근육 손상 메커니즘 번역(영어 원본)2. Evidence for membrane tears
Muscles are subjected to stress and strain during normal contractions and these are exacerbated when the muscle is stretched by a large external force during a contraction (eccentric contraction). It has been known for many years that eccentric contractions in normal people lead to a mild form of muscle damage, characterised
by weakness and delayed onset of swelling, stiffness and soreness. It is also known that leakage of creatine kinase from the muscle occurs during this delayed damage so that membrane permeability must be increased. An important observation, confirmed in many laboratories, is that muscles from the mdx mouse, which also lacks dystrophin, are much more susceptible to eccentric damage (Petrof et al., 1993). McNeil and Khakee (1992) used the entry of extracellular albumin to detect increased membrane permeability following eccentric contractions in normal muscles and found a large increase in the number of fibres containing albumin. They concluded that the most likely cause of this increase in permeability was ‘focal membrane disruption caused by the imposition of mechanical force on the fragile membrane’. They later showed that in the mdx mouse this type of increased membrane permeability was greatly enhanced (Clarke et al., 1993). Note that these two papers, though often cited as evidence for the membrane tears, only provide evidence for stretch-induced membrane permeability; no direct evidence of membrane tears was offered. Howcan membrane tears be experimentally distinguished from other causes of increased membrane permeability? Membrane defects can be produced artificially in muscles to examine the properties and repair of defects. A recent approach to this issue is to burn holes in the membrane with a powerful laser (Bansal et al.,2003). Using fluorescent markers they were able toshowthat repair occurs in less than one minute. Importantly in this study they found that repair was not different in mdx muscle fibres. These considerations suggest that the ‘signature’ of membrane tears would be (i) appearance of increased permeability synchronous with the eccentric
contraction and (ii) the increased permeability would disappear after repair, which appears to be aminute or so. Judged by these criteria the study by McNeil and Khakee (1992) is inconclusive since the exercise period was 1 h so that there was a delay of between 0 and 1 h between contractions and the assessment of permeability.
Wehave imaged Ca2+ and Na+ inside fibres during and immediately after a single eccentric contraction to determine whether we could detect highly localized regions of Ca2+ or Na+ as a consequence of membrane tears (Yeung et al., 2005). We have never successfully observed such events but this negative result does not rule out small or transient tears. 3. Alternative explanations for increased membrane permeability after stretched contractions
