The role of the hypothalamic kisspeptin/GPR54 system in the control of GnRH neurons

Summary : The hypothalamus represents less than 1 % of the total volume of the brain tissue, yet it plays a crucial role in endocrine regulations. Puberty is defined as a process leading to physical, sexual and psychosocial maturation. The hypothalamus is central to this process, via the activation of GnRH neurons. Pulsatile GnRH secretion, minimal during childhood, increases with the onset of puberty. The primary function of GnRH is to regulate the growth, development and function of testes in boys and ovaries in girls, by stimulating the pituitary gland secretion of luteinizing hormone (LH) and follicle-stimulating hormone (FSH). Several factors contribute to the timing of puberty, including sex and ethnicity, genetics, dietary intake and energy expenditure. Kisspeptins constitute a family of small peptides arising from the proteolytic cleavage of metastin, a peptide with 54 amino acids initially purified from human placenta. These kisspeptins were the subject of much attention following their discovery because of their antimetastatic properties, but it was more recently that their determining role in the reproductive function was demonstrated. It was shown that kisspeptins are ligands of a receptor, GPR54, whose natural inactivating mutation in humans, or knockout in the mouse, lead to infertility. GnRH neurons play a pivotal role in the central regulation of fertility. Kisspeptin greatly increases GnRH release and GnRH neuron firing activity, but the neurobiological mechanisms for these actions are unknown. Gprotein-coupled receptor 54, the receptor for kisspeptin, is expressed by GnRH neurons as well as other hypothalamic neurons, suggesting that both direct and indirect effects are possible. In the first part of my thesis, we investigated a possible connection between the acceleration of sexual development induced by leptin and hypothalamic metastin neurons. However, the data generated by our preliminary experiments confirmed that the commercially available antibodies are non-specific. This finding constituted a major drawback for our studies, which relied heavily upon the neuroanatomical study of the hypothalamic metastinergic pathways to elucidate their sensitivity to exogenous leptin. Therefore, we decided to postpone any further in vivo experiment until a better antibody becomes available, and focused on in vitro studies to better understand the mechanisms of action of kisspeptins in the modulation of the activity of GnRH neurons. We used two GnRH-expressing neuronal cell lines to investigate the cellular and molecular mechanisms of action of metastin in GnRH neurons. We demonstrated that kisspeptin induces an early activation of the MAP kinase intracellular signaling pathway in both cell lines, whereas the SAP/JNK or the Akt pathways were unaffected. Moreover, we found an increase in GnRH mRNA levels after 6h of metastin stimulation. Thus, we can conclude that kisspeptin regulates GnRH neurons both at the secretion and the gene expression levels. The MAPK pathway is the major pathway activated by metastin in GnRH expressing neurons. Taken together, these data provide the first mechanism of action of kisspeptin on GnRH neurons. Résumé : L'hypothalamus est une zone située au centre du cerveau, dont il représente moins de 1 du volume total. La puberté est la période de transition entre l'enfance et l'age adulte, qui s'accompagne de transformations somatiques, psychologiques, métaboliques et hormonales conduisant à la possibilité de procréer. La fonction principale de la GnRH est la régulation de la croissance, du développement et de la fonction des testicules chez les hommes, et des ovaires chez les femmes en stimulant la sécrétion de l'hormone lutéinisante (LH) et de l'hormone folliculostimulante (FSH) par la glande hypophysaire. Plusieurs facteurs contribuent au déclanchement de la puberté, y compris le sexe et l'appartenance ethnique, la génétique, l'apport alimentaire et la dépense énergétique. Les Kisspeptines constituent une famille de peptides résultant de la dissociation proteolytique de la métastine, un peptide de 54 acides aminés initialement purifié à partir de placenta humain. Ces kisspeptines ont fait l'objet de beaucoup d'attention à la suite de leur découverte en raison de leurs propriétés anti-metastatiques, et c'est plus récemment que leur rôle déterminant dans la fonction reproductive a été démontré. Les kisspeptines sont des ligands du récepteur GPR54, dont la mutation inactivatrice chez l'homme, ou le knockout chez la souris, conduisent à l'infertilité par hypogonadisme hypogonadotrope. Les neurones à GnRH jouent un rôle central dans le règlement des fonctions reproductrices et la kisspeptine stimule l'activité des neurones à GnRH et la libération de GnRH par ces neurones. Toutefois, les mécanismes neurobiologiques de ces actions ne sont pas connus. Dans la première partie de ma thèse, nous avons étudié le lien potentiel entre l'accélération du développement sexuel induite par la leptine et les neurones hypothalamiques à metastine. Les données générées dans cette première série d'expériences ont malheureusement confirmé que les anticorps anti-metastine disponibles dans le commerce sont aspécifiques. Ceci a constitué un inconvénient majeur pour nos études, qui devaient fortement s'appuyer sur l' étude neuroanatomique des neurones hypothalamiques à metastine pour évaluer leur sensibilité à la leptine exogène. Nous avons donc décidé de focaliser nos travaux sur une étude in vitro des mécanismes d'action de la kisspeptine pour moduler l'activité des neurones à GnRH. Nous avons utilisé deux lignées de cellules neuronales exprimant la GnRH pour étudier les mécanismes d'action cellulaires et moléculaires de la metastine dans des neurones. Nous avons ainsi pu démontrer que la kisspeptine induit une activation précoce de la voie f de signalisation de la MAP kinase dans les deux lignées cellulaires, alors que nous n'avons observé aucune activation de la voie de signalisation de la P13 Kinase et de la SAP/JNK. Nous avons en outre démontré une augmentation de l'expression de la GnRH par la stimulation avec la Kisspeptine. L'ensemble de ces données contribue à élucider le mécanisme d'action avec lequel la kisspeptine agit dans les neurones à GnRH, en démontrant un effet sur l'expression génique de la GnRH. Nous pouvons également conclure que la voie de la MAPK est la voie principale activée par la metastine dans les neurones exprimant la GnRH.

