Rev Méd Interne 2001 ; 22 : 723-36 © 2001 Éditions scientifiques et médicales Elsevier SAS. Tous droits réservés S0248866301004180/SSU Mise au point L’étiologie clinique du surentraînement au travers de l’examen sanguin : état des connaissances C. Petibois1, 2, G. Cazorla2, G. Déléris1*, H. Gin3 1 Inserm U443, équipe de chimie bio-organique, université Victor-Segalen Bordeaux 2, 146, rue Léo-Saignat, 33076 Bordeaux, France ; 2faculté des sciences du sport et de l’éducation physique, université Victor-Segalen Bordeaux 2, 146, rue Léo-Saignat, 33076 Bordeaux, France ; 3service de nutrition, hôpital du Haut-Lévêque, avenue de Magellan, 33604 Bordeaux cedex, France (Reçu le 21 juillet 1999 ; accepté le 5 janvier 2001) Résumé Propos. – Le surentraînement résulte d’une balance négative entre la fatigue induite par les charges d’entraînement et les capacités de récupération de l’organisme. Sa cause est complexe et aucun élément de diagnostic clinique simple n’est disponible actuellement. Cette revue propose de faire le point sur les paramètres sanguins susceptibles d’établir l’état de surentraînement chez le sportif. Actualités et points forts. – Des altérations chroniques de la structure du myocyte peuvent entraîner une forte élévation des concentrations plasmatiques en myoglobine, en troponine I et en enzyme créatine kinase, résultant d’agressions chimiques et/ou mécaniques. L’activité des radicaux libres apparaît comme un bon moyen d’évaluer l’ampleur du stress métabolique subi par le muscle en activité. Au niveau du métabolisme énergétique, une succession de déplétions chroniques du glycogène pourrait perturber l’utilisation des acides aminés et des lipides en induisant de fortes hypoglycémies d’exercice. D’une oxydation accrue de la glutamine circulante peut résulter une hyporéactivité du système immunitaire (baisse de la réaction aux inflammations et aux traumatismes cellulaires), conduisant à une inhibition des signaux d’alarme liés à l’entraînement trop intense. L’oxydation des acides aminés ramifiés pourrait aussi favoriser l’entrée du tryptophane libre au niveau cérébral, un précurseur de la synthèse de sérotonine. Cette hormone serait à l’origine d’un état de fatigue latente (asthénie) et d’une baisse de la sensibilité aux traumatismes musculaires et tendineux. L’anémie d’exercice pourrait aussi aggraver la situation physiologique d’un athlète déjà fatigué, le prédisposant au surentraînement par la moindre réactivité des protéines circulantes aux inflammations hépatiques et musculaires. Perspectives et projets. – Le diagnostic précoce du surentraînement ne peut être établi qu’à partir d’une batterie d’analyses incluant l’ensemble de ces facteurs d’occurrences probables. Ces indicateurs demeurent néanmoins aléatoires et ne permettent pas une détection systématique des nouveaux cas. Seul un suivi biologique longitudinal semble donc susceptible d’établir les conditions d’apparition du surentraînement pour chaque athlète. © 2001 Éditions scientifiques et médicales Elsevier SAS métabolisme / fatigue / surentraînement / muscle / exercice *Correspondance et tirés à part. Adresse e-mail : [email protected] (G. Déléris). 724 C. Petibois et al. Summary – Clinical diagnosis of overtraining using blood tests: current knowledge. Purpose. – Overtraining results from an imbalance between training load-induced fatigue and organism’s recovery abilities. Its etiology is complex and to date there is no useful clinical diagnostic tool. The purpose of this review is to discuss the blood chemistry parameters potentially useful for diagnosing overtraining in athletes. Current knowledge and key points. – Chronic alterations of the myocyte structure may cause high plasma concentration increases of myoglobin, troponin I and creatine kinase enzyme, resulting in chemical and/or mechanical aggression. Monitoring reactive oxygen species’ activity appears to be a good tool for evaluation of the metabolic stress level experienced by skeletal muscles. In energetic metabolism, a succession of chronic glycogen depletions might change the use of amino acids and lipids, inducing transient but severe hypoglycemia during exercise. A higher oxidation of circulating glutamine might cause immunosuppression (lower reactivity to inflammations and cellular traumatisms), inhibiting alarm signals during acute training. A higher branched-chain amino acid oxidation might favor free tryptophan’s entry into the cerebral area, enhancing serotonin synthesis. As a consequence, asthenia and a loss of sensitivity to muscular and tendon traumatism might appear. Exercise anemia might also be a worsening factor of the physiological situation of the tired athlete, inducing predisposition to overtraining by the lower inflammation reactivity of depleted hepatic and muscular proteins. Future prospects and projects. – Early diagnosis of overtraining diagnosis may be established only from a battery of analyses, which should include the whole of the potential parameters. These remain unpredictable and do not allow systematic determination of new cases. Only a longitudinal study of the physiological situation appears to allow the necessary conditions for detecting overtraining in the early stages of its process for each subject. © 2001 Éditions scientifiques et médicales Elsevier SAS blood / metabolism / fatigue / overtraining / skeletal muscle exercise LE CONCEPT DE SURENTRAÎNEMENT Au niveau moteur, la fatigue peut être définie comme l’incapacité de maintenir une intensité d’exercice donnée. Elle peut être considérée comme un signal d’alarme de l’organisme, indiquant un état de stress diminuant ses capacités fonctionnelles initiales. C’est aussi le fondement des processus d’adaptation à l’entraînement, devant mener à une hausse graduelle de ces capacités fonctionnelles, lorsqu’à la fatigue induite succèdera une période de récupération suffisante. La limite est cependant ténue entre cette « stimulation » de l’organisme à s’adapter aux stress subis et le dépassement de ses capacités de récupération [1]. Si une balance négative persiste entre les stress d’entraînement et les périodes de récupération, cette situation causera une accumulation chronique de fatigue, laquelle sera de moins en moins compensable et pourra mener à un état de