Effet de l'entraînement physique sur l'expression des protéines dans le tissu musculaire squelettique après l'exercice dans la maladie artérielle périphérique

Pourquoi ce problème clinique est-il important ?

La maladie artérielle périphérique (MAP) est un problème de santé majeur en Australie, avec une prévalence de 15 % chez les hommes âgés de plus de 65 ans. Le coût direct des soins de santé de l'AOMI en Australie était de 180 millions de dollars en 1994, dont 78 % étaient associés à des hospitalisations. La MAP est également un marqueur des maladies cardiovasculaires avancées (MCV) impliquant les vaisseaux coronaires, cérébraux, rénaux et aortiques ; avec un risque 2 à 3 fois plus élevé de mortalité liée aux maladies cardiovasculaires. En 2006-2007, 25 813 hospitalisations et 2 163 décès étaient le résultat d'une MAP (Australian Institute of Health and Welfare 2009). Le vieillissement de la population australienne et la prévalence de l'AOMI augmentent (Australian Institute of Health and Welfare 2009), les dépenses nationales annuelles de santé pour les maladies cardiovasculaires sont susceptibles d'augmenter, dépassant largement les 5,4 milliards de dollars dépensés en 2000-01 (Australian Bureau of Statistics 2006 ). Le symptôme le plus fréquent de la MAP légère à modérée est la claudication intermittente (CI), définie comme une douleur et des crampes induites par la marche dans une ou les deux jambes (le plus souvent les mollets) qui sont soulagées par le repos. Le traitement principal et le plus efficace pour les personnes souffrant de claudication intermittente est axé sur l'amélioration de la capacité de marche et de l'état fonctionnel.

Que sait-on déjà de l'effet de l'exercice sur la claudication intermittente ?

Les effets bénéfiques de l'entraînement physique en tant que traitement ont été confirmés dans plusieurs essais contrôlés randomisés. La forme optimale d'exercice n'a toujours pas été élucidée. Les mécanismes d'amélioration de la claudication avec l'exercice sont largement inconnus. Bien que l'exercice stimule une agression ischémique-reperfusion (I-R), l'exercice répétitif peut produire une réponse adaptative à cette agression I-R. D'autres thèmes potentiels incluent l'effet de l'exercice sur la stimulation ou l'inhibition de l'angiogenèse et/ou de la synthèse des protéines musculaires.

Bien que la cause principale de la CI soit la réduction du flux sanguin vers les membres inférieurs par rapport à une demande accrue pendant l'exercice, la physiopathologie de la CI n'est pas complètement comprise. Par exemple, l'hémodynamique des membres n'est pas étroitement corrélée à la présentation clinique ou aux limites de la performance physique maximale. Les mesures hémodynamiques de la sévérité de l'AOMI, telles que l'indice de pression artérielle systolique cheville-bras (IPS) et le débit sanguin par pléthysmographie à jauge de contrainte, sont de mauvais prédicteurs de la capacité d'exercice chez les patients atteints de CI.

Des études transversales indiquent que l'inflammation est associée à la présence, à la progression et à la sévérité de la MAP. Cela peut expliquer la surmortalité cardiovasculaire (au moins 50 % à 10 ans) observée chez ces patients. L'effet de l'exercice sur la claudication a été le plus étudié avec des marqueurs inflammatoires dans le sang périphérique.

Quelle est l'importance de mesurer l'expression des protéines dans le tissu musculaire ?

Bien que les biomarqueurs du sang périphérique aident à comprendre les manifestations systémiques de la claudication, ils ne reflètent pas ce qui se passe dans les muscles et la microcirculation. La plupart des changements dans l'expression des protéines sont trop subtils pour être détectés dans le sang périphérique. La facilité d'acquisition ne correspond pas à la facilité d'interrogation. La plage dynamique des protéines dans le sérum rend l'analyse très difficile car les protéines en grande abondance ont tendance à masquer celles en moindre abondance ; tandis qu'un petit nombre de protéines, dont l'albumine, la bêta 2-macroglobuline, la transferrine et les immunoglobulines, peuvent représenter plus de 90 % des protéines sériques11.

