БИОХИМИЯ, 2021, том 86, вып. 5, с. 724 - 739

УДК 612.74, 577.29, 57.085.23

ЭЛЕКТРОСТИМУЛЯЦИЯ МИОТУБ КАК МОДЕЛЬ

СОКРАТИТЕЛЬНОЙ АКТИВНОСТИ МЫШЦ in vitro:

ТЕКУЩЕЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ

Обзор

Т.Ф. Вепхвадзе¹, А.В. Воротников², Д.В. Попов^1,3*

¹ Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Государственный научный центр

Российской Федерации Институт медико'биологических проблем РАН,

123007 Москва, Россия; электронная почта: danil'popov@yandex.ru

² Федеральное государственное бюджетное учреждение Национальный медицинский исследовательский центр

кардиологии Министерства здравоохранения Российской Федерации, 121552 Москва, Россия

³ Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова,

факультет фундаментальной медицины, 119991 Москва, Россия

Поступила в редакцию 24.12.2020

После доработки 04.04.2021

Принята к публикации 05.04.2021

Скелетные мышцы составляют более трети массы тела человека и вносят значительный вклад в регуляцию

метаболизма в организме. Хроническое уменьшение двигательной активности замедляет метаболизм и сни

жает функциональные возможности мышц, ведет к нарушению обмена веществ, а также развитию социаль

но значимых заболеваний и снижению уровня и продолжительности жизни. Экспериментальные модели на

основе клеток предшественников, выделяемых из мышечной ткани человека при биопсии и дифференци

рованных в зрелые волокна in vitro, могут быть использованы для решения широкого спектра эксперимен

тальных задач. В обзоре обсуждаются особенности динамики и регуляции миогенеза, имеющие критичес

кое значение для создания адекватной клеточной модели. Основной функцией скелетной мышцы является

сокращение, поэтому электростимуляция миотуб представляется перспективным подходом для успешного

завершения миогенеза и для моделирования in vitro основных процессов, происходящих в скелетной мыш

це при физических нагрузках. В обзоре анализируются текущие недостатки и возможности оптимизации

существующей клеточной модели, а также перспективы её развития для решения фундаментальных задач,

связанных с физиологией и биохимией мышечной деятельности, а также изучением механизмов развития

метаболических заболеваний.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: скелетная мышца, физическая нагрузка, сателлитные клетки, миогенез, электрости

муляция, метаболизм, экспрессия генов.

DOI: 10.31857/S0320972521050080

ВВЕДЕНИЕ

тенсивной и продолжительной нагрузке мы

шечные волокна с высокими окислительными

Скелетные мышцы составляют более трети

возможностями активно используют жирные

массы тела человека и в норме обладают высо

кислоты в качестве энергетических субстратов,

кой метаболической активностью. В покое они

координируя углеводно жировой обмен в орга

осуществляют до 90% инсулин зависимого пот

низме и препятствуя развитию ожирения и ин

ребления глюкозы [1], дополнительно растуще

сулинорезистентности как раннего проявления

го при физических нагрузках [2]. При низкоин

диабетических изменений [1-3]. Хроническое

уменьшение двигательной активности снижает

метаболизм и функциональные возможности

Принятые сокращения: СК - сателлитные клетки;

ЭМГ - электромиограмма; ЭМСК - эмбриональные мы

скелетных мышц, приводит к нарушению обме

шечные стволовые клетки; AMPK - AMP зависимая про

на веществ, развитию ожирения, метаболичес

теинкиназа; GLUT4 - инсулин регулируемый транспор

кого синдрома и диабета II типа, усугубляет раз

тер глюкозы 4; mTORC1 - мишень рапамицина, комп

витие возрастной саркопении (потери мышеч

лекс 1; MyoG - миогенин; p38 MAPK - митоген активи

руемая протеинкиназа р38; Pax3/Pax7 - спаренные гомео

ной массы), повышает риск развития сердечно

боксные транскрипционные факторы 3/7; TNF1 - фактор

сосудистых заболеваний, депрессии и синдрома

некроза опухоли 1.

хронической усталости, а также сокращает про

* Адресат для корреспонденции.

должительность жизни [4-8].

724

КЛЕТОЧНАЯ МОДЕЛЬ СОКРАТИТЕЛЬНОЙ АКТИВНОСТИ МЫШЦ

725

Во время интенсивной сократительной ак

участием добровольцев in vivo связаны с этичес

тивности мышечные клетки испытывают меха

кими ограничениями: повторяющиеся биопсии

ническое напряжение, повышается внутримы

мышц, использование фармакологических ак

шечная температура, изменяется содержание

тиваторов, ингибиторов и радиоактивных трей

многих тканевых метаболитов, снижается рН и

серов, регуляция экспрессии генов (рис. 1).

запасы гликогена. Эти и другие факторы активи

Применение животных моделей позволяет пре

руют многочисленные сигнальные пути и замет

одолеть часть ограничений, однако некоторые

но изменяют транскриптомный профиль

механизмы адаптации мышц грызунов к физи

(экспрессию сотен генов) в течение нескольких

ческим нагрузкам отличаются от наблюдаемых у

часов восстановления после активности [9, 10].

человека. Например, у грызунов в отличие от

Во время и после работы скелетные мышцы вы

человека физические нагрузки изменяют соот

деляют множество метаболитов и миокинов,

ношение мышечных волокон I и II типов

оказывающих эндо , пара и аутокринные воз

[17, 18], значительно различающихся метаболи

действия [5, 11, 12]. Регулярные аэробные наг

ческим профилем [19]. Помимо этого циркад

рузки (длительные и низкоинтенсивные, энерго

ные ритмы влияют на экспрессию нескольких

обеспечение которых идет в основном за счет

сотен генов в мышцах грызунов [20, 21] и чело

окислительного фосфорилирования) являются

века [22]. Это затрудняет сравнение и интерпре

эффективным инструментом для повышения

тацию данных, полученных в разных моделях

функциональных возможностей скелетных

in vivo [23], поэтому использование клеточной

мышц (чувствительности к инсулину, макси

модели для изучения механизмов адаптации

мальной скорости окисления жиров и углеводов,

скелетных мышц представляется оптимальным

работоспособности) и профилактики многих за

и может применяться на практике.

болеваний, включая саркопению, сердечно со

Проблема неспособности терминально диф

судистые заболевания и системные метаболичес

ференцированных мышечных клеток к культи

кие нарушения при диабете II типа [6, 7, 13-15].

вированию решается путём выделения из мы

У людей нетренированных и с пониженными

шечных биопсий сателлитных клеток предше

функциональными возможностями работоспо

ственников (СК), превращающихся в процессе

собность ограничена прежде всего низкой окис

пролиферации и последующей дифференци

лительной способностью скелетных мышц и их

ровки in vitro в функциональные миотубы

высокой утомляемостью, а не производитель

(рис. 1). СК рассматриваются как «взрослые»

ностью кислородтранспортной системы [16]. Это

стволовые клетки, которые отличаются от эмб

подчеркивает важность изучения молекулярных

риональных мышечных стволовых клеток

и биохимических механизмов адаптации скелет

(ЭМСК) профилем экспрессии транскрипци

ных мышц к сократительной активности.

онных факторов и степенью коммитированнос

Понимание сути изменений во внутрикле

ти. Контролируемый миогенез in vitro позволяет

точной сигнализации и профиле экспрессии ге

использовать СК как исходный материал для

нов, происходящих в скелетной мышце при од

создания клеточной модели и решения широко

нократных и регулярных аэробных упражнени

го спектра экспериментальных задач, в том чис

ях, важно для поиска оптимальных подходов

ле для исследования миогенного и регенератив

для профилактики и борьбы с метаболическими

ного потенциала этих клеток в норме и при па

нарушениями (на уровне скелетных мышц и ор

тологическом изменении метаболической ак

ганизма), а также при восстановлении после ог

тивности.

раничения двигательной активности (малопод

Основной функцией скелетной мышцы яв

вижный образ жизни, длительное пребывание

ляется сократительная активность, которая

на постельном режиме, реабилитация космо

должна быть смоделирована в эксперименте.

навтов после полета и т.д.). Данная информация

Скелетная мышца состоит из мышечных воло

также важна для поиска эффективных путей

кон, представляющих собой многоядерный син

увеличения функциональных возможностей

цитий, образуемый при слиянии миоцитов в мио

скелетных мышц (и организма в целом) у людей

тубы. Формирование миотуб, способных к сок

с нормальным уровнем двигательной активнос

ращению in vitro, зависит от ряда факторов и яв

ти и спортсменов, тренирующих выносливость.

ляется отдельной проблемой (см. ниже). Элект

Несмотря на большое количество исследований

ростимуляция может дать ключ к ее решению,

в этой области, молекулярные механизмы адап

поскольку она служит основным триггером, за

тации скелетной мышцы к аэробным нагрузкам

пускающим сокращение миотуб. При этом про

остаются во многом неясными.

исходят изменения внутриклеточной сигнализа

Исследования молекулярных и биохимичес

ции, паттерна экспрессии генов, а также клеточ

ких механизмов адаптации скелетной мышцы с

ного фенотипа. В условиях in vitro электростиму

БИОХИМИЯ том 86 вып. 5 2021

726

ВЕПХВАДЗЕ и др.

Рис. 1. Два подхода к исследованию молекулярных и биохимических механизмов адаптации сократительной активности

мышц. В первом случае (вверху) используются пробы скелетных мышц, взятых до и после какого либо воздействия или у

различных когорт добровольцев (эксперимент in vivo) для анализа их феноменологических характеристик (активность

ферментов, модификации белков, транскрипционная активность, профили экспрессии и т.п.); экспериментальные мани

пуляции с донорским материалом при таком подходе практически невозможны. Во втором случае (внизу) из мышечных

биопсий выделяют сателлитные клетки, которые далее культивируют in vitro; дифференцированные в миотубы клетки

доступны для широкого спектра экспериментальных воздействий, включая электростимуляцию, моделирующую различ

ные режимы сократительной активности мышц

ляция может инициировать молекулярные со

прямыми и обратными связями (рис. 2, в), дина

бытия последних стадий миогенеза и формиро

мика которой меняется, определяя протекание

вания функциональных миотуб (рис. 1).

