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L’hormèse par l’exercice physique : moins = plus ?

INTRODUCTION

L’hormèse désigne le phénomène selon lequel une ou plusieurs expositions répétées à une toxine peuvent provoquer des changements adaptatifs au sein de l’organisme afin de résister à des doses plus élevées de toxine avec une nocivité réduite. Les muscles squelettiques présentent une plasticité et des adaptations considérables en réponse à une seule séance d’exercice aigu ou d’entraînement chronique, notamment en ce qui concerne la capacité de défense antioxydante et les fonctions métaboliques, principalement en raison du remodelage des mitochondries. Des chercheurs ont donc émis l’hypothèse que la production d’espèces réactives de l’oxygène (ROS) induite par la contraction musculaire pourrait stimuler les adaptations de type hormèse. De plus, il existe de nombreuses preuves que certaines ROS, comme le peroxyde d’hydrogène et le monoxyde d’azote, ou même des macromolécules dégradées par l’oxydation, peuvent servir de molécules de signalisation pour stimuler ces adaptations hormétiques grâce à l’activation de voies de signalisation sensibles à l’oxydoréduction. Des recherches récentes ont mis en évidence le rôle important du facteur nucléaire (NF) κB, de la protéine kinase activée par les mitogènes (MAPK) et du récepteur activé par les proliférateurs de peroxysomes γ co-activateur 1α (PGC-1α), ainsi que d’autres voies de signalisation récemment découvertes, dans certaines des fonctions biologiques les plus vitales telles que la biogenèse mitochondriale, la défense antioxydante, l’inflammation, le renouvellement des protéines, l’apoptose et l’autophagie. L’incapacité de la cellule à maintenir une signalisation redox appropriée sous-tend les mécanismes du vieillissement biologique, au cours duquel les voies inflammatoires et cataboliques prévalent. Les résultats de la recherche et les mécanismes reliant l’hormèse induite par l’exercice et la signalisation redox sont passés en revue.1

 

PRINCIPES DE L’HORMÈSE

L’hormèse désigne « un processus dans lequel une faible dose d’un agent chimique ou d’un facteur environnemental qui est dommageable à fortes doses induit un effet bénéfique adaptatif sur la cellule ou l’organisme »2. Le concept d’hormèse est né au XVIe siècle des réflexions du médecin et alchimiste suisse Paracelcus, qui proposait que « seule la dose détermine qu’une chose n’est pas un poison »3. Le terme « hormèse » lui-même a été inventé pour la première fois en 1943 par Southam et Ehrlich pour expliquer leur observation selon laquelle un antibiotique naturel du bois de cèdre inhibait la croissance des champignons responsables de la pourriture du bois mais avait l’effet inverse à faible dose4. Par la suite, l’endocrinologue pionnier Hans Selye a appliqué cette notion pour comprendre comment les systèmes biologiques réagissent au stress environnemental et le tolèrent5,6.

L’hormèse englobe les concepts fondamentaux de « conditionnement » et d' »adaptation ». Le concept de conditionnement a été reconnu pour la première fois à la suite d’observations selon lesquelles une exposition musculaire hypoxique brève et répétée, via occlusion, réduisait sensiblement les dommages causés au cœur lors d’un infarctus du myocarde ultérieur7. Il est accepté maintenant que l’exposition à un agent conditionne le système à réagir d’une certaine manière8. Le concept d’adaptation a été reconnu à l’origine à la suite d’expériences démontrant que l’exposition constante d’Escherichia coli à des mutagènes permettait à chaque bactérie de manipuler les mutagènes plus efficacement et de développer une résistance à la mutagenèse9. Le conditionnement et l’adaptation sont étroitement liés, sont considérés comme synonymes et sont souvent utilisés de manière interchangeable. Le conditionnement/l’adaptation reflète la notion selon laquelle de faibles niveaux de stress stimulent ou régulent à la hausse les voies cellulaires et moléculaires existantes qui améliorent la capacité des cellules et des organismes à résister à un stress plus important8.

