Facteurs de croissance et développement musculaire

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Facteurs de croissance et développement musculaire
Troisième Conférence Nationale Médicale Interfédérale
CNOSF
Facteurs de croissance et développement musculaire
Arnaud FERRY
UMR 787 Groupe Myologie et Université Paris 5, Paris
Je remercie le Directeur de l’IRMES de m’avoir invité à présenter cet exposé. Vous aurez
noté que je remplace Madame Gillian BUTLER-BROWNE.
1. A l’origine du développement de la masse musculaire
Le muscle squelettique joue un rôle extrêmement important de moteur du mouvement, mais
également de frein du mouvement. Le développement musculaire résulte d’un phénomène de
synthèse protéique. Indépendamment de ce phénomène se produit une dégradation des
protéines. La masse musculaire dépend de cette synthèse et de cette dégradation.
Synthèse protéique / Dégradation des protéines
2. Principaux facteurs de croissance
Les facteurs impliqués dans le développement de la masse musculaire sont notamment les
aliments et l’activité physique laquelle est susceptible de provoquer une augmentation de la
masse musculaire. Ou bien, lorsqu’elle diminue par rapport à la normale, de provoquer un
phénomène d’atrophie musculaire. Les hormones (insuline, testostérone, etc.) sont connues
pour agir de façon variée sur la masse musculaire. La testosterone et certains bétaadrénergiques ont plutôt un effet anabolisant. A l’inverse, des hormones telles que les
glucocorticoïdes conduisent à une atrophie musculaire. Il existe aussi toute une série de
facteurs de croissance (IGF-1, GDF-8/myostatine, etc.) qui jouent un rôle local, au niveau du
muscle lui-même. Ces facteurs de croissance contrôlent les cellules satellites qui sont
impliquées dans la myogenèse, c'est à dire le processus de formation du muscle.
Facteurs impliqués dans le développement de la
masse musculaire
Aliments
Facteurs de
croissance (IGF-1/M GF,
GDF8…) qui vont contrôler la
myogénese assurée
notamment grace aux cellules
satellites…)
Paris, les 28 et 29 novembre 2006
Activité physique
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Hormones (Insuline, GH,TH, hormones sexuelles, betaadrenergiques, glucocorticoides…)
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Ces cellules satellites, qui sont accolées à la fibre musculaire, jouent un rôle important et
connu : elles permettent la régénération après un traumatisme. Elles participent également à la
croissance post-natal des fibres musculaires. L’augmentation de la masse musculaire peut se
faire par deux moyens : soit par le phénomène d’hypertrophie (c'est à dire l’augmentation de
la section de fibre musculaire) soit par le phénomène d’hyperplasie qui n’est pas encore
entièrement établi chez l'homme. L’hyperplasie est l’augmentation du nombre de fibres
musculaires. Dans les deux cas les cellules satellites interviennent. Lors d’un traumatisme ou
d’une séance d’entraînement, des signaux sont générés et perçus par les cellules satellites qui
s’activent et prolifèrent, puis finissent par fusionner avec la fibre qui est en train de
s’hypertrophier. Les arguments à l’appui de ce phénomène proviennent du fait que, lorsque la
fibre s’hypertrophie, de plus en plus de noyaux apparaissent dans la fibre musculaire ne
pouvant avoir été apportés que par les cellules satellites ayant fusionné avec la fibre qui
s'hypertrophie. Les noyaux contrôlent la synthèse des protéines nécessaires à la synthèse de
nouveaux sarcomères en parallèles.
Cellule satellite :
La cellule satellite (progéniteur musculaire) a pour role d’assurer :
-la régénération après traumatisme,
-la croissance des fibres
Rôle de la Cellule satellite
Hypertrophie musculaire
Dommage musculaire/exercice musculaire
Activation des cellules satellites
Prolifération
Fusion
Cellule Satellite
Hypertrophie
FromT.A. Partridge
3. Contrôle de la masse musculaire
a. Données identifiées chez la souris
De nombreux facteurs de croissance ont été identifiés chez la souris, mais relativement peu de
données existent sur l’homme. Des facteurs tels que l’HGF, le FGF, l’IGF-1 et la myostatine
(dite GDF-8) jouent un rôle important dans le contrôle de la masse musculaire. L'IGF-1 a été
particulièrement bien étudiée ces dernières années pour différentes raisons.
