Mécanismes physiologiques de l entraînement physique: conséquences sur la prescription d activité physique pour la santé

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1 Mécanismes physiologiques de l entraînement physique: conséquences sur la prescription d activité physique pour la santé Charles-Yannick Guezennec Pôle de Médecine du Sport de l Essonne

2 La spécificité des différentes adaptations à l entraînement physique Adaptations musculaires Adaptations cardio-vasculaires Adaptations métaboliques Adaptations de l os Adaptations respiratoires Ces adaptations se produisent en réponse à des stimuli spécifiques (Endurance vs Resistance)

3 Mécanismes et principes généraux Ces adaptations se font sous l influence De contraintes mécaniques: il existe des capteurs spécialisés au sein du muscle de l os des tendons De contraintes métaboliques: elles sont prises en compte à l échelon du tissu ou de l organisme De façon très schématique les contraintes mécaniques rendent comptent des adaptations de structure (os et muscle) et les contraintes métaboliques des adaptations des systèmes de transport et d utilisation de l énergie Pour chaque tissu cette dualité peut être envisagée

4 Les adaptations musculaires sont l exemple le plus complet variables selon le type d entraînement endurance ou résistance modification de la typologie musculaire modification du volume musculaire modification du nombre et de la compartimentation des mitochondries modifications des propriétés des enzymes clés du métabolisme énergétique Booth F.W., Thomason D.B. Molecular and cellular adaptation of muscle response to exercise: perspectives of various models. Physiol. Rev. 1991, 71 :

5 La contraction musculaire résulte de l interaction de protéines contractiles. La surface de ces protéines et leur typologie conditionnent la force et la vitesse de la contraction L énergie nécessaire est fournie par un système métabolique dont la nature et le fonctionnement s adaptent aux besoins musculaire L adaptation coordonnée de ces deux structures est la base de la plasticité musculaire

6 Ultrastructure musculaire Machine métabolique Machine contractile commande

7 Chaque stimuli agit sur des voies différentes qui aboutissent à des adaptations spécifiques Fluck et Hoppeler Rev Physiol Biochem Pharmacol 146: Ces voies de réponses déterminent les adaptations à l endurance ou à la résistance

8 Schéma des voies de réponse adaptatives du muscle aux types d entraînement Coffey et Hawley. Sports Med 2007 On observe une spécificité des voies de signalisation mises en jeu dans le développement de la force ou de l endurance Il semble nécessaire de proposer à la fois des entraînements en résistance pour développer la force ou l endurance. Que faut il privilégier pour diminuer les effets du vieillissement?

9 Vieillissement musculaire Diminution de masse musculaire en 2 étapes :réduction progressive de 20 à 60 ans, s accélère après. Perte plus rapide de la surface totale des fibres de type II Perte de force musculaire responsable d une perte progressive d autonomie. Mécanisme endocriniens (diminution des taux de stéroïdes sexuels, du tonus somatotrope, de l IGF-1 musculaire ), Nerveux (diminution du trafic des motoneurones α, nutritionnel. L entraînement en résistance peut réduire cette perte de façon très significative, cet effet ne semble pas se produire avec les entraînements en endurance

10 La courbe d évolution des performances selon l âge illustre l évolution biphasique du vieillissement sur les structures impliquées dans la performance physique

11 Un travail récent montre que 6 mois d entraînement en musculation augmente la force de sujets âgés

12 Les effets de l entraînement en force sont le résultat d un expression du génome Melov et al 2007 ont montré que 26 sem d un entraînement en musculation permet de ramener le niveau d expression du génome musculaire de sujets âgés (68 ans) au niveau de celui d adulte jeunes

13 Entraînement physique et métabolisme de l os Il est bien démontré que le développement lors de la croissance et le maintien à l age adulte du tissu osseux est déterminé par trois grand facteur principaux qui sont -les contraintes mécaniques qui s exercent sur l os -l équilibre des hormones remodelant le tissu osseux -le niveau des apports calcique. -L entraînement physique provoque une augmentation de la densité minérale de l'os chez le sujet jeune ou le sujet ayant dépassé le stade de maturité osseuse. Il existe une corrélation positive très forte entre la teneur minérale de l'os et le poids du muscle correspondant. Afin d illustrer le rôle important des sollicitations mécaniques on peut citer le travail de Daly et al ( Bone 2004) qui montre que le contenu minéral osseux est en moyenne de 15 % plus élevé au niveau du radius chez les 10 joueurs professionnels de tennis du coté ou ils tiennent leur raquette.

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16 Mécanismes de l action de l activité physique sur le métabolisme osseux Un système présent dans le tissu osseux intègre les variations de contraintes et induit l activité de remodelage afin de rétablir la masse et la structure osseuse en adéquation avec le stress mécanique auquel le site osseux est soumis. Le fluide extracellulaire, qui circule à travers des milliers de canaux reliant les lacunes ostéocytaires se déplace en fonction de la force compressive appliquée au tissu osseux et semble en grande partie responsable de l intégration des contraintes mécaniques. Ce phénomène est perceptible relativement rapidement sous l effet de l entraînement et ne semble pas altéré par le vieillissement ainsi que cela a été montré par SIMKIN et al. qui ont mis en évidence une augmentation de 3,8 % de la densité osseuse au terme de cinq mois d'exercice physique contrôlé et diversifié chez des femmes ménopausées, pendant que les témoins perdaient 1,9 % de leur valeur de départ. l'augmentation de la masse osseuse résultant de l exercice physique est liée à une stimulation de la formation osseuse objectivable par augmentation du taux d'ostéocalcine, une protéine du collagène qui est utilisé comme un marqueur sanguin du métabolisme osseux.

