Rôle de l'hypoxie intermittente dans le développement de la cardiopathie ischémique : Implications des perturbations de l'homéostasie calcique

par Maximin Detrait

Projet de thèse en Physiologie-Physiopathogies-Pharmacologie

Sous la direction de Claire Arnaud.

Thèses en préparation à l'Université Grenoble Alpes (ComUE) , dans le cadre de École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble) , en partenariat avec Hypoxie et Physiopathologie cardiovasculaire et respiratoire (laboratoire) et de Recherche fondamentale (equipe de recherche) depuis le 01-10-2016 .


  • Résumé

    Le développement thérapeutique des 40 dernières année a permis de réduire la mortalité suite à un infarctus du myocarde (IM), cependant, cela à mener à une augmentation de l'incidence et de la mortalité de l'insuffisance cardiaque (IC)1. Il parait essentiel d'identifier précocement les conditions physiopathologiques qui amène à la progression de l'IC post-IM afin de les traiter précocement. Le syndrome d'apnée obstructive du sommeil (SAOS) apparait comme étant un facteur aggravant. Le SAOS est un vrai problème de santé publique au vu de sa prévalence élevée et de sa mortalité cardiovasculaire associée2. De récentes études montrent que la sévérité du SAOS est un facteur de mortalité indépendant chez les patient suite à un IM3, 4. Et suite à cet IM, ces patients SAOS ont une taille d'infarctus5 et une charge de travail du myocarde6 plus élevées comparé à des patients non apnéiques. De plus, des études observationnelles révèle une diminution de la survie des patients SAOS qui ont une IC7. Les SAOS est caractérisé par une répétition d'apnées durant le sommeil, causant une fragmentation du sommeil, un changement de pression intra-thoracique et une hypoxie intermittente (HI). Cette hypoxie intermittente est considérée comme étant la composante la plus délétère sur le système cardiovasculaire8. Il a clairement été établi chez l'animal que l'HI est associé à une augmentation de la susceptibilité à l'infarctus suite à un épisode d'ischémie reperfusion (IR), entrainant un IM plus important9-13. Le rôle de l'HI dans le développement de l'IC post-IM n'est cependant pas connu. D'un point de vue mécanistique, les perturbations de l'homéostasie calcique figure parmi les mécanismes physiopathologiques de l'IC, et contribue au remodelage cardiaque et à la dysfonction contractile14. Des études récentes de notre laboratoire15 et d'autres16, suggèrent que l'HI induit une dérégulation de l'homéostasie calcique qui pourraient aggraver le développement de l'IC post-IM. D'un point de vue thérapeutique, les bénéfices d'un exercice aérobie régulier sur le système cardiovasculaire sont largement reconnus et de récente études montrent des effets bénéfiques de l'exercice chez des patients IC post-IM17. Dans le laboratoire, nous avons montré que l'exercice intense de courte durée réduit aussi la taille de l'infarctus de rat exposé à l'HI18. HYPOTHESES ET OBJECTIVES : Nous avons émis l'hypothèse que l'HI induit des perturbations intracellulaires du transport calcique, responsable du remodelage cardiaque et de la dysfonction contractile. C'est pourquoi nous proposons d'évaluer : 1) L'impact de l'HI sur le remodelage cardiaque et la dysfonction du ventricule gauche à l'aide d'un modèle d'IC post-IM. 2) Les mécanismes de l'HI impliqués dans les altérations cardiaques de l'IC post-IM. Nous