The increase in hydric volume is associated to contractile impairment in the calf after the world's most extreme mountain ultra-marathon

BACKGROUND: Studies have recently focused on the effect of running a mountain ultra-marathon (MUM) and their results show muscular inflammation, damage and force loss. However, the link between peripheral oedema and muscle force loss is not really established. We tested the hypothesis that, after a MUM, lower leg muscles' swelling could be associated with muscle force loss. The knee extensor (KE) and the plantar flexor (PF) muscles' contractile function was measured by supramaximal electrical stimulations, potentiated low- and high-frequency doublets (PS10 and PS100) of the KE and the PF were measured by transcutaneous electrical nerve stimulation and bioimpedance was used to assess body composition in the runners (n = 11) before (Pre) and after (Post) the MUM and compared with the controls (n = 8). RESULTS: The maximal voluntary contraction of the KE and the PF significantly decreased by 20 % Post-MUM in the runners. Hydration of the non-fat mass (NF-Hyd) and extracellular water volume (Ve) were increased by 12 % Post-MUM (p < 0.001) in the runners. Calf circumference (+2 %, p < 0.05) was also increased. Significant relationships were found for percentage increases in Ve and NF-Hyd with percentage decrease in PS10 of the PF (r = -0.68 and r = -0.70, p < 0.05) and with percentage increase of calf circumference (r = 0.72 and r = 0.73, p < 0.05) in the runners. CONCLUSIONS: The present study suggests that increases in circumference and in hydric volume are associated to contractile impairment in the calf in ultra-marathon runners.

Gap junctions in isolated rat aorta: evidence for contractile responses that exhibit a differential dependence on intercellular communication

Connexin43 (Cx43) is a major gap junction protein present in the Fischer-344 rat aorta. Previous studies have identified conditions under which selective disruption of intercellular communication with heptanol caused a significant, readily reversible and time-dependent diminution in the magnitude of a1-adrenergic contractions in isolated rat aorta. These observations have indentified a significant role for gap junctions in modulating vascular smooth muscle tone. The goal of these steady-state studies was to utilize isolated rat aortic rings to further evaluate the contribution of intercellular junctions to contractions elicited by cellular activation in response to several other vascular spasmogens. The effects of heptanol were examined (0.2-2.0 mM) on equivalent submaximal (»75% of the phenylephrine maximum) aortic contractions elicited by 5-hydroxytryptamine (5-HT; 1-2 µM), prostaglandin F2a (PGF2a; 1 µM) and endothelin-1 (ET-1; 20 nM). Statistical analysis revealed that 200 µM and 500 µM heptanol diminished the maximal amplitude of the steady-state contractile responses for 5-HT from a control response of 75 ± 6% (N = 26 rings) to 57 ± 7% (N = 26 rings) and 34.9 ± 6% (N = 13 rings), respectively (P<0.05), and for PGF2a from a control response of 75 ± 10% (N = 16 rings) to 52 ± 8% (N = 19 rings) and 25.9 ± 6% (N = 18 rings), respectively (P<0.05). In contrast, 200 µM and 500 µM heptanol had no detectable effect on the magnitude of ET-1-induced contractile responses, which were 76 ± 5.0% for the control response (N = 38 rings), 59 ± 6.0% in the presence of 200 µM heptanol (N = 17 rings), and 70 ± 6.0% in the presence of 500 µM heptanol (N = 23 rings) (P<0.13). Increasing the heptanol concentration to 1 mM was associated with a significant decrease in the magnitude of the steady-state ET-1-induced contractile response to 32 ± 5% (21 rings; P<0.01); further increasing the heptanol concentration to 2 mM had no additional effect. In rat aorta then, junctional modulation of tissue contractility appears to be agonist-dependent.

