Hypoactivité, impesanteur et déconditionnement musculaire : étude des effets précoces chez l'homme dans un modèle d'immersion sèche

Hypoactivity, microgravity and muscle deconditioning : study of early human effects during dry immersion

• Auteur / Autrice : Rémi Demangel
• Direction : Angèle Chopard, Guillaume Py
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences du Mouvement Humain - MPL
• Date : Soutenance le 24/11/2017
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Sciences du mouvement humain (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Dynamique musculaire et métabolisme (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Vincent Pialoux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Angèle Chopard, Guillaume Py, Philippe Noirez, Laurence Stevens, Jérôme Laurin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Noirez, Laurence Stevens

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plasticité

Muscles striés

Spationautes

Apesanteur

Mots clés libres

Muscle squelettique

Plasticité

Hypoactivité

Impesanteur

Déconditionnement

Prévention

Skeletal muscle

Plasticity

Hypoactivity

Microgravity

Deconditioning

Prevention

Résumé

Depuis des décennies, l’un des enjeux des sciences de l’espace est d’accompagner les astronautes lors de leur séjour de courte ou longue durée, principalement en vols orbitaux à bord d’une station spatiale. Dans ce contexte, nos travaux participent à la compréhension du déconditionnement musculaire associé à un séjour en impesanteur et à l’évaluation des différentes contremesures.Que ce soit dans le secteur spatial ou celui de la santé, les scientifiques ont eu l’opportunité d’étudier les effets de la réduction chronique d’activité et de l’impesanteur, grâce à différents modèles expérimentaux qui sont présentés dans le chapitre 1. La partie 1 fait également l’état des lieux des paramètres du déconditionnement musculaire, que sont principalement la perte de masse et de force musculaire. Ces deux paramètres apparaissent de manière précoce dans une situation d’hypoactivité et ne sont pas corrélés au cours du temps, ce qui se traduit par une diminution de force de plus grande amplitude que les degrés d’atrophie rapportés. Parmi les facteurs explicatifs de cette disproportion, l’accumulation accrue d’infiltrations graisseuses et la dénervation sont des éléments explicatifs et ont également fait l’objet de nos expérimentations.Nos travaux ont pour objectif principal de caractériser les altérations précoces du muscle strié squelettique à l’aide d’un modèle d’impesanteur simulée, appelé immersion sèche ou Dry Immersion (DI). Ce modèle est reconnu depuis plusieurs années par les scientifiques russes pour être plus sévère que l’alitement prolongé et a été mis en place il y a quelques années pour la première fois en Europe (Toulouse). L’étude a consisté à placer 12 bénévoles masculins sains en immersion sèche pendant 3 jours. Cette première étude menée en Europe nous a permis de caractériser les changements précoces du déconditionnement musculaire au niveau structural et fonctionnel. Les biopsies musculaires pre- et post-DI, obtenues à partir du muscle Vastus Lateralis ont permis de quantifier par immunohistologie le degré d’atrophie musculaire par type de fibre, et d’analyser les changements myotypologiques. Au niveau structural, nous avons rapporté par IRM une diminution de 10% du volume du quadriceps, ainsi qu’une atrophie de 10%, principalement attribuée aux fibres de type 1. Dès 3 jours, le pourcentage de fibres exprimant des MyHC 1 a également diminué, alors qu’on relève en parallèle une apparition de fibres hybrides (+1.3%). Au niveau fonctionnel, la perte de force musculaire est de 11%, et nous relevons une altération des propriétés viscoélastique du rectus femoris. Au niveau moléculaire, l’expression de protéines clés impliquées dans la régulation de la balance protéique rapporte par exemple une augmentation précoce de l’expression de l’atrogène MURF1 (+41%) et une diminution de l’expression de 4EBP1 (-17%). Une analyse transcriptomique par RNA-seq a également mis en valeur un changement d’expression significatif de 2872 gènes.Une seconde étude nous a permis d’évaluer les effets d’un cocktail anti-oxydant, anti-inflammatoire comme contremesure lors d’une réduction d’activité de 20 jours et lors d’un bed rest de 2 mois. Des biopsies musculaires pre- et post-DI et BR ont été obtenues à partir du muscle Vastus Lateralis et rapportent un degré d’atrophie d’environ 20% dans les deux protocoles. La contremesure a principalement montré un effet protecteur sur les fibres de type Iia. L’analyse des E3 ligases MuRF-1 et Atrogin-1, n’indique aucune modification dans les deux protocoles de longue durée.Les résultats de nos études à courts et longs termes du déconditionnement musculaire soulignent les changements rapides et précoces au niveau du système musculaire et mettent en valeur la nécessité d’étudier finement ces changements initiaux et bio-marqueurs du déconditionnement musculaire ainsi que la nécessité d’optimiser les effets des contremesures sur cette période initiale.

For decades, one of the challenges of space science has been to assist the astronauts during their short or long term stay, mainly in orbital flights aboard a space station. In this context, our work contributes to the understanding of muscle deconditioning associated with a stay in weightlessness and to the evaluation of differents countermeasures.Whether in the space or health sector, scientists have had the opportunity to study the effects of chronic hypoactivity and weightlessness through various experimental models that are presented in Chapter 1. Part 1 also reviews the parameters of muscle deconditioning, which are mainly loss of mass and muscle strength. These two parameters appear early in a situation of hypoactivity and are not correlated with time, which results in a decrease in force of greater amplitude than the degrees of atrophy reported. Among the explanatory factors of this disproportion, the increased accumulation of fatty infiltrations and the denervation processes are explanatory elements and have also been the subject of our experiments.Our main objective is to characterize the early alterations of skeletal muscle using a model of dry immersion (DI). This model has been recognized for several years by Russian scientists to be more severe than extended bed rest and was set up a few years ago for the first time in Europe (Toulouse). The study consisted of placing 12 healthy male volunteers in dry immersion for 3 days. This first study in Europe allowed us to characterize the early changes of muscle deconditioning at the structural and functional level. The pre- and post-DI muscle biopsies, obtained from the Vastus Lateralis muscle, were used to quantify by immunohistology the degree of muscle atrophy by fiber type and to analyze the changes in myotypology. At the structural level, we reported by MRI a 10% decrease in the volume of the quadriceps, as well as a 10% atrophy, mainly attributed to type 1 fibers. From 3 days, the percentage of fibers expressing MyHC 1 also decreased, while the percentage of hybrid fiber increased (+ 1.3%). At the functional level, the loss of muscle strength is 11%, and we note an alteration of the viscoelastic properties of the rectus femoris. At the molecular level, we reported the changes of key proteins involved in protein balance regulation, for example, an early increase in the expression of the atrogene MURF1 (+ 41%) and a decrease expression of 4EBP1 (-17%). Transcriptomic analysis by RNA-seq also highlighted a significant expression change of 2872 genes.A second study allowed us to evaluate the effects of an anti-oxidant, anti-inflammatory cocktail as countermeasure during a hypoactivity experiments of 20 days and during a bed rest of 2 months. Pre- and post-DI and BR muscle biopsies were obtained from the Vastus Lateralis muscle and reported a degree of atrophy of about 20% in both protocols. The countermeasure has mainly shown a protective effect on type Iia fibers. Analysis of the E3 ligases MuRF-1 and Atrogin-1 did not indicate any modification in the two long-term protocols.The results of our short and long term studies of muscle deconditioning underline the rapid and early changes in the muscle system and highlight the need to study finely these initial changes and biomarkers of deconditioning, in order to optimize the effects of countermeasures over this initial period.