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Identification des adaptations structurelles qui sont à l'origine de la croissance des muscles squelettiques induite par les charges mécaniques



Xavier Laurent vous propose sa traduction/synthèse de l'article de  Jorgenson et al.

Les muscles squelettiques représentent environ 40 % de la masse corporelle et jouent un rôle essentiel dans la posture, la respiration, le mouvement et la régulation métabolique. Avec l'âge, les maladies liées à l'âge (sarcopénie) devraient devenir plus fréquentes. Par exemple, entre 25 et 80 ans, l'individu moyen perdra environ 25 % de sa masse musculaire. 


Les signaux mécaniques induits par la charge sont l'un des régulateurs de la masse musculaire squelettique les plus largement reconnus. En effet, les preuves historiques suggèrent que les effets stimulateurs de croissance de la charge mécanique sont reconnus depuis au moins le 7e siècle avant J.-C. Au cours du siècle dernier, divers modèles humains et animaux ont été utilisés pour établir ce point. Par exemple, chez l'homme, l'exercice de résistance est le modèle le plus couramment utilisé de croissance induite par une charge mécanique et il induit généralement une augmentation de 5 à 20 % du volume/masse des muscles squelettiques en 8 à 16 semaines. Ces modèles ont fourni un aperçu approfondi des changements macroscopiques et microscopiques qui contribuent à la réponse de croissance induite par la charge mécanique, mais, étonnamment, les changements ultrastructuraux qui sont à l'origine de ces changements restent mal compris. Dans cette étude, nous résumerons en détail les connaissances actuelles sur les adaptations structurelles qui entraînent une croissance induite par des charges mécaniques et nous mettrons en évidence les lacunes critiques à combler.

Aperçu de la structure des muscles squelettiques

Avant d'examiner les changements structurels qui entraînent une croissance induite par des charges mécaniques, nous voulons s'assurer que le lecteur apprécie la conception structurelle de base des muscles squelettiques. L'une des façons les plus simples d'apprécier cette conception est de considérer les muscles squelettiques comme une hiérarchie de machines contractiles qui est visible au niveau macroscopique (visible sans grossissement), puis au niveau microscopique (visible avec un microscope standard), et enfin au niveau ultrastructural (visible avec un microscope à haute résolution). Nous donnons ci-dessous un bref aperçu des principaux éléments qui se trouvent à chacun de ces niveaux. 
 
Au niveau macroscopique, on peut noter que les muscles squelettiques sont reliés aux os par des attaches tendineuses et qu'ils exercent leur fonction contractile en assurant le mouvement et l'articulation du système squelettique. En outre, comme l'illustre la figure 1, les muscles squelettiques sont entourés d'une couche externe de tissu conjonctif appelée épimysium, et sous l'épimysium se trouvent des faisceaux de myofibres (c'est-à-dire des fascicules) qui sont entourés d'une autre couche de tissu conjonctif appelée périmysium. Dans la plupart des muscles squelettiques, les faisceaux, et les myofibres qui leur sont associées, ne sont pas directement alignés avec l'axe longitudinal du muscle, mais sont plutôt décalés selon un angle appelé angle de pennation (Figure 2). 
Identification des adaptations structurelles qui sont à l'origine de la croissance des muscles squelettiques induite par les charges mécaniques

Identification des adaptations structurelles qui sont à l'origine de la croissance des muscles squelettiques induite par les charges mécaniques
Au niveau microscopique, une coupe transversale des muscles squelettiques révélera la présence de myofibres (figure 1A,B). Les myofibres sont des cellules multinucléées qui sont entourées d'une couche de tissu conjonctif appelée endomysium et de cellules interstitielles telles que des fibroblastes, des cellules immunitaires, des péricytes et des progéniteurs fibro-adipogéniques (Figure 1A-C). En outre, une autre classe importante de cellules, appelées cellules satellites, se trouve entre l'endomysium et la membrane plasmique des myofibres (c'est-à-dire le sarcolemme). L'endomysium est physiquement couplé au sarcolemme, et tout ce qui se trouve sous le sarcolemme est généralement appelé sarcoplasme.
 
Le sarcoplasme gélatineux contient les éléments ultrastructuraux primaires de la myofibre, et comme l'illustre la figure 1, un examen au niveau ultrastructural révèle que ≈80% du sarcoplasme est rempli d'un réseau parallèle de structures en forme de tige appelées myofibrilles. Les myofibrilles sont composées d'un long réseau en série d'éléments générateurs de force appelés sarcomères et sont entourées d'un réticulum mitochondrial et d'une structure membraneuse appelée réticulum sarcoplasmique. Les sarcomères à l'intérieur des myofibrilles exercent leur fonction par le glissement actif de myofilaments épais et fins. Dans une vue longitudinale, on peut voir que les sarcomères sont constitués de régions appelées le disque Z, la bande I qui contient les myofilaments fins (actine) et la bande A qui contient les myofilaments épais (myosine). Il convient également de noter qu'au sein d'une espèce donnée, la longueur optimale/de repos des sarcomères (2,0-2,5 µm) est hautement conservée, et les modifications de cette longueur peuvent influencer profondément la production de force. 
 