nous intéresserons particulièrement aux perturbations de l'homéostasie calcique induites par l'HI, entrainant la dysfonction cellulaire et la mort. 3) Si l'exercice prévient les effets délétères de l'HI sur un modèle d'IC post-IM, et de déterminer si ces effets bénéfiques passent par une restauration des flux calciques intracellulaire. Cette étude nous permettra d'évaluer l'importance de diagnostiquer précocement un SAOS chez les patients qui viennent d'avoir un IM afin de leurs proposer l'exercice comme une thérapie efficace, peu couteuse, dans le but de ralentir le développement de l'IC post-IM chez ces patients apnéiques. METHODES: 1) Nous avons développé un modèle d'IC post-IM chez le rat (ligature permanente de la coronaire) 2) Ces rats IM sont exposés à l'HI (dispositif automatisé) 3) Un suivi hebdomadaire de l'évolution fonctionnelle et morphologique est permis à l'aide d'échocardiographie (dimension ventriculaire/épaisseur, fraction d'éjection). Une analyse des courbes pression-volume (cathétérisme cardiaque) et le remodelage cardiaque (RT-qPCR, histologie) sont évalués en fin de protocole. 4) L'utilisation de la microscopie confocale sur les cardiomyocytes isolés de nos différents groupes de rats nous permettra d'évaluer le trafic intracellulaire du calcium, la longueur du sarcomère, la fraction de raccourcissement. Une analyse spécifique des voies de signalisations calcique sur cardiomyocytes isolés et sur cœurs entiers (Western-blot, RT-qPCR, approches pharmacologiques) sera réalisée. Le matériel est disponible au laboratoire HP2 ou sur les plateformes UJF (GAIA pour l'échographie et l'IAB pour la microscopie confocale). RESULTATS PRELIMINAIRES : Après une semaine d'exposition des rats IC post-IM à l'HI, nous avons validé notre protocole de ligature en comparant les rats non exposés à l'HI (normoxiques) aux rats contrôles. Nous ne montrons pas de différences entre nos rats exposés à la normoxie et à l'HI, sur le remodelage global du ventricule (dimension), et sur l'expression protéique des acteurs de l'homéostasie calcique. Cependant, nous montrons une expression plus importante des marqueurs de l'hypertrophie, une tendance à la fibrose plus importante et une fonction moins altérée dans le groupe HI par rapport au normoxique. Ce qui nous laisse penser que l'HI accélère le phénomène de compensation, par une activation plus importante du système nerveux sympathique, bien connue dans l'HI. Cette activation est décrite dans la littérature comme étant délétère dans le développement de l'IC, des expositions plus longues nous permettrons de mieux comprendre le rôle de l'HI. 1. Velagaleti RS, Pencina MJ, Murabito JM, Wang TJ, Parikh NI, D'Agostino RB, Levy D, Kannel WB, Vasan RS. Long-term trends in the incidence of heart failure after myocardial infarction. Circulation 2008;118:2057-2062. 2. Levy P, Ryan S, Oldenburg O, Parati G. Sleep apnoea and the heart. Eur Respir Rev 2013;22:333-352. 3. Lee CH, Khoo SM, Chan MY, Wong HB, Low AF, Phua QH, Richards AM, Tan HC, Yeo TC. Severe obstructive sleep apnea and outcomes following myocardial infarction. J Clin Sleep Med 2011;7:616-621. 4. Won CH, Chun HJ, Chandra SM, Sarinas PS, Chitkara RK, Heidenreich PA. Severe obstructive sleep apnea increases mortality in patients with ischemic heart disease and myocardial injury. Sleep Breath 2013;17:85-91. 