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Quid de la réponse mitochondriale suite à une contusion musculaire en fonction du type de fibres atteints ?

Une simple contusion musculaire provoque une altération immédiate de la réponse bioénergétique mitochondriale dans les fibres musculaires squelettiques de différent métabolisme.



Le muscle squelettique est le tissu le plus abondant du corps humain et il est responsable de la majorité des dépenses énergétiques du corps. C’est un tissu composé de différents types de fibres aux propriétés métaboliques et biochimiques variables (nombres d’enzymes et de mitochondries, métabolisme oxydatif ou glycolytique, dynamique du calcium etc…).
Au cours de l’activité sportive, il arrive que ce tissu soit lésé par différents pathomécanismes mettant en contrainte le biocomposite myo-aponévrotique. Lors d’un traumatisme direct (contusion) suite à un choc ou une chute, la compression mécanique provoque une atteinte des fibres musculaires mais aussi des capillaires sanguins, entraînant un débordement de composants sanguins dans la région lésée. Ce type de blessure aura, en fonction de son stade de gravité, des répercutions fonctionnelles chez l’athlète se prolongeant dans le temps. En plus d'induire une altération marquée de la fonction musculaire, telle que la perte de force, il existe un modèle d'altération de la fonctionnalité mitochondriale après contusion musculaire, qui est lié à une augmentation des dommages oxydatifs, à une diminution du potentiel membranaire et à un gonflement mitochondrial, ainsi que l'induction de processus inflammatoires et de voies responsables de la régénération tissulaire.

Afin de mieux comprendre le but de cette étude, il est nécessaire de rappeler le rôle fondamental des mitochondries au niveau cellulaire. Au-delà de leur rôle d'organe central dans le métabolisme des substrats cataboliques et dans la conversion anabolique des intermédiaires du cycle de Krebs en différentes biomolécules, elles sont également responsables de la génération cellulaire d'espèces réactives de l'oxygène (ROS), qui peuvent établir une condition de stress oxydatif en cas de déséquilibre avec les défenses antioxydantes. Cependant, les ROS jouent un double rôle crucial en tant que molécules dans le métabolisme cellulaire car ils peuvent déterminer ce que l'organite utilise comme substrats disponibles, en maintenant l'homéostasie et le renouvellement de l'adénosine triphosphate (ATP) dans différentes fibres musculaires à métabolisme oxydatif ou glycolytique. Un autre rôle des mitochondries est d'aider à la mise en tampon du calcium lorsqu'il y a des concentrations élevées dans le cytosol. Cet influx peut agir pour favoriser une augmentation de la respiration mitochondriale et donc une augmentation de la synthèse d'ATP, et peut également générer des dommages irréversibles aux organites à des concentrations élevées, déclenchant l'ouverture des pores de la membrane mitochondriale (mPTP), induisant ainsi un gonflement mitochondrial.

Ces dernières années la physiothérapie s'est beaucoup concentrée sur les stratégies permettant d’accélérer le processus de cicatrisation. Aujourd’hui encore il est essentiel d'identifier les événements qui se produisent au sein des fibres musculaires après contusion et d’éclaircir la réponse mitochondriale aux blessures et l'utilisation du substrat énergétique en fonction du type de fibres afin d’orienter plus efficacement notre rééducation initiale.

De ce constat, les auteurs ont émis l’hypothèse que la contusion des muscles squelettiques favorise une réponse mitochondriale différente en fonction du type de fibres. Le but du présent travail de Hartmann & Al, publié le 10 février 2020 sur « Free Radical Research », est donc d'évaluer la fonction mitochondriale après une contusion musculaire dans des fibres à contraction rapide (Type IIB - métabolisme glycolytique), à contraction mixte (Type IIA - métabolisme oxydatif et glycolytique) et à contraction lente (Type I- métabolisme oxydatif). Ils évaluent également la régulation des enzymes impliquées dans la glycolyse et dans le cycle de Krebs, et les voies métaboliques directement liées à la consommation d'oxygène mitochondrial.