миогенеза. Динамические изменения Myf5 и

Pax3/Pax7 поддерживают СК в стволовом состо

янии, MyoD регулирует мобилизацию CК из

МИОГЕНЕЗ И САТЕЛЛИТНЫЕ КЛЕТКИ

стволовой ниши, а MyoG участвует в формиро

вании миотуб [24]. Первичная активация ЭМСК

Миогенез представляет собой процесс фор

связана с падением экспрессии Рах3, индукцией

мирования мышечных волокон из клеток пред

Рах7 и транзиторной экспрессией Myf5 и MyoD.

шественников и обновления структур волокон,

Коммитирование ЭМСК в направлении СК

утрачиваемых в процессе жизнедеятельности.

обусловлено реактивацией экспрессии Myf5,

Обычно его разделяют на три фазы (рис. 2, а)

дальнейшая дифференцировка до миобластов

[24-27].

происходит при активации MyoD (рис. 2, б). По

Миогенез регулируется рядом транскрипци

вышение уровня MyoG маркирует дифференци

онных факторов, главными на регенеративной

ровку миобластов в миоциты, Mrf4 координиру

стадии считаются 4 классических: Myf5, MyoD,

ет формирование миотуб. При этом Рах7 служит

MyoG (миогенин) и Mrf4 (Myf6) [24, 27-30]. Для

базовым маркером СК, и его наличие позволяет

поддержания стволового состояния и регенера

контролировать выделение истинных СК из мы

тивного потенциала важна работа факторов

шечных биопсий и поддержание их в клеточной

Pax3/Pax7 [29, 31]. Последовательные изменения

культуре в виде стволовых клеток [29].

уровня экспрессии всех этих факторов

Внешние факторы также играют важную

(рис. 2, б), инактивация и активация их генов

роль в поддержании стволового фенотипа час

in vitro [32], а также данные полногеномных ис

тично коммитированных СК. В условиях in vitro

следований [30] указывают на сложные взаимо

они могут быть важными для удержания СК от

связи между этими факторами и важность их

преждевременной дифференцировки, позволяя

взаимодействия в процессе миогенеза. Они фор

провести наращивание культуры путем проли

мируют регуляторную сеть с многочисленными

ферации. Как уже отмечено, одним их таких

БИОХИМИЯ том 86 вып. 5 2021

728

ВЕПХВАДЗЕ и др.

факторов является наличие внеклеточного мат

нения на разных стадиях миогенеза. На ранней

рикса вокруг клеток, который не только меха

стадии активации ЭМСК запуск сигнального

нически имитирует стволовую нишу, но и влия

пути Notch и механизма эпителиально мезенхи

ет на доступность для клеток кислорода и пита

мального перехода ведет к разрушению межкле

тельных веществ, гормонов и цитокинов, а так

точных контактов, опосредованных N кадгери

же на способность к формированию межклеточ

ном и β катенином. В результате β катенин пе

ных контактов. Регенеративные свойства и ак

ремещается в ядро, где запускает экспрессию

тивность СК усиливаются при умеренной ги

Myf5 [45] и Pax7 [31], коммитируя развитие

поксии, но снижаются при жесткой [33]. Это

ЭМСК в мышечном направлении. Переход

может быть связано с биогенезом митохондрий,

ЭМСК в СК дополнительно связан с формиро

активность которых способствует регенератив

ванием стволовой ниши на поверхности миотуб

ному миогенезу посредством работы c Myc и

(или мышечных волокон), когда вокруг СК

кальциневрина, регулирующих экспрессию

формируется оболочка внеклеточного матрик

MyoD и MyoG [34]. Миогенез нарушается при

са, препятствующая межклеточным контактам и

воспалении под действием воспалительных ин

поддерживающая плюрипотентный/стволовый

терлейкинов, фактора некроза опухолей

фенотип СК [24]. При этом СК могут делиться

(TNFα) и интерферона γ [35]. Сходная картина

как симметрично вдоль волокна с образованием

наблюдается в жировой ткани, когда повышен

двух дочерних СК, так и асимметрично поперек

ный воспалительный фон препятствует жиро

волокна с образованием дочерней клетки, обес

вой дифференцировке резидентных клеток

печивающей регенеративный миогенез. Нако

предшественников и играет ключевую роль в

нец, восстановление межклеточных контактов

развитии инсулинорезистентности и других ме

вносит критический вклад в слияние дифферен

таболических нарушений [8]. Анаболические

цированных миобластов в миотубы или присое

гормоны, такие как инсулин и инсулиноподоб

динение к мышечным волокнам [45].

ный фактор роста 1, гормон роста и андрогены,

Таким образом, использование СК из мы

противодействуют развитию воспаления и акти

шечных биопсий для создания клеточных моде

вируют синтез мышечных белков, однако их

лей требует контроля нескольких ключевых эта

влияние на СК полностью не изучено [35]. При

пов миогенеза. Во первых, это характеристика

этом инсулин - активатор комплекса mTORC1

выделяемых СК по наличию ключевых марке

(ключевого регулятора синтеза белка) - часто

ров этих клеток. Во вторых, это создание усло

используют как компонент среды для индукции

вий для пролиферации СК при сохранении их

миогенеза СК in vitro; напротив, подавление ак

стволового фенотипа, что может быть достигну

тивности mTORC1 блокирует слияние миоци

то через ослабление межклеточных взаимодей

тов, образование и созревание миотуб в клеточ

ствий или путём регуляции экспрессии факто

ных моделях [36]. С другой стороны, повышен

ров транскрипции, таких как Рах7, Myf5 и

ное содержание глюкозы в среде ингибирует

MyoD. В третьих, это контроль внешних факто

пролиферацию первичных миобластов мыши

ров, включая гормоны для индукции дифферен

[37] и дифференцировку клеток линии С2С12,

цировки, а также оптимизация клеточного

влияя на содержание и локализацию MyoD

субстрата, например, использование специаль

[38, 39] и фактора транскрипции Mlx, регулиру

ных субстратов с микроструктурой (см. ниже).

ющего слияние миотуб [40]. Однако в других ра

Наконец, это обеспечение слияния миоцитов в

ботах было показано, что гипергликемия уско

миотубы, чему способствует восстановление

ряла дифференцировку клеток C2C12 на фоне

межклеточных контактов за счет разрыхления

сниженной активности AMP зависимой проте

внеклеточного матрикса или специфической

инкиназы (AMPK), ключевого регулятора угле

стимуляции миоцитов. Как обсуждается ниже,

водно жирового обмена и биогенеза митохонд

применение электростимуляции миоцитов мо

рий, и максимальной скорости дыхания мито

жет использоваться как воздействие для ускоре

хондрий [41, 42], а также увеличивала содержа

ния завершения дифференцировки и формиро

ние митохондриальных белков в первичных мио

вания зрелых многоядерных миотуб.

тубах человека [43]. Еще в одном исследовании

различий в перечисленных выше характеристи

ках первичных миотуб выявлено не было [44].

КЛЕТОЧНАЯ МОДЕЛЬ СОКРАТИТЕЛЬНОЙ

Таким образом, данные о глюкозозависимой ре

АКТИВНОСТИ МЫШЦ

гуляции миогенеза достаточно противоречивы и

требуют дополнительных исследований.

Использовать электростимуляцию мышеч

Физические контакты с соседними клетками

ных клеток в экспериментах in vitro начали уже в

и внеклеточным матриксом претерпевают изме

середине 70 х годов прошлого века. В начале

БИОХИМИЯ том 86 вып. 5 2021

КЛЕТОЧНАЯ МОДЕЛЬ СОКРАТИТЕЛЬНОЙ АКТИВНОСТИ МЫШЦ

729

XXI века было проведено первое исследование с

запасов мышечного гликогена. Однократная

электростимуляцией первичных миотуб челове

стимуляция миотуб вызывает сходные с in vivo

ка [46]. Для этого из биопсийной пробы ткани

изменения внутриклеточной сигнализации: ак

скелетной мышцы были выделены СК, мио

тивацию AMPK и p38 MAP киназы, увеличение

бласты культивировали и инициировали диф

уровня фосфорилирования транскрипционных

ференцировку in vitro в миотубы. Такие клеточ

факторов CREB1 и ATF1, а также усиление сек

ные модели особенно привлекательны для изу

реции миокинов (интерлейкинов, хемокинов

чения миогенеза, поскольку позволяют ассоци

семейств CXC, СС и др.) [51, 55-61]. Важно под

ировать конкретные изменения профиля

черкнуть, что любая стимуляция усиливает экс

экспрессии генов с изменениями морфологии и

прессию ключевых генов регуляторов углевод

функциональных характеристик клеток. По ви

но жирового обмена, ангиогенеза и митохондри

димому, это частично объясняет резкое усиле

ального биогенеза (PPARGC1A, GABPA, ESRRA,

ние интереса к этой модели, произошедшее в

NR4A3, TFAM и PDK4), повышает содержание

последнее десятилетие [47, 48].

митохондриальных белков, максимальную ско

Обычно миотубы выращивают и стимулиру

рость дыхания митохондрий и инсулинозависи

ют в чашках Петри с помощью угольных или

мое потребление глюкозы [54, 55, 59, 62-65]. На

платиновых электродов, используя биполярные

основе этих данных можно сделать вывод, что

электрические импульсы. Известные протоко

описываемая клеточная модель представляется

лы стимуляции [48, 49] можно условно разде

адекватной для моделирования процессов, про

лить на те, которые моделируют однократную

исходящих в мышце как при однократных, так и

физическую нагрузку (кратковременная стиму

при регулярных аэробных нагрузках.