Eucalyptol, an essential oil, reduces contractile activity in rat cardiac muscle

Eucalyptol is an essential oil that relaxes bronchial and vascular smooth muscle although its direct actions on isolated myocardium have not been reported. We investigated a putative negative inotropic effect of the oil on left ventricular papillary muscles from male Wistar rats weighing 250 to 300 g, as well as its effects on isometric force, rate of force development, time parameters, post-rest potentiation, positive inotropic interventions produced by Ca2+ and isoproterenol, and on tetanic tension. The effects of 0.3 mM eucalyptol on myosin ATPase activity were also investigated. Eucalyptol (0.003 to 0.3 mM) reduced isometric tension, the rate of force development and time parameters. The oil reduced the force developed by steady-state contractions (50% at 0.3 mM) but did not alter sarcoplasmic reticulum function or post-rest contractions and produced a progressive increase in relative potentiation. Increased extracellular Ca2+ concentration (0.62 to 5 mM) and isoproterenol (20 nM) administration counteracted the negative inotropic effects of the oil. The activity of the contractile machinery evaluated by tetanic force development was reduced by 30 to 50% but myosin ATPase activity was not affected by eucalyptol (0.3 mM), supporting the idea of a reduction of sarcolemmal Ca2+ influx. The present results suggest that eucalyptol depresses force development, probably acting as a calcium channel blocker.

Inhibition of PKC-dependent extracellular Ca2+ entry contributes to the depression of contractile activity in long-term pressure-overloaded endothelium-denuded rat aortas

We examined the contractile responsiveness of rat thoracic aortas under pressure overload after long-term suprarenal abdominal aortic coarctation (lt-Srac). Endothelium-dependent angiotensin II (ANG II) type 2 receptor (AT2R)-mediated depression of contractions to ANG II has been reported in short-term (1 week) pressure-overloaded rat aortas. Contractility was evaluated in the aortic rings of rats subjected to lt-Srac or sham surgery (Sham) for 8 weeks. ANG I and II levels and AT2R protein expression in the aortas of lt-Srac and Sham rats were also evaluated. lt-Srac attenuated the contractions of ANG II and phenylephrine in the aortas in an endothelium-independent manner. However, lt-Srac did not influence the transient contractions induced in endothelium-denuded aortic rings by ANG II, phenylephrine, or caffeine in Ca2+-free medium or the subsequent tonic constrictions induced by the addition of Ca2+ in the absence of agonists. Thus, the contractions induced by Ca2+ release from intracellular stores and Ca2+ influx through stored-operated channels were not inhibited in the aortas of lt-Srac rats. Potassium-elicited contractions in endothelium-denuded aortic rings of lt-Srac rats remained unaltered compared with control tissues. Consequently, the contractile depression observed in aortic tissues of lt-Srac rats cannot be explained by direct inhibition of voltage-operated Ca2+ channels. Interestingly, 12-O-tetradecanoylphorbol-13-acetate-induced contractions in endothelium-denuded aortic rings of lt-Srac rats were depressed in the presence but not in the absence of extracellular Ca2+. Neither levels of angiotensins nor of AT2R were modified in the aortas after lt-Srac. The results suggest that, in rat thoracic aortas, lt-Srac selectively inhibited protein kinase C-mediated activation of contraction that is dependent on extracellular Ca2+ entry.

Contractile profile of esophageal and gastric fundus strips in experimental doxorubicin-induced esophageal atresia

Esophageal atresia (EA) is characterized by esophageal and gastric motility changes secondary to developmental and postsurgical damage. This study evaluated the in vitro contractile profile of the distal esophagus and gastric fundus in an experimental model of EA induced by doxorubicin (DOXO). Wistar pregnant rats received DOXO 2.2 mg/kg on the 8th and 9th gestational days. On day 21.5, fetuses were collected, sacrificed, and divided into groups: control, DOXO without EA (DOXO-EA), and DOXO with EA (DOXO+EA). Strips from the distal esophagus and gastric fundus were mounted on a wire myograph and isolated organ-bath system, respectively, and subjected to increasing concentrations of carbamylcholine chloride (carbachol, CCh). The isolated esophagus was also stimulated with increasing concentrations of KCl. In esophagus, the concentration-effect curves were reduced in response to CCh in the DOXO+EA and DOXO-EA groups compared to the control group (P<0.05). The maximum effect values (Emax) for DOXO+EA and DOXO-EA were significantly lower than control (P<0.05), but the half-maximal effective concentration (EC50) values were not significantly different when the three groups were compared (P>0.05). In response to KCl, the distal esophagus samples in the three groups were not statistically different with regard to Emax or EC50 values (P>0.05). No significant difference was noted for EC50 or Emax values in fundic strips stimulated with CCh (P>0.05). In conclusion, exposure of dams to DOXO during gestation inhibited the contractile behavior of esophageal strips from offspring in response to CCh but not KCl, regardless of EA induction. The gastric fundus of DOXO-exposed offspring did not have altered contractile responsiveness to cholinergic stimulation.