Metabolic and respiratory effects of infused sodium acetate in healthy human subjects.

The metabolic and respiratory effects of intravenous 0.5 M sodium acetate (at a rate of 2.5 mmol/min during 120 min) were studied in nine normal human subjects. O2 consumption (VO2) and CO2 production (VCO2) were measured continuously by open-circuit indirect calorimetry. VO2 increased from 251 +/- 9 to 281 +/- 9 ml/min (P < 0.001), energy expenditure increased from 4.95 +/- 0.17 kJ/min baseline to 5.58 +/- 0.16 kJ/min (P < 0.001), and VCO2 decreased nonsignificantly (211 +/- 7 ml/min vs. 202 +/- 7 ml/min, NS). The extrapulmonary CO2 loss (i.e., bicarbonate generation and excretion) was estimated at 48 +/- 5 ml/min. This observation is consistent with 1 mol of bicarbonate generated from 1 mol of acetate metabolized. Alveolar ventilation decreased from 3.5 +/- 0.2 l/min basal to 3.1 +/- 0.2 l/min (P < 0.001). The minute ventilation (VE) to VO2 ratio decreased from 22.9 +/- 1.3 to 17.6 +/- 0.9 l/l (P < 0.005), arterial PO2 decreased from 93.2 +/- 1.9 to 78.7 +/- 1.6 mmHg (P < 0.0001), arterial PCO2 increased from 39.2 +/- 0.7 to 42.1 +/- 1.1 mmHg (P < 0.0001), pH from 7.40 +/- 0.005 to 7.50 +/- 0.007 (P < 0.005), and arterial bicarbonate concentration from 24.2 +/- 0.7 to 32.9 +/- 1.1 (P < 0.0001). These observations indicate that sodium acetate infusion results in substantial extrapulmonary CO2 loss, which leads to a relative decrease of total and alveolar ventilation.

Optimal slopes and speeds in uphill ski mountaineering: a laboratory study.

The purpose of this study was to estimate the energy cost of linear (EC) and vertical displacement (ECvert), mechanical efficiency and main stride parameters during simulated ski mountaineering at different speeds and gradients, to identify an optimal speed and gradient that maximizes performance. 12 subjects roller skied on a treadmill at three different inclines (10, 17 and 24 %) at three different speeds (approximately 70, 80 and 85 % of estimated peak heart rate). Energy expenditure was calculated by indirect calorimetry, while biomechanical parameters were measured with an inertial sensor-based system. At 10 % there was no significant change with speed in EC, ECvert and mechanical efficiency. At 17 and 24 % the fastest speed was significantly more economical. There was a significant effect of gradient on EC, ECvert and mechanical efficiency. The most economical gradient was the steepest one. There was a significant increase of stride frequency with speed. At steep gradients only, relative thrust phase duration decreased significantly, while stride length increased significantly with speed. There was a significant effect of gradient on stride length (decrease with steepness) and relative thrust phase duration (increase with steepness). A combination of a decreased relative thrust phase duration with increased stride length and frequency decreases ECvert. To minimize the energy expenditure to reach the top of a mountain and to optimize performance, ski-mountaineers should choose a steep gradient (~24 %) and, provided they possess sufficient metabolic scope, combine it with a fast speed (~6 km h(-1)).

The effect of social condition and diet on the frequency of male-male agonistic displays in the field cricket, gryllus bimaculatus /

The frequency and type of agonistic displays involved in male-male encounters should be significantly influenced by the presence of females. Discrete agonistic displays vary in energy expenditure and risk, and therefore should be dependent on available resources. The influence of live females and the scent of females, on the frequency of male agonistic displays was observed in a laboratory terrarium using the field cricket Gryllus bimaculatus. The effect of energy constraints on display frequency was also determined. Half the males were fed a diet high in protein and fet; the other males were fed a lower quality diet, for a 7-11 day period. The frequency of five individual displays and mating frequency were recorded using an Event Recorder and notebook. Each group of males was presented with three experimental conditions, over three days, involving the presence or absence of live females and female scent. The presence of females elicited an increase in all displays except antennation; female scent increased the frequency of antennations, mandible flares and grapples, but to a lesser extent than did live females. The frequency of grapples significantly increased for males fed the high quality diet; however diet did not influence the other displays. The combined influence of diet and condition was significant for mandible flare only. Mating frequency was not influenced by diet. However, the frequency ofthe displays were positively correlated with mating frequency for high quality fed males. Escalated displays involving high costs, such as grapple and mandible flare, increased in frequency when the benefits of winning contests were high in G.bimaculatus. Escalation to grapple behaviour was less evident for males fed the lower quality diet as this imposed energy constraints on high cost displays.

