Células satélites musculares

Myogenic satellite cells

ATUALIZAÇÃO CONTINUADA

Células satélites musculares

Myogenic satellite cells

Rosália Maria Simões Antunes Foschini^I; Fernando Silva Ramalho^II; Harley E. A. Bicas^III

^IMédica assistente junto ao Setor de Estrabismo e Ortóptica do Hospital das Clínicas da Faculdade de Medicina de Ribeirão Preto (USP)

^IIProfessor Doutor do Departamento de Cirurgia e Anatomia da Faculdade de Medicina de Ribeirão Preto (USP)

^IIIProfessor Titular do Departamento de Oftalmologia, Otorrinolaringologia e Cabeça e Pescoço da Faculdade de Medicina de Ribeirão Preto (USP)

^{Endereço para correspondência}

RESUMO

O artigo descreve as células satélites musculares, marcadores, quantificação e distribuição, fatores de crescimento e hormônios envolvidos na sua regulação, interação com monócitos e macrófagos, respostas funcionais a estados fisiológicos e de doença, modelos genéticos de miopatia e de regeneração muscular, formação de músculo ectópico, formação do músculo e células precursoras, origem das células satélites, células periféricas, musculatura ocular externa e células satélites.

Descritores: Células satélites; Músculo esquelético; Fibra muscular; proteína MyoD, Músculo ocular externo

ABSTRACT

The article describes myogenic satellite cells, their markers, quantification and distribution, growth factors and hormones involved in their regulation, interaction with macrophages and monocytes, functional answers to physiologic stimuli/disease states, genetic models of myopathies and muscular regeneration, ectopic muscle formation, muscle formation and precursor cell, satellite cell origin, peripheral cells, extraocular muscles and satellite cells.

Keywords: Satellite cells, Skeletal muscle; Muscle fibers; MyoD protein; Regeneration; Growth substances; Myogenic regulatory factors

INTRODUÇÃO

A musculatura esquelética de mamíferos adultos possui grande capacidade de adaptação a demandas fisiológicas, como no crescimento, no treinamento e no trauma. Sendo as fibras musculares esqueléticas adultas caracteristicamente bem diferenciadas, esse elevado potencial adaptativo é atribuído a uma população de células residentes no músculo esquelético adulto denominadas células satélites (CS).

1. Identificação

As CS musculares foram inicialmente descritas em 1961 em fibras musculares de rã⁽¹⁾. Elas fazem parte de uma população de células com grande atividade mitogênica que contribuem para o crescimento muscular pós-natal, o reparo de fibras musculares danificadas e a manutenção do músculo esquelético adulto. Foram assim denominadas por sua localização anatômica na periferia de fibras musculares multinucleadas maduras. São células indiferenciadas e mononucleadas, cuja membrana basal está em continuidade com a membrana basal da fibra muscular. Enquanto o tecido muscular esquelético mantém-se livre de agressões, as CS permanecem em estado de quiescência (repouso). Entretanto, em resposta a estímulos como crescimento, remodelação ou trauma, as CS são ativadas, proliferam-se e expressam marcadores da linhagem miogênica. Neste estado, também são denominadas mioblastos. Essas células se fundem a fibras musculares já existentes ou se fundem a CS vizinhas para gerar novas fibras musculares. Há evidências de que as CS constituem uma população bastante heterogênea, visto que algumas podem sofrer diferenciação imediata, sem divisão prévia, enquanto outras primeiramente proliferam, gerando uma célula filha para diferenciação e outra para futura proliferação⁽²⁾. Recente estudo demonstrou que apenas 50% das CS que proliferam entram em fase final de diferenciação, expressando a proteína miosina do desenvolvimento⁽³⁾.

Morfologicamente, as CS quiescentes diferem das ativadas por apresentarem alta relação núcleo/citoplasma, com poucas organelas, núcleo menor quando comparado com os núcleos adjacentes da fibra muscular e aumento da heterocromatina nuclear comparada à do mionúcleo. Quando ativadas, ocorre redução da heterocromatina, aumento na relação citoplasma/núcleo e aumento no número de organelas intracelulares⁽⁴⁾.