The influence of myosin regulatory light chain phosphorylation on the contractile performance of fatigued mammalian skeletal muscle

ABSTRACT The myosm regulatory light chain (RLC) of type II fibres is phosphorylated by Ca2+ -calmodulin dependent myosin light chain kinase (skMLCK) during muscular activation. The purpose of this study was to explore the effect of skMLCK gene ablation on the fatigability of mouse skeletal muscles during repetitive stimulation. The absence of myosin RLC phosphorylation in skMLCK knockout muscles attenuated contractile performance without a significant metabolic cost. Twitch force was potentiated to a greater extent in wildtype muscles until peak force had diminished to ~60% of baseline (37.2 ± 0.05% vs. 14.3 ± 0.02%). Despite no difference in peak force (Po) and shortening velocity (Vo), rate of force development (+dP/dt) and shortening-induced deactivation (SID) were almost two-fold greater in WT muscles. The present results demonstrate that myosin RLC phosphorylation may improve contractile performance during fatigue; providing a contractile advantage to working muscles and protecting against progressive fatigue.

Myosin Regulatory Light Chain Phosphorylation and Its Effect on the Contractile Economy of Mouse Fast Muscle

Activated by elevations in myoplasmic calcium concentration, myosin light chain kinase (skMLCK) phosphorylates the regulatory light chains (RLCs) of fast muscle myosin. This covalent modification potentiates force production, but requires an investment of ATP. Our objective was to investigate the effect of RLC phosphorylation on the contractile economy (mechanical output:metabolic input) of fast twitch skeletal muscle. Extensor digitorum longus muscles isolated from Wildtype and skMLCK-/- mice mounted in vitro (25°C) were subjected to repetitive low-frequency stimulation (10Hz,15s) known to cause activation of skMLCK, and staircase potentiation of force. With a 3-fold increase in RLC phosphate content, Wildtype generated 44% more force than skMLCK-/- muscles over the stimulation period (P = .002), without an accompanied increase in energy cost (P = .449). Overall, the contractile economy of Wildtype muscles, with an intact RLC phosphorylation mechanism, was 73% greater than skMLCK /- muscles (P = .043), demonstrating an important physiological function of skMLCK during repetitive contractile activity.

Force potentiation as a modulator of contractile performance: Implications for control of skeletal muscle force and energetics of work

This thesis investigated the modulation of dynamic contractile function and energetics of work by posttetanic potentiation (PTP). Mechanical experiments were conducted in vitro using software-controlled protocols to stimulate/determine contractile function during ramp shortening, and muscles were frozen during parallel incubations for biochemical analysis. The central feature of this research was the comparison of fast hindlimb muscles from wildtype and skeletal myosin light chain kinase knockout (skMLCK-/-) mice that does not express the primary mechanism for PTP: myosin regulatory light chain (RLC) phosphorylation. In contrast to smooth/cardiac muscles where RLC phosphorylation is indispensable, its precise physiological role in skeletal muscle is unclear. It was initially determined that tetanic potentiation was shortening speed dependent, and this sensitivity of the PTP mechanism to muscle shortening extended the stimulation frequency domain over which PTP was manifest. Thus, the physiological utility of RLC phosphorylation to augment contractile function in vivo may be more extensive than previously considered. Subsequent experiments studied the contraction-type dependence for PTP and demonstrated that the enhancement of contractile function was dependent on force level. Surprisingly, in the absence of RLC phosphorylation, skMLCK-/- muscles exhibited significant concentric PTP; consequently, up to ~50% of the dynamic PTP response in wildtype muscle may be attributed to an alternate mechanism. When the interaction of PTP and the catchlike property (CLP) was examined, we determined that unlike the acute augmentation of peak force by the CLP, RLC phosphorylation produced a longer-lasting enhancement of force and work in the potentiated state. Nevertheless, despite the apparent interference between these mechanisms, both offer physiological utility and may be complementary in achieving optimal contractile function in vivo. Finally, when the energetic implications of PTP were explored, we determined that during a brief period of repetitive concentric activation, total work performed was ~60% greater in wildtype vs. skMLCK-/- muscles but there was no genotype difference in High-Energy Phosphate Consumption or Economy (i.e. HEPC: work). In summary, this thesis provides novel insight into the modulatory effects of PTP and RLC phosphorylation, and through the observation of alternative mechanisms for PTP we further develop our understanding of the history-dependence of fast skeletal muscle function.