Lorsque l'on considère la structure des muscles squelettiques, il est également essentiel de reconnaître que toutes les myofibres ne sont pas créées égales. Par exemple, certains types de myofibres dépendent fortement du métabolisme oxydatif, présentent une vitesse de contraction lente et résistent à la fatigue. En revanche, d'autres types de myofibres dépendent du métabolisme glycolytique anaérobie, présentent une vitesse de contraction rapide et résistent rapidement à la fatigue lorsqu'elles sont stimulées à se contracter. Les différents types de fibres sont généralement regroupés en fonction de l'isoforme prédominante de la chaîne lourde de myosine qu'ils expriment, et ces isoformes comprennent les fibres de type I (oxydation lente), de type IIA (oxydation rapide) et de type IIB (glycolyse rapide). Il est également important de souligner que les humains n'expriment pas l'isoforme de myosine de type IIB, mais plutôt une isoforme de myosine de type IIX très similaire (mais légèrement plus lente). Cependant, comme cette différenciation n'a été consolidée que dans les années 1990, certaines études plus anciennes sur des sujets humains ont utilisé la classification de type IIB, tandis que d'autres études ont regroupé les fibres de type IIB et de type IIX en un type de fibre similaire. Cette utilisation de l'étiquetage de la myosine de type IIB et IIX a entraîné une certaine confusion lors de la comparaison entre les études antérieures sur la croissance musculaire et les études actuelles. Il est donc important de garder cette distinction à l'esprit lorsque l'on établit un lien entre les adaptations spécifiques des types de fibres dans l'ensemble de la littérature actuelle.

Croissance du muscle squelettique induite par une charge mécanique au niveau macroscopique 

3.1. Muscle entier
 
Au niveau de l'ensemble du muscle, la croissance induite par une charge mécanique peut être médiée par une augmentation de la longueur et/ou une augmentation de la surface de section transversale (CSA) du muscle. 
 
La croissance résultant d'une augmentation de la longueur est appelée croissance longitudinale, et elle peut se produire en réponse à une variété de perturbations différentes. Par exemple, au cours du développement, la longueur des muscles peut plus que doubler entre la naissance et la fin de la croissance osseuse. La croissance longitudinale peut également être induite chez les adultes en plaçant les muscles dans un état d'étirement chronique. Par exemple, il a été démontré que l'immobilisation d'un membre postérieur inférieur de rat en position de dorsiflexion complète peut entraîner une augmentation de plus de 20 % de la longueur du muscle soléaire. Ainsi, il est clair que les muscles squelettiques des adolescents et des adultes peuvent connaître une croissance longitudinale.
 
Bien que les muscles squelettiques soient capables de subir une croissance longitudinale, la plupart des modèles de charge mécanique n'entraînent pas d'altérations notables de la longueur totale des muscles. Au lieu de cela, la croissance induite par une charge mécanique est généralement entraînée par une augmentation du CSA du muscle : croissance radiale. Par exemple, chez l'homme, 8 à 16 semaines d'exercices de résistance produiront généralement une augmentation de 5 à 30 % du CSA du muscle entier, mais aucune modification de la longueur du muscle. Il est intéressant de noter que l'ampleur de l'augmentation du CSA est souvent plus importante que l'augmentation observée pour le volume/masse musculaire. Un excellent exemple de ce paradoxe a été rapporté par Roman et al. (1993), qui ont indiqué que 12 semaines d'exercices de résistance ont conduit à une augmentation de 14% du volume des fléchisseurs du coude, mais que la CSA au milieu du ventre musculaire a augmenté de 23%. Il est toutefois important de noter que l'amplitude de l'augmentation est devenue progressivement plus faible vers les extrémités proximale et distale du muscle, ce qui explique pourquoi le volume du muscle n'a augmenté que de 14%. En termes simples, l'étude de Roman et al. (1993) a démontré que la réponse de croissance radiale n'était pas uniformément répartie sur la longueur du muscle. En effet, des différences régionales dans l'ampleur de la croissance radiale ont été signalées dans plusieurs études animales et humaines, et à notre avis, ce phénomène représente un aspect souvent négligé de la réponse de croissance induite par la charge mécanique.
 
3.2. Fascicules musculaires

Des études antérieures ont montré que l'augmentation initiale du CSA du muscle entier induite par la charge mécanique peut être attribuée, au moins en partie, à l'œdème. Cependant, les changements à long terme sont principalement causés par une expansion des éléments contractiles. Ainsi, si l'augmentation de la CSA du muscle entier induite par la charge mécanique était due à une expansion des éléments contractiles, alors l'augmentation devrait refléter les changements qui se sont produits au niveau précédent dans la hiérarchie de la machinerie contractile (c'est-à-dire les myofilaments → myofibrilles → myofibres → fascicules → muscle entier). 
 
Sur la base de ce point, les changements induits par la charge mécanique dans le CSA du muscle entier devrait être déterminée par les changements qui se produisent au niveau fasciculaire, et il y a effectivement deux façons prédominantes dont on pense que cela se produit : 
  1. La croissance longitudinale des faisceaux 
  2. La croissance radiale des faisceaux. 
Il est également possible qu'une charge mécanique entraîne une augmentation du nombre de fascicules par muscle, mais nous ne connaissons aucune étude ayant tenté de répondre à cette question techniquement difficile. 
 
