Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS) is a progressive, adult-onset neurodegenerative disease that results in a selective death of upper and lower motor neurons (MNs). The disease begins with focal weakness but spreads inexorably to involve most muscles, leading to death due to respiratory paralysis within 3-5 years of onset. Most of the research on ALS has mainly focused on studying pathological mechanisms related to the MNs and the central nervous system. However, recent evidence has shown that morpho-functional alterations in the skeletal muscle precede MN degeneration, pinpointing a primary role in the pathogenesis of the disease. Data on skeletal muscle in ALS are still insufficient, and information about the processes underlying muscle regeneration and atrophy during disease progression remains unclear. Upon muscle injury, innate and adaptive immune cells are recruited to the lesion through a concerted process, activating a proinflammatory response followed by establishing a pro-regenerative and anti-inflammatory environment. Macrophages (MΦ) are the most abundant portion of immune cells recruited into skeletal muscle following damage and play a central role in muscle regeneration. It has recently been observed that the MΦ phenotype (M1 or M2) and their recruitment kinetics are pivotal in the muscle regeneration process of ALS. Notably, Interleukin 10 (IL-10) signalling in MΦ has been reported to be crucial in promoting myogenesis through the differentiation of muscle stem cells (SCs). Based on this information, this work aimed to analyze the in vivo and in vitro reactivity of SOD1G93A-derived SCs and MΦ to IL-10 administration, evaluating the role of the cytokine in muscle regeneration and MΦ polarization. For this purpose, SOD1G93A mice were treated daily with an intramuscular injection of IL-10 for two weeks before the appearance of initial signs of hindlimb tremors and weakness. Concurrently, SOD1G93A mice-derived SCs and MΦ were in vitro stimulated with IL-10 to study cellular and molecular mechanisms underlying IL-10 signalling. Our data showed that IL-10 stimulate myogenesis, in vitro and in vivo, through direct SC differentiation and MΦ polarization towards a M2 pro-regenerative phenotype, significantly reducing the infiltrating proinflammatory MΦ-M1. This led to an improved muscle mass and morphology in SOD1G93A mice, which was reflected in a decrease in astrogliosis in the central nervous system while not influencing MN loss. For the first time in the ALS context, we demonstrated the pivotal role of the immune response in promoting skeletal muscle regeneration and counteracting muscle atrophy. Specifically, our findings demonstrated that IL-10 is a potent immunomodulatory factor able to elicit the M1 to M2 conversion of infiltrating MΦ within the skeletal muscle of ALS mice and trigger SC shift to mature myofibers.
La Sclerosi Laterale Amiotrofica (SLA) è una malattia neurodegenerativa progressiva ad esordio nell'età adulta che provoca una morte selettiva dei motoneuroni (MNs) superiori e inferiori. La malattia inizia con debolezza focale ma si diffonde inesorabilmente a coinvolgere la maggior parte dei muscoli, portando alla morte per paralisi respiratoria entro 3-5 anni dall'esordio. La maggior parte della ricerca sulla SLA si è concentrata principalmente sullo studio dei meccanismi patologici legati ai MNs e al sistema nervoso centrale. Tuttavia, recenti evidenze hanno dimostrato che alterazioni morfo-funzionali del muscolo scheletrico precedono la degenerazione del MN, individuando un ruolo primario nella patogenesi della malattia. I dati sul muscolo scheletrico nella SLA sono ancora insufficienti e le informazioni sui processi alla base della rigenerazione muscolare e dell'atrofia durante la progressione della malattia rimangono poco chiare. In caso di lesione muscolare, le cellule immunitarie innate e adattative vengono reclutate nella lesione attraverso un processo concertato, attivando una risposta pro-infiammatoria seguita dall’instaurazione di un ambiente pro-rigenerativo e antinfiammatorio. I macrofagi (MΦ) sono la porzione più abbondante di cellule immunitarie reclutate nel muscolo scheletrico a seguito di un danno e svolgono un ruolo centrale nella rigenerazione muscolare. È stato recentemente osservato che il fenotipo dei MΦ (M1 o M2) e la loro cinetica di reclutamento sono fondamentali nel processo di rigenerazione muscolare della SLA. In particolare, è stato segnalato che la segnalazione dell'interleuchina 10 (IL-10) nei MΦ è cruciale nel promuovere la miogenesi attraverso la differenziazione delle cellule staminali muscolari (SCs). Sulla base di queste informazioni, questo lavoro mirava ad analizzare la reattività in vivo e in vitro delle SCs e dei MΦ derivati da