Apports des modles animaux dans la comprhension de la dysfonction des muscles respiratoires

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Apports des modèles animaux dans la compréhension
de la dysfonction des muscles respiratoires
SAPP  muscles respiratoires , 18-19 mars 2005

• Ghislaine Gayan-Ramirez
• Katholieke Universiteit Leuven
• Leuven, Belgique

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INTRODUCTION
 Muscles respiratoires muscles squelettiques
- plasticité - stimulus physiologique,
pathologique, traumatique -
altérations au niveau moléculaire ?
fonction Adaptations - propriétés
contractiles - densité capillaire, contenu
métabolique - expression génique
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MODELES EXPERIMENTAUX
Avantages - isoler une pathologie -
uniformité, reproductibilité - beaucoup de
matériel biologique - mise au point de
nouvelles techniques Désavantages -
choix de lespèce animale - pas
représentatif à 100 homme - évolution
temporelle
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MODELES EXPERIMENTAUX DEMPHYSEME
Inhalation - Fumer des cigarettes -
Inhalation de SO2, NO2, particules ultra fines
(silice, poussière de charbon), particules
de diesel  Dégradation tissulaire
enzymes (protéinases élastase, papaïne)
Invalidation génique et surexpression génique
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MODELE DEMPHYSEME / ELASTASE pour - contre
CONTRE Modèle agressif effet après 6
semaines Modèle dinstillation et non
dinhalation Emphysème panlobulaire et non
centrilobulaire Hamsters adéquation taille des
poumons-cage thoracique
POUR Elargissement et distorsion des
alvéoles Anomalie de la fonction pulmonaire ?
CRF, ? compliance pulmonaire Hypoxémie Anomali
es configuration du diaphragme
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MUSCLES SQUELETTIQUES
Propriétés fonctionnelles dun muscle sont
liées à la composition en fibres de ce muscle et
donc aux propriétés de ces fibres? petit
rappel de physiologie

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(No Transcript)
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LA MYOSINE
MHC 220 kDa
MLC-1 essentielle (alcaline)
17-23 kDa
actine
MLC-2 régulatrice (phosphorylable)
ATP
Isoformes lent et rapides MHC et MLC
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TECHNIQUES DE MESURE
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REPARTITION DES ISOFORMES
LENT RAPIDE ATPase
I IIa (IIx) IIb métabolisme
oxydatif (CS, HAD,
SDH) métabolisme glycolytique
(LDH, PFK, HK) Fatigue
Force maximale
Muscle rouge rose blanc MHC ?-sl
ow rapide (MHC-2) MLC 3f/1f
3f/1f Homme 43?2 41?2
17?1 Rat 26?2 21?2 41?2 12?2 Hamster 27?1 4
1?2 32?2 0
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EMPHYSEME ET DISTENSION PULMONAIRE
Raccourcissement du diaphragme à la CRF
NORMAL
BPCO
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CONSEQUENCES DE LA DISTENSION PULMONAIRE
Adaptation de la courbe tension-longueur du
diaphragme à la CRF
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CONSEQUENCES DE LA DISTENSION PULMONAIRE
Relation longueur optimale et opérationnelle
est conservée
Lo inversement proportionnelle à CRF
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DISTENSION PULMONAIRE patient BPCO
Le diaphragme des patients BPCO  fonctionne 
aussi bien que celui des sujets contrôles à un
volume pulmonaire donné (Similowski et al N Engl
J Med 1991) Adaptation de la longueur du
diaphragme(Cassart et al Am J Respir Crit Care
Med 1997 Bellemare et al Chest 2001) perte de
sarcomères?

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DISTENSION PULMONAIRE autres muscles
respiratoires modèle expérimental
Diaphragme crural, muscles parasternaux
intercostaux pas dadaptation (Kelsen et al
Am J Respir Crit Care Med 1994) ?
inadapté? Pas affecté?

