DÉCOUVERTE INATTENDUE

Des chercheurs de l'East Carolina University ont découvert qu'un muscle du pied semble fondamentalement différent des autres muscles en raison de son comportement sans oxygène. Leur enquête commence tout juste à essayer de comprendre pourquoi.

Les muscles squelettiques sont utilisés pour la respiration, le mouvement, la régulation de la température – les activités de la vie qui soufflent à travers l'oxygène en raison de sa nécessité pour maintenir le potentiel énergétique, a déclaré Espen Spangenburg, professeur de physiologie et directeur du Département d'anatomie et de biologie cellulaire à la Brody School of Medicine.

La section surlignée en rouge du pied représente l'emplacement du muscle court fléchisseur des orteils dans le pied humain. (Photo publiée avec l'aimable autorisation de Wikimedia Commons)

Le court fléchisseur des orteils, FDB en abrégé, est un muscle squelettique situé dans les pieds des mammifères. Le FDB est couramment utilisé dans les expériences biologiques car le muscle se prête à de nombreux types de mesures physiologiques.

Spangenburg étudie principalement les muscles squelettiques, mais il y a plusieurs années, il a participé pour aider son collègue chercheur de Brody, Joseph McClung, dans une étude portant sur les thérapies pour les maladies artérielles périphériques. L'étude a appelé à la réduction du flux sanguin vers les extrémités des sujets dans les modèles précliniques et comme le FDB est le muscle le plus éloigné du cœur, il aurait dû être le premier à montrer des signes de dommages dus à la restriction du flux sanguin.

Mais cela ne s'est pas produit.

"Une des personnes de mon laboratoire est entrée et a jeté ses affaires dans mon bureau. Il était vraiment bouleversé", a déclaré Spangenburg. "Il a dit : « Je ne peux pas faire mourir ce muscle » et il était vraiment contrarié. Je n'arrêtais pas de le regarder et je me suis dit : « Attends, on s'y prend mal. »"

Si le muscle ne meurt pas en limitant la circulation du sang, et donc de l'oxygène, pensa Spangenburg, alors peut-être qu'il se passe quelque chose d'étrange. Il avait besoin de déplacer l'attention de son équipe pour comprendre pourquoi le muscle survit dans des conditions qui, selon la science actuelle, ne devraient pas être possibles.

Les échantillons FDB que Spangenburg et son équipe ont étudiés n'étaient pas immortels comme un super-héros de film. Un certain nombre d'insultes ont provoqué l'effondrement du tissu musculaire, mais pour une raison quelconque, le FDB a pu survivre beaucoup plus longtemps sans oxygène que les autres types de muscles squelettiques.

L'oxygène est nécessaire au fonctionnement des muscles squelettiques car il agit dans les mitochondries pour produire de l'ATP, une molécule nécessaire aux processus cellulaires tels que la contraction musculaire et la communication nerveuse. Si le muscle FDB privé d'oxygène n'avait pas besoin d'oxygène pour répondre à sa demande énergétique, l'équipe de Spangenburg voulait savoir quels autres mécanismes pourraient fournir l'ATP.

La glycolyse, la décomposition des glucides stockés dans les tissus musculaires, semblait être une option viable, et leurs travaux ont révélé qu'elle pouvait expliquer une partie de l'énergie qui maintenait le tissu FDB viable, mais les tests ont montré que la glycolyse ne suffisait pas à elle seule.

Pourquoi le muscle FDB semble-t-il se comporter différemment des autres muscles ?

Spangenburg était perplexe et il a ramené son équipe à la planche à dessin. Il a contacté un autre chercheur de l'ECU, Kelsey Fisher-Wellman, spécialisé dans la relation entre les mitochondries et le cancer. Les deux laboratoires ont mis en commun leurs ressources et ont commencé ce que Spangenburg appelle une "approche basée sur la découverte" en criblant des milliers de protéines et en les comparant à d'autres profils musculaires. Ils ont identifié un certain nombre de protéines uniques au FDB et prometteuses pour expliquer les différences entre le FDB et les autres muscles squelettiques.

