cytokines inhibitrices, telles que le TNF-α9, indiquant une interférence potentielle du muscle immun-squelettique dans des conditions stimulant l'atrophie.

a, b poids et niveaux MSTN de M. soleus. c, d poids et niveaux MSTN de M. gastrocnemius. Groupe de déchargement et de rayonnement des membres postérieurs HLUR, groupe de contrôle CTRL. * Significativement différent du groupe CTRL (tests t non appariés ; p < 0,05). Les barres d'erreur représentent l'écart type.

Pour comprendre les mécanismes à l'origine de cette diaphonie après HLUR, des analyses d'expression génique de marqueurs immunitaires connus ont été réalisées chez M. soleus. HLUR a augmenté l'expression du marqueur myéloïde CD11b (p = 0,05) et une tendance à l'augmentation de la cytokine pro-inflammatoire TNF-α (p = 0,07) a été observée, alors qu'aucune différence n'a été trouvée entre HLUR et CTRL dans les marqueurs lymphoïdes tels que CD4, CD8 et CD20. De plus, aucune différence dans les niveaux d'INF-γ ou d'IL-6 n'a été trouvée (Fig. 2a). Pour mieux comprendre les types de cellules immunitaires myéloïdes à l'origine de ces marqueurs inflammatoires accrus, des marqueurs supplémentaires pour les cellules immunitaires présentes dans le tissu musculaire squelettique ont été analysés. Une expression accrue significative (p <0, 05) de ICAM-1, H2-Ab, CD11c, CD86 et MMP-12 a été trouvée, soutenant l'induction d'une infiltration de cellules myéloïdes mais pas lymphoïdes après HLUR (Fig. 2b, c). L'expression génique accrue de ces marqueurs inflammatoires pourrait refléter un mécanisme compensatoire de l'atrophie en cours et/ou une réponse immunitaire radio-induite. En effet, des recherches antérieures ont montré des processus de guérison altérés suite à une lésion musculaire squelettique chez des souris appauvries en macrophages14.

expression des gènes a–c des cellules immunitaires inflammatoires, myéloïdes et des marqueurs des cellules immunitaires lymphoïdes chez M. soleus. expression du gène d des cellules immunitaires inflammatoires, myéloïdes et des marqueurs des cellules immunitaires lymphoïdes chez M. gastrocnemius (axe X dans l'échelle log ^-2). Nombre de cellules CD11b positives chez M. gastrocnemius. f exemple de coupes transversales utilisées pour détecter les cellules CD11b positives. Groupe de déchargement et de rayonnement des membres postérieurs HLUR, groupe de contrôle CTRL. * Significativement différent du groupe CTRL (tests t non appariés ; p < 0,05). Les barres d'erreur représentent l'écart type.

Dans une prochaine étape, nous avons évalué si les incréments de marqueurs inflammatoires après HLUR se produisaient également dans le M. gastrocnemius. Une augmentation significative de CD11c (p = 0,02) et de CD11b (p = 0,048), une tendance à une expression accrue de TNF-α (p = 0,06) a été trouvée, tandis que H2-Ab et CD86 étaient inchangés (Fig. 2d). Ainsi, à l'instar des résultats trouvés pour M. soleus, HLUR semble provoquer une induction de cellules myéloïdes dans le M. gastrocnemius. Ces résultats, en particulier ceux de M. gastrocnemius, suggèrent qu'une inflammation accrue précède l'atrophie musculaire. Cette hypothèse est conforme aux travaux antérieurs montrant un enrichissement des voies KEGG et des termes d'ontologie des gènes liés à une réponse inflammatoire accrue avant l'atrophie musculaire chez les rats non chargés15.

Pour valider l'augmentation de l'expression génique des marqueurs inflammatoires après HLUR, une coloration immunohistochimique de CD11b a été réalisée. Conformément à l'augmentation de l'expression génique de CD11b, un nombre significativement plus élevé de cellules positives pour CD11b par zone a été trouvé dans le muscle squelettique de HLUR par rapport à CTRL (P = 0, 043; Fig. 2e, f). Ce résultat confirme qu'il existe une infiltration de cellules myéloïdes dans le muscle squelettique suite à une irradiation et une décharge combinées, qui pourrait être liée à des mécanismes de réparation visant à réduire l'atrophie musculaire16. Cependant, des études supplémentaires sont nécessaires pour déterminer la spécificité de l'implication particulière de la population de cellules immunitaires dans la diaphonie des muscles immuno-squelettiques après les conditions de vol spatial. De plus, l'utilisation de protocoles de rayonnement plus similaires aux rayons cosmiques et aux événements de particules solaires que les rayons X utilisés ici devrait être envisagée pour extrapoler les résultats actuels aux conditions spatiales réelles.

