Sports Science Exchange 85

VOLUME 15 (2002) NUMÉRO 2

L'EXERCICE, LES ANTIOXYDANTS ET LA CARDIOPROTECTION

Scott K. Powers, Ph. D., Ed.D.
Professeur
Département des sciences de l'exercice et du sport et
Département de physiologie
Université de Floride
Gainesville, Floride

POINTS IMPORTANTS

• Les maladies cardiovasculaires continuent d'être la première cause de décès aux États-Unis.
• La maladie coronarienne est la principale maladie du système cardiovasculaire; elle augmente fortement le risque de lésions cardiaques d'ischémie-reperfusion (autrement dit, de crise cardiaque). Une lésion d'ischémie-reperfusion dans le cœur survient à la suite du blocage passager du flux sanguin coronarien, suivi de sa restauration.
• Faire régulièrement de l'exercice réduit le risque de développer une maladie coronarienne et de lésions cardiaques lors d'une agression d'ischémie-reperfusion.
• Le mécanisme derrière la protection contre les lésions d'ischémie-reperfusion induite par l'exercice (appelée cardioprotection) n'est pas connu, mais il se peut qu'il soit lié à l'augmentation de protéines de choc thermique et d'antioxydants dans le cœur.
• Des recherches chez l'animal laissent supposer que la supplémentation en antioxydants nutritionnels diminue les lésions cardiaques induites par l'ischémie-reperfusion.
• Une recherche plus poussée s'impose pour déterminer si les antioxydants alimentaires peuvent protéger le myocarde chez l'humain.

INTRODUCTION

Les maladies cardiovasculaires (maladies du cœur et des vaisseaux sanguins) continuent d'être la première cause de décès aux États-Unis ainsi que dans d'autres pays développés. Par conséquent, trouver des façons de réduire la mortalité due à ces maladies reste un important objectif de santé publique. À cet égard, de nombreuses études révèlent que faire des exercices régulièrement a un effet cardioprotecteur. Par exemple, des études épidémiologiques montrent que les personnes physiquement actives sont moins susceptibles de subir une crise cardiaque que celles qui sont sédentaires (Lee et coll., 1995). De plus, ces recherches ont aussi montré que le taux de survie des victimes d'une crise cardiaque est supérieur chez les personnes actives que chez celles qui sont sédentaires (Berlin et Colditz, 1990).

En plus des effets cardioprotecteurs de la pratique régulière d'un exercice, la supplémentation en antioxydants nutritionnels comme stratégie pour protéger le cœur lors d'une crise cardiaque présente un intérêt croissant. En effet, le rôle des antioxydants alimentaires dans la protection cardiaque est un domaine de recherche en pleine expansion. La présente analyse a pour but de résumer les connaissances actuelles sur les effets cardioprotecteurs de l'exercice et des antioxydants alimentaires.

BILAN DE LA RECHERCHE

Les maladies cardiovasculaires : un aperçu

Même s'il existe de nombreuses maladies cardiovasculaires, la maladie coronarienne reste la première cause de décès attribuable à des troubles cardiovasculaires. La maladie coronarienne est causée par un amas de plaques (p. ex. accumulation de cholestérol, de calcium, de tissus fibreux) dans un vaisseau coronaire (Barrow, 1992). Cet amas de plaques dans les vaisseaux sanguins entraîne un rétrécissement des artères coronaires (sténose) qui diminue l'apport d'oxygène au cœur en raison de la réduction du flux sanguin coronaire.

Un blocage passager des vaisseaux sanguins coronaires habituellement causé par un caillot sanguin provoqué par une sténose coronaire est le début des événements qui conduiront à une lésion cardiaque lors d'une crise cardiaque. Cette diminution du flux sanguin vers le cœur est appelée ischémie et est habituellement suivie d'une restauration du flux sanguin (reperfusion) une fois que le caillot se dissout. Connu sous le nom de crise cardiaque, le processus général de l'ischémie suivie d'une reperfusion entraîne une lésion cardiaque et est techniquement appelé lésion d'ischémie-reperfusion. La gravité de la lésion cardiaque qui survient lors d'une agression d'ischémie-reperfusion dépend de la durée de l'ischémie; autrement dit, une ischémie dure plus longtemps entraîne une lésion cardiaque plus importante. Par exemple, une ischémie relativement courte (p. ex. 5 minutes) n'entraîne aucune lésion cardiaque permanente, mais elle pourrait entraîner une diminution de la fonction cardiaque pendant 24 à 48 heures après l'agression. En revanche, une ischémie de longue durée (>20 minutes) favorise une lésion cardiaque permanente (autrement dit, la mort cellulaire), entraînant un infarctus du myocarde (Downey, 1990). La gravité de l'infarctus du myocarde est importante, car les cellules du muscle cardiaque ne peuvent se régénérer; par conséquent, après un infarctus du myocarde, la capacité de pompage du cœur est réduite de façon permanente.

