经皮电刺激对失神经支配后肌纤维微结构及力学性能影响的研究

Electrical stimulation is a widely-used therapy for patients with muscle denervation. Several researches have revealed that electrical stimulation inhibited muscle atrophy and reserved muscle activity. But the underlying mechanisms remain uncertain. Up to now, there is no report focusing on the microstructure and mechanical property of myofibers after denervation and electrical stimulation. The mechanical property of a myofiber depends on its fiber type and the microstructure of myofibril.Dystrophin is a kind of cytoskeleton protein in the myofibril, and plays an important role in maintaining the stability of myofibril microstructure and mechanical property of myofiber. Expression of Dystrophin is regulated by the Akt pathway. In the present study, we plan to investigate the probable changes in the microstructure and mechanical property of single denervated myofiber after electrical stimulation, and their correlation with the changes of Dystrophin expression. Furthermore, we will also investigate the role of Akt pathway during a series of changes in myofiber structure and property induced by electrical stimulation. Our aim is to reveal the internal interaction of "biological signal pathway-cytoskeleton protein-microstructure-mechanics"system, and to discuss the different responses of three different myofiber types to the electrical stimulation.These will provide important evidences to explain the mechanisms underlying the theuraputic effects of electrical stimulation on the denervated muscles.

经皮电刺激用于肌肉失神经支配的治疗，可防治肌肉萎缩，保持肌肉活性。但其机制不明，对肌纤维的微结构及力学性能的影响尚无报道。肌纤维力学性能与自身纤维类型及其结构亚单位肌原纤维的微结构直接相关。Dystropgin是肌原纤维中的重要细胞骨架蛋白，对维持肌原纤维微结构稳定及肌纤维力学性能不可或缺，该蛋白表达受Akt信号通路调控。本项目在前期工作基础上，拟研究失神经支配肌肉接受经皮电刺激后，单根肌纤维力学性能的变化及其肌原纤维微结构的改变，分析二者改变与Dystrophin含量的相关性。再进一步从细胞水平研究在电刺激影响肌纤维Dystrophin表达和肌原纤维微结构过程中，细胞Akt信号通路发挥的作用。最终建立"信号通路-细胞骨架蛋白-肌原纤维微结构-肌纤维力学性能"的内在本质联系，并探讨不同类型肌纤维在电刺激下的力学响应，对揭示经皮电刺激治疗肌肉失神经支配的作用机制具有重大意义。

电刺激是预防失神经支配骨骼肌功能退行性改变的常用理疗方式，可防治肌肉萎缩，保持肌肉活性，但其作用机制尚不明确。力学特性是骨骼肌最主要的功能特性，目前对肌纤维的力学特性的影响尚无报道。这些特性和微结构的改变密切相关，同时受蛋白分子调控影响，探讨电刺激对骨骼肌力学特性和微结构的影响及相关机制具有重要意义。随着高通量研究技术不断进步，转录组学和蛋白质组学技术日益成熟，为探讨生命过程机制提供了一种新方法。本研究从“整体骨骼肌—肌纤维—肌原纤维”三个层次分析了电刺激对失神经支配骨骼肌结构的影响。从“整体骨骼肌—骨骼肌单根肌纤维”两个层面分析了电刺激对失神经支配骨骼肌收缩特性的影响。同时，应用转录组学和蛋白质组学技术探索与电刺激对失神经支配骨骼肌结构和收缩特性的影响机制相关的生物分子。研究发现，骨骼肌失神经支配后，电刺激在“整体骨骼肌—肌纤维—肌原纤维”三个层面均具有保护骨骼肌结构的作用，在“整体骨骼肌—骨骼肌单根肌纤维”两个层面均表现为收缩特性保护作用。利用转录组学技术成功鉴定了402个差异表达基因，进行GO分析获得4393个BP条目，601个CC条目，857个MF条目，进行KEGG Pathway分析获得212条信号通路。利用LC-MS/MS技术成功鉴定了66个差异表达蛋白，进行GO分析获得1668个BP条目，301个CC条目，295个MF条目，进行KEGG Pathway分析获得89条信号通路。结果提示FoxO信号通路、凋亡信号通路、p53信号通路可能在结构保护作用方面发挥关键作用。骨骼肌功能模块分析提示抗凋亡相关蛋白、肌纤维类型转化相关蛋白、M线结构蛋白、肌营养不良蛋白联合糖蛋白复合物相关蛋白、抗纤维化相关蛋白可能在电刺激对失神经支配骨骼肌的影响中发挥重要作用。本研究丰富了我们对电刺激对失神经支配骨骼肌结构和功能保护作用机制的认识，提供了机制探索的新思路，进一步针对特定蛋白或基因的研究有望取得更丰富的结果，将电刺激推广到更多疾病的治疗当中。