衰老与废用诱导的SERCA1阳性肌纤维径向萎缩主要由肌原纤维数量减少而非肌原纤维尺寸缩小介导：宏观至超微结构分析

《The Journal of Physiology》：Macroscopic to ultrastructural analyses identify the loss of myofibrils as the primary mediator of ageing- and disuse-induced muscle fibre atrophy

　　

衰老和废用是与骨骼肌质量丢失相关的两个最具临床相关性的状态，但驱动这些丢失的超微结构适应仍定义不清。事实上，即使是最基本的问题，例如肌纤维径向萎缩（radial atrophy）主要由肌原纤维（myofibril）尺寸减小和/或肌原纤维丢失驱动，也仍未得到解答。为弥补该空白，研究人员在年轻和年老的人类及小鼠中，从宏观、微观和超微结构水平评估了骨骼肌结构。在人类中，采用磁共振成像（magnetic resonance imaging, MRI）测量股四头肌体积和横截面积（cross-sectional area, CSA），而股外侧肌（vastus lateralis）活检组织接受标准免疫组织化学（immunohistochemistry, IHC）进行微观评估，并结合下一代荧光成像流程进行超微结构分析。在小鼠中进行了平行实验，包括废用诱导萎缩的单侧固定（unilateral immobilization）模型。人类的衰老与较低肌肉体积和CSA相关，并伴有SERCA1（sarcoplasmic/endoplasmic reticulum Ca²⁺-ATPase 1）阳性纤维的径向萎缩，而SERCA2（sarcoplasmic/endoplasmic reticulum Ca²⁺-ATPase 2）阳性纤维CSA得以保留。值得注意的是，SERCA1纤维的径向萎缩在很大程度上由肌原纤维数量减少而非肌原纤维尺寸变小解释。在年老小鼠中观察到类似改变，尽管SERCA1纤维还表现出肌原纤维尺寸略小。在小鼠中，废用同样引起径向肌纤维萎缩，再次几乎完全与肌原纤维数量减少相关。总体而言，这些发现确定肌原纤维丢失是介导衰老和废用期间径向肌纤维萎缩的核心且保守机制，突出了保持骨骼肌质量的潜在治疗靶点。

骨骼肌是人体最大的内部器官，约占总体重35%，除运动外还参与体温调节、呼吸支持、代谢稳态和通过肌因子分泌参与内分泌信号。维持骨骼肌质量对整体健康和生活质量至关重要；其丢失与II型糖尿病、心血管疾病和全因死亡风险升高相关。衰老（ageing）和废用（disuse）是肌肉质量丢失的两个主要临床相关状态。既往研究已知，衰老时全肌肉横截面积（cross-sectional area, CSA）下降，并伴随肌纤维数量减少（hypoplasia）和肌纤维径向萎缩（radial atrophy，肌纤维横截面积缩小）；废用则主要导致已有肌纤维径向萎缩。然而，驱动径向萎缩的超微结构适应长期未明：究竟是肌原纤维（myofibril，肌纤维内螺纹状收缩结构）CSA减小、肌原纤维数量减少，还是二者共同作用，尚无答案。因此，本研究旨在识别衰老和废用诱导肌肉质量丢失的宏观至超微结构适应。

研究人员纳入年轻和老年人类志愿者：年轻男性10名（19–40岁）、年轻女性8名（21–28岁）、老年男性9名（69–84岁）、老年女性7名（65–72岁）；均为社区居住、表面健康成人。小鼠为雄性C57BL/6，成年4月龄（购自Jackson Laboratory）和老年24月龄（购自National Institute on Aging rodent colonies）。人类接受股外侧肌（vastus lateralis, VL）活检和股四头肌MRI；小鼠接受单侧后肢固定10天。关键技术包括：MRI测股四头肌体积与最大CSA；IHC标记dystrophin（肌营养不良蛋白，标定肌纤维周边）和SERCA1/SERCA2；Keyence自动荧光显微镜定量全肌肉和肌纤维CSA；FIM-ID（fluorescence imaging of myofibrils and image deconvolution，肌原纤维荧光成像与图像去卷积流程）自动测量肌原纤维CSA和数量；统计采用t检验、方差分析等。

人类骨骼肌宏观结构的衰老变化：通过MRI比较年轻和老年参与者，发现衰老与股四头肌体积低34%、最大CSA小32%相关，VL结果相似，且性别未显著影响。说明衰老导致明显宏观肌肉萎缩。