Facteurs de croissance étudiés
Chez la souris,
IGF-1?
Chez la souris
HGF
Invalidation IGF-1 (R-IGF-1)
Dommage musculaire
Activation des cellules satellites
Prolifération
FGF-6
• Retard de croissance pré et postnatal
Surexpression IGF-1
• Hypertrophie musculaire
• Poids adulte réduit de 30%
• Prévient la perte de masse
musculaire liée à l’âge
• Hypotrophie pulmonaire, osseuse
et musculaire
• Améliore la régénération
musculaire
•In vitro, myoblastes IGF-1 Tg:
capacité proliférative X 2
IGF-1
Différenciation
KOm R-IGF-1
Myostatine/GDF8
Paris, les 28 et 29 novembre 2006
Et chez l’homme?
D. LeRoith
N. Rosenthal
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L’action de l'IGF-1 est plus compliquée qu’il n’y semblait initialement. Différentes protéines
sont produites. Des isoformes circulent en réponse à la sécrétion d’hormone de croissance,
tandis que d’autres ne circulent pas et sont produites localement par le muscle (en réponse à
des signaux de réparation ou d’exercice). Lorsque le muscle est placé en surcharge mécanique
(chez la souris), une isoforme (MGF) augmente en quantité importante, ce qui constitue un
argument fort en faveur de l’importance de l’IGF-1 dans le phénomène d’hypertrophie
musculaire.
IGF1/MGF (mecano growth factor): isoformes
IGF1/MGF et surcharge mécanique
Goldspink, G. Physiology 20: 232-238 2005;
doi:10.1152/physiol.00004.2005
The insulin-like growth factor gene is spliced in muscle as a result of exercise and/or
muscle damage and hormones. In human muscle, a 49-base insert changes the reading
frame in mechano growth factor (MGF), resulting in a different carboxy peptide
Goldspink, G. Physiology 20: 232-238 2005;
doi:10.1152/physiol.00004.2005
IGF1/MGF expression in the soleus and plantaris muscle of after 5 days of surgical
overload induced by tendon oblation for young, mature, and old rats
Data are from Owino et al
Copyright ©2005 American Physiological Society
Copyright ©2005 American Physiological Society
b. Recherches sur le muscle squelettique humain
Le laboratoire UMR 787 dont je suis issu, en relation avec l’Institut de Myologie localisé sur
le site de la Pitié-Salpêtrière, a cherché ces dernières années à déterminer le rôle de l’IGF-1
sur le muscle squelettique humain. C'est d’ailleurs l’une des rares études qui se soit intéressée
à l’homme (et non à la souris).
Le laboratoire a mis en culture des cellules satellites issus de prélévements musculaires,
lesquelles deviennent des myoblastes fusionnant entre eux pour former des myotubes,
c'est-à-dire de petites fibres musculaires, dont le stade de différenciation est malheureusement
moins poussé in vitro qu’au niveau d’une fibre musculaire in situ.
Myogenese humaine in vitro
Progéniteur
quiescent
Myoblastes
mononucléés
Isolation
Proliferation
(explant, enzymes) (GF, cytokines)
Paris, les 28 et 29 novembre 2006
Myotubes
multinucléés
Fusion
Differentiation
(cytokines)
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L’IGF-1 ne semble joue aucun rôle important sur la prolifération des myoblastes. En
revanche, l’IGF-1 augmente la taille des myotubes, donc la synthèse protéique.