À première vue, il peut être difficile de comprendre comment la croissance longitudinale et radiale des faisceaux peut entraîner une augmentation du CSA du muscle entier. Ainsi, pour visualiser ces points, nous avons tiré parti d'un modèle géométrique qui peut être utilisé pour prédire les changements dans les propriétés architecturales du muscle squelettique. Plus précisément, comme le montre la figure 3, nous avons utilisé ce modèle pour illustrer comment des modifications de la longueur (Lf) ou du diamètre (Df) des faisceaux peuvent entraîner une augmentation de 30% du CSA du muscle entier. Par souci de simplicité, notre modèle considère un muscle hypothétique composé de 50 faisceaux alignés en parallèle. De plus, à l'état de contrôle (de départ), le rapport entre la longueur des fascicules et la longueur du muscle (Lm) est de 0,25, et les fascicules sont décalés selon un angle de pennation de 16° (similaire aux propriétés du muscle vaste latéral chez l'homme). 
Sur la base de ces paramètres, si l'augmentation de 30% de la CSA était purement due à la croissance longitudinale des faisceaux, alors la longueur des faisceaux devrait augmenter de 11%, et l'angle de pennation resterait inchangé (figure 3B). En revanche, si l'augmentation de 30% du CSA était exclusivement due à une augmentation de la croissance radiale des faisceaux, alors le diamètre des faisceaux devrait augmenter de 14%, ce qui entraînerait une augmentation concomitante de 15% de l'angle de pennation (extrait de 16°→18.4°) (figure 3C). Il convient également de noter que dans l'exemple d'une croissance longitudinale pure, le nombre de faisceaux visibles dans une section transversale du ventre moyen du muscle augmenterait également de 30 %, et pourrait facilement conduire à conclure à tort que l'augmentation de la surface totale de la section transversale du muscle était due à la formation de nouveaux faisceaux.
 

Identification des adaptations structurelles qui sont à l'origine de la croissance des muscles squelettiques induite par les charges mécaniques
Après avoir illustré comment la croissance radiale et longitudinale des faisceaux peut entraîner une augmentation du CSA du muscle entier, nous allons maintenant examiner les études qui ont testé si les altérations de la charge mécanique induite dans le CSA du muscle entier sont associées à des changements de la longueur fasciculaire, et heureusement, cela a fait l'objet d'une enquête approfondie. Par exemple, Ema et al. (2016) ont récemment rassemblé les données de 38 études différentes qui ont abordé ce sujet et ont trouvé qu'une relation positive significative existait entre l'augmentation de la taille des muscles et de la longueur fasciculaire induite par l'exercice. Néanmoins, certaines des études qui ont rapporté une augmentation de la taille des muscles n'ont pas observé d'augmentation de la longueur des faisceaux, et il existe même des exemples dans lesquels des diminutions faibles mais significatives de la longueur des faisceaux ont été rapportées. Cependant, lorsque Ema et al. (2016) ont comparé l'ampleur du changement dans toutes les études qui ont montré une modification significative de la longueur des faisceaux par rapport à celles qui n'en ont pas montré, les valeurs moyennes ont montré une augmentation de longueur fasciculaire de 12,4 % contre 7,7 %, respectivement. Ainsi, la notion que les altérations de la charge mécanique induites dans le CSA du muscle entier peuvent être dues, au moins en partie, à une augmentation de la longueur des faisceaux est largement soutenue.
 
Comme mentionné ci-dessus, la croissance radiale des faisceaux pourrait également entraîner une augmentation du CSA du muscle entier. Il est important de noter que, comme le montrent les travaux de Maxwell et al. (1974), et comme l'illustre la figure 3C, il existe une relation directe entre le diamètre des faisceaux et leur angle de pennation. Plus précisément, si la longueur du muscle, la longueur des faisceaux et le nombre de faisceaux sont maintenus constants, une augmentation du diamètre des faisceaux entraînera une augmentation de l'angle de pennation. Par conséquent, il n'est pas surprenant que la plupart des études faisant état d'une augmentation significative de la taille du muscle induite par un exercice de résistance, mais d'aucune modification de la longueur des faisceaux, constatent au contraire une augmentation significative de l'angle de pennation. En effet, tout comme pour les changements de longueur des faisceaux, Ema et al. (2016) ont déterminé qu'une relation positive significative existe entre l'augmentation de la taille des muscles induite par l'exercice de résistance et l'angle de pennation. En moyenne, les études qui ont rapporté un changement significatif de l'angle de pennation ont montré une augmentation de 13,5%, tandis que celles qui n'ont pas détecté de changement significatif ont quand même trouvé une augmentation moyenne de 7,7%. 
Par conséquence, l'idée que les altérations de la charge mécanique induite dans le CSA du muscle entier peuvent être dues à une augmentation du diamètre du faisceau/angle de pennation est très largement soutenue
En effet, une vue d'ensemble de la littérature suggère que les charges mécaniques peuvent conduire à une croissance longitudinale et radiale des faisceaux, et la contribution exacte de ces composants est probablement déterminée par une variété de facteurs différents, tels que le type de charges mécaniques qui sont placées sur le muscle (par exemple, contractions concentriques vs. excentriques) et les propriétés architecturales du muscle considéré (par exemple, fusiforme, unipennate, bipennate, etc.) 

Croissance du muscle squelettique induite par une charge mécanique au niveau microscopique 
 
Comme indiqué précédemment, les charges mécaniques induites à chaque niveau de la structure des muscles squelettiques doivent refléter les changements qui se sont produits au niveau précédent dans la hiérarchie de la machinerie contractile. Ainsi, après avoir établi que la charge mécanique peut entraîner une croissance longitudinale et/ou radiale des faisceaux, nous allons maintenant examiner comment ces changements peuvent être influencés par des altérations au niveau des myofibres.
 
