Impact de l’exercice physique sur le muscle squelettique drépanocytaire : caractérisation de la fatigabilité musculaire et des effets de l’exercice aérobie sur la balance pro-antioxydant

Impact of exercise on the skeletal muscle in sickle cell disease : characterization of muscle fatigability and of the effects of aerobic exercise on pro/antioxidant balance

• Auteur / Autrice : Étienne Gouraud
• Direction : Christophe Hautier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physiologie
• Date : Soutenance le 09/12/2020
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Interdisciplinaire Sciences-Santé (Villeurbanne ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire interuniversitaire de biologie de la motricité (Saint-Etienne ; Lyon ; Chambéry ; 2016-....)
• Jury : Président / Présidente : Emmanuelle Canet-Soulas
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Hautier, Samuel Vergès, Christelle Koechlin-Ramonatxo, Sophie Antoine-Jonville, Pablo Bartolucci, Philippe Connes, Léonard Féasson
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Samuel Vergès, Christelle Koechlin-Ramonatxo, Sophie Antoine-Jonville

Mots clés

Mots clés contrôlés

Stress oxydatif

Exercices aérobies

Muscles striés

Drépanocytose

Mots clés libres

Fatigue musculaire

Drépanocytose

Stress oxydatif

Entraînement aérobie

Muscle fatigue

Hemoglobin disorders

Oxidative stress

Aerobic training

Résumé

La drépanocytose est une maladie caractérisée par la production d’une hémoglobine mutée, l’hémoglobine S, dont les formes les plus répandues sont la forme homozygote S/S et double hétérozygote composite S/C. L’hémoglobine S possède la capacité de polymériser au sein du globule rouge en condition désoxygénée modifiant sa morphologie provoquant ainsi des complications cliniques multi-organiques. Ces patients présentent une capacité à l’exercice réduite dont les causes sont des altérations cardio-vasculaires cependant l’implication du muscle squelettique n’est pas encore totalement caractérisée dans la drépanocytose. En effet, le muscle squelettique drépanocytaire présente une amyotrophie, un remodelage profond de la microcirculation et une diminution de sa capacité à produire de la force cependant la présence d’une dysfonction musculaire à l’exercice n’a pas encore été décrite. Plusieurs études suggèrent que le stress oxydatif pourrait être élevé dans le muscle drépanocytaire expliquant ainsi en partie les altérations observées. Chez les sujets sains, l’exercice chronique aérobie est connu pour améliorer la capacité antioxydante musculaire notamment par l’augmentation de l’activité des enzymes antioxydantes. Cependant, les effets de ce type d’exercice sur le stress oxydatif n’ont pas encore été caractérisés dans la drépanocytose. Ainsi, les objectifs de cette thèse sont de 1) mettre en évidence une dysfonction musculaire chez des patients drépanocytaires S/S et S/C et de 2) déterminer les modifications induites par un exercice chronique aérobie sur le stress oxydatif au sein du muscle squelettique dans un modèle murin drépanocytaire. Lors d’une première étude, des sujets sains (A/A) et patients drépanocytaires S/S et S/C ont effectué un exercice mono-articulaire sous-maximal du quadriceps à une intensité correspondant à 25% de leur force maximale isométrique (Fmax) suivi d’un test de marche de 6 minutes (T6M). Fmax a été mesurée avant et après cet exercice mono-articulaire, et après le T6M et la perte de Fmax a été utilisée pour quantifier la fatigabilité musculaire. Au cours du protocole, les activités électromyographiques du Vastus Lateralis (VL) et du Vastus Medialis ainsi que l’oxygénation musculaire par spectroscopie proche infrarouge du VL ont été mesurés au cours de l’exercice. Le principal résultat de cette étude est que les patients drépanocytaires S/S et S/C présentent une fatigabilité musculaire accrue comparés aux sujets A/A. Cette fatigabilité accrue semble être provoquée par des altérations musculaires plutôt qu’une modification de l’oxygénation musculaire. De plus, il semblerait que les mécanismes d’apparition de la fatigue musculaire soient différents entre les S/S et S/C comme le suggère les modifications des paramètres électromyographiques. Ainsi, le muscle des patients S/C semble moins altéré que celui des patients S/S. Dans une seconde étude, des souris Townes A/A et S/S ont suivi un exercice chronique aérobie d’intensité modérée de 8 semaines puis la mesure de marqueurs permettant de caractériser la balance pro/anti-oxydant a été effectuée dans le gastrocnemius, le plantaris et le soleus. A l’issue de ces 8 semaines, nous avons observé des modifications uniquement dans le gastrocnemius des souris S/S entraînées. En effet, l’activité de la NADPH oxydase ainsi que de la superoxyde dismutase et de la catalase étaient plus élevées chez les souris S/S entraînées. Ces résultats suggèrent une altération de la balance pro/antioxydante en réponse à un exercice chronique aérobie d’intensité modérée au sein du muscle squelettique drépanocytaire. Enfin, contrairement aux souris S/S entraînées, nous n’observons pas de modifications de la balance pro/antioxydante dans les souris S/S sédentaires indiquant que le stress oxydatif ne serait pas augmenté dans le muscle drépanocytaire.

