Collagen VI-related myopathies (COL6-RM), such as Ullrich congenital muscular dystrophy (UCMD) and Bethlem myopathy (BM), are a distinct group of inherited muscle disorders caused by mutations of COL6 genes and characterized by early-onset muscle weakness, for which no cure is available yet [1,2]. The Col6a1 knockout (KO) mouse model allowed identify key pathophysiological mechanisms underlying COL6-RM, including impaired autophagy, myofiber apoptosis, mitochondrial dysfunction and neuromuscular junction fragmentation [3-6]. We previously demonstrated that targeting autophagy through pharmacological or dietary approaches is a promising strategy to ameliorate muscle defects [4,5,7-9]. In this project we exploited the in vivo and in vitro models of COL6-RM closest to clinical translation that we developed through years [2,6,8-10], and investigated the non-toxic nutraceutical spermidine (Spd) in COL6 KO mice and in cell cultures of UCMD/BM patients. Our results show that a 100-day-long per os administration of 30 mM Spd in COL6 KO mice is highly effective in inducing autophagic and mitophagic fluxes, leading to recovery of muscle strength, with also a beneficial impact on mitochondria ultrastructure and neuromuscular junction integrity [11]. Our past work showed that the key downstream defects identified in COL6 KO mice are also present in patients' muscle biopsies and muscle cell cultures. Although skin fibroblasts were extensively used for studying the primary COL6 defect in UCMD and BM patients, nothing was known about downstream affected cellular and molecular pathways in such in vitro model. By demonstrating the presence of apoptotic, signaling and autophagy-related defects in patients' skin fibroblasts, we now open the field for the use of this non-invasive model for investigating and monitoring therapeutic approaches. Moreover, we validated the use of peripheral blood mononuclear cells as a non-invasive tool for monitoring the efficacy of Spd in activating autophagy. Finally, by proteomic studies we identified a set of protein biomarkers differentially expressed in extracellular vesicles isolated from wild-type and COL6 KO primary muscle fibroblasts, and we validated them in skin fibroblast derived from BM/UCMD patients. These results are relevant in the context of COL6-RM pre- and clinical research, as up to now only muscle biopsies and freshly isolated myogenic cultures were used to evaluate specific outcomes measures responding to treatments. Our preclinical data on Spd in vivo and in vitro effects (autophagy induction, safe tolerability in animals, muscle strength recovery) strongly support the benefits for Spd and related nutraceuticals as a therapeutic option for UCMD and BM patients. Altogether, these results provide a strong rationale for the application of Spd in prospective clinical trials as a ready-translatable nutritional supplementation.

La distrofia muscolare congenita di Ullrich (UCMD) e la miopatia di Bethlem (BM) sono patologie muscolari ereditarie causate da mutazioni nei geni per Collagene VI (COL6); esse sono caratterizzate da debolezza muscolare precoce e progressiva, e non ci sono attualmente cure o terapie disponibili [1, 2]. Un valido modello di tali patologie è rappresentato dal topo privo di COL6 (COL6 KO), il quale ha permesso di identificare le alterazioni patomolecolari chiave alla base della malattia, comprendenti deficit autofagico, disfunzione mitocondriale e apoptosi delle miofibre [3-6]. In studi precedenti avevamo dimostrato che approcci farmacologici o nutrizionali in grado di riattivare l'autofagia rappresentano una strategia efficace per contrastare le alterazioni muscolari a valle del deficit di COL6 [4,5,7-9]. Nel presente progetto abbiamo ottimizzato i diversi modelli di UCMD/BM [2,6,8-10], e abbiamo studiato l'efficacia del nutraceutico spermidina (Spd) nei topi COL6 KO e nelle cellule di pazienti UCMD e BM. I risultati, ottenuti tramite esperimenti con Spd a diverse concentrazioni e diverse durate di trattamento, dimostrano che la somministrazione di Spd ai topi COL6 KO, disciolta nell'acqua di beveraggio alla concentrazione di 30 mM per 100 giorni, è altamente efficace nell'indurre i flussi autofagici e mitofagici, portando al recupero della forza muscolare e delle alterazioni alle miofibre [11]. Nostri studi precedenti avevano dimostrato che le alterazioni identificate nel topo COL6 KO sono presenti anche nelle biopsie muscolari e nelle colture cellulari da muscolo di pazienti UCMD/BM. I risultati ottenuti nel presente progetto dimostrano la presenza di difetti del processo autofagico e delle sue vie di segnalazione anche nei fibroblasti cutanei di pazienti UCMD e BM, aprendo quindi la strada per l'uso di tale strumento non invasivo per indagare e monitorare approcci terapeutici. Abbiamo inoltre validato l'uso di cellule da sangue periferico come ulteriore strumento non invasivo per monitorare l'efficacia di Spd nell'attivare l'autofagia. Infine, mediante studi di proteomica abbiamo identificato un set di biomarcatori differenzialmente espressi in vescicole extracellulari di colture muscolari di topi COL6 KO, e li abbiamo validati nei fibroblasti cutanei derivati da pazienti UCMD e BM. Tali risultati sono rilevanti nel contesto della ricerca delle distrofie muscolari legate a COL6, in quanto finora solo le biopsie muscolari e colture cellulari di muscolo erano state utilizzate per valutare la risposta di outcome specifici a trattamenti. I nostri dati sugli effetti di Spd (induzione di autofagia, recupero della forza con elevata tollerabilità e assenza di effetti collaterali nel modello animale) sostengono fortemente i benefici di Spd e nutraceutici correlati come opzione terapeutica nei pazienti. Nel complesso, i risultati ottenuti forniscono un solido razionale per l'applicazione di Spd come supplemento nutrizionale in futuri trial clinici.

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Ullrich Congenital Muscular Dystrophy; Bethlem M.

Distrofia muscolare congenita di Ullrich; Miopatia di Bethlem