Level and precision of behavioural thermoregulation in the bearded dragon, Pogona vitticeps : effects of hypoxia and environmental thermal quality /

Most metabolic functions are optimized within a narrow range of body temperatures, which is why thermoregulation is of great importance for the survival and overall fitness of an animal. It has been proposed that lizards will thermoregulate less precisely in low thermal quality environments, where the costs associated with thermoregulation are high; in the case of lizards, whose thermoregulation is mainly behavioural, the primary costs ofthermoregulation are those derived from locomotion. Decreasing thermoregulatory precision in costly situations is a strategy that enhances fitness by allowing lizards to be more flexible to changing environmental conditions. It allows animals to maximize the benefits of maintaining a relatively high body temperature while minimizing energy expenditure. In situations where oxygen concentration is low, the costs of thermoregulation are relatively high (i.e. in relation to the amount of oxygen available for metabolic functions). As a result, it is likely that exposures to hypoxic conditions induce a decrease in the precision of thermoregulation. This study evaluated the effects of hypoxia and low environmental thermal quality, two energetically costly conditions, on the precision and level of thermoregulation in the bearded dragon, Pogona vitticeps, in an electronic temperature-choice shuttle box. Four levels of hypoxia (1O, 7, 5 and 4% 02) were tested. Environmental thermal quality was manipulated by varying the rate of temperature change (oTa) in an electronic temperature-choice shuttle box. Higher oT a's translate into more thermally challenging environments, since under these conditions the animals are forced to move a greater number of times (and hence invest more energy in locomotion) to maintain similar temperatures than at lower oTa's. In addition, lizards were tested in an "extreme temperatures" treatment during which air temperatures of the hot and cold compartments of the shuttle box were maintained at a constant 50 and 15°C respectively. This was considered the most thermally challenging environment. The selected ambient (T a) and internal body temperatures (Tb) of bearded dragons, as well as the thermoregulatory precision (measured by the central 68% ofthe Ta and T b distribution) were evaluated. The thermoregulatory response was similar to both conditions. A significant increase in the size of the Tb range, reflecting a decrease in thermoregulatory precision, and a drop in preferred body temperature of ~2 °C, were observed at both 4% oxygen and at the environment of lowest thermal quality. The present study suggests that in energetically costly situations, such as the ones tested in this study, the bearded dragon reduces energy expenditure by decreasing preferred body temperature and minimizing locomotion, at the expense of precise behavioural thermoregulation. The close similarity of the behavioural thermoregulatory response to two very different stimuli suggests a possible common mechanism and neuronal pathway to the thermoregulatory response.

Physical activity of children with developmental coordination disorder in the presence of attention deficit hyperactivity disorder : does gender matter?

Baerg, S., Cairney, J., Hay, J., Rempel, L. and Faught, B.E. (2009). Physical Activity of Children with Developmental Coordination Disorder in the Presence of Attention Deficit Hyperactivity Disorder: Does Gender Matter? Brock University, St. Catharines, Ontario, CANADA. Children with Developmental Coordination Disorder (DCD) have difficulties in motor coordination. Attention-deficit hyperactive disorder (ADHD) is considered the condition most co-morbid with DCD at approximately 50%. Children with DCD are generally less physically active (PA) than their peers, while children with ADHD are often considered more physically active. It is not known if the physical activity patterns of children with DCD-ADHD resemble those of children with primarily DCD or that of their healthy peers. The primary objective of this research was to contrast physical activity patterns between children with DCD, DCD-ADHD, and healthy controls. Since boys are generally reported as more physically active than girls, a secondary objective was to determine if gender moderated the association between groups and physical activity. A sample of males (n=66) and females (n=44) were recruited from the Physical Health Activity Study Team (PHAST) longitudinal study. The Movement Assessment Battery for Children (2nd Ed.) was used to identify probable cases of DCD, and Connor's Revised Parent Rating Scale- Short Version to identify ADHD. Subjects (mean age=12.8±.4 yrs) were allocated to three groups; DCD (n=32), DCD-ADHD (n=30) and control (n=48). Physical activity was monitored for seven days with the Actical® accelerometer (activity count, step count and energy expenditure). Children completed the Participation Questionnaire (PQ) during the in-school session of data collection for the PHAST study. Height, weight and body mass index (BMI) were also determined. Analysis of variance showed significant group differences for activity count (F(2,56)=5.36, p=.007) and PQ (F(2,44 )=6. 71, p=.003) in males, while a significant group difference for step count (F(2,37)=3.55, p=.04) was found in females. Post hoc comparison tests (Tukey) identified significantly lower PQ and activity count between males with OCD and controls (p=.004) and males with DCD-ADHD and controls (p=.003). Conversely, females with DCD-ADHD had significantly more step counts than their controls (p=.01). Analysis of covariance demonstrated a gender by DCD groups negative interaction for males (activity count) (F(2,92):;:3.11, p=.049) and a positive interaction for females (step count) (F(1,92)=4.92, p=.009). Hyperactivity in females with DCD-ADHD appears to contribute to more physical activity, whereas DCD may contribute to decreased activity in males with DCD and DCDADHD. Further research is needed to examine gender differences in physical activity within the context of DCD and ADHD.