La notion d’hormèse sous-tend une grande partie de ce que nous savons sur la façon dont l’exercice conditionne le corps et induit une adaptation à long terme. L’activité physique fournit des stimuli qui favorisent des adaptations très spécifiques et variées selon le type, l’intensité et la durée de l’exercice pratiqué10. Cependant, l’hormèse n’a été explicitement introduite dans le lexique de la physiologie de l’exercice que relativement récemment (2005 à notre connaissance)11. Au niveau de la population, la nature dose-réponse de l’hormèse explique très probablement pourquoi des niveaux modérés d’activité physique réduisent le risque de maladie et de mortalité12, alors qu’une activité physique excessive augmenterait ces risques, notamment pour les infections13 et les arythmies14. En effet, parmi les participants masculins à une épreuve de ski de fond de 90 km, un temps d’arrivée plus rapide et un nombre élevé de courses terminées ont été associés à un risque plus élevé d’arythmie14.

 

EXERCICE PHYSIQUE

Pendant l’exercice, l’organisme est exposé à diverses perturbations homéostatiques, dont le stress thermique, métabolique, hypoxique, oxydatif et mécanique. Ces perturbations stimulent la libération de messagers biochimiques tels que les espèces réactives d’oxygène et d’azote (RONS), le calcium (Ca2+), des facteurs de croissance, des cytokines et des eicosanoïdes. Ces messagers activent ensuite des voies de signalisation comprenant (sans s’y limiter) diverses protéines kinases, phosphatases et désacétylases, qui à leur tour régulent la machinerie moléculaire contrôlant l’expression des gènes qui suscite les réponses adaptatives appropriées15. Grâce à ces voies de signalisation, la production aiguë de RONS et de médiateurs inflammatoires peut finalement favoriser les adaptations dans les muscles squelettiques, telles que la biogenèse mitochondriale et le remodelage/hypertrophie16-21. À l’inverse, la production prolongée de RONS et de médiateurs inflammatoires peut activer les voies protéolytiques, entraver la synthèse des protéines et submerger les mécanismes de défense endogènes, ce qui entraîne des effets néfastes tels que l’atrophie/faiblesse musculaire22-26. Cette dichotomie entre les effets aigus et chroniques de certains stimuli physiologiques est importante à considérer dans le contexte de l’hormèse dans les muscles squelettiques. 

Historiquement, la perception selon laquelle le stress oxydatif et l’inflammation induits par l’exercice provoquent une fatigue et des dommages musculaires a suscité un intérêt généralisé pour les contre-mesures telles que la prise de suppléments d’antioxydants, les anti-inflammatoires non stéroïdiens (AINS) et la cryothérapie27-29. Les progrès réalisés dans la compréhension du rôle des RONS et des médiateurs inflammatoires dans l’adaptation des muscles à l’exercice physique ont suscité un débat sur la question de savoir si ces stratégies sont réellement bénéfiques, du moins chez les jeunes en bonne santé27-29. Les suppléments d’antioxydants et les AINS pourraient potentiellement aider à préserver ou à améliorer les adaptations musculaires à l’exercice chez les personnes âgées dont les systèmes de défense antioxydants sont affaiblis ou qui souffrent d’une inflammation chronique de bas grade30,31. En revanche, chez les jeunes, ces interventions peuvent atténuer les augmentations de la sensibilité à l’insuline32 et de la synthèse des protéines musculaires stimulées par l’exercice, comme le démontre une étude en utilisant des analgésiques33. Les avantages ou les inconvénients de ces interventions peuvent donc varier selon les différentes populations qui pratiquent l’exercice. À l’autre extrémité du continuum de l’hormèse, un intérêt s’est également manifesté pour les avantages potentiels de l’application d’un stress sur les muscles squelettiques avant, pendant ou après l’exercice pour stimuler une plus grande adaptation. Ce stress peut être appliqué en limitant la consommation de glucides, en occluant l’apport sanguin local par des contractions isométriques ou excentriques de faible intensité (précharge mécanique) ou en chauffant passivement le muscle.

