Studio in vivo del sistema FNDC5/irisina nel tessuto muscolare scheletrico e cardiaco

The purpose of this thesis was to investigate the role of the FNDC5/irisin system in mouse models of skeletal muscle atrophy and cardiac fibrosis. Muscle tissue is affected by changes in mechanical loading, so long-term exposure to microgravity, during a space flight or from a hypomobility condition on earth, results in severe muscle atrophy; in contrast, mechanical loading by exercise or artificially produced hypergravity allows the muscle mass to recover from the atrophic condition. We studied, under simulated conditions of hypogravity and hypergravity, the FNDC5/Irisin system involved in the induction of exercise-mimetic effects. The first condition was studied in a mouse model placed in the absence of mechanical loading. Mice were suspended by the tail with hind limbs in the absence of mechanical load (Unload) for 4 weeks to mimic a microgravity-induced muscle atrophy condition. The hypergravity condition was achieved through an experiment conducted at ESA, in which mice were maintained at a gravitational acceleration of 3g for 4 weeks using a large-diameter centrifuge (LDC-MDS). Histological and gene expression analysis of markers of the Vastus Lateralis (VL) and Gastrocnemius (GN) muscles were performed. Histologic analysis of Unload mice showed that muscle fibers became atrophic in the first 2 weeks of no mechanical loading, a result also demonstrated by increased expression of Atrogin and Murf-1 and decreased expression of myosin MyHCIIx. In addition, Unload mice showed decreased FNDC5 expression and serum irisin levels at 4 weeks, whereas irisin treatment inhibited the reduction in myosin expression due to the absence of mechanical loading. In contrast,the hypergravity condition increased the cross-sectional area (CSA) of muscle fibers in the lateral Vasto of mice placed on a 3g centrifuge compared with mice placed in terrestrial gravity (TC cages) that instead showed an atrophic phenotype. About molecular analysis, hypergravity increased the expression of FNDC5, MyHCI and MyHCII and markers of the early stages of myogenesis (PAX7 and MYF5),compared with mice in TC cages. These data suggest that the FNDC5/Irisin system is affected by mechanical loading,with opposite effects in hypo- and hypergravity. We also studied the role of irisin in cardiac muscle, particularly in cardiac fibrosis that occurs after myocardial infarction.The cardiac fibrosis model was obtained with a single administration of isoproterenol (ISO). We observed that 24 hours after ISO treatment, serum troponin I levels were significantly lower in the group of mice pretreated with irisin compared with vehicle-treated mice. In addition, the expression of atrial natriuretic peptide (ANP) and smooth muscle actin-alpha (αSMA) in the cardiac tissue of veh-ISO mice was higher than in CTRL mice, whereas irisin pretreatment maintained their expression at control levels. Interestingly, 7 days after ISO, αSMA was still significantly lower in the irisin-ISO group than in the veh-ISO group.The cardiac fibrosis score, assessed by Masson's trichrome was significantly lower in irisin-ISO mice than in veh-ISO mice. Some mitochondrial marker genes showed higher expression in the group of veh-ISO mice, while pretreatment with irisin maintained expression similar to controls. The results demonstrate the beneficial effect of irisin in preventing cardiac fibrosis.  These results highlight that skeletal and cardiac muscle damage is prevented by irisin, suggesting the development of a possible therapeutic strategy in the future.

Lo scopo di questa tesi è stato quello di indagare il ruolo del sistema FNDC5/irisina in modelli murini di atrofia del muscolo scheletrico e di fibrosi cardiaca. Il tessuto muscolare è influenzato dalle variazioni di carico meccanico, pertanto l’esposizione a lungo termine alla microgravità, durante un volo spaziale o da una condizione di ipomobilità sulla terra, provoca una grave atrofia muscolare, al contrario il carico meccanico mediante esercizio fisico o ipergravità prodotta artificialmente consente alla massa muscolare di recuperare la condizione di atrofia. Abbiamo studiato, in condizioni simulate di ipogravità e ipergravità, il sistema FNDC5/Irisina, implicato nell'induzione di effetti esercizio-mimetici. La prima condizione è stata studiata in un modello murino posto in assenza di carico meccanico. I topi sono stati sospesi per la coda con arti posteriori in assenza di carico meccanico (Unload) per 4 settimane, per mimare una condizione di atrofia muscolare indotta dalla microgravità. La condizione di ipergravità è stata realizzata attraverso un esperimento condotto presso l'ESA, in cui i topi sono stati mantenuti a un'accelerazione gravitazionale di 3g per 4 settimane, utilizzando una centrifuga di grande diametro (LDC-MDS). Sono state eseguite analisi istologiche e di espressione genica dei markers dei muscoli Vasto Laterale (VL) e Gastrocnemio (GN). L'analisi istologica dei topi Unload ha mostrato che le fibre muscolari sono diventate atrofiche nelle prime 2 settimane di assenza di carico meccanico, dato dimostrato anche dall’ aumento dell’espressione di Atrogin e Murf-1 e dalla riduzione dell’espressione della miosina MyHCIIx. Inoltre, i topi Unload hanno mostrato una diminuzione dell'espressione di FNDC5 e dei livelli sierici di irisina a 4 settimane, mentre il trattamento con irisina ha inibito la riduzione dell’espressione delle miosine dovuta all’assenza di carico meccanico. Al contrario,la condizione di ipergravità ha aumentato l'area della sezione trasversale (CSA) delle fibre muscolari nella Vasto laterale di topi collocati su centrifuga a 3g rispetto a topi collocati a gravità terrestre (gabbie TC) che invece hanno mostrato un fenotipo atrofico.A livello molecolare, l'ipergravità ha aumentato l'espressione di FNDC5, MyHCI e MyHCII e dei markers delle prime fasi della miogenesi (PAX7 e MYF5),rispetto ai topi nelle gabbie TC. Questi dati suggeriscono che il sistema FNDC5/Irisina è influenzato dal carico meccanico,con effetti opposti in ipo- e ipergravità. Abbiamo anche studiato il ruolo di irisina nel muscolo cardiaco, in particolare nella fibrosi cardiaca che si verifica dopo l'infarto del miocardio.Il modello di fibrosi cardiaca è stato ottenuto con una singola somministrazione di isoproterenolo (ISO). Abbiamo osservato che 24 ore dopo il trattamento con ISO, i livelli sierici di troponina I erano significativamente più bassi nel gruppo di topi pretrattati con irisina rispetto ai topi trattati con vehicle. Inoltre, l'espressione del peptide natriuretico atriale (ANP) e dell'actina-alfa del muscolo liscio (αSMA) nel tessuto cardiaco dei topi veh-ISO era più alta rispetto ai topi CTRL, mentre il pretrattamento con irisina manteneva la loro espressione a livelli di controllo.È interessante notare che 7 giorni dopo l'ISO, l'αSMA era ancora significativamente più bassa nel gruppo irisina-ISO rispetto al gruppo veh-ISO.Lo score della fibrosi cardiaca, valutato con tricromica di Masson era significativamente più basso nei topi irisin-ISO rispetto ai topi veh-ISO. Alcuni geni markers mitocondriali hanno mostrato un’espressione più alta nel gruppo dei topi veh-ISO, mentre il pretrattamento con irisina ha mantenuto l'espressione simile ai controlli. I risultati dimostrano l'effetto benefico dell'irisina nel prevenire la fibrosi cardiaca.