Sickle cell disease (SCD) is a group of hemoglobin disorders sharing a nucleotide mutation in the β-globin gene, such as homozygous sickle cell anaemia (SS) and sickle cell-hemoglobin C disease (SC), with various clinical severities. Red blood cells from SS patients contain around 80-90% of the abnormal haemoglobin S (HbS), while RBCs from SC patients contain about 45% of HbS and 45% of hemoglobin C. When deoxygenated, HbS polymerizes, which causes a mechanical distortion of red blood cells into a crescent-like shape (i.e., sickling) leading multi-organic clinic complications. SCD patients are characterized by a limited exercise capacity caused by cardio-vascular abnormalities however skeletal muscle implication remains unclear. Recently, few studies characterized skeletal muscle in SS patients and showed an amyotrophy, a profound microvasculature remodelling and a decreased maximal strength however an exercise-induced skeletal muscle dysfunction are yet to described in SCD patients. It was also hypothesized that oxidative stress may be increased and participate in the skeletal muscle abnormalities observed in SCD patients. In healthy subjects, chronic aerobic exercise is known to increase the antioxidant capacity, by increasing antioxidant enzymes levels, in the skeletal muscle. However, the effects of this type exercise have not been described in the skeletal muscle of SCD patients. Hence, the aim of this thesis work is 1) to characterize skeletal muscle function during exercise in S/S et S/C patients and 2) to study the effects of chronic exercise on pro/antioxidant balance in the skeletal muscle of transgenic sickle cell mice. In the first study, healthy subjects (AA) as well as S/S and S/C patients performed a submaximal mono-articular exercise of the quadriceps at an intensity set at 25% of maximal isometric torque (Tmax) followed by a 6-minute walk test. Tmax was measured before and after both the mono-articular exercise and the 6-minute walk test and the decrease in Tmax was quantified in order to study skeletal muscle fatigability. Electromyographic activities of the Vastus Lateralis (VL) and the Vastus Medialis as well as oxygenation of the VL, by near infrared spectroscopy, was measured during the exercise. The main result of this study is that SCD patients are characterized by an increased skeletal muscle fatigability compared to AA subjects. This increased skeletal muscle fatigability seems to result from intramuscular abnormalities rather than modification in oxygenation during exercise. Moreover, electromyographic modifications suggest that the modifications responsible for skeletal muscle fatigue are different between S/S and S/C patients. Consequently, it seems that the skeletal muscle of S/C patients may be less altered than in S/S patients. In a second study, Townes sickle cell mice performed 8 weeks of moderate chronic aerobic exercise and oxidative stress markers were measured in the gastrocnemius, the plantaris and the soleus. After 8 weeks of training, we observed an increase in the activity of NADPH oxidase, superoxide dismutase and catalase only in the gastrocnemius of trained S/S mice. These results suggest that pro/antioxidant balance is altered by moderate chronic aerobic exercise in the skeletal muscle of transgenic sickle cell mice. On the opposite, we did not find any modifications in pro/antioxidant balance in sedentary S/S mice suggesting that oxidative stress is not increased in the skeletal muscle in SCD.