Compte tenu de l’attention croissante portée aux stratégies visant à améliorer les performances à l’effort et à favoriser la récupération, il est opportun de débattre de la justification scientifique du recours à des interventions telles que la cryothérapie, les compléments antioxydants, les AINS, la précharge mécanique, la restriction des glucides alimentaires, le stress thermique et la restriction du flux sanguin pour moduler les adaptations à l’exercice. L’objectif de cet article est de rapporter les connaissances sur la manière dont ces interventions influencent les adaptations des muscles squelettiques à l’exercice physique dans le cadre du concept global de l’hormèse.

 

LES INTERVENTIONS QUI RENFORCENT L’HORMÈSE INDUITE PAR L’EXERCICE

Limiter l’apport en glucides alimentaires

La modulation de la teneur en glycogène des muscles squelettiques en limitant l’apport en glucides alimentaires entre les séances d’exercice est une stratégie relativement récente pour améliorer l’hormèse induite par l’exercice. Le glycogène est un substrat important pour la phosphorylation oxydative dans les muscles squelettiques, et une faible teneur en glycogène musculaire est un déterminant clé de la fatigue musculaire, du moins en cas d’exercices intenses ou endurants34,35. Par conséquent, maximiser la teneur en glycogène musculaire en chargeant les glucides avant l’exercice et retarder la vitesse à laquelle la teneur en glycogène est épuisée (en ingérant des glucides pendant l’exercice) sont des pratiques courantes pour les athlètes36. Des études récentes ont utilisé divers protocoles de régime alimentaire et/ou d’exercice pour manipuler la teneur en glycogène des muscles avant les séances d’exercice afin de déterminer si les changements dans la disponibilité du glycogène influencent les réponses adaptatives37,38. Il y a de plus en plus de preuves d’effets bénéfiques sur les adaptations métaboliques et mitochondriales lors d’exercices avec une faible teneur en glycogène musculaire par rapport à la normale.

 

Un entraînement à faible teneur en glycogène musculaire favorise l’adaptation métabolique

L’un des principaux concepts du paradigme des interactions entre les nutriments et l’entraînement dans les muscles squelettiques est que la disponibilité du substrat est le médiateur de la réponse cellulaire à l’activité contractile39. Cependant, un tel paradigme simplifie à l’excès la complexité de la façon dont la disponibilité des substrats module l’adaptation. Hansen et ses collaborateurs ont d’abord examiné si des exercices répétés commencés avec une faible teneur en glycogène musculaire induisaient un stress métabolique plus important et une perturbation de l’homéostasie dans les muscles squelettiques. Ils ont constaté que la teneur en glycogène musculaire au repos et l’activité de la citrate synthase étaient plus élevées chez les sujets qui commençaient la moitié de leurs séances d’entraînement avec un faible taux de glycogène que chez ceux qui commençaient toujours à s’entraîner avec un taux de glycogène normal. Ils ont conclu que cela était dû au fait que l’épuisement du glycogène causé par la première session dictait que la deuxième session (durant le même jour) commençait avec un contenu réduit de glycogène musculaire40. Bien que des différences dans le stimulus d’entraînement puissent avoir influencé ces résultats, il ne fait aucun doute que le facteur clé favorisant la réponse adaptative était un entraînement avec une faible teneur en glycogène musculaire.

La flexibilité métabolique des muscles squelettiques sains permet de modifier l’oxydation du substrat en fonction de la disponibilité des glucides et des graisses35. Par conséquent, le fait d’imposer la nécessité d’utiliser davantage de graisses comme carburant explique probablement une grande partie de l’adaptation accrue à l’exercice avec une faible teneur initiale en glycogène musculaire. La demande d’approvisionnement en ATP pendant un exercice prolongé d’intensité modérée à élevée est susceptible d’augmenter également l’ampleur du signal d’adaptation dans des conditions de faible teneur en glycogène. À cet égard, la protéine kinase activée par l’adénosine monophosphate (AMPK)* peut être un point central pour la régulation de la réponse cellulaire à l’exercice avec un faible contenu initial en glycogène musculaire, étant donné son rôle de capteur d’énergie41,42. L’AMPK régule également l’activité de plusieurs voies de signalisation, notamment celles qui favorisent le transport du glucose, l’absorption des acides gras et la biogenèse mitochondriale41. Les quelques études qui ont quantifié la phosphorylation de l’AMPK ou l’activité après l’exercice commencé avec une faible teneur en glycogène par rapport à la teneur normale/haute ont montré que la réponse plus importante de l’AMPK dans les muscles squelettiques après l’exercice est associée à une teneur en glycogène plus faible avant l’exercice43,44.