Muscles abdominaux (expiratoires) -
transverse de labdomen ? longueur fibres
musculaires ? nombre de sarcomères
- externe oblique pas de changement
(Thomas et al J Appl Physiol 1987)
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EMPHYSEME ET FONCTION DIAPHRAGMATIQUE modèle
expérimental
Mesures in vitro - diaphragme ? force
spécifique (emphysème suffisamment élevé)(Farkas
et Roussos J Appl Physiol 1983 Heunks et al J
Appl Physiol 2000)

? tension tétanique (emphysème sévère)(Lewis
et al J Appl Physiol 1992 van Balkom et al Eur
Respir J 1999 Heunks et al J Appl Physiol 2000)
Résistance à la fatigue ? - ?(Farkas et
Roussos J Appl Physiol 1982 Lewis et al J Appl
Physiol 1992Marchand et al Am J Respir Crit Care
Med 2000) - ou pas de changement (van der
Heijden et al J Appl Physiol 1998)
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EMPHYSEME ET FONCTION DIAPHRAGMATIQUE patient
BPCO
Mesures in vitro diaphragme / fibre isolée
? force spécifique maximale (MHC-I, MHC-2a) ?
sensibilité des myofibrilles pour le
calcium (Ottenheijm et al Am J Respir Crit Care
Med 2004 169 A241)

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EMPHYSEME ET FONCTION DIAPHRAGMATIQUE modèle
expérimental

Mesures in vivo - diaphragme Pdi
emphysémateux gt Pdi normaux (Oliven et al J
Appl Physiol 1986) mécanismes compensatoires?
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EMPHYSEME ET FONCTION DIAPHRAGMATIQUE patient
BPCO
Mesures in vivo diaphragme CRF ? twitch
Pdi emphysémateux (Similowski et al N Engl J Med
1991 Polkey et al Am J Respir Crit Care Med
1996) ? Pes/Pdi emphysémateux Twitch
occlusion emphysémateux proche de lactivation
maximale

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EMPHYSEME ET FONCTION DES AUTRES MUSCLES
RESPIRATOIRES modèle expérimental
Scalène - actif pendant la respiration calme
(EMG) - propriétés contractiles et résistance
à la fatigue inchangées (Fournier et
al J Appl Physiol 2000) ?
Rôle de muscle inspiratoire principal?

Transverse de labdomen, muscle externe
oblique - ? résistance à la fatigue
(Arnold et al J Appl Physiol 1987)
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EMPHYSEME ET FONCTION DES AUTRES MUSCLES
RESPIRATOIRES patient BPCO
Scalène ? EMG ? f de décharge unité
motrice Parasternaux aussi actifs(De Troyer
et al Am J Respir Crit Care Med 1994 Gandevia et
al Am J Respir Crit Care Med 1996)

Muscles du cou et de la cage thoracique
recrutés au repos et pendant lexercice(Martinez
et al Am Rev Respir Dis 1990 Montes de Oca et al
Am J Respir Crit Care Med 1996)
Muscles abdominaux activation
fréquente,recrutement du transverse de labdomen
proportionnel au degré dobstruction
bronchique(Ninane et al Am Rev Respir Dis 1992)
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EMPHYSEME ET FIBRES DIAPHRAGMATIQUES
Patient BPCO ? type II en faveur type
I(Levine et al N Engl J Med 1997 Mercadier et
al Am J Physiol 1998 Nguyen et al J Appl Physiol
2000) ? profil plus lent meilleure résistance
à la fatigue adaptation caractéristique de
lentraînement dendurance

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EMPHYSEME ET FIBRES DIAPHRAGMATIQUES
Modèle expérimental?CSA type II et/ ou I,
diaphragme plus épais même poids(Lewis et al J
Appl Physiol 1992 Kelsen et al Am Rev Respir Dis
1983) Patient BPCO - ? CSA type II
proportionnelle au poids corporel (Hughes et
al Respiration 1983)- ?CSA type II
(Ishikawa et Hayes Am Rev Respir Dis 1973 Scott
et al J Pathol 1976)

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EMPHYSEME ET FIBRES MUSCULAIRES autres muscles
Scalène idem diaphragme, propriétés
contractiles inchangées (Fournier et al J Appl
Physiol 2000)

Muscles abdominaux - ? type I
transverse de labdomen ? CSA type II (NS
externe oblique) - épaisseur ?
proportionnelle au poids corporel
et inversement proportionnelle au volume
pulmonaire (Thomas et al J Appl Physiol 1987)
Patient BPCO ?
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EMPHYSEME ET ACTIVITE ENZYMATIQUE ? capacités
oxydatives