L’IGF-1 induit une hypertrophie des myotubes humains
Diamè tre des Myotubes
Nb moyen de noyaux par myotube
0,5
30
***
25
20
*
*
0,4
***
0,3
15
0,2
10
0,1
5
0
ctrl
0
25
50
100
5
ng/m l ng/ml ng/ml ng/ml
Ê dose dépendante du nombre
de noyaux par myotube
ctrl
IGF-1
Ê diamètre des myotubes
IGF-1
contrôle
Le laboratoire a déterminé la voie, dite Akt, impliquée dans cette synthèse de protéines.
Parallèlement, le laboratoire s’est rendu compte que l’IGF-1 exercait son effet, du moins en
partie, à travers le recrutement des cellules satellites, via un facteur soluble local qui est
l'IL13. En résumé, chez l'homme, l’IGF-1 se fixe sur son récepteur.
Quel est le facteur soluble responsable du recrutement des
cellules réserves?
IGF-1 induit un recrutement des cellules réserves
Nb
⇒ Utilisation d’anticorps neutralisants
de cellules réserves par champ
50
Index de fusion
70
40
***
desmine
***
-
65
***
**
NS
***
NS
***
NS
NS
**
30
Nb moyen de noyaux par myotube
*
100
60
*
55
20
50
50
10
45
Myotube
Cellule réserve
control
IGF-1
IGF-1+ IGF-1+ IGF-1+ IGF-1+
IL-13 Ab IL-4 Ab IL-15 Ab sourisAb
0
control
IGF-1
IGF-1+IL-13 Ab
0
ctrl
IGF DM0
IGF DM3
⇒ Neutralisation d’IL-13 inhibe Ê index de fusion
Ì Nombre de cellules réserves
et Ê nb noyaux/myotube induites par l’IGF-1
⇒Traitement par IL-13 mime l’hypertrophie induite par l’IGF-1
Des voies de signalisation sont sollicitées, ce qui conduit à une production d’interleukine-13,
laquelle active les cellules satellites. Les myoblastes fusionnent avec la fibre musculaire.
L’IGF-1 contrôle la synthèse mais aussi la dégradation protéique. Les sujets de recherche sont
nombreux, notamment en ce qui concerne les effets respectifs des différentes isoformes
d'IGF-1.
Modèle des mécanismes impliqués dans l’hypertrophie
des myotubes humains induite par l’IGF-1
Myotube
Pax7-,
MyoD+,
Myogenine+,
Desmine +
IGF-1
IGF-1 R
Akt
calcineurine
Foxo
mTOR
Atrogine-1
p70S6K/S6
Ì Dégradation protéique
Cellules réserves
Pax7+,
MyoD-,
Myogenine-,
Desmine +
Paris, les 28 et 29 novembre 2006
GSK3
NFATc2
Ê Synthèse protéique
Fusion
IL-13
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L'IGF-1 n'est pas le seul facteur de croissance qui suscite l'intérêt. Un autre facteur de
contrôle musculaire est la myostatine (également appelée GDF-8) qui est un régulateur négatif
de la masse musculaire. Chez une souris qui surexprime l’inhibiteur de la myostatine, le
développement musculaire est beaucoup plus important. Les fibres sont plus grosses et plus
nombreuses. Cela peut donner des idées dans le domaine du dopage pharmacologique ou
génétique…
Myostatine/GDF8
Il demeure beaucoup d’éléments à étudier, et principalement chez l’homme, s’agissant des
paramètres responsables du développement musculaire.
Questions-réponses avec l’amphithéâtre
Jean-François TOUSSAINT
Observe-t-on à des mutations des isoformes spécifiques de l’IGF-1, qui pourraient conduire à
une augmentation spontanée de la masse musculaire chez l’homme ?
Arnaud FERRY
Je n’ai pas souvenir d’avoir rien lu de tel, mais je ne suis pas un spécialiste de la question. En
revanche, c'est connu dans le cas de la myostatine.
Jean-François TOUSSAINT
On s’aperçoit que la prise de stéroïdes ne perturbe pas la linéarité entre le nombre de noyaux
hypertrophiés et la masse musculaire. Quels sont les effets délétères de la prise de stéroïdes,
notamment sur les télomères ?
