News-Medical discute avec le professeur Terrie Williams de la façon dont l’examen de la physiologie de la plongée qui permet aux mammifères marins de résister à des conditions de faible teneur en oxygène peut améliorer notre compréhension des effets du COVID-19.
Crédit d’image: Craig Lambert Photography / Shutterstock.com
Sommaire
Qu’est-ce qui vous a amené à commencer cette recherche?
Mon laboratoire étudie le métabolisme et l’hypoxie des mammifères depuis plus de trois décennies, travaillant avec des triathlètes humains ainsi qu’avec des dauphins, des narvals, des lions, des ours, etc. En essayant de répondre à la question «Comment les mammifères marins retiennent-ils leur souffle pendant si longtemps?», Nous avons découvert que la tolérance à l’hypoxie varie considérablement d’un animal à l’autre.
Une baleine à bec qui plonge profondément peut retenir son souffle pendant plus de trois heures contre une poignée de minutes pour les humains! Malheureusement, les humains sont très vulnérables aux lésions tissulaires en cas de manque d’oxygène – ce qui m’a naturellement amené à m’interroger sur les impacts potentiels de l’hypoxie qui avaient été signalés chez les patients COVID-19.
Quelles adaptations physiologiques permettent aux mammifères marins de tolérer de faibles niveaux d’oxygène?
La liste semble interminable pour les mammifères marins. Ce travail a impliqué des scientifiques nationaux et internationaux pendant des décennies, et nous découvrons encore de nouvelles façons dont les mammifères marins peuvent protéger leurs tissus lorsque l’oxygène n’est pas disponible.
J’ai mis un tableau partiel des découvertes dans notre article pour donner aux lecteurs une idée de l’incroyable suite d’adaptations liées à l’hypoxie trouvées chez les phoques et les baleines. Cela commence par le stockage à bord de l’oxygène dans les tissus sensibles à l’oxygène, en particulier le cerveau et les muscles locomoteurs et cardiaques.
Les mammifères marins ont jusqu’à 10 fois plus de myoglobine transportant l’oxygène dans leurs muscles qu’un chien ou un humain.
Mais il y a tellement plus, par exemple, des capacités de tampon améliorées si les tissus deviennent anaérobies, des rates qui peuvent séquestrer les globules rouges oxygénés et des réponses en plongée pour réduire les demandes métaboliques des tissus aident à éviter les dommages liés à l’hypoxie. C’est remarquable et témoigne de ce qui est nécessaire pour protéger les organes les plus vitaux du corps de la privation d’oxygène.
Qu’est-ce que le principe de Krogh et pourquoi est-il pertinent ici?
August Krogh était un scientifique danois qui a remporté le prix Nobel de physiologie et de médecine il y a exactement 100 ans. Il a travaillé sur la physiologie vasculaire et respiratoire, en particulier l’apport d’oxygène aux tissus. Il s’est également intéressé à la manière dont les adaptations physiologiques des animaux modèles pourraient nous aider à comprendre les principes biologiques de base pour les humains.
le Principe de Krogh déclare que « pour un si grand nombre de problèmes, il y aura un animal de choix, ou quelques animaux de ce type, sur lesquels il pourra être étudié le plus commodément ». C’est le fondement de la physiologie comparée. J’ai utilisé cette puissante philosophie de recherche scientifique et l’ai appliquée aux nombreuses espèces animales que j’ai étudiées au fil des ans.
August Krogh est l’un de mes héros scientifiques, et ses épaules scientifiques sur lesquelles je me tiens. Pour lui rendre hommage à l’occasion de l’anniversaire de son prix Nobel, les éditeurs de Biochimie et physiologie comparées a créé une édition spéciale dont notre article sur l’hypoxie fait partie. Plutôt que de simplement écrire une critique sur l’hypoxie, mon co-auteur et moi avons décidé d’utiliser le principe de Krogh pour déterminer ce que les animaux pourraient nous dire sur la survie de l’hypoxie associée au COVID-19.