4.1. Croissance longitudinale des fascicules
 
Les fascicules sont composés de faisceaux de myofibres, et les myofibres peuvent soit parcourir toute la longueur du fascicule, soit seulement une partie de la longueur du fascicule et présenter une terminaison intrafasciculaire [90-92]. Pour les fascicules composés de myofibres qui s'étendent sur toute la longueur du fascicule, la croissance longitudinale du fascicule dépendrait exclusivement de la croissance longitudinale des myofibres individuelles. Alternativement, la croissance longitudinale des faisceaux avec des myofibres qui présentent des terminaisons intrafasciculaires pourrait résulter de la croissance longitudinale des myofibres et/ou de l'ajout de nouvelles myofibres en série. Bien que nous n'ayons pas connaissance d'études qui aient abordé la question de savoir si la charge mécanique peut conduire à la formation de nouvelles myofibres en série, un ensemble cohérent de littérature a montré que les myofibres sont capables de subir une croissance longitudinale [57,72,93-95]. Par exemple, Alway et al. (1989) ont soumis le muscle latissimus dorsi (ALD) antérieur des cailles à une charge mécanique chronique en fixant un poids (10% de la masse corporelle) à l'une des ailes. En réponse à cette perturbation, la masse de l'ALD a augmenté de 182%, ce qui a été associé à une augmentation de 24% de la longueur moyenne des myofibres [72]. De même, Roy et al. (1982) ont démontré que chez le rat, la charge mécanique chronique de la plantaire par ablation synergique entraînait un doublement de sa masse et une augmentation concomitante de 19 % du rapport entre la longueur des myofibres et celle des muscles [94]. Sur la base de ces études et d'autres études connexes, il est clair que des modèles extrêmes de charge mécanique peuvent induire une croissance longitudinale de la myofibre. 
 
Bien qu'un ensemble de preuves convaincantes indique que des modèles extrêmes de charge mécanique peuvent favoriser la croissance longitudinale des myofibres, seule une poignée d'études ont directement abordé ce sujet dans les limites de modèles plus pertinents sur le plan physiologique. Par exemple, il a été démontré que les contractions excentriques induites par la marche en descente [96] et la course en descente [97] peuvent entraîner une augmentation du nombre de sarcomères par myofibre ; cependant, aucune de ces études n'a fait état de mesures de la longueur des myofibres. En effet, nous n'avons pu trouver qu'une seule étude qui a rapporté des mesures de la longueur des myofibres dans le contexte d'un modèle physiologiquement pertinent de croissance induite par une charge mécanique [18]. Dans ce cas, des rats ont été soumis à 8 semaines d'exercices de résistance qui ont conduit à une augmentation de 24% de la CSA du muscle entier, mais la longueur des myofibres n'a pas été modifiée. Il est important de noter que cette étude n'a pas indiqué si l'augmentation de la CSA musculaire était due à une croissance longitudinale ou radiale des faisceaux, et il est donc difficile d'extrapoler des données significatives. 
 
Étant donné le manque de données sur ce sujet, nous pensons qu'il est utile de mentionner les résultats non publiés que nous avons récemment obtenus sur des souris dont les muscles plantaires ont été soumis à une myoténectomie de 16 jours (une forme beaucoup plus douce d'ablation synergique [98]). Plus précisément, nous avons déterminé que la myoténectomie a entraîné une augmentation de 72 % de la masse des plantaires ainsi qu'une augmentation de 8 % de la longueur des myofibres (p < 0,01). De même, Goh et ses collaborateurs (2019) ont récemment décrit un entraînement par intervalles à haute intensité (HIIT) pour des souris qui a conduit à une augmentation de 17% de la masse du muscle long extenseur digitorum (99), associée à une augmentation de 9% de la longueur des myofibres (p < 0,05, communication personnelle du Dr Doug Millay). Ainsi, il semble que même les modèles physiologiquement pertinents de croissance induite par une charge mécanique peuvent induire une croissance longitudinale des myofibres ; cependant, des études supplémentaires sur ce sujet devront être publiées avant qu'un consensus clair puisse être atteint.
 
4.2. Croissance radiale des fascicules 

Comme l'illustre la figure 4, la croissance radiale des faisceaux pourrait résulter d'une augmentation du CSA des myofibres existantes (c'est-à-dire l'hypertrophie des myofibres, figure 4A) et/ou une augmentation du nombre de myofibres par section transversale (provenant de la scission des myofibres et/ou de l'hyperplasie, figure 4B). 
Ces concepts ont été largement étudiés dans le contexte de la croissance induite par une charge mécanique, et dans les sections suivantes, nous résumerons l'ensemble de la littérature existante sur ces sujets. Avant de passer à ces sections, nous voulons également souligner que la croissance radiale des faisceaux pourrait résulter de la croissance longitudinale des myofibres avec des terminaisons intrafasciculaires (figure 4C). Cependant, comme mentionné ci-dessus, très peu d'études ont examiné si des modèles physiologiquement pertinents de charge mécanique peuvent induire une croissance longitudinale des myofibres. En conséquence, ce mécanisme ne sera pas soumis à une discussion plus approfondie ici.
Identification des adaptations structurelles qui sont à l'origine de la croissance des muscles squelettiques induite par les charges mécaniques

4.2.1. Hypertrophie des myofibres

La croissance radiale des myofibres entraîne une augmentation de CSA, et un tel changement est généralement appelé hypertrophie des myofibres. L'hypertrophie des myofibres est, de loin, la contribution la plus ancienne et la plus reconnue à la croissance des muscles squelettiques induite par la charge mécanique. En effet, la capacité des charges mécaniques à induire une hypertrophie des myofibres est reconnue depuis la fin du XIXe siècle. Un exemple notable a été décrit par Goldspink (1964) dans lequel de jeunes souris ont été entraînées à tirer sur une corde lestée afin d'accéder à leur nourriture, et il a été déterminé que 25 jours de cet entraînement ont entraîné une augmentation de ≈30% de la CSA des myofibres dans le biceps brachial . L’ampleur de la variation de CSA des myofibres observée dans cet exemple est similaire aux 10-35% généralement observés chez l'homme après 8-16 semaines d'exercices de résistance. En résumé, un niveau de preuve extrêmement élevé soutient l'idée que la charge mécanique peut induire une hypertrophie des myofibres et la capacité de ce type de croissance semble être assez importante.
 