topi SOD1G93A alla somministrazione di IL-10, valutando il ruolo della citochina nella rigenerazione muscolare e nella polarizzazione dei MΦ. A tale scopo, topi SOD1G93A sono stati trattati giornalmente con un'iniezione intramuscolare di IL-10 per due settimane prima della comparsa dei segni iniziali di tremori e debolezza degli arti posteriori. Contemporaneamente, SCs e MΦ derivati da topi SOD1G93A sono stati stimolati in vitro con IL-10 per studiare i meccanismi cellulari e molecolari alla base della segnalazione di IL-10. I nostri dati hanno mostrato che IL-10 stimola la miogenesi, in vitro e in vivo, attraverso la differenziazione diretta delle SCs e la polarizzazione dei MΦ verso un fenotipo pro-rigenerativo M2, riducendo significativamente i MΦ-M1 pro-infiammatori infiltranti. Ciò ha portato a un miglioramento della massa muscolare e della morfologia nei topi SOD1G93A, che si è riflesso in una diminuzione dell'astrogliosi nel sistema nervoso centrale, senza influenzare la perdita dei MNs. Per la prima volta nel contesto della SLA, abbiamo dimostrato il ruolo fondamentale della risposta immunitaria nel promuovere la rigenerazione dei muscoli scheletrici e nel contrastare l'atrofia muscolare. In particolare, i nostri risultati hanno dimostrato che IL-10 è un potente fattore immunomodulatore in grado di suscitare la conversione da M1 a M2 dei MΦ infiltranti all'interno del muscolo scheletrico dei topi SLA e di innescare la conversione delle SCs verso miofibre mature.
Intramuscular IL-10 administration improves myogenesis in transgenic Amyotrophic Lateral Sclerosis mouse model.
SUANNO, GIUSEPPE
2021/2022
Abstract
Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS) is a progressive, adult-onset neurodegenerative disease that results in a selective death of upper and lower motor neurons (MNs). The disease begins with focal weakness but spreads inexorably to involve most muscles, leading to death due to respiratory paralysis within 3-5 years of onset. Most of the research on ALS has mainly focused on studying pathological mechanisms related to the MNs and the central nervous system. However, recent evidence has shown that morpho-functional alterations in the skeletal muscle precede MN degeneration, pinpointing a primary role in the pathogenesis of the disease. Data on skeletal muscle in ALS are still insufficient, and information about the processes underlying muscle regeneration and atrophy during disease progression remains unclear. Upon muscle injury, innate and adaptive immune cells are recruited to the lesion through a concerted process, activating a proinflammatory response followed by establishing a pro-regenerative and anti-inflammatory environment. Macrophages (MΦ) are the most abundant portion of immune cells recruited into skeletal muscle following damage and play a central role in muscle regeneration. It has recently been observed that the MΦ phenotype (M1 or M2) and their recruitment kinetics are pivotal in the muscle regeneration process of ALS. Notably, Interleukin 10 (IL-10) signalling in MΦ has been reported to be crucial in promoting myogenesis through the differentiation of muscle stem cells (SCs). Based on this information, this work aimed to analyze the in vivo and in vitro reactivity of SOD1G93A-derived SCs and MΦ to IL-10 administration, evaluating the role of the cytokine in muscle regeneration and MΦ polarization. For this purpose, SOD1G93A mice were treated daily with an intramuscular injection of IL-10 for two weeks before the appearance of initial signs of hindlimb tremors and weakness. Concurrently, SOD1G93A mice-derived SCs and MΦ were in vitro stimulated with IL-10 to study cellular and molecular mechanisms underlying IL-10 signalling. Our data showed that IL-10 stimulate myogenesis, in vitro and in vivo, through direct SC differentiation and MΦ polarization towards a M2 pro-regenerative phenotype, significantly reducing the infiltrating proinflammatory MΦ-M1. This led to an improved muscle mass and morphology in SOD1G93A mice, which was reflected in a decrease in astrogliosis in the central nervous system while not influencing MN loss. For the first time in the ALS context, we demonstrated the pivotal role of the immune response in promoting skeletal muscle regeneration and counteracting muscle atrophy. Specifically, our findings demonstrated that IL-10 is a potent immunomodulatory factor able to elicit the M1 to M2 conversion of infiltrating MΦ within the skeletal muscle of ALS mice and trigger SC shift to mature myofibers.È consentito all'utente scaricare e condividere i documenti disponibili a testo pieno in UNITESI UNIPV nel rispetto della licenza Creative Commons del tipo CC BY NC ND.
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https://hdl.handle.net/20.500.14239/15763