Le complément protéique d'une cellule ou d'un tissu est dynamique et reflète l'âge, le cycle de vie et les conditions auxquelles la cellule est soumise ou un état pathologique spécifique. Il est clair que dans la plupart des maladies, les protéines sont soumises à de nombreux changements incluant des modifications post-traductionnelles et/ou un clivage protéolytique ; également dans certaines maladies, il y a altération de l'expression des protéines. L'acide ribonucléique messager (ARNm) est la molécule codant pour le schéma chimique d'une protéine. Pourtant, les microréseaux examinant l'expression différentielle de l'ARNm ne fourniront pas d'informations sur la modification post-traductionnelle, donc la seule façon d'évaluer l'impact des protéines est au niveau des protéines.

Certaines études ont étudié la différence des caractéristiques histochimiques et biochimiques du muscle squelettique entre les patients atteints de MAP et les sujets sains du même âge. La plupart des études sur la biopsie musculaire chez des patients atteints d'AOMI ont démontré des altérations de la distribution des types de fibres musculaires, de la dénervation et des altérations du métabolisme musculaire sans aucun aperçu de l'expression des protéines12, 13, 14. Il existe des preuves considérables que l'état métabolique du muscle squelettique est perturbé chez les patients atteints de MAP par rapport aux témoins sains appariés selon l'âge. Parmi les premières observations figurait la découverte inattendue que l'expression et l'activité de plusieurs enzymes mitochondriales sont augmentées dans le muscle squelettique des membres atteints de PAD. Les muscles squelettiques chez les patients atteints de CI changent avec l'exercice, mais les preuves actuelles ne font pas la lumière sur les mécanismes de changement ou si le changement est le même chez tous les patients. Nous savons déjà que certains patients s'améliorent avec l'exercice alors que d'autres ne le font pas. La question se pose donc de savoir s'il existe une bio-diversité dans la réponse de ces patients à l'exercice.

Armstrong et al ont étudié les perturbations de l'homéostasie calcique du muscle squelettique et ont suggéré qu'elles pourraient jouer un rôle clé dans le développement des lésions musculaires induites par l'exercice. Certains des changements musculaires immédiats après l'exercice ont été attribués au fait que la dégradation des protéines est initiée par des protéases à cystéine non lysosomales, telles que la calpaïne. L'élévation du calcium intracellulaire après l'exercice peut activer les calpaïnes. Le tissu musculaire exprime trois calpaïnes distinctes, y compris les calpaïnes ubiquitaires bien caractérisées - m-calpaïne, μ-calpaïne et n-calpaïne. Wang et al ont conclu, dans des études animales, que l'augmentation des niveaux de la protéase m-calpaïne favorise les lésions musculaires alors que l'expression de la protéine calpastatine pourrait exécuter une fonction protectrice contre les lésions musculaires. Cela n'a pas encore été étudié dans les études humaines. On peut supposer que les niveaux de calpastatine et de m-calpaïne sont importants pour expliquer la réponse variable à l'exercice dans la CI et pourquoi certains patients s'améliorent et d'autres non.

Il existe des preuves contradictoires sur les avantages de l'exercice. Tsai et al ont découvert que l'effet d'entraînement normal sur l'expression du gène du transporteur de glucose 4 (GLUT4) était complètement éliminé par l'ischémie aiguë et chronique au niveau pré-traductionnel. De plus, l'atrophie musculaire induite par l'ischémie chronique s'est avérée plus sévère chez les rats entraînés à l'exercice que chez les rats non entraînés. Ce résultat suggère que pour les personnes souffrant de troubles microvasculaires, l'entraînement physique pourrait ne pas être bénéfique pour le maintien de la masse musculaire. Ainsi, l'effet de l'entraînement physique chez les sujets humains atteints de CI (ischémie) n'a pas encore été élucidé.

Nous savons que tous les sujets diffèrent dans leur capacité à faire de l'exercice et les patients souffrant de claudication intermittente ne sont pas différents. Les patients faisant de l'exercice pour une claudication intermittente seraient différents en termes d'expression de protéines due à l'exercice. Pour cette raison, les patients agiraient comme leurs propres témoins au moyen d'une biopsie d'un muscle non affecté de chaque individu.

Un examen par spectroscopie de masse à extrémité ouverte des protéines dans le muscle squelettique en exercice donnerait un aperçu de la voie mécaniste de l'effet de l'exercice dans la claudication intermittente.

Quelle est la relation entre l'expression des protéines et l'inflammation dans l'exercice avec claudication intermittente ?