Em estudos com cultura de células, observou-se que as CS humanas movimentam-se e apresentam uma taxa constante de migração⁽⁵⁾.

2. Marcadores

O padrão de expressão gênica das CS ainda é pouco conhecido, tanto no estado de quiescência como no estado ativado. As CS quiescentes não expressam fatores reguladores da miogênese das famílias do MyoD, MEF2 ou outros marcadores de diferenciação terminal.

São conhecidos marcadores para as CS:

2a) MyoD - descoberto em 1987, o MyoD é um fator de transcrição que pertence à família de proteínas "basic helix-loop-helix". Essa família de proteínas "basic helix-loop-helix", que também inclui outras proteínas (como o Myf-5, a miogenina e o MRF4), controla a diferenciação de células da linhagem miogênica. CS MyoD negativas apresentam capacidade de diferenciação reduzida e retardada^(6-7). O MyoD é um excelente marcador para CS ativadas^(8-9), sendo encontrado em elevados níveis no músculo em regeneração e de neonatos⁽¹⁰⁾. O papel funcional do MyoD na musculatura esquelética após o nascimento ainda não é claro. Sua detecção ocorre doze horas após um traumatismo muscular, juntamente com outras proteínas relacionadas com a diferenciação de células da linhagem miogênica, como desmina e miogenina⁽²⁾. Em relação às fases do ciclo celular, o MyoD apresenta-se em altos níveis durante a fase G1 da interfase, quando tem início a diferenciação celular, caindo para níveis baixos na transição G1/S, e novamente aumentando no transcorrer da fase S para a mitose propriamente dita⁽¹¹⁾.

2b) Myf-5 - é um fator de transcrição que pertence à família de proteínas "basic helix-loop helix". Marca CS quiescentes⁽¹²⁾ e ativadas⁽¹³⁾. O Myf-5 encontra-se em níveis elevados durante a fase de repouso (G0), decresce durante G1, mas reaparece ao final de G1, para se manter estável até ocorrer nova mitose⁽¹¹⁾.

2c) MNF - também conhecido como Foxk1, o MNF é um fator de transcrição da família "winged helix". Encontra-se presente em CS de músculo esquelético adulto. São conhecidas duas isoformas, o MNF-a e o MNF-ß. O MNF-a é identificado predominantemente em células em proliferação após trauma, enquanto o MNF-ß é a principal isoforma expressa em células quiescentes. Uma ruptura do "locus" do MNF resulta em importante déficit de crescimento e grande dificuldade para regeneração muscular⁽¹⁴⁾.

2d) c-Met - a proteína produzida pelo gene c-Met é um receptor de superfície celular para o fator de crescimento do hepatócito (HGF), um potente mitógeno para as CS. O c-Met tem atividade tirosina-quinase. Cornelison e Wold⁽⁸⁾ demonstraram que o c-Met é um marcador de CS quiescentes e ativadas, capaz de identificar fibras musculares, mas não fibroblastos musculares. Embriões deficientes em c-Met falham na formação da musculatura esquelética dos membros devido à falta de células precursoras da linhagem miogênica^(15-16). Em cultura de CS de galinhas, há descrição de diminuição nos níveis de c-met m-RNA durante a diferenciação celular⁽¹⁷⁾.

2e) M-cadherin - é uma molécula de adesão celular dependente de cálcio, cuja função está relacionada à mediação entre duas células, com importância para a manutenção da estrutura e morfogênese celulares. Sua expressão ocorre em uma subpopulação de CS quiescentes, estando aumentada quando as CS se tornam ativadas em presença de um estímulo. Sua função não é muito clara, mas juntamente com outras moléculas de adesão celular, como a N-CAM ("neural cell adhesion molecule") e a VCAM-1 ("vascular adhesion molecule 1"), que são potenciais marcadores para as CS quiescentes, podem ajudar na adesão das CS à lâmina basal da miofibra e podem participar na capacidade migratória dessas células em resposta a um estímulo⁽¹⁴⁾.

2f) Pax7 - é um fator de transcrição "paired box" expresso em CS quiescentes e em proliferação. Uma mutação no Pax7 leva à ausência de CS, mostrando que o Pax7 é extremamente importante para a especificação da população de CS⁽¹⁸⁾.