Physical Activity and Fitness in Children with Developmental Disorder

Introduction: Developmental coordination disorder (DCD) is a prevalent condition characterized by poor motor proficiency that interferes with a child‟s activities of daily living. Children with DCD often experience compromised health-related fitness components such as cardiorespiratory fitness (CRF). Purpose: To better understand the physical activity and fitness characteristics of children with probable DCD (pDCD), with a particular focus on CRF. Specifically: (1) to present a synopsis of current literature; (2) to determine the longitudinal trajectories of CRF; (3) to compare the submaximal CRF of children with and without pDCD. Methods: A comprehensive, systematic literature review was conducted of the recent available data on fitness and physical activity and pDCD (Chapter 2). This review provided the background for the other two studies included in this thesis. In Chapter 3, a prospective cohort design was used to assess how CRF in children with pDCD changes over time (56 months) relative to a group of typically developing controls. Using a nested-case control design, 63 subjects with pDCD and 63 matched controls from the larger sample were recruited to participate in the lab-based component of the study (Chapter 4). In this investigation CRF was examined using the oxygen cost of work (VO2) during an incremental test on a cycle ergometer. Results: The literature review showed that fitness parameters, including CRF and physical activity levels, were consistently reduced in children with pDCD. Chapter 3 demonstrated that the difference in CRF between children with pDCD and typically developing children is substantial, and that it tends to increase over time. Results from VO2 assessments showed that children with pDCD utilized more oxygen to sustain the same submaximal workloads compared to typically developing children. Conclusions: Findings from this thesis have made several important contributions to our understanding of children with pDCD. Since differences in CRF between children with and without pDCD tend to worsen over time, this adds to the argument that interventions intended to improve CRF may be appropriate for children with motor difficulties. This thesis also presented the first evidence suggesting that DCD involves higher energy expenditure, and could help explain why children with pDCD perform poorly on tasks requiring CRF.

Unpacking Pieces of a Puzzle: Understanding Obesity-Related Health Risk through Lifestyle Behaviours and Well-Being

The primary objective of this non-experimental study was to examine the differences based on obesity-related health risk in terms of physical activity, sedentary behaviour and well-being in adults. Participants (N = 50; Mage = 38.50, SDage = 14.21) were asked to wear a SenseWear Armband (SWA) across a seven day monitoring period followed by a questionnaire package. Using the National Institute of Health’s (1998) criteria, participants were classified as either least, increased, or high risk based on waist circumference and Body Mass Index scores. Differences between these classifications were found in the amount of time spent in active energy expenditure for bouts of ten minutes or more (p = .002); specifically between least and high risk (p < .05). No other differences (p > .05) emerged. Participants’ also perceived the SWA as a practical and worthwhile device. Overall, these findings provide practical applications and future directions for health promotional research.

Impact de l'haploinsuffisance du gène Sim1 sur le développement et la fonction du noyau paraventriculaire de l'hypothalamus

