《BioChip Journal》：Engineered Muscle Tissue Analysis of Irisin Protection Against Glucocorticoid- and Cancer Cachexia-Induced Muscle Wasting and Cardiotoxicity
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肌肉萎缩（muscle atrophy）是一种以蛋白质合成与降解失衡为特征的状况，导致骨骼肌消耗，加剧疾病进展并增加死亡率。运动已被证明可对抗肌肉消耗，其中肌因子（myokines）——运动诱导的分泌组蛋白——中的鸢尾素（Irisin）已知可介导系统性益处，如
肌肉萎缩（muscle atrophy）是一种以蛋白质合成与降解失衡为特征的状况，导致骨骼肌消耗，加剧疾病进展并增加死亡率。运动已被证明可对抗肌肉消耗，其中肌因子（myokines）——运动诱导的分泌组蛋白——中的鸢尾素（Irisin）已知可介导系统性益处，如改善代谢、减少氧化应激、促进骨骼肌组织修复，从而介导运动对抗萎缩的有益作用。尽管具有有前景的治疗潜力，但由于体内环境的复杂性和异质性，鸢尾素在肌肉及其他器官中的精确功能和信号通路仍未得到充分探索。在本研究中，研究人员展示了工程化骨骼肌组织模型作为仿生平台来研究鸢尾素介导的治疗干预。利用该平台，研究人员验证了鸢尾素能够通过恢复生肌标志物、增强AKT介导的蛋白合成、抑制泛素-蛋白酶体驱动的降解以及保留分解代谢应激下的收缩功能，来减轻地塞米松（DEX）诱导的肌肉萎缩（例如，与单独DEX处理相比，鸢尾素预处理使DEX处理组织的强直应激增加了约43%，每组n=7–9，p<0.05）。此外，鸢尾素通过改善生肌基因表达、减少萎缩标志物以及增强肌肉收缩力，有效对抗癌症恶病质诱导的肌肉消耗（基线应激恢复约77%，每组n=6–9，p<0.05）。将这些发现扩展到心脏组织，研究人员使用人诱导多能干细胞来源的心肌细胞（hiPSC-CM）模型证明了鸢尾素对DEX诱导心脏毒性的保护作用（鸢尾素显著改善了DEX处理hiPSC-CMs的收缩幅度并降低了细胞死亡指数，p<0.05）。本研究强调了工程化肌肉平台在探究鸢尾素治疗机制中的实用性。所展示的鸢尾素保护作用突出了其作为针对肌肉消耗和心脏功能障碍的可转化治疗剂潜力。这些平台为运动诱导肌因子的系统性益处提供了有价值的见解，并为开发靶向肌肉和心脏疾病的模拟运动疗法铺平了道路。
**论文解读：工程化肌肉组织揭示鸢尾素对糖皮质激素与癌症恶病质诱导的肌肉萎缩及心脏毒性的保护机制**
**研究背景与问题**
骨骼肌萎缩是由蛋白质合成与降解失衡引起的病理状态，常见于衰老、糖尿病、肾衰竭、去神经支配、微重力及癌症恶病质等多种疾病，显著加剧病情并升高死亡率。尽管运动被证明可通过肌因子（myokines）对抗肌肉萎缩，但运动诱导的分泌蛋白——尤其是鸢尾素（Irisin）——在肌肉及其他组织中的精确功能和信号通路仍因体内环境的复杂性与异质性而未被充分阐明。糖皮质激素（如地塞米松，DEX）过度或长期给药会通过抑制蛋白合成、激活泛素-蛋白酶体系统导致骨骼肌消耗；癌症恶病质则通过促炎、神经内分泌及肿瘤相关信号通路的多重交互引发严重肌肉消耗。鸢尾素虽已被报道通过促进肌生成、减少氧化应激及调节炎症信号来对抗肌肉萎缩，但其在癌症恶病质中的作用尚未探索，且其在心脏保护中的系统性效应也需进一步验证。因此，研究人员利用工程化肌肉组织模型，系统研究鸢尾素对糖皮质激素和癌症恶病质诱导的肌肉萎缩及心脏毒性的保护作用。
**研究内容与结论**
研究人员构建了各向异性（anisotropic）工程化骨骼肌组织模型，并在此基础上验证了鸢尾素预处理能够显著改善地塞米松（DEX）诱导的肌肉萎缩和癌症恶病质诱导的肌肉消耗，同时通过人诱导多能干细胞来源的心肌细胞（hiPSC-CM）模型证实鸢尾素对DEX心脏毒性的保护作用。主要结论包括：鸢尾素通过恢复生肌标志物（MyoD、MyoG）、降低萎缩标志物（MuRF1、Atrogin-1）、增强AKT磷酸化及蛋白合成、抑制泛素化降解，有效维持肌肉收缩功能；在癌症恶病质模型中，鸢尾素同样逆转了生肌基因下调、蛋白合成抑制及收缩力降低；在心脏模型中，鸢尾素保护线粒体呼吸功能、维持F-肌动蛋白结构、降低MuRF1表达并改善收缩应力。这些发现表明鸢尾素具有跨组织的抗分解代谢与心脏保护潜力。
**本论文研究意义**
该研究发表于《BioChip Journal》，首次在同一工程化平台中系统对比了鸢尾素对糖皮质激素与癌症恶病质两种不同机制肌肉萎缩的保护作用，并扩展至心脏毒性模型，为理解运动诱导肌因子的系统性益处及开发模拟运动疗法提供了重要实验依据。