Caractérisation du potentiel métastatique des carcinomes mammaires de phénotype basal

Au Canada, on estime qu'une femme sur neuf développera un cancer du sein et qu'une femme sur vingt-huit en mourra. Les carcinomes mammaires de phénotype basal qui comprennent environ 15 à 25% des cancers envahissants du sein sont des tumeurs malignes ayant un très mauvais pronostic. Dans ce type tumoral, les métastases sont fréquentes et les décès nombreux. La formation des métastases est un processus complexe qui comprend plusieurs étapes; chacune peut être étudiée par des marqueurs spécifiques. Notre hypothèse de recherche est que le carcinome mammaire de phénotype basal possède des caractéristiques spécifiques qui permettent d'expliquer son potentiel métastatique élevé. Six micromatrices tissulaires comprenant un total de 213 tumeurs mammaires ont été confectionnées. L'expression des marqueurs usuels de la métastase et celle de nouveaux marqueurs a été étudiée par des techniques d'immunohistochimie. L'étude comparative de l’expression des marqueurs du potentiel métastatique par les carcinomes mammaires de phénotype basal indique que les protéines Ki-67, EGFR, CD276 et galectine-7 sont étroitement reliées à ce type de cancer. De plus, l'expression du marqueur GATA-3, un marqueur anti-métastatique, fait complètement défaut. Nos résultats confirment que le cancer du sein de phénotype basal possède un plus grand potentiel métastatique que les autres sous-types génétiques et suggèrent que la galectine-7 puisse être impliquée.

Déficit familial de la LCAT au Québec : description d’une première mutation et contribution du génotype de l’APO E sur le phénotype lipoprotéique

Le déficit familial de LCAT (FLD) est une maladie caractérisée par un défaut de l’activité de l’enzyme lecithin:cholesterol acyltransferase (LCAT). Ce défaut résulte en une concentration plasmatique de C-HDL extrêmement basse, des opacités cornéennes prématurées, la présence d’anémie, de protéinurie et d’insuffisance rénale. Nous avons identifié les premiers patients canadiens-français atteints de déficit familial de LCAT. Deux frères, présentant les signes classiques de FLD étaient homozygotes pour une nouvelle mutation du gène de la LCAT: la mutation c.102delG. Cette mutation se traduit au niveau protéique par un changement du cadre de lecture au niveau du codon His35 et l’insertion d’un codon stop en position 61 entraînant une abolition de l’activité LCAT in vitro et in vivo. La présence de cette mutation cause une réduction importante du C-HDL chez les hétérozygotes (22%) et les homozygotes (88%) ainsi qu’une baisse du C-LDL chez les hétérozygotes (35%) et les homozygotes (58%). De plus, le profil lipidique différait de manière importante entre les deux frères atteints de FLD qui présentaient des génotypes APOE différents. Nous suggérons que APOE est un gène qui modifie le phénotype du FLD et pourrait expliquer l’hétérogénéité des profils lipidiques chez les patients atteints de FLD. Nos résultats suggèrent également que l’association du génotype LCAT-/- a un allèle APOE ε2 est un nouveau mécanisme conduisant à la dysbétalipoproteinemie. Finalement nous avons montré des différences importantes dans les sous-populations des HDL chez les deux sujets atteints de FLD. Le porteur de l’allèle APOE ε2 présentait une proportion beaucoup plus importante de HDL immatures (preβ discoïdaux) par rapport a son frère (77.9% vs. 31.0%).