surentraînement. Celui-ci résulte donc d’une balance inadéquate entre charges d’entraînement (stress) et périodes de récupération, nécessitant un arrêt durable des activités physiques [2-4]. Le processus menant des effets « bénéfiques » des stress d’entraînement aux effets « rédhibitoires » du surentraînement est actuellement largement méconnu. Des étapes transitoires entre ces états de la fatigue existent sans doute mais leur filiation n’a jamais pu être démontrée [5, 6]. Selon les pratiques sportives, l’entraînement pourra induire des adaptations de la plupart des systèmes fonctionnels de l’organisme, aussi bien neurologiques, métaboliques, immunitaires, cellulaires et organiques. Ainsi, le surentraînement sera susceptible de porter atteinte aux capacités de tout ou partie de ces ensembles fonctionnels, de manière concomitante ou non. Il apparaît donc que cet état de fatigue chronique sera indubitablement systémique. En conséquence, il devient évident que la recherche d’un marqueur unique du surentraînement, à quelque niveau de l’organisme que ce soit, aura un caractère fondamentalement réducteur, voire aléatoire. La probabilité est donc bien faible que l’on puisse un jour utiliser un tel élément diagnostique. Le seul marqueur universel du surentraînement est une baisse du niveau de performance malgré le maintien ou l’augmentation des charges d’entraînement [5-7]. Différentes hypothèses ont été avancées pour tenter d’expliquer Analyse sanguine et surentraînement l’origine et l’évolution du processus menant de la fatigue d’entraînement au surentraînement. La possibilité d’effectuer des analyses répétées (donc des prélèvements d’échantillons biologiques pertinents) reste une difficulté majeure dans le cadre d’un suivi longitudinal, le seul cadre expérimental à même de détecter un début de surentraînement, avant qu’il ne soit trop rédhibitoire pour l’athlète [8]. Le sang est le carrefour des composantes de l’organisme, véhiculant tout ce qui leur est nécessaire pour communiquer (hormones), pour fonctionner (substrats énergétiques) ou pour évacuer tout ce qui résulte des divers processus biochimiques permettant le fonctionnement cellulaire (CO2, métabolites dérivés). L’analyse du sang apparaît donc comme une source majeure d’informations sur les diverses activités métaboliques de l’organisme. Les lieux anatomiques probablement à l’origine de dysfonctionnements induisant le surentraînement ont donc nécessairement des éléments de détermination au niveau sanguin, dans le dosage de métabolites spécifiques de l’activité de certains organes ou d’ensembles fonctionnels clés de l’organisme, tel le système immunitaire. L’HYPOTHÈSE STRUCTURALE MUSCULAIRE : ACTION DES RADICAUX LIBRES Lors de l’exercice intense, de force, d’endurance ou de vitesse, mais plus particulièrement s’il est excentrique, des altérations de la structure cellulaire du muscle peuvent apparaître tant pour des causes mécaniques (rupture d’éléments de l’architecture de la cellule) que métaboliques (agressions chimiques de ces mêmes éléments). Au plan métabolique, des radicaux libres hautement réactifs sont systématiquement formés à partir de l’oxygène lors des processus d’oxydoréduction. Ils possèdent un électron non apparié, ce qui les rend particulièrement réactifs. Ils déclenchent une série de réactions en chaîne et la conversion de plusieurs molécules qui seront successivement attaquées par les espèces réactives engendrées à chaque nouvelle étape du processus [9]. Au départ de ces réactions, les radicaux superoxydes (O2–•) sont les plus fréquemment produits et peuvent induire une peroxydation des phospholipides membranaires de la cellule musculaire (figure 1). Par ailleurs, plusieurs oxydases au sein de la cellule musculaire, telles que l’aminoacide oxydase et la 725 Figure 1. Production de radicaux libres de l’oxygène et mécanisme d’altérations de la structure cellulaire du muscle. xanthine-oxydase peuvent produire de du peroxyde d’hydrogène (H2O2). La xanthine-oxydase catalyse aussi bien la conversion de l’hypoxanthine en xanthine que de cette dernière en acide urique. L’oxygène utilisé sera réduit en O2–• ou en H2O2. De plus, le H2O2 produit peut, en présence de Fe2+, générer un radical hydroxyle (OH•), nettement plus réactif que les espèces précédentes et capable d’attaquer de nombreux types de molécules, incluant des protéines, l’ADN et des lipides. Ce radical (OH•) peut à son tour générer un radical lipidique en arrachant un hydrogène à un acide gras polyinsaturé, aboutissant à la formation de radicaux lipoperoxyles (LOO•), de radicaux alkoxyles (LO•) et d’aldéhydes tels que le malondialdéhyde en tant que produits dérivés. Tous sont responsables d’altérations du fonctionnement membranaire des cellules [10]. Une peroxydation lipidique membranaire de la cellule musculaire a été constatée au cours de l’exercice intense [11]. Le dosage plasmatique du malondialdéhyde permet de mettre en évidence l’aboutissement de cette peroxydation [10]. Le radical O2–• serait aussi à l’origine d’une oxydation des catécholamines impliquées dans la mobilisation des substrats énergétiques utilisés par le muscle en activité [12]. La production de radicaux libres réactifs est constante au sein des processus biochimiques aérobies. Elle provient de ce que 1 à 3 % de l’oxygène consommé est incomplètement réduit [13]. Lors de l’exercice, la consommation d’oxygène au sein de la chaîne de transport des électrons peut augmenter 726 C. Petibois et al. jusqu’à 40 fois sa valeur basale, augmentant d’autant la production de radicaux libres [11]. Il existe cependant, face aux agressions de ces radicaux, un système de défense qui comprend certaines enzymes (catalase, glutathion-peroxydase, superoxydedismutase), et dans lequel interviennent des vitamines (α-tocophérols, acide ascorbique, β-carotène), et certaines molécules moins spécialisées (glutathion, ubiquinone). La catalase permet la transformation de deux H2O2 en H2O et en O2. L’activité de cette enzyme augmente d’ailleurs fortement au cours de l’exercice. L’entraînement aura aussi pour effet de réduire son action au repos après l’entraînement en endurance, indiquant une plus large recapture des radicaux libres au cours de l’exercice et de meilleures capacités oxydatives au sein des mitochondries [11]. La