Anthony COMPTOUR vous propose sa synthèse traduction.

Méthode

Cent cinquante rats ont été répartis en deux groupes: contrôle et lésion (contusion musculaire). Le traumatisme a été infligé au contact du gastrocnémien médial en laissant tomber un poids de 0,2kg d’une hauteur de 30cm, délivrant une puissance d’impact mesuré à 0,484 J. Cette méthode est considérée comme se rapprochant le plus des pathomécanismes de contusion humaine. Par la suite, les auteurs ont collecté différentes fibres des muscles gastrocnémiens (partie blanche concentrant 92% de fibres rapides de type IIB et partie rouge-blanche concentrant 60% de fibres mixtes de type IIA) et soléaire (concentrant 84% de fibres lentes de type I). La même proportion de fibres a été extraite de chaque muscle. 

Après avoir été extraite et maintenu dans une solution tampon (BIOPS), 2,5 à 3,5mg de fibres perméabilisées ont effectuées une respirométrie à haute résolution (via l’oxygraph O2k-system) ainsi qu’un test de production de peroxyde d'hydrogène. Pendant la mesure de la capacité respiratoire mitochondriale des fibres perméabilisées, les niveaux d'oxygène ont été maintenus au-dessus de la saturation de l'air pour éviter «l'hypoxie» intracellulaire en raison de la diffusion limitée de l'oxygène. Le flux d'oxygène par rapport au complexe I et aux complexes I+II a été calculé à l'état non phosphorylatif. La synthèse d'ATP a été calculée par la consommation d'oxygène en présence d'ADP+Pi, moins la consommation en présence d'oligomycine. La contribution de chaque complexe dans la capacité respiratoire maximale (ETS) a été estimée par la consommation maximale d'oxygène en présence de phénylhydrazone (FCCP) moins la roténone pour le calcul du complexe I, et la respiration en présence de roténone moins le malonate pour le calcul du complexe II.

Pour l'analyse du contenu mitochondrial, l’enzyme lactate déshydrogénase (LDH), l'activité de l’enzyme citrate synthase (CS), la capacité d’absorption du Ca 2+  libre extramitochondrial et la production d’H2O2 (peroxyde d’hydrogène) ont aussi été analysés dans les différents types de fibres. L'absorption de Ca2+ a été observée par titration du calcium dans le milieu et les changements d’intensité de fluorescence reflètent la surcharge mitochondriale de Ca2+, l'ouverture des pores de perméabilité mitochondriale (mPTP) et la quantité totale de Ca2+ absorbée par les mitochondries avant l'activation du mPTP.
Le flux de H2O2 a été mesuré dans le fluoromètre O2k en utilisant la sonde sensible à H2O2 AmplexV R Ultra. Deux expériences ont été réalisées avec des ajouts séquentiels de substrats et d’inhibiteurs, premièrement pour la détermination de la production de H2O2 à différents états de la respiration mitochondriale et deuxièmement pour calculer la production spécifique de H2O2 par flux inverse.
Les tests de Kolmogorov-Smirnov et Bartlett ont été effectués pour analyser la normalité des données et l’homogénéité des variances. Les effets sur la fonction mitochondriale ont été analysés par un test T de Student par le programme GraphPad Prism.

Résultats

Les auteurs ont constaté que les lésions musculaires modifient de manière différentielle le flux d'oxygène dans différents types de fibres musculaires. Les résultats sont présentés sous forme de graphique concernant le flux d’oxygène (figure 1 et 2), l’activité enzymatique mitochondriale (figure 3), l’absorption de Ca2+ (figure 4) et la production de peroxyde d’hydrogène (figure 5).
  • Les graphiques présentés ci-dessous montrent que les lésions musculaires étaient capables d'augmenter le flux d'oxygène dépendant de la synthèse d'ATP et d'OXPHOS dans les fibres oxydantes lorsqu'elles étaient stimulées par des substrats complexes I + II. D'un autre côté, la blessure musculaire a augmenté la production de peroxyde d'hydrogène (H2O2) de 1,6 fois et réduit l'activité de l’enzyme citrate synthase de 0,25 fois par rapport au groupe témoin. Cependant, cela n'a pas changé l'absorption de Ca2+ immédiatement après la contusion, suggérant une résistance à long terme à la formation de mPTP. L’enzyme lactate déshydrogénase (LDH), un marqueur de l'activité métabolique, augmente de manière significative après une contusion musculaire dans ces fibres oxydantes de 0,35 fois par rapport aux fibres témoins.
 