Le rôle de la signalisation Wnt dans le phénotype anormal des ostéoblastes ostéoarthrosiques

L’ostéoarthrose (OA) est une pathologie de forte incidence affectant les articulations. Elle est caractérisée principalement par une dégradation du cartilage articulaire, un déséquilibre au niveau du remodelage osseux et une sclérose de l’os sous-chondral. L’étiologie de cette pathologie reste encore méconnue, cependant il semble de plus en plus que tous les tissus composant l’articulation soient affectés dans cette pathologie. L’importance du rôle de l’os dans le développement de l’OA est incontestable et représente donc une cible thérapeuthique intéressante. Des études effectuées par tomodensitométrie ont démontré une structure et une organisation anormales du tissu osseux des patients OA. Parallèlement, les cultures primaires d’ostéoblastes (Ob) humains OA issus de l’os sous-chondral démontrent un phénotype altéré et une faible minéralisation in vitro. La signalisation Wnt, essentielle dans l’embryogenèse, a montré avoir un rôle clé dans la régulation de l’ostéogenèse en régulant notamment la différenciation terminale des Ob. Le facteur de croissance transformant-β1 (TGF-β1), un facteur agissant notamment sur la prolifération et sur le début de la différenciation des Ob, est surexprimé par les Ob OA et pourrait moduler cette signalisation. Aussi, deux populations de patients OA peuvent être différenciées in vitro par la production de prostaglandines E2 (PGE2) par leurs Ob et les PGE2, dans une étude sur le cancer colorectal, ont montré moduler la signalisation Wnt. Notre hypothèse de travail est que l’activation de la voie de signalisation Wnt/β-caténine est diminuée dans les Ob OA. Cette diminution est responsable de la sous-minéralisation et de l’altération du phénotype des Ob humains OA. Par ailleurs, DKK2, dont l’expression est contrôlée par TGF-β1, est responsable de la diminution de l’activité Wnt/β-caténine et les PGE2 peuvent en partie corriger cette situation. L’objectif général de cette étude est d’une part, de démontrer le rôle de TGF-β1, DKK2 et de PGE2 sur l’altération de la signalisation Wnt/β-caténine et d’autre part, de démontrer le lien entre TGF-β1 et DKK2 et l’effet de ces derniers sur le phénotype des Ob. Dans cette étude on a montré que la signalisation canonique Wnt est altérée dans les Ob OA et que cela était responsable de l’altération du phénotype des Ob OA. On a montré, parmi les acteurs de la signalisation Wnt, que l’expression de l’antagoniste Dickkopf-1 (DKK1) était relativement similaire entre les Ob OA et normaux contrairement à celle de l’antagoniste DKK2 qui était augmentée et à celle de l’agoniste Wnt7B qui était diminuée dans les Ob OA. On a également montré que les PGE2 pouvaient potentialiser l’activité de la signalisation Wnt dans les Ob OA. L’inhibition de DKK2 a permis d’augmenter l’activité de la signalisation Wnt et de corriger le phénotype anormal ainsi que d’augmenter la minéralisation des Ob OA. L’inhibition de TGF-β1, un facteur aussi surexprimé dans les Ob OA, a également permis la correction du phénotype et l’augmentation de la minéralisation dans les Ob OA. L’inhibition de TGF-β1 a aussi menée à l’inhibition de DKK2. Le contraire ne fût pas observé démontrant ainsi la régulation de DKK2 par TGF-β1. En conclusion, la signalisation canonique Wnt est diminuée dans les Ob OA et cela est dû au niveau élevé de DKK2 dans ces Ob. TGF-β1 régule positivement DKK2 et donc la surexpression de TGF-β1 entraîne celle de DKK2 ce qui a pour conséquences d’altérer le phénotype des Ob. Les PGE2 ont aussi montré pouvoir potentialiser l’activité de la signalisation Wnt et auraient donc un rôle positif. Ensemble, ces données suggèrent que ces altérations au niveau des Ob OA pourraient être responsables de la structure osseuse anormale observée chez les patients OA.