superoxyde-dismutase aboutit au même type de résultat à partir de deux O2–• et de deux ions H+. Il semble néanmoins que l’entraînement en endurance ne modifie que très peu son activité, aussi bien au cours de l’exercice qu’au repos [14]. La glutathion-peroxydase permettra la conversion de deux GSH (glutathion) et un H2O2 en deux H2O et un GS-SG (glutathion oxydé), mais aussi celle d’hydroperoxylipides en hydroxylipides. La vitamine E (α-tocophérol) est le principal piège de ces radicaux libres au niveau des membranes cellulaires et des lipoprotéines (α-TH + LOO• → α-T• + LOOH). Le radical α-tocophéryle (α-T•) étant peu réactif, la chaîne des réactions biochimiques des radicaux libres sera ainsi ralentie. De plus, la vitamine E est capable de piéger les radicaux O2–• et OH• en synergie avec les vitamines A et C. Une déplétion de la vitamine E peut être détectée dans le muscle et dans le sang à la suite de l’exercice prolongé et intense [15]. L’utilisation de ces vitamines pour augmenter les capacités de piégeage des radicaux libres produits à l’exercice évolue positivement avec l’entraînement, menant à une diminution des peroxydations intracellulaires [9]. À l’exercice, une balance négative entre les actions des radicaux libres et les capacités anti-oxydatives des cellules musculaires a été proposée comme l’un des mécanismes potentiellement fondateurs du processus de surentraînement [16]. Il n’a pourtant jamais été démontré qu’une peroxydation chronique d’éléments de la structure musculaire (phospholipides membranaires, protéines métaboliques et contractiles) pourrait être à l’origine d’altérations graves du Figure 2. Altérations de la structure cellulaire musculaire et diffusion des protéines métaboliques et/ou contractiles. (1) Les processus oxydatifs au sein de la mitochondrie peuvent entraîner la formation de radicaux libres de l’oxygène ; (2) lesquels peuvent altérer l’intégrité de certaines protéines contractiles (3) ou des membranes cellulaires (4). Leur perméabilité augmentant, la créatine kinase (CK), la myoglobine et la troponine I diffuseront plus facilement hors du cytosol musculaire (5). Hx : hypoxanthine ; SOD : supéroxide dysmutase ; Vit-E : vitamine E ; MDA : malondialdéhyde. fonctionnement cellulaire à l’origine d’un état de surentraînement [10, 17, 18]. L’HYPOTHÈSE STRUCTURALE MUSCULAIRE : ANOMALIES DE LA PERMÉABILITÉ MEMBRANAIRE DES CELLULES MUSCULAIRES Cependant, l’action de peroxydation lipidique radicalaire a pour conséquence majeure d’augmenter la perméabilité de la membrane de la cellule musculaire. Certaines molécules, telles la créatine kinase, la myoglobine, la troponine I et la 3-méthylhistidine, sont libérées dans le milieu interstitiel (figure 2). On peut éventuellement les détecter par la suite dans la circulation sanguine, et la vitesse d’évolution de leur concentration sanguine peut renseigner sur la viabilité de la structure des cellules musculaires [5]. La concentration en 3-méthylhistidine, un marqueur de la dégradation des protéines contractiles, pourra rester élevée de 48 à 72 heures après un exercice d’endurance intense à exhaustif [19]. La créatine kinase est l’enzyme responsable de la resynthèse de l’ATP hydrolysée à partir de la phosphorylcréatine (PCr). Sa concentration plasmatique est un Analyse sanguine et surentraînement marqueur de l’équilibre biochimique et de la perméabilité membranaire de la cellule musculaire [20]. Il a été proposé d’utiliser les cinétiques des concentrations plasmatiques en créatine kinase à la suite d’entraînements ou d’exercices très intenses pour étudier les capacités de récupération des athlètes [21]. Cependant, seule la perméabilité des membranes des cellules musculaires peut être étudiée par l’analyse des concentrations en créatine kinase. Selon l’importance de leur déstructuration, les membranes ne resteront plus particulièrement perméables que 48 à 96 heures après l’exercice intense et les concentrations en créatine kinase suivront une cinétique globalement similaire [22, 23]. Par ailleurs la créatine kinase diffuse dans le compartiment sanguin quel que soit le type de fibre endommagé ; sa présence dans la plupart des cellules de l’organisme est constante. Finalement, quelles que soient l’origine et l’importance des altérations structurales de la cellule musculaire, chimique et/ou mécanique, la créatine kinase diffusera hors du cytosol. Elle n’est donc pas un marqueur discriminant des processus normaux de la fatigue d’entraînement et du surentraînement [22, 24]. La myoglobine est l’une des principales protéines métaboliques du cytosol musculaire. Elle est aussi l’une des seules protéines cytosoliques non liées, ce qui lui permet d’assurer la majeure partie de la diffusion de l’O2 vers les mitochondries. Cette propriété implique néanmoins qu’elle diffusera facilement dans le compartiment sanguin lorsque la perméabilité membranaire augmentera [25]. Ce sont plus particulièrement les fibres oxydatives (types I et IIa, riches en enzymes spécifiques de l’oxydation des substrats énergétiques) qui subiront l’action de peroxydation des radicaux libres, induisant une diffusion plasmatique de myoglobine. L’étude de sa cinétique de concentration plasmatique à la suite de l’exercice intense informera donc sur l’intégrité des membranes musculaires et sur l’origine des dommages (agression chimique ou mécanique), mais aussi sur les types de fibres plus particulièrement endommagées [25]. À ce jour, il n’a pas encore été démontré que la diffusion des protéines musculaires dans le compartiment sanguin pouvait être un indicateur sensible d’une fatigue d’entraînement devenant chronique et permettant de discriminer l’évolution de l’athlète vers un état de surentraînement. Il est d’ailleurs assez peu envisageable que ces altérations mécaniques et métaboliques puissent être à l’origine du pro- 727 cessus de surentraînement ou qu’elles y participent largement [26]. La déstructuration des cellules musculaires est en effet la source majeure des sensations douloureuses de courbatures chez les sportifs entraînés. Lors de l’exercice excentrique, les ruptures apparaîtront plus particulièrement au niveau des éléments du tissu conjonctif de l’architecture musculaire et inhiberont la capacité de contraction maximale volontaire de l’athlète. Lors