L’obésité provient d’un déséquilibre de l’homéostasie énergétique, c’est-à-dire une augmentation des apports caloriques et/ou une diminution des dépenses énergétiques. Plusieurs données, autant anatomiques que physiologiques, démontrent que l’hypothalamus est un régulateur critique de l’appétit et des dépenses énergétiques. En particulier, le noyau paraventriculaire (noyau PV) de l’hypothalamus intègre plusieurs signaux provenant du système nerveux central (SNC) et/ou de la périphérie, afin de contrôler l’homéostasie énergétique via des projections axonales sur les neurones pré-ganglionnaires du système autonome situé dans le troc cérébral et la moelle épinière. Plusieurs facteurs de transcription, impliqués dans le développement du noyau PV, ont été identifiés. Le facteur de transcription SIM1, qui est produit par virtuellement tous les neurones du noyau PV, est requis pour le développement du noyau PV. En effet, lors d’une étude antérieure, nous avons montré que le noyau PV ne se développe pas chez les souris homozygotes pour un allèle nul de Sim1. Ces souris meurent à la naissance, probablement à cause des anomalies du noyau PV. Par contre, les souris hétérozygotes survivent, mais développent une obésité précoce. De façon intéressante, le noyau PV des souris Sim1+/- est hypodéveloppé, contenant 24% moins de cellules. Ces données suggèrent fortement que ces anomalies du développement pourraient perturber le fonctionnement du noyau PV et contribuer au développement du phénotype d’obésité. Dans ce contexte, nous avons entrepris des travaux expérimentaux ayant pour but d’étudier l’impact de l’haploinsuffisance de Sim1 sur : 1) le développement du noyau PV et de ses projections neuronales efférentes; 2) l’homéostasie énergétique; et 3) les voies neuronales physiologiques contrôlant l’homéostasie énergétique chez les souris Sim1+/-. A cette fin, nous avons utilisé : 1) des injections stéréotaxiques combinées à des techniques d’immunohistochimie afin de déterminer l’impact de l’haploinsuffisance de Sim1 sur le développement du noyau PV et de ses projections neuronales efférentes; 2) le paradigme des apports caloriques pairés, afin de déterminer l’impact de l’haploinsuffisance de Sim1 sur l’homéostasie énergétique; et 3) une approche pharmacologique, c’est-à-dire l’administration intra- cérébroventriculaire (i.c.v.) et/ou intra-péritonéale (i.p.) de peptides anorexigènes, la mélanotane II (MTII), la leptine et la cholécystokinine (CCK), afin de déterminer l’impact de l’haploinsuffisance de Sim1 sur les voies neuronales contrôlant l’homéostasie énergétique. Dans un premier temps, nous avons constaté une diminution de 61% et de 65% de l’expression de l’ARN messager (ARNm) de l’ocytocine (Ot) et de l’arginine-vasopressine (Vp), respectivement, chez les embryons Sim1+/- de 18.5 jours (E18.5). De plus, le nombre de cellules produisant l’OT et la VP est apparu diminué de 84% et 41%, respectivement, chez les souris Sim1+/- adultes. L’analyse du marquage axonal rétrograde des efférences du noyau PV vers le tronc cérébral, en particulier ses projections sur le noyau tractus solitaire (NTS) aussi que le noyau dorsal moteur du nerf vague (X) (DMV), a permis de démontrer une diminution de 74% de ces efférences. Cependant, la composition moléculaire de ces projections neuronales reste inconnue. Nos résultats indiquent que l’haploinsuffisance de Sim1 : i) perturbe spécifiquement le développement des cellules produisant l’OT et la VP; et ii) abolit le développement d’une portion importante des projections du noyau PV sur le tronc cérébral, et notamment ses projections sur le NTS et le DMV. Ces observations soulèvent donc la possibilité que ces anomalies du développement du noyau PV contribuent au phénotype d’hyperphagie des souris Sim1+/-. En second lieu, nous avons observé que la croissance pondérale des souris Sim1+/- et des souris Sim1+/+ n’était pas significativement différente lorsque la quantité de calories présentée aux souris Sim1+/- était la même que celle consommée par les souris Sim1+/+. De plus, l’analyse qualitative et quantitative des tissus adipeux blancs et des tissus adipeux bruns n’a démontré aucune différence significative en ce qui a trait à la taille et à la masse de ces tissus chez les deux groupes. Finalement, au terme de ces expériences, les souris Sim1+/--pairées n’étaient pas différentes des souris Sim1+/+ en ce qui a trait à leur insulinémie et leur contenu en triglycérides du foie et des masses adipeuses, alors que tous ces paramètres étaient augmentés chez les souris Sim1+/- nourries ad libitum. Ces résultats laissent croire que l’hyperphagie, et non une diminution des dépenses énergétiques, est la cause principale de l’obésité des souris Sim1+/-. Par conséquent, ces résultats suggèrent que : i) l’haploinsuffisance de Sim1 est associée à une augmentation de l’apport calorique sans toutefois moduler les dépenses énergétiques; ii) l’existence d’au moins deux voies neuronales issues du noyau PV : l’une qui régule la prise alimentaire et l’autre la thermogénèse; et iii) l’haploinsuffisance de Sim1 affecte spécifiquement la voie neuronale qui régule la prise alimentaire. En dernier lieu, nous avons montré que l’injection de MTII, de leptine ainsi que de CCK induit une diminution significative de la consommation calorique des souris des deux génotypes, Sim1+/+ et Sim1+/-. De fait, la consommation calorique cumulative des souris Sim1+/- et Sim1+/+ est diminuée de 37% et de 51%, respectivement, durant les 4 heures suivant l’administration i.p. de MTII comparativement à l’administration d’une solution saline. Lors de l’administration i.c.v. de la leptine, la consommation calorique cumulative des souris Sim1+/- et Sim1+/+ est diminuée de 47% et de 32%, respectivement. Finalement, l’injection i.p. de CCK diminue la consommation calorique des souris Sim1+/- et Sim1+/+ de 52% et de 36%, respectivement. L’ensemble des résultats suggère ici que l’haploinsuffisance de Sim1 diminue l’activité de certaines voies neuronales régulant l’homéostasie énergétique, et particulièrement de celles qui contrôlent la prise alimentaire. En résumé, ces travaux ont montré que l’haploinsuffisance de Sim1 affecte plusieurs processus du développement au sein du noyau PV. Ces anomalies du développement peuvent conduire à des dysfonctions de certains processus physiologiques distincts régulés par le noyau PV, et notamment de la prise alimentaire, et contribuer ainsi au phénotype d’obésité. Les souris hétérozygotes pour le gène Sim1 représentent donc un modèle animal unique, où l’hyperphagie, et non les dépenses énergétiques, est la principale cause de l’obésité. En conséquence, ces souris pourraient représenter un modèle expérimental intéressant pour l’étude des mécanismes cellulaires et moléculaires en contrôle de la prise alimentaire.