2g) Miogenina — é um fator regulador da miogênese que se encontra expresso em CS ativadas e mioblastos⁽¹⁹⁾.

2h) PCNA - o PCNA ("proliferating cell nuclear antigen") é uma proteína cuja síntese ocorre no início das fases G1 e S do ciclo celular. Embora inespecífico, é um excelente marcador para células em proliferação, inclusive as CS⁽³⁾.

2i) Ki-67 - é um marcador presente nas fases S, G2 e M do ciclo celular, mas ausente em G0. Uma vez tendo início a diferenciação celular, a sua expressão também declina. Também não é específico para as células musculares⁽²⁰⁾.

2j) Sox 8 - pertence à família dos reguladores da transcrição. Sua expressão é intensa durante o desenvolvimento embrionário e gradualmente decresce após o nascimento. O Sox 8 está confinado às CS, e sua expressão está relacionada ao bloqueio da diferenciação da célula muscular⁽²¹⁾.

2l) CD34 - o CD34 é uma glicoproteína transmembrana presente na superfície de células progenitoras, células endoteliais de pequenos vasos, fibroblastos embrionários e algumas células de tecido neural fetal e adulto. Sua expressão é mais intensa nas células tronco primitivas, tornando-se gradualmente menos intensa à medida que ocorre a diferenciação celular. O CD34 também está presente em células endoteliais de capilares e em células estromais da medula óssea. Marca CS quiescentes⁽²²⁾.

2m) Proteínas músculo-específicas - CS de músculo bíceps femural de cães adultos ⁽²²⁾ expressam proteínas músculo-específicas, como actina, miosina e desmina⁽²³⁾, além de N-CAM, MyoD e miogenina. Células musculares embrionárias de coelhos foram marcadas com anticorpos para as isoformas embrionária e perinatal da cadeia pesada da miosina⁽²⁴⁾. Clones de CS de músculo quadríceps de humanos expressam a cadeia pesada da miosina, tanto a isoforma lenta como a rápida⁽²⁵⁾.

2n) c-ski - é uma proteína nuclear importante no controle da proliferação e diferenciação das células do músculo esquelético. Durante a regeneração muscular, ocorre aumento na expressão da c-ski, sendo muitas células também positivas para PCNA e desmina⁽²⁶⁾.

2o) p27 kip - há uma relação inversa entre a capacidade proliferativa da CS e a abundância da proteína p27 Kip, podendo estar envolvida no crescimento e na hipertrofia musculares⁽²⁷⁾.

2p) v-Src - é uma típica tirosina-quinase, inibindo a diferenciação miogênica por meio da inibição da expressão de MyoD e miogenina⁽²⁸⁾.

Outros candidatos a marcadores das CS encontram-se em investigação: o antígeno de superfície celular Sca-1^(29-30), a glicoproteína Leu-19, o fator anti-apoptótico Bcl-2^(31-32), entre outros.

3. Quantificação e distribuição

Em ratos, as CS constituem cerca de 30% dos núcleos no músculo do neonato e decrescem para cerca de 4% no adulto e 2% no idoso^(33-34). Com o envelhecimento, há aumento no número de mionúcleos e decréscimo no número de CS⁽³⁴⁾. O número de CS também é dependente da espécie e do tipo de fibra muscular. Em relação à fibra muscular, há aumento na densidade de CS em associação à proximidade de capilares, número de mionúcleos e de junções mioneurais. As fibras oxidativas, caracterizadas pelo aumento na densidade de motoneurônios e capilares em relação às fibras glicolíticas, demonstram um conteúdo de CS cinco a seis vezes maior^(35-36). As fibras musculares rápidas contêm um menor número de CS em comparação às fibras musculares lentas, produzindo também menos mioblastos⁽³⁷⁾. As CS provenientes de fibras lentas proliferam-se, fundem-se e amadurecem mais rápido⁽³⁸⁾, e podem ter papéis diferentes na formação e diferenciação de fibras rápidas e lentas⁽³⁹⁾.