de l’exercice d’endurance, les actions des radicaux libres provoqueront une dégradation des phospholipides membranaires et des protéines contractiles qui limiteront fortement les capacités métaboliques des cellules musculaires [17]. Des exercices (et/ou des entraînements) intenses et de longue durée feront subir une combinaison de ces deux phénomènes d’altérations de la structure musculaire (d’origines chimique et mécanique), dont les conséquences (inhibition de la capacité de contraction maximale et/ou limitation métabolique) peuvent être considérées comme des signaux d’alarme du système musculaire [27]. Le surentraînement pourrait apparaître à partir de ces phénomènes si des entraînements intenses étaient répétés sans permettre la restructuration du système musculaire. Quelques études ont constaté une déstructuration des cellules musculaires plus élevée chez des sujets surentraînés toutefois sans pouvoir déterminer s’il s’agissait là d’un facteur majeur du processus ou une simple conséquence de celui-ci [28]. La fragilisation de l’organisme constatée en état de surentraînement ne semble donc pas trouver ses origines au plan structural. Il reste néanmoins que l’étude conjointe des cinétiques des concentrations en vitamine E, malondialdéhyde, créatine kinase, myoglobine et troponine I donnera un profil du stress structural des cellules musculaires qui pourra être utilisé comme un outil de diagnostic du surmenage musculaire, souvent à l’origine de traumatismes incapacitants (myalgies, déchirures, ruptures, œdèmes…). L’HYPOTHÈSE GLUCIDIQUE Lors de l’exercice d’endurance, la fatigue métabolique peut être perçue au travers d’une hypoglycémie transitoire due à la déplétion des stocks de glycogène hépatique et musculaire et/ou à une déficience de la néoglucogenèse (figure 3). À l’exercice, une déplétion plus chronique du glycogène peut apparaître consécutivement à plusieurs jours d’entraînement particulièrement long et en l’absence d’une inges tion 728 C. Petibois et al. Figure 3. Voies de synthèse – dégradation du glycogène musculaire lors de l’exercice d’endurance et surentraînement. (1) La dégradation du glycogène hépatique pourrait être limitée en conséquence de déplétions chroniques et répétées de ses stocks. (2) Il pourrait en être de même pour le glycogène musculaire, voire pour l’utilisation de la glycolyse (3) et l’oxydation de l’acétyl-CoA (4), les substrats lipidiques étant préférés pour épargner les stocks glucidiques. F6P : fructose-6-phosphate ; F1,6B : fructose 1,6 biphosphate ; G1P : glucose-1-phosphate ; Glycérol 3-P : glycérol-3-phosphate ; 3-P glycéraldéhyde : triphosphoglycéraldéhyde. appropriée de glucose [29]. La réplétion du glycogène sera alors légèrement plus lente et retardée [30], il en résulte une fatigue musculaire qui s’accroît d’un entraînement à l’autre. L’hypoglycémie de l’exercice d’endurance intense et de longue durée pourrait être plus sévère lorsque l’athlète se trouve en situation de surentraînement [4, 6]. Il a aussi été constaté que la lactatémie d’exercice baisse, pour une même intensité submaximale d’exercice, chez des athlètes surentraînés [31]. Cette lactatémie moindre pourrait être due à une utilisation minorée de la glycolyse pour la fourniture énergétique globale à l’exercice ; celle-ci serait alors plus largement alimentée par les substrats lipidiques. Le métabolisme des nucléotides puriques pourrait aussi être plus largement sollicité, induisant une formation accrue de monophosphate d’inosine (IMP) et de NH4+ [32]. Cependant, la réplétion des stocks de glycogène, entre les entraînements, apparaît généralement optimale, même lorsque la déplétion est apparue significativement supérieure pour des athlètes surentraînés [31, 33]. Il apparaît donc que le surentraînement n’est pas directement induit par ces déplétions chroniques des stocks de glycogène mais que ces derniers pourront en être un facteur aggravant [6, 34]. De plus, l’hypoglycémie transitoire à l’exercice d’endurance ne sera que légèrement plus importante chez l’athlète surentraîné [35], ce qui ne permet pas de l’utiliser comme un outil de diagnostic discriminant. Cependant, la déplétion des stocks de glycogène peut conduire à une oxydation accrue des acides aminés ramifiés (AAR), susceptible d’être à l’origine d’un processus menant à l’installation d’une fatigue centrale [6] (cf. ci-après). L’HYPOTHÈSE DES ACIDES AMINÉS RAMIFIÉS Les AAR (Leu, Ile, Val) peuvent être abondamment captés par le muscle, et non par le foie, et sont susceptibles d’être largement oxydés lors de l’exercice [36] (figure 4).Au même moment, les acides gras du sang sont utilisés par le muscle en tant que source supplémentaire de substrats énergétiques [37], Analyse sanguine et surentraînement notamment lorsque les stocks en glycogène sont en déplétion [38]. Les acides gras, non hydrosolubles, étant normalement en compétition avec le tryptophane (Trp) pour l’utilisation des liaisons à l’albumine, un apport plus élevé d’acides gras aux muscles libèrera du Trp (fTrp) dans la circulation [39]. Les acides aminés ramifiés et aromatiques (Tyr, Phe, Trp) utilisent le même transporteur neutre au niveau de la barrière hématoencéphalique. La concentration en fTrp augmentant et celle des AAR baissant, l’entrée de fTrp dans le cerveau sera favorisée [40]. Le Trp est alors converti en 5-hydroxytryptamine (5-HT), qui est un neurotransmetteur. Dans des aires corticales spécifiques, la 5-HT joue des rôles divers : induction du sommeil, réduction de l’excitabilité des motoneurones avec une inhibition des réflexes postsynaptiques, notamment lors de l’exercice [37] et fonction endocrine par l’inhibition de facteurs de libération des hormones sécrétées dans l’hypothalamus, pouvant mener à une réduction des régulations endocriniennes dans l’organisme [41]. Ces phénomènes ont été observés chez certains athlètes d’endurance surentraînés [40], mais pas chez les spécialistes du sprint [41]. Une baisse du rapport des concentrations sanguines fTrp/AAR a donc été proposé comme outil de diagnostic du surentraînement chez les sportifs d’endurance [42]. Cependant, l’ingestion de solutions contenant des AAR n’a pas permis de rétablir le rapport fTrp/AAR, notamment lorsque les stocks de glycogènes sont en déplétion [38]. Diverses études ont d’ailleurs