Le muscle squelettique

Le muscle squelettique constitue 40 à 45% de la masse du corps chez l'homme [1] et un important réservoir d'acides aminés. Il assure trois fonctions à savoir : la production de mouvement, le maintien de la posture et la production de la chaleur. On estime que le muscle peut produire jusqu'à 85% de la chaleur totale du corps [134]. Le muscle squelettique est excitable, contractile, extensible et élastique. Ces différentes propriétés fonctionnelles sont couramment évaluées en physiologie. L'excitabilité caractérise la capacité du muscle à répondre à un stimulus nerveux ou électrique. Suivant une excitation, le muscle répond, soit par une secousse « twitch » ou soit par une contraction tétanique. La force générée est dite isométrique quand aucune modification de la longueur du muscle ne se produit durant la contraction et isotonique concentrique lorsque le muscle se raccourcit ou isotonique excentrique lorsqu'il subit un allongement durant la contraction. Nous décrirons brièvement dans ce sous-chapitre, les structures anatomiques du muscle squelettique et les implications biomécaniques. Nous aborderons par la suite les mécanismes qui gouvernent la dégénérescence et la régénération du muscle suite à une agression chimique, toxique ou infectieuse.

1.3.1. Structures histologiques du muscle squelettique 1.3.1.1. Description

Le muscle squelettique comprend différentes enveloppes de tissu conjonctif à savoir : l'épimysium, le perimysium et l'endomysium (fig. 1.14). L'épimysium enveloppe le muscle. Le perimysium entoure les paquets de faisceaux musculaires. L'endomysium est le tissu conjonctif le plus profond qui entoure chaque fibre musculaire encore appelée cellule musculaire ou myofibre. Le faisceau musculaire regroupe :

un ensemble de cellules musculaires multinucléés,

- des vaisseaux sanguins composés de capillaires et de veinules. Les capillaires acheminent les nutriments, l'oxygène et autres protéines nécessaires au fonctionnement de la myofibre. Tandis que les veinules évacuent vers le système

un système d'innervation de la myofibre. Le neurone moteur excite le muscle par l'intermédiaire de la plaque motrice.

La myofibre entourée d'une membrane appelée sarcolemme est constituée de plusieurs myofibrilles. Les myofibrilles sont composées d'éléments contractiles qui sont essentiellement l'actine et la myosine encore appelés myofilaments. L'actine et la myosine représentent les protéines les plus abondantes du muscle. La titine ou connectine est le filament élastique du sarcomere. Elle représente la troisième plus abondante protéine du muscle. D'autres protéines non négligeables telles que la troponine et la tropomyosine participent à la fonction de l'unité contractile.

A l'état mature, la myofibre est post-mitotique et les cellules satellites qu'elle porte, restent quiescentes tant que la fibre est intacte [135]. Ces cellules constituent de véritables réserves de capacité régénératrice du muscle. Elles sont situées entre le sarcolemme et la lame basale [136]. Nous en parlerons plus loin.

La lame basale est constituée de protéines et de glycoprotéines extracellulaires. Plus précisément, la lame basale est composée de la laminine, de collagène IV et VU, des intégrines et des protéoglycanes spécifiques. La laminine est une glycoprotéine sécrétée par les cellules épithéliales et les cellules conjonctives. Elle existe sous forme de quinze isoformes et sert avec les autres glycoprotéines de support pour la migration des cellules. Enfin, le sarcoplasme de la myofibre contient la matrice cellulaire, les appareils de Golgi, les mitochondries, le glycogène, la myoglobine et des gouttelettes de lipide [137]. Le reticulum sarcoplasmique est rempli de Ca2+ et entoure les myofibrilles.

Faisceau

Muscle squelettique

Épimysium Perimysium Endomysium

a) Muscle squelettique entier

Axone d'un neurone moteur Capillaire sanguin

Sarcolemme

Vaisseaux sanguins Fibres (cellules) musculaires b) Quelques faisceaux

Noyau

Fibre musculaire (myofibre»

Noyaux Cellule satellite Sarcolemme Sarcoplasme c) Fibre musculaire (myofibre) d) Quelques myofibrilles

Filament fin (actine) Filament épais (myosine)'

Disque Z

e) Filaments épais et fins (myofilaments)

Fig. 1.14 : Muscle squelettique. Structures du muscle strié squelettique du macroscopique aux moléculaires. Adapté de Tortora, G. J., Grabowski S. R., Parent J-C. (1994) ; principes d'anatomie et de physiologie. Anjou, CEC collégial et universitaire.