Malgré la complexité du ou des mécanismes cellulaires responsables de la lésion cardiaque induite par l'ischémie-reperfusion, les facteurs essentiels menant à une lésion cellulaire induite par l'ischémie-reperfusion ont été définis au cours des dernières années. Les preuves empiriques indiquent que les lésions d'ischémie-reperfusion sont dues à plusieurs facteurs interreliés, dont la production de radicaux, la surcharge de calcium, la dégradation des protéines, les lésions des membranes cellulaires et l'activation des leucocytes (cellules blanches). Ensemble, ces facteurs favorisent la lésion cardiaque qui peut entraîner un infarctus du myocarde (Bolli et Marban, 1999; Granger et Korthius, 1995).

L'exercice et la prévention des maladies cardiovasculaires

De nombreuses études épidémiologiques indiquent que faire régulièrement de l'exercice physique réduit le risque de mortalité cardiovasculaire, indépendamment des autres facteurs de modification du mode de vie, comme le régime alimentaire ou le tabagisme (Berlin et Colditz, 1990; Lee et coll., 1995; Paffenbarger et coll., 1986). De plus, une protection contre les maladies cardiovasculaires induite par l'exercice se concrétise dans une relation dose-effet; le risque de décéder d'une maladie cardiovasculaire diminue au fur et à mesure que la dépense énergétique totale due à l'activité physique augmente de 500 à 3 500 kcal/semaine (Paffenbarger et coll., 1986). Ces données viennent confirmer avec force qu'augmenter l'activité physique protège contre les maladies du cœur.

S'il est important d'augmenter la dépense énergétique totale par l'exercice pour prévenir une maladie du cœur, l'intensité de l'exercice joue-t-elle aussi un rôle? Il semble que la réponse à cette question soit « oui ». Par exemple, Lee et coll. (1995) ont constaté que seule la dépense énergétique lors d'une activité physique relativement intense (>5 à 6 fois le taux métabolique au repos, p. ex. une course lente, la natation récréative, la tonte de la pelouse à l'aide d'une tondeuse à bras) a été associée à une diminution des décès liés aux maladies cardiovasculaires chez l'homme adulte. D'autres études ont également mis en évidence un lien étroit entre l'intensité de l'exercice et une baisse de la mortalité due aux maladies cardiovasculaires (Shephard et Balady, 1999).

L'exercice et le risque réduit de maladies cardiovasculaires : mécanismes biologiques

La recherche se penche toujours sur les mécanismes biologiques responsables de la protection contre les maladies cardiovasculaires induite par l'exercice. À cet égard, il est évident que faire régulièrement de l'exercice diminue plusieurs facteurs de risque cardiovasculaire, dont l'hypertension, le diabète sucré, l'obésité, les lipides sanguins, le risque de thrombose (coagulation sanguine) et la dysfonction endothéliale (vaisseau sanguin) (Shephard et Balady, 1999). Par conséquent, il semble que l'association entre exercice et baisse du taux de mortalité cardiovasculaire soit due à la diminution d'un ou de plusieurs facteurs de risque.

La protection contre les lésions cardiaques induites par l'exercice lors de l'ischémie-reperfusion

S'il est certain que faire régulièrement de l'exercice réduit le risque de développer une maladie cardiovasculaire, il est aussi reconnu que l'entraînement physique améliore la tolérance du myocarde aux lésions d'ischémie-reperfusion (Bowles et coll., 1992; Demirel et coll., 2001; Hamilton et coll., 2001; Powers et coll., 1998). Cette cardioprotection induite par l'exercice se manifeste dans l'ischémie d'une durée modérée (de 5 à 20 min) et de longue durée (>20 min). Plus précisément, des études récentes montrent que l'entraînement d'endurance diminue le risque de lésion du myocarde due à une agression d'ischémie-reperfusion (Demirel et coll., 2001; Powers et coll., 1998).