4.2.2. Fractionnement des myofibres

Comme l'ont récemment examiné Murach et al (2019), le fractionnement des myofibres sont caractérisées par la présence de « ramification », de « fragmentation » ou de « scission » sur la longueur de la myofibre. Une fréquence accrue de myofibres fractionnées a été observée dans les muscles soumis à une charge mécanique. Sur la base de certains rapports, il semblerait que la charge mécanique puisse entraîner une augmentation de la prévalence des myofibres fractionnées. Cependant, il est important de souligner que de nombreuses études fréquemment citées pour soutenir ce concept n'ont jamais réellement quantifié le nombre de myofibres fractionnées. 
Ainsi, nous sommes convaincus que, bien que la charge mécanique puisse être capable d'induire le fractionnement des myofibres, la fréquence de cet événement est faible et ne contribue donc généralement pas de manière importante au processus de croissance global.
 
4.2.3. Hyperplasie 

L'hyperplasie fait référence à la génération de nouvelles myofibres et, comme l'illustre la figure 4B, l'hyperplasie pourrait entraîner la croissance radiale des faisceaux musculaires. En effet, de nombreuses études ont montré que le nombre de myofibres par muscle augmente rapidement au cours des premières étapes de la croissance. Bien qu'il soit bien accepté que l'hyperplasie se produise pendant la croissance, la question de savoir si l'hyperplasie peut se produire dans les muscles squelettiques adultes reste un sujet de débat.
Une partie du débat sur la question résulte des types de mesures qui ont été utilisées pour répondre à cette question. Plus précisément, deux méthodes principales ont été utilisées : (1) le comptage du nombre de myofibres par section transversale du muscle, et (2) la digestion du tissu conjonctif du muscle suivie d'un comptage direct de toutes les myofibres présentes dans le muscle. La méthode de comptage direct est idéale, mais cette approche nécessite la dissociation et le comptage manuel de milliers de myofibres. Par conséquent, la plupart des études qui décrivent les mesures de l'hyperplasie sont basées sur le comptage des myofibres par section transversale. En gardant ce point à l'esprit, il est impératif de reconnaître que le nombre de myofibres qui apparaissent dans une section transversale peut être fortement influencé par les changements des propriétés architecturales du muscle (par exemple, la longueur de la fibre et/ou l'angle de pénétration). Par exemple, la figure 3B montre comment une augmentation de 11 % de la longueur des fascicules entraînerait une augmentation de 30 % du nombre de fascicules par section transversale, et les mêmes principes s'appliqueraient au niveau des myofibres. En outre, comme l'illustre la figure 4C, une croissance longitudinale des myofibres avec des terminaisons intrafasciculaires pourrait également entraîner une augmentation du nombre de myofibres par section transversale. Il convient donc d'être extrêmement prudent dans l'interprétation des résultats des études qui s'appuient sur le nombre de myofibres par section transversale pour tirer des conclusions sur l'hyperplasie.
Ainsi, à notre avis, l'idée que des formes extrêmes de charge mécanique peuvent induire une hyperplasie reste controversée

Croissance du muscle squelettique induite par des charges mécaniques au niveau ultrastructurel
 
5.1. Croissance longitudinale des myofibres 
Comme résumé dans la section précédente, un ensemble de littérature convaincante a montré que des modèles de charge mécanique peuvent favoriser la croissance longitudinale des myofibres. En outre, plusieurs sources de données suggèrent que la croissance longitudinale des myofibres peut également être induite par des formes physiologiquement pertinentes de charge mécanique. Étant donné que les myofibres sont composées d'une connexion en série de sarcomères, il s'ensuit qu'une augmentation de la longueur des myofibres serait compensée par une augmentation de la longueur des sarcomères et/ou l'ajout en série de nouveaux sarcomères. Lors de l'examen de ces options, il est essentiel de garder à l'esprit que la longueur optimale des sarcomères (≈2.5 µm) est hautement conservée et que la plupart des muscles fonctionnent dans une plage étroite de longueur optimale des sarcomères (94 ± 13%). On peut donc en déduire qu'une augmentation de la longueur de la myofibre induite par une charge mécanique serait très probablement due à l'ajout en série de nouveaux sarcomères, car cela permettrait de maintenir la longueur optimale des sarcomères dans la myofibre allongée
 
Si la charge mécanique conduit à l'ajout en série de nouveaux sarcomères, cela soulève la question de savoir où, sur la longueur des myofibres, les nouveaux sarcomères sont ajoutés. Selon Goldspink (1983), « Le ou les points auxquels les sarcomères sont ajoutés étaient plutôt incertains jusqu'à récemment. Dans le cas des acides aminés radiomarqués et de l'adénosine radiomarquée, le site de croissance longitudinale se trouvait aux extrémités des myofibrilles » [140]. Bien que cette conclusion soit fondamentalement importante, sa validité reste très contestable. 
 
Identification des adaptations structurelles qui sont à l'origine de la croissance des muscles squelettiques induite par les charges mécaniques

Contrairement à l'idée que de nouveaux sarcomères sont ajoutés aux extrémités des myofibrilles, d'autres ont fourni des preuves qui suggèrent que de nouveaux sarcomères peuvent être insérés sur toute la longueur des myofibrilles. En effet, Jahromi et Charlton (1979) ont soutenu ce concept lorsqu'ils ont trouvé des preuves d'un processus de croissance longitudinal qui semble impliquer la division transversale des sarcomères qui sont intégrés au milieu des myofibrilles (figure 6A).
Identification des adaptations structurelles qui sont à l'origine de la croissance des muscles squelettiques induite par les charges mécaniques

Comme le décrivent Jahromi et Charlton (1979), la division transversale des sarcomères semble se produire par le biais d'une séquence ordonnée d'événements qui comprennent :
  1. La scission des filaments épais dans la zone H
  2. L'allongement des deux moitiés des filaments épais avec la formation de nouveaux filaments fins dans la zone H précédente
  3. La formation d'un nouveau disque Z au centre des filaments fins nouvellement formés.
 