Sélection des substrats lors de l’exercice prolongé avec ingestion de glucides : études par traçage au 13C

Les principaux substrats oxydés à l’exercice, soit les glucides, les lipides et les pro- téines ne contribuent pas tous au même niveau à la fourniture d’énergie lors de l’effort prolongé. De plus, le glucose peut provenir de différentes sources endogènes (muscle, foie) et exogènes. Plusieurs facteurs peuvent influencer leur contribution respective incluant : la masse musculaire impliquée et l’entraînement préalable, le sexe, l’état nutritionnel et les conditions environnementales. L’utilisation d’isotopes stables, tels que le carbone 13 (13C), combinée à la calorimétrie indirecte respiratoire corrigée pour l’excrétion d’urée dans l’urine et la sueur, permet de différencier les substrats endogènes et exogènes et d’évaluer la contribution de leur oxydation à la fourniture d’énergie. Ces méthodes d’investigation permettant d’apprécier la sélection des substrats lors de l’exercice prolongé avec ingestion de glucose ont permis d’effectuer les comparaisons qui ont fait l’objet des trois études de cette thèse. Dans la première étude, la sélection des substrats au cours d’un effort prolongé effectué avec les membres inférieurs ou les membres supérieurs a été comparée avec et sans ingestion de glucose. Une différence modeste fut observée entre la sélection des substrats selon le mode d’exercice avec l’ingestion d’eau, celle-ci favorisant légèrement l’oxydation des glucides lors de l’effort avec les membres supérieurs. La quantité de glucose exogène oxydée était plus faible lors de l’exercice avec les membres supérieurs qu’avec les membres supérieurs, mais sa contribution plus importante, conséquence d’une dépense énergétique plus faible. Dans la deuxième étude, on a comparé la sélection des substrats chez des sujets mas- culins et féminins et les effets d’une alimentation enrichie en glucides ou de l’ingestion de glucose, au cours d’un exercice prolongé d’une durée de deux heures. On reconnaît généralement que, pour une même puissance relative, les femmes utilisent moins de glucides et davantage de lipides que les hommes. Les effets séparés d’une alimentation riche en glucides ou de l’ingestion de glucose pendant l’exercice sur la sélection des substrats furent pourtant similaires chez les deux sexes. L’effet combiné des deux procédures de supplémentation est toutefois plus important chez la femme que chez l’homme, soutenant l’hypothèse qu’un léger déficit en glucides soit présent chez les femmes. Dans la troisième étude, l’oxydation des substrats et particulièrement celle d’amidon exogène au cours d’une marche prolongée à une faible puissance de travail a été décrite. Les individus qui pratiquent des activités physiques prolongées à des intensités faibles (< 40 %VO2max) sont encouragés à ingérer des glucides et de l’eau pendant l’effort, mais la contribution de leur oxydation à la fourniture d’énergie est relativement peu connue. Nous avons montré que, contrairement aux observations précédemment effectuées à jeun sans ingestion de glucides pendant l’effort, les glucides (incluant de source exogène) peuvent fournir une très grande partie de l’énergie lorsqu’ils sont ingérés à des intervalles réguliers au cours de l’exercice prolongé. Dans l’ensemble, les résultats des études expérimentales présentées dans cette thèse montrent que les glucides ingérés peuvent fournir une grande proportion de l’énergie pendant l’exercice prolongé. Toutefois, le mode d’exercice, le sexe et la puissance de travail mènent à des variations qui sont en grande partie liées à une dépense énergétique variable selon les conditions et les groupes d’individus ayant des caractéristiques différentes.

Étude de la réponse aiguë à l'exercice intermittent à haute intensité chez le patient coronarien

L'entraînement par intervalles à haute intensité est plus efficace que l'entraînement continu d’intensité modérée pour améliorer la consommation maximale d’oxygène (VO2max) et le profil métabolique des patients coronariens. Cependant, il n’y a pas de publications pour appuyer la prescription d’un type d’exercice intermittent (HIIE) spécifique dans cette population. Nous avons donc comparé les réponses aiguës cardio-pulmonaires de quatre sessions différentes d’exercice intermittent dans le but d’identifier l’exercice optimal chez les patients coronariens. De manière randomisée, les sujets participaient aux sessions d’HIIE, toutes avec des phases d’exercice à 100% de la puissance maximale aérobie (PMA), mais qui variaient selon la durée des phases d’exercice et de récupération (15s ou 1 min) et la nature de la récupération (0% de la PMA ou 50% de la PMA). Chaque session était réalisée sous forme de temps limite et l’exercice était interrompu après 35 minutes. En considérant l’effort perçu, le confort du patient et le temps passé au-dessus de 80% de VO2max, nous avons trouvé que l’exercice optimal consistait à alterner des courtes phases d’exercice de 15s à 100% de la PMA avec des phases de 15s de récupération passive. Ensuite, nous avons comparé les réponses physiologiques de l’HIIE optimisé avec un exercice continu d’intensité modérée (MICE) iso-calorique chez des patients coronariens. En considérant les réponses physiologiques, l’aspect sécuritaire (aucune élévation de Troponin T) et l’effort perçu, le protocole HIIE est apparu mieux toléré et plus efficace chez ces coronariens. Finalement, une simple session d’HIIE n’induit pas d’effets délétères sur la paroi vasculaire, comme démontré avec l’analyse des microparticules endothéliales. En conclusion, l’exercice intermittent à haute intensité est un mode d'entraînement prometteur pour les patients coronariens stables qui devrait faire l’objet d’autres études expérimentales en particulier pour les patients coronariens ischémiques.

