II Etude 2 : Influence de la typologie dans la sensibilité spécifique de deux muscles différents à l’hypoxie chronique et/ou l’inflammation pulmonaire.
Ce travail sera soumis dans le journal Acta Physiologica.
II.A Introduction
La Bronchopneumopathie Chronique Obstructive (BPCO) est une pathologie progressive à point de départ pulmonaire dont les répercussions systémiques conduisent à de multiples comorbidités [447]. L'évolution de la BPCO est marquée par une atrophie musculaire en lien avec la probabilité de survie [46], conduisant les cliniciens à placer le maintien de ce tissu comme une priorité pour les patients [28]. Le degré d’altération musculaire est différent en fonction du groupe musculaire, de sa localisation (thorax, membre inférieur ou supérieur [448]) et de son orientation métabolique. En effet, les fibres oxydatives des muscles des membres inférieurs montrent une plus grande diminution de leur nombre, surface et fonctionnalité que les fibres glycolytiques [83, 84, 206]. Ce résultat suggère que les altérations muscles dépendantes des BPCO pourraient être dues à leur composition typologique différente. Cependant, chaque muscle possède une composition variable et hétérogène la typologie, ce qui ne permet pas de différencier l'impact de la BPCO sur chaque type de fibre.
Afin de restaurer la masse et la fonctionnalité du tissu musculaire des patients BPCO, les programmes de réentrainement (appelés aussi «réhabilitation à l’exercice») sont devenus une prise en charge médicale de premier ordre. Les programmes de réentrainement les plus efficaces sont basés sur l’association de séances d'endurance avec des séances de résistance. Les premières restaurent les capacités oxydatives, ce qui améliore la qualité de vie liée à la santé. Les secondes limitent la fonte musculaire grâce à leurs effets anabolisants [199]. Une intervention nutritionnelle complémentaire augmente les avantages de ces programmes de réentrainement [14]. Cependant, plus d’un tiers de ces patients ne retirent pas de bénéfice de ces programmes de réhabilitation multimodale [2]. De plus, les 70 % considérés comme bons répondeurs montrent une réponse plus faible au réentrainement par rapport à des sujets sains [13], y compris lorsque le réentrainement survient après une transplantation pulmonaire [449]. L'origine de cette non-réponse reste mal connue [11] mais pourrait impliquer l’Inflammation Pulmonaire (IP) [450] et/ou l’Hypoxie Chronique (HC) sous-jacente [451], qui
sont les deux stimuli majeurs de la BPCO.
En effet, l’inflammation pulmonaire a un rôle avéré dans les différentes comorbidités [452] et dans la diminution des fibres oxydatives [260]. L’IP est également une cause [278] et une conséquence [453] des phases de décompensation aiguë (appelées aussi exacerbations) qui rythment l'évolution de cette pathologie [453]. Cependant, la non-réponse des patients BPCO à un programme de réentrainement n’est pas corrélée avec les paramètres inflammatoires classiquement mesurés [9]. Des études récentes semblent impliquer le profil corporel initial du patient [15] ou le concept de d’« over-spill » pour expliquer cette non- réponse. D’après le concept d’« overspill », l’IP migrerait dans le compartiment sanguin provoquant une inflammation systémique [267]. Toutefois, la nature et la cinétique du signal inflammatoire [268, 269] serait modifiée lors du passage du compartiment pulmonaire à sanguin par l'interstitium pulmonaire mais également lors du passage du sang vers le compartiment musculaire. Ces étapes compliquent la relation entre l’IP et l'atrophie musculaire dans la BPCO. Une étude récente a montré que la concentration plasmatique de TNF est corrélée avec l'atrophie musculaire seulement chez les patients déjà cachectiques [263].