Bien que ce processus ait été décrit à l'origine dans les muscles squelettiques du crabe, il existe des preuves suggérant que le même processus se produit chez les vertébrés. Par exemple, comme le montre la figure 6B ci dessus, Vaughan et Goldspink (1979) ont observé un phénomène similaire dans les muscles du soléaire de souris qui avaient subi une ablation synergique ; cependant, dans ce cas, on a pensé que la fente reflétait des dommages aux sarcomères [118]. En fait, les perturbations focales du sarcomère, telles que les lésions, la diffusion du disque en Z et le maculage du disque en Z ont longtemps été considérées comme des marqueurs de dommages. Cependant, comme le montre une série de publications de Yu et al, ces régions pourraient simplement être des zones de remodelage qui entraînent la formation de nouveaux sarcomères. Par exemple, en examinant les muscles soléaires d'humains ayant subi une série de contractions excentriques intenses, Yu et al. ont détecté une multiplication par cinq de l'apparition de régions présentant des « sarcomères surnuméraires » (Figure 6C,D). Ces régions sont remarquablement similaires aux régions « sphénodales » décrites par Heidenhain il y a plus de 100 ans, qui sont caractérisées par la présence de sarcomères supplémentaires qui ne sont pas en phase avec les sarcomères environnants. Il est intéressant de noter que ces régions semblent inclure des zones qui ressemblent à une division transversale des sarcomères de la zone H, ainsi qu'un autre type potentiel de division transversale des sarcomères qui se produit au niveau du disque Z (figure 6F). 
Ainsi, en considérant les études qui ont été mises en évidence dans cette section, il est juste de conclure que la charge mécanique peut conduire à la croissance longitudinale des myofibres et que ce processus est principalement dû à l'ajout en série de nouveaux sarcomères. Toutefois.
 
5.2. Croissance radiale des myofibres 

5.2.1
Avant d'approfondir ce sujet, il est important de considérer le concept de tension spécifique, qui est définie comme la force isométrique maximale produite par le CSA. Au niveau de la myofibre, le principe sous-jacent de ce concept est que la force isométrique maximale dépend directement du nombre d'éléments générateurs de force qui agissent en parallèle avec la ligne de production de force, et que le nombre de ces éléments dépend directement du CSA de la myofibre. Cette thèse devient particulièrement importante lors de la formulation d'hypothèses sur les mécanismes qui contribuent potentiellement à la croissance radiale des myofibres. Par exemple, si la CSA d'une myofibre augmente et que la tension spécifique reste constante, on peut en déduire que la croissance radiale est due à une addition proportionnelle d'éléments générateurs de force (par exemple, myofilaments/sarcomères/myofibrilles) et d'éléments non générateurs de force (par exemple, mitochondries, réticulum sarcoplasmique, liquide intracellulaire, tissu conjonctif, etc.). Par ailleurs, si la CSA d'une myofibre augmente et que la tension spécifique diminue, on peut en déduire que la croissance radiale est due à une augmentation disproportionnée de la quantité d'éléments non générateurs de force. Ainsi, grâce aux mesures de la tension spécifique, on peut obtenir un aperçu fondamental des mécanismes qui entraînent la croissance radiale des myofibres. 
 
Comme le résume une récente méta-analyse de Dankel et al. (2019), au moins 15 études différentes ont évalué si la tension spécifique des myofibres individuelles est influencée par l'exercice de résistance. Il est important de noter que la grande majorité de ces études ont conclu que la tension spécifique n'est pas modifiée de manière significative, ou qu'elle augmente légèrement dans le cas des myofibres hypertrophiées. Des observations similaires ont également été faites sur des myofibres isolées de muscles qui se sont adaptés à des formes extrêmes de charge mécanique, telles que l'ablation synergique. 
Ainsi, il semblerait que la croissance radiale des myofibres soit due à une augmentation proportionnelle des éléments générateurs de force et des éléments non générateurs de force. Cependant, malgré cette preuve, certains ont soutenu qu'une augmentation disproportionnée des éléments non générateurs de force peut contribuer de manière substantielle à la croissance radiale. Ce type de croissance radiale a été génériquement appelé hypertrophie sarcoplasmique. Dans les sections suivantes, nous allons examiner plus en détail si la croissance radiale des myofibres est due à l'hypertrophie sarcoplasmique et/ou à l'expansion des éléments générateurs de force qui agissent en parallèle avec la ligne de production de force.
 
