Impatti dell'inibizione del bersaglio meccanicistico della rapamicina (mTOR) sul muscolo umano invecchiato (Rapamune) (Rapamune)

Il muscolo scheletrico è noto per il suo ruolo nella locomozione, tuttavia i muscoli sono importanti anche per mantenere la salute metabolica di tutto il corpo. I muscoli scheletrici rappresentano un vasto deposito di proteine, i cui aminoacidi possono essere scomposti in periodi di digiuno, infezione e malattia per fornire energia e aminoacidi per mantenere altri organi critici. Con l'aumento dell'invecchiamento della popolazione, ciò aumenterà inevitabilmente le comorbilità legate all'età, nonché la prevalenza della fragilità e l'aumento dei costi sanitari.

Uno degli aspetti principali della fragilità è l'atrofia del muscolo scheletrico e la perdita della funzione e, in modo critico, questi sono associati a esiti clinici peggiori (ad es. chirurgia), quindi mitigare la perdita muscolare legata all'età è fondamentale per un invecchiamento sano. I processi di perdita muscolare con l'invecchiamento negli esseri umani sono una combinazione di neurodegenerazione dei motoneuroni inferiori e concomitante atrofia delle fibre muscolari. Mentre i meccanismi alla base della perdita muscolare legata all'età non sono chiari, una ridotta reattività ai segnali ambientali chiave, vale a dire nutrizione e movimento ("resistenza anabolica"), sembrerebbe essere centrale. Ad oggi, nessun farmaco ha prodotto gli effetti di sicurezza ed efficacia necessari per mitigare la perdita muscolare correlata all'età, quindi l'esercizio, in particolare l'allenamento con esercizi di resistenza (RET), rimane l'intervento più consolidato per migliorare la massa muscolare e la funzione nelle persone anziane. Tuttavia, non tutte le persone anziane possono eseguire la RET e le risposte di crescita muscolare alla RET diminuiscono in età avanzata. Pertanto, la ricerca di interventi per mitigare l'invecchiamento muscolare e massimizzare le risposte all'esercizio pre-/riabilitativo in termini di crescita e funzione muscolare rimane fondamentale.

L'obiettivo meccanicistico della rapamicina (mTOR) è spesso definito un "regolatore principale" in relazione all'omeostasi del muscolo scheletrico ed esiste in due complessi distinti, mTORc1 e mTORc2. Il ruolo più consolidato di mTORc1 nel muscolo è come sensore cellulare di nutrienti e movimento, dove i segnali vengono trasmessi ai substrati mTOR, regolando la velocità di traduzione dell'mRNA e quindi la sintesi proteica muscolare (MPS). L'attività mTOR è necessaria per la stimolazione della MPS mediante l'assunzione di proteine ​​alimentari o amminoacidi liberi, oltre all'attività contrattile, e come tale è comunemente considerata positiva in relazione alla massa muscolare. Inoltre, è stato dimostrato che la somministrazione di rapamicina (un composto naturale che inibisce mTORc1) insieme all'esercizio fisico o all'assunzione di nutrienti riduce la stimolazione della MPS. Tuttavia, confondendo l'idea di un ruolo positivo di mTOR sul muscolo scheletrico, l'iperattivazione di mTOR è stata dimostrata sia nell'invecchiamento del roditore che nel muscolo umano, suggerendo che la segnalazione di mTOR ha impatti negativi in ​​relazione al mantenimento muscolare nell'invecchiamento.

Nonostante gli effetti positivi di mTOR in relazione alla stimolazione di MPS, nei modelli animali i dati suggeriscono che l'attenuazione farmacologica della segnalazione mTOR può contrastare diverse malattie e comorbilità legate all'età e aumentare la durata complessiva della salute. I principali tratti negativi dell'invecchiamento trovati attenuati dallo smorzamento della segnalazione mTOR (ad esempio con la rapamicina) sono correlati al sistema immunitario, alla morfologia degli organi, alla malattia neoplastica e alla disfunzione neurologica, ad es. controllo del motore. Da questi studi, gli effetti benefici della rapamicina sulla durata della salute sono chiari, ma ciò contrasta con gli impatti positivi che la segnalazione mTOR ha sui muscoli. Si prevede che l'inibizione di mTOR abbia un impatto negativo sul turnover proteico muscolare, tuttavia non è così.

In effetti, un recente lavoro ha messo in discussione la nozione di soppressione di mTOR che ha un impatto negativo sul metabolismo del muscolo scheletrico in una serie di contesti sperimentali. Nei modelli preclinici di invecchiamento e/o disfunzione muscolare, la somministrazione a lungo termine di rapamicina non ha avuto un impatto negativo sulla massa muscolare scheletrica nei topi trattati con rapamicina nel corso della vita. Inoltre, la somministrazione a lungo termine di rapamicina (9-22 mesi) ha mostrato una mitigazione dell'invecchiamento mitocondriale muscolare, riflessa dai marcatori della stabilità del genoma del DNA mitocondriale. Forse la prova più convincente del beneficio della rapamicina nell'invecchiamento muscolare proviene da uno studio in cui il trattamento con rapalog (un analogo della rapamicina) è stato somministrato a topi in cui è stata osservata una segnalazione mTOR iperattiva negli animali sarcopenici anziani, come mostrato anche negli esseri umani più anziani. Fondamentalmente, dopo il trattamento con Rapalog, gli animali hanno dimostrato un aumento dell'area delle fibre muscolari oltre a una sottoregolazione dei marcatori e dei geni della senescenza cellulare associati alla denervazione neuromuscolare. Questi lavori sfidano l'idea che in età avanzata con l'iperattivazione di mTOR, l'inibizione di mTOR avrebbe effetti negativi, ed è ora accettato che l'invecchiamento e le malattie associate all'età che derivano dalla segnalazione iperattiva di mTORC1 possano trarre beneficio dagli inibitori di mTOR. Pertanto, sono necessarie informazioni sugli effetti dell'inibizione di mTORc1 negli esseri umani, specialmente nel contesto della "resistenza anabolica", che limita sia il mantenimento muscolare che il potenziale di crescita negli anziani. Come immunosoppressore, la rapamicina può anche presentare benefici per il trattamento di COVID-19, che è un'area molto importante della ricerca emergente.