5. Buchner S, Satzl A, Debl K, Hetzenecker A, Luchner A, Husser O, Hamer OW, Poschenrieder F, Fellner C, Zeman F, Riegger GA, Pfeifer M, Arzt M. Impact of sleep-disordered breathing on myocardial salvage and infarct size in patients with acute myocardial infarction. Eur Heart J 2014;35:192-199. 6. Hetzenecker A, Buchner S, Greimel T, Satzl A, Luchner A, Debl K, Husser O, Hamer OW, Fellner C, Riegger GA, Pfeifer M, Arzt M. Cardiac workload in patients with sleep-disordered breathing early after acute myocardial infarction. Chest 2013;143:1294-1301. 7. Wang H, Parker JD, Newton GE, Floras JS, Mak S, Chiu KL, Ruttanaumpawan P, Tomlinson G, Bradley TD. Influence of obstructive sleep apnea on mortality in patients with heart failure. J Am Coll Cardiol 2007;49:1625-1631. 8. Dematteis M, Godin-Ribuot D, Arnaud C, Ribuot C, Stanke-Labesque F, Pepin JL, Levy P. Cardiovascular consequences of sleep-disordered breathing: contribution of animal models to understanding the human disease. ILAR J 2009;50:262-281. 9. Belaidi E, Joyeux-Faure M, Ribuot C, Launois SH, Levy P, Godin-Ribuot D. Major role for hypoxia inducible factor-1 and the endothelin system in promoting myocardial infarction and hypertension in an animal model of obstructive sleep apnea. J Am Coll Cardiol 2009;53:1309-1317. 10. Joyeux-Faure M, Stanke-Labesque F, Lefebvre B, Beguin P, Godin-Ribuot D, Ribuot C, Launois SH, Bessard G, Levy P. Chronic intermittent hypoxia increases infarction in the isolated rat heart. J Appl Physiol (1985) 2005;98:1691-1696. 11. Park AM, Suzuki YJ. Effects of intermittent hypoxia on oxidative stress-induced myocardial damage in mice. J Appl Physiol (1985) 2007;102:1806-1814. 12. Ramond A, Godin-Ribuot D, Ribuot C, Totoson P, Koritchneva I, Cachot S, Levy P, Joyeux-Faure M. Oxidative stress mediates cardiac infarction aggravation induced by intermittent hypoxia. Fundam Clin Pharmacol 2013;27:252-261. 13. Totoson P, Fhayli W, Faury G, Korichneva I, Cachot S, Baldazza M, Ribuot C, Pepin JL, Levy P, Joyeux-Faure M. Atorvastatin protects against deleterious cardiovascular consequences induced by chronic intermittent hypoxia. Exp Biol Med (Maywood) 2013;238:223-232. 14. Ni L, Zhou C, Duan Q, Lv J, Fu X, Xia Y, Wang DW. beta-AR blockers suppresses ER stress in cardiac hypertrophy and heart failure. PLoS One 2011;6:e27294. 15. Belaidi E, Thomas A, Bourdier G, Moulin S, Lemarie E, Levy P, Pepin JL, Korichneva I, Godin-Ribuot D, Arnaud C. Endoplasmic reticulum stress as a novel inducer of hypoxia inducible factor-1 activity: its role in the susceptibility to myocardial ischemia-reperfusion induced by chronic intermittent hypoxia. Int J Cardiol 2016;210:45-53. 16. Yeung HM, Hung MW, Lau CF, Fung ML. Cardioprotective effects of melatonin against myocardial injuries induced by chronic intermittent hypoxia in rats. J Pineal Res 2015;58:12-25. 17. Wisloff U, Stoylen A, Loennechen JP, Bruvold M, Rognmo O, Haram PM, Tjonna AE, Helgerud J, Slordahl SA, Lee SJ, Videm V, Bye A, Smith GL, Najjar SM, Ellingsen O, Skjaerpe T. Superior cardiovascular effect of aerobic interval training versus moderate continuous training in heart failure patients: a randomized study. Circulation 2007;115:3086-3094. 18. Bourdier G, Flore P, Sanchez H, Pepin JL, Belaidi E, Arnaud C. High-intensity training reduces intermittent hypoxia-induced ER stress and myocardial infarct size. Am J Physiol Heart Circ Physiol 2016;310:H279-289.

