Effect of portacaval anastomosis on glutamine synthetase protein and gene expression in brain, liver and skeletal muscle.

The effects of chronic liver insufficiency resulting from end-to-side portacaval anastomosis (PCA) on glutamine synthetase (GS) activities, protein and gene expression were studied in brain, liver and skeletal muscle of male adult rats. Four weeks following PCA, activities of GS in cerebral cortex and cerebellum were reduced by 32\% and 37\% (p<0.05) respectively whereas GS activities in muscle were increased by 52\% (p<0.05). GS activities in liver were decreased by up to 90\% (p<0.01), a finding which undoubtedly reflects the loss of GS-rich perivenous hepatocytes following portal-systemic shunting. Immunoblotting techniques revealed no change in GS protein content of brain regions or muscle but a significant loss in liver of PCA rats. GS mRNA determined by semi-quantitative RT-PCR was also significantly decreased in the livers of PCA rats compared to sham-operated controls. These findings demonstrate that PCA results in a loss of GS gene expression in the liver and that brain does not show a compensatory induction of enzyme activity, rendering it particularly sensitive to increases in ammonia in chronic liver failure. The finding of a post-translational increase of GS in muscle following portacaval shunting suggests that, in chronic liver failure, muscle becomes the major organ responsible for the removal of excess blood-borne ammonia.

Direct molecular and spectroscopic evidence for increased ammonia removal capacity of skeletal muscle in acute liver failure.

BACKGROUND/AIMS: It has been proposed that, in acute liver failure, skeletal muscle adapts to become the principle organ responsible for removal of blood-borne ammonia by increasing glutamine synthesis, a reaction that is catalyzed by the cytosolic ATP-dependent enzyme glutamine synthetase. To address this issue, glutamine synthetase expression and activities were measured in skeletal muscle of rats with acute liver failure resulting from hepatic devascularization. METHODS: Glutamine synthetase protein and gene expression were investigated using immunoblotting and semi-quantitative RT-PCR analysis. Glutamine synthetase activity and glutamine de novo synthesis were measured using, respectively, a standard enzymatic assay and [13C]-nuclear magnetic resonance spectroscopy. RESULTS: Glutamine synthetase protein (but not gene) expression and enzyme activities were significantly up-regulated leading to increased de novo synthesis of glutamine and increased skeletal muscle capacity for ammonia removal in acute liver failure. In contrast to skeletal muscle, expression and activities of glutamine synthetase in the brain were significantly decreased. CONCLUSIONS: These findings demonstrate that skeletal muscle adapts, through a rapid induction of glutamine synthetase, to increase its capacity for removal of blood-borne ammonia in acute liver failure. Maintenance of muscle mass together with the development of agents with the capacity to stimulate muscle glutamine synthetase could provide effective ammonia-lowering strategies in this disorder.

Optimisation du vecteur adénoviral pour la thérapie génique de la dystrophie musculaire de Duchenne

La dystrophie musculaire de Duchenne (DMD) est une maladie très sévère, progressive et sans traitement vraiment efficace. Elle est caractérisée par l’absence fonctionnelle de la dystrophine, une protéine essentielle au maintien des muscles squelettiques. La thérapie génique est actuellement envisagée comme approche thérapeutique pour livrer la dystrophine dans les muscles. Les vecteurs adénoviraux de troisième génération (Helper-dependent adenoviral vector, HD) sont des véhicules de transfert génique très prometteurs pour traiter la DMD. Puisque les gènes adénoviraux ont été enlevés complètement du HD, ils sont peu toxiques, faiblement immunogéniques et ils possèdent un espace cargo suffisant pour transporter l’ADN codant complet de la dystrophine. Bien que le HD puisse fournir la dystrophine de façon thérapeutique chez des souris dystrophiques (mdx), l’expression du gène thérapeutique est progressivement perdue plusieurs mois suivant l’injection intramusculaire. Deux stratégies innovantes furent explorées dans cette thèse dans le but de stabiliser l’expression de la dystrophine. La première stratégie vise à l’intégration de l’ADN du HD dans les chromosomes cellulaires, ce qui pourrait le protéger contre son élimination progressive des muscles. Une intégrase site-spécifique issue du phage ΦC31 a été utilisée pour catalyser l’intégration d’un HD transportant un marqueur de sélection. Dans les cellules humaines et les myoblastes murins, l’activité de l’intégrase a été évaluée d’après son efficacité d’intégration (après sélection) et sa spécificité (dans les clones résistants). L’efficacité atteint jusqu’à 0,5 % par cellule et jusqu’à 76 % des événements d’intégration ont été réalisés de façon site-spécifique. Bien que des délétions aient été trouvées aux extrémités du vecteur, 70 % des clones analysés montraient une seule copie du vecteur intégré (le nombre attendu). Seulement une petite augmentation du nombre de brisures double-brin a été mesurée dans les myoblastes exprimant l’intégrase. En conclusion, l’intégration du HD est relativement efficace, spécifique et sécuritaire. Cette méthode est très prometteuse, car la dystrophine peut être livrée dans le muscle avec l’aide du HD et l’intégration de l’ADN du HD pourrait stabiliser son expression in vivo. La deuxième stratégie implique l’utilisation d’un nouveau promoteur musculospécifique (ΔUSEx3) pour réduire la toxicité induite liée à une expression trop étendue de la dystrophine. Dans cette étude, nous avons investigué l’effet du contexte viral sur l’activité du promoteur. Un HD et un vecteur lentiviral (LV) ont été construits avec le promoteur ΔUSEx3 pour contrôler l’expression d’un gène rapporteur. Les résultats démontrent que ΔUSEx3 confère une expression puissante, musculospécifique et stable (via le LV) in vitro. L’injection intramusculaire du HD a conduit à une expression puissante du transgène. Ces résultats contrastent avec ceux du LV, car après l’injection de ce dernier, l’expression était faible. La livraison du HD dans le muscle, mais aussi dans plusieurs organes démontre la musculospécificité de ΔUSEx3. Par conséquent, le contexte du vecteur et l’environnement musculaire modulent tous les deux l’activité de ΔUSEx3. Bien que ΔUSEx3 soit musculospécifique, d’autres études sont requises pour déterminer si le promoteur peut stabiliser l’expression de la dystrophine in vivo.

Intolérence à l'effort en hypertension artérielle pulmonaire : Implication des déterminants périphériques

L’hypertension artérielle pulmonaire (HTAP) est une maladie caractérisée par l’augmentation progressive des résistances vasculaires pulmonaires causant une augmentation de la pression artérielle pulmonaire qui mène au décès prématuré des patients. Malgré une amélioration rapide ces dernières années des traitements spécifiques, les patients souffrant d’HTAP demeurent dyspnéiques et intolérants à l’effort. L’atteinte vasculaire pulmonaire est actuellement irréversible. Elle est également la source de plusieurs anomalies au niveau des systèmes cardiovasculaires, ventilatoires et musculaires constituant les principaux déterminants physiologiques de la capacité à l’effort des patients. Cette thèse a investigué différentes facettes de la tolérance à l’effort en HTAP : les différents mécanismes ayant un impact sur l’apport musculaire en oxygène, l’altération des voies de signalisation cellulaire impliquées dans l’angiogenèse musculaire et les mécanismes ayant un impact sur la régulation du débit sanguin et l’oxygénation cérébrale en HTAP. Nous avons premièrement documenté une diminution de l’apport en oxygène aux muscles squelettiques à l’effort des patients en relation avec une diminution de la densité capillaire musculaire. Ce défaut d’angiogenèse corrélait d’ailleurs avec la capacité à l’effort des sujets. Par la suite, nous avons étudié les voies de signalisations cellulaires de l’angiogenèse musculaire. Ces résultats ont permis de démontrer une diminution de l’expression de miR-126, unique aux patients HTAP, qui était responsable de la diminution de la densité capillaire et qui contribuait à leur intolérance à l’effort. De plus, il était possible de moduler in vivo l’expression de miR-126. L’expérimentation in vivo, à l’aide d’un modèle murin d’HTAP, a permis de rétablir l’expression de miR-126, d’augmenter la microcirculation musculaire et d’améliorer la tolérance à l’effort des animaux, ce qui met en lumière le potentiel thérapeutique de l’angiogenèse musculaire pour améliorer la capacité à l’effort en HTAP. Notre dernier projet a démontré que les patients HTAP présentaient une diminution de débit sanguin cérébral. Ce projet a également démontré que les changements de pression artérielle sont moins bien amortis par les vaisseaux cérébraux des patients et que leurs vaisseaux cérébraux étaient moins réactifs aux changements de CO2. Les patients présentaient aussi une augmentation de la sensibilité des chémorécepteurs centraux qui contribuait à augmenter leur ventilation au repos, mais aussi à l’exercice. Finalement, à l’effort, nous avons démontré que le débit sanguin cérébral des patients HTAP était principalement influencé par la pression artérielle alors que chez les sujets sains, le débit sanguin cérébral était influencé principalement par la PETCO2. Nous avons également démontré que les patients HTAP présentaient une diminution progressive de leur oxygénation cérébrale, qui corrélait avec leur capacité à l’effort. Les résultats obtenus au cours de ce doctorat démontrent bien que la capacité à l’effort en HTAP est aussi déterminée par plusieurs anomalies physiopathologiques périphériques.

Altération de la régénération musculaire dans la maladie pulmonaire obstructive chronique

Altération de la régénération musculaire dans la maladie pulmonaire obstructive chronique. La maladie pulmonaire obstructive chronique (MPOC) est caractérisée par une obstruction bronchique irréversible et progressive. L’atrophie musculaire périphérique y est fréquente et a un impact négatif sur la capacité fonctionnelle et la survie des sujets atteints. Toutefois, on ignore si une altération du processus de régénération musculaire est un processus ayant cours dans l’atrophie musculaire périphérique. Le but de la présente thèse était donc d’étudier les cellules satellites, principales cellules responsables de la régénération musculaire dans les muscles périphériques de patients ayant une MPOC. Dans un premier temps, nous avons évalué l’historique de réplication du tissu musculaire et la sénescence des cellules satellites. Les changements morphologiques ayant lieu dans le muscle au cours de la progression de la maladie rendent le muscle plus susceptible aux dommages, induisant un raccourcissement prématuré des télomères. Un raccourcissement des télomères chez les sujets ayant une MPOC avec atrophie est concomitant avec une augmentation du nombre de cellules satellites sénescentes et de l’épuisement du potentiel de régénération compromettant le maintien de la masse musculaire chez ces sujets. Dans un deuxième et troisième temps, nous avons étudié les étapes amenant une cellule satellite vers une cellule musculaire dans les muscles périphériques et respiratoires de patients ayant une MPOC comparativement à des sujets contrôles. Les cellules satellites sont impliquées dans la réparation du tissu musculaire. Dans les cellules satellites provenant des sujets ayant une MPOC, une altération de la prolifération et de la différentiation a été observée. Ces résultats sont compatibles avec une altération de la régénération musculaire pouvant conduire à l’atrophie musculaire dans la MPOC. Le quatrième volet de ce projet s’intéressait à l’impact d’un entraînement en résistance sur l’activité des cellules satellites et le rôle joué par la myostatine dans ce contexte. La littérature montre que l’exercice en résistance est bien toléré et aide les patients ayant une MPOC à retrouver une meilleure qualité de vie. Cependant, il semble qu’ils n’y répondent pas tous aussi bien que les sujets contrôles. La capacité de réponse des cellules satellites à un entraînement en résistance semble inadéquate, suggérant ainsi un défaut de leur activation. Dans la dernière étude de cette thèse, nous avons voulu évaluer l’impact de l’inflammation systémique en étudiant SAA1, une protéine de phase aiguë et p21, une protéine du cycle cellulaire dans la dégradation des protéines des cellules musculaires. Les liens de causalité entre l’affection primaire et les différentes comorbidités demeurent nébuleux dans la MPOC. SAA1 et p21 sont augmentés dans les muscles squelettiques des patients ayant une MPOC et par ailleurs, SAA1 est capable d’induire la dégradation des protéines musculaires. Cette thèse expose les premiers éléments impliquant l’altération de la régénération musculaire avec la dysfonction musculaire observée chez les patients ayant une MPOC. Ces résultats vont certainement contribuer au développement de nouvelles thérapies et stratégies d’intervention dans le but d’améliorer la qualité de vie des personnes atteintes d’une MPOC. En somme, les travaux effectués dans le cadre de la présente thèse montrent que plusieurs mécanismes agissent de concert avec l’inactivité physique afin d’induire le phénotype dysfonctionnel dans les muscles des patients ayant une MPOC.

Aging and the force-velocity relationship of muscles

Aging in humans is associated with a loss in neuromuscular function and performance. This is related, in part, to the reduction in muscular strength and power caused by a loss of skeletal muscle mass (sarcopenia) and changes in muscle architecture. Due to these changes, the force-velocity (f-v) relationship of human muscles alters with age. This change has functional implications such as slower walking speeds. Different methods to reverse these changes have been investigated, including traditional resistance training, power training and eccentric (or eccentrically-biased) resistance training. This review will summarise the changes of the f-v relationship with age, the functional implications of these changes and the various methods to reverse or at least partly ameliorate these changes.

Electromyographic activity in lower limb muscles is temporally associated with the slow phase of oxygen uptake during cycling

Although the "slow" phase of pulmonary oxygen uptake (Vo2) appears to represent energetic processes in contracting muscle, electromyographic evidence tends not to support this. The present study assessed normalized integrated electromyographic (NIEMG) activity in eight muscles that act about the hip, knee and ankle during 8 min of moderate (ventilatory threshold) cycling in six male cyclists. (Vo2) was measured breath by breath during four repeated trials at each of the two intensities. Moderate and very heavy exercise followed a 4-min period of light exercise (50 W). During moderate exercise the slow (Vo2) phase was absent and NIEMG in all muscles did not increase after the first minute of exercise. During very heavy exercise, the slow phase emerged (time delay=58 ± 16 s) and increased progressively (time constant=120 ± 35 s) to an amplitude (0.83 ± 0.16 L/min) that was approximately 21% of the total (Vo2) response. This slow (Vo2) phase coincided with a significant increase in NIEMG in most muscles, and differences in NIEMG activities between the two intensities revealed "slow" muscle activation profiles that differed between muscles in terms of the onset, amplitude and shape of these profiles. This supports the hypothesis that the slow (Vo2) phase is a function of these different slow muscle activation profiles.

Reliability of ultrasonographic measurement of the architecture of the vastus lateralis and gastrocnemius medialis muscles in older adults

Objective To determine the test-retest reliability of measurements of thickness, fascicle length (Lf) and pennation angle (θ) of the vastus lateralis (VL) and gastrocnemius medialis (GM) muscles in older adults. Participants Twenty-one healthy older adults (11 men and ten women; average age 68·1 ± 5·2 years) participated in this study. Methods Ultrasound images (probe frequency 10 MHz) of the VL at two sites (VL site 1 and 2) were obtained with participants seated with knee at 90º flexion. For GM measures, participants lay prone with ankle fixed at 15º dorsiflexion. Measures were taken on two separate occasions, 7 days apart (T1 and T2). Results The ICCs (95% CI) were: VL site 1 thickness = 0·96(0·90–0·98); VL site 2 thickness = 0·96(0·90–0·98), VL θ = 0·87(0·68–0·95), VL Lf = 0·80(0·50–0·92), GM thickness = 0·97(0·92–0·99), GM θ = 0·85(0·62–0·94) and GM Lf =0·90(0·75–0·96). The 95% ratio limits of agreement (LOAs) for all measures, calculated by multiplying the standard deviation of the ratio of the results between T1 and T2 by 1·96, ranged from 10·59 to 38·01%. Conclusion The ability of these tests to determine a real change in VL and GM muscle architecture is good on a group level but problematic on an individual level as the relatively large 95% ratio LOAs in the current study may encompass the changes in architecture observed in other training studies. Therefore, the current findings suggest that B-mode ultrasonography can be used with confidence by researchers when investigating changes in muscle architecture in groups of older adults, but its use is limited in showing changes in individuals over time.

Effect of handling and fixation processes on fluorescence spectroscopy of mouse skeletal muscles under two-photon excitation

We investigated the effects of handling and fixation processes on the two-photon fluorescence spectroscopy of endogenous fluorophors in mouse skeletal muscle. The skeletal muscle was handled in one of two ways: either sectioned without storage or sectioned following storage in a freezer. The two-photon fluorescence spectra measured for different storage or fixation periods show a differential among those samples that were stored in water or were fixed either in formalin or methanol. The spectroscopic results indicate that formalin was the least disruptive fixative, having only a weak effect on the two-photon fluorescence spectroscopy of muscle tissue, whereas methanol had a significant influence on one of the autofluorescence peaks. The two handling processes yielded similar spectral information, indicating no different effects between them.

Irradiation, cisplatin, and 5-azacytidine upregulate cytomegalovirus promoter in tumors and muscles: Implementation of non-invasive fluorescence imaging

Purpose: The cytomegalovirus (CMV) promoter is one of the most commonly used promoters for expression of transgenes in mammalian cells. The aim of our study was to evaluate the role of methylation and upregulation of the CMV promoter by irradiation and the chemotherapeutic agent cisplatin in vivo using non-invasive fluorescence in vivo imaging. Procedures: Murine fibrosarcoma LPB and mammary carcinoma TS/A cells were stably transfected with plasmids encoding CMV and p21 promoter-driven green fluorescent protein (GFP) gene. Solid TS/A tumors were induced by subcutaneous injection of fluorescent tumor cells, while leg muscles were transiently transfected with plasmid encoding GFP under the control of the CMV promoter. Cells, tumors, and legs were treated either by DNA methylation inhibitor 5-azacytidine, irradiation, or cisplatin. GFP expression was determined using a fluorescence microplate reader in vitro and by non-invasive fluorescence imaging in vivo. Results: Treatment of cells, tumors, and legs with 5-azacytidine (re)activated the CMV promoter. Furthermore, treatment with irradiation or cisplatin resulted in significant upregulation of GFP expression both in vitro and in vivo. Conclusions: Observed alterations in the activity of the CMV promoter limit the usefulness of this widely used promoter as a constitutive promoter. On the other hand, inducibility of CMV promoters can be beneficially used in gene therapy when combined with standard cancer treatment, such as radiotherapy and chemotherapy. © 2010 The Author(s).

Prediction of maximal surface electromyographically based voluntary contractions of erector spinae muscles from sonographic measurements during isometric contractions

Objectives Currently, there are no studies combining electromyography (EMG) and sonography to estimate the absolute and relative strength values of erector spinae (ES) muscles in healthy individuals. The purpose of this study was to establish whether the maximum voluntary contraction (MVC) of the ES during isometric contractions could be predicted from the changes in surface EMG as well as in fiber pennation and thickness as measured by sonography. Methods Thirty healthy adults performed 3 isometric extensions at 45° from the vertical to calculate the MVC force. Contractions at 33% and 100% of the MVC force were then used during sonographic and EMG recordings. These measurements were used to observe the architecture and function of the muscles during contraction. Statistical analysis was performed using bivariate regression and regression equations. Results The slope for each regression equation was statistically significant (P < .001) with R2 values of 0.837 and 0.986 for the right and left ES, respectively. The standard error estimate between the sonographic measurements and the regression-estimated pennation angles for the right and left ES were 0.10 and 0.02, respectively. Conclusions Erector spinae muscle activation can be predicted from the changes in fiber pennation during isometric contractions at 33% and 100% of the MVC force. These findings could be essential for developing a regression equation that could estimate the level of muscle activation from changes in the muscle architecture.

Muscular activity and fatigue in lower-limb and trunk muscles during different sit-to-stand tests

Sit-to-stand (STS) tests measure the ability to get up from a chair, reproducing an important component of daily living activity. As this functional task is essential for human independence, STS performance has been studied in the past decades using several methods, including electromyography. The aim of this study was to measure muscular activity and fatigue during different repetitions and speeds of STS tasks using surface electromyography in lower-limb and trunk muscles. This cross-sectional study recruited 30 healthy young adults. Average muscle activation, percentage of maximum voluntary contraction, muscle involvement in motion and fatigue were measured using surface electrodes placed on the medial gastrocnemius (MG), biceps femoris (BF), vastus medialis of the quadriceps (QM), the abdominal rectus (AR), erector spinae (ES), rectus femoris (RF), soleus (SO) and the tibialis anterior (TA). Five-repetition STS, 10-repetition STS and 30-second STS variants were performed. MG, BF, QM, ES and RF muscles showed differences in muscle activation, while QM, AR and ES muscles showed significant differences in MVC percentage. Also, significant differences in fatigue were found in QM muscle between different STS tests. There was no statistically significant fatigue in the BF, MG and SO muscles of the leg although there appeared to be a trend of increasing fatigue. These results could be useful in describing the functional movements of the STS test used in rehabilitation programs, notwithstanding that they were measured in healthy young subjects.

Muscle morphometry of the individual hamstring muscles in semi-elite AFL Players: Preliminary findings from a longitudinal study

Hamstring strains in the Australian Football League (AFL) have a high incidence (15%) and recurrence rate (34%) with lateral hamstring injuries most common (83%). Retrospective studies have found significant muscle volume asymmetries ≤23 months post hamstring injury; however examination of the association between hamstring strains and muscle asymmetry has not been investigated prospectively. This study presents baseline data from a longitudinal study focusing on individual hamstring morphometry in uninjured and injured semi-elite AFL players.