ляция в течение 5-120 мин) и регулярные тре

В большинстве исследований с электрости

нировки (длительная стимуляция от нескольких

муляцией миотуб использовались стандартные

часов до двух суток). Клеточная модель элект

иммортализованные мышечные линии клеток

ростимуляции миотуб из ткани человека дает

мыши С2С12 или крысы L6, а также первичные

несколько важных преимуществ в сравнении с

клетки, полученные из мышц грызунов. В пос

использованием биопсийного материала в экс

ледние годы резко увеличилось число исследо

периментах in vivo. Она позволяет:

ваний с использованием первичных клеток, по

1. минимизировать влияние циркадных ос

лученных из скелетной мышцы человека. Срав

цилляций;

нение миотуб иммортализованных миобластов

2. использовать клетки человека, а не им

грызунов и первичных миобластов человека вы

мортализованные линии клеток лабораторных

явило множество различий как на уровне ба

животных, такие как С2С12 или L6;

зальной экспрессии генов (в частности, кодиру

3. исследовать молекулярные ответы в мы

ющих сократительные белки), так и функцио

шечных клетках, а не в смеси различных клеток;

нальных возможностей клеток (инсулинозави

4. точно дозировать величину сократитель

симое потребление глюкозы и синтез гликогена,

ной активности;

максимальная скорость дыхания митохондрий),

5. применять широкий набор эксперимен

а также реакций клеток на электростимуляцию

тальных воздействий (включая активацию или

(изменение профиля экспрессии генов, потреб

ингибирование экспрессии генов);

ления глюкозы) [66]. В другом исследовании

6. обеспечивать равномерную и одновремен

было показано, что миотубы, полученные из са

ную доставку стимуляторов/ингибиторов.

теллитных клеток человека, демонстрируют ме

Длительность стимуляции миотуб варьирует

нее выраженный сократительный ответ на

от нескольких минут до нескольких суток, а

электростимуляцию по сравнению с миотубами

частота стимуляции от 1 до 100 Гц, что сопоста

из иммортализованных клеток грызунов.

вимо с частотой импульсации мотонейронов

Экспрессия мРНК и различных миокинов в от

in vivo. Такая in vitro модель мышечной актив

вет на электростимуляцию в клетках человека

ности хорошо воспроизводит физиологические

также оказалась значительно ниже по сравне

и молекулярные ответы, регистрируемые после

нию с клетками линии С2С12 [58]. Указанные

однократной или регулярных аэробных физи

данные подтверждают, что результаты, получен

ческих нагрузок в скелетной мышце человека

ные на иммортализованных клетках грызунов,

[47, 48]. Например, электростимуляция при

следует с осторожностью экстраполировать на

крепленных к подложке миотуб вызывает види

человека, подчеркивая важность проведения

мые ритмичные сокращения, сопровождаю

экспериментов непосредственно на клетках че

щиеся отчетливыми кальциевыми волнами

ловека.

[50-53], приводит к увеличению потребления

В ряде работ было продемонстрировано, что

глюкозы и жирных кислот [54, 55] и снижению

миотубы, выращенные из мышц разных доно

8 БИОХИМИЯ том 86 вып. 5 2021

730

ВЕПХВАДЗЕ и др.

ров, частично сохраняют нативные свойства био

происходящие при изменении уровня двига

псийной мышечной ткани и по разному отвеча

тельной активности, ожирении и старении до

ют на электростимуляцию. Учитывая эту ин

норов [71-73]. Если особенности фенотипа мио

формацию, описываемая модель in vitro может

туб обусловлены эпигенетическими характерис

быть использована для изучения механизмов

тиками клеток донора, то возникает вопрос, как

развития различных патологий, таких как ожи

долго могут сохраняться эти изменения (напри

рение, диабет II типа и др. Так, миотубы, выра

мер, паттерн метилирования) при культивиро

щенные из миобластов мышц пациентов, стра

вании клеток. По нашему мнению, изучение

дающих синдромом хронической усталости, де

эпигенетических изменений, происходящих

монстрируют повышенную экспрессию MyoG и

при культивировании клеток от разных доно

сниженную секрецию миокина IL 6 по сравне

ров, может помочь в понимании механизмов,

нию с клетками, выращенными из мышц здоро

лежащих в основе этого феномена.

вых людей того же возраста. После 16 ч стимуля

ции в этих клетках, в отличие от контрольных,

не увеличивался уровень фосфорилирования

ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ ПРИЧИНЫ

AMPK, потребления глюкозы и секреции IL 6

НЕСООТВЕТСТВИЙ МОДЕЛИ

[56]. Сходная ситуация наблюдалась и в миоту

С РЕЗУЛЬТАТАМИ in vivo

бах, полученных от пациентов с ожирением:

И ПЕРСПЕКТИВЫ ЕЕ РАЗВИТИЯ

стимуляция повышала чувствительность к инсу

лину только в инсулинорезистентных клетках,

Многократно показано, что в базальном сос

при этом приводила к увеличению скорости

тоянии дифференцированные миотубы и ске

окисления жиров, повышению содержания ми

летные мышцы значительно различаются по ря

тохондрий и экспрессии мРНК IL 6 только в

ду характеристик. Например, в миотубах пре

контроле [67]. Активация AMPK в ответ на

имущественно экспрессируются тяжелые цепи

электростимуляцию (24 ч) была также снижена

миозина, характерные для быстросокращаю

в миотубах, полученных из мышц людей с ожи

щихся волокон II типа, а экспрессия GLUT4,

рением, по сравнению с миотубами, получен

наоборот, снижена [70]. На сегодняшний день

ными от доноров с нормальной массой тела.

проведены десятки исследований, посвящен

Электростимуляция увеличила уровень фосфо

ных эффектам кратковременной и длительной

рилирования белков инсулинового каскада и

электростимуляции миотуб. Анализ их результа

транслокацию инсулинозависимого транспор

тов показал, что кратковременная электрости

тера глюкозы, GLUT4, при стимуляции инсули

муляция не полностью воспроизводит ключе

ном, однако эти изменения были менее выраже

вые молекулярные ответы, наблюдаемые в ске

ны в миотубах от пациентов с ожирением, чем

летной мышце после однократной физической

из контрольной группы [68]. Помимо этого, мио

нагрузки [47]. Например, электростимуляция не

тубы, полученные из мышечных биопсий тре

всегда инициирует активацию p38 MAP кина

нированных людей, демонстрируют большую

зы, увеличение экспрессии транспортера

скорость окисления жиров и глюкозы по срав

GLUT4 и его транспортировку на клеточную

нению с миотубами из биопсий людей, ведущих

мембрану, ускорение окисления жиров. Во мно

обычный образ жизни [69]. Эти и другие работы

гих работах молекулярные ответы, возникаю

с использованием клеточных моделей показы

щие в скелетной мышце после однократной фи

вают, что ожирение, возраст и уровень двига

зической нагрузки, были зарегистрированы

тельной активности доноров влияют на молеку

только после длительной электростимуляции

лярные и функциональные характеристики мио

миотуб. Например, 90 мин электростимуляция

туб, причём отличия остаются заметными даже

не активировала экспрессию гена PPARGC1A,

после культивирования и дифференцировки из

ключевого регулятора углеводно жирового об

первичных миобластов [70].

мена, ангиогенеза и биогенеза митохондрий;

Тот факт, что миотубы, полученные от доно

увеличение экспрессии этого гена происходило

ров с разным возрастом, двигательной актив

только после нескольких серий стимуляции в

ностью, окислительным и метаболическим ста

течение нескольких дней [63]. Ниже будут про

тусом мышц, воспроизводят характерные функ

анализированы потенциальные причины несо

циональные и фенотипические различия дает

ответствия модели электростимуляции миотуб

основания полагать, что этот феномен обуслов

результатам, полученным in vivo, а также обсуж

лен эпигенетическими изменениями, произо

дены перспективы оптимизации этой модели.

шедшими в СК до их выделения из тканевых био

Паттерн электростимуляции. В разных иссле

псий. В единичных исследованиях описаны из

дованиях используются протоколы электрости

менения паттерна метилирования ДНК миотуб,

муляции, значительно различающиеся по дли

БИОХИМИЯ том 86 вып. 5 2021

КЛЕТОЧНАЯ МОДЕЛЬ СОКРАТИТЕЛЬНОЙ АКТИВНОСТИ МЫШЦ

731

тельности (от нескольких минут до нескольких

паттерн: стимуляция идет не периодами (пачка

суток), частоте (от 1 до 100 Гц), типу стимуляции

ми), а одиночными импульсами, с частотой

(по силе тока или напряжению), а также паттер

1-100 Гц, что скорее напоминает паттерн сокра

ну стимуляции [48]. Отчасти это связано с отсут

щения кардиомиоцитов.

ствием четкой методологии и терминологии в

Электростимуляция мышечных волокон с

этой области и с желанием смоделировать

частотой 20 Гц, в отличие от 100 Гц, активирует

in vitro различные эффекты сократительной ак

Са²⁺ зависимый сигнальный каскад кальцинев

тивности in vivo [47]. Известно, что при низко

рина и транскрипционных факторов NFATC и

интенсивной продолжительной (аэробной) фи

инициирует транслокацию последних в ядро

зической нагрузке (десятки минут) в работу во

[75]. NFATC участвуют в регуляции экспрессии

влечены медленно сокращающиеся мышечные

специфических регуляторов миогенеза, таких

волокна I типа. Они обладают высокой окисли

как MyoG, Myf6 и MyoD1, а также играют клю

тельной способностью и активируются мото

чевую роль в регуляции экспрессии тяжелых це

нейронами с частотой импульсации 5-20 Гц.

пей миозина в мышечных волокнах - этот пока

Энергообеспечение такой работы идет в основ

затель тесно связан с метаболическими характе

ном за счет окислительного фосфорилирования

ристиками клетки [76]. Sciancalepore et al. в ка

с использованием жирных кислот в качестве

честве образца паттерна стимуляции миотуб ис

субстрата. Регулярные упражнения такого типа

пользовали электромиограмму, записанную при

ведут к увеличению окислительных возможнос

ритмических мышечных сокращениях in vivo.

