Molecular alterations in muscle wasting and cachexia : therapeutic approaches in animal models

Abstract

Cachexia and muscle deconditioning, which are the major comorbidities in patients with chronic diseases including lung cancer (LC), impair disease prognosis. Several biological mechanisms are involved in these two muscle wasting conditions but current treatment options are limited. Hypothesis: the biological mechanisms involved in muscle wasting and dysfunction may differ between muscle deconditioning and LC induced cachexia in mice. We also hypothesized that the profile of molecular events implicated in disuse muscle atrophy and muscle recovery, may be different between early and late phases in gastrocnemius of mice exposed to hindlimb unloading. Pharmacological inhibition of MAPK, NF-kB, and proteasome, and the deficiency of either PARP-1 or PARP-2 proteins may revert impaired muscle mass and force in cachectic animals. Objectives: to explore the differences in the biological mechanisms potentially involved in muscle wasting and dysfunction in LC cancer cachexia and disuse muscle atrophy. To establish the temporal sequence of the molecular events involved in skeletal muscle mass loss during limb muscle unloading and reloading. To investigate several pharmacological strategies potentially beneficial for cachexia treatment. Methods: muscle mass, structure and function, muscle proteolysis, muscle anabolism, signaling pathways, and epigenetic markers were evaluated in 1) the diaphragm and gastrocnemius of LC cachectic mice: wild type, Parp-1-/- and Parp-2-/-; 2) in gastrocnemius of mice exposed to different periods of hindlimb immobilization and recovery. Results: In LC cachectic wild type mice: muscle proteolysis, MAPK, NF-κB, and protein acetylation were increased, while muscle structure and function, muscle anabolism, microRNAs, myogenic transcription factors and hystone deacetylases were decreased. After late-time points of hindlimb immobilization, muscle structure and function, and muscle anabolism were decreased, whereas FoxO signaling and proteolysis were increased. Muscle reloading improved the alterations seen during immobilization, especially during late phases. Pharmacological inhibition of NF-κB and MAPK, and PARP-1 and -2 deficiencies improved muscle mass and force through a decrease in protein oxidation and catabolism, together with a greater content of contractile and functional proteins. Conclusions: Molecular mechanisms involved in muscle mass loss and dysfunction are slightly different depending on the underlying condition (cancer or disuse). During disuse muscle atrophy, biological mechanisms are characterized by a differential expression profile between early- and late-phases, being the latter a crucial stage for muscle recovery. NF-κB and MAPK inhibitors, as well as available PARP inhibitors, may have potential clinical applicability for cancer cachexia treatment.

La caquexia y el decondicionamiento muscular, los cuales son las mayores comorbilidades en pacientes con enfermedades crónicas tales como el cáncer de pulmón (CP), empeoran el pronóstico de la enfermedad. Diversos mecanismos biológicos están involucrados en estas dos condiciones de desgaste muscular pero las opciones actuales de tratamiento son limitadas. Hipótesis: los mecanismos biológicos implicados en la pérdida de masa y función muscular podrían diferir entre el decondicionamiento muscular y la caquexia inducida por CP en ratones. El perfil de eventos moleculares involucrados en el desuso y en la regeneración muscular, podrían ser diferentes entre las etapas tempranas y tardías en el gastrocnemio de ratones expuestos a inmovilización de la extremidad posterior. La inhibición farmacológica de MAPK, NF-kB, y el proteosoma, y la deficiencia de las proteínas PARP-1 o PARP-2 podrían revertir la pérdida de masa y fuerza de los músculos en los animales caquécticos. Objetivos: explorar las diferencias en los mecanismos biológicos potencialmente implicados en la perdida y disfunción muscular en la caquexia por CP y en el decondicionamiento muscular. Establecer la secuencia temporal de eventos biológicos involucrados en la pérdida de masa muscular durante la descarga y recarga del músculo de las extremidades. Investigar diferentes estrategias farmacológicas potencialmente beneficiosas para el tratamiento de la caquexia. Métodos: la masa, estructura y función de los músculos, la proteólisis y el anabolismo muscular, vías de señalización, y marcadores epigenéticos fueron evaluados en 1) el diafragma y gastrocnemio de ratones con caquexia por CP: wild type, Parp-1-/- y Parp-2-/-; 2) en el gastrocnemio de ratones expuestos a diferentes periodos de inmovilización y recarga. Resultados: en los animales wild type caquécticos: la proteólisis, MAPK, NF-κB, y la acetilación proteica aumentaron, mientras que la estructura, función, anabolismo, microRNAs, factores de transcripción miogénicos, y las histonas deacetilasas disminuyeron. Después de periodos tardíos de inmovilización de las extremidades posteriores, la estructura, función, y el anabolismo muscular disminuyeron, mientras que FoxO y la proteólisis se incrementaron. Tras la recarga muscular, las alteraciones observadas durante la inmovilización mejoraron, especialmente durante las fases finales. La inhibición farmacológica de NF-kB y MAPK, y la deficiencia de PARP-1 o -2 mejoraron la masa y fuerza muscular mediante la disminución de la oxidación y el catabolismo proteico, junto con un mayor contenido de proteínas contráctiles y funcionales. Conclusiones: Los mecanismos moleculares implicados en la pérdida de masa y función muscular son ligeramente diferentes dependiendo de la enfermedad subyacente (cáncer o desuso). Durante el desuso, dichos mecanismos se caracterizan por un perfil de expresión diferencial entre fases de inmovilización tempranas y tardías, siendo estas últimas cruciales para la recuperación muscular. El tratamiento con inhibidores de NF-kB y MAPK, así como los inhibidores de PARP disponibles, pueden tener potencial aplicabilidad clínica para el tratamiento de la caquexia por cáncer.