4. Fatores de crescimento como reguladores das CS

Os estudos com fatores de crescimento foram feitos, em sua maioria, em culturas de CS, apresentando algumas limitações devido à falta de fatores permissivos ou repressivos que poderiam estar presentes in vivo e que poderiam influenciar a atividade celular.

4a) HGF - o fator de crescimento do hepatócito (HGF) é uma glicoproteína com múltiplas funções, inicialmente descrita como um potente mitógeno para hepatócitos maduros. É capaz de ativar e induzir a proliferação de CS. Entretanto, o HGF reduz a diferenciação das CS por meio da inibição da transcrição de fatores reguladores da miogênese⁽¹⁷⁾ e do inibidor do ciclo celular p27⁽⁴⁰⁾. Sua expressão é proporcional ao grau de lesão muscular⁽⁸⁾. O estiramento mecânico induz a ativação das CS em cultura, com liberação de HGF. Dessa forma, o HGF pode estar envolvido na ativação das CS após uma perturbação mecânica⁽⁴¹⁾.

4b) FGF - os fatores de crescimento de fibroblastos (FGF) constituem uma família de proteínas que controlam o crescimento e diferenciação de células mesenquimais, epiteliais e ectodérmicas. Os FGF estimulam a síntese de tecido conjuntivo, induzem a proliferação de CS e suprimem a diferenciação miogênica. O FGF-1 caracteriza-se por exacerbar a atividade proliferativa de mioblastos. Os níveis dos FGF são proporcionais ao grau de expressão dos seus receptores. Quando ocorre um aumento na expressão dos receptores para o FGF, há aumento na proliferação e redução na diferenciação de CS⁽⁴²⁾. Os níveis dos FGF encontram-se elevados em pacientes com distrofia muscular de Duchenne⁽⁴³⁾.

4c) IGF - os fatores de crescimento semelhantes à insulina ("IGF - insulin-like growth factor") são proteínas importantes no controle do metabolismo da insulina, além de regularem a regeneração muscular. Os IGF-I e IGF-II estimulam a proliferação e a diferenciação de CS in vitro⁽¹⁴⁾.

4d) TGF-ß - os membros da família do TGF-ß ("ß transforming growth factor") geralmente inibem a proliferação e diferenciação musculares, inibindo a transcrição de genes da família MyoD⁽¹⁴⁾.

5. Hormônios como reguladores das células satélites

5a) Insulina — em cultura de células, a insulina constitui-se num efetivo mitógeno para as CS de músculo semi-membranoso de bovinos, induzindo proliferação, formação de miotubos e diferenciação celular⁽⁴⁴⁾.

5b) Triiodotironina (T3) - o T3 reduz a proliferação de CS de forma dose dependente ⁽⁴⁴⁾.

6. Interação com monócitos e macrófagos

In vitro, a interação das CS com monócitos e macrófagos estimula a proliferação dos mioblastos e das CS por meio de fatores solúveis⁽⁴⁵⁾, além de protegê-los da apoptose⁽⁴⁶⁾. Entretanto, a diferenciação das CS é retardada pelos macrófagos⁽⁴⁷⁾.

7. Respostas funcionais a estímulos fisiológicos

7a) Hipertrofia muscular - exercícios de resistência induzem hipertrofia muscular por meio da ativação e da proliferação de CS, com posterior quimiotaxia e fusão das CS às fibras musculares pré-existentes⁽⁴⁾. Exercícios de estiramento também podem levar à hipertrofia muscular, com conseqüente aumento do número de CS, aumento da área seccional da fibra e do número de mionúcleos^(48-50). Recentes investigações sugerem que exercícios freqüentes podem aumentar o número de fibras musculares (hiperplasia), embora seu efeito na área seccional da fibra muscular seja pequeno. As CS parecem estar envolvidas neste fenômeno^(51-52). A testosterona conduz à hipertrofia muscular, alterando o número de mionúcleos, o número de CS e a massa adiposa. Uma possível explicação para a hipertrofia muscular seria o efeito estimulante da testosterona sobre as células tronco da linhagem miogênica, inibindo a diferenciação da linhagem adipogênica⁽⁵³⁾. Em homens que receberam suplementação de testosterona, observou-se hipertrofia muscular associada a aumento de CS e aumento proporcional do número de mionúcleos com mudanças em sua ultraestrutura^(48,54). Lowe e Alway⁽⁵⁵⁾, entretanto, demonstraram hipertrofia em músculos de asa de codornas, apesar da ausência de CS em atividade proliferativa.

7b) Hiperplasia muscular - a hiperplasia muscular foi observada em modelos experimentais de levantamento de peso em ratos, em que foram evidentes a regeneração das fibras musculares e a formação de novas miofibras (hiperplasia) no espaço intersticial⁽⁵⁶⁾. O surgimento de novas fibras musculares pode ocorrer a partir de células que expressam o antígeno CD 34, distintamente das CS⁽⁵⁶⁾.

7c) Atrofia muscular - a atrofia muscular conduz à diminuição do número de mionúcleos, podendo ser secundária a desnervação, nutrição deficiente ou imobilização do músculo. Em um modelo com ratos pré-púberes, a imobilização de um músculo levou à diminuição do número e da capacidade proliferativa das CS, alterando irreversivelmente a remodelação muscular, fato que não ocorreu em animais adultos, nos quais as CS proliferaram e repopularam o músculo atrófico⁽⁵⁷⁾. Quando sofrem desnervação, as CS aumentam em número na fase aguda, para, depois, numa fase crônica, ocorrer um decréscimo significativo das mesmas. As CS presentes em músculo desnervado expressam Myfs e muito fracamente miogenina e MRF4, indicando seu estado quiescente⁽⁵⁸⁾.

7d) Envelhecimento - a eficiência das CS em proliferar e se diferenciar é dependente da idade do indivíduo. Quanto maior a idade, menor a capacidade de proliferação e de diferenciação das CS^(59-60).

8. Respostas funcionais a estados de doença

Diversas miopatias são secundárias a uma mutação molecular que irá afetar as proteínas musculares, resultando em alterações estruturais no músculo esquelético. A distrofia muscular de Duchenne (DMD) é a mais comum e a mais devastadora das miopatias. A mutação num gene relacionado a uma proteína do citoesqueleto da fibra muscular a torna extremamente frágil, e os traumatismos constantes levam a contínuos ciclos de degeneração-regeneração, culminando com a exaustão do "pool" de CS. Duas possíveis explicações para a progressão da DMD são o envelhecimento das CS após sucessivas replicações, ou o retardo no processo de diferenciação celular^(60-61). Renault et al.⁽⁶⁰⁾ demonstraram que a sobrevida das CS oriundas de um paciente de nove anos com DMD era aproximadamente um terço da sobrevida de CS de um indivíduo saudável com a mesma idade.

9. Modelos genéticos de miopatia em ratos

Linhagens de ratos portadores de miopatia, mutantes para a produção de distrofina, utrofina, MyoD ou MNF, exibem graves miopatias, apresentando, à semelhança da DMD em humanos, CS com menor sobrevida e prejuízo da capacidade regenerativa. Nicole et al.⁽⁶²⁾ e Furling et al⁽⁶³⁾ demonstraram que CS oriundas de ratos normais aumentam muito a sobrevida de ratos mutantes portadores de miopatia crônica, embora pareça haver um potencial limitado para a regeneração da musculatura esquelética. As CS provenientes de hamsters distróficos irão originar miotubos anormais⁽⁶⁴⁾.

10. Modelos de regeneração muscular

Existem vários modelos de regeneração muscular que objetivam o estudo do processo de ativação das CS. Um dos modelos mais estudados consiste na injeção da cardiotoxina, originada do veneno de uma serpente, cuja injeção no músculo gastrocnêmio leva à degeneração de cerca de 80 a 90% das fibras musculares. Seis horas após a lesão, as CS tornam-se ativadas, proliferando durante 2 a 3 dias^(65-66). A regeneração muscular completa ocorre em cerca de dez dias.

11. Formação de músculo esquelético ectópico

A partir de mioblastos implantados no tecido subcutâneo de ratos, Irintchev et al ⁽⁶⁷⁾ demonstraram a formação de músculo esquelético ectópico, dotado de contratilidade espontânea ou eletricamente induzida, e com morfologia e fenótipo de tecido muscular esquelético maduro.