* L’AMPK est un capteur d’énergie cellulaire crucial. Une fois activée par la baisse de l’état énergétique, elle favorise la production d’ATP en augmentant l’activité ou l’expression des protéines impliquées dans le catabolisme tout en conservant l’ATP en coupant les voies de biosynthèse. L’AMPK régule également l’équilibre énergétique métabolique au niveau du corps entier. Par exemple, elle sert de médiateur pour les effets des agents agissant sur l’hypothalamus qui favorisent l’alimentation et entraîne les rythmes circadiens du métabolisme et du comportement alimentaire. Enfin, des études récentes révèlent que l’AMPK conserve les niveaux d’ATP grâce à la régulation de processus autres que le métabolisme, tels que le cycle cellulaire et l’excitabilité de la membrane neuronale.42

L’activité des enzymes mitochondriales augmente après de longues périodes d’entraînement au cours desquelles l’exercice est répété avec une faible teneur en glycogène musculaire40,45,46, mais sans effet remarquable sur les performances à haute intensité46. L’exercice avec une teneur en glycogène initialement faible induit également des réponses métaboliques favorables, notamment une plus grande oxydation des triacylglycérols et une absorption nette de glucose et d’acides gras dans les muscles squelettiques43,46,47

Une étude chez des cyclistes démontre et conclu que l’entraînement avec un faible taux de glycogène musculaire réduit l’intensité de l’entraînement et, en termes de performance, n’est pas plus efficace que l’entraînement avec un taux élevé de glycogène musculaire. Cependant, l’oxydation des graisses a augmenté après un entraînement avec un faible taux de glycogène musculaire, ce qui peut être dû à l’amélioration des adaptations métaboliques dans les muscles squelettiques47.

Collectivement, ces résultats suggèrent que la manipulation de la disponibilité des glucides avant et/ou pendant l’exercice stimule plusieurs des réponses moléculaires et métaboliques qui favorisent les adaptations à l’entraînement.

Les réponses défavorables à l’entraînement avec une faible teneur en glycogène ne seront pas abordées ici mais il faut savoir que la faible disponibilité du glycogène limite son utilisation pour la phosphorylation oxydative et peut nuire au couplage excitation-contraction dans le muscle pendant l’exercice48,49.

 

Exercice avec restriction du flux sanguin

L’application d’un brassard de pression pour restreindre le flux sanguin vers un membre durant l’exercice, et bloquer ainsi le retour veineux, augmente la tension sur le muscle squelettique pendant l’exercice. La restriction du flux sanguin augmente l’effet de l’exercice de résistance à faible charge sur l’hypertrophie musculaire. Un thème important qui ressort de notre analyse est que la restriction du flux sanguin semble « déplacer » le stress musculaire vers une plage plus optimale que celle obtenue avec un exercice à faible charge effectué de manière isolée. Cependant, la grande variation dans l’application de la restriction du flux sanguin et des protocoles d’exercice rend difficile de suggérer un protocole optimal pour l’exercice à faible charge avec restriction du flux sanguin à l’heure actuelle. Une restriction aiguë du flux sanguin pendant l’exercice induit un stress métabolique/hypoxique qui conduit finalement à une hypertrophie musculaire, notamment via une augmentation plasmatique d’hormones de croissance. Cependant, s’il est utilisé régulièrement sans récupération suffisante, l’exercice avec restriction du débit sanguin pourrait induire un cycle chronique de dégradation et de réparation des muscles, ce qui pourrait entraver plutôt qu’améliorer les adaptations à l’entraînement.50-54

 

Précharge mécanique

L’intérêt récent s’est concentré sur la détermination du stimulus minimum requis pour obtenir une protection contre les lésions musculaires, qui se caractérisent généralement par une diminution prolongée (>1 jour) de la fonction musculaire et des douleurs musculaires à déclenchement différé (DOMS)…  

 

Retrouvez l’article complet et bien d’autres dans notre numéro 28