Physiopathologie du coup de chaleur d'exercice

Pathophysiology of exertional heat stroke

• Auteur / Autrice : Clara Charpentier
• Direction : Julien Faure
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Neurosciences - Neurobiologie
• Date : Inscription en doctorat le 16/10/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale chimie et science du vivant
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Grenoble Institut des Neurosciences
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Myologie et Pathologies - CSV

Mots clés

Mots clés libres

Coup de chaleur d'exercice

Couplage exictation contraction

Muscle squelettique

Cacna2d4

Canaux calciques voltage dépendants

Exertional heat stroke

Excitation contraction coupling

Skeletal muscle

Cacna2d4

Voltage gated calcium channel

Résumé

L'hyperthermie d'effort (HE) se manifeste par une forme spécifique de crise d'hyperthermie lors d'activités physiques intenses chez des individus jeunes et en bonne santé. Elle est définie par une élévation anormale et incontrolée de la température corporelle impliquant un état hypermétabolique des muscles squelettiques ainsi que des signes neuronaux, allant de la confusion au coma. La crise HE est létale si elle n'est pas traitée, en raison d'un risque de défaillance multiviscérale, et est la troisième causes de décès chez athlètes. L'HE partage de nombreux symptômes avec l'hyperthermie maligne (HM), une maladie pharmacogénétique déclenchée par l'exposition à des anesthésiques halogénés, et principalement due à des mutations du gène RYR1, dont le produit (RyR1) est le canal calcique indispensable à la contraction des muscles squelettiques. Cependant l'HE n'est jusqu'à présent pas caractérisée génétiquement et sa physiopathologie est encore floue. Grâce à des investigations sur une cohorte de militaires ayant souffert d'HE, l'unité de génétique moléculaire du CHUGA et l'équipe « Myologie et Pathologie Cellulaire » (GIN) ont découvert des mutations dans les gènes TRPV1 et CACNA2D4. TRPV1 (Transient Receptor Potential Vanilloid 1) encode un canal cationique non sélectif avec une perméabilité élevée aux ions Ca2+ d'expression ubiquitaire. Il agit comme un nocicepteur, et est activé par une température élevé, un environnement acide, l'étirement membranaire ou des toxines animales. Il a été décrit initialement comme la cible de la capsaïcine, le principe actif du piment. CACNA2D4 code pour la sous-unité 24 des canaux calciques voltage-dépendants. Les quatre isoformes connues de 2 sont impliquées dans le contrôle des canaux calciques voltage-dépendant, tels que le canal Cav1.1 qui est un composant essentiel du processus d'excitation-contraction dans le muscle squelettique. L'activation de Cav1.1 suite à une dépolarisation du sarcolemme induit directement l'ouverture du canal RyR1, induisant la libération massive de calcium intracellulaire nécessaire à la contraction musculaire. L'équipe « Myologie Cellulaire et Pathologie » a produit des modèles de souris knock-in pour une mutation retrouvée chez un patient ayant fait une crise HE dans chacun de ces deux gènes. L'objectif du projet de doctorat est de comprendre la physiopathologie de l'HE grâce à l'étude des muscles squelettiques et du système nerveux central de ces modèles. Des études moléculaires sur des cultures de cellules primaires (cellules musculaires et neurones) permettront de comprendre l'effet de la mutation sur la localisation et la fonction des canaux. L'impact des mutations sur les partenaires moléculaires des deux protéines sera également testé. Des expériences d'imagerie calcique seront réalisées avec des cellules primaires différenciées en culture pour évaluer l'impact des mutations sur la signalisation calcique, et l'effet des agonistes ou antagonistes connus de Trpv1 (résinifera toxin, capsaïcine, chaleur, pH acide) sera étudié. Les modèles de souris knock-in seront également utilisés pour suivre les signes de crise d'HE lors de protocoles d'exercices intenses chez les animaux. L'HE partage des signes cliniques avec l'HM, et la question du risque d'HM pendant l'anesthésie chez les patients ayant fait une crise HE reste aujourd'hui non résolue. La sensibilité aux anesthésiques halogénés des deux modèles de souris K-in HE sera donc également testée. Le projet vise à une meilleure compréhension de la physiopathologie de l'HE, devant aboutir à un rationnel de mise en évidence de cibles thérapeutiques potentielles. Il s'appuie sur les premiers modèles génétiques murins d'HE et impliquera à la fois la physiologie animale et des études moléculaires et cellulaires.

Exertional Heat stroke (EHS) manifests as a specific form of hyperthermia crisis in young and otherwise healthy individuals during strenuous physical activities, and is defined by an abnormal elevation of body temperature involving a hypermetabolic state of skeletal muscle as well as neuronal signs ranging from confusion to coma. It is lethal if untreated due to a risk of multi-organ failure, and ranges third among the cause of athlete's death. EHS shares numerous symptoms with Malignant Hyperthermia (MH), a pharmacogenetic disease triggered by exposure to halogenated anesthetics, and mainly due to mutations in the RYR1 gene regulating calcium homeostasis during skeletal muscle contraction. However, EHS is so far not genetically characterized, and its pathophysiology is still unclear. Thanks to genetic investigations on a cohort of soldiers having experienced EHS, the molecular genetic unit of Grenoble Hospital and the Cellular Myology and Pathology team (GIN) have discovered mutations in the TRPV1 and CACNA2D4 genes. Transient Receptor Potential Vanilloid 1 (TRPV1) is a non-selective cation channel with high permeability for Ca2+ and a large range of tissue expression. It is a molecular sensor of noxious temperature but can also be activated by the acidic environment, stretch, or animal toxins and was first described as the target of capsaicin, the pungent molecule of chili pepper. CACNA2D4 encodes the 24 subunit of voltage-dependent calcium channels. The four known isoforms of 2 are involved in the control of voltage-dependent calcium channels, such as the Cav1.1 channel which is an essential component of the excitation-contraction process in skeletal muscle. In fact, Cav1.1 activation following a sarcolemma depolarization directly induces the opening of the RyR1 channel, inducing the massive intracellular calcium release required for muscle contraction. Knock-in mice models were produced for one mutation in each gene and the goal of the PhD project is to decipher EHS physiopathology by studies with these animal models of EHS. Investigations on the role of skeletal muscle and central nervous system will be undertaken. Molecular studies on primary cell cultures (muscle cells and neurons) will allow investigations on the effect of the mutation on channel localization and function. The impact of the mutations on the molecular partners of both proteins will also be tested. Calcium imaging experiments will be performed with primary cells differentiated in culture to monitor the impact of the mutations on calcium signalization, and the effect of known agonists or antagonists of Trpv1 (resinifera toxin, capsaicin, heat, acidic pH) will be investigated. Knock-in mice models will also be used to follow the signs of HE crisis during protocols of intense exercise. Because EHS shares cardinal signs with MH, the question of the risk of MH during anesthesia in patients having experienced EHS was often asked, without a clear answer due to a lack of EHS model. The sensitivity to halogenated anesthetics of both K-in mice models will therefore be also tested The project aims at a better understanding of EHS physiopathology, leading to a rational design of potential therapeutic targets. It is based on the first genetic mice models of EHS, and will involve both animal physiology and molecular and cellular studies.