12. Formação do músculo esquelético por células precursoras

Os mecanismos anatômicos e moleculares envolvidos na regeneração muscular parecem recapitular os ocorridos no desenvolvimento.

Durante a embriogênese, a cabeça, o tronco e os membros desenvolvem-se como linhagens diferentes. A mesoderme paraxial origina os somitos, que se subdividem em somitos dorsomediais (epaxial), originando os músculos dorsais, e somitos ventromediais (hipaxial), originando os músculos abdominais, intercostais e dos membros. Durante a somitogênese, fatores de crescimento e fatores de transcrição interagem, de modo que o somito e estruturas adjacentes (ectoderme adjacente, tubo neural e notocorda e estruturas vasculares, incluindo a aorta), resultarão no tecido muscular após uma série de reações moleculares⁽¹⁴⁾.

13. Células precursoras musculares e desenvolvimento dos membros

Antes da migração das células precursoras musculares para os locais onde serão formados os membros, estas não são capazes de expressar proteínas da família MyoD. Após a migração destas células para o membro em desenvolvimento é que tem início a expressão das proteínas da família MyoD. Os mioblastos localizados nos membros irão sofrer coalescência, formando massas pré-musculares, que posteriormente originarão fibras musculares multinucleadas.

14. Origem das células satélites (somítica versus não somítica)

A origem das CS ainda não está definida. Há uma hipótese de que elas se originem de células pluripotenciais da mesoderme dos somitos⁽¹⁴⁾. Outros estudos sugerem que as CS são derivadas de células pluripotenciais de origem não somítica, como as células endoteliais⁽⁶⁸⁾.

15. Células satélites e células periféricas ("side population cells")

Além das CS, o músculo estriado esquelético possui outra população de células tronco, denominadas células periféricas ("side population cells")^(69-71). Estas células são capazes de gerar miócitos ou CS após transplante intramuscular, mas não conseguem fazê-lo in vitro. Enquanto as CS são negativas para os marcadores Sca-1 e CD 45, as células periféricas expressam o Sca-1 e o CD45, um conhecido marcador de células tronco hematopoiéticas. Após serem transplantadas, as células periféricas podem se diferenciar em células hematopoiéticas^{(29, 72)}, fibras musculares ou CS, participando, dessa forma, da regeneração muscular^(73-74).

Outros estudos são necessários para determinar se as células periféricas são precursoras das CS, ou se são uma subpopulação delas, ou se são uma população de células tronco independente e também residente no tecido muscular esquelético.

16. Células satélites e a musculatura ocular externa

McLoon e Wirtschafter descreveram, em fibras da musculatura ocular externa de coelhos⁽⁷⁵⁾, macacos e humanos⁽⁷⁶⁾, adultos e sem trauma, cerca de 2 a 4% de CS positivas para o MyoD, demonstrando também a adição de novos mionúcleos às fibras pré-existentes em ratos e coelhos^{(75, 77)}, sugerindo que a musculatura ocular externa está em contínua renovação, fato não encontrado em músculo esquelético adulto proveniente dos membros⁽⁷⁸⁾, onde a marcação pelo MyoD é inexistente. Outros marcadores para as CS também foram evidenciados, como o Pax7, a miogenina e o HGF⁽⁷⁶⁾. Em recente trabalho⁽⁷⁹⁾ também se demonstrou haver renovação de mionúcleos, além de evidências de apoptose celular. A musculatura ocular externa de coelhos também mostrou-se influenciada pela ação do fator de crescimento IGF-II⁽⁸⁰⁾, resultando em aumento da força muscular, embora sem alterações significativas na área seccional das fibras. Esses achados podem ser o caminho para futuras investigações tanto para o tratamento como para a etiologia do estrabismo, patologia associada ao desequilíbrio de forças da musculatura ocular externa, em grande parte dos casos ainda sem etiologia definida.

Trabalho realizado no Hospital das Clínicas da Faculdade de Medicina de Ribeirão Preto da Universidade de São Paulo (USP)

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Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  20 Set 2004
• Data do Fascículo
  Ago 2004