Taux quotidiens d’inhalation et paramètres cardio-pulmonaires chez l’humain selon les données publiées en rapport au double marquage des molécules d’eau pour l’analyse du risque

L’objectif de cette étude est de déterminer certains paramètres respiratoires et cardiovasculaires chez des sujets de tous âges pour utilisation, à titre d’intrants physiologiques, en modélisation toxicocinétique et en analyse du risque toxique. La base de données utilisée est tirée de la littérature. Il s’agit de mesures portant sur la dépense d’énergie quotidienne de base et la dépense d’énergie quotidienne de totale obtenues, l’une par calorimétrie indirecte, l’autre par double marquage isotopique des molécules d’eau. Selon le type d’unité retenu, les valeurs les plus élevées au 99e centile des taux quotidiens d’inhalation sont obtenues chez des adolescentes et des femmes âgées de 11 à 55 ans souffrant d’embonpoint ou d’obésité, durant leur 36e semaine de grossesse (47,31 m³/jour), ainsi que chez des garçons de poids corporel normal âgés de 2,6 à moins de 6 mois (1,138 m³/kg-jour) et de 10 à moins de 16,5 ans (22,29 m³/m²-jour). Chez les enfants et les adolescents de poids corporel normal âgés de 5 à moins de 16.5 ans, les valeurs pour l’écart entre le 2,5e au 99e centile sont généralement plus élevées que celles obtenues chez les sujets plus âgés : taux de ventilation minute, 0,132 à 0,774 L/kg-min ou 4,42 à 21,69 L/m²-min versus 0,076 à 0,461 L/kg-min ou 2,80 à 16,99 L/m²-min; taux de ventilation alvéolaire, 0,093 à 0,553 L/kg-min ou 3,09 à 15,53 L/m²-min versus 0,047 à 0,312 L/kg-min ou 1,73 à 11,63 L/m²-min; débit cardiaque, 0,065 à 0,330 L/kg-min ou 2,17 à 9,46 L/m²-min versus 0,045 à 0,201 L/kg-min ou 1,63 à 7,24 L/m²-min; ratio de ventilation-perfusion, 1,12 à 2,16 versus 0,78 à 2,40. Il faut conclure que les apports inhalés en polluants, exprimés en ug/kg-min ou ug/m²-min sont plus élevés chez les enfants que chez les sujets plus âgés pour des concentrations d’exposition comparables. D’autres données montrent qu’il en est de même pour les apports inhalés par unité de poids corporel chez les femmes enceintes et les femmes qui allaitent par rapport à des sujets males d’âge comparable. L’ensemble des résultats obtenus suggère notamment que les valeurs des NOAELH de Santé Canada pourraient être abaissées par un facteur de 2,6 par utilisation du 99e centile le plus élevé des taux quotidiens d’inhalation chez les enfants; le taux de ventilation minute de 20,83 L/min approximé pour une journée de travail de 8 heures peut être considéré comme étant conservateur ; par contre, l’utilisation du taux quotidien d’inhalation de 0,286 m³/kg-jour (c.-à-d. 20 m³/jour pour un adulte de poids corporel de 70 kg) est inappropriée en analyse et gestion du risque lorsqu’appliquée à l’ensemble de la population.

Étude des réponses physiologiques aiguës à l’exercice intermittent de haute intensité chez le patient insuffisant cardiaque

L’optimisation de l’exercice par intervalles de haute intensité (EIHI) chez les patients insuffisants cardiaques (IC) n’a jamais été étudiée auparavant. Nous avons comparé les réponses cardio-pulmonaires aiguës lors de 4 différents EIHI dans le but de trouver le protocole optimisé chez les patients IC. Les patients IC étaient aléatoirement alloués à 4 sessions d’EIHI. Chaque phase d’exercice était à une intensité de 100% de la puissance aérobie maximale (PAM), mais de différentes durées (30s ou 90s) et de type de récupération (passive ou active). Chaque protocole d’EIHI durait un maximum de 30 minutes ou jusqu’à épuisement. Considérant le temps total d’exercice, l’adhérence, une perception d’effort moins élevée, le confort du patient ainsi que des temps similaires passés à un haut pourcentage du VO2pic, le mode avec intervalles courts (30s) et récupération passive s’est avéré être le protocole d’EIHI optimisé chez ces patients. Suite à cette étude, nous avons voulu comparer les réponses cardio-pulmonaires aiguës d’un exercice continu d’intensité modéré (ECIM) par rapport à celles de l’EIHI optimisé de dépense énergétique équivalente chez les patients IC. L’objectif de cette étude était de comparer les réponses cardio-pulmonaires, l’adhérence, la perception de l’effort, l’inflammation et les biomarqueurs cardiaques. Comparativement à l’ECIM, l’adhérence, l’efficience et la tolérance étaient plus élevées lors de l’EIHI optimisé chez les patients IC tout en produisant un stimulus physiologique important. L’EIHI n’a causé aucune arythmie significative ou d’effets délétères sur l’inflammation (CRP), le BNP et la nécrose myocardique (C-TnT) chez les patients IC. L’EIHI semble être un mode d’exercice prometteur et devrait être considéré lors de la réadaptation cardiaque chez les patients IC.