  • Étonnamment, les blessures dans les fibres mixtes ont augmenté la consommation d'oxygène de synthèse OXPHOS et ATP et la production de H2O2 de 1,9 fois en comparaison avec le groupe témoin. Mais elles ont réduit l'absorption de Ca2+ de 0,37 fois par rapport au groupe témoin permettant la formation de mPTP. L’activité de la citrate synthase a diminué de 0,44 en comparaison au groupe contrôle. La LDH augmente de 0,47 fois par rapport aux fibres témoins.
 
  • La lésion des fibres glycolytiques n'a pas affecté le flux d'oxygène couplé à la synthèse d'ATP, à la citrate synthase et à l'activité de l’enzyme lactate déshydrogénase, mais a réduit l’absorption du Ca2+ de 0,20 fois par rapport au groupe témoin permettant également l’activation des mPTP.
Quid de la réponse mitochondriale suite à une contusion musculaire en fonction du type de fibres atteints ?

Quid de la réponse mitochondriale suite à une contusion musculaire en fonction du type de fibres atteints ?
Discussion

Les mitochondries sont des régulateurs centraux de l'énergie et de l'homéostasie cellulaire et des preuves soutiennent le rôle critique du dysfonctionnement mitochondrial, cependant les effets des lésions musculaires sur la bioénergétique mitochondriale dans différents types de fibres musculaires n'avaient jamais été étudiés auparavant. Les auteurs ont montré pour la première fois que la lésion de contusion musculaire module la physiologie respiratoire mitochondriale de manière fibro-dépendante. Les fibres oxydantes, mixtes et glycolytiques modifient différentes formes de consommation mitochondriale d'oxygène après une contusion. Ce n'est pas un paradoxe dans la respiration car ces types de fibres ont différents types de métabolisme, ainsi que des structures et une physiologie variable.

Dans ce travail, les résultats indiquent un changement dans la contribution des fibres oxydatives par rapport à CI et CII couplé à la synthèse d'ATP, où les lésions musculaires favorisent une importante dépression apparente du flux d'O2. En revanche, dans les fibres mixtes, les lésions musculaires entraînent une exacerbation de la respiration mitochondriale en présence de substrats spécifiques (ADP), augmentant les paramètres respirométriques. Cependant, une augmentation de la consommation d'oxygène par la chaîne de transport d'électrons pourrait favoriser la fuite d'électrons ainsi que la formation excessive de ROS tel que l’H2O2. Les ROS mitochondriaux ont un rôle physiologique pour favoriser les adaptations cellulaires aux conditions de stress par la régulation du métabolisme oxydatif, favorisant ainsi la survie cellulaire. En effet, les diverses caractéristiques des fibres musculaires, telles que la capacité oxydante élevée et la densité mitochondriale de la fibre à contraction lente, sont liées à une augmentation de la production d’H2O2 dans les fibres oxydantes et mixtes par rapport aux groupes témoins.

En conséquence, cette régulation affecte le métabolisme mitochondrial et peut expliquer la réduction de l'activité de la citrate synthase et l'augmentation de l'activité LDH lors d'une contusion indiquant un changement métabolique vers la glycolyse anaérobie dans les fibres oxydantes et mixtes. Cela favorise un environnement métabolique avec le flux de lactate et d'oxygène pour soutenir l'activité cellulaire et la récupération tissulaire, comme en témoigne l'augmentation du flux d'oxygène et l'échange vers d'autres sources d'énergie, comme le lactate, comme en témoigne l'augmentation de l'activité LDH.