17 (Lafage-Proust et al., 1999)

18 Effets du type d activité Duncan et al Med Sports Sci Exerc. 2002

19 BMD in gymnasts (red) and in swimmers (blue) expressed as percentage of controls BMD (% controls) *** *** 20 *** ** * NS 5 Controls Whole body Mid-radius Distal radius * p< 0.05; * * p < 0.01; * * * p < Lumbar spine Femoral neck Ward's triangle Courteix et al., Osteoporos Int 1998

20 Effets du type d activité L activité physique peut être un facteur important de l acquisition minérale osseuse, seulement si la pratique peut induire des contraintes durant un entraînement à long terme. L activité sans charge ou impact, comme la natation, ne semble pas avoir d effet ostéogénique.

21 Effet de la force musculaire sur la densité osseuse

22 Dans cette étude la densité osseuse plus élevée des gymnastes artistiques est reliée avec une force musculaire supérieure

23 Au sein d un même groupe les différences de densité osseuse semblent influencées par le statut hormonal des stéroïdes sexuels

24 Dans cette étude un résultat original montre que la densité osseuse à l étage lombaire est reliée avec la souplesse, c est probablement le résultat des interactions entre degré de liberté articulaire et contraintes mécaniques

25 Evolution de la masse osseuse au cours de la vie et ses déterminants: rôle préventif de l activité physique sur les effets du vieillissement HORMONES? ménopause croissance OSTEOPOROSE? NUTRITION + ACTIVITE PHYSIQUE GENES Pic d acquisition (selon sexe)

26 Bone 2004 Chez l enfant Il existe une forte relation entre le développement de la masse maigre et la densité osseuse Le développement musculaire de l enfant et l adolescent sportif stimule puissamment l acquisition du pic de densité osseuse

27 Effet préventif L augmentation de densité osseuse lors des études d intervention chez les sujets âgés est perceptible mais reste faible (1% à 3% par année: Suominen Aging Clin Exp Res 2006) L entraînement en musculation semble plus efficace

28 Meta analyses Kelley et al, JAP 2000: Kelley et al; Am J Phy Med Rehabil 2001 Kelley et al; J gerontol A Bio Sci Med 2002 Conclusions générales L exercice peut améliorer ou maintenir BMD chez l homme La pratique d exercices variés est efficace pour préserver la masse osseuse chez les femmes âgées

29 Particularités : intensité, hormones La marche n est pas très efficace (longue durée?) Monter descendre les escaliers +++ Jogging +++ Entrainement en force et résistance: intenses +++ (Cussler et al. 2003) (Kerr et al. JBMR 1996, Osteopros Intensité modérée + Int 1998) L activité à base de sauts semble moins efficace chez la personne âgée que chez le jeune et un même programme d entraînement (saut) qui améliore la densité chez les femmes pré-ménopausées n est efficace chez les post ménopausées que s il est accompagné d un THS (Bassey et al. JBMR 1998)

30 L os peut aussi réguler le métabolisme énergétique par le biais de l ostéocalcine Lee et al Cell 2007 viennent de démontrer que l augmentation de l action de l ostéocalcine réduit les réserves de graisse et améliore la régulation de la glycémie en agissant sur: -La prolifération des cellules β pancréatiques -Stimulation de la sécrétion d insuline -Augmentation de la libération d adiponectine Ainsi les contraintes mécaniques de l entraînement physique sur l os pourraient avoir un effet métaboliques

31 Effet de l entraînement physique sur l appareil cardio-vasculaire L amélioration de toutes la chaînes de transport de l oxygène est un facteur déterminant de l adaptation aux efforts d endurance Elles se traduit aussi par des adaptations structurales et fonctionnelles qui ont un impact majeur sur la santé Le niveau de réponse passe par le crible du potentiel génétique individuel

32 Mécanisme de transport de l O2 facteurs déterminants le Vo2 max non limitant étapes limitantes Ek b lo m B Fa c to rs d e te rm in in g m a xim a l a e ro b ic p o w e r. Ac t Ph ys io l Sc a n d :

33 La p ro p o rtio n d a s p e c t d h yp e rtro p h ie e t d ila ta tio n Es t fo n c tio n d u s p o rt p ra tiq u é Intensité de l hypertrophie dilatation selon la nature du sport

34 L aug menta tion de la capacité aérobie a tteint un plateau en fonction du volume, s on nivea u es t g énétiquement déterminé. le niveau de répons e de la ca pa cité aérobie chez l homme à l entra înement es t g énétiquement déterminé, 2 5 à 50 % des différences interindividuelles du VO2 max s ont a ttribua bles à des fa cteurs g énétiques (études de compa rais on de jumea ux) Héterogenéité de la réponse du Vo2 max à l entraînement dans l étude HERITAGE D après Costill (Physiology of sport exercise Human Kinetics 1994) Bouchard et Rankinen Med Sci Sport Exerc. 33: s

35 Différents mécanismes mis en jeu pour expliquer l effet du niveau d activité physique sur la prévention des maladies cardio-vasculaires On retrouve une double action des stimuli mécaniques et métaboliques Haskell WL. Med Sport Sci Exerc. S Régulation de la PA Angiogenèse elle résulte des contraintes mécaniques sur l arbre artériel Action sur des structures en place Réponse rapide Elle résulte des contraintes métaboliques

36 Conclusions L amélioration des connaissances sur les mécanismes d action de l adaptation à l entraînement permet de préciser les indications pour la santé Les deux grands facteurs de l adaptation sont les contraintes mécaniques et métaboliques L évolution des idées montre qu il faut un entraînement adapté aux différentes périodes de la vie Les améliorations résultant de l entraînement en endurance agissent sur la prévention des maladies métaboliques et cardiovasculaires de l âge moyen, il faut augmenter la part des entraînements en résistance pour lutter contre la désadaptation des tissus de soutien des personnes plus âgées

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