Meccanismi degli effetti del testosterone sul muscolo scheletrico
I meccanismi con cui il testosterone aumenta la massa muscolare scheletrica sono poco conosciuti. Le analisi istomorfometriche di biopsie del muscolo vasto laterale ottenute da uomini giovani e anziani che partecipano a studi dose-risposta di testosterone hanno rivelato che la somministrazione di testosterone induce ipertrofia delle fibre muscolari scheletriche di tipo I e II. Tuttavia, il testosterone non influenza il numero assoluto o la proporzione relativa delle fibre muscolari di tipo I e II. L’aumento delle dimensioni muscolari indotto dal testosterone è associato ad un aumento del numero di cellule satelliti.
Sono state proposte tre ipotesi generali per spiegare gli effetti anabolici del testosterone sul muscolo scheletrico e non si escludono a vicenda; è possibile che tutti e tre i percorsi – oltre ad altri percorsi noti e sconosciuti – possano contribuire all’aumento della massa muscolare scheletrica osservato durante la terapia con testosterone. Queste ipotesi includono la stimolazione della sintesi proteica muscolare, la stimolazione dell’asse I dell’ormone della crescita / fattore di crescita insulino-simile e la regolazione del differenziamento delle cellule staminali mesenchimali.
L’ipotesi della sintesi proteica ha dominato il campo sin dagli anni ’40 quando il testosterone e altri androgeni hanno dimostrato di aumentare la ritenzione di azoto negli uomini con deficit di androgeni. Queste osservazioni hanno portato all’ipotesi che il testosterone stimoli la sintesi proteica muscolare. Diversi ricercatori che utilizzano isotopi stabili hanno dimostrato che la terapia con testosterone migliora la sintesi proteica muscolare frazionata e il riutilizzo degli amminoacidi. Gli effetti del testosterone sulla degradazione delle proteine muscolari sono meno chiari.
L’ipotesi della sintesi proteica muscolare non spiega facilmente la variazione reciproca della massa grassa e l’aumento del numero di cellule satellite negli uomini trattati con testosterone. Queste osservazioni ci hanno portato a considerare l’ipotesi alternativa che il testosterone possa regolare la differenziazione delle cellule multipotenti mesenchimali, promuovendone la differenziazione nella linea miogenica e inibendo la differenziazione adipogenica. Per verificare questa ipotesi, abbiamo prima chiesto se la proteina del recettore degli androgeni fosse espressa nelle cellule progenitrici mesenchimali nel muscolo scheletrico. Abbiamo scoperto che la proteina AR era espressa prevalentemente nelle cellule satellite, identificate dalla loro posizione al di fuori del sarcolemma ma all’interno della lamina, e dalla colorazione C-met e CD34. L’espressione della proteina AR è stata osservata anche in molti mionuclei e nelle cellule CD34 + al di fuori della lamina, nelle cellule endoteliali vascolari e nei miofibroblasti. Pertanto, un certo numero di cellule precursori mesenchimali multipotenti, residenti nel muscolo scheletrico, esprimono AR e potrebbero essere bersagli dell’azione degli androgeni.
Abbiamo determinato gli effetti del testosterone e del DHT sulla differenziazione dei multipotenti , cellule mesenchimali C3H10T1 / 2. Sebbene le cellule non trattate esprimano bassi livelli di proteina AR, DHT e testosterone sovraregolano l’espressione AR in queste cellule. La stimolazione androgenica dell’espressione dell’AR è stata bloccata dall’antagonista dell’AR, flutamide, suggerendo che l’AR è coinvolto in questa autoregolazione. L’incubazione con testosterone e DHT aumenta il numero di cellule miogeniche MyoD + e miotubi MHC + e i livelli di mRNA e proteine MyoD e MHC aumentano in modo dipendente dalla dose. Sia il testosterone che il DHT riducono anche il numero di adipociti Oil Red O positivi e sottoregolano l’espressione dell’mRNA PPARγ2 e delle proteine PPARγ2 e C / EBPα che sono marcatori della differenziazione adipogenica. Gli effetti del testosterone e del DHT sulla miogenesi e sull’adipogenesi sono bloccati dalla bicalutamide, un antagonista del recettore degli androgeni. Quindi, il testosterone e il DHT regolano la differenziazione delle cellule multipotenti mesenchimali promuovendone la differenziazione nella linea miogenica e inibendo la loro differenziazione in adipociti attraverso una via mediata da AR (Figura 27.3). L’osservazione che la differenziazione delle cellule multipotenti mesenchimali è regolata dagli androgeni fornisce una spiegazione unificante per gli effetti reciproci degli androgeni sulla massa muscolare e grassa e per l’aumento osservato nel numero di cellule satellite. I nostri dati non escludono la possibilità che gli androgeni possano anche influenzare passaggi aggiuntivi nei percorsi di differenziazione miogenica e adipogenica.
