Biology: Mécanotransduction

Coste et ses collègues ont identifié Piezo1 (Fam38A) et Piezo2 (Fam38B) comme les sous-unités formant le pore de canaux cationiques à activation mécanique à adaptation rapide. L'inactivation de Piezo1 supprimait le courant à activation mécanique dans une lignée cellulaire de neuroblastome, et la surexpression de l'une ou l'autre protéine produisait deux courants à activation mécanique cinétiquement distincts ; l'inactivation de Piezo2 dans les neurones sensoriels réduisait leur courant à adaptation rapide. Les Piezo sont de grandes protéines membranaires multipasses conservées des protozoaires à l'humain, et elles sous-tendent des processus mécaniques aussi variés que le toucher, l'audition et la détection de la pression artérielle. C'est l'une des démonstrations moléculaires les plus claires qu'une cellule peut convertir une force en signal sans messager intermédiaire.

Cette revue présente la mécanotransduction comme le processus général par lequel les cellules traduisent les forces mécaniques et les déformations en signaux biochimiques, tels que des variations du calcium intracellulaire ou l'activation de voies de signalisation, qui rétroagissent ensuite pour ajuster la structure cellulaire et extracellulaire. Les adhérences focales à base d'intégrines et le cytosquelette assurent la continuité physique de la matrice jusqu'au noyau. L'argument central de la revue est autant clinique que fondamental : lorsque les protéines qui transmettent ou régulent ces forces sont mutées ou mal régulées, il en résulte une maladie, des dystrophies musculaires et cardiomyopathies jusqu'à la progression du cancer, ce qui constitue une preuve indirecte forte que la détection de force elle-même importe.

Dupont et ses collègues ont identifié YAP (Yes-associated protein) et TAZ comme relais nucléaires des signaux mécaniques provenant de la rigidité de la matrice extracellulaire et de la forme cellulaire. La réponse dépendait de l'activité de la GTPase Rho et de la tension du cytosquelette d'actomyosine, et était indépendante de la voie classique Hippo/LATS. L'activité de YAP/TAZ était nécessaire à la différenciation des cellules souches mésenchymateuses induite par la rigidité et à la survie des cellules endothéliales contraintes par leur géométrie, et forcer YAP à rester actif permettait aux cellules d'outrepasser leurs contraintes physiques. C'est un nœud central reliant l'état mécanique d'un tissu à la transcription.

La revue de Bonewald transforme l'ostéocyte, d'un simple élément passif, en chef d'orchestre du remodelage osseux, régulant à la fois l'activité des ostéoclastes et des ostéoblastes, et agissant aussi comme une cellule endocrine libérant des facteurs vers des organes distants dont le rein et le muscle. Les ostéocytes sont les cellules osseuses les plus nombreuses (90 à 95 %) et les plus longévives, survivant des décennies à l'intérieur de leurs lacunes minéralisées, ce qui les place en position d'enregistrer la déformation subie par l'os et de coordonner la réponse. Leur mort avec l'âge ou sous traitement glucocorticoïde est associée à une réduction du remodelage, soulignant que des ostéocytes vivants sont nécessaires à l'adaptation de l'os.

L'hypothèse du mécanostat de Frost insère une règle au niveau tissulaire entre le comportement osseux à l'échelle de l'organe et celui à l'échelle cellulaire : les os porteurs de charge adaptent leur résistance aux charges mécaniques habituelles de façon à maintenir les déformations dans une fenêtre sûre et à minimiser les fractures non traumatiques. Dans ce modèle, l'usage mécanique volontaire détermine l'essentiel de la résistance postnatale des os sains et crée un facteur de sécurité de résistance osseuse, et le cadre fournit des définitions fonctionnelles de la compétence osseuse et des ostéopénies. C'est le descendant conceptuel de la loi de Wolff, reformulé en termes de rétroaction pilotée par la déformation, et non une règle anatomique fixe.