montré que ces ingestions restaient sans effet sur l’induction de la fatigue à l’exercice d’endurance et sur le niveau de performance [43]. L’explication en est probablement que l’ingestion d’AAR augmente le drainage des squelettes carbonés des acides aminés dans le cycle des acides tricarboxyliques pour la formation d’acétyl-CoA. Ce cycle produit beaucoup d’ATP à partir des acides aminés mais il en résulte une formation d’ammoniac très rapidement toxique. En fait, au niveau musculaire, les AAR représentent le principal donneur de groupements amine au 2-oxoglutarate pour former du glutamate. Le glutamate conduit à la glutamine, le principal vecteur biologique d’ammoniac, via la glutaminesynthétase [36]. L’ingestion d’AAR n’apparaît donc pas comme le moyen de faire baisser le rapport fTrp/ AAR observée chez certains sportifs surentraînés [43]. De plus, les résultats expérimentaux acquis 729 Figure 4. Métabolisme des AAR et induction de la fatigue centrale dans le surentraînement. (1) Une déplétion accrue du glycogène augmente la captation musculaire d’acides aminés ramifiés (AAR) et un apport supérieur en acides gras (AG) via une plus haute saturation des sites de fixation de l’albumine (2). En conséquence la fraction libre du Trp augmente (3) et sera favorisée pour passer la barrière cérébrale, ce qui est encore augmenté par les faibles concentrations en AAR (4). Une synthèse accrue de 5-hydroxytryptamine (5-HT) pourrait alors être à l’origine d’une fatigue centrale inhibant certains des principaux signaux d’alarme de l’organisme (5). AAR : acides aminés ramifiés ; Trp : tryptophane ; Glc : glucose ; 5-HT ; 5-hydroxytryptamine. à ce jour ne permettent pas de conclure sur d’éventuelles relations de causalité entre les déplétions chroniques des stocks de glycogène à l’exercice et l’induction d’une fatigue centrale liée à la baisse du rapport fTrp/AAR. Il reste aussi à démontrer que cette baisse reste effective entre les entraînements intenses alors que les stocks de glycogène auront été reconstitués de façon quasiment optimale [44], faute de quoi le constat d’une synthèse cérébrale accrue de 5-HT pourrait n’être qu’un phénomène circonstancié et secondaire. L’induction d’une fatigue centrale à partir de ces modifications décrites ci-dessus serait alors une composante du surentraînement à reconsidérer. L’HYPOTHÈSE DE LA GLUTAMINE La glutamine, un des acides aminés parmi les plus abondants dans l’organisme humain, est métabolisée par certaines cellules du système immunitaire, dont les lymphocytes et les macrophages [45]. La glutaminolyse est essentielle pour la viabilité de ces cel 730 C. Petibois et al. Figure 5. Métabolisme de la glutamine et immunosuppression induisant un développement des risques infectieux. (1) Une déplétion des stocks de glutamine (Gln) peut apparaître consécutivement à l’entraînement intense, conduisant à une moindre disposition de l’acide aminé pour le métabolisme des cellules immunitaires (2) et pour les cellules de l’intestin (3). Il s’ensuit une plus large translocation des bactéries et virus hors de la barrière intestinale, pouvant élever les risques infectieux au sein de l’organisme (4). Gln : glutamine. lules ; leur capacité de prolifération dépend fortement de la concentration en glutamine [46]. Cela suggère qu’une baisse de la concentration plasmatique en glutamine pourrait être responsable, au moins partiellement, d’insuffisances fonctionnelles du système immunitaire (figure 5). Une partie de la glutamine qui entre dans l’organisme est métabolisée par les cellules de l’intestin, bien que celles-ci en soient aussi productrices. Le muscle apparaît comme une source importante de synthèse de glutamine, qui est ensuite libérée dans le plasma. Lors de l’exercice intense et de longue durée, la concentration plasmatique en glutamine pourrait donc constituer un lien métabolique entre le muscle squelettique en activité et la capacité de réaction des cellules du système immunitaire [47]. Lors de divers stress cataboliques, tels que ceux induits par les infections, les interventions chirurgicales, les traumatismes, les brûlures majeures et l’acidose, les réserves en glutamine se retrouvent en forte déplétion, notamment au niveau des muscles squelettiques. Ainsi il a souvent été rapporté des baisses substantielles des concentrations en glutamine lors d’infections du tractus respiratoire supérieur chez les athlètes [48]. Au regard du métabolisme de la glutamine, l’exercice peut être considéré comme un stress catabolique [49]. Les exercices d’endurance et/ou intenses induisent une successivement ; une augmentation des concentrations plasmatiques en glutamine lors de l’exercice, puis une diminution significative de celles-ci lors de la période de récupération, qui nécessitent plusieurs heures pour un retour aux conditions basales. Si la récupération entre les séances d’entraînement est inadéquate, la libération de glutamine depuis le tissu musculaire pourrait être limitée, plaçant ainsi le système immunitaire en situation de stress [47]. Le fonctionnement du petit intestin pourrait aussi être perturbé du fait d’une plus faible disposition de la glutamine plasmatique, augmentant les risques d’infections bactériennes ou virales. Une corrélation entre l’augmentation des infections respiratoires et la baisse prolongée des concentrations plasmatiques en glutamine a été observée [50, 51]. La persistance de ce schéma pourrait donc contribuer à l’installation du surentraînement, les infections affaiblissant encore les capacités immunitaires de l’organisme alors qu’un stress métabolique est déjà présent dans l’entraînement intense. Toutefois, une baisse substantielle et durable des concentrations sériques en glutamine a pu être observée chez des athlètes surentraînés qui ne présentaient aucune susceptibilité particulière aux infections respiratoires ou autres [3, 16, 49]. De plus, une immunosuppression a pu être constatée chez des athlètes souffrant de surentraînement mais sans aucune altération du métabolisme de la glutamine [52-54]. Le suivi de routine des concentrations en glutamine apparaît donc comme un outil potentiel de diagnostic du surentraînement. Il doit néanmoins être couplé à d’autres analyses métaboliques étant donnée la discrimination très partielle qu’il apporte