5.2.2. Expansion des éléments générateurs de force 

Dans les myofibres des vertébrés, les myofilaments générateurs de force sont contenus dans le sarcomère et organisé en un réseau hexagonal de myofilaments épais et fins. La géométrie globale et l'espacement entre les myofilaments sont très bien conservés, et donc, tout changement dans le nombre de myofilaments générateurs de force qui sont alignés en parallèle correspondrait probablement à une modification proportionnelle du CSA occupé par les sarcomères/myofibrilles. Étant donné que la tension spécifique est préservée dans les myofibres qui ont connu une croissance radiale à la suite d'une charge mécanique accrue, et que la tension spécifique dépend du nombre d'éléments générateurs de force en parallèle, il s'ensuivrait que la croissance radiale est médiée par une augmentation proportionnelle de CSA occupé par les sarcomères/myofibrilles. En effet, une poignée d'études ont directement testé cette thèse, et toutes ont rapporté que l'induction d'une hypertrophie des myofibres était associée à des changements minimes (≤4%) dans la proportion relative de CSA occupé par les myofibrilles. Par exemple, MacDougall et ses collaborateurs (1982) ont rapporté que six mois d'exercices de résistance chez l'homme ont entraîné une augmentation de 22 à 25 % de la CSA des myofibres et pratiquement aucun changement dans la proportion de la CSA occupée par les myofibrilles (84,2 % contre 82,6 % dans les états pré et post-entraînement, respectivement) [32]. Autrement dit, les données de MacDougall et al. indiquent que la surface totale occupée par les myofibrilles a augmenté de ≈23%, mais il n'a pas été possible de déterminer si cela était dû à une croissance radiale des myofibrilles préexistantes (hypertrophie des myofibrilles) et/ou à une augmentation du nombre de myofibrilles (hyperplasie des myofibrilles) (Figure 7A). En fait, nous n'avons pas connaissance d'études ayant systématiquement examiné si l'hypertrophie des myofibrilles induite par une charge mécanique est médiée par l'hypertrophie des myofibrilles et/ou l'hyperplasie des myofibrilles.
 
Identification des adaptations structurelles qui sont à l'origine de la croissance des muscles squelettiques induite par les charges mécaniques

Même si les concepts d'hypertrophie et d'hyperplasie des myofibrilles n'ont pas été examinés en profondeur dans les limites de la croissance des muscles squelettiques induite par une charge mécanique, il y a encore beaucoup à apprendre des domaines d'étude connexes (par exemple, la croissance du développement des muscles squelettiques, la croissance du cœur induite par une charge mécanique, etc.). Par exemple, les travaux précurseurs de Goldspink (1970) ont utilisé des souris de différents âges pour établir qu'il existe une relation linéaire positive entre le diamètre des myofibrilles et le CSA des myofibrilles, et une relation similaire a également été trouvée entre le nombre de myofibrilles et la CSA des myofibrilles (Figure 7B,C). Ensemble, les résultats de cette étude ont fourni les premières preuves que l'hypertrophie et l'hyperplasie des myofibrilles pouvaient toutes deux contribuer à la croissance radiale des myofibrilles. De plus, ces observations ont fourni la base de l'intrigant modèle de croissance radiale du Dr Goldspink qui implique un processus qu'il a appelé la division des myofibrilles. Plus précisément, le Dr Goldspink a proposé que l'augmentation du nombre de myofibrilles qui se produit pendant la croissance radiale des myofibres pourrait s'expliquer par la division longitudinale des myofibrilles préexistantes. Pour étayer son hypothèse, il a publié de nombreuses images longitudinales de myofibrilles simples qui semblaient se diviser en deux myofibrilles filles plus petites (figure 8A). De plus, il a démontré que les fissures se produisaient généralement au milieu du disque en Z et qu'on les trouvait généralement dans des myofibrilles deux fois plus grandes que les myofibrilles qui ne comportaient pas de fissures. 
 
En plus de ses observations sur les fissures longitudinales, le Dr Goldspink a également noté que les myofilaments fins des sarcomères ne sont pas directement perpendiculaires au disque en Z, mais sont plutôt décalés selon un angle légèrement oblique (≈6 - 10°). Cette observation était importante car elle suggérait que les myofilaments minces pouvaient exercer des forces radiales vers l'extérieur sur le disque Z lorsque les sarcomères se contractent. En effet, cela est devenu un élément clé de son modèle de division des myofibrilles dans lequel il a été proposé que les myofibrilles subissent initialement une hypertrophie et, à mesure que leur diamètre augmente, les forces radiales extérieures qu'elles exercent sur le disque Z augmentent également. Les forces radiales extérieures exercent une contrainte sur le centre du disque en Z, et lorsque ces forces atteignent un seuil critique, cela provoque la rupture du disque en Z (figure 8B). La rupture commence au centre du disque Z et forme une fente qui se propage ensuite à travers le reste de la myofibrille et forme finalement deux myofibrilles filles plus petites. 
Identification des adaptations structurelles qui sont à l'origine de la croissance des muscles squelettiques induite par les charges mécaniques

Le modèle de division des myofibrilles du Dr Goldspink a été développé il y a plus de 40 ans, et il a souvent servi de manuel pour expliquer comment le nombre de myofibrilles pouvait augmenter pendant la croissance radiale des myofibrilles. Cependant, bien qu'il soit largement accepté, la validité du modèle n'a pas été rigoureusement testée. Par exemple, nous n'avons pas connaissance de preuves directes qu'une seule myofibrille peut se diviser en myofibrilles filles. En outre, nous ne connaissons aucune étude qui ait établi si les forces radiales vers l'extérieur générées par les myofilaments alignés obliquement seraient physiquement capables de « casser » le disque Z. En plus de preuves limitées, il existe également des parties du modèle de division des myofibrilles qui semblent être incomplètes. Par exemple, comme le montre la figure 8B, il a été démontré que le diamètre des myofibrilles est directement lié à la taille des myofibres, et de notre point de vue, le modèle du Dr Goldspink n'est pas capable d'expliquer cette relation. Néanmoins, les concepts généraux du modèle de dédoublement des myofibrilles sont bien raisonnés et, à ce titre, il servira de cadre pour la suite de nos discussions sur l'hypertrophie et l'hyperplasie des myofibrilles.
 