Les mécanismes de la cardioprotection induite par l'exercice

À l'heure actuelle, les mécanismes sous-jacents de la protection du myocarde contre les lésions d'ischémie-reperfusion induite par l'exercice ne sont pas connus. Néanmoins, au moins trois mécanismes principaux pourraient expliquer l'effet cardioprotecteur de l'exercice : 1) l'amélioration de la circulation collatérale; 2) l'induction des protéines de choc thermique du myocarde; et 3) l'amélioration de la capacité antioxydante du myocarde. Même si, chez certaines espèces animales, le développement de la circulation collatérale pourrait survenir après plusieurs mois d'entraînement d'endurance, des données indiquent que les effets bénéfiques de l'exercice à court terme ne sont pas dus au développement des vaisseaux sanguins collatéraux (Yamashita et coll., 1999). Par conséquent, par élimination, il semblerait que la cardioprotection induite par l'exercice associée à un entraînement d'endurance de courte durée soit due à une hausse des concentrations de protéines de choc thermique du myocarde ou à une augmentation des antioxydants.

Les protéines jouent un rôle important dans le maintien de l'homéostasie des cellules cardiaques et d'autres cellules. Une lésion des protéines existantes ou une altération de la synthèse des protéines lors de l'ischémie-reperfusion perturbe l'homéostasie cellulaire. Pour lutter contre une telle perturbation, les cellules réagissent en synthétisant un groupe de protéines appelées « protéines de choc thermique ». Ces protéines sont induites par plusieurs conditions stressantes, dont une hausse de la température corporelle et un exercice prolongé (Powers et coll., 1998). Il est important de noter que de nombreuses études révèlent que l'augmentation des concentrations cellulaires de protéines de choc thermique peut assurer une protection contre les lésions cardiaques d'ischémie-reperfusion (Hutter et coll., 1994; Marber et coll., 1995).

Même si une augmentation des protéines de choc thermique du myocarde induite par l'exercice est un mécanisme pouvant expliquer la cardioprotection associée à l'exercice, une étude récente montre qu'un entraînement physique dans un environnement froid procure une cardioprotection lors des lésions d'ischémie-reperfusion, mais n'augmente pas les concentrations de protéines de choc thermique du myocarde (Hamilton et coll., 2001). Par conséquent, si une augmentation des protéines de choc thermique du myocarde peut améliorer la fonction post-ischémique, d'autres mécanismes pourraient aussi être responsables de la cardioprotection induite par l'exercice.

L'amélioration de la protection contre les lésions cardiaques induites par les radicaux est un autre mécanisme pouvant expliquer la cardioprotection induite par l'exercice lors d'une agression d'ischémie-reperfusion. Les radicaux sont des molécules très réactives produites lors de l'ischémie-reperfusion du myocarde. En effet, il est maintenant reconnu qu'ils jouent un rôle essentiel dans les lésions du myocarde lors d'une ischémie-reperfusion (Downey et coll. 1990). Étant donné que les antioxydants sont des molécules capables de retirer les radicaux, ils préviennent les lésions cellulaires induites par ces derniers. Les cellules contiennent plusieurs antioxydants enzymatiques et non enzymatiques d'origine naturelle. Les défenses primaires des antioxydants enzymatiques comprennent la superoxyde dismutase, la glutathion peroxydase et la catalase. Des composés comme le glutathion et les vitamines E et C sont d'importantes défenses non enzymatiques. Chacun de ces antioxydants est capable de désactiver les radicaux et de prévenir les lésions cellulaires.

Il est maintenant bien connu que l'exercice peut accroître les antioxydants du myocarde (Powers et coll., 1993, 1998). De plus, de nouvelles preuves montrent que seulement 1 à 3 jours d'exercice peuvent augmenter les concentrations de l'enzyme antioxydant du myocarde, soit la superoxyde dismutase (Demirel et coll., 2001; Yamashita et coll., 1999). À cet égard, il a aussi été montré qu'augmenter les concentrations de superoxyde dismutase du myocarde est associé à la cardioprotection (Chen et coll., 1998; Wang et coll., 1998; Yamashita et coll., 1999). Une étude récente a montré de façon directe qu'il y a un lien entre l'augmentation de superoxyde dismutase induite par l'exercice et la cardioprotection. En effet, Yamashita et coll. (1999) ont montré que bloquer une concentration élevée de superoxyde dismutase dans le cœur induite par l'exercice entraîne une perte de la cardioprotection induite par l'exercice. Néanmoins, même si les résultats de ces expériences sont prometteurs, il est rare qu'une seule étude fournisse une réponse complète à une question complexe. Par conséquent, d'autres études s'imposent pour montrer de façon irréfutable que l'augmentation de la concentration de superoxyde dismutase myocardique est le seul mécanisme responsable de la cardioprotection induite par l'exercice.