sur les différents cas d’athlètes surentraînés. L’HYPOTHÈSE IMMUNITAIRE L’immunosuppression semble récurrente chez les athlètes d’endurance souffrant de surentraînement. Un schéma métabolique alternatif à celui du métabolisme de la glutamine a été proposé, lié à une inhibition de la prolifération des lymphocytes due à la concentration physiologique des acides gras polyinsaturés. Il a été suggéré que les acides gras polyinsaturés seraient susceptibles de causer cette inhibition d’une manière plus chronique que les acides gras saturés [55]. Le stress métabolique d’exercice élève Analyse sanguine et surentraînement Figure 6. Métabolisme lipidique à l’exercice d’endurance et induction du surentraînement. (1) La déplétion chronique des stocks de glycogène cause une hypoglycémie transitoire (2). Celle-ci stimule fortement la dégradation des triglycérides (3), induisant un flux d’autant plus élevé en acides gras saturés et insaturés (4). Les ganglions lymphatiques sont alors plus abondamment soumis à l’effet inhibiteur des acides gras insaturés sur la prolifération des lymphocytes, des agents responsables des réactions aux inflammations et aux infections dans l’organisme (5). Glyc : glycogène ; Glc : glucose. la concentration plasmatique en acides gras. Cela apparaît surtout à la suite de séances d’entraînement longues et intenses, notamment lorsque les stocks de glycogène ne sont pas assez rapidement reconstitués. Les ganglions lymphatiques sont associés au tissu adipeux. Ainsi, lors d’une mobilisation des acides gras depuis les adipocytes, les cellules contenues à l’intérieur des ganglions lymphatiques peuvent être exposées à de hautes concentrations en acides gras polyinsaturés. Selon la composition en acides gras des triglycérides du tissu adipeux, leur forte mobilisation à l’exercice, s’ils sont plus particulièrement polyinsaturés, pourrait inhiber la prolifération des lymphocytes à l’intérieur des ganglions lymphatiques. Une sensibilité élevée du tissu adipeux aux hormones lipolytiques et des triglycérides plus riches en acides gras polyinsaturés pourraient ainsi être impliquées dans l’immunosuppression constatée chez certains sportifs surentraînés [3, 47, 56] (figure 6). Cependant, cette hypothèse attend toujours une vérification expérimentale sur des athlètes en état de surentraînement, notamment via l’étude du turnover et de la différenciation des acides gras synthétisés en réponse à l’exercice intense. Par ailleurs, des exercices intenses réalisés quotidiennement semblent avoir des effets cumulatifs mais 731 aussi très divers sur les paramètres immunitaires, incluant les leucocytes circulants et le nombre de leurs sous-classes, les concentrations plasmatiques en cytokines IL-1β et IL-6, l’activité des cellules tueuses (NK), la sécrétion d’immunoglobuline A et l’activité phagocytaire des macrophages et des neutrophiles [48]. L’entraînement intense sans récupération suffisante pour l’organisme produit des traumatismes musculaires, squelettiques et articulaires. Des monocytes circulants sont alors activés par les cytokines, ce qui cause une production massive d’IL-1β et d’IL-6 pro-inflammatoires et/ou de TNFα, produisant ainsi une inflammation systémique pouvant devenir incapacitante [57]. La détermination du rapport des sous-classes de lymphocytes T circulants (CD4/CD8) donne une bonne appréciation de leur niveau de prolifération. Ce rapport baisse systématiquement à l’exercice mais encore plus en cas de surentraînement [51]. L’entraînement intense a aussi été associé à une baisse progressive des fonctions des neutrophiles et des concentrations de certaines sous classes d’immunoglobulines sécrétoires et sériques [58]. Ces marqueurs d’états de fatigue du sportif sont parfois constatés lors du surentraînement mais la complexité du fonctionnement du système immunitaire et la versatilité de ses réactions au cours et entre les séances d’entraînement intenses en limitent encore fortement l’approche diagnostique [54]. Au niveau sanguin, seule la lignée cellulaire des neutrophiles semble fréquemment mise en défaut lors d’accumulations excessives de fatigue [59]. Cependant, certaines études ont montré que le surentraînement n’était pas toujours lié à des altérations significatives des immunophénotypes sanguins. De plus, le sang n’apparaît pas comme le meilleur tissu à analyser pour détecter les effets immunosuppressifs de la fatigue chronique [54]. Néanmoins, le statut immunitaire de l’athlète peut être abordé par l’étude conjointe des concentrations plasmatiques en immunoglobulines A et G, de la numération des neutrophiles, éosinophiles, lymphocytes B et T, ainsi que l’activité des cellules NK. Ce profil doit être examiné au cours des différentes phases d’entraînement de la saison. Plus que la détection d’un paramètre immunitaire réagissant spécifiquement à l’installation de la fatigue chronique du surentraînement, ce sera surtout l’apparition d’une réponse non spécifique qui traduira un déséquilibre fonctionnel profond [52]. 732 C. Petibois et al. L’HYPOTHÈSE HORMONALE La communication entre les différentes composantes de l’organisme est assurée par la voie neuronale mais aussi par la voie sanguine, via le transport de certaines hormones. Il a été rapporté que le surentraînement des sportifs résulte aussi de certaines altérations dans le fonctionnement du système nerveux induisant une fatigue centrale [60, 61]. Plusieurs outils d’évaluation ont été proposés à partir du dosage sanguin de certaines de ces hormones circulantes. L’interprétation des fluctuations des concentrations hormonales nécessite cependant de prendre précisément en considération les conditions et les moments des analyses, notamment en fonction du sexe, de la périodicité menstruelle chez la femme, de la pulsatilité sécrétoire de chaque hormone et des spécificités de la pratique sportive. Un dysfonctionnement hypothalamique a été rapporté chez l’athlète surentraîné [62]. Cette situation se traduit par une moindre synthèse de cortisol, d’hormone de croissance et de prolactine en réponse à l’hypoglycémie induite par l’injection d’insuline. Cet outil diagnostique nécessite cependant de procéder à un test clinique de sensibilité à l’insuline difficile à faire admettre au sportif en situation d’entraînement ou à l’approche