Figura 27.3. Questo modello di azione degli androgeni ipotizza che gli androgeni promuovano la differenziazione delle cellule staminali mesenchimali nel lignaggio miogenico e inibiscano la loro differenziazione in lignaggio adipogeno. Inoltre, è stato dimostrato che il testosterone e il DHT inibiscono la differenziazione dei preadipociti in adipociti. Altri hanno dimostrato che il testosterone aumenta la sintesi proteica muscolare frazionata.
In studi separati, abbiamo dimostrato che il DHT regola anche la differenziazione delle cellule staminali mesenchimali derivate dal midollo umano dagli uomini adulti. Il DHT sovraregola l’espressione di AR e inibisce l’accumulo di lipidi negli adipociti differenziati dalle hMSC e sottoregola l’espressione di aP2, PPARγ, leptina e C / EBPα. La bicalutamide attenua gli effetti inibitori del DHT sulla differenziazione adipogenica delle hMSC. Gli adipociti differenziati in presenza di DHT accumulano goccioline di olio più piccole suggerendo un grado di maturazione ridotto. Il DHT riduce l’incorporazione di acidi grassi marcati nei trigliceridi e sottoregola l’espressione dell’acetil CoA carbossilasi e DGAT2 negli adipociti derivati dalle hMSC. Pertanto, il DHT inibisce la differenziazione adipogenica delle hMSC attraverso una via mediata da AR, ma non influenza la proliferazione di nessuna delle hMSC.
Prove emergenti suggeriscono che la segnalazione Wnt gioca un ruolo importante nella regolazione della differenziazione del progenitore mesenchimale cellule e che il testosterone e il DHT promuovono l’associazione del recettore degli androgeni legato con la β-catenina, stabilizzando quest’ultima e facendo traslocare nel nucleo il complesso recettore degli androgeni-β-catenina e attivare una serie di geni bersaglio Wnt. La doppia immunofluorescenza e studi di immunoprecipitazione hanno rivelato che AR, β-catenina e TCF-4 sono co-localizzati nel nucleo sia nelle cellule trattate con testosterone (100 nM) che in quelle trattate con DHT (10 nM), suggerendo che interagiscono per formare un complesso. Sia la β-catenina che il TCF-4 svolgono un ruolo essenziale nel mediare gli effetti degli androgeni sulla differenziazione delle cellule C3H10T1 / 2.
Il testosterone regola l’espressione di diversi geni bersaglio Wnt, inclusa la follistatina, che gioca un ruolo essenziale nella mediazione degli effetti del testosterone sulla miogenesi. Il segnale androgeno viene trasmesso in modo incrociato alla via TGF-β / SMAD attraverso la follistatina, che blocca la segnalazione TGF-β / SMAD in vivo e in vitro (Figura 27.4).
Figura 27.4. Il ruolo della via di segnalazione Wnt nel mediare gli effetti degli androgeni sul muscolo scheletrico. Gli androgeni regolano la differenziazione delle cellule multipotenti mesenchimali nel lignaggio miogenico promuovendo l’associazione di AR ligando con beta-catenina, stabilizzando quest’ultima e causando la traslocazione del complesso AR-beta-catenina nel nucleo dove si associa con TCF-4 e regola il espressione di un certo numero di geni bersaglio Wnt, inclusa la follistatina. Questi geni target Wnt, in particolare la follistatina, regolano la differenziazione miogenica e adipogenica. Vengono mostrate anche altre componenti del percorso canonico Wnt. AR; recettore degli androgeni; TCF-4: fattore di cellule T-4; APC: colon adenoma poliposi; Dsh: spettinato; GSK3: glicogeno sintasi chinasi 3 beta; LiCl: cloruro di litio.
È stato ampiamente riconosciuto che la terapia con testosterone aumenta la secrezione pulsatile dell’ormone della crescita (GH) e aumenta insulino-simile sierica concentrazioni del fattore di crescita I (IGF-I) nei ragazzi peripuberali e nei ragazzi con ritardo costituzionale della pubertà. L’aumento della secrezione di GH associato al testosterone è il risultato di una maggiore massa di GH secreto per raffica e di un tasso massimo più elevato di secrezione di GH all’interno di ciascuna raffica. Inoltre, gli androgeni aumentano l’entità del ritmo nyctoemerale nella massa degli impulsi secretori del GH. Questo aumento della secrezione di GH può contribuire agli effetti di promozione della crescita del testosterone nei ragazzi con ritardo costituzionale della pubertà. È stato anche dimostrato che la somministrazione di androgeni aumenta i livelli di IGF-I circolanti e aumenta l’espressione dell’mRNA di IGF-I intramuscolare negli uomini. Tuttavia, aneddoticamente, abbiamo osservato che la terapia con testosterone aumenta la massa corporea magra anche negli uomini ipogonadici che hanno avuto ipofisectomia e sono carenti di GH. Questi dati suggeriscono che, sebbene la terapia con testosterone possa aumentare la secrezione di GH e i livelli circolanti di IGF-I, potrebbe non essere essenziale per mediare gli effetti anabolici del testosterone sul muscolo. Anche il ruolo del sistema IGF-I intramuscolare nel mediare gli effetti degli androgeni sul muscolo richiede ulteriori indagini.