Sur la base des résultats de l’étude, les auteurs pensent que les fibres glycolytiques sont plus adaptables aux agressions musculaires car, comme elles présentent une production d’H2O2 moins prononcée sur tous les sites mitochondriaux, elles n'ont pas changé de source d'énergie comme le démontre le maintien de l’activité LDH. De plus, la fonctionnalité et le contenu mitochondriaux après contusion musculaire n’a pas évolué, car le flux d'oxygène dans l'activité OXPHOS et le taux de citrate synthase n'a pas été modifié.

Concernant la transition de perméabilité de la membrane mitochondriale, d’autres études ont démontré une augmentation significative du gonflement mitochondrial, produit de manière plus prononcée 30min après la lésion, indiquant que l'ouverture du mPTP survient juste après la contusion. Elles ont également montré que l'ouverture aiguë du mPTP a un rôle physiologique critique dans la régulation du Ca2+ mitochondrial. Ici, les auteurs ont analysé cette réponse dans différentes fibres et observé la résistance accrue à la formation de mPTP et l'augmentation du tampon calcique dans les fibres du métabolisme oxydatif immédiatement après l'agression musculaire. Les données montrent que, suite à une lésion musculaire, dans les fibres à contraction lente, une résistance accrue au Ca2+ et l'ouverture du mPTP pourraient contribuer à une surcharge en Ca2+ de la matrice mitochondriale, conduisant à un dysfonctionnement et à la mort cellulaire. De plus, ils ont trouvé des changements significatifs dans l'absorption de Ca2+ dans les fibres mixtes et glycolytiques, provoquant une diminution de la résistance au Ca2+ et l'ouverture du mPTP. 

Faits intéressants, l'homéostasie du Ca2+ dérégulée et les ROS sont capables de stimuler les récepteurs Toll-like-9 (TLR9) pour induire l'activation du facteur nucléaire kappa B (NF-jB), ce qui provoque l'activation de multiples facteurs de nécrose tumorale (cytokines inflammatoires (TNF-a et interleukine (IL-1b et IL-6)). Dans ce contexte, cette réponse inflammatoire déclenchée par une perturbation de l'homéostasie du Ca2+ est impliquée dans le processus de cicatrisation. Cependant, à l'état chronique, ces perturbations peuvent refléter une altération de la récupération musculaire car le TNF-a peut déclencher l'apoptose cellulaire et il a été rapporté des effets néfastes de l'IL-6 sur les cardiomyocytes.

Conclusion
  • Cette étude a démontré des réponses mitochondriales distinctes parmi les différentes fibres musculaires et des variations du flux spécifique et du métabolisme de l'oxygène, au-delà du flux de Ca2+, indiquant que la dynamique mitochondriale est liée aux flexibilités du métabolisme et que les espèces réactives de l'oxygène (ROS) affectent directement la physiologie cellulaire immédiatement après une contusion musculaire.
 
  • Les résultats de ce travail élargissent les connaissances disponibles concernant le rôle des mitochondries dans les lésions musculaires, démontrant comment les fonctions mitochondriales peuvent être affectées par une simple contusion musculaire en fonction du type de fibres.
 
  • D’un point de vue pratique cela permet une meilleure compréhension, de la part du kinésithérapeute, du rôle actif des mitochondries afin de trouver de nouvelles stratégies de physiothérapie en fonction du pathomécanisme et du type de fibres musculaires atteints.

Référence de l’article :
Diane D. Hartmann, Débora F. Gonçalves, Pamela C. Da Rosa, Rodrigo P. Martins, Aline A. Courtes, Jeferson L. Franco, Félix A. A. Soares & Gustavo O. Puntel (2020): A single muscle contusion promotes an immediate alteration in mitochondrial bioenergetics response in skeletal muscle fibres with different metabolism, Free Radical Research, DOI: 10.1080/10715762.2020.1723795

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