1.3.1.2. Biomécanique contractile

Le muscle squelettique est comparable à un système mécanique formé d'une composante élastique et viscoélastique et d'une composante contractile [138, 139]. La composante élastique est assurée d'une part par les tissus conjonctifs et les membranes montés en série et en parallèle à savoir : les membranes conjonctives (épimysium, perimysium, endomysium, aponévroses et fascias musculaires), et le sarcolemme et d'autre part, les points d'union des unités contractiles et d'autres protéines structurales telles que la titine, la taline, la vinculine, l'a-actinine qui servent de points d'union des myofibrilles à la membrane de la jonction myotendineuse et des costamères (fig. 1.15). Ensemble, toutes ces structures protéiques soutiennent les éléments contractiles et imposent un axe de contraction.

Les propriétés rhéologiques du muscle varient avec l'état d'activation des unités contractiles et avec la vitesse et le sens de sa déformation. En effet, au repos, le muscle se comporte comme un élastique non-linéaire. Lorsqu'il est étiré passivement, sa courbe de contrainte-déformation est linéaire dans une petite portion correspondant à un module de Young élevé (fig. 1.16A). Étiré, la force élastique emmagasinée est la somme de la résistance des éléments de la composante élastique. Cette force élastique croît avec la vitesse d'étirement. Ce qui veut dire que toute modification de la composante élastique devrait affecter directement la souplesse musculaire et indirectement la force contractile et la fonction du muscle. Par exemple, la fibrose accroît la rigidité du muscle, raccourcit le temps de demi-relaxation et contribue à la réduction de la force contractile du muscle (tableau 2 chapitre III). De même, la force de contraction active est influencée par l'élongation ou le raccourcissement du muscle ainsi que par la vitesse de la modification de sa longueur. En pratique, la force isométrique est maximale lorsque la courbe force- fréquence ne croît plus avec l'augmentation de la fréquence et de l'intensité de la stimulation. La fig. 1.16B présente les caractéristiques d'une force isométrique.

Point d'union Force < = r- CC

^WW-TÊCH-I

Myofilaments

- W W

Aponévrose

-AArWn

AVW

Épimysium, Périmisium, Endomysium Sarcolemme et Fascias musculaires

Tendon

Fig. 1.15 : Structures biomécaniques du muscle squelettique. Les composantes musculaires sont schématisées en fonction de leurs propriétés rhéologiques. Les composantes contractiles (CC) sont unies par un point d'union élastique. Les structures élastiques sont représentées par un ressort ou corps de Hooke, celles dotées de propriétés viscoélastiques sont représentées par un corps de Newton. Le schéma d'ensemble associe les corps de Maxwell qui est une combinaison des corps de Hooke et Newton et celui de Voigt pour obtenir ce corps standard caractéristique du muscle squelettique. Adapté de Hill (1938) [138, 140, 141].

B

16 0.4 0.8 Déplacement (mm) 1.2 600 « 500 B S a 400 s ï 300 a 200 100 ­50 jours ■ 105 jours 1 ** I I I I II

L

i i

t

0,5 1 Temps (s) 1.5

Fig. 1.16 : Propriétés biomécaniques du muscle squelettique. (A) Courbe de force­ allongement du muscle biceps de souris C57BL/6 étiré à la vitesse de 0,6 mm/s (10% de Lo) jusqu'à la rupture. La courbe présente une partie linéaire correspondant à la zone de résistance élevée. Après ce point il se passe un relâchement dû soit au fluage ou à la rupture de quelques fibres. (B) Force maximale isométrique du biceps de la souris C57BL/6 à 120Hz. Les deux courbes de force sont celles du muscle biceps droit de souris contrôles mâles âgées de 50 jours et de 105 jours pesant respectivement 24 g et 30g. On remarque que les deux courbes sont parfaitement comparables. La souris plus âgée est plus forte.

1.3.2. La dégénérescence musculaire 1.3.2.1. Modèles expérimentaux

L'évaluation des processus de dégénérescence et de régénération musculaires par injection de myotoxines a permis depuis une trentaine d'années, d'obtenir de grandes avancées dans la connaissance des mécanismes cellulaires et moléculaires impliqués dans les modifications histologiques, les pertes de fonctions et les différentes adaptations musculaires qui accompagnent de nombreux types de pathologies à influences musculaires. Du fait de la grande diversité des molécules utilisées dans les modèles expérimentaux, nous n'aborderons dans ce chapitre que les aminoamides et aminoesters qui sont des anesthésiques locaux, les endotoxines qui sont des toxines extraites des bactéries et les phospholipases A2 extraites du venin des serpents. Quant à la mycolactone, l'utilisation expérimentale par injection directe dans le muscle sera abordée au chapitre III.