L’hypoxie chronique (HC) est également un stimulus clef dans le pronostic de la BPCO. L'analyse de 10 études différentes montre une pression artérielle O2 (PaO2) abaissée par
rapport à des sujets sains [183, 239, 240, 242, 246, 249, 250, 254, 259, 263]. Au cours des exacerbations, l'augmentation de l'inflammation modifie le rapport ventilation / perfusion ce qui conduit à une augmentation de l’hypoxémie chez les patients [58]. Or l’HC, est associée à une partie des altérations observées dans la BPCO telles que l'hypertension pulmonaire [454], l'atrophie musculaire [455] et la diminution de la Indice de masse corporelle (IMC) [456]. En accord avec ces résultats, L’HC et l’IP semblent des facteurs pertinents pour expliquer la diminution de l’endurance et de la force des patients BPCO. De plus, de récentes études ont montré une interaction de l’inflammation vers l’hypoxie [340] et de l’hypoxie vers l'inflammation [263, 341]. Cette interaction implique au moins deux protéines différentes: le TNF et le Nuclear Factor kappa B (NF-kB) [266, 342, 457]. Ces études suggèrent que l'évolution de la BPCO pourrait être due à la combinaison de ces 2 stimuli qui conduisent à la cachexie chez 20-40 % des patients [458, 459].
De manière intéressante, les fibres oxydatives semblent être sensibles à l'inflammation [260, 291] tandis que les fibres glycolytiques sont plutôt altérées par hypoxie chronique [322]. Ainsi, l’HC et l’IP semblent être des candidats pertinents pour expliquer la diminution de l'endurance et de la force des patients BPCO. Pour cela, nous avons fait l'hypothèse que l'absence de réponse ou la réponse inappropriée du muscle des patients BPCO lors d’un protocole de réentrainement physique est due à une sensibilité spécifique des différentes fibres à l’HC et à l’IP. Afin de comprendre le rôle respectif joué par ces deux facteurs sur la réponse du muscle à un programme de réentrainement, nous avons étudié les capacités d'hypertrophies musculaires en utilisant un modèle de chirurgie de surcharge [405, 460, 461]. Notre travail s’est focalisé sur la comparaison du muscle plantaire (composé de fibres I, IIa, IIx et IIb) par rapport au muscle soléaire (fibres essentiellement oxydantes de type I). Nous avons cherché à estimer les capacités d'hypertrophie musculaire en présence d’une IP et/ou d’une HC pour ces deux types de muscles, avec un abord descriptif des voies de signalisation impliquées.
II.B Principaux résultats
Figure 43 : Effets de l'inflammation pulmonaire (IP) et de l'hypoxie chronique (HC) sur les capacités hypertrophiques du soléaire et du plantaris après chirurgie de surcharge. La capacité hypertrophique est calculée en divisant le poids des muscles d'un individu par la moyenne du poids des muscles du groupe contrôle (n = 7-8; Moyenne ± SEM). N: Normoxie contrôle; Ns: Normoxie + chirurgie; NPIs: Normoxie + chirurgie + inflammation; CHs: Hypoxie + chirurgie; CHPIs: Hypoxie + chirurgie + inflammation. **: Effet global de l'inflammation (Ns+CHs vs. NPIs+CHPIs, p<0.001); ##: Effet global de l'hypoxie (Ns+NPIs vs. CHs+CHPIs, p<0.001).
Comme le montre la Figure 43, dans le groupe Ns, la chirurgie de surcharge du muscle soléaire a induit une hypertrophie significative par rapport au groupe N (+ 23,8 %, p <0,05). Alors que l’HC n’a pas modifié la réponse hypertrophique du soléaire (+ 25,9 % du groupe N, p <0,05), la présence de l’IP a totalement inhibé la croissance des muscles dans les groupes NPIs et CHPIs (- 5,9 % et - 2,9 % de N groupes, ns). La réponse hypertrophique des plantaires a montré un pourcentage de croissance plus élevé (+ 55 % au sacrifice) dans le groupe Ns par rapport au groupe N. L’IP n'a eu aucun effet sur l'hypertrophie des plantaires dans les groupes NPIs et CHPIs (respectivement - 5 % de Ns et + 9 % de CHs, ns), tandis que l’HC l’inhibe fortement dans les groupes CHs et CHPIs (respectivement - 42 % et – 26 % de Ns, p <0,05).