тей мышц, повышению плотности митохондрий

Такой асинхронный режим стимуляции приво

и аэробной работоспособности. Напротив, при

дил к более выраженным внутриклеточным ос

коротких (от нескольких до десятков секунд)

цилляциям Са²⁺ и увеличению количества сок

околомаксимальных физических нагрузках рек

ращающихся миотуб по сравнению со стимуля

рутируются волокна II типа, которые активиру

цией с фиксированной частотой 1 или 45 Гц [52].

ются мотонейронами с частотой 50-100 Гц и ха

Однако при таком подходе сложно стандартизо

рактеризуются быстрой скоростью сокращения.

вать частоту сокращения миотуб и воспроизво

Синтез ATP при такой работе идет преимущест

дить эксперимент в других лабораториях.

венно за счет аденилаткиназной и креатинки

Для моделирования эффектов однократных

назной системы и анаэробного гликолиза. Такие

аэробных упражнений перспективным, на наш

регулярные нагрузки ведут к увеличению разме

взгляд, является протокол, где стимуляция осу

ров мышечных волокон тренируемых мышц и

ществляется каждую секунду пачками по

их максимальной силы. При этом значимых из

400-500 мс. При этом используется частота им

менений в окислительных возможностях (и вы

пульсов, типичная для мышечных волокон I ти

носливости) мышц не наблюдается. Различия в

па - до 20 Гц (рис. 3); по сравнению с протоко

адаптационных ответах связаны с тем, что фи

лом стимуляции с частотой 1 Гц суммарное вре

зические нагрузки вызывают специфические

мя электрической активности миотуб (напри

для них метаболические сдвиги в работающей

мер, за один час) возрастает в 8-10 раз. Можно

мышце и крови, связанные с активацией раз

предположить, что данный подход вызовет до

личных сигнальных каскадов и изменением пат

полнительную активацию некоторых сигналь

тернов экспрессии генов и белков [74]. Очевид

ных каскадов. Подобный паттерн электрости

но, что для адекватного воспроизведения эф

муляции уже применялся ранее [64], однако его

фектов in vitro необходимо хотя бы приблизи

эффективность не сопоставлялась со стандарт

тельно смоделировать режимы сократительной

ными протоколами.

активности мышечных волокон, наблюдаемые

Продолжительность кратковременной элект@

in vivo.

ростимуляции. Длительность кратковременной

Вместе с тем используемые протоколы

электростимуляции миотуб варьирует от нес

электростимуляции миотуб кардинально отли

кольких минут до нескольких часов. Важно от

чаются от паттернов сократительной активнос

метить, что сократительная активность мышц

ти, наблюдаемых in vivo [48]. Так, во время од

продолжительностью более 1 ч значительно ис

нократной аэробной локомоторной нагрузки

тощает внутримышечные запасы гликогена и

(например, велоэргометрия) работающие ске

триглицеридов in vivo. Это может влиять на

летные мышцы сокращаются с частотой ∼ 1 Гц

энергетическое обеспечение работы и приво

на протяжении нескольких десятков минут.

дить к активации специфических сигнальных

При этом длительность каждого периода сокра

молекул, например, AMPK [77]. Использовать

щения мышц составляет 400-500 мс. Тем не ме

протоколы кратковременной электростимуля

нее в наиболее популярных протоколах элект

ции продолжительностью более часа следует с

ростимуляции используется совершенно другой

осторожностью, контролируя истощение этих

БИОХИМИЯ том 86 вып. 5 2021

732

ВЕПХВАДЗЕ и др.

происходят в течение нескольких часов (до 8 ч)

«отдыха», причем большая часть этих генов име

ет определенный временной паттерн экспрес

сии [10, 23, 79]. В подавляющем большинстве

исследований молекулярные ответы миотуб ре

гистрировали в один момент времени (как пра

вило, после окончания электростимуляции), и

лишь в некоторых работах ответы регистрирова

ли в нескольких временных точках [63-65,

80, 81]. Определение динамики развития моле

кулярных ответов на кратковременную однок

ратную стимуляцию миотуб важно для сопос

тавления их специфичности in vivo и in vitro.

Использование методов широкого охвата,

таких как фосфопротеомный и транскриптом

ный анализ, представляется наиболее перспек

тивным решением этой задачи, поскольку дает

возможность одновременно оценить реакции

множества сигнальных молекул и генов и сопос

тавить направленность этих ответов с получен

ными in vivo. Так, представлены примеры иссле

дований динамики фосфопротеома в различных

клеточных культурах при стимуляции инсули

ном [82-86], а также в мышечных клетках сразу

после фармакологических воздействий, имити

рующих отдельные эффекты сократительной

активности [87, 88]. Помимо этого, в несколь

ких работах изучались изменения транскрип

томного профиля сразу после электростимуля

ции миотуб [51, 89]. Насколько нам известно,

только в работе Hoshino et al. был проведен ана

лиз динамики изменений транскриптома, мета

болома и уровня фосфорилирования некоторых

сигнальных молекул в миотубах линии С2С12 во

время и после сократительной активности [90].

В работе проведено сопоставление эффектов

непрерывной стимуляции (в течение 1 ч) с час

Рис. 3. Паттерны электростимуляции миотуб и электромио

графическая (ЭМГ) активность скелетной мышцы при ло

тотой 2 и 20 Гц, которое продемонстрировало,

комоциях. а, б - Электростимуляция с фиксированной

что многие молекулярные ответы по направлен

частотой 1 и 50 Гц (наиболее популярные паттерны стиму

ности совпадают с тем, что должно было проис

ляции); в - ЭМГ активность наружной головки четырех

ходить в скелетной мышце после сократитель

главой мышцы бедра человека при работе на велоэргомет

ре с частотой вращения педалей 1 Гц; г - паттерн электрос

ной активности. Однако прямого сопоставле

тимуляции миотуб, моделирующий сократительную ак

ния с данными in vivo не проводилось.

тивность волокон скелетной мышцы со следующими пара

Протоколы для исследования эффектов хро@

метрами: частота импульсов внутри пачки - 20 Гц (типовая

нической сократительной активности. Периоды

частота разряда медленных мотонейронов), продолжи

повышенной активности скелетной мышцы

тельность периода стимуляции - 500 мс, частота периодов

сокращения - 1 Гц

in vivo сочетаются с достаточно продолжитель

ными (несколько часов, сутки) периодами низ

кой активности или покоя. После однократной

внутриклеточных субстратов и снижение содер

аэробной нагрузки в мышце происходит транзи

жания глюкозы в среде.

торная активация различных сигнальных каска

Динамика молекулярных ответов после стиму@

дов [74, 78], изменяется (преимущественно уве

ляции. Активация сигнальных белков, индуци

личивается) экспрессия нескольких сотен генов

руемых сократительной активностью in vivo (та

[10, 23, 79], происходит транслокация транспор

ких как CaMK, AMPK, p38 MAPK), наблюдает

теров глюкозы (GLUT4) и жиров (CD36) [2, 14],

ся сразу после окончания нагрузки [74, 78]. Наи

активируется убиквитин протеасомная система

более выраженные изменения экспрессии генов

деградации поврежденных белков [91, 92] и уси

БИОХИМИЯ том 86 вып. 5 2021

КЛЕТОЧНАЯ МОДЕЛЬ СОКРАТИТЕЛЬНОЙ АКТИВНОСТИ МЫШЦ

733

ливается синтез митохондриальных белков

ствовать; при этом после электростимуляции

[93-95]. Очевидно, что эти процессы могут за

уже через несколько часов он появляется или

висеть от соотношения ATP, ADP и AMP в мы

значительно усиливается [53, 55, 98, 99], причём

шечной клетке и модулироваться наличием/от

наибольший сократительный ответ достигается

сутствием последующих периодов сократитель

при частоте стимуляции 1 Гц [53, 55]. Через нес

ной активности. Как упоминалось ранее, для

колько часов восстановления после 8 часовой

моделирования эффектов сократительной ак

электростимуляции (1 Гц) происходит увеличе

тивности используют, как правило, протоколы

ние размеров миотуб и индекса их слияния,

длительной и непрерывной (от нескольких ча

снижается экспрессия миостатина и активиру

сов до суток) электростимуляции миотуб [48],

ется комплекс mTORC1 (оба - анаболические

которые скорее воспроизводят сократительную

маркеры) [80]. Сходные данные были получены

активность сердца, чем скелетной мышцы. С

при длительной стимуляции (∼1 неделя, 1 или

одной стороны, использование протоколов с

10 Гц) пучка миотуб (искусственной мышцы)

непрерывной стимуляцией укорачивает сум

[100, 101]. В совокупности эти данные позволя

марное время воздействия, необходимое для из

ют рассматривать электростимуляцию как один

менения фенотипа (увеличения содержания

из подходов к ускорению созревания клеток, ко

специфических транспортеров, регуляторных

торый может быть использован на финальных

белков, активности окислительных ферментов и

этапах дифференцировки миоцитов в миотубы

митохондриальной плотности). С другой сторо

до проведения основного эксперимента (т.е. и в

ны, отсутствие периодов восстановления может

экспериментальных культурах, и в контроле).

оказывать значительное воздействие на ско

Скорость дифференцировки миобластов за

рость и направленность молекулярных ответов

висит от множества факторов, таких как состав

и изменений фенотипа. Следует отметить, что

среды, условия инкубации, тип используемого

эффекты длительной электростимуляции мио

субстрата и т.д. Кроме того, этот показатель

туб изучены гораздо меньше, чем эффекты крат

сильно зависит от наличия упорядоченной мик

ковременной стимуляции, а работы по оптими

роструктуры на субстрате. Для воспроизведения

зации протоколов длительной стимуляции отсут

структуры, характерной для волокон скелетных

ствуют.

