Beneficial and harmful effects of oscillatory mechanical strain on airway smooth muscle

摘要

Airway smooth muscle (ASM) cells are constantly under mechanical strain as the lung cyclically expands and deflates, and this stretch is now known to modulate the contractile function of ASM. However, depending on the experimental conditions, stretch is either beneficial or harmful limiting or enhancing contractile force generation, respectively. Stretch caused by a deep inspiration is known to be beneficial in limiting or reversing airway constriction in healthy individuals, and oscillatory stretch lowers contractile force and stiffness or lengthens muscle in excised airway tissue strips. Stretch in ASM culture has generally been reported to cause increased contractile function through increases in proliferation, contractile protein content, and organization of the cell cytoskeleton. Recent evidence indicates the type of stretch is critically important. Growing cells on flexible membranes where stretch is non-uniform and anisotropic leads to pro-contractile changes, whereas uniform biaxial stretch causes the opposite effects. Furthermore, the role of contractile tone might be important in modulating the response to mechanical stretch in cultured cells. This report will review the contrasting evidence for modulation of contractile function of ASM, both in vivo and in vitro, and summarize the recent evidence that mechanical stress applied either acutely within 2 h or chronically over 11 d is a potent stimulus for cytoskeletal remodelling and stiffening. We will also point to new data suggesting that perhaps some of the difference in response to stretch might lie with one of the fundamental differences in the ASM environment in asthma and in culture — the presence of elevated contractile tone.Key words: length–tension, contraction, perturbed equilibrium of myosin binding, mechanical stress, cell phenotype, myosin light chain kinase, tone and relaxation, asthma.Les cellules musculaires lisses des voies aériennes (MLVA) sont soumises à une déformation mécanique constante à chaque cycle de gonflement et de dégonflement du poumon, et l'on sait maintenant que cet étirement module la fonction contractile des MLVA. Toutefois, selon les conditions expérimentales, l'étirement est soit bénéfique, soit néfaste, en limitant ou en stimulant la production de la force contractile, respectivement. L'étirement causé par une inspiration profonde a un effet bénéfique en limitant ou en renversant la constriction des voies aériennes chez les sujets en santé, et l'étirement oscillatoire diminue la rigidité et la force contractile, ou allonge le muscle dans les bandes de tissus excisés des voies aériennes. On indique généralement que, dans les MLVA en culture, l'étirement entraîne une augmentation de la fonction contractile par le biais d'augmentations de la prolifération, de la teneur en protéines contractiles et de l'organisation du cytosquelette des cellules. De récentes observations indiquent que le type d'étirement a une grande importance. La culture des cellules sur des membranes flexibles, où l'étirement est non uniforme et anisotrope, entraîne des modifications procontractiles, alors que l'étirement biaxial uniforme a des effets contraires. Le tonus contractile pour rait aussi jouer un rôle important en modulant la réponse à l'étirement mécanique dans les cellules cultivées. Ce compte rendu fera une synthèse des différentes données probantes sur la modulation de la fonction contractile des MLVA, in vivo et in vitro, et résumera les récentes observations indiquant qu'un stress mécanique, appliqué de manière aiguë dans un délai de 2 h ou chroniquement pendant 11 jours, est un stimulus puissant pour le remodelage et la rigidité du cytosquelette. Nous présentons aussi de nouveaux résultats qui semblent indiquer qu'une partie de la différence dans la réponse à l'étirement pourrait résider dans l'une des différences fondamentales dans l'environnement du MLVA de l'asthmatique et en culture, soit la présence d'un tonus contractile élevé.Mots clés : longueur–tension, contraction, équilibre perturbé de la fixation de la myosine, stress mécanique, phénotype cellulaire, kinase de la chaîne légère de la myosine, tonus et relaxation, asthme.[Traduit par la Rédaction]