En résumé, nos résultats montrent que 14 jours de décharge et une séance de radiothérapie induisent une augmentation significative des marqueurs inflammatoires et immunitaires dans le muscle squelettique. Cela peut se produire en tant que mécanisme compensatoire pour retarder l'atrophie des muscles squelettiques. Il est important de noter que le protocole combiné de décharge et de rayonnement a provoqué une infiltration de cellules immunitaires myéloïdes, mais non lymphoïdes, dans le tissu musculaire squelettique. Ces résultats mettent en évidence la diaphonie entre le muscle squelettique et le système immunitaire pendant les conditions de vol spatial. De futures études sont nécessaires pour améliorer notre compréhension de la dynamique et de la spécificité des cellules immunitaires impliquées dans la diaphonie immuno-muscle squelettique. Les études utilisant la technologie unicellulaire avec des approches omiques semblent une stratégie particulièrement intéressante pour faire progresser les connaissances sur la diaphonie muscle-immune pendant les vols spatiaux.

Dix souris ont été soumises à 14 jours de déchargement des membres postérieurs (HLU) par suspension de la queue avec une séance de rayonnement aigu (dose = 25 mGy, rayons X) au jour 7 du déchargement (groupe HLUR). Dix souris ont été utilisées comme contrôle (cages similaires, rayonnement factice). Des souris ont été sacrifiées et Mm. soléaire et gastrocnémien ont été obtenus. Des échantillons de muscle ont été utilisés pour analyser les marqueurs génétiques de l'inflammation et des cellules immunitaires spécifiques. Enfin, des échantillons de muscle ont subi une analyse immunohistochimique pour confirmer les résultats trouvés au niveau de l'expression génique. Les méthodes ont été réalisées conformément aux directives et réglementations internationales (Union européenne) et nationales (Belgique) et approuvées par Medanex Clinic (EC MxCl 2018–100).

Vingt adultes (14 semaines), des souris C57/BL6J mâles ont été randomisées dans un groupe témoin (CTRL ; n = 10) et un groupe de déchargement et de rayonnement (HLUR ; n = 10). Les souris étaient logées individuellement et maintenues sur un cycle lumière-obscurité de 12 h 12. Les souris étaient appariées au régime alimentaire, c'est-à-dire que les souris CTRL mangeaient ce que la souris HLUR appariée mangeait la veille.

Le déchargement (c'est-à-dire la microgravité sur les membres arrière) a été réalisé par la technique de suspension de la queue. En bref, sous sédation, la queue était attachée au dispositif de suspension de la cage en trois points sur sa longueur. Une fois les souris suspendues dans l'appareil, leurs membres postérieurs n'étaient pas autorisés à toucher la grille métallique sur le sol de la cage. L'angle de suspension entre l'animal et le sol était en moyenne de 30°. L'intervention de déchargement a été maintenue pendant 14 jours. Après cette période, (soit 14 jours dans des cages et des conditions similaires pour les animaux CTRL) les souris ont été sacrifiées et Mm. Les muscles soléaire et gastrocnémien des deux membres arrière ont été disséqués, pesés et congelés dans de l'isopentane pré-refroidi à l'azote liquide, puis conservés à -80 ° C jusqu'à une analyse plus approfondie.

Une dose totale de rayonnement X de 25 mGy a été délivrée (souris HLUR). Cette dose est comparable à la quantité totale de dose efficace que les astronautes rencontrent au cours d'une mission de 2 semaines dans l'espace lointain17. Pendant l'irradiation, les souris ont été maintenues à l'intérieur de leurs cages respectives enveloppées dans des sacs d'autoclave respirants pour maintenir les conditions exemptes d'agents pathogènes spécifiques. Les souris CTRL ont été irradiées de manière fictive, c'est-à-dire ensachées, transférées dans des cages en voiture vers l'installation de rayonnement, puis renvoyées à l'animalerie pour subir les mêmes conditions thermiques et le stress potentiel induit par le transport que HLUR.

L'un des M. soleus et environ 20 mg de l'un des M. gastrocnemius des membres arrière de toutes les souris ont été homogénéisés dans du TRIzol et l'ARN total a été extrait et transcrit en ADNc. L'expression génique (ARNm) a été déterminée à l'aide de procédures quantitatives de PCR en temps réel. Des amorces spécifiques aux gènes pour les marqueurs des processus immunitaires/inflammatoires ont été utilisées. Le panel de transcrits testé était le suivant : CD4, CD8, CD20, IFN-γ, CD11b, CD11c, MHCII, TNF-α, IL-6, CD206, iNOS, Arginase, CD86, CD80, PTGS, iCam et HPRT (contrôle /gène de référence).