Données nouvelles sur l’innervation à dopamine du striatum et son co-phénotype glutamatergique

Une sous-population des neurones à dopamine (DA) du mésencéphale ventral du rat et de la souris étant connue pour exprimer l'ARN messager du transporteur vésiculaire 2 du glutamate (VGLUT2), nous avons eu recours à l'immunocytochimie en microscopie électronique, après simple ou double marquage de l'enzyme de synthèse tyrosine hydroxylase (TH) et de VGLUT2, pour déterminer la présence de l'une et/ou l'autre protéine dans les terminaisons (varicosités) axonales de ces neurones et caractériser leur morphologie ultrastructurale dans diverses conditions expérimentales. Dans un premier temps, des rats jeunes (P15) ou adultes (P90), ainsi que des rats des deux âges soumis à l'administration intraventriculaire cérébrale de la cytotoxine 6-hydroxydopamine (6-OHDA) dans les jours suivant la naissance, ont été examinés, afin d'étayer l'hypothèse d'un rôle de VGLUT2 au sein des neurones DA, au cours du développement normal ou pathologique de ces neurones. Chez le jeune rat, ces études ont montré: i) la présence de VGLUT2 dans une fraction importante des varicosités axonales TH immunoréactives du coeur du noyau accumbens ainsi que du néostriatum; ii) une augmentation de la proportion de ces terminaisons doublement marquées dans le noyau accumbens par suite de la lésion 6-OHDA néonatale; iii) le double marquage fréquent des varicosités axonales appartenant à l'innervation DA aberrante (néoinnervation), qui se développe dans la substance noire, par suite de la lésion 6-OHDA néonatale. Des différences significatives ont aussi été notées quant à la dimension des terminaisons axonales marquées pour la TH seulement, VGLUT2 seulement ou TH et VGLUT2. Enfin, à cet âge (P15), toutes les terminaisons doublement marquées sont apparues dotées d'une spécialisation membranaire synaptique, contrairement aux terminaisons marquées pour la TH ou pour VGLUT2 seulement. Dans un deuxième temps, nous avons voulu déterminer le devenir du double phénotype chez le rat adulte (P90) soumis ou non à la lésion 6-OHDA néonatale. Contrairement aux observations recueillies chez le jeune rat, nous avons alors constaté: i) l'absence complète de terminaisons doublement marquées dans le coeur du noyau accumbens et le néostriatum d'animaux intacts, de même que dans les restes de la substance noire des animaux 6-OHDA lésés; ii) une très forte baisse de leurnombre dans le coeur du noyau accumbens des animaux 6-OHDA lésés. Ces observations, suggérant une régression du double phénotype TH/VGLUT2 avec l'âge, sont venues renforcer l'hypothèse d'un rôle particulier d'une co-libération de glutamate par les neurones mésencéphaliques DA au cours du développement. Dans ces conditions, il est apparu des plus intéressants d'examiner l'innervation DA méso-striatale chez deux lignées de souris dont le gène Vglut2 avait été sélectivement invalidé dans les neurones DA du cerveau, ainsi que leurs témoins et des souris sauvages. D'autant que malgré l'utilisation croissante de la souris en neurobiologie, cette innervation DA n'avait jamais fait l'objet d’une caractérisation systématique en microscopie électronique. En raison de possibles différences entre le coeur et la coque du noyau accumbens, l'étude a donc porté sur les deux parties de ce noyau ainsi que le néostriatum et des souris jeunes (P15) et adultes (P70-90) de chaque lignée, préparées pour l'immunocytochimie de la TH, mais aussi pour le double marquage TH et VGLUT2, selon le protocole précédemment utilisé chez le rat. Les résultats ont surpris. Aux deux âges et quel que soit le génotype, les terminaisons axonales TH immunoréactives des trois régions sont apparues comparables quant à leur taille, leur contenu vésiculaire, le pourcentage contenant une mitochondrie et une très faible incidence synaptique (5% des varicosités, en moyenne). Ainsi, chez la souris, la régression du double phénotype pourrait être encore plus précoce que chez le rat, à moins que les deux protéines ne soient très tôt ségréguées dans des varicosités axonales distinctes des mêmes neurones DA. Ces données renforcent aussi l’hypothèse d’une transmission diffuse (volumique) et d’un niveau ambiant de DA comme élément déterminant du fonctionnement du système mésostriatal DA chez la souris comme chez le rat.

Du gène égoïste à la physiologie du phénotype étendu : vers une redéfinition des frontières de l'individualité biologique

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal