骨骼肌微环境在运动和损伤后的短暂重塑和硬化，以及这些变化如何影响固有的肌肉干细胞（MuSCs）。尽管骨骼肌纤维（肌纤维）需要物理支持以发挥功能，并在肌肉收缩和放松期间产生的压力之间提供适应性，但目前对于肌肉僵硬度变化如何直接影响MuSCs的行为和功能知之甚少。
研究简介
在本研究中，在肌肉损伤后，肌肉僵硬度在形态学再生完成后仍然保持高水平，伴随着MuSCs的激活和增殖。为了分离僵硬度对MuSC行为的影响，并确定潜在的力学传导途径，使用了一种能够通过二次光交联实现原位硬化的应变促进的叠氮-炔烃环加成（SPAAC）水凝胶，来培养MuSCs。
研究结果表明，提高的僵硬度通过将Yes相关蛋白1（YAP）和WW域包含的转录调节因子1（WWTR1，也称为TAZ）定位到细胞核中，增强了MuSCs的迁移和增殖。在体内，敲除YAP和TAZ促进了损伤后肌肉中MuSCs的静息状态，并防止了肌纤维肥大，这表明持续暴露于提高的僵硬度下会激活力学传导信号，维持激活和增殖的MuSCs。
进一步使用原子力显微镜（AFM）测量了不同时间点BaCl2损伤后TA肌的弹性模量（杨氏模量，E′），发现损伤后肌肉的弹性模量先是下降，随后在再生过程中反弹至高于未损伤肌肉的水平，并至少持续28天。此外，研究还发现，再生骨骼肌中胶原蛋白沉积增加，表明肌肉再生后ECM组成和机械僵硬度的变化持续存在，且在损伤后28天内并未恢复到损伤前的水平。
在对C2C12细胞（一种从MuSCs衍生的成肌细胞系）的实验中，与在E′=2 kPa的水凝胶上相比，C2C12细胞在E′=32 kPa的水凝胶上的增殖更多。此外，当水凝胶从E′=2 kPa通过光照硬化至E′=24 kPa时，C2C12细胞在硬化后48小时内增加了DNA合成，达到了与连续培养在E′=32 kPa水凝胶上的C2C12细胞相似的水平。这些结果表明，MuSCs能够响应动态硬度变化，从而调控细胞分裂。
研究还发现，C2C12细胞在较硬的水凝胶上的迁移速度更高，这表明基底力学性能可能增强了C2C12细胞的迁移能力。此外，通过将肌肉纤维及其相关的MuSCs嵌入水凝胶中，能够在控制外部硬度的同时保持MuSC-肌纤维相互作用，并观察到MuSCs的增殖与水凝胶硬度呈正相关。
在对YAP和TAZ作为力学传感器的作用的研究中，随着基质模量的增加，YAP和TAZ在C2C12细胞中的核定位逐渐增加。通过使用小分子抑制剂verteporfin抑制YAP和TAZ的核导入，研究人员发现这降低了C2C12细胞在E′=32 kPa水凝胶上的增殖，表明YAP和TAZ信号传导介导了力学敏感的C2C12细胞增殖。此外，通过短发夹RNA（shRNA）和siRNA敲除YAP和TAZ，研究人员评估了每个蛋白对C2C12细胞反应的个体作用，发现YAP和TAZ在C2C12细胞增殖中发挥协同作用。
通过构建MuSC条件性YAP和TAZ双敲除小鼠来研究YAP和TAZ在僵硬度依赖性增殖中的必要性。结果表明，YAP和TAZ的敲除阻断了MuSCs在硬基质上的增殖，并且在体内，YAP和TAZ的敲除恢复了损伤后肌肉中MuSCs的静息状态，并防止了通常在肌肉损伤后发生的肌纤维肥大。
讨论部分指出，肌肉收缩期间获得的机械和化学压力需要通过内源性干细胞群的维护和修复。在肌肉再生过程中，肌肉在损伤后立即变软，然后变硬，并在功能和形态再生完成后意外地保持持续僵硬。这与肌肉损伤后14天和28天时MuSCs保持激活和增殖状态相吻合，这引发了关于这些变化是否部分由长期暴露于提高的僵硬度、伴随的化学信号或两者引起的问题。研究使用动态硬化水凝胶确定水凝胶僵硬度诱导增殖、增强运动能力，并将YAP/TAZ定位到细胞核。YAP和TAZ在暴露于提高的僵硬度时持续激活MuSCs，因为YAP和TAZ的敲除在损伤后14天恢复了MuSCs的增殖和肌肉肥大至未损伤水平。
肌肉损伤后肌肉的僵硬度在5天后降至最低，但由于受伤组织的降解，YAP和TAZ水平在MuSCs中升高。在损伤的最初5天内，MuSCs增殖的主要调节因素可能是分泌因子和可能的细胞间相互作用。例如，释放的肌纤维结合Wnt可能有助于YAP和TAZ在MuSCs中的激活。大量涌入的免疫细胞和成纤维细胞的增殖提高了细胞因子水平并增加了ECM沉积。因此，化学信号可能在快速MuSCs扩张期间覆盖了任何机械刺激的影响，这是为了补充肌核所必需的。化学和机械信号的组合决定了MuSC行为，并可能取决于与周围微环境的复杂相互作用。
讨论了肌肉僵硬度的长期变化可能对肌肉再生的影响，特别是在进行性肌肉病变和衰老期间。他们指出，长期暴露于提高的僵硬度可能对MuSCs不利，逐渐耗尽MuSC池，并在长期时间内耗尽再生潜力，这可能发生在进行性肌肉病变和衰老期间。通过操纵水凝胶的性质，能够建立基质僵硬度直接促进MuSC增殖并增强迁移。此外，他们通过动态操纵这些水凝胶来证明YAP和TAZ并不是功能上的冗余。最后，他们通过体内敲除YAP和TAZ来测试并确认了水凝胶培养的结果，确定损伤肌肉中提高的僵硬度促进了MuSCs的增殖和肌纤维肥大。肌肉弹性的持续但逐渐增加可能有助于进行性肌肉病变和肌肉衰老期间骨骼肌再生能力的损害。
原文链接：
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33712460/
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