Pourquoi l’hypoxie est-elle si importante dans COVID-19?
Les scientifiques en apprennent beaucoup sur les effets de l’hypoxie au fur et à mesure que la pandémie progresse. Ce qui devient évident, c’est que l’hypoxie – un manque d’oxygène – est au cœur de bon nombre des symptômes que les premiers intervenants ont observés chez les patients. Le brouillard cérébral, les orteils COVID, la fatigue, ainsi que les lésions cardiaques, cérébrales et pulmonaires ont tous un élément de privation d’oxygène à leur racine.
Les mécanismes ne sont peut-être pas encore entièrement élaborés. Les dommages directs aux poumons par le virus, la réaction inflammatoire du corps et les dommages microvasculaires semblent tous contribuer au problème de l’apport d’oxygène chez les patients.
L’essentiel, cependant, est que l’oxygène peut manquer dans les tissus vitaux. Cela est préoccupant étant donné le manque relatif de défenses contre l’hypoxie chez l’homme par rapport à d’autres animaux comme les mammifères marins plongeant en profondeur.
Comment cette recherche pourrait-elle bénéficier du traitement et de la compréhension des patients atteints de COVID-19?
Cette réponse repose sur des principes physiologiques vraiment basiques pour les tissus corporels. Certains tissus, notamment le cerveau et le cœur des mammifères, sont exceptionnellement sensibles à l’oxygène. Ceci est problématique car ce sont aussi les organes les plus critiques de notre corps.
La figure 4 de notre article aborde cette question et, à mon avis, est l’illustration la plus importante de notre examen. Il dit deux choses très importantes que les gens doivent comprendre.
Figure 4 de l’article de synthèse «Résilience physiologique chez les mammifères plongeurs: informations sur la protection contre l’hypoxie en utilisant le principe de Krogh pour comprendre les symptômes du COVID-19». Crédit d’image: Williams et Davis (2020)
Premièrement, des dommages au cœur et au cerveau se produisent très rapidement lorsque l’oxygène est coupé; des dommages permanents aux cellules surviennent en quelques minutes.
Deuxièmement, à ce jour, la science et les médecins ne peut pas fabriquer de nouvelles cellules cardiaques ou cérébrales s’ils sont endommagés. Ce fut un moment de réveil pour moi concernant l’infection au COVID-19. Contrairement à un rhume ou une grippe, cette maladie, en raison de son effet sur la voie de l’oxygène, pourrait-elle entraîner des lésions permanentes des organes même si le patient survivait? Sommes-nous aussi résistants qu’un dauphin ou un phoque plongeur? Avec le temps, d’autres cellules pourraient être en mesure d’assumer une partie du rôle des cellules endommagées, mais la fonction 100% sera-t-elle jamais atteinte? Nous commençons à peine à voir les effets maintenant.
Que suggèrent vos recherches sur les patients atteints de COVID-19 qui souffrent de symptômes longtemps après leur infection initiale?
Des études récentes abordent désormais les problèmes rencontrés par les «long-courriers», des personnes qui ne semblent pas pouvoir se remettre des effets de l’infection d’origine. Souvent, ce sont les athlètes qui disent qu’ils ne semblent tout simplement pas pouvoir revenir à leur niveau initial d’entraînement ou de prouesse.
Cette prise de conscience a été mon deuxième moment de réveil au sujet du virus. Si le COVID-19 peut créer des dommages permanents le long de la voie de l’oxygène menant des poumons au cœur jusqu’aux muscles d’un athlète, compromettra-t-il les performances de l’élite?
Ce week-end, Keyontae Johnson, un joueur de basket-ball universitaire des Florida Gators, s’est effondré sur le terrain. Il est actuellement dans un coma médicalement induit. Son équipe, sa famille, son école et ses médecins se demandent tous si son épisode de COVID-19 cet été est un facteur contributif. Les vulnérabilités à l’hypoxie que nous avons identifiées dans nos cellules cardiaques peuvent offrir des indices.