• Patient BPCO capacités oxydatives mieux
  préservées que capacités glycolytiques (Sanchez
  et al Bull Eur Physiopathol Respir 1984 Levine
  et al J Appl Physiol 2002 Gea et al Am J Respir
  Crit Care Med 1999 159A579) Scalène ? SDH
  (Fournier et al J Appl Physiol 2000) Muscles
  intercostaux ? CS (Farkas et Roussos J Clin
  Invest 1984) idem patient BPCO (Sanchez et al
  Eur Respir J 1988) Adaptation caractéristique
  de lentraînement dendurance

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EMPHYSEME ET CHANGEMENTS STRUCTURAUX modèle
expérimental
Taille de la myosine et lactine inchangée
Nombre de capillaires - proportionnelle à
?surface des fibres Configuration
des capillaires longs,sinueux,
? anastomoses - faciliter diffusion
et extraction O2 -
minimaliser rétrécissement lumière
capillaire (Poole et al J Appl
Physiol 1997)

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EMPHYSEME ET CHANGEMENTS STRUCTURAUX patients
BPCO
Nombre de capillaires DIAPHRAGME ?
proportionnellement selon gravité maladie
relation du nombre de capillaires avec VEMS
INTERCOSTAUX EXTERNES idem diaphragme

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EMPHYSEME ET EXPRESSION GENIQUE modèle
expérimental
Diaphragme pompe SERCA pas de changement
(Kim et al Respir Res 2003) ? MyoD/myogenin
(Reynders et al Eur Respir J 2002) MyoD
muscle rapide myogenin muscle lent ?
Id-1 et Id-2 (Reynders et al Eur Respir J 2002)
protéine Id inhibiteur de la myogénèse

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EMPHYSEME ET SOUS-ALIMENTATION modèle
expérimental
emphysème sous-alimentation (6
semaines) Longueur optimale ? pas
deffet additionnelForce spécifique ?
pas deffet additionnel Résistance fatigue
? ?Atrophie
type II généralisée (II surtout)Succinate DH
? pas deffet additionnelCapillaire/fibre
? ?Capillaire/CSA
? (Lewis et al J appl Physiol
1994)

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EMPHYSEME ET THERAPIE modèle expérimental
corticostéroïde et nandrolone
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EMPHYSEME ET THERAPIE modèle expérimental
corticostéroïde et IGF-I
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EMPHYSEME ET THERAPIE modèle expérimental
corticostéroïde et IGF-I

plt0.05 vs emph et emphcorticoIGF-I
500
400

300
Poids du diaphragme
(mg)
200
100
0
Emph
Emph
Emph
cortico
corticoIGF-I
(Fournier et al Am J Physiol Regul Integr Comp
Physiol 2003)
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EMPHYSEME ET THERAPIE modèle expérimental
clenbutérol
Diaphragme
Contrôle
35
Emph
30

Emphclenb 3 mois
)
2
25
20
Force (N/cm
15
10

5
0
1 Hz

160 Hz
(van der Heijden et al J Appl Physiol 1998)
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EMPHYSEME ET THERAPIE modèle expérimental
entraînement
Entraînement dendurance course 1h/j -
7j/semaine - 20 semaines fonction
diaphragmatique (Farkas et Roussos J Appl
Physiol 1982) ? CSA type II ? CSA type
I (Farkas et Roussos J Clin Invest 1984)
course 15min/j - 5j/semaine - 12 semaines tapis
incliné 5 fonction diaphragmatique mais Po
normale stress oxydant non résorbé par
lentraînement (Heunks et al J Appl Physiol
2000)

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EMPHYSEME ET THERAPIE chirurgie de réduction de
volume pulmonaire
Patient BPCO thérapie amélioration
de la fonction des muscles inspiratoires? ?
Pressions maximales inspiratoires (Teschler et
al Eur Respir J 1996 Laghi et al Am J Respir
Crit Care Med 1998)

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EMPHYSEME ET THERAPIE modèle expérimental -
chirurgie de réduction de volume pulmonaire
? Nombre de sarcomère (Shrager et al Chest
2002) Courbe tension longueur longueur
longue (Shrager et al J Thorac Cardiovasc Surg
2001) Patient BPCO ? longueur après CRVP
(Lando Am J Respir Crit Care Med 1999)

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CONCLUSIONS

• Modèle animal
• - Utile pour cerner une pathologie/traitement
• - Mise au point de nouvelles techniques
• - Prudence extrapoler les données au sujet
  humain
• Muscles respiratoires
• - Plasticité
• - Explorer la fonction des muscles respiratoires
• - Progresser la recherche