"Nous pensions que nous verrions beaucoup de choses basées sur l'énergie et ce n'est pas ce que nous voyons vraiment. Il nous semble que le muscle a un moyen de contrôler son environnement", a déclaré Spangenburg. "L'une des choses que nous pensions qu'il pourrait faire est l'hibernation. Nous n'avons toujours pas encore réfuté cela."

Fisher-Wellman a déclaré que la découverte faite par le laboratoire de Spangenburg est fondamentale, ce qui signifie que les indices potentiels sur la biologie des mammifères débloqués à partir des découvertes pourraient avoir des impacts de grande envergure qui n'ont pas encore été pris en compte.

"Il y a quelque chose de fondamentalement différent dans ce muscle par rapport aux autres", a déclaré Fisher-Wellman. "C'est la partie passionnante. Une fois que vous avez comblé ces lacunes, il devient alors un peu plus facile de voir où les résultats peuvent être appliqués."

Le laboratoire de Fisher-Wellman à ECU a joué un rôle dans la découverte. Son équipe a exécuté la protéomique nécessaire pour valider les différences entre le FDB et les autres tissus musculaires utilisés comme contrôle pour l'expérience. La protéomique est une technique qui consiste à réduire la structure des tissus, essentiellement à les broyer, ce qui permet une analyse par un spectromètre de masse, une machine de haute technologie capable de déterminer les composants moléculaires du tissu étudié.

Le laboratoire de Fisher-Wellman a mené les procédures de protéomique sur des échantillons de muscle FDB ainsi que sur deux autres types de tissus musculaires du même donneur à utiliser comme témoins. Le fait d'avoir deux contrôles, a déclaré Fisher-Wellman, a renforcé la validité des résultats.

"Je suis tout aussi surpris par les données que tout le monde. Quand j'en ai entendu parler pour la première fois, je me suis dit:" Allez, ça ne peut pas être réel ", puis vous voyez les données encore et encore et encore … c'est fou ", a déclaré Fisher-Wellman. "Je serai intéressé de voir où ils vont avec ça. Quelqu'un va être occupé pendant un moment."

L'un des défis persistants dans l'étude du tissu musculaire est la plasticité - la capacité du tissu musculaire à s'adapter aux exigences qui lui sont imposées. Un coureur peut passer du sprint aux longues distances et chaque style de mouvement demande au même muscle de se comporter différemment. Si un astronaute passe de longues périodes dans l'espace en apesanteur, le muscle change pour répondre aux besoins métaboliques et locomoteurs de l'individu. En raison de la plasticité inhérente du tissu musculaire, isoler les variables devient encore plus difficile pour les chercheurs.

Un autre aspect déroutant de la découverte est de savoir pourquoi un muscle nécessaire au mouvement, mais pas fondamental pour le maintien de la vie – pensez aux muscles du cœur ou du diaphragme qui font battre votre cœur et vos poumons respirer – se serait adapté pour survivre beaucoup plus longtemps que d'autres types de muscles sans oxygène. Alors que Spangenburg a quelques idées, peut-être les facteurs de stress lourds et répétitifs placés sur le pied pour le mouvement, il n'est toujours pas confiant pour proposer une hypothèse.

L'absence d'une raison évidente pour laquelle le FDB se comporte comme il le fait est à la fois excitante et frustrante.

"Je fixais le plafond à trois heures du matin, en me grattant la tête. J'étais déterminé à résoudre ce problème", a déclaré Spangenburg. "Cela nous a rappelé à quel point nous comprenons peu. Parfois, nous pensons que nous avons compris des choses, puis vous obtenez un moment qui fait exploser notre compréhension complète des choses."

Everett Minchew, un Ph.D. Le candidat qui travaille dans le laboratoire de Spangenburg et obtiendra son diplôme en décembre, est encouragé par la nature fondamentale des résultats, qui peuvent avoir une large application pratique dans toutes les disciplines de la recherche médicale. Bien que la science fondamentale ne soit pas toujours fondamentale, il a déclaré que les résultats sont relativement faciles à traduire pour un public non scientifique.

Les doctorants Everett Minchew, à droite, et Nick Williamson travaillent au Spangenburg Lab de l'East Carolina University. (Photo ECU par Cliff Hollis)

Everett Minchew vient d'une famille médicale du New Jersey. Après avoir suivi quelques médecins au travail, il est devenu évident que la physiologie était sa vocation et il voulait approfondir le fonctionnement du corps.

Minchew pense que l'équipe de recherche en physiologie de l'ECU est à égalité avec n'importe quelle institution de renom du pays, et il est fier de faire partie du laboratoire de Spangenburg.

"Vous voyez tout le temps de grandes découvertes dans les grandes écoles; en avoir un peu ici à l'ECU est assez excitant", a déclaré Minchew.

"La beauté est que lorsque mes amis et ma famille me posent des questions sur mes recherches, je peux expliquer le projet en termes simples et ils sont tout aussi excités", a déclaré Minchew. "Ce serait une histoire totalement différente si je travaillais sur quelque chose comme une structure protéique très spécifique qui n'est pas facilement compréhensible."

Le marasme de la science pourrait être les chiffres. Les moments Ah-ah sont rares et espacés.

"Vous ne voulez jamais entendre les gens qualifier vos publications d'incrémentales. Nous sommes maintenant dans un environnement étrange où tout le monde veut la réponse complète maintenant. Nous avons commencé à collecter des données, puis nous avons commencé à reproduire, puis nous étions sûrs que nous étions sur quelque chose. J'étais comme, 'Eh bien, je n'entendrai pas d'incrémental avec ça'", se souvient Spangenburg.

Tout d'abord, il a dû faire le calcul.

Spangenburg était chez lui un jour, travaillant à dénouer certains nombres. Son fils, Quincy, qui est un junior au lycée DH Conley à Greenville et dans un cours de calcul universitaire, a demandé à son père sur quoi il travaillait.

"Il se trouve que je travaillais à domicile ce jour-là et j'étais hors de forme parce que je savais que je devrais pouvoir le calculer mathématiquement et je ne pouvais pas le comprendre", a déclaré Spangenburg. "Je l'ai arrêté et lui ai dit : 'Voilà ma situation.'"

Quincy a déclaré que les données ressemblaient à une fonction polynomiale et il pensait qu'il pouvait utiliser une ligne tangente pour calculer la réponse qu'Espen essayait de dériver des données. Espen a donné les données à Quincy et une heure et demie plus tard, Quincy est revenu et a dit à son père qu'il avait tout compris.

"Nous avons dû apporter quelques ajustements à son approche, mais il a littéralement développé une méthode pour évaluer les données", a déclaré Spangenburg. "Mais ensuite, je ne savais pas quoi faire, car généralement, lorsque quelqu'un ajoute à la recherche comme ça, vous l'ajoutez au papier."

Spangenburg était dans un dilemme – comment cela reviendrait-il à lui et à son fils d'ajouter Quincy à l'article en tant que co-auteur ? Serait-ce considéré comme du népotisme ? Était-ce éthique ?

"J'ai appelé certains de mes collègues et j'ai dit:" OK, c'est ce qui s'est passé. Que dois-je faire ? Est-ce que je l'ajoute au journal ? C'est bizarre. Je ne veux pas que ça ait l'air bizarre", a déclaré Spangenburg. "Et ils sont tous repartis avec la même chose -" Auriez-vous pu le faire? ""

Pas comme Quincy l'a fait, d'une manière tangible pour les lecteurs, a répondu Espen. Quincy fait partie intégrante de la recherche, ont répondu ses collègues – vous devez l'ajouter en tant que co-auteur.

Quel que soit le nom sur le papier, les découvertes de l'équipe amènent déjà les chercheurs d'autres institutions à remettre en question les hypothèses sur le fonctionnement du corps.

"J'ai un gars qui vient de m'envoyer toute une expérience avec le muscle FDB et m'a demandé:" Est-ce que je perds mon temps? Comme devrais-je même faire ça? "", A déclaré Spangenburg. "Cette découverte pourrait changer ce que nous mettons dans les manuels plus tard, car ce muscle est une exception à la règle. Et cela signifie qu'il pourrait y avoir d'autres exceptions. Ce n'est peut-être pas la seule."

Les yeux de Spangenburg s'illuminent lorsqu'il parle des possibilités des découvertes de son équipe.

"Vous commencez à réaliser à quel point les systèmes sont complexes. Parfois, nous sous-estimons la complexité."