мышц, было предложено использовать желати

Степень дифференцировки миотуб. В разных

новый гидрогель с параллельными бороздками

исследованиях используют различные протоко

шириной около 10 мкм [102-105]. Для этого ме

лы культивирования и дифференцировки кле

тодом «мягкой литографии» изготавливается

ток. До сих пор нет четких и общепризнанных

мастер форма (рис. 4, а), которую используют

критериев, характеризующих степень созрева

для создания штампов из полидиметилсилокса

ния миотуб на поздних этапах дифференциров

на (ПДМС) [106]. С помощью штампов изготав

ки, что является одной из наиболее острых и не

ливают оттиски на 10% ном желатиновом гид

решенных проблем при сопоставлении резуль

рогеле, который затем инкубируют с трансглю

татов исследований. Очевидно, что степень соз

таминазой для повышения его модуля упругости

ревания миотуб влияет на функциональные воз

до значений, сопоставимых с мышечной тканью

можности клеток и молекулярные ответы на

(10-50 кПа) [107, 108]. Дифференцировка мио

экспериментальные воздействия [70]. Миотубы,

бластов на таком субстрате (рис. 4, в) оказывает

полученные из СК человека, демонстрируют

положительное влияние на клеточный цикл,

менее выраженный сократительный ответ на

пролиферацию и выживаемость миобластов,

электростимуляцию по сравнению с миотубами

увеличивает количество формирующихся мио

из иммортализованных клеток грызунов [58],

туб и их размер. При этом обеспечивается более

что может быть связано с недостаточной сте

плотная и упорядоченная (параллельная) орга

пенью дифференцировки миотуб, полученных

низация миотуб, что позитивно влияет на их

из биопсии мышц человека.

морфологию, степень созревания саркомерного

Иннервация играет важную роль в созрева

аппарата, экспрессию саркомерных белков и их

нии мышечных волокон [96], а частота импуль

мРНК [89, 103, 105, 108].

сации мотонейрона является ключевым факто

Миобласты, культивируемые на субстратах

ром, определяющим тип мышечного волокна

без микроструктуры, могут отслаиваться во вре

[97]. Волокна классифицируются по экспрессии

мя дифференцировки. Интересно, что исполь

тяжелых цепей миозина, специфических для

зование желатинового гидрогеля с микрострук

быстро и медленно сокращающихся волокон. В

турой позволяет снизить этот эффект и поддер

некоторых работах было отмечено, что при пер

живать культуру миотуб в течение длительного

вой электростимуляции сократительный ответ у

периода (до 3 недель) [108]. Эти данные свиде

«дифференцированных» миотуб может отсут

тельствуют в пользу того, что использование

БИОХИМИЯ том 86 вып. 5 2021

734

ВЕПХВАДЗЕ и др.

Рис. 4. Пример использования субстрата с микроструктурой для дифференцировки миотуб. а - Микрофотография мас

тер формы, используемой для создания штампов из ПДМС: вверху представлен общий вид, внизу показана глубина бо

роздки; б и в - миотубы человека, дифференцирующиеся на гладком желатиновом субстрате и желатиновом гидрогеле с

микроструктурой соответственно на 0 й, 5 й и 9 й день дифференцировки. При использовании микроструктуры, в отли

чие от гладкого субстрата, все миотубы располагаются упорядоченно вдоль бороздок (Вепхвадзе, Попов, неопубликован

ные данные). Масштаб - 60 мкм

микроструктур может увеличить выживаемость

II типа, проблема взаиморегуляции метаболиз

миотуб в экспериментах с кратковременной и в

ма мышечных и жировых клеток привлекает

особенности с длительной электростимуляцией.

особое внимание. Гипертрофия адипоцитов и

Любопытно отметить, что для увеличения сте

жировой ткани вызывает латентное воспаление

пени дифференцировки миотуб можно исполь

и приводит к усилению секреции провоспали

зовать не только субстрат с микроструктурой, но

тельных адипокинов, негативно влияя на функ

и монослой фибробластов [109].

ционирование различных тканей, в том числе и

Сокультивирование с другими клетками. Мы

скелетных мышц [8, 115, 116]. Поскольку секре

шечные клетки секретируют миокины, оказы

ция миокинов значительно возрастает после

вающие эндокринное действие на различные

сократительной активности, то совместное

ткани. Миотубы могут быть сокультивированы с

культивирование адипоцитов с миотубами

клетками других тканей, например, с фибро

представляется перспективной моделью для ис

бластами [109], раковыми клетками кишечника

следования механизмов межтканевой регуляции

[110, 111], адипоцитами [112-114]. Эти исследо

метаболизма.

вания убедительно продемонстрировали, что та

кой подход открывает широкие возможности не

только для исследования влияния миокинов, но

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

также и действия цитокинов, секретируемых

другими клетками, на миотубы. Учитывая выра

Электростимуляция миотуб представляется

женное распространение ожирения и диабета адекватным методом для моделирования in vitro

БИОХИМИЯ том 86 вып. 5 2021

КЛЕТОЧНАЯ МОДЕЛЬ СОКРАТИТЕЛЬНОЙ АКТИВНОСТИ МЫШЦ

735

основных процессов, происходящих в скелет

электростимуляции миотуб также необходима

ной мышце, как при однократном аэробном уп

для приведения их в соответствие с паттернами

ражнении, так и при регулярных аэробных наг

активации мышечных волокон, регистрируемы

рузках. Важно отметить, что миотубы, получен

ми in vivo.

ные из СК людей с разным уровнем двигатель

Для дальнейшей оптимизации и валидации

ной активности, разного возраста, а также стра

модели необходимо сопоставить динамику мо

дающих ожирением и диабетом II типа, воспро

лекулярных ответов на сократительную актив

изводят наблюдаемые в условиях in vivo разли

ность в миотубах и в мышце, в том числе с по

чия в некоторых функциональных и фенотипи

мощью методов широкого охвата, таких как фос

ческих характеристиках и по разному отвечают

фопротеомный, протеомный и транскриптом

на электростимуляцию. Данный феномен от

ный анализы. Эффекты длительной электрости

крывает перспективы для изучения молекуляр

муляции пока изучены значительно хуже по

ных и биохимических процессов, ассоцииро

сравнению с короткими протоколами; они тре

ванных с различными нарушениями работы

буют дополнительной оптимизации. Длинные

скелетной мускулатуры, а также эпигенетичес

протоколы электростимуляции моделируют эф

ких механизмов, ответственных за сохранение

фекты регулярных физических нагрузок in vivo,

специфических характеристик в культуре мы

которые широко применяются для профилакти

шечных клеток от разных доноров.

ки метаболических нарушений и поддержания

Один из основных текущих недостатков мо

работоспособности мышц и организма. Нако

дели - это неполное соответствие между моле

нец, клеточная модель миотуб позволяет решать

кулярными ответами на кратковременную

задачи, связанные с исследованием механизмов

электростимуляцию миотуб и теми, которые ха

межтканевой регуляции метаболизма при совмест

рактерны для скелетной мышцы после одно

ном культивировании миотуб с клетками других

кратной физической нагрузки. Это может быть

тканей, в частности с адипоцитами.

связано с недостаточной степенью дифферен

цировки миотуб, особенно полученных из пер

Финансирование. Исследование выполнено

вичных клеток человека. Перспективным под

при финансовой поддержке РФФИ в рамках на

ходом для ускорения и стандартизации диффе

учного проекта № 20 015 00415.

ренцировки может быть использование субстра

Конфликт интересов. Авторы заявляют об от

тов с упорядоченной микроструктурой в сочета

сутствии конфликта интересов в финансовой

нии с электростимуляцией на финальных этапах

или какой либо иной сфере.

дифференцировки. Ускорение созревания и по

Соблюдение этических норм. Настоящая

вышение выживаемости миотуб особенно важ

статья не содержит описания выполненных ав

но для экспериментов с длительной электрости

торами исследований с участием людей или ис

муляцией. Наконец, оптимизация паттернов

пользованием животных в качестве объектов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

DeFronzo, R. A., Gunnarsson, R., Bjorkman, O.,

7. Lanza, I. R., Short, D. K., Short, K. R., Raghavakaimal, S.,

Olsson, M., and Wahren, J. (1985) Effects of insulin on

Basu, R., et al. (2008) Endurance exercise as a countermea

peripheral and splanchnic glucose metabolism in nonin

sure for aging, Diabetes, 57, 2933 2942.

sulin dependent (type II) diabetes mellitus, J. Clin. Invest.,

8. Vorotnikov, A. V., Stafeev, I. S., Menshikov, M. Y.,

76, 149 155.

Shestakova, M. V., and Parfyonova, Y. V. (2019) Latent

Sylow, L., Kleinert, M., Richter, E. A., and Jensen, T. E.

inflammation and defect in adipocyte renewal as a mecha

(2017) Exercise stimulated glucose uptake - regulation

nism of obesity associated insulin resistance, Biochemistry

and implications for glycaemic control, Nat. Rev.

(Moscow), 84, 1329 1345.

Endocrinol., 13, 133 148.

9. Pillon, N. J., Gabriel, B. M., Dollet, L., Smith, J. A. B.,

Frayn, K. N. (2003) The glucose fatty acid cycle: a physi

Sardon, P. L., et al. (2020) Transcriptomic profiling of

ological perspective, Biochem. Soc. Trans., 31, 1115 1119.

skeletal muscle adaptations to exercise and inactivity, Nat.

Agudelo, L. Z., Femenia, T., Orhan, F., Porsmyr

Commun., 11, 470.

Palmertz, M., Goiny, M., et al. (2014) Skeletal muscle

10. Makhnovskii, P. A., Bokov, R. O., Kolpakov, F. A., and

PGC 1alpha1 modulates kynurenine metabolism and

Popov, D. V.

(2021) Transcriptomic signatures and

mediates resilience to stress induced depression, Cell, 159,

upstream regulation in human skeletal muscle adapted to

33 45.

disuse and aerobic exercise, Int. J. Mol. Sci., 22, 1208,

Pedersen, B. K., and Febbraio, M. A. (2012) Muscles,

doi: 10.3390/ijms22031208.

exercise and obesity: skeletal muscle as a secretory organ,

11. Schnyder, S., and Handschin, C. (2015) Skeletal muscle as

Nat. Rev. Endocrinol., 8, 457 465.

an endocrine organ: PGC 1alpha, myokines and exercise,

Demontis, F., Piccirillo, R., Goldberg, A. L., and

Bone, 80, 115 125.

Perrimon, N. (2013) The influence of skeletal muscle on

12. Whitham, M., Parker, B. L., Friedrichsen, M., Hingst,

systemic aging and lifespan, Aging Cell, 12, 943 949.