Kjaer's review of the extracellular matrix in tendon and muscle establishes that both collagen synthesis and the degrading metalloprotease enzymes rise with mechanical loading, driven by changes in transcription, post-translational modification and local growth-factor release. In human tendon, metabolic activity, blood flow and collagen turnover respond to loading more strongly than had been assumed, whereas inactivity markedly decreases collagen turnover in both tendon and muscle. Chronic training produces increased turnover and, for some collagen types, net synthesis, modifying the tissue's mechanical and viscoelastic properties so it carries load better. The review explicitly notes that countering tendon overuse requires adjusted loading, not the absence of loading.

Robling et ses collègues ont appliqué une mise en charge contrôlée aux membres antérieurs de souris (mise en charge cubitale) et, séparément, une décharge des membres postérieurs, puis ont mesuré Sost, le gène codant pour la sclérostine, ainsi que la protéine sclérostine dans les ostéocytes. La mise en charge a considérablement réduit à la fois les transcrits de Sost et la protéine sclérostine, et la réduction était la plus marquée dans les régions osseuses subissant la contrainte mécanique la plus élevée, tandis que la décharge des membres postérieurs a produit l'effet inverse et augmenté Sost. Comme la sclérostine inhibe la signalisation Wnt qui favorise la formation osseuse, son abaissement sous charge libère cette voie pour construire de l'os, offrant à l'ostéocyte un levier moléculaire concret sur le remodelage. La même cible est à l'œuvre avec le romosozumab, un anticorps anti-sclérostine approuvé pour construire de l'os dans l'ostéoporose, ce qui étaye cette voie chez l'humain.

The LIFTMOR randomized controlled trial assigned 101 postmenopausal women (aged 65 plus or minus 5 years) with low bone mass (T-score below minus 1.0) to either 8 months of twice-weekly, 30-minute supervised high-intensity resistance and impact training (5 sets of 5 repetitions above 85% of one-repetition maximum) or a home-based low-intensity program. The training group gained 2.9% in lumbar spine BMD against a 1.2% loss in controls (p less than 0.001), gained femoral neck BMD (0.3% versus minus 1.9%, p = 0.004) and cortical thickness, and improved every functional measure. Compliance was high and only one minor adverse event (a lower-back spasm) occurred, countering the assumption that heavy loading is unsafe in low bone mass.

Lang and colleagues measured 14 International Space Station crewmembers (13 men, 1 woman; ages 40 to 55) before and after 4 to 6 month flights, using DXA for areal BMD and quantitative CT for volumetric BMD in cortical and trabecular compartments. Areal BMD fell at 0.9% per month at the spine and 1.4 to 1.5% per month at the hip (both p less than 0.001). In the hip, trabecular volumetric BMD fell fastest at 2.2 to 2.7% per month and cortical loss occurred largely by endocortical thinning. This is the clearest human demonstration that removing habitual load produces rapid, compartment-specific bone loss, the mechanostat running in reverse.

This review of muscle disuse atrophy describes how prolonged inactivity and inadequate mechanical stimulus, as in limb immobilization after injury or in spinal cord impairment, cause a significant reduction in muscle mass and strength, worsened by aging and poor nutrition. The catabolic pathways have been mapped largely through rodent models (hindlimb unloading, immobilization, denervation), and the review identifies resistance training as the most effective intervention for reversing the loss of mass and strength, though it is not feasible for every patient. It is the muscle counterpart to the mechanostat in bone: the tissue is maintained by mechanical use and regresses without it.

This 2025 Cochrane review of exercise for patellar tendinopathy included 7 randomized trials (211 participants with chronic disease, 88% male athletes, mean age 26, mean symptom duration 41.6 months). Compared with no treatment, the review was very uncertain whether strengthening exercise reduces pain and found it may make little or no difference to function (low-certainty evidence). Against glucocorticoid injection and against surgery, exercise made little or no difference to pain, function, treatment success or return to sport (return-to-sport rate 85% with exercise versus 86% with surgery). Certainty was downgraded for bias and imprecision throughout, and no trial measured adverse events. The mechanism for loading tendon is far stronger than this particular clinical trial base, which is why exercise remains first-line despite the uncertainty.