  • Titre traduit

    Role of intermittent hypoxia in ischemic cardiomyopathy: Involvement of calcium homeostasis disturbances


  • Résumé

    Therapeutic strategies developed in the last 40 years significantly reduced mortality of patients suffering from myocardial infarction (MI), in contrast with a significant increase in incidence of heart failure (HF) and the associated mortality1. Thus, it seems essential to identify and treat early pathophysiological conditions that could promote the progression of post-MI HF. Obstructive sleep apnoea (OSA) appears to be an aggravating factor. OSA is a public health problem owing to its high prevalence and the associated cardiovascular morbidity2. In particular, very recent studies show that severity of OSA is an independent factor for mortality in patients after MI3, 4 and apneic patients present an increased in infarct size5 and workload of the myocardium6 after MI compared to patients without OSA. Furthermore, observational studies reveal a decrease of survival in patients with combined OSA and HF7. OSA is characterized by occurrence of repetitive apneas during sleep causing sleep fragmentation, changes in intra-thoracic pressure and intermittent hypoxia (IH), and IH is considered the most harmful in terms of cardiovascular impacts8. It has been clearly established in animals that IH is associated with increased susceptibility to myocardial ischemia reperfusion (IR), resulting in increased infarct size9-13. In contrast, the role of IH in development of post-MI heart dysfunctions is not known. From a mechanistic point of view, perturbations of calcium (Ca2+) homeostasis figure among pathophysiological mechanisms of HF, contributing to cardiac remodeling and contractile dysfunction14. Recent studies from our lab15 and others16 suggest that IH induces calcium homeostasis disturbances that could aggravate post-MI HF. From a therapeutic point of view, benefits of regular aerobic exercise on cardiovascular health are widely recognized and a recent study demonstrated beneficial effects of exercise in patients with post-MI heart failure17. In the lab, we have shown that short-term exercise also reduces infarct size in rats exposed to IH18. HYPOTHESIS AND OBJECTIVES: We hypothesized that IH induces intra-cellular Ca2+ trafficking disturbances, responsible for cardiac remodeling and contractile dysfunction. Thus, we propose: 1) To evaluate the impact of IH on the development of cardiac remodeling and left ventricular dysfunction in a model of post-MI HF. 2) To assess mechanisms involved in IH-dependent cardiac alterations in post-MI HF. In particular, we will focus on the IH-induced perturbations of Ca2+ trafficking and subsequent cell dysfunction and death. 3) To determine whether exercise prevents IH deleterious effects in the model of post-ischemic HF, and whether these protective effects are mediated through restoration of calcium homeostasis. This study will allow us to evaluate the importance to early diagnose and treat OSA in patient with MI and to propose exercise as an efficient and low-cost therapeutic strategy to slow the development of post-MI HF in apneic patient. METHODS: 1) We developed a model of post-MI HF in rat (permanent coronary ligature). 2) Rats with coronary artery ligation will be exposed to IH (automated device). 3) Morphologic and functional evolution of HF will be followed weekly by echocardiography (ventricular dimensions/thickness, ejection fraction) and pressure-volume loops analysis (cardiac catheterization) and cardiac remodeling (RT-qPCR, histology) will be performed at the end of the experiment. 4) Confocal microscopy will be performed on isolated cardiomyocytes from our different groups of rats. We will evaluate intracellular Ca2+ trafficking, sarcomere length, shortening fraction. Specific intracellular Ca2+ signaling cascades will be analyzed in both rat hearts and isolated cardiomyocytes exposed to IH (Western-blot, RT-qPCR, pharmacological approaches) Material and technical expertise are available in HP2 laboratory or in the UJF platforms (GAIA for echography and IAB for confocal microscopy). Preliminary results: At one week IH exposure post-MI, validated the ligature protocol comparing non exposed rats (normoxic) to sham. We showed no differences between non normoxic and IH rats on global ventricle dimension and on calcium handling protein actors. However, hypertrophic marker expressions were higher, fibrosis tended to be more important and the function less altered in IH group. Let us think that IH accelerate the compensation phenomenon, certainly because of IH activated sympathetic nervous system. Because this activation is known to be deleterious in HF development, longer expositions need to be realize to better understand the IH role. 1. Velagaleti RS, Pencina MJ, Murabito JM, Wang TJ, Parikh NI, D'Agostino RB, Levy D, Kannel WB, Vasan RS. Long-term trends in the incidence of heart failure after myocardial infarction. Circulation 2008;118:2057-2062. 