En un mundo con sociedades que envejecen rápidamente, es necesario conocer en detalle la causa y la progresión de las enfermedades asociadas al envejecimiento. El músculo esquelético es el sistema motor clave del cuerpo humano y desempeña un papel fundamental en la regulación metabólica corporal. Con el aumento de la edad, sobre todo en individuos de más de 80 años, los músculos esqueléticos sufren sarcopenia, una pérdida progresiva de masa y función muscular que no solo aumenta la discapacidad del individuo, sino que también interviene en el rápido declive de las funciones generales de las personas mayores, que las hace más frágiles. Los mecanismos subyacentes de la sarcopenia no se conocen bien y sus bases biológicas no se habían investigado sistemáticamente desde el punto de vista unicelular.

En la investigación, un descubrimiento que podría afectar la salud física y contribuir a alargar la vida, han participado Mari Carmen Gómez-Cabrera i Julio Doménech-Fernández (de la Universitat de València/INCLIVA y del Hospital Arnau de Vilanova de Valencia, respectivamente), y también personal investigador de la Universitat Pompeu Fabra (UPF) de Barcelona, de Altos Labs de San Diego (EE.UU.), de BGI-Research, el primer hospital afiliado de la Universidad Farmacéutica de Guangdong, de los institutos de Biomedicina y Salud de Guangzhou (Academia China de Ciencias), y otras instituciones.

En el trabajo se ha analizado la expresión génica y el estado epigenético de 387.000 células individuales en biopsias de músculo de las extremidades inferiores de 31 individuos de diferente sexo, edad y procedencia regional. Con estos datos, han esbozado el atlas unicelular del músculo esquelético humano envejecido más completo hasta ahora, Multimodal cell atlas of the ageing human skeletal muscle (Atlas de células multimodales del músculo esquelético humano envejecido).

Esta colaboración internacional ha sido liderada por Pura Muñoz-Cánoves, profesora de investigación ICREA del Departamento de Medicina y Ciencias de la Vida de la UPF, en Barcelona, y ahora investigadora principal en el Instituto de Ciencias Altos Labs de San Diego, y Miguel. A. Esteban, de BGI-Research a Shenzhen. “Como el atlas más exhaustivo del envejecimiento muscular humano en cuanto a células unicelulares estudiado hasta ahora, será una referencia tanto para los campos del envejecimiento como para los de la sarcopenia y la fragilidad”, ha dicho Pura Muñoz-Cánoves. Mari Carmen Gómez-Cabrera i Julio Doménech-Fernández han destacado que este atlas también será una referencia importante para futuros estudios en pacientes con dolencias neuromusculares.

El músculo esquelético humano está formado en gran parte por fibras musculares (miofibras), de las que existen dos tipos. Las fibras musculares de tipo 1 participan principalmente en actividades físicas de resistencia, como carreras de larga distancia o ciclismo. Se caracterizan por una velocidad de contracción muscular lenta, un metabolismo aeróbico elevado y una gran actividad mitocondrial. Las fibras musculares de tipo 2 son importantes en las actividades físicas que requieren explosiones repentinas de potencia, como los saltos, los sprints y el levantamiento de pesas. Tienen velocidades de contracción muscular más rápidas, son más propensas a la fatiga y dependen principalmente del metabolismo anaeróbico para producir energía.

Este trabajo describe cómo las poblaciones de células musculares esqueléticas, incluidos tanto los núcleos individuales en fibras multinucleadas como en células mononucleadas convencionales, cambian con el envejecimiento, así como las redes multicelulares subyacentes a estos cambios. Al comparar estos datos con datos genéticos, el equipo también pudo identificar elementos clave que predicen la susceptibilidad a la sarcopenia.

Los investigadores y las investigadoras descubrieron que, a medida que los humanos envejecen, las fibras musculares de tipo 2 se deterioran de forma constante durante el proceso de envejecimiento, mientras que las fibras musculares de tipo 1 permanecen relativamente estables y toleran mejor el estrés del envejecimiento. Durante el proceso de envejecimiento también se ve afectado el metabolismo celular. Mientras que las fibras de tipo 1 se vuelven más glucolíticas, las fibras musculares de tipo 1 aumentan la oxidación. Es importante destacar que, con el envejecimiento, surgen nuevos subtipos de miofibras prorregenerativas y prodegenerativas. Estas nuevas poblaciones pueden contribuir a inducir la cascada degenerativa del músculo envejecido y son objetivos probables de intervención.

Los músculos pueden repararse a sí mismos. De ello se encargan principalmente las células madre musculares que, ante una lesión, empiezan a proliferar y diferenciarse en músculo, fusionándose entre sí o con las fibras musculares existentes para reparar el músculo dañado. En la investigación descubrieron que estas células madre abandonan el estado quiescente en los músculos envejecidos y entran en un estado de cebado prematuro, lo que provoca una reducción de la capacidad de regeneración. 

Mientras tanto, durante el envejecimiento, las células endoteliales también experimentan cambios con un aumento de las señales proinflamatorias y quimiotácticas, al tiempo que las células inmunitarias aumentan en número e inician programas inflamatorios. Estos cambios hacen que los músculos sean más susceptibles al deterioro en respuesta a las lesiones y pueden promover la inflamación sistémica y acelerar el deterioro de la función física general en las personas mayores.

Además, mediante comparación cruzada con datos genéticos, los investigadores y las investigadoras identificaron sitios específicos de cada tipo celular en la cromatina, la mezcla de ADN y proteínas que forma los cromosomas en las células humanas, asociados a la susceptibilidad a la sarcopenia. Estos hallazgos proporcionan a los equipos de investigación posibles nuevas dianas para el futuro diagnóstico y tratamiento de la sarcopenia.

Miguel A. Esteban, uno de los dos autores corresponsales de este estudio, ha declarado: "Nuestra investigación científica conjunta proporciona una nueva perspectiva para entender el envejecimiento del músculo esquelético humano y una base científica apasionante para el desarrollo de estrategias preventivas y terapéuticas". "Este atlas es el producto de una colaboración internacional y del desarrollo de tecnologías de perfilado unicelular masivamente paralelas", ha afirmado el Dr. Yiwei Lai, primer autor del estudio y miembro del equipo chino.

Artículo de referencia: Lai, Y; Ramírez-Pardo, I; Isern, J; An, J; Perdiguero, E; Serrano, A.L; Li, J; et al; Multimodal cell atlas of the ageing human skeletal muscle. Nature. 2024, Apr. DOI: 10.1038/s41586-024-07348-6