Ainsi, le soléaire présente un profil de réponse hypertrophique inférieur par rapport au plantaire (p <0,001), et est associée à une grande sensibilité à l’IP. Inversement, le plantaire est lui insensible à l’IP mais fortement affectées par l’HC (Figure 43).
Figure 44 : Conséquences de l'hypoxie chronique (HC) et de l'inflammation pulmonaire (IP) sur la balance protéosynthèse/protéolyse. La protéosynthèse est évaluée via les protéines S6k1 (A) et Myogenin (B). La protéolyse est reflétée par les niveaux de transcription mRNA de MAFbx (C) et MuRF- 1 (D). Hprt1 a été utilisé comme un gène de normalisation aux graphes C et D (n = 5-6; Mean ± SEM). S6k1: S6 kinase 1; MuRF-1: Muscle Ring Factor-1; MAFbx: Muscle Atrophy F-Box; N: Normoxie contrôle; Ns: Normoxie + chirurgie; NPIs: Normoxie + chirurgie + inflammation; CHs: Hypoxie + chirurgie; CHPIs: Hypoxie + chirurgie + inflammation. *: Effet global de l'inflammation (Ns+CHs vs. NPIs+CHPIs, p<0.05); $: diff. de tous (p<0.05).
L'activation de S6K1 (estimée par le ratio de S6K1-phosphorylée/S6K1-totale) présentée à la Figure 44A est diminuée par l’IP dans le soléaire en normoxie (- 61 %, NPIs vs. Ns, p <0,05) et en HC (- 60 %, CHPIs vs. CHs, p <0,05). Dans le plantaire, l’IP ou l’HC ne semblent avoir aucun effet sur le rapport S6K1-Poshorylée/S6K1-totale (Figure 44A). La teneur protéique en myogénine a suivi le schéma similaire (Figure 44B). En effet, nous avons observé une diminution globale significative dans le soléaire des groupes soumis à l’IP (- 45 % NPIs + CHPIs vs. Ns + CHs, p <0,05), alors qu'elle est restée inchangée dans le plantaire. Le niveau de transcription de MAFbx est resté inchangé dans le soléaire et le plantaire (Figure
44C). En revanche, le niveau de l'ARNm de MuRF-1 (Figure 44D), était significativement plus élevée dans les groupes soumis l’IP (NPIs + CHPIs) par rapport aux groupes Ns + CHs du soléaire (+ 41 %, p <0,05). Dans le plantaire, les ARNm de MuRF-1 était plus élevés dans le groupe CHs (+ 71 % par rapport à Ns, p <0,05), cependant, nous n’avons pas retrouvé cette augmentation lorsque l’IP a été associée à l’HC (- 58 % CHPIs vs. CHs, p <0,05).
II.C Conclusion
Durant ce travail, nous avons développé un modèle pertinent de la réponse musculaire à un stimulus hypertrophique dans un contexte d'hypoxie et d’inflammation pulmonaire. Nous avons montré que les muscles oxydatifs et les muscles mixtes ne possèdent pas la même sensibilité à ces deux conditions. En effet, un muscle oxydatif tel que le soléaire présente une plus grande sensibilité à l'inflammation alors qu’un muscle mixte tel le plantaire est plus sensible à l'hypoxie lorsque leurs capacités hypertrophiques sont sollicitées. Ces résultats pourraient contribuer à comprendre les mécanismes impliqués dans l'adaptation du muscle squelettique à un protocole de réentrainement dans un contexte similaire, comme cela est le cas dans la BPCO. De plus, nous montrons que ces changements hypertrophiques sont associés à des changements dans le niveau d'acétylation des histones, suggérant l'implication de facteurs de régulation épigénétiques dans la réponse musculaire. Cependant d'autres expériences sont nécessaires pour confirmer ce résultat.
II.D “Influence of typology on heterogeneous response of two different muscles to