1.3.2.1.1. Les aminoamides et aminoesters (Marcaïne, lidocaïne.)

En dehors de la cocaïne, la plupart des anesthésiques locaux sont des substances qui appartiennent à la classe des aminoamides ou à celle des aminoesters. Ils sont utilisés en infiltration locale. Leur action est rapide et totalement réversible. De façon générale, dès l'injection, les anesthésiques locaux bloquent les canaux sodiques et empêchent de ce fait, la propagation du potentiel d'action le long de la fibre nerveuse. Ce qui aboutit à l'analgésie et/ou à la paralysie du territoire innervé par le nerf cible. Mais au-delà de tout ce mécanisme antidouleur, se trouve leur capacité d'induire une toxicité musculaire. En effet, l'injection intramusculaire d'un anesthésique local s'accompagne dans les minutes qui suivent, d'une réponse inflammatoire massive suivie d'une dégénérescence des myofibres. Cette dégénérescence d'intensité dose-dépendante, est complète quarante-huit heures après l'injection. Le point de départ du mécanisme qui est associé à cette nécrose musculaire, est la perturbation occasionnée par l'augmentation subite du Ca2+ intracellulaire provoquée par

l'anesthésique [142, 143] ; laquelle augmentation serait due au blocage du recaptage du calcium par les canaux calciques ou à l'accroissement de la quantité du calcium libéré. En

suivant l'injection, une augmentation du niveau de la cathépsine A et de la cathépsine L, deux puissantes enzymes protéolytiques qui sont liées à l'activité accrue des cellules inflammatoires [144]. Ces enzymes seraient donc responsables de la lyse des protéines musculaires en réponse à l'agression de l'anesthésique local. A l'heure actuelle, beaucoup reste à comprendre de la physiopathologie de ces substances qui sont à la fois neurotoxiques et myotoxiques. Ce qu'il faut retenir est que l'injection intramusculaire des aminoamides et aminoesters provoque une hypercontraction des myofibrilles qui est suivie d'une lyse des protéines myofibrillaires et d'une réorganisation du cytosquelette. Retenons aussi que, au milieu de cette dégénérescence, la lame basale, les tissus conjonctifs ainsi que les myoblastes et les cellules satellites restent intacts [142, 143]. Ce qui suggère que la restauration complète qui survient aux environs de 28 jours post-injection serait due à la maintenance de cette capacité régénératrice. Notons que la régénération est considérée comme complète dès que les fibres musculaires régénérées présentent des contours nets avec des noyaux centraux et que les forces active et passive du muscle se trouvent entièrement restaurées.

1.3.2.1.2. Les endotoxines ou antigènes bactériens (LPS et LTA)

Le lipopolysaccharide (LPS) est l'élément pathogène présent dans la membrane des bacilles gram-négatifs alors que l'acide téichoïque et lipotéichoïque (LTA) et le peptidoglycane induiraient seul ou en synergie l'effet pathogénique des bacilles gram-positifs, (voir revue Van Amersfoort, 2003) [145]. L'un des LPS les plus caractérisés est une endotoxine extraite des Escherichia coli. L'injection intramusculaire de cette endotoxine induit une réponse inflammatoire caractérisée par l'accumulation des leucocytes et la production de médiateurs chimiques. On observe dans un premier temps des mastocytes résidents qui libèrent par dégranulation des cytokines, chiomiokines et autres molécules proinflammatoires préformées. Ces cellules avant-gardistes du système de défense du corps, peuvent être classées en deux grands groupes en fonction des enzymes contenues dans leurs granules. Les mastocytes des muqueuses (MMC, mucosal mast cell) expriment uniquement la tryptase. Par contre, les mastocytes du tissu conjonctif (conjonctive tissue

carboxypeptidase [146]. Des études ont montré que les mastocytes jouent un rôle important dans l'initiation et l'orchestration de la réponse inflammatoire [147, 148]. L'accumulation des neutrophiles, monocytes et macrophages qui fait suite à l'appel des mastocytes s'accompagne d'un accroissement des activités de phagocytose et de production de cytokines telles que TNF-cc, IL-1 et IL-6 [149]. Le LPS diffuse et crée quelques minutes après son inoculation intramusculaire, une blessure dans le sarcolemme de la myofibre. Elle induit l'expression de l'isoforme iNOS et accroît significativement dans les douze premières heures, la quantité et l'activité de NOS [150-152]. Ce qui entraîne une augmentation du stress oxydatif musculaire [153] et une accélération de la protéolyse myofibrillaire. La conséquence fonctionnelle de cet effet toxique est énorme car, injecté en intrapéritonéale, celui-ci pourra réduire de 60-75% la force musculaire des muscles squelettiques respiratoires ou périphériques [151, 154-157]. L'injection du LPS induit une dégénérescence musculaire complète dans les sept premiers jours suivie d'une régénération complète après 28 jours.