des périodes de compétitions. De plus, l’évolution des concentrations en catécholamines sera différente selon le type de sport effectué. Le surentraînement des sports d’endurance induira leur augmentation à l’exercice, mais aussi au repos en ce qui concerne plus particulièrement la noradrénaline [63]. En revanche, le surentraînement des sports de résistance ou de sprint causera une baisse des concentrations d’exercice et de repos dans le cas de l’adrénaline [61]. La succession d’exercices physiques intenses serait à l’origine d’une baisse de la sensibilité du système musculaire à l’activation du système nerveux sympathique, ce qui induirait une augmentation de ces concentrations en catécholamines à l’exercice et au repos [35, 64]. L’entraînement en endurance induit la baisse de la concentration plasmatique de repos en testostérone chez la plupart des athlètes par l’exacerbation de ses fonctions anabolisantes. L’augmentation des charges d’entraînement, que ce soit en intensité ou en volume, va encore abaisser cette concentration ainsi que son augmentation induite par l’exercice intense [60]. L’état de surentraînement ne semble pas modifier fondamentalement ces variations de concentrations à l’exercice intense et/ou prolongé. Cependant, l’activité anabolisante de la testostérone serait nettement réduite au niveau musculaire, menant à un turnover protéique déficitaire [62]. Le premier facteur de régulation de la sécrétion de testostérone est l’hormone lutéinisante (LH). Les concentrations en LH sont positivement corrélées au volume et à l’intensité du niveau de stress d’exercice chez l’athlète entraîné. L’augmentation de l’intensité d’entraînement induira une augmentation de la sécrétion de LH alors que cette dernière baissera avec l’élévation du volume. Lors du surentraînement, la concentration en LH baisse pour les sports d’endurance alors qu’elle reste stable pour des sports de vitesse ou de puissance. Cependant, ce marqueur n’est pas vraiment utilisable pour le diagnostic précoce du surentraînement étant donné l’extrême lenteur de la réaction négative de l’axe hypothalamopituitaire aux surcharges d’entraînement [65]. L’adrénocorticotrophine (ACTH) est le premier régulateur de la sécrétion de cortisol. Des cas d’athlètes d’endurance surentraînés indiquent que le contrôle de la sécrétion de cortisol par l’ACTH diminue avec l’importance des volumes d’entraînement et que les réponses de l’ACTH aux exercices intenses diminuent, suggérant à nouveau que le dysfonctionnement hypothalamique est un facteur qui y contribue [61, 62]. Des fluctuations fines de la cortisolémie de repos, peu ou pas significatives sur le plan purement statistique, peuvent être des marqueurs tout à fait discriminant d’un état de surentraînement [66]. Il reste néanmoins difficile d’établir un profil de variations utilisable sur le plan diagnostique. L’étude du rapport des concentrations en testostérone libre et en cortisol (rapport fT/C) a été proposée comme indice du statut anabolique – catabolique de l’athlète, bien que ce soit tout à fait schématique et indirect. Une chute de ce rapport de plus de 30 % ou des valeurs inférieures à 0,35 × 10–3 peuvent indiquer un état de surentraînement dans les sports de résistance ou de vitesse [16, 60, 67]. L’étude du profil hormonal, standardisé et régulier, constitue donc un complément d’information sur l’évolution de la situation physiologique de l’athlète qui s’entraîne intensément. L’HYPOTHÈSE INFLAMMATOIRE Généralement, le surentraînement n’est pas associé à des variations majeures des contenus protéiques Analyse sanguine et surentraînement sanguins [3, 5, 51]. Cependant, l’exercice intense augmentant fortement les activités métaboliques au sein du muscle, du foie et du rein, est associé à des phénomènes inflammatoires de leurs tissus [68]. La production et la concentration sanguine des protéines d’origine hépatique augmentent. Ces protéines de la phase aiguë de l’inflammation sont, notamment le fibrinogène, l’haptoglobine, la protéine C réactive, la glycoprotéine α1-acide et l’α1-antitrypsine [69]. L’entraînement intense et/ou d’endurance peut causer trois niveaux d’inflammation : – le premier est constaté au travers d’une augmentation modeste de l’α1-antitrypsine, sans modification de la concentration en ferritine lors de charges volumineuses d’entraînement ; – le second indique une affection sévère, caractérisée par une augmentation plus marquée de ces deux protéines ; – la troisième apparaît lors de périodes d’entraînement particulièrement intenses, pouvant causer une chute du fer sérique, ce qui induit une augmentation importante de l’haptoglobine et une augmentation devenant chronique de la ferritine et de l’α1antitrypsine, même 24 heures plus tard [70] (figure 7). ANÉMIE D’EXERCICE ET RÉPONSE À L’INFLAMMATION Il faut aussi envisager que la continuation de cette situation inflammatoire provoque une déplétion substantielle des stocks fonctionnels en fer au sein de l’organisme. Par ailleurs, cette déplétion peut aussi apparaître après une anémie relative liée à une hémolyse d’origine mécanique (chocs répétés, traumatismes, hématomes) et/ou chimique (action des radicaux libres oxygénés). En conséquence d’un métabolisme énergétique augmenté par l’exercice, les processus de peroxydation altèrent la structure membranaire ; ils facilitent ainsi la déshydratation des érythrocytes et peuvent notamment perturber leur homéostasie ionique, ce qui limitera leur passage dans la microcirculation. Ce mécanisme augmentera l’hypoxie des muscles en activité et la destruction des érythrocytes, ce qui peut mener à une anémie d’exercice [71]. Le danger pour l’athlète n’est pas le turnover des érythrocytes en soi, qui apparaît même comme une source intéressante de production de cellules jeunes, potentiellement plus efficientes que celles qui ont été détruites (les plus fragiles). En fait, 733 Figure 7. Paramètres hématoprotéiques favorisant le surentraînement. (1) La puissance métabolique de l’exercice, lorsque celui-ci est particulièrement intense et long, provoque un premier niveau d’inflammation, facilement réversible (2). Lorsque les stress métaboliques de l’exercice perdurent, les inflammations peuvent devenir plus importantes (3), voire chroniques (4). À ces événements peut s’ajouter