人类骨骼肌微观和超微结构的衰老变化：通过对VL活检切片进行dystrophin和SERCA1/SERCA2 IHC并结合FIM-ID，发现衰老导致SERCA1阳性纤维CSA降低23%，SERCA2阳性纤维CSA未显著改变。超微结构上，SERCA1阳性纤维肌原纤维CSA未显著变化，而肌原纤维数量显著减少；该模式不受性别显著影响。说明人类衰老诱导的SERCA1阳性肌纤维径向萎缩主要由肌原纤维数量减少而非肌原纤维尺寸缩小介导。

衰老和废用对小鼠骨骼肌质量的影响：通过单侧后肢固定模型，测体重、胫骨长度及胫骨前肌（tibialis anterior, TA）、趾长伸肌（extensor digitorum longus, EDL）、跖肌（plantaris, PLT）、比目鱼肌（soleus, SOL）、腓肠肌（gastrocnemius, GAST）和趾长屈肌（flexor digitorum longus, FDL）质量。三因素ANOVA显示年龄与固定存在依赖于肌肉的交互；除TA外所有肌肉均呈交互，表现为老年动物固定诱导质量下降减弱。屈肌（PLT、SOL、GAST、FDL）出现衰老性质量丢失，伸肌（TA、EDL）无此现象。说明衰老改变废用性萎缩幅度，且存在肌肉特异性。

小鼠骨骼肌宏观至超微结构的衰老变化：对对照肢体SOL和FDL中段切片进行dystrophin和SERCA1 IHC及成像，发现老年小鼠SOL和FDL全肌肉CSA降低，SERCA1阳性纤维径向萎缩，肌原纤维数量减少。与人类不同，老年小鼠肌原纤维CSA也小幅降低，且呈肌肉特异趋势（SOL 3% vs FDL 8%，P=0.0789）。FDL中观察到疑似管状聚集（tubular aggregates，Engel等描述为肌质网异常积累），老年小鼠增多增大，分析时避开这些异常。说明肌原纤维数量减少在衰老中较保守，肌原纤维尺寸减小可能为小鼠和/或特定肌肉/纤维类型现象。

衰老对小鼠SOL废用诱导的宏观至超微结构变化的影响：对年轻和老年小鼠SOL对照与固定肢体分析，发现固定降低年轻小鼠全肌肉CSA，老年小鼠中该效应减弱。固定导致SERCA1阳性纤维径向萎缩，幅度依赖年龄；径向萎缩伴随肌原纤维CSA小幅降低，而肌原纤维数量降低更明显。FDL得到几乎相同结果。说明废用也主要与肌原纤维数量减少相关，同时存在尺寸贡献，且老年肌肉对废用反应减弱。

讨论部分指出，近50年研究已认识径向萎缩是衰老和废用肌肉质量丢失的主要因素，但超微结构机制不清。原因在于肌原纤维是肌纤维主要超微成分，严格定量需追踪每个样本数千条肌原纤维，且电镜图像对比度通常不利于自动追踪。FIM-ID使研究人员能够自动化评估。人类结果提示，衰老性径向萎缩源于肌原纤维周转缺陷，而非现有收缩机器普遍均匀降解。小鼠大体重现人类发现，但肌原纤维尺寸也下降，尤其在快肌FDL；研究人员提出，这可能与人和小鼠纤维类型组成差异有关，FDL约60%为糖酵解/IIb型纤维（人类骨骼肌无此亚型），氧化型SERCA1阳性纤维肌原纤维CSA未显著改变，而糖酵解型SERCA1阳性纤维明显降低；管状聚集在老年小鼠FDL常见，在SOL和人类VL少见，支持高度糖酵解/IIb型纤维对衰老更脆弱。废用方面，固定导致肌原纤维CSA和数量下降，符合既往观察到的失活期快速收缩蛋白丢失；老年肌肉废用变化减弱，研究人员认为可能因老年小鼠日常活动显著下降，肌肉处于慢性失用状态，对额外固定致萎缩反应较小。局限包括人类仅分析VL，横断面设计不能确定因果或时间顺序，物种纤维类型差异限制外推，FIM-ID未揭示分子机制如信号通路和蛋白周转率。

结论翻译：总之，本研究提供了一个从宏观到超微结构的综合框架，以理解衰老和废用如何导致骨骼肌质量丢失。结果表明，肌原纤维数量减少是径向萎缩的核心且保守机制，而肌原纤维尺寸变化以背景和肌肉/纤维类型特异的方式起作用。这些发现不仅澄清了关于肌肉萎缩结构基础的长期问题，还突出了旨在在整个生命周期内保持肌肉质量和功能的治疗干预潜在靶点。未来工作应聚焦于识别调控肌原纤维周转的分子通路，并确定如何调节这些过程以增强衰老和疾病中的肌肉韧性。