The myostatin/activin type II receptor (ActRII) pathway has been identified to be critical in regulating skeletal muscle size. Several other ligands, including GDF11 and the activins, signal through this pathway, suggesting that the ActRII receptors are major regulatory nodes in the regulation of muscle mass. We have developed a novel, human anti-ActRII antibody (bimagrumab, or BYM338) to prevent binding of ligands to the receptors and thus inhibit downstream signaling. BYM338 enhances differentiation of primary human skeletal myoblasts and counteracts the inhibition of differentiation induced by myostatin or activin A. BYM338 prevents myostatin- or activin A-induced atrophy through inhibition of Smad2/3 phosphorylation, thus sparing the myosin heavy chain from degradation. BYM338 dramatically increases skeletal muscle mass in mice, beyond sole inhibition of myostatin, detected by comparing the antibody with a myostatin inhibitor. A mouse version of the antibody induces enhanced muscle hypertrophy in myostatin mutant mice, further confirming a beneficial effect on muscle growth beyond myostatin inhibition alone through blockade of ActRII ligands. BYM338 protects muscles from glucocorticoid-induced atrophy and weakness via prevention of muscle and tetanic force losses. These data highlight the compelling therapeutic potential of BYM338 for the treatment of skeletal muscle atrophy and weakness in multiple settings.

Molecular mechanisms underlying sarcopenia, the age-related loss of skeletal muscle mass and function, remain unclear. To identify molecular changes that correlated best with sarcopenia and might contribute to its pathogenesis, we determined global gene expression profiles in muscles of rats aged 6, 12, 18, 21, 24, and 27 months. These rats exhibit sarcopenia beginning at 21 months. Correlation of the gene expression versus muscle mass or age changes, and functional annotation analysis identified gene signatures of sarcopenia distinct from gene signatures of aging. Specifically, mitochondrial energy metabolism (e.g., tricarboxylic acid cycle and oxidative phosphorylation) pathway genes were the most downregulated and most significantly correlated with sarcopenia. Also, perturbed were genes/pathways associated with neuromuscular junction patency (providing molecular evidence of sarcopenia-related functional denervation and neuromuscular junction remodeling), protein degradation, and inflammation. Proteomic analysis of samples at 6, 18, and 27 months confirmed the depletion of mitochondrial energy metabolism proteins and neuromuscular junction proteins. Together, these findings suggest that therapeutic approaches that simultaneously stimulate mitochondrogenesis and reduce muscle proteolysis and inflammation have potential for treating sarcopenia.