Effect of Exercise-Induced Neutrophil Maturation on Muscle Regeneration in vitro

Abstract

Skeletal muscle forms the largest organ system in the human body and it is essential for generating strength and movement. Skeletal muscle is prone to injury in daily life, including mechanical trauma, heat stress, ischemia, and other pathogenic conditions, but it is uniquely able to adapt and remodel for protection. The immune system is essential for muscle repair and regeneration. It is important in determining the rate and outcome of the healing process at injury sites. Among immune cells, neutrophils are an important first line of defense in the innate immune system. In the early stages of muscle regeneration, neutrophils initiate a cascade to remove the damaged muscle fibers and secrete cytokines to recruit other immune cells to the injury site. Therefore, controlling neutrophil mobilization and function may be an effective strategy to promote muscle regeneration. Physical exercise can mediate immune components that successfully control tissue regeneration, including affecting functional changes in neutrophils. Acute moderate- or high- intensity exercise and chronic moderate intensity exercise can improve neutrophil chemotaxis and phagocytosis. To investigate the maturation of neutrophils after 4 weeks of mouse treadmill exercise, we isolated mouse neutrophils from bone marrow and maturation markers were compared. In the exercise group, significantly higher LTF and CXCR2 mRNA levels were identified compared to the sedentary group. Following this, we performed a wound healing assay to evaluate whether treatment with exercise-activated neutrophils is effective for muscle regeneration in vitro. Exercise-activated neutrophils improved wound healing of mouse muscle cells; we further confirmed this at human cell level. For neutrophil-like cells treated with dexamethasone (dex), exercise mimetics had significantly higher LTF, fMLP, and CD11b mRNA levels compared to the control. Furthermore, neutrophil-like cells treated with dex improved wound healing of human muscle cells. This is the first study showing that exercise affects neutrophil maturation and that exercise-induced neutrophils contribute to muscle regeneration in vitro.

골격근은 인체에서 가장 큰 기관계를 형성하며 힘과 움직임을 생성하는 데 필수적이다. 골격근은 일상생활에서 발생하는 기계적 외상, 열 스트레스, 허혈 및 기타 감염 상황 등에 의해 손상되기 쉽지만 이러한 스트레스에 대한 보호기전으로 스스로 적응하고 재형성하는 고유한 능력을 가지고 있다. 면역 체계는 근육 회복 및 재생에 필수적이다. 또한 손상 부위 치유 과정의 속도와 결과를 결정하는 데 있어서 중요하다. 면역 세포 중에서 호중구는 선천성 면역체계의 중요한 첫번째 방어선이다. 근육 재생의 초기 단계에서 호중구는 손상된 근육 섬유를 제거하고 손상 부위에 다른 면역세포를 동원하기 위해 사이토카인을 분비한다. 따라서 호중구 동원과 기능을 조절하는 것은 근육 재생을 촉진하는 효과적인 전략이 될 수 있다. 신체 운동은 호중구의 기능적 변화에 영향을 미치며 조직 재생을 성공적으로 제어하는 면역 구성 요소를 중재할 수 있다. 일회성의 중강도 또는 고강도 운동과 만성적 중강도 운동은 호중구의 주화성과 식균 작용을 개선할 수 있다. 본 연구는4주간의 마우스 트레드밀 운동 후, 호중구의 성숙도를 조사하기 위해 골수에서 호중구를 분리하고 성숙 마커를 비교했다. 운동 그룹에서 LTF 및 CXCR2 mRNA 수준이 비운동 그룹에 비해 유의하게 높은 것으로 확인되었다. 그 후, 운동에 의해 변화된 호중구가 in vitro상에서 근육 재생에 효과적인지 평가하기 위해 wound healing assay를 수행했다. 운동 유발 호중구는 마우스 근육 세포의 상처 치유를 촉진시켰다. 우리는 이것을 인간 세포 수준에서 추가로 확인했다. 운동 모방체로 설정한 덱사메타손으로 처리된 호중구 유사 세포의 경우, 대조군에 비해 LTF, fMLP 및 CD11b mRNA 수준이 상당히 높았다. 또한 덱사메타손으로 처리된 호중구 유사 세포는 인간 근육 세포의 상처 치유를 촉진시켰다. 따라서 본 연구는 운동이 호중구 성숙에 영향을 미치고 운동 유발 호중구가 in vitro 상에서 근육 재생에 기여한다는 것을 보여주는 첫 번째 연구이다.