Paris, les 28 et 29 novembre 2006
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Arnaud FERRY
Des effets secondaires bien connus se situent en termes de risques, notamment, de cancer et
cirrhose du foie. De plus, j'ai le souvenir que le laboratoire a constaté que les fibres
musculaires montrent par ailleurs des formes de dégénérescence, tout le problème étant de
savoir si ces formes de dégénérescence sont liée à la prise d’une substance ou bien à
l’intensité de la pratique physique.
Olivier COSTE, médecin conseiller de la DRDJSVA de Languedoc-Roussillon, FF de
Triathlon
Que pensez-vous de l’utilisation actuelle – entre autres, dans de grands clubs de football
européens - de facteurs de croissance plasmatique après blessure musculaire ?
Arnaud FERRY
Le problème de l’administration des facteurs de croissance est que, chez un muscle lésé, leur
utilisation ne correspond pas à la situation dans laquelle ils sont produits par la fibre
musculaire. Celle-ci en produit certains au début de la lésion, puis d’autres au terme de
plusieurs jours seulement, selon une cinétique complexe. Le fait de les administrer de façon
brutale en une seule fois risque de ne pas correspondre à cette cinétique et donc de ne
présenter aucun intérêt.
Gérard DINE, médecin biologiste, Ministère de la Recherche
On a identifié en 2004 le gène de la protéine de résorption de la myostatine chez le bovin
belge. La mutation humaine a été découverte en 2005.
En 1998, on a identifié la pratique de l’utilisation d’un cocktail IGF-1 et insuline dans un but
de recharge immédiate (qu’on pourrait appeler réparation musculaire médicalement assistée).
J’ai été commis expert judiciaire sur ce dossier en Italie, où je dois assurer la coordination.
Sur quoi faut-il se pencher spécifiquement, s’agissant des substances délivrées à ces sportifs ?
Il me paraît ennuyeux qu’un certain nombre de footballeurs italiens aient connu quelques
soucis de santé sur les sphères neurologiques et musculaires. J’ajoute qu’il s’agit d’un
protocole qui a été écrit et distribué à grande échelle.
Arnaud FERRY
Le problème est que les publications ont très peu analysés les conséquences de l’IGF-1 chez
l’homme. Toutes les connaissances proviennent essentiellement de modèles animaux. Je
déplore cette absence quasi-complète de données de ce type chez l’homme. Toutefois, des
effets secondaires néfastes sont très prévisibles, ce qui doit inciter à ne plus administrer de
façon systémique ce facteur.
Jean-François TOUSSAINT
Quels sont les méthodes à mettre en place aujourd’hui pour un suivi sur le long terme de ce
type d’interventions, en particulier pour revenir sur des mutations ou des phénotypes
particuliers ?
Paris, les 28 et 29 novembre 2006
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Gérard DINE
Nous n’avons pas mis en place ce genre de suivi en France. Les Italiens sont pour leur part en
train de le mettre en place. Il aurait effectivement fallu que nous anticipions il y a dix ans la
constitution d’une biothèque, lorsqu’on a découvert ce type d’utilisation à grande échelle.
Aujourd’hui en Italie, la Commission médicale et scientifique du CONI joue un rôle de très
grande importance vis-à-vis de la constitution d’une biothèque. Il manque en France une
structure de cette puissance.
Le chantier est grand et les problématiques nombreuses. Par exemple, faudrait-il surveiller le
cœur, en songeant à une hypertrophie cardiaque ? La question est en devenir.
Arnaud FERRY
J’ai parlé de facteurs locaux, qui ont peu de chances d’être produits en quantité suffisante par
le muscle pour être libéré dans la circulation. Ces facteurs locaux musculaires sont a priori
peu présents dans la circulation.
François CARRE, professeur des Universités, praticien hospitalier, Rennes I
Les effets secondaires des stéroïdes sur le cœur sont connus. Il conviendrait de déterminer si
l’utilisation des facteurs de croissance a un retentissement cardiaque et vasculaire.
Paris, les 28 et 29 novembre 2006
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