In questo studio il partecipante avrà dimensioni muscolari, funzione e metabolismo misurati per un periodo di 16 settimane durante l'assunzione del farmaco Rapamune o di un placebo. Completeranno anche 14 settimane di esercizio di resistenza unilaterale con le visite descritte di seguito.

1. Valutazione pre-studio

   Ventiquattro ore prima di partecipare alla loro valutazione pre-studio principale, ai partecipanti verrà chiesto di consumare i traccianti di creatina etichettati (marcati con D3; Cre) e (D3) metilistidina (3-MH). Per tracciare questi traccianti rispettivamente nelle urine e nei pool corporei plasmatici, ai partecipanti verrà chiesto di fornire un campione di urina prima di consumare questi traccianti (che porteranno con sé il giorno successivo) e il campione di sangue dello screening verrà utilizzato per 3 - Analisi MH per ridurre al minimo l'onere dei partecipanti. Nelle 24 ore tra il consumo della bevanda tracciante e la partecipazione alla valutazione pre-studio, ai partecipanti verrà chiesto di raccogliere tutta la produzione urinaria per la quale verranno forniti i contenitori. Ai partecipanti verrà inoltre chiesto di raccogliere campioni di urina spot a ~ 48 e 72 ore dopo aver consumato la bevanda tracciante.

   Per la loro principale valutazione pre-studio, i partecipanti verranno assegnati in modo casuale a un gruppo di inibitore della rapamicina (Rapamune) o placebo (corrispondente a una capsula benigna contenente zucchero per ottenere il peso e l'aspetto più uguali possibile al prodotto di trattamento) (singolo cieco), e riferiranno al laboratorio per la loro giornata di valutazione pre-studio. Verrà quindi eseguita una serie di valutazioni di base, inclusa la composizione corporea (ad es. MRI ed ecografia muscolare per determinare massa magra, massa grassa, spessore muscolare, area della sezione trasversale (CSA) e architettura muscolare) e misure di forza e funzione muscolare (1-RM, MVC, potenza, SPPBT e iEMG). Queste misure saranno ripetute per tutto il periodo di intervento per monitorare i cambiamenti temporali. Durante questa visita, verranno prelevati 6 campioni di sangue venoso (~ 5 ml) per la valutazione della disgregazione proteica muscolare (MPB) tramite il tracciante 3-MH consumato il giorno precedente.

   Al termine della visita di valutazione pre-studio, i partecipanti inizieranno una fase introduttiva di due settimane con Rapamune o capsule placebo. Il giorno 13-15 di questa fase iniziale, i partecipanti parteciperanno al laboratorio per le loro biopsie muscolari (~ 150 mg ciascuna), che saranno raccolte dal vasto laterale (VL) di entrambe le gambe (riposo ed esercizio). Questa raccolta bilaterale di biopsie consentirà ai volontari di agire come propri controlli fornendo sia una gamba allenata all'esercizio che una gamba riposata; confrontare anche gli effetti di Rapamune in combinazione con lo stimolo contrattile. I siti di biopsia saranno chiusi da punti di sutura, che vengono rimossi (e il sito della ferita controllato) dopo 5-7 giorni. Dopo queste biopsie iniziali, ai partecipanti verrà somministrata la dose in bolo di D2O per iniziare a valutare i tassi di MPS. Per ridurre al minimo il rischio di vertigini dal consumo di D2O, questa dose iniziale sarà suddivisa in 6-8 porzioni più piccole fornite durante il giorno. Due ore dopo la dose finale di D2O, ai partecipanti verrà chiesto di fornire un campione di saliva.

2. Allenamento con esercizi di resistenza (RET) Il RET consistente in un esercizio di estensione del ginocchio unilaterale (ovvero 6 × 8 ripetizioni al 75% di un massimo di una ripetizione (1-RM)) verrà eseguito 3 volte ogni settimana per 14 settimane. Il RET sarà progressivo, con la rivalutazione dell'1-RM eseguita a intervalli regolari per mantenere l'intensità dell'esercizio. Ai partecipanti verrà inoltre fornito il loro farmaco interventistico (per il dosaggio giornaliero) e le ricariche del tracciante D2O (per la valutazione di MPS) su base settimanale durante queste visite, con un campione di sangue venoso anch'esso raccolto settimanalmente. Ai partecipanti verrà chiesto di raccogliere campioni di saliva giornalieri per la prima settimana (~ 2 ore dopo il consumo di D2O) e successivamente su base settimanale.
3. Valutazione di metà studio 1 Dopo 3 settimane di RET, verranno ripetute tutte le procedure di base delle visite di valutazione pre-studio, ad eccezione delle misure relative ai traccianti D3 e 3-MH e alla risonanza magnetica che non sarà eseguita in questa visita.
4. Valutazione 2 a metà studio Dopo 6 settimane di RET, verranno ripetute tutte le procedure di base delle visite di valutazione pre-studio. Non verranno somministrati ulteriori D2O né raccolti campioni di saliva dopo la settimana 6 di RET.
5. Valutazione post-studio Dopo 14 settimane di RET, verranno ripetute tutte le procedure di base delle visite di valutazione pre-studio. L'etichetta della creatina sarà 13C invece di D3 per consentire una seconda analisi della massa muscolare dell'intero corpo.