J. R., Hjorth, M., et al. (2018) Extracellular vesicles pro

БИОХИМИЯ том 86 вып. 5 2021

736

ВЕПХВАДЗЕ и др.

vide a means for tissue crosstalk during exercise, Cell.

32.

Hutcheson, D. A., and Kardon, G. (2009) Genetic manip

Metab., 27, 237 251.

ulations reveal dynamic cell and gene functions: Cre ating

13.

Lee, D. C., Brellenthin, A. G., Thompson, P. D., Sui, X.,

a new view of myogenesis, Cell Cycle, 8, 3675 3678.

Lee, I. M., and Lavie, C. J. (2017) Running as a key lifestyle

33.

Chaillou, T., and Lanner, J. T. (2016) Regulation of myo

medicine for longevity, Prog. Cardiovasc. Dis., 60, 45 55.

genesis and skeletal muscle regeneration: effects of oxygen

14.

Yoshida, Y., Jain, S. S., McFarlan, J. T., Snook, L. A.,

levels on satellite cell activity, FASEB J., 30, 3929 3941.

Chabowski, A., and Bonen, A. (2013) Exercise and train

34.

Wagatsuma, A., and Sakuma, K. (2013) Mitochondria as a

ing induced upregulation of skeletal muscle fatty acid oxi

potential regulator of myogenesis, Sci. World J., 2013,

dation are not solely dependent on mitochondrial machin

593267.

ery and biogenesis, J. Physiol., 591, 4415 4426.

35.

Costamagna, D., Costelli, P., Sampaolesi, M., and

15.

Chambers, T. L., Burnett, T. R., Raue, U., Lee, G. A.,

Penna, F. (2015) Role of inflammation in muscle home

Finch, W. H., et al. (2020) Skeletal muscle size, function,

ostasis and myogenesis, Mediators Inflamm., 2015, 805172.

and adiposity with lifelong aerobic exercise, J. Appl.

36.

Ge, Y., and Chen, J. (2012) Mammalian target of

Physiol. (1985), 128, 368 378.

rapamycin (mTOR) signaling network in skeletal myogen

16.

Gifford, J. R., Weavil, J. C., and Nelson, A. D. (2016)

esis, J. Biol. Chem., 287, 43928 43935.

Symmorphosis in patients with chronic heart failure?

37.

Furuichi, Y., Kawabata, Y., Aoki, M., Mita, Y., Fujii, N.

J. Appl. Physiol. (1985), 121, 1039.

L., and Manabe, Y. (2021) Excess glucose impedes the pro

17.

Kovanen, V., and Suominen, H. (1987) Effects of age and

liferation of skeletal muscle satellite cells under adherent

life time physical training on fibre composition of slow and

culture conditions, Front. Cell. Dev. Biol., 9, 640399.

fast skeletal muscle in rats, Pflugers Arch., 408, 543 551.

38.

Grabiec, K., Gajewska, M., Milewska, M., Blaszczyk, M.,

18.

Schantz, P. G., and Dhoot, G. K. (1987) Coexistence of

and Grzelkowska Kowalczyk, K. (2014) The influence of

slow and fast isoforms of contractile and regulatory pro

high glucose and high insulin on mechanisms controlling

teins in human skeletal muscle fibres induced by endurance

cell cycle progression and arrest in mouse C2C12

training, Acta Physiol. Scand., 131, 147 154.

myoblasts: the comparison with IGF I effect,

19.

Schiaffino, S., and Reggiani, C. (2011) Fiber types in

J. Endocrinol. Invest., 37, 233 245.

mammalian skeletal muscles, Physiol. Rev., 91, 1447 1531.

39.

Luo, W., Ai, L., Wang, B. F., and Zhou, Y. (2019) High glu

20.

McCarthy, J. J., Andrews, J. L., McDearmon, E. L.,

cose inhibits myogenesis and induces insulin resistance by

Campbell, K. S., Barber, B. K., et al. (2007) Identification

down regulating AKT signaling, Biomed. Pharmacother.,

of the circadian transcriptome in adult mouse skeletal mus

120, 109498.

cle, Physiol. Genomics, 31, 86 95.

40.

Hunt, L. C., Xu, B., Finkelstein, D., Fan, Y., Carroll, P. A.,

21.

Miller, B. H., McDearmon, E. L., Panda, S., Hayes, K. R.,

et al. (2015) The glucose sensing transcription factor MLX

Zhang, J., et al. (2007) Circadian and CLOCK controlled

promotes myogenesis via myokine signaling, Genes Dev.,

regulation of the mouse transcriptome and cell prolifera

29, 2475 2489.

tion, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 104, 3342 3347.

41.

Fulco, M., Cen, Y., Zhao, P., Hoffman, E. P., McBurney,

22.

Perrin, L., Loizides Mangold, U., Chanon, S., Gobet, C.,

M. W., Sauve, A. A., and Sartorelli, V. (2008) Glucose

Hulo, N., et al. (2018) Transcriptomic analyses reveal

restriction inhibits skeletal myoblast differentiation by acti

rhythmic and CLOCK driven pathways in human skeletal

vating SIRT1 through AMPK mediated regulation of

muscle, Elife, 7, e34114, doi: 10.7554/eLife.34114.

Nampt, Dev. Cell, 14, 661 673.

23.

Popov, D. V., Makhnovskii, P. A., Shagimardanova, E. I.,

42.

Elkalaf, M., Andel, M., and Trnka, J. (2013) Low glucose

Gazizova, G. R., Lysenko, E. A., et al. (2019) Contractile

but not galactose enhances oxidative mitochondrial metab

activity specific transcriptome response to acute

olism in C2C12 myoblasts and myotubes, PLoS One, 8,

endurance exercise and training in human skeletal muscle,

e70772.

Am. J. Physiol. Endocrinol. Metab., 316, e605 e614.

43.

Costford, S. R., Crawford, S. A., Dent, R.,

24.

Bentzinger, C. F., Wang, Y. X., and Rudnicki, M. A. (2012)

McPherson, R., and Harper, M. E. (2009) Increased sus

Building muscle: molecular regulation of myogenesis, Cold

ceptibility to oxidative damage in post diabetic human

Spring Harb. Perspect. Biol., 4, a008342, doi: 10.1101/csh

myotubes, Diabetologia, 52, 2405 2415.

perspect.a008342.

44.

Aguer, C., Gambarotta, D., Mailloux, R. J., Moffat, C.,

25.

Chal, J., and Pourquie, O. (2017) Making muscle: skeletal

Dent, R., et al. (2011) Galactose enhances oxidative

myogenesis in vivo and in vitro, Development, 144, 2104 2122.

metabolism and reveals mitochondrial dysfunction in

26.

Tajbakhsh, S. (2009) Skeletal muscle stem cells in develop

human primary muscle cells, PLoS One, 6, e28536.

mental versus regenerative myogenesis, J. Intern. Med.,

45.

Krauss, R. S., Joseph, G. A., and Goel, A. J. (2017) Keep

266, 372 389.

your friends close: cell-cell contact and skeletal myogene

27.

Zammit, P. S. (2017) Function of the myogenic regulatory

sis, Cold Spring Harb. Perspect. Biol., 9, a029298.

factors Myf5, MyoD, Myogenin and MRF4 in skeletal

46.

Aas, V., Torbla, S., Andersen, M. H., Jensen, J., and

muscle, satellite cells and regenerative myogenesis, Semin.

Rustan, A. C. (2002) Electrical stimulation improves

Cell Dev. Biol., 72, 19 32.

insulin responses in a human skeletal muscle cell model of

28.

Asfour, H. A., Allouh, M. Z., and Said, R. S. (2018)

hyperglycemia, Ann. N. Y. Acad. Sci., 967, 506 515.

Myogenic regulatory factors: The orchestrators of myogen

47.

Carter, S., and Solomon, T. P. J. (2019) In vitro experimen

esis after 30 years of discovery, Exp. Biol. Med. (Maywood.),

tal models for examining the skeletal muscle cell biology of

243, 118 128.

exercise: the possibilities, challenges and future develop

29.

Buckingham, M., and Relaix, F. (2015) PAX3 and PAX7 as

ments, Pflugers Arch., 471, 413 429.

upstream regulators of myogenesis, Semin. Cell Dev. Biol.,

48.

Nikolic, N., Gorgens, S. W., Thoresen, G. H., Aas, V.,

44, 115 125.

Eckel, J., and Eckardt, K. (2017) Electrical pulse stimula

30.

Comai, G., and Tajbakhsh, S. (2014) Molecular and cellu

tion of cultured skeletal muscle cells as a model for in vitro

lar regulation of skeletal myogenesis, Curr. Top. Dev. Biol.,

exercise - possibilities and limitations, Acta Physiol. (Oxf),

110, 1 73.

220, 310 331.

31.

Olguin, H. C., and Pisconti, A. (2012) Marking the tempo

49.

Nikolic, N., and Aas, V. (2019) Electrical pulse stimulation

for myogenesis: Pax7 and the regulation of muscle stem cell

of primary human skeletal muscle cells, Methods Mol. Biol.,

fate decisions, J. Cell. Mol. Med., 16, 1013 1025.

1889, 17 24.

БИОХИМИЯ том 86 вып. 5 2021

КЛЕТОЧНАЯ МОДЕЛЬ СОКРАТИТЕЛЬНОЙ АКТИВНОСТИ МЫШЦ

737

50.

Valdes, J. A., Gaggero, E., Hidalgo, J., Leal, N.,

1alpha), mitochondrial uncoupling protein 3 (UCP3) and

Jaimovich, E., and Carrasco, M. A. (2008) NFAT activa

hexokinase II (HKII) in primary rat skeletal muscle cells is

tion by membrane potential follows a calcium pathway dis

dependent on reactive oxygen species, Biochim. Biophys.

tinct from other activity related transcription factors in

Acta, 1763, 969 976.

skeletal muscle cells, Am. J. Physiol. Cell Physiol., 294,

65.