Le modèle clinique d'exercice induisant une lésion de type ischémie-reperfusion a été étayé par la mise en évidence de marqueurs d'inflammation. Les neutrophiles sont les premières cellules à commencer à s'accumuler dans le tissu au site de la blessure, détruisant le tissu nécrotique par phagocytose tout en travaillant en conjonction avec les macrophages résidents du tissu musculaire lui-même. La présence de neutrophiles a été documentée dans le muscle après divers types d'exercices excentriques. Une étude portant sur la fonction des neutrophiles dans l'exercice des claudicants a montré une augmentation de l'activation des neutrophiles se manifestant par une expression accrue du groupe de récepteurs d'adhésion des neutrophiles de l'antigène de différenciation IIb (CD11b) et une dégranulation se manifestant par une augmentation de l'élastase plasmatique des neutrophiles. Cela s'est produit immédiatement après l'exercice chez ces patients souffrant de claudication intermittente. Que cela équivaut à une tendance à prédire les résultats n'est toujours pas clair.

La protéase m-Calpain est un facteur chimiotactique pour les neutrophiles et peut jouer un rôle dans la réponse inflammatoire locale et systémique. De telles adaptations dans les réponses inflammatoires cellulaires ont été rapportées plus tôt par Kunimatsu et al. Avec la calpastatine, ces protéines pourraient jouer un rôle clé dans le lien entre les lésions musculaires locales, la réparation et l'induction d'une réponse inflammatoire systémique.

La modification chimique des protéines peut jouer un rôle dans la pathogenèse de troubles allant du diabète à l'athérosclérose et aux lésions d'ischémie-reperfusion et peut-être au processus de vieillissement lui-même. Les produits finaux de glycosylation avancée (AGE) sont les produits finaux des réactions de glycosylation dans lesquelles une molécule de sucre se lie à une protéine ou à une molécule lipidique sans enzyme pour contrôler la réaction. La formation et l'accumulation d'AGEs ont été impliquées dans la progression des maladies liées à l'âge, en particulier les maladies cardiovasculaires. Ils ont une gamme d'effets pathologiques, y compris l'inhibition de la dilatation vasculaire en interférant avec l'oxyde nitrique (facteur de relaxation dérivé de l'endothélium), en liant les macrophages et les cellules endothéliales pour induire la sécrétion de cytokines inflammatoires et en augmentant le stress oxydatif. Nous émettons l'hypothèse que l'exercice stimule l'absorption du glucose par les cellules endothéliales en augmentant la synthèse des AGE. Il reste à déterminer si l'exercice améliore ou réduit à nouveau ce processus.

Le but de cette étude est d'examiner les biomarqueurs inflammatoires, y compris l'interleukine-6 ​​(IL-6), l'élastase neutrophile et les produits terminaux glyqués avancés avec des protéines connues pour influencer les dommages ou la réparation des tissus (Calpains et Calpastatine) afin de déterminer l'effet de différentes formes d'exercice sur ce processus, afin de déterminer

1. L'exercice est-il approprié pour tous les patients? c'est à dire.

   1. Est-ce que tous les patients répondent par une réponse pro inflammatoire ? et
   2. L'exercice produit-il une réponse adaptative à cela chez tous les patients ? ou
   3. L'exercice stimule-t-il une agression I-R chez certains patients qui n'est pas réduite par l'entraînement physique ?
   4. Quelle est la réponse locale des tissus à l'exercice en termes de dommages ou de réparation des tissus (mesurée par l'analyse des protéines)
2. Quelle est la meilleure forme d'exercice pour ces patients appropriés?

3. Existe-t-il une biodiversité dans la réponse des patients à l'exercice en termes de

   1. Réponse inflammatoire systémique (basée sur l'IL-6, l'élastase des neutrophiles et les AGE) ?
   2. Réponse locale (basée sur l'analyse des protéines) ?

4. La réponse physiologique à l'exercice chez ces patients réduit-elle le risque de morbidité/mortalité liée aux maladies cardiovasculaires ?

   un. Comme en témoignent les modifications des paramètres de résultat des tests d'effort cardio-pulmonaire (CPET) et de la fonction endothéliale.

5. La fonction endothéliale altérée est-elle réversible ? un. Tel que mesuré par la dilatation médiée par le flux.

L'utilisation combinée des données provenant du sang systémique et du tissu musculaire local aiderait à caractériser les conséquences métaboliques et fonctionnelles des modifications de la PAD associées à l'âge dans le muscle squelettique. Cela aiderait également à identifier une voie mécaniste par laquelle l'exercice exerce son effet sur le patient souffrant de claudication intermittente.