As noted above, if the cause of increased permeability were membrane tears one would predict increases in permeability starting immediately after the stretched contraction and persisting only for a minute or so. Instead there is a slow increase in intracellular Na+ ([Na+]i) and [Ca2+]i starting after the contractions and reaching a maximum after 10–20 min (for review see Allen et al., 2010). Furthermore the increase in ion levels is eliminated by drugs which block stretch-activated channels suggesting that the rise in [Ca2+]i and [Na+]i following stretched contraction is caused by channel activation rather thanmembranetears (Sonobe et al., 2008; Yeung et al., 2005). A similar conclusion was reached by (McBride et al., 2000) from studies of membrane depolarization in muscles subjected to stretched contractions. These results establish that opening of stretch-activated channels can explain increases in [Na+]i, [Ca2+]i and depolarization. What then is the cause of the membrane permeability to large molecules if it is not membrane tears? Early studies showed that increasing [Ca2+]i with ionophores or Ca2+ channel opening drugs led to loss of enzymes from muscle and that protection was provided by phospholipase A2 inhibitors and by ROS scavengers (Duncan and Jackson, 1987; Howl and Publicover, 1990). Thus it appears that elevated [Ca2+]i permeabilises the membrane either through activation of phospholipase A2 or by excessive production of ROS leading to lipid peroxidation. A feature of this pathway is that the increased permeability will be delayed at least until a sufficient rise in [Ca2+]i has occurred which on current evidence would seem likely to be many minutes. In support of the channel activation theory, we have shown that dye uptake increased progressively over 60 min after stretched contractions in mdx muscle and that blockers of stretch-activated channels prevented most of this increased membrane permeability (Whitehead et al., 2006). In addition we have shown that minimizing the ROS increase with ROS scavengers reduces the membrane permeability (Whitehead et al., 2008). 4. Role of absence of dystrophin
On the interpretation described above key events in the development of increased membrane permeability are (i) the elevation of [Ca2+]i and (ii) the production of ROS. The evidence discussed above suggests that the elevated [Ca2+]i arises through activation of a Ca2+ permeable channel, probably a stretch-activated channel. A series of electrophysiological studies have demonstrated increased channel activity in mdx muscles but the identity of the channel remains unclear (for review see Allen et al., 2010). A key issue is why these channels are more active in DMD or, more specifically, the pathway by which the absence of dystrophin triggers channel activity. Fig. 2 indicates one scheme involving abnormal activity in the caveolae. |