**关键技术方法概述**
主要技术方法包括：①工程化各向异性二维（2D）肌组织构建——通过微模塑明胶基底（micromolded gelatin）结合PDMS印章（ridge/groove尺寸30/4/5 μm）实现肌管定向排列；②三维（3D）肌组织构建——使用纤维蛋白原/Matrigel水凝胶在PDMS模具中成型；③疾病建模：糖皮质激素诱导萎缩采用5 μM地塞米松（DEX）处理24小时；癌症恶病质采用MDA-MB-231乳腺癌细胞（ATCC）条件培养基（50% v/v）处理24小时；④鸢尾素预处理：重组鸢尾素（100 ng/mL，Abcam）处理24小时；⑤分子与功能分析：实时定量RT-PCR检测基因表达、免疫荧光染色（DAPI、F-肌动蛋白、Atrogin-1/MuRF1）评估形态与标志物、Western blot检测蛋白水平（AKT/pAKT、泛素化、嘌呤霉素掺入反映蛋白合成）、电脉冲刺激（EPS）下悬臂弯曲成像测定收缩应力（修正Stoney公式）。样本来源：C2C12小鼠成肌细胞（ATCC）、人类骨骼肌成肌细胞（Lonza）、人iPSC-CMs（Ncardia，>70–90% cTnT阳性）。
**研究结果**
**3.1 工程化各向异性肌肉组织展现出增强的肌源性分化和对鸢尾素的响应**：通过微模塑明胶基底培养的C2C12肌管呈现定向排列，显著上调肌源性转录因子MyoD、MyoG、Myf5的mRNA表达。鸢尾素处理增加了AKT磷酸化（pAKT/AKT比值升高）和整体蛋白合成（嘌呤霉素掺入增加），证实该模型能有效响应鸢尾素的促合成代谢信号。
**3.2 利用工程化肌肉组织模型研究鸢尾素对肌肉萎缩的保护作用**：在DEX诱导的萎缩模型中，qRT-PCR显示DEX下调MyoD、MyoG并上调MuRF1、Atrogin-1，而鸢尾素预处理逆转了这些变化（C2C12和人肌纤维中均验证）。免疫荧光显示DEX破坏F-肌动蛋白结构、增加Atrogin-1表达，鸢尾素预处理保存肌纤维完整性。Western blot证实鸢尾素降低DEX诱导的Atrogin-1蛋白水平，并部分恢复pAKT水平、增加嘌呤霉素掺入、降低泛素化水平。收缩功能测定（1 Hz和10 Hz EPS）表明DEX显著降低基线应力、峰值应力和颤搐应力，而鸢尾素预处理使强直应力增加约43%（与单独DEX相比），有效恢复收缩功能。
**3.3 评估运动诱导鸢尾素对癌症恶病质诱导肌肉萎缩的保护作用**：MDA-MB-231条件培养基处理导致MyoD、MyoG表达下降，MuRF1、Atrogin-1表达上升（qRT-PCR），免疫荧光显示F-肌动蛋白紊乱及Atrogin-1积累。鸢尾素预处理保留了生肌基因表达，抑制萎缩标志物，并通过部分恢复pAKT/AKT比值、增加蛋白合成、减少泛素化来维持合成代谢。收缩力分析显示，癌症条件培养基使基线应力降低约77%，而鸢尾素预处理使基线应力恢复至近似对照水平（p<0.05），峰值应力和颤搐应力也显著改善。
**3.4 评估运动诱导鸢尾素在骨骼肌与心脏间的交互作用——保护DEX诱导的心脏毒性**：hiPSC-CM组织中，鸢尾素预处理增加线粒体氧耗（100–500 ng/mL范围内有效），并维持高剂量DEX后的氧耗水平。DEX显著上调心脏萎缩标志物MuRF1的mRNA表达，鸢尾素预处理降低MuRF1表达。免疫荧光显示DEX破坏F-肌动蛋白结构、增加MuRF1积累，鸢尾素预处理保护结构。收缩功能测定（1–3 Hz EPS）表明DEX降低收缩期应力和颤搐应力（舒张期应力无显著变化），而鸢尾素预处理显著增强舒张期、收缩期和颤搐应力，保护心脏收缩功能。
**讨论与结论总结**
讨论部分指出：鸢尾素通过增强AKT信号、促进蛋白合成、抑制泛素-蛋白酶体系统来发挥抗分解代谢作用，其保护效应在DEX和癌症恶病质模型中一致重现，并扩展至心脏组织。鸢尾素对心脏的保护作用与其维持线粒体功能、结构完整性和收缩性能相关，体现了骨骼肌分泌肌因子的内分泌效应。研究存在局限性：①仅分析经典E3泛素连接酶Atrogin-1和MuRF1，未全面分析其他萎缩基因或自噬标志物；②所用鸢尾素浓度（100 ng/mL）虽在临床前研究范围内，但与生理或运动诱导水平的相关性有待体内验证；③功能实验主要在C2C12组织中进行，人类肌纤维仅验证了基因表达变化，未来需扩展到全人类肌肉构建。
**研究结论翻译**：总之，本研究展示了工程化骨骼和心脏组织模型在解析肌因子介导机制及治疗反应中的相关性。所建立的微生理平台实现了鸢尾素在DEX和癌症恶病质诱导肌肉萎缩以及DEX诱导心脏毒性中的功能评估。所展示的鸢尾素促合成代谢、抗分解代谢和心脏保护效应，强调了鸢尾素介导的信号作为肌肉和心脏组织中分解代谢应激保护机制的潜力。这些模型的未来应用可能加速开发利用肌因子信号治疗肌肉和心脏疾病的模拟运动干预措施。