L'un des M. gastrocnemii de toutes les souris a été orienté pour une coupe transversale et des coupes transversales de 5 μm ont été coupées dans un cryostat à -22 ° C et montées sur des lames de verre. Les coupes ont été colorées à l'aide d'anticorps monoclonaux contre Cd11b (BioLegend, rat IgG2b, clone M1/70) pour analyser l'infiltration des cellules myéloïdes. Les coupes transversales colorées ont ensuite été capturées à l'aide d'une microscopie à fond clair avec un grossissement de 20x (Leica DMLA, logiciel Leica application suite X). Trois à quatre images représentant une zone fixe de 1,96 mm2 par image ont été capturées dans chaque coupe transversale (coupes transversales moyennes par échantillon ; 3,5). Un pipeline semi-automatique utilisé pour détecter la coloration spécifique de Cd11b a été utilisé à l'aide du logiciel ImageJ pour Mac OS X. Le nombre de cellules positives a ensuite été moyenné sur toutes les sections transversales.

Des tests t non appariés ont été utilisés pour comparer le poids musculaire, l'expression génique et l'infiltration cellulaire entre les groupes HLUR et CTRL. Le seuil de signification a été fixé à 5 % (p < 0,05). Toutes les analyses statistiques ont été effectuées à l'aide de Prism 9 pour Mac OS X (GraphPad Software, San Diego, CA).

De plus amples informations sur la conception de la recherche sont disponibles dans le résumé des rapports de recherche sur la nature lié à cet article.

Les données soutenant les conclusions de cet article seront mises à disposition par les auteurs sur demande raisonnable.

Les livres blancs SciSpacE ; La recherche humaine; Livre blanc 12 : Physiologie humaine. L'Agence spatiale européenne. (2021).

Cucinotta, FA Risques de rayonnement spatial pour les astronautes lors de plusieurs missions de la Station spatiale internationale. PLoS One 9, e96099 (2014).

Article PubMed PubMed Central Google Scholar

Nelson, GA Rayonnement spatial et expositions humaines, une introduction. Radiat. Rés. 185, 349-358 (2016).

Article CAS PubMed Google Scholar

Townsend, LW Implications de l'environnement de rayonnement spatial pour l'exploration humaine dans l'espace lointain. Radiat. Prot. Dosim. 115, 44–50 (2005).

Article CAS Google Scholar

Fernandez-Gonzalo, R., Baatout, S. & Moreels, M. Impact de l'irradiation des particules sur le système immunitaire : de la clinique à Mars. Devant. Immunol. 8, 177 (2017).

Article PubMed PubMed Central Google Scholar

LeBlanc, A. et al. Volume musculaire, temps de relaxation IRM (T2) et composition corporelle après le vol spatial. J. Appl. Physiol. Bethesda MD 1985 89, 2158-2164 (2000).

CAS Google Scholar

Globus, RK & Morey-Holton, déchargement E. Hindlimb: analogue de rongeur pour la microgravité. J. Appl. Physiol. Bethesda MD 1985 120, 1196-1206 (2016).

CAS Google Scholar

Fix, DK, Hardee, JP, Bateman, TA & Carson, JA Effet de l'irradiation sur la signalisation Akt dans l'atrophie du muscle squelettique. J. Appl. Physiol. Bethesda MD 1985 121, 917–924 (2016).

CAS Google Scholar

Frost, RA & Lang, CH Protéine kinase B/Akt : un lien entre le facteur de croissance et la signalisation des cytokines dans la détermination de la masse musculaire. J. Appl. Physiol. 103, 378-387 (2007).

Article CAS PubMed Google Scholar

Crossland, H., Skirrow, S., Puthucheary, ZA, Constantin‐Teodosiu, D. & Greenhaff, PL L'impact de l'immobilisation et de l'inflammation sur la régulation de la masse musculaire et de la résistance à l'insuline : différentes voies vers des résultats similaires. J. Physiol. 597, 1259-1270 (2019).

Article CAS PubMed Google Scholar

Yang, W. & Hu, P. La régénération des muscles squelettiques est modulée par l'inflammation. J. Orthop. Trad. 13, 25–32 (2018).

Google Scholar

Chazaud, B. Inflammation et régénération des muscles squelettiques : laissez faire les macrophages ! Tendances Immunol. 41, 481–492 (2020).

Article CAS PubMed Google Scholar

Cho, J., Kuswanto, W., Benoist, C. & Mathis, D. La spécificité des récepteurs des cellules T entraîne l'accumulation d'une population réparatrice de cellules T régulatrices dans le muscle squelettique gravement blessé. Proc. Natl. Acad. Sci. États-Unis 201914848 (2019). https://doi.org/10.1073/pnas.1914848116.

Summan, M. et al. Macrophages et régénération des muscles squelettiques : une étude sur la déplétion des liposomes contenant du clodronate. Suis. J. Physiol. Régul. Intégr. Comp. Physiol. 290, R1488–R1495 (2006).

