L’obésité et le vieillissement sont deux facteurs de risques indépendants du diabète de type 2 et de la sarcopénie qui ont comme point commun étiologique une baisse de l'action de l'insuline au niveau des muscles squelettiques. Ces deux contextes sont également caractérisés par l’émergence d'un tissu adipeux intramusculaire (IMAT) composé d’adipocytes situés entre les fibres et faisceaux de fibres musculaires. De nombreuses études ont mis en évidence, chez l'Homme, des corrélations négatives entre la présence d’IMAT et l’insulino-résistance (IR) musculaire. Cependant, à ce jour, les mécanismes cellulaires et moléculaires pouvant expliquer l’impact délétère de l’IMAT sur la sensibilité à l’insuline musculaire restent méconnus. Le but de cette thèse a donc été d’étudier le(s) rôle(s) de l’IMAT dans le développement des altérations musculaires associées au vieillissement et/ou à l'obésité.
Dans le cadre d'une étude clinique réalisée chez des volontaires obèses jeunes et séniors, nous avons, à partir de biopsies musculaires, isolé puis différencié les progéniteurs myocytaires et adipocytaires et étudié l’impact du vieillissement sur les fibres et les adipocytes musculaires obtenus. Nous avons pu mettre en évidence, in vitro, que le vieillissement est associé (i) à une réorientation du métabolisme glucidique vers la voie anaérobie et à une diminution de la sensibilité à l’insuline des fibres musculaires ; et (ii) à une augmentation du stockage du glucose sous forme de triglycérides, associée à une réduction de la lipolyse dans les adipocytes intramusculaires. De plus, nous avons montré que les sécrétions des adipocytes de sujets séniors conduisent à une diminution de la réponse insulinique de fibres musculaires. Ces données montrent que le vieillissement est associé à des modifications intrinsèques des fibres et des adipocytes musculaires et qu'en parallèle, le changement de phénotype des adipocytes impacte de façon paracrine les fibres musculaires. Ainsi, l’ensemble de ces résultats pourrait en partie expliquer le lien entre l’IMAT et l’IR musculaire.
Dans un second temps, nous avons souhaité appréhender le rôle de l’IMAT dans les altérations musculaires in vivo. Pour cela, nous avons caractérisé des modèles de souris âgées et/ou obèses afin d’évaluer s’ils récapitulent les modifications observées chez l’Homme (i.e. IR et atrophie musculaire, développement d’IMAT). Nous avons alors rapporté que la souris C57/BL6J mâle de 18 mois ne présente pas de perte de la sensibilité à l’insuline ni d’atrophie musculaire malgré une augmentation de l’IMAT. Ce modèle ne semble donc pas être approprié pour étudier les altérations observées chez l’Homme. Cependant, l’obésité induite par 5 mois de régime riche en graisses chez la souris de 7 mois récapitule l’ensemble des altérations rapportées chez l’Homme. Enfin, de manière surprenante, le vieillissement semble protéger de certaines altérations métaboliques induites par l’obésité chez la souris. Dans ces modèles, nous avons pu isoler l’IMAT et le caractériser ex vivo. Nous avons alors confirmé que le vieillissement entraine une diminution des capacités lipolytiques de l’IMAT. Des analyses transcriptomiques ont montré qu’en accord avec les données in vivo, le vieillissement a peu d’impact sur le profil d’expression génique de l’IMAT tandis que l’obésité entraine des modifications de l’expression d’adipokines et de cytokines ainsi que de gènes du métabolisme lipidique. Cela pourrait favoriser l’expansion de l’IMAT par des mécanismes d’hypertrophie et l’IR musculaire par des effets paracrines. De plus, le vieillissement dans un cadre d’obésité limite l’expression de cytokines inflammatoires par l’IMAT, pouvant en partie expliquer les données in vivo.
En résumé, ces travaux ont permis de mieux appréhender les mécanismes cellulaires et moléculaires pouvant être mis en jeu dans le lien entre le développement de l’IMAT et les altérations musculaires dans des contextes de vieillissement et d’obésité.
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Obesity and aging are two independent risk factors of type 2 diabetes mellitus and sarcopenia. These diseases have in common a decrease of insulin action in skeletal muscles. In parallel, these contexts are characterized by the emergence of intramuscular adipose tissue (IMAT) composed of adipocytes between muscle fibres and fibre bundles. Yet, several studies in Human have highlighted negative correlations between the presence of IMAT and the development of muscle insulin resistance (IR). However, to date, the cellular and molecular mechanisms underlying the deleterious impact of IMAT on muscle insulin sensitivity remain poorly understood. The aim of this thesis was to study the role(s) of IMAT in the development of muscle alterations associated with aging and/or obesity.
As part of a clinical study in obese young and elderly volunteers, we have isolated and differentiated myogenic and adipogenic progenitors from muscle biopsies to study the impact of aging on muscle fibres and adipocytes thus obtained. We were then able to show in vitro that aging leads to (i) a shift towards anaerobic glucose metabolism associated with a decrease in insulin sensitivity of muscle fibres; and (ii) an increase of glucose storage as triglycerides associated with a reduced lipolysis of intramuscular adipocytes. Moreover, we observed that secretions of “elderly” adipocytes altered insulin responsiveness in cultured lean muscle fibres. These data demonstrate that aging are associated with intrinsic changes in muscle fibres and intramuscular adipocytes. The change of adipocyte phenotype results in a negative paracrine effect on muscle fibres glucose metabolism. These results could partly explain the link between IMAT development (i.e. adipocytes hypertrophy) and skeletal muscle IR with aging.
In a second part, we investigated the role of IMAT on muscle alterations in vivo. We thus characterized models of old and/or obese mice to assess the extent to which these models develop muscle disorders observed in Humans (i.e. decrease in insulin sensitivity, muscle atrophy, IMAT development). We then observed that 18-month old male C57BL/6J mouse do not exhibit loss of insulin sensitivity nor muscle atrophy despite an increase in IMAT. Thus, this model does not seem the best suited to study skeletal muscle alterations observed in Humans with aging. In contrast, obesity induced by 5 months of high-fat diet in 7-month old mouse recapitulates all muscle defects typically observed with aging in Human. Surprisingly however we observed that aging prevented some of the metabolic alterations induced by obesity in mice. In these various experimental models, we isolated and characterized IMAT ex vivo. We further confirmed that aging decreases the lipolytic capacity of IMAT as observed in vitro. Transcriptomic analyses indicated that in line with in vivo data, aging has little impact on the gene expression profile of IMAT while obesity leads to changes in adipokines and cytokines expression as well as in lipid metabolism genes. These changes might promote (i) the expansion of IMAT through hypertrophy mechanisms and (ii) muscle IR through paracrine effects. Surprisingly but in agreement with in vivo data, aging during obesity attenuates inflammatory cytokines gene expression in IMAT.
In summary, this work provides novel knowledge on the cellular and molecular mechanisms of IMAT development and its pathogenic role on muscle alterations associated with aging and obesity.
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