Inflammation, stress oxydant, profil métabolique : influence des apports alimentaires et de la dépense énergétique

Le risque cardiométabolique (RCM) représente l’ensemble de tous les facteurs de risque pour les maladies cardiovasculaires et le diabète de type 2, incluant les facteurs de risque traditionnels et ceux émergents. Les évidences indiquent que la résistance à l’insuline, l’inflammation et le stress oxydant jouent un rôle clé dans le RCM, bien que l’acteur initiateur des altérations métaboliques caractéristiques du RCM reste encore à définir. Les femmes post-ménopausées constituent un sous-groupe important de la population puisque le risque de complications cardiométaboliques augmente après la ménopause. Les facteurs de RCM peuvent être modulés par l’alimentation, l’activité physique et la perte de poids. Alors que l’étude de nutriments / aliments spécifiques a permis de mieux comprendre l’implication de l’alimentation dans le RCM, celle de la qualité de l’alimentation est prometteuse. L’activité physique a des effets bénéfiques sur le RCM bien démontrés chez des personnes actives. Cependant, la relation entre la dépense énergétique et le RCM chez des individus sédentaires a été moins investiguée. De même, peu ou pas de données existent quant à une interaction synergique possible entre l’alimentation et l’activité physique sur le RCM. L’objectif de la présente thèse est d’investiguer les relations entre l’alimentation, l’activité physique, le stress oxydant et le RCM chez des femmes post-ménopausées en surpoids ou obèses, sédentaires et sans autres complications métaboliques. Les résultats montrent que d’une part, chez ces femmes sédentaires, une dépense énergétique active (DÉAP) élevée est associée à un meilleur profil inflammatoire, indépendamment de l’adiposité. D’autre part, il existe une relation synergique entre la qualité alimentaire et la DÉAP associée à un meilleur RCM. Une qualité alimentaire élevée combinée à une DÉAP élevée est associée à un meilleur profil lipidique et lipoprotéique et à une inflammation sub-clinique moindre, indépendamment de l’adiposité. Par ailleurs, dans une étude pilote, seuls des effets indépendants des changements de la qualité alimentaire et de la DÉAP sur les changements dans les facteurs de RCM ont été observés suite à cette diète hypocalorique de 6 mois, indépendamment du changement de l’adiposité encouru. En effet, au-delà de la réduction de l’adiposité et de l’amélioration du profil lipoprotéique induites par l’intervention, l’amélioration de la qualité alimentaire et de la DÉAP est associée, indépendamment l’une de l’autre, à une meilleure pression artérielle et un meilleur profil lipidique. Par ailleurs, une modification du système glutathion, un des systèmes antioxydants les plus communs de l’organisme, est associée à un RCM élevé. Une activité élevée de la glutathion peroxydase est associée à une résistance à l’insuline et à une épaisseur plus importante de l’intima-media de la carotide. Ces relations pourraient être médiées par un stress réducteur. En conclusion, l’adoption d’une saine alimentation et la pratique d’activités physiques doivent être encouragées dans les interventions visant à contrer l’obésité et ses complications, même en absence d’un changement d’adiposité. D’autre part, l’activité de la glutathion peroxydase pourrait être un paramètre impliqué dans le développement de désordres cardiométaboliques sub-cliniques et asymptomatiques chez des femmes obèses. D’autres investigations sont requises pour confirmer ces observations et élucider les mécanismes d’action impliqués.

Étude sur la validité et la fiabilité d'un questionnaire sur l'activité physique de personnes âgées de 65 à 74 ans, du Québec et du Brésil

La mesure de l’activité physique des personnes âgées dans des études populationnelles est un défi. Peu des outils de mesure trouvés dans la littérature sont jugés suffisamment valides ou fiables pour être utilisés dans une étude internationale et longitudinale sur les déterminants de perte de mobilité de personnes âgées. Une étude pilote a été conduite en 2009 pour déterminer la meilleure forme d’évaluation. Les objectifs de ce mémoire sont l’étude des validité, fiabilité et capacité prédictive des données d’un accéléromètre (gold standard), de deux questionnaires choisis (PAQ, IPAQ 7d-recall). Le but est de combiner des éléments des questionnaires dans un seul pour une étude longitudinale projetée au Canada, au Brésil et en Colombie. Le PAQ évalue la fréquence et la durée d’activités de loisirs, l’IPAQ 7d-recall évalue la durée et l’intensité perçue des activités et le temps assis. La collecte de données s’est faite auprès de participants de Saint-Bruno (n=64) et de Santa Cruz (n=60), de 65 à 74 ans. Le PAQ, l’IPAQ-7d-recall et un test de performance (SPPB) ont été complétés puis des accéléromètres remis. À Saint-Bruno, la validité de critère pour l’IPAQ et le PAQ, et la validité de construit pour l’IPAQ sont bonnes. Le refus de l’accéléromètre à Santa Cruz a empêché les analyses de validité. Le PAQ présente une bonne fiabilité mais ajoute peu d’amélioration au pouvoir de prédiction de la dépense énergétique de l’IPAQ. La recherche populationnelle, voulant estimer la dépense énergétique par l’activité physique des personnes âgées, devrait utiliser des instruments mesurant l’intensité perçue (IPAQ) plutôt que les fréquence et durée d’activités concrètes (PAQ).