1.3.2.1.3. Les extraits des venins de serpents (phospholipases A2)

Les toxines extraites du venin des serpents sont des enzymes. Parmi celles-ci on distingue les proteases, les phosphatases, les phospholipases et les hyaluronidases. Nous parlerons surtout des phospholipases A2. En effet, qu'il s'agisse de la cardiotoxine, la crotoxine B, la notoxine, la myotoxine (I, II et III) ou la bothropstoxine U, la plupart des toxines utilisées en physiologie musculaire sont capables d'induire par un mécanisme proche de celui des phospholipases A2, la nécrose du muscle squelettique. Plus spécifiquement, lorsqu'on injecte les phospholipases A2 dans le muscle squelettique, celles-ci induisent une désorganisation du sarcolemme phospholipidique de la myofibrille qu'elles perméabilisent complètement [158]. Elles entraînent ensuite la libération des peroxydases de charge négative dans le plasmalemme. D s'ensuit une augmentation de la dégradation des protéines myofibrillaires qui se traduit par une élévation rapide du niveau de la creatine kinase dans le plasma [159, 160] et une dégénérescence de la fibre musculaire. Des études in vitro sur la crotamine ont montré par exemple que les molécules de crotamine sont d'abord

lysosomiales de la cellule [161]. D s'ensuit une libération de la cathépsine cysteine et une augmentation de l'activité caspasique dans le cytoplasme de la cellule qui meurt par apoptose [161]. Notons que, en plus de leurs effets myotoxiques, les phospholipases A2 possèdent une activité anticoagulante [162, 163] et qu'elles restent myotoxiques même en absence de la calcineurine [164]. Enfin, les dommages musculaires induits par la plupart des phospholipases A2 sont schématiquement superposables à ceux induit par la LPS. Ces dommages s'accompagnent d'une réponse inflammatoire intense caractérisée par une accumulation drastique de cellules inflammatoires dans les premières heures suivant l'injection, suivie d'une dégénérescence complète au bout de quelques jours et d'une régénération complète 28 jours post-injection.

1.3.2.2. Implication de la réponse inflammatoire dans la dégénérescence musculaire

Sur le plan général, la réponse inflammatoire induit une accélération de la glycolyse [165] et une forte dégradation du contenu musculaire en phosphocréatine [166, 167]. Le mécanisme à la base de cette dégradation est encore très peu connu. On sait que la perturbation du métabolisme normal entraîne une acidification du tissu musculaire [168]. Ce qui serait à la base de la modification du comportement électrolytique. Les protéines musculaires seraient mobilisées pour accroître la disponibilité d'énergie par oxydation des acides aminés initialement hydrolyses ou par l'entrée de ceux-ci dans la gluconéogenèse [169]. De plus, ces acides aminés d'origine musculaire peuvent être utilisés pour assurer la synthèse de protéines spécifiques, comme celle des protéines de la réaction inflammatoire [169] mais aussi pour assurer le remplacement de la majorité des protéines tissulaires à demi-vie courte et longue [170]. Sur le plan cellulaire, des études avaient indiqué que les macrophages et les neutrophiles provoquent la lyse des cellules musculaires in vitro respectivement par l'intermédiaire de NO et du peroxyde [171]. Ces données concordent avec les précédentes et suggèrent que rinflammation aigiie, bien qu'elle participe à la dégradation musculaire, serait bénéfique alors que son passage à la chronicité, serait nuisible et conduirait vers une amyotrophic voire une cachexie. Enfin, nous aborderons l'implication des enzymes protéolytiques dans la dégénérescence musculaire aux chapitres

1.3.3. La régénération musculaire

Le muscle squelettique possède une puissante capacité régénératrice suite à un dommage traumatique, infectieux ou d'immobilisation et une remarquable capacité d'adaptation à l'entraînement de force et d'endurance. Cette capacité régénératrice est entretenue par les cellules myogéniques et, principalement par les cellules satellites. Dans ce sous-chapitre, nous aborderons la place de la réponse inflammatoire, celle des cellules satellites, des facteurs de régulation myogénique ainsi que l'implication des voies de signalisation PI3K/Akt, MAP kinase et Notch/c-met dans la régénération musculaire.