2. Levy P, Ryan S, Oldenburg O, Parati G. Sleep apnoea and the heart. Eur Respir Rev 2013;22:333-352. 3. Lee CH, Khoo SM, Chan MY, Wong HB, Low AF, Phua QH, Richards AM, Tan HC, Yeo TC. Severe obstructive sleep apnea and outcomes following myocardial infarction. J Clin Sleep Med 2011;7:616-621. 4. Won CH, Chun HJ, Chandra SM, Sarinas PS, Chitkara RK, Heidenreich PA. Severe obstructive sleep apnea increases mortality in patients with ischemic heart disease and myocardial injury. Sleep Breath 2013;17:85-91. 5. Buchner S, Satzl A, Debl K, Hetzenecker A, Luchner A, Husser O, Hamer OW, Poschenrieder F, Fellner C, Zeman F, Riegger GA, Pfeifer M, Arzt M. Impact of sleep-disordered breathing on myocardial salvage and infarct size in patients with acute myocardial infarction. Eur Heart J 2014;35:192-199. 6. Hetzenecker A, Buchner S, Greimel T, Satzl A, Luchner A, Debl K, Husser O, Hamer OW, Fellner C, Riegger GA, Pfeifer M, Arzt M. Cardiac workload in patients with sleep-disordered breathing early after acute myocardial infarction. Chest 2013;143:1294-1301. 7. Wang H, Parker JD, Newton GE, Floras JS, Mak S, Chiu KL, Ruttanaumpawan P, Tomlinson G, Bradley TD. Influence of obstructive sleep apnea on mortality in patients with heart failure. J Am Coll Cardiol 2007;49:1625-1631. 8. Dematteis M, Godin-Ribuot D, Arnaud C, Ribuot C, Stanke-Labesque F, Pepin JL, Levy P. Cardiovascular consequences of sleep-disordered breathing: contribution of animal models to understanding the human disease. ILAR J 2009;50:262-281. 9. Belaidi E, Joyeux-Faure M, Ribuot C, Launois SH, Levy P, Godin-Ribuot D. Major role for hypoxia inducible factor-1 and the endothelin system in promoting myocardial infarction and hypertension in an animal model of obstructive sleep apnea. J Am Coll Cardiol 2009;53:1309-1317. 10. Joyeux-Faure M, Stanke-Labesque F, Lefebvre B, Beguin P, Godin-Ribuot D, Ribuot C, Launois SH, Bessard G, Levy P. Chronic intermittent hypoxia increases infarction in the isolated rat heart. J Appl Physiol (1985) 2005;98:1691-1696. 11. Park AM, Suzuki YJ. Effects of intermittent hypoxia on oxidative stress-induced myocardial damage in mice. J Appl Physiol (1985) 2007;102:1806-1814. 12. Ramond A, Godin-Ribuot D, Ribuot C, Totoson P, Koritchneva I, Cachot S, Levy P, Joyeux-Faure M. Oxidative stress mediates cardiac infarction aggravation induced by intermittent hypoxia. Fundam Clin Pharmacol 2013;27:252-261. 13. Totoson P, Fhayli W, Faury G, Korichneva I, Cachot S, Baldazza M, Ribuot C, Pepin JL, Levy P, Joyeux-Faure M. Atorvastatin protects against deleterious cardiovascular consequences induced by chronic intermittent hypoxia. Exp Biol Med (Maywood) 2013;238:223-232. 14. Ni L, Zhou C, Duan Q, Lv J, Fu X, Xia Y, Wang DW. beta-AR blockers suppresses ER stress in cardiac hypertrophy and heart failure. PLoS One 2011;6:e27294. 15. Belaidi E, Thomas A, Bourdier G, Moulin S, Lemarie E, Levy P, Pepin JL, Korichneva I, Godin-Ribuot D, Arnaud C. Endoplasmic reticulum stress as a novel inducer of hypoxia inducible factor-1 activity: its role in the susceptibility to myocardial ischemia-reperfusion induced by chronic intermittent hypoxia. Int J Cardiol 2016;210:45-53. 16. Yeung HM, Hung MW, Lau CF, Fung ML. Cardioprotective effects of melatonin against myocardial injuries induced by chronic intermittent hypoxia in rats. J Pineal Res 2015;58:12-25. 17. Wisloff U, Stoylen A, Loennechen JP, Bruvold M, Rognmo O, Haram PM, Tjonna AE, Helgerud J, Slordahl SA, Lee SJ, Videm V, Bye A, Smith GL, Najjar SM, Ellingsen O, Skjaerpe T. Superior cardiovascular effect of aerobic interval training versus moderate continuous training in heart failure patients: a randomized study. Circulation 2007;115:3086-3094. 18. Bourdier G, Flore P, Sanchez H, Pepin JL, Belaidi E, Arnaud C. High-intensity training reduces intermittent hypoxia-induced ER stress and myocardial infarct size. Am J Physiol Heart Circ Physiol 2016;310:H279-289.