근육 손상 메커니즘 번역(한국어 번역본)2. 막 파열 증거
근육은 정상적인 수축 시 응력과 압박을 받으며 수축 (신장성 수축) 시 외부의 힘에 의해 근육이 늘어나면 파열이 심해진다. 오랫동안 신장성 수축은 정상인들에게 약화와 지연성 팽창, 경직, 동통을 특징으로 하는 경미한 형태의 근육 손상을 일으키는 것으로 알려져 왔다. 또한 이러한 지연성 손상이 발생하면 막 투과성을 증대시키기 위해 근육에서 크레아틴 키나제가 유출되는 것으로 알려져 있다. 많은 실험실들에서 확인된 중요한 관찰 결과는 디스트로핀이 부족한 mdx 마우스의 근육이 신장성 손상에 훨씬 민감하다는 것이다 (Petrof et al., 1993). McNeil과 Khakee (1992)는 세포외 알부민을 이용해 정상 근육에서 신장성 수축이 발생한 후 막 투과성이 증대되었음을 발견했으며 알부민이 함유되어 있는 섬유의 막에서 막 투과성이 크게 증대되었음을 발견하였다. 그들은 ‘취약한 막에 기계적 힘이 가해지면 발생하는 초점성 막 파괴’가 이러한 투과성 증대를 일으킬 수 있는 주된 원인이라고 결론 내렸다. 그들은 이후 mdx 마우스에서 이러한 유형의 막 투과성 증대가 대단히 강화됨을 입증하였다 (Clarke et al., 1993). 이 두 논문은 종종 막 파열의 증거로 인용되고 있지만 신장에 의해 유발되는 막 투과성에 관한 증거만을 제시하고 있을 뿐, 막 파열의 직접적 증거는 제시되어 있지 않다.
실험을 통해 막 투과성이 증대되는 다른 원인과 막 파열을 어떻게 구별할 수 있는가? 근육에서 인위적으로 막 결함을 발생시키면 결함의 특징과 복구를 조사할 수 있다. 이러한 문제에 관한 최근의 접근법은 강력한 레이저로 막을 태워 구멍을 내는 것이다 (Bansal et al., 2003). 그들은 형광 표지자를 이용해 1분 이내에 복구가 발생한다는 것을 입증할 수 있었다. 이 연구에서 그들은 mdx 근육 섬유에서도 복구가 다르지 않다는 중요한 사실을 발견했다. 이러한 연구 결과가 암시하는 것은 (ⅰ) 투과성 증대가 신장성 수축과 동시에 발생하고 (ⅱ) 증대된 투과성이 1분 정도에 복구되어 사라지면 그것이 막 파열의 ‘징후’라는 것이다. 이러한 기준에 따라 판단하자면 McNeil과 Khakee (1992)의 연구는 수축과 투과성 평가 사이에 0-1시간의 지연 시간을 두기 위해 활동 기간을 1시간으로 했으므로 결정적인 것이 되지 못한다. 우리는 1회 신장성 수축이 발생하는 동안 그리고 1회 신장성 수축이 발생한 즉시 섬유 안의 Ca2+와 Na+를 측정해 국소 부위의 Ca2+나 Na+를 막 파열의 결과로 탐지할 수 있는지를 확인하였다 (Yeung et al., 2005). 우리는 그러한 사례를 성공적으로 관찰하지는 못했지만 이러한 음성 결과가 미세한 또는 일시적인 파열을 배제하는 것은 아니다. 3. 신장성 수축 이후 증대된 막 투과성에 대한 대안적 설명
앞서 지적한 바와 같이, 투과성 증대의 원인이 막 파열이었다면 투과성 증대는 신장성 수축 후 곧바로 발생해 1분여 동안만 지속될 것으로 예측될 것이다. 대신 세포내 Na+ ([Na+]i)와 Ca2+와([Ca2+]i)는 수축 후 천천히 증가하기 시작해 10-20분 후 최대에 달하게 된다 (리뷰는 Allen et al., 2010 참조). 더욱이 이온 수치의 증가는 신장에 의해 활성화되는 통로를 차단하는 약물에 의해 감소되며 이는 신장성 수축 후 [Na+]i와 [Ca2+]i의 증가가 막 파열보다 통로 활성화에 의한 것임을 암시한다 (Sonobe et al., 2008; Yeung et al., 2005). 유사한 결론은 신장성 수축으로 인한 근육 내 막 탈분극에 대한 연구들 (McBride et al., 2000)에서도 나타났다. 이러한 결과들은 신장에 의해 활성화된 통로의 개방이 [Na+]i, [Ca2+]i과 탈분극의 증가를 설명해 줄 수 있음을 보여준다.
막 파열이 원인이 아니라면 거대 분자에 대한 막 투과성의 원인은 무엇인가? 초기 연구에서 이온 운반체나 Ca2+ 통로 개방 약물로 인해 [Ca2+]i 가 증가하면 근육에서 효소가 소실되고 포스포리파아제 A2 억제제와 ROS 스캐빈저에 의해 보호되는 것으로 입증되었다 (Duncan and Jackson, 1987; Howl and Publicover, 1990). 그러므로 포스포리파아제 A2의 활성화를 통해 또는 지질과산화를 유발하는 ROS의 과도 생성으로 인해 증가된 [Ca2+]i는 막을 투과할 수 있는 것으로 여겨진다. 이러한 경로의 특성은 적어도 [Ca2+]i이 충분히 증가할 때까지 증대된 투과성이 지연될 것이라는 점이며, 현재의 증거에 따르면 이는 수분이 될 것으로 보인다. 통로 활성화 이론을 지지하는 우리는 mdx 근육에 신장성 수축이 발생한 후 60분 동안 염착량이 지속적으로 증가하고, 신장으로 인해 활성화된 통로를 차단하는 차단제가 이러한 증대된 막 투과성을 대부분 막아준다는 사실을 밝혀냈다 (Whitehead et al., 2006). 이 외에 우리는 ROS 스캐빈저로 ROS 증가가 최소화되면 막 투과성이 감소된다는 사실을 입증했다 (Whitehead et al., 2008). 4. 디스트로핀의 역할
앞서 기술한 설명에 따르면, 막 투과성 증대에서 나타나는 주요 사건들은 (ⅰ) [Ca2+]i의 증가와 (ⅱ) ROS의 생성이다. 앞서 논한 증거는 Ca2+가 투과할 수 있는 통로, 아마도 신장에 의해 활성화된 통로가 활성화되면 [Ca2+]i가 증가한다는 것을 암시한다. 일련의 전기생리학적 연구들에서 mdx 근육의 통로 활성은 증가하는 것으로 입증되었지만 통로의 정체는 여전히 불분명하다 (리뷰는 Allen et al., 2010 참조). 핵심적인 문제는 이러한 통로들이 어째서 DMD에서 또는 보다 명확하게 말해 디스트로핀에 의해 통로 활성이 촉발되는 경로에서 더욱 활성화되는가이다. 그림 2는 카베올라에서의 비정상적인 활성과 관련된 구조를 보여준다. |