Article CAS PubMed Google Scholar

Cui, Q. et al. L'analyse de l'expression génique par séquençage d'ARN (ARN-seq) fournit de nouvelles informations sur l'atrophie des muscles squelettiques induite par le déchargement des membres postérieurs. Anne. Trad. Méd. 8, 1595 (2020).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Wang, X., Zhao, W., Ransohoff, RM et Zhou, L. Les macrophages infiltrants sont largement activés au stade précoce pour favoriser la réparation aiguë des lésions musculaires squelettiques. J. Neuroimmunol. 317, 55–66 (2018).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Zeitlin, C. et al. Mesures du rayonnement de particules énergétiques en transit vers Mars sur le Mars Science Laboratory. Sciences 340, 1080-1084 (2013).

Article CAS PubMed Google Scholar

Télécharger les références

Les expériences décrites dans ce manuscrit ont été en partie financées par l'ESA/BELSPO/Prodex, le contrat IMPULSE CO-90-11-2801-04, et l'European Low Gravity Research Association sous la forme du prix de recherche 2020-2021. RFG est soutenu par une bourse de carrière de l'Agence spatiale nationale suédoise (2021-00159).

Financement en libre accès fourni par l'Institut Karolinska.

Département de physiologie et pharmacologie, Karolinska Institutet, Stockholm, Suède

Eric B. Emanuelsson et Carl Johan Sundberg

Unité de radiobiologie, SCK CEN, Centre Belge d'Etudes Nucléaires, Mol, Belgique

Bjorn Baselet, Mieke Neefs, Sarah Baatout, Brit Proesmans et Lisa Daenen

Département d'apprentissage, d'informatique, de gestion et d'éthique, Karolinska Institutet, Stockholm, Suède

Carl Johan Sundberg

Département de médecine de laboratoire, Division de physiologie clinique, Karolinska Institutet, Stockholm, Suède

Hélène Rundqvist & Rodrigo Fernandez-Gonzalo

Unité de physiologie clinique, Hôpital universitaire Karolinska, Stockholm, Suède

Hélène Rundqvist & Rodrigo Fernandez-Gonzalo

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Analyse moléculaire EBE dans le tissu musculaire squelettique et rédaction de manuscrits. Conception du concept BB, expérimentations animales, y compris dissections musculaires, édition et révision de manuscrits. Expériences animales MN, y compris dissections musculaires, examen du manuscrit. Conception du concept SB, édition et révision du manuscrit. Expériences animales BP, y compris les dissections musculaires. Expériences animales LD, y compris les dissections musculaires. Édition et révision du manuscrit du CJS. Conception de concepts RH, analyse moléculaire dans le tissu musculaire squelettique, et édition et révision de manuscrits. Conception du concept RFG, analyse moléculaire dans le tissu musculaire squelettique, rédaction et révision du manuscrit.

Correspondance à Rodrigo Fernandez-Gonzalo.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

Note de l'éditeur Springer Nature reste neutre en ce qui concerne les revendications juridictionnelles dans les cartes publiées et les affiliations institutionnelles.

Libre accès Cet article est sous licence Creative Commons Attribution 4.0 International, qui permet l'utilisation, le partage, l'adaptation, la distribution et la reproduction sur n'importe quel support ou format, à condition que vous accordiez le crédit approprié à l'auteur ou aux auteurs originaux et à la source, fournissez un lien vers la licence Creative Commons et indiquez si des modifications ont été apportées. Les images ou tout autre matériel tiers dans cet article sont inclus dans la licence Creative Commons de l'article, sauf indication contraire dans une ligne de crédit au matériel. Si le matériel n'est pas inclus dans la licence Creative Commons de l'article et que votre utilisation prévue n'est pas autorisée par la réglementation légale ou dépasse l'utilisation autorisée, vous devrez obtenir l'autorisation directement du détenteur des droits d'auteur. Pour voir une copie de cette licence, visitez http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Réimpressions et autorisations

Emanuelsson, EB, Baselet, B., Neefs, M. et al. Infiltration de cellules myéloïdes dans le muscle squelettique après déchargement combiné des membres postérieurs et exposition aux radiations chez la souris. npj Microgravité 9, 40 (2023). https://doi.org/10.1038/s41526-023-00289-w

Télécharger la citation

Reçu : 08 septembre 2022

Accepté : 25 mai 2023

Publié: 07 juin 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41526-023-00289-w

Toute personne avec qui vous partagez le lien suivant pourra lire ce contenu :

Désolé, aucun lien partageable n'est actuellement disponible pour cet article.

Fourni par l'initiative de partage de contenu Springer Nature SharedIt

Nouvelles

Infiltration de cellules myéloïdes dans le muscle squelettique après déchargement combiné des membres postérieurs et exposition aux radiations chez la souris