Beiter, T., Hudemann, J., Burgstahler, C., Niess, A. M.,

C715 C725.

and Munz, B. (2018) Effects of extracellular orotic acid on

51.

Sidorenko, S., Klimanova, E., Milovanova, K., Lopina, O.

acute contraction induced adaptation patterns in C2C12

D., Kapilevich, L. V., et al. (2018) Transcriptomic changes

cells, Mol. Cell Biochem., 448, 251 263.

in C2C12 myotubes triggered by electrical stimulation:

66.

Abdelmoez, A. M., Sardon, P. L., Smith, J. A. B., Gabriel,

Role of Ca(2+)i mediated and Ca(2+)i independent sig

B. M., Savikj, M., et al. (2020) Comparative profiling of

naling and elevated [Na(+)]i/[K(+)]i ratio, Cell Calcium,

skeletal muscle models reveals heterogeneity of transcrip

76, 72 86.

tome and metabolism, Am. J. Physiol. Cell. Physiol., 318,

52.

Sciancalepore, M., Coslovich, T., Lorenzon, P.,

C615 C626.

Ziraldo, G., and Taccola, G. (2015) Extracellular stimula

67.

Feng, Y. Z., Nikolic, N., Bakke, S. S., Kase, E. T.,

tion with human “noisy” electromyographic patterns facil

Guderud, K., et al. (2015) Myotubes from lean and severe

itates myotube activity, J. Muscle Res. Cell Motil., 36, 349

ly obese subjects with and without type 2 diabetes respond

357.

differently to an in vitro model of exercise, Am. J. Physiol.

53.

Fujita, H., Nedachi, T., and Kanzaki, M.

(2007)

Cell. Physiol., 308, C548 C556.

Accelerated de novo sarcomere assembly by electric pulse

68.

Park, S., Turner, K. D., Zheng, D., Brault, J. J., Zou, K.,

stimulation in C2C12 myotubes, Exp. Cell Res., 313, 1853

et al. (2019) Electrical pulse stimulation induces differen

1865.

tial responses in insulin action in myotubes from severely

54.

Nikolic, N., Bakke, S. S., Kase, E. T., Rudberg, I., Flo, H.,

obese individuals, J. Physiol., 597, 449 466.

et al. (2012) Electrical pulse stimulation of cultured human

69.

Lund, J., Rustan, A. C., Lovsletten, N. G., Mudry, J. M.,

skeletal muscle cells as an in vitro model of exercise, PLoS

Langleite, T. M., et al.. (2017) Exercise in vivo marks

One, 7, e33203.

human myotubes in vitro: training induced increase in lipid

55.

Lambernd, S., Taube, A., Schober, A., Platzbecker, B.,

metabolism, PLoS One, 12, e0175441.

Gorgens, S. W., et al. (2012) Contractile activity of human

70.

Gaster, M. (2019) The diabetic phenotype is preserved in

skeletal muscle cells prevents insulin resistance by inhibit

myotubes established from type 2 diabetic subjects: a criti

ing pro inflammatory signalling pathways, Diabetologia,

cal appraisal, APMIS, 127, 3 26.

55, 1128 1139.

71.

Nilsson, E., and Ling, C. (2017) DNA methylation links

56.

Brown, A. E., Jones, D. E., Walker, M., and Newton, J. L.

genetics, fetal environment, and an unhealthy lifestyle to

(2015) Abnormalities of AMPK activation and glucose

the development of type 2 diabetes, Clin. Epigenetics, 9,

uptake in cultured skeletal muscle cells from individuals

105.

with chronic fatigue syndrome, PLoS One, 10, e0122982.

72.

Varemo, L., Henriksen, T. I., Scheele, C., Broholm, C.,

57.

Li, Z., Yue, Y., Hu, F., Zhang, C., Ma, X., et al. (2018)

Pedersen, M., et al. (2017) Type 2 diabetes and obesity

Electrical pulse stimulation induces GLUT4 translocation

induce similar transcriptional reprogramming in human

in C2C12 myotubes that depends on Rab8A, Rab13, and

myocytes, Genome Med., 9, 47.

Rab14, Am. J. Physiol. Endocrinol. Metab., 314, E478

73.

Turner, D. C., Gorski, P. P., Maasar, M. F., Seaborne,

E493.

R. A., Baumert, P., et al. (2020) DNA methylation across

58.

Chen, W., Nyasha, M. R., Koide, M., Tsuchiya, M.,

the genome in aged human skeletal muscle tissue and mus

Suzuki, N., et al. (2019) In vitro exercise model using con

cle derived cells: the role of HOX genes and physical activ

tractile human and mouse hybrid myotubes, Sci. Rep., 9,

ity, Sci. Rep., 10, 15360.

11914.

74.

Hawley, J. A., Hargreaves, M., Joyner, M. J., and Zierath,

59.

Son, Y. H., Lee, S. M., Lee, S. H., Yoon, J. H., Kang, J. S.,

J. R. (2014) Integrative biology of exercise, Cell, 159, 738 749.

et al. (2019) Comparative molecular analysis of endurance

75.

Tothova, J., Blaauw, B., Pallafacchina, G., Rudolf, R.,

exercise in vivo with electrically stimulated in vitro myotube

Argentini, C., et al. (2006) NFATc1 nucleocytoplasmic

contraction, J. Appl. Physiol., 127, 1742 1753.

shuttling is controlled by nerve activity in skeletal muscle,

60.

Hartwig, S., Raschke, S., Knebel, B., Scheler, M.,

J. Cell Sci., 119, 1604 1611.

Irmler, M., et al. (2014) Secretome profiling of primary

76.

Ehlers, M. L., Celona, B., and Black, B. L. (2014) NFATc1

human skeletal muscle cells, Biochim. Biophys. Acta, 1844,

controls skeletal muscle fiber type and is a negative regula

1011 1017.

tor of MyoD activity, Cell Rep., 8, 1639 1648.

61.

Raschke, S., Eckardt, K., Bjorklund, H. K., Jensen, J., and

77.

Wojtaszewski, J. F., Mourtzakis, M., Hillig, T., Saltin, B.,

Eckel, J. (2013) Identification and validation of novel con

and Pilegaard, H. (2002) Dissociation of AMPK activity

traction regulated myokines released from primary human

and ACCbeta phosphorylation in human muscle during

skeletal muscle cells, PLoS One, 8, e62008.

prolonged exercise, Biochem. Biophys. Res. Commun., 298,

62.

Feng, H., Kang, C., Dickman, J. R., Koenig, R.,

309 316.

Awoyinka, I., et al. (2013) Training induced mitochondri

78.

Popov, D. V. (2018) Adaptation of skeletal muscles to con

al adaptation: role of peroxisome proliferator activated

tractile activity of varying duration and intensity: the role of

receptor gamma coactivator 1alpha, nuclear factor

PGC1a, Biochemistry (Moscow), 83, 613 628.

kappaB and beta blockade, Exp. Physiol., 98, 784 795.

79.

Popov, D. V., Makhnovskii, P. A., Kurochkina, N. S.,

63.

Burch, N., Arnold, A. S., Item, F., Summermatter, S.,

Lysenko, E. A., Vepkhvadze, T. F., and Vinogradova, O. L.

Brochmann Santana, S. G., et al. (2010) Electric pulse

(2018) Intensity dependent gene expression after aerobic

stimulation of cultured murine muscle cells reproduces

exercise in endurance trained skeletal muscle, Biol. Sport,

gene expression changes of trained mouse muscle, PLoS

35, 277 289.

One, 5, e10970.

80.

Tarum, J., Folkesson, M., Atherton, P. J., and Kadi, F.

64.

Silveira, L. R., Pilegaard, H., Kusuhara, K., Curi, R., and

(2017) Electrical pulse stimulation: an in vitro exercise

Hellsten, Y. (2006) The contraction induced increase in

model for the induction of human skeletal muscle cell

gene expression of peroxisome proliferator activated

hypertrophy. A proof of concept study, Exp. Physiol., 102,

receptor (PPAR) gamma coactivator

1alpha (PGC

1405 1413.

БИОХИМИЯ том 86 вып. 5 2021

738

ВЕПХВАДЗЕ и др.

81.

Valero Breton, M., Warnier, G., Castro Sepulveda, M.,

97. Salmons, S., and Sreter, F. A. (1976) Significance of

Deldicque, L., and Zbinden Foncea, H. (2020) Acute and

impulse activity in the transformation of skeletal muscle

chronic effects of high frequency electric pulse stimulation

type, Nature, 263, 30 34.

on the Akt/mTOR pathway in human primary myotubes,

98. Ferrari, M. B., Podugu, S., and Eskew, J. D.

(2006)

Front. Bioeng. Biotechnol., 8, 565679.

Assembling the myofibril: coordinating contractile cable

82.

Humphrey, S. J., Yang, G., Yang, P., Fazakerley, D. J.,

construction with calcium, Cell Biochem. Biophys., 45,

Stockli, J., et al. (2013) Dynamic adipocyte phosphopro

317 337.

teome reveals that Akt directly regulates mTORC2, Cell

99. Nedachi, T., Fujita, H., and Kanzaki, M.

(2008)

Metab., 17, 1009 1020.

Contractile C2C12 myotube model for studying exercise

83.

Humphrey, S. J., Azimifar, S. B., and Mann, M. (2015)

inducible responses in skeletal muscle, Am. J. Physiol.

High throughput phosphoproteomics reveals in vivo

Endocrinol. Metab., 295, E1191 E1204.

insulin signaling dynamics, Nat. Biotechnol., 33, 990 995.

100. Khodabukus, A., Madden, L., Prabhu, N. K., Koves, T. R.,

84.

Sacco, F., Humphrey, S. J., Cox, J., Mischnik, M.,

Jackman, C. P., et al. (2019) Electrical stimulation increas

Schulte, A., et al. (2016) Glucose regulated and drug per

es hypertrophy and metabolic flux in tissue engineered

turbed phosphoproteome reveals molecular mechanisms

human skeletal muscle, Biomaterials, 198, 259 269.

controlling insulin secretion, Nat. Commun., 7, 13250.

