Remodelage du muscle lisse péribronchique dans l’inflammation respiratoire chronique

Le souffle chez les chevaux et l’asthme chez l’humain sont des maladies respiratoires qui partagent plusieurs caractéristiques, notamment des épisodes de bronchospasme et de détresse respiratoire dus à une inflammation pulmonaire inappropriée en réponse à une inhalation de substances antigéniques. Les manifestations cliniques incluent des efforts respiratoires augmentés, des sifflements et de la toux. Au niveau des voies respiratoires, on observe une augmentation du muscle lisse péribronchique, une fibrose sous épithéliale, une métaplasie/hyperplasie épithéliale et du mucus en quantité augmentée. L’augmentation du muscle lisse est particulièrement importante car elle n’affecte pas seulement le calibre basal des voies respiratoires, mais elle accentue l’obstruction respiratoire lors de bronchoconstriction. Ces changements sont regroupés sous le terme de « remodelage » et sont associés à un déclin accéléré de la fonction respiratoire chez les patients asthmatiques. Alors que les traitements actuels contrôlent efficacement le bronchospasme et relativement bien l’inflammation, leurs effets sur le remodelage sont mal connus. Dans le cadre de thèse, la réversibilité du remodelage musculaire péribronchique a été investiguée chez des chevaux atteints du souffle dans deux études longitudinales. Ces études, faites principalement sur du tissu pulmonaire prélevé par thoracoscopie, sont difficilement réalisables chez l’humain pour des raisons éthiques, ou chez d’autres animaux, car ceux-ci présentent rarement une inflammation de type asthmatique de façon spontanée. Les résultats démontrent que les chevaux atteints du souffle ont approximativement deux fois plus de muscle péribronchique que les chevaux sains d’âge similaire gardés dans les mêmes conditions, et que la prolifération des myocytes contribue à cette augmentation. Ils démontrent aussi qu’une stimulation antigénique relativement brève chez des chevaux atteints du souffle depuis plusieurs années n’accentue pas le remodelage, ce qui suggère que l’augmentation du muscle lisse atteint un plateau. Nous avons également montré que le remodelage du muscle lisse chez des chevaux adultes est partiellement réversible et que cette réversibilité peut être accélérée par l’administration de corticostéroïdes par inhalation. Il semble toutefois qu’une portion du remodelage chronique est irréversible puisque les corticostéroïdes ont accéléré la diminution du muscle mais sans toutefois mener à une amélioration plus marquée au terme de l’étude qu’avec une modification environnementale stricte. La diminution de trente pourcent observée sur un an paraît modeste mais elle démontre clairement, et pour une première fois, que le remodelage du muscle lisse présent chez des chevaux adultes malades depuis plusieurs années est au moins partiellement réversible.

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.

A mitochondrial perspective on striated muscle physiopathology: insights from sepsis, denervation, and dystrophinopathies.

La mitochondrie est de plus en plus reconnue pour sa contribution à la dégénerescence musculaire. Les dysfonctions mitochondriales, en plus de causer une défaillance énergétique, contribuent à la signalisation apoptotique, stimule la production de ROS et peuvent induire une surcharge calcique. Ces caractéristiques sont tous reliées à certains types de myopathies. Cette thèse met en lumières comment certaines dysfonctions mitochondriales peuvent intervenir dans la pathogenèse de diverses myopathies. Nous démontrons que les dysfonctions mitochondriales sont impliqués dans l’atrophie dû à la perte d’innervation. Par contre, la désensabilisation de l’ouverture du pore mitochondrial de transition de perméabilité, via ablation génétique de cyclophiline-D, ne prévient ni la signalisation apoptotique mitochondrial ni l’atrophie. Nous avons aussi observé des dysfonctions mitochondriales dans le muscle atteint de dystrophie musculaire de Duchenne qui furent améliorés suite à une transfection de PGC1-α, laquelle résulta aussi en une amélioration de la pathologie. Finalement, nous démontrons que le recyclage de mitochondrie par les voies de mitophagies et de contrôles de la qualité impliquant Parkin et possiblement d’autres voies de signalisation inconnues sont cruciales au recouvrement cardiaqe lors d’un choc septique.