1.3.3.1. Chronologie et participation des acteurs de la réponse inflammatoire dans la régénération musculaire

Physiologiquement, les cellules musculaires agressées libèrent des facteurs pro- inflammatoires ou chimiotactiques tels que bFGF, PDGF, CTGF et JJL-8 [3, 13-25]. Ces facteurs chimiotactiques et de croissance libérés, activent la réponse inflammatoire en particulier les mastocytes résidents et stimulent plus tard le processus de réparation. Les mastocytes sont situés en périphérie sous la peau et surtout à proximité des vaisseaux sanguins et lymphatiques auxquels ils adhèrent grâce aux protéines d'adhérence (31 (VLA- 3, VLA-4 et VLA-5) qu'ils expriment sur la surface de leur membrane [146]. Une fois qu'ils sont activés, les mastocytes répondent rapidement en échappant de leurs granules plusieurs molécules préformées dont la tryptase, la chymase et la carboxypeptidase [146]. Ils produisent peu de temps plus tard des cytokines immunorégulatrices telles que TNF-a et les interleukines (3,4, 5, 6, 9 et 13); relarguent dans le milieu la MIP-2, des prostaglandines et des leucotriènes [146]. Le résultat biologique de cette réponse est l'augmentation de la perméabilité vasculaire, l'attraction et 1'activation des leucocytes principalement les neutrophiles et les macrophages [147, 172-174] qui sont de puissants phagocytes. On peut donc comprendre que cette réaction inflammatoire orchestrée initialement par les mastocytes, vise à combattre l'agent pathogène en cause, débarrasser le site lésionnel des débris matriciels et cellulaires et amorcer la réparation des dommages. Les neutrophiles qui

que DL-8, Gro-oc/p ainsi que des facteurs oxydants et de nombreuses enzymes [175]. Leur intervention rapide permet de contrôler la progression des infections dues aux bactéries à replication intracellulaire rapide, mais semble peu décisive dans la maîtrise des infections mycobactériennes comme la tuberculose (M. tuberculosis) [176] et par conséquence l'UB (M. ulcerans). Les macrophages quant à eux libèrent des cytokines pro-inflammatoires (TNF, IL-1 et IL-12), potentialisent la réponse inflammatoire et activent les lymphocytes T. L'ensemble de ces cellules interviennent en association avec d'autres dans la coordination de la réponse inflammatoire qui précède la réparation des tissus lésés. Par exemple, dans un processus normal, les macrophages règlent l'arrêt de l'inflammation et initient la réparation des dommages [177]. Plus précisément, les macrophages changent de phénotype lorsque l'environnement est dominé par les cytokines anti-inflammatoires IL-4, IL-10 produites par les Th2 ou lorsqu'ils phagocytent les neutrophiles apoptotiques [177-180]. Le cas échéant, les macrophages se mettent à produire des cytokines anti-inflammatoires et des facteurs de croissance et participent à 1'activation [181] et à la stimulation de la prolifération des cellules myogéniques [173]. De récentes études ont démontré qu'une diminution systémique des monocytes/macrophages circulants par injection du dichlorométhylène biphosphonate de liposome ou de l'anticorps F4/80, entraîne chez la souris, une régénération musculaire imparfaite [182, 183]. Ce défaut de réparation du tissu musculaire blessé a été également observé chez des souris déficientes en MCP-1 [184, 185]. Ce qui suggère que la réparation optimale des dommages musculaires requière une réponse inflammatoire appropriée dans laquelle les macrophages jouent un rôle clé. Ces données qui mettent en relief la place des médiateurs (cellulaires et chimiques) dans une réponse inflammatoire adéquate à une régénération musculaire optimale sont en parfaite concordance aux conclusions qui stipulent qu'un environnement dominé par TNF-a pourrait influencer drastiquement le déblaiement des neutrophiles apoptotiques par les macrophages [179] alors qu'un environnement dominé par IL-10 pourrait inhiber complètement la fonction des neutrophiles [175].

En résumé, la réponse inflammatoire joue un rôle clé dans la régénération des dommages musculaires mais le maintien d'un niveau élevé de TNF-a ou d'IL-10 peut empêcher la

1.3.3.2. Implication des cellules satellites

Les cellules satellites sont une lignée de cellules précurseures myogéniques situées entre le sarcolemme et la lame basale [136]. Comme nous l'avons dit précédemment, les cellules satellites sont à l'état quiescent sur la myofibre mature [135]. Leur marqueur principal est

Dans le document Dégénérescence et régénération musculaires associées à l'infection au Mycobacterium ulcerans (Page 63-96)