Pour la plupart d’entre nous, nous voulons juste pouvoir courir, nager, faire du vélo, jouer au basket et se sentir bien. Pour un sportif olympique ou professionnel, la différence entre une médaille d’or ou d’argent ou une saison de championnat est mesurée sur la base de 1/100e d’une seconde. Une infection antérieure au COVID sera-t-elle un facteur limitant?
Qu’en est-il du cerveau et de la fonction cognitive? Notre capacité à dépasser le «brouillard» et à penser de manière créative ou critique sera-t-elle compromise? Dans des années, nous aurons probablement des réponses. Mais pour l’instant, ces questions m’empêchent de dormir la nuit et me font porter un masque.
Quels éléments importants le public peut-il tirer de votre recherche?
De toute évidence, il y a beaucoup de discussions sur les masques, la distance sociale, les verrouillages et les vaccinations ces jours-ci. C’est vraiment difficile pour tout le monde, d’autant plus que personne n’a toutes les réponses et que tout se passe trop vite avec cette maladie en évolution.
Compte tenu de ce que nous savons, la chose importante et conservatrice à faire est de rester en sécurité de la meilleure façon possible. Il serait tellement regrettable de regarder en arrière des années plus tard et de constater qu’un athlète a raté sa grande chance ou qu’un penseur scientifique prometteur a raté son prix Nobel en raison des ravages à court et à long terme de cette maladie.
Quelles sont les prochaines étapes de votre recherche?
Comme August Krogh, je continuerai à travailler avec les animaux – ils m’ont déjà beaucoup dit sur le fonctionnement réel de la biologie.
Où les lecteurs peuvent-ils trouver plus d’informations?
En savoir plus sur le travail de Terrie sur son site Web.
Lisez l’article de revue complet ici.
À propos du professeur Terrie Williams
Terrie M. Williams est une éco-physiologiste comparative avec 35 ans d’expérience dans la recherche sur la physiologie de l’exercice des mammifères terrestres et aquatiques tels que les lions d’Afrique, les loutres de mer, les narvals, les ours polaires et les phoques de Weddell.
En tant que professeur à l’Université de Californie à Santa Cruz, elle dirige le laboratoire d’énergie intégrative et comparée (ICE) et le projet de physiologie des mammifères marins. Ses expéditions de recherche l’ont emmenée des régions polaires de l’Arctique et de l’Antarctique aux savanes d’Afrique et de la côte montagneuse de Californie.
Elle a développé de nombreux instruments utilisés dans ses études, y compris des microprocesseurs submersibles de fréquence cardiaque pour surveiller les réponses de plongée des dauphins et des baleines lorsqu’ils se nourrissent en mer, et le collier SMART (Species Movement, Acceleration, and Research Tracking) qui intègre l’énergétique et le comportement. de carnivores terrestres chassant dans divers paysages.
Terrie et ses élèves s’efforcent de comprendre l’importance écologique des grands mammifères et les adaptations physiologiques nécessaires à la survie des espèces dans un monde en constante évolution en raison des impacts humains. Dans le cadre de son projet le plus récent, elle déploie ses cardiofréquencemètres sur les narvals et mesure également leur biologie thermique à l’aide de la technologie infrarouge. Son objectif principal est de comprendre comment la présence d’humains peut perturber la routine quotidienne normale de ces remarquables baleines plongeant en profondeur.
Dédiée à la résolution des défis auxquels sont confrontés les groupes sous-représentés dans le domaine des sciences, elle s’intéresse particulièrement à l’introduction de la recherche sur le terrain aux étudiants. Elle a écrit plusieurs livres populaires, dont The Odyssey of KP2, sur ses efforts pour conserver les phoques moines hawaïens en voie de disparition, qui ont remporté le prix AAAS / Subaru du livre scientifique et du film 2012 (Young Adult Science Books).