101. Park, H., Bhalla, R., Saigal, R., Radisic, M., Watson, N.,

85.

Li, J., Li, Q., Tang, J., Xia, F., Wu, J., and Zeng, R. (2015)

et al. (2008) Effects of electrical stimulation in C2C12

Quantitative Phosphoproteomics revealed glucose stimu

muscle constructs, J. Tissue Eng. Regen. Med., 2, 279 287.

lated responses of islet associated with insulin secretion,

102. Shimizu, K., Fujita, H., and Nagamori, E.

(2009)

J. Proteome Res., 14, 4635 4646.

Alignment of skeletal muscle myoblasts and myotubes

86.

Tang, J. S., Li, Q. R., Li, J. M., Wu, J. R., and Zeng, R.

using linear micropatterned surfaces ground with abrasives,

(2017) Systematic synergy of glucose and GLP 1 to stimu

Biotechnol. Bioeng., 103, 631 638.

late insulin secretion revealed by quantitative phosphopro

103. Huang, N. F., Lee, R. J., and Li, S. (2010) Engineering of

teomics, Sci. Rep., 7, 1018.

aligned skeletal muscle by micropatterning, Am. J. Transl.

87.

Hoffman, N. J., Parker, B. L., Chaudhuri, R., Fisher

Res., 2, 43 55.

Wellman, K. H., Kleinert, M., et al. (2015) Global phos

104. Huang, N. F., Thakar, R. G., Wong, M., Kim, D., Lee,

phoproteomic analysis of human skeletal muscle reveals a

R. J., and Li, S. (2004) Tissue engineering of muscle on

network of exercise regulated kinases and AMPK sub

micropatterned polymer films, Conf. Proc. IEEE Eng. Med.

strates, Cell Metab., 22, 922 935.

Biol. Soc., 2004, 4966 4969.

88.

Needham, E. J., Humphrey, S. J., Cooke, K. C.,

105. Huang, N. F., Patel, S., Thakar, R. G., Wu, J., Hsiao,

Fazakerley, D. J., Duan, X., et al.

(2019)

B. S., et al. (2006) Myotube assembly on nanofibrous and

Phosphoproteomics of acute cell stressors targeting exer

micropatterned polymers, Nano. Lett., 6, 537 542.

cise signaling networks reveal drug interactions regulating

106. Букатин А. С., Мухин И. С., Малышев Е. И., Кухтевич

protein secretion, Cell Rep., 29, 1524 1538.

И. В., Евстрапов А. А., Дубина М. В. (2016) Особен

89.

Denes, L. T., Riley, L. A., Mijares, J. R., Arboleda, J. D.,

ности формирования микроструктур с высоким аспект

McKee, K., et al. (2019) Culturing C2C12 myotubes on

ным соотношением при изготовлении полимерных

micromolded gelatin hydrogels accelerates myotube matu

микрофлюидных чипов для исследования единичных

ration, Skelet. Muscle, 9, 17.

живых клеток in vitro, Журнал технической физики, 86,

90.

Hoshino, D., Kawata, K., Kunida, K., Hatano, A.,

125 130.

Yugi, K., et al. (2020) Trans omic analysis reveals ROS

107. Suh, G. C., Bettadapur, A., Santoso, J. W., and McCain,

dependent pentose phosphate pathway activation after

M. L. (2017) Fabrication of micromolded gelatin hydrogels

high frequency electrical stimulation in C2C12 myotubes,

for long term culture of aligned skeletal myotubes,

iScience, 23, 101558.

Methods Mol. Biol., 1668, 147 163.

91.

Stefanetti, R. J., Lamon, S., Wallace, M., Vendelbo, M.

108. Bettadapur, A., Suh, G. C., Geisse, N. A., Wang, E. R.,

H., Russell, A. P., and Vissing, K. (2015) Regulation of

Hua, C., et al. (2016) Prolonged culture of aligned skeletal

ubiquitin proteasome pathway molecular markers in

myotubes on micromolded gelatin hydrogels, Sci. Rep., 6,

response to endurance and resistance exercise and training,

28855.

Pflugers Arch., 467, 1523 1537.

109. Cooper, S. T., Maxwell, A. L., Kizana, E., Ghoddusi, M.,

92.

Pagano, A. F., Py, G., Bernardi, H., Candau, R. B., and

Hardeman, E. C., et al. (2004) C2C12 co culture on a

Sanchez, A. M. (2014) Autophagy and protein turnover

fibroblast substratum enables sustained survival of contrac

signaling in slow twitch muscle during exercise, Med. Sci.

tile, highly differentiated myotubes with peripheral nuclei

Sports Exerc., 46, 1314 1325.

and adult fast myosin expression, Cell Motil. Cytoskelet., 58,

93.

Wilkinson, S. B., Phillips, S. M., Atherton, P. J., Patel, R.,

200 211.

Yarasheski, K. E., et al. (2008) Differential effects of resis

110. Lautaoja, J. H., Pekkala, S., Pasternack, A., Laitinen, M.,

tance and endurance exercise in the fed state on signalling

Ritvos, O., and Hulmi, J. J. (2020) Differentiation of

molecule phosphorylation and protein synthesis in human

murine C2C12 myoblasts strongly reduces the effects of

muscle, J. Physiol., 586, 3701 3717.

myostatin on intracellular signaling, Biomolecules, 10, 695,

94.

Donges, C. E., Burd, N. A., Duffield, R., Smith, G. C.,

doi: 10.3390/biom10050695.

West, D. W., et al. (2012) Concurrent resistance and aero

111.

Pekkala, S., Keskitalo, A., Kettunen, E., Lensu, S.,

bic exercise stimulates both myofibrillar and mitochondri

Nykanen, N., et al. (2019) Blocking activin receptor lig

al protein synthesis in sedentary middle aged men, J. Appl.

ands is not sufficient to rescue cancer associated gut

Physiol. (1985.), 112, 1992 2001.

microbiota a role for gut microbial flagellin in colorectal

95.

Di Donato, D. M., West, D. W., Churchward Venne, T. A.,

cancer and cachexia? Cancers. (Basel),

11,

1799,

Breen, L., et al. (2014) Influence of aerobic exercise inten

doi: 10.3390/cancers11111799.

sity on myofibrillar and mitochondrial protein synthesis in

112. Pandurangan, M., Jeong, D., Amna, T., Van, B. H., and

young men during early and late postexercise recovery,

Hwang, I. (2012) Co culture of C2C12 and 3T3 L1

Am. J. Physiol Endocrinol. Metab., 306, E1025 E1032.

preadipocyte cells alters the gene expression of calpains,

96.

Midrio, M. (2006) The denervated muscle: facts and hypothe

caspases and heat shock proteins, In vitro Cell Dev. Biol.

ses. A historical review, Eur. J. Appl. Physiol., 98, 1 21.

Anim., 48, 577 582.

БИОХИМИЯ том 86 вып. 5 2021

КЛЕТОЧНАЯ МОДЕЛЬ СОКРАТИТЕЛЬНОЙ АКТИВНОСТИ МЫШЦ

739

113. Pandurangan, M., and Hwang, I. (2014) Application of cell

and musculoskeletal disease: common inflammatory path

co culture system to study fat and muscle cells, Appl.

ways suggest a central role for loss of muscle integrity,

Microbiol. Biotechnol., 98, 7359 7364.

Front. Physiol., 9, 112.

114. Takegahara, Y., Yamanouchi, K., Nakamura, K., Nakano,

116. Stafeev, I., Podkuychenko, N., Michurina, S., Sklyanik, I.,

S., and Nishihara, M. (2014) Myotube formation is affect

Panevina, A., et al. (2019) Low proliferative potential of

ed by adipogenic lineage cells in a cell to cell contact

adipose derived stromal cells associates with hypertrophy

independent manner, Exp. Cell Res., 324, 105 114.

and inflammation in subcutaneous and omental adipose

115. Collins, K. H., Herzog, W., MacDonald, G. Z., Reimer, R.

tissue of patients with type 2 diabetes mellitus, J. Diabetes

A., Rios, J. L., et al. (2018) Obesity, metabolic syndrome,

Complicat., 33, 148 159.

ELECTRICAL STIMULATION OF CULTURED MYOTUBES in vitro

AS A MODEL OF SKELETAL MUSCLE ACTIVITY:

AN UPDATE AND PERSPECTIVES

Review

T. F. Vepkhvadze¹, A. V. Vorotnikov², and D. V. Popov^1,3*

¹ Federal State Budgetary Institution of Science State Scientific Center of the Russian Federation Institute

of Biomedical Problems of the Russia Academy of Sciences, 123007 Moscow, Russia; E'mail: danil'popov@yandex.ru

² Federal State Budgetary Institution National Medical Research Center of Cardiology

of the Ministry of Health of the Russian Federation, 121552 Moscow, Russia

³ Faculty of Fundamental Medicine, Lomonosov Moscow State University, 119991 Moscow, Russia

Skeletal muscle tissue comprises more than a third of the human body mass and makes a critical contribution to the

regulation of metabolism in the organism. Chronic inactivity reduces metabolic activity and functional capabilities of

muscles, leads to metabolic disorders, the development of common diseases, and reduces the quality and duration of

life. Cell models based on progenitor cells isolated from human muscle biopsies and differentiated into mature fibers

in vitro can be used to solve a wide range of experimental tasks. The review discusses the features of the dynamics and

regulation of myogenesis, which are important for the creation of an adequate cell model. The main function of skele

tal muscle is contraction; therefore, electrical stimulation seems to be important both for the successful completion

of myogenesis and for in vitro modeling of the main processes induced in skeletal muscle by acute and regular physi

cal exercise. The review analyzes current drawbacks and possibilities of optimizing this cellular model, as well as the

prospects for its development for solving fundamental problems related to the physiology and biochemistry of mus

cle, and understanding the cellular and molecular mechanisms of metabolic diseases.

Keywords: skeletal muscle, physical exercise, satellite cells, myogenesis, electrical stimulation, metabolism, gene

expression

БИОХИМИЯ том 86 вып. 5 2021