Calcium content regulation in skeletal and cardiac muscle in physiological conditions

Abstract

Abstract: Calcium is an essential element involved in various physiological processes such as cell apoptosis and muscle contraction. Several pathologies have been associated to a bad intracellular Ca²+ handling, which leads to changes in total Ca²+ concentration in the muscle ([CaT]WM). A new method has recently been developed in our laboratory (Lamboley et al., 2015; J. Gen. Physiol., 145(2):127153) to measure [CaT]WM in skeletal and cardiac muscle, which allowed us to make the following observations: 1) [CaT]WM in mouse extensor digitorum longus (EDL), increases as the mouse weight / muscle weight ratio increases; 2) [CaT]WM in the EDL (but not in the soleus) and in the left ventricle of agitated/active mice was almost twofold higher than that of control mice. We hypothesize that there is one or multiple physiological mechanisms regulating [CaT]WM in the muscle to satisfy force requirements. Our goals are to find a group of reproductible conditions involved in [CaT]WM regulation, as well as adapting the previously mentioned method, so faster measurements can be performed. 36 mice were randomly assigned to one of the following groups: 1) control mice (rested); 2) injected with epinephrine or saline; 3) trained in a treadmill; 4) injected with epinephrine or saline and trained in a treadmill. [CaT]Heart values of control mice were ~27 times higher than those reported by other authors. Our results indicate a decrease in [CaT]WM in all the muscles studied in those mice under epinephrine, probably because of α-adrenergic stimulation dominating over β-adrenergic stimulation. This decrease was more pronounced when the treadmill training was added to the injection, probably because more Ca²+ is being released from the SR, so more Ca²+ can be extruded to the extracellular space. We report an increase of [CaT]WM in the EDL when the treadmill training is applied alone, which might represent a Ca²+ upregulation mechanism by which the muscle builds up intracellular Ca²+ to satisfy force requirements. The channels responsible for Ca²+ entry are yet to be identified. Finally, the adaptations applied on the technique proved to be useful for performing faster measurements.

Le Ca²+ est un élément se trouvant dans plusieurs processus physiologiques, parmi lesquels, la contraction musculaire et l’apoptose cellulaire. Plusieurs pathologies sont associées à une mauvaise régulation du Ca²+ intracellulaire. Une nouvelle méthode a été développée dans notre laboratoire (Lamboley et al., 2015; J. Gen. Physiol., 145(2):127153), afin de mesurer la concentration totale de Ca²+ dans le muscle ([CaT]WM) de souris, ce qui nous a permis de faire les observations suivantes : 1) Pour l’extensor digitorum longus (EDL), plus le ratio poids de l’EDL/poids de la souris augmente, plus la [CaT]WM est élevée et 2) la [CaT]WM dans l’EDL (mais pas dans le soléaire) et dans le ventricule gauche des souris agitées/actives était environ 2 fois plus élevée que celle des souris témoins. Notre hypothèse est qu’il existe un ou plusieurs mécanismes qui régulent la [CaT]WM du muscle pour répondre à une demande spécifique de force. Nos buts sont de trouver un ensemble de conditions reproductibles affectant la [CaT]WM, ainsi que d’adapter la méthode utilisée afin de la rendre plus efficace. 36 souris ont été distribuées aléatoirement en plusieurs groupes : 1) souris témoins; 2) injectées à l’épinéphrine ou au salin; 3) injectées à l’épinéphrine ou avec une solution saline et entrainées avec un tapis roulant. La [CaT]Cardiaque mesurée a été ~27 fois plus élevée que celle rapportée par d'autres auteurs. Nos résultats indiquent une diminution de la [CaT]WM dans tous les muscles étudiés dans le cas des souris injectées a l’épinéphrine, peut-être dû à la dominance de la stimulation α-adrénergique sur la stimulation β-adrénergique. Cette diminution a été plus prononcée quand l’entrainement dans le tapis roulant a été combiné avec l’injection, puisque plus de Ca²+ est relâché à partir du RS, donc plus de Ca²+ peut être extrudé au milieu extracellulaire. Nous avons aussi observé une augmentation de la [CaT]WM dans l’EDL, quand seul l’entrainement a été appliqué, ce qui pourrait représenter le mécanisme de régulation que nous cherchons. Par contre, les canaux impliqués n’ont pas encore été identifiés. Finalement, les adaptations appliquées sur la méthode nous ont permis de réaliser des mesures de Ca²+ plus rapidement.