5.2.3. Hypertrophie des myofibrilles

Si nous supposons que les concepts de base du modèle de division de la myofibrille sont corrects et qu'ils peuvent être appliqués à la croissance radiale des myofibres qui se produit en réponse à une charge mécanique accrue, alors la première partie du processus de croissance global impliquerait une hypertrophie de la myofibrille. Cette réponse hypertrophique initiale se poursuivrait jusqu'à ce que les myofibrilles atteignent la taille critique qui induit la division. La scission entraînerait la formation de myofibrilles filles qui subiraient alors une hypertrophie jusqu'à ce qu'elles se scindent, et le cycle se répéterait jusqu'à ce que la croissance radiale de la myofibre commence. Si cela est exact, il reste à savoir où les nouveaux myofilaments seront déposés. 
 
Comme l'illustre la figure 9, voici quelques lieux possibles de dépôt de nouveaux myofilaments ne sont pas limités à : (A) la périphérie de la myofibrille préexistante, (B) le centre de la myofibrille préexistante, ou (C) l'ensemble de la myofibrille préexistante. Toutes ces options semblent plausibles, mais les options B et C nécessiteraient probablement un remodelage important du réseau de myofilaments préexistant, alors que l'option A ne le ferait probablement pas. Ainsi, d'un point de vue ressources/énergie, le dépôt de nouveaux myofilaments à la périphérie de la myofibrille préexistante semblerait être l'option la plus rentable et la moins perturbatrice
Identification des adaptations structurelles qui sont à l'origine de la croissance des muscles squelettiques induite par les charges mécaniques

5.2.4. Hyperplasie des myofibrilles

Comme mentionné dans la section précédente, l'étude de Ashmore et Summers (1981) a soutenu l'idée que la croissance radiale des myofibres induite par la charge mécanique est associée à l'hypertrophie des myofibrilles, mais malheureusement, l'étude n'a pas abordé le concept d'hyperplasie des myofibrilles. A ce sujet, les différentes études suggèrent invariablement qu'une augmentation de la charge mécanique peut entraîner une augmentation du nombre de myofibrilles dans le cœur, mais il reste à déterminer si le même effet se produit dans les muscles squelettiques. 
 
5.2.5. La croissance radiale des myofibres - Remarques finales

Comme nous l'avons vu, un ensemble substantiel de preuves indique que la croissance radiale des myofibres induite par la charge mécanique est médiée par une augmentation proportionnelle des éléments générateurs de force et des éléments non générateurs de force. Les éléments générateurs de force sont contenus dans les myofibrilles, et les myofibrilles représentent ≈80% du CSA des myofibrilles. On peut donc affirmer que la majeure partie de la croissance radiale est due à une expansion des myofibrilles.
Cependant, il reste à déterminer si cette expansion est due à une hypertrophie des myofibrilles individuelles et/ou à une hyperplasie des myofibrilles. Sur la base de notre vision collective de la littérature, nous proposons que les deux processus sont impliqués, et peuvent être expliqués par un modèle que nous avons défini comme le « cycle d'expansion des myofibrilles ». Plus précisément, comme l'illustre la figure 11, le cycle d'expansion de la myofibrille commence par le dépôt de nouveaux myofilaments à la périphérie des myofibrilles préexistantes, et entraîne une hypertrophie de la myofibrille. Lorsque les myofibrilles atteignent une taille critique, elles se divisent et forment ensuite deux myofibrilles filles plus petites. Les myofibrilles filles sont alors capables d'entrer dans un autre cycle, et le cycle se répète jusqu'à ce que la croissance radiale de la myofibre ait commencé. Il est clair que notre modèle est basé sur une intégration d'hypothèses qui ont été proposées il y a plus de 40 ans, et comme souligné tout au long de cette section, la validité de ces hypothèses n'a pas été rigoureusement testée. 
 
Identification des adaptations structurelles qui sont à l'origine de la croissance des muscles squelettiques induite par les charges mécaniques

6. Take home messages


Les charges mécaniques sont l'un des plus puissants régulateurs de la masse musculaire et le maintien de la masse musculaire joue un rôle essentiel dans la santé et la qualité de vie. Dans le tableau 1, nous avons résumé les principales adaptations structurelles qui ont été impliquées dans la croissance des muscles squelettiques induite par les charges mécaniques. Sur la base de notre analyse, nous avons également examiné si chacune de ces adaptations apporte une contribution substantielle au processus de croissance global, ainsi que le niveau de preuve disponible pour soutenir cette conclusion. Le tableau énumère également certaines des principales lacunes dans les connaissances que nous avons identifiées au cours de notre examen de la littérature. Il est important de noter que ce résumé ne se veut pas exhaustif et que l'exclusion du tableau n'indique pas qu'une adaptation ou une lacune donnée dans les connaissances est sans importance (par exemple, la fusion de cellules satellites, les cellules satellites sont-elles nécessaires à la croissance induite par des charges mécaniques, etc.).
Identification des adaptations structurelles qui sont à l'origine de la croissance des muscles squelettiques induite par les charges mécaniques

Comme le montre cette étude, plusieurs des adaptations que nous considérons comme peu étayées ont été inscrites dans la littérature en tant que mécanismes « classiques » (par exemple, la croissance longitudinale des myofibres est due à l'ajout de nouveaux sarcomères aux extrémités des myofibres, de nouvelles myofibrilles sont formées par fission des myofibrilles, etc.) Nous espérons qu'après avoir lu cette revue, le lecteur appréciera le peu que nous savons réellement sur les adaptations structurelles qui entraînent la croissance des muscles squelettiques, et le nombre de lacunes extrêmement fondamentales dans les connaissances qui restent à combler.

L'article: 

Identifying the Structural Adaptations that Drive the Mechanical Load-Induced Growth of Skeletal Muscle : A Scoping Review
 Jorgenson KW, Phillips SM, Hornberger TA. Identifying the Structural Adaptations that Drive the Mechanical Load-Induced Growth of Skeletal Muscle : A Scoping Review. 2020; 
 




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