Expression des cofacteurs de transcription associés au SRF dans le muscle lisse respiratoire équin

L’hyperplasie et l’hypertrophie contribuent à l'augmentation de la masse de muscle lisse bronchique observée dans le souffle. Les cellules musculaires lisses (CML) présentent deux phénotypes; prolifératif ou contractile. Le serum response factor (SRF), un facteur de transcription impliqué dans l’activation de nombreux gènes, contribuerait à cette modulation phénotypique. Notamment, lorsqu'associé au cofacteur Elk-1, un phénotype prolifératif serait observé, alors qu'en présence de la myocardine (MYOCD) il y aurait induction d'un profil contractile. Récemment, il a été démontré que SRF est surexprimé dans les voies périphériques chez les chevaux atteints du souffle suite à une exposition antigénique. Cette étude vise à caractériser l'expression protéique et génique de SRF, Elk-1 et MYOCD dans les CML des voies respiratoires centrales et périphériques chez des chevaux atteints du souffle et des chevaux contrôles. L'évaluation de l’expression protéique de SRF, Elk-1 et MYOCD s’est effectuée par immunodétection sur des tissus provenant de biopsies thoracoscopiques ou endobronchiques, et ce, avant, à 1 et 30 jours du défi antigénique. L'expression génique a été étudiée par qPCR sur du muscle lisse disséqué de la trachée, et des bronches, ainsi que sur des voies respiratoires intermédiaires et périphériques. Les expressions génique et protéique de MYOCD sont augmentées uniquement dans les voies périphériques. L’expression génique de SRF et Elk-1 varient dans les voies centrales alors que le taux de protéines demeure stable. En conclusion, SRF et MYOCD pourraient être impliquées dans l’hypertrophie des voies respiratoires périphériques dans le souffle alors que l’hyperplasie ne semble pas être activée par Elk-1.

Dynamic magnetic resonance spectroscopy of phosphate energetics during muscle exercise and recovery

Entailing of phosphorus exchanges in most bio-chemicals as a key factor in disease, increases researcher’s interest to develop the technologies capable of detecting this metabolite. Phosphorus magnetic resonance spectroscopy is able to detect key metabolites in a non-invasive manner. Particularly, it offers the ability to measure the dynamic rate of phosphocreatine(PCr) degeneration through the exercise and recovery. This metric as a valid indication of mitochondrial oxidative metabolism in muscle, differentiate between normal and pathological state. To do magnetic resonance imaging and spectroscopy, clinical research tools provide a wide variety of anatomical and functional contrasts, however they are typically restricted to the tissues containing water or hydrogen atoms and they are still blind to the biochemicals of other atoms of interests. Through this project we intended to obtain the phosphorus spectrum in human body – specificadenerativelly in muscle – using 31P spectroscopy. To do so a double loop RF surface coil, tuned to phosphorus frequency, is designed and fabricated using bench work facilities and then validated through in vitro spectroscopy using 3 Tesla Siemens scanner. We acquired in vitro as well as in vivo phosphorus spectrum in a 100 mM potassium phosphate phantom and human calf muscle in rest-exercise-recovery phase in a 3T MR scanner. The spectrum demonstrates the main constituent in high-energy phosphate metabolism. We also observed the dynamic variation of PCr for five young healthy subjects who performed planter flexions using resistance band during exercise and recovery. The took steps in this project pave the way for future application of spectroscopic quantification of phosphate metabolism in patients affected by carotid artery disease as well as in age-matched control subjects.

Relation entre CaMKII et les dynamiques calciques endothéliales : impact de l'hypertension arterielle.

L’endothélium vasculaire joue un rôle prépondérant dans la régulation du tonus vasculaire en générant l’oxyde nitrique (NO), la prostacycline (PGI2) et les facteurs hyperpolarisants dérivés de l’endothélium (EDHF) comme puissants vasodilatateurs. Ces mécanismes requièrent le calcium (Ca2+) à divers niveaux, démontrant l’importance des dynamiques calciques endothéliales. Une perturbation de l’homéostasie calcique est observée dans une dysfonction endothéliale liée à l’hypertension artérielle. Il est impératif d’approfondir nos connaissances sur les signalisations calciques endothéliales impliquées dans le contrôle du tonus vasculaire. Des études récentes ont montré qu’une variation locale de la concentration en Ca2+ libre intracellulaire ([Ca2+]i) est suffisante pour générer une réponse physiologique importante. Les pulsars calciques sont caractérisés par une augmentation de [Ca2+]i spontanée et transitoire spécifiquement localisée au niveau des projections myoendothéliales (PMEs). Ces PMEs sont des sites de communication privilégiés entre les cellules endothéliales (CEs) et les cellules musculaires lisses vasculaires (CMLVs). Les pulsars calciques sont impliqués dans le mécanisme de l’EDHF via l’activation des canaux potassiques Ca2+-dépendant de moyenne conductance (KCa3.1 ou IKCa). Les travaux de cette thèse visent à améliorer nos connaissances sur les signalisations calciques locales en caractérisant une nouvelle voie de signalisation pouvant être impliquée dans la régulation du tonus vasculaire en condition physiopathologique. Outre les canaux KCa3.1 peu d’informations sont disponibles sur les cibles sensibles aux pulsars calciques. Une première étude a permis d’identifier la protéine kinase II dépendante du complexe Ca2+/calmoduline (CaMKII) sous ses isoformes α, β et δ dans les CEs d’artères natives de souris comme une cible pouvant être modulée par les pulsars calciques. Des études en immunofluorescence ont permis d’observer la localisation particulière de CaMKII endothéliale dans les PMEs, les sites des pulsars calciques. Une stimulation spécifique des pulsars calciques par la phényléphrine (PE) engendre un recrutement de CaMKII dans les PMEs. Sachant que CaMKII active l’oxyde nitrique synthase endothéliale (NOS3), nous avons évalué l’impact d’une stimulation des pulsars calciques sur la production de NO en présence d’un inhibiteur de CaMKII, le KN-93. Nous avons démontré que la production de NO est en partie dépendante de l’activation de CaMKII par les pulsars calciques. En utilisant un modèle d’hypertension induite par l’infusion chronique de PE, nous avons permis de mettre en évidence une perturbation dans la relation entre les pulsars calciques et CaMKII. Dans une seconde étude nous avons établi deux modèles (normo- et hypertendus) d’infusion chronique à l’angiotensine II (AngII) afin évaluer l’impact des ROS et de l’hypertension sur la voie de signalisation pulsars/CaMKII/NO. Nos résultats ont montré une augmentation des pulsars calciques accompagnée d’un recrutement de CaMKII dans les PMEs. Une stimulation aigue à l’AngII suggère que les ROS modulent les dynamiques calciques et que l’AngII stimule la production de NO. Cette étude propose que ces voies de signalisations impliquent les récepteurs de type 1 et 2 à l’AngII (AT1 et AT2). L’étude des pulsars calciques dépend fortement de la structure native des artères qui permet de conserver la formation des PMEs. La dernière étude présentée dans cette thèse a permis d’établir une relation entre les PMEs et les pulsars calciques dans trois lits vasculaires distincts (artères mésentériques, pulmonaires et coronariennes). Nos résultats ont montré que les paramètres cinétiques des pulsars calciques sont fortement conservés entre les différents lits vasculaires. Toutefois, la fréquence globale ainsi que le nombre de sites actifs des pulsars calciques diffèrent avec une proportion plus élevée dans les artères mésentériques et coronariennes comparativement aux artères pulmonaires. Ces résultats corrèlent avec le nombre plus élevé de PMEs retrouvé dans les artères mésentériques et coronariennes. Ces travaux suggèrent que les pulsars calciques sont fondamentaux pour les artères de résistance. Les études de cette thèse ont mené à l’identification d’une nouvelle voie de signalisation impliquant les pulsars calciques et CaMKII endothéliale dans la stimulation de la production de NO. Cette nouvelle voie de signalisation pourrait être impliquée dans la régulation du tonus vasculaire en condition physiopathologique. Les pulsars calciques semblent être fortement conservés entre les différentes artères de résistances et ce malgré la disparité dans les PMEs, suggérant un rôle prépondérant dans la fonction vasculaire. Ces travaux ouvrent une avenue pour le développement de potentielles cibles thérapeutiques pouvant contrer la dysfonction endothéliale associée à l’hypertension artérielle.