une peroxydation des érythrocytes, laquelle découle aussi d’un stress métabolique (5), pouvant conduire à une déplétion de certaines protéines circulantes lorsqu’il devient chronique. Il pourrait en résulter une moindre réactivité aux processus inflammatoires déjà initiés au sein des organes assurant le plus le métabolisme énergétique (6). Glyc : glycogène ; Glc : glucose. l’hématurie provoque une baisse rapide et significative des concentrations en haptoglobine et en hémoglobine, consécutivement à leur captation par les cellules hépatiques de Kupffer, mais aussi en hémopexine et en ferritine [72]. Ces protéines représentent le premier front de réaction en cas d’inflammation des tissus hépatique et musculaire. Leur déplétion chronique et répétée, au cours d’entraînements intenses successifs, pourrait fragiliser ces organes et les rendre d’autant plus susceptibles aux processus inflammatoires déjà initiés par le métabolisme énergétique « normal » de l’exercice. Les processus inflammatoires au sein du muscle squelettique sont aussi à l’origine d’un catabolisme de certaines protéines et d’une dégénérescence myofibrillaire. Cela vient s’ajouter au turnover habituel des protéines à l’exercice et s’accroît encore avec la plupart des infections virales, résultant en une fragilisation accrue de la structure cellulaire du muscle [73]. Il reste cependant rare que l’anémie soit spécifiquement induite par l’exercice et la plupart des athlètes surentraînés ne présentent pas de déplétions chroniques et durables des concentrations en protéines [3, 74]. Il semble donc que de tels processus ne 734 C. Petibois et al. seront probablement pas à l’origine même du surentraînement mais pourront apparaître comme des facteurs aggravants du stress métabolique (peroxydations accrues) ou des inflammations (perturbations structurales, nécroses cellulaires) au niveau hépatique ou musculaire [71]. Le suivi des concentrations de repos et d’exercice en haptoglobine, hémoglobine, hémopexine, transferrine et ferritine semble donc indispensable pour prévenir l’accumulation de facteurs de fatigue au niveau des organes clés du métabolisme énergétique de l’exercice [75]. CONCLUSIONS Les quelques principaux indicateurs du surentraînement abordés généralement demeurent aléatoires et ne permettent pas une détection systématique des nouveaux cas. Une analyse clinique relativement large devrait donc prendre en considération l’ensemble des systèmes fonctionnels plus particulièrement sollicités par l’entraînement sportif [76]. Cependant, quel que soit l’éventail des analyses effectuées, il ne concerne que quelques dizaines de biomolécules dans le meilleur des cas. Il restera donc toujours très limité au regard du nombre de paramètres biochimiques présents dans les échantillons biologiques. Certains pools d’analyses, destinés à aborder l’ensemble des raisons probables d’apparition du surentraînement ont été proposés [34, 51]. Toutefois, pour être fonctionnels, ils doivent être réalisés : – au repos pour standardiser les réponses individuelles qui serviront de références ; – à l’issue d’un exercice spécifique de la pratique sportive concernée pour évaluer les réponses de l’organisme aux sollicitations habituellement vécues par l’athlète ; – 24, 48 et 72 heures après cet exercice afin d’évaluer les capacités de récupération et d’adaptation de l’organisme aux stress subis. Au plan de la structure cellulaire du muscle, des agressions chimiques et/ou mécaniques anormalement élevées pourraient être étudiées via les concentrations plasmatiques en créatine kinase, malondialdéhyde, vitamines E, C et A, myoglobine et troponine I. Les altérations du métabolisme énergétique seront mises en évidence par l’étude des concentrations en glucose, lactate, glutamine et urée et par la typologie des acides gras composant les triglycérides. Des réponses non spécifiques du système immunitaire seront perçues au travers des fluctua- tions des concentrations en immunoglobulines A et G, de la numération des neutrophiles, des éosinophiles, des lymphocytes B et T et du rapport CD4/ CD8, ainsi que par l’activité des cellules NK. Les dysfonctionnements du système hormonal peuvent être abordés à partir des concentrations en 5-HT, cortisol, testostérone (et du rapport fT/C), et catécholamines. La capacité de réaction de l’organisme aux divers niveaux d’inflammations tissulaires induits par l’entraînement intense pourra aussi être abordée via l’évolution des concentrations en haptoglobine, hémopexine, transferrine et ferritine. Cette analyse des contenus spécifiques du sang périphérique impose néanmoins un coût élevé et une accessibilité limitée qui restent difficilement envisageable dans le cadre d’un suivi biologique. La variabilité des conditions d’apparition du surentraînement ne permet pas de sélectionner certains marqueurs que l’on pourrait considérer comme centraux. Seule une étude longitudinale semble susceptible d’aboutir à sa prévention. À l’avenir, l’utilisation de méthodes analytiques biomédicales globales du contenu d’un échantillon biologique (sang, urines, cellules…) permettrait d’aborder l’ensemble des paramètres métaboliques modifiés lors de l’exercice et d’en suivre les évolutions au cours de la saison d’entraînement [8]. Parmi les méthodes globales physicochimiques, seules la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire et la spectrométrie infrarouge à transformée de Fourier donnent des informations pertinentes et exploitables sur le contenu des fluides et milieux biologiques. Le fait de ne disposer d’aucun outil diagnostique fiable pour prévenir le surentraînement, qui peut mener à diverses maladies induites par la fatigue chronique de l’organisme, montre bien tout l’intérêt de développer de telles méthodes analytiques [4]. RÉFÉRENCES 1 Budgett R. Fatigue and underperformance in athletes : the overtraining syndrome. Br J Sports Med 1998 ; 3 : 107-10. 2 Fry RW, Morton AR, Garcia-Webb P, Crawford GPM, Keast D. Biological responses to overload training in endurance sports. Eur J Appl Physiol Occup Physiol 1992 ; 64 : 335-44. 3 Rowbottom DG, Keast D, Goodman A, Morton AR. The haematological, biochemical, and immunological profile of athletes suffering from the overtraining syndrome. 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