Les antioxydants alimentaires et la cardioprotection

Étant donné l'importance du rôle des radicaux dans les lésions cardiaques induites par l'ischémie-reperfusion, il n'est pas surprenant que la possibilité qu'une supplémentation en antioxydants alimentaires procure une cardioprotection attire de plus en plus l'intérêt. Même si de nombreux antioxydants ont été étudiés, trois antioxydants d'origine naturelle ont été liés, seuls ou ensemble, à la protection contre les lésions cardiaques induites par l'ischémie-reperfusion (Tableau 1).

Tableau 1. Trois antioxydants alimentaires courants procurent une protection contre les lésions cardiaques induites par l'ischémie-reperfusion.

Parmi les antioxydants énumérés dans le Tableau 1, la vitamine E et l'acide alpha-lipoïque sont ceux qui ont récemment attiré le plus l'attention des chercheurs étudiant la cardioprotection. Plus précisément, la recherche utilisant des modèles animaux révèle que ces antioxydants en supplémentation alimentaire offrent une protection contre les lésions d'ischémie-reperfusion du myocarde (Coombes et coll., 2000 ab). Il est important de noter que la protection du myocarde contre les lésions d'ischémie-reperfusion est probablement due à la synergie entre ces deux antioxydants, plutôt qu'à leur qualité antioxydante individuelle. Par exemple, même si l'acide alpha-lipoïque est capable d'éliminer directement les radicaux, il recycle aussi la vitamine C, qui, à son tour, permet à la vitamine E de retrouver sa capacité antioxydante lors des périodes de stress exercé sur les radicaux. Par conséquent, il est maintenant reconnu que les antioxydants nutritionnels s'unissent pour protéger les cellules des lésions induites par les radicaux.

Même si les études effectuées chez l'animal laissent supposer que la supplémentation alimentaire en antioxydants procure une protection contre les lésions cardiaques d'ischémie-reperfusion, il reste à savoir si elle peut procurer la même protection à l'humain. De plus, étant donné que certains antioxydants peuvent être toxiques s'ils sont consommés à hautes doses, il faut faire preuve de prudence lors de l'utilisation de suppléments alimentaires d'antioxydants et consulter un nutritionniste compétent au préalable. Étant donné que les antioxydants ont un fort potentiel thérapeutique, le principal défi de la recherche consiste dorénavant à déterminer quel serait l'apport quotidien optimal, et sans danger, en antioxydants alimentaires.

APPLICATIONS PRATIQUES

• Un entraînement physique régulier peut réduire le risque de maladies cardiovasculaires et assurer une protection contre les lésions d'ischémie-reperfusion.
• Selon les données scientifiques actuelles, la cardioprotection induite par l'exercice dépend de la durée et de l'intensité de l'exercice. Même s'il n'existe pas de recommandations formelles quant à l'exercice pour optimiser la protection, il a été montré que des séances quotidiennes de 30 minutes d'exercice relativement intense (p. ex. courir lentement) réduit le risque de contracter une maladie du cœur et procure une cardioprotection.
• Il a aussi été montré que les antioxydants alimentaires peuvent fournir une cardioprotection aux animaux. Par conséquent, consommer la quantité quotidienne d'antioxydants nutritionnels recommandée constitue un objectif alimentaire prudent.
• S'il est clair que la consommation d'antioxydants alimentaires est un objectif nutritionnel important, il est possible qu'en consommer en trop grande quantité ne soit pas bénéfique et soit même dangereux.

RÉSUMÉ

Il est reconnu que l'entraînement physique réduit le risque de maladie cardiovasculaire. De plus, il a été montré que l'exercice réduit le risque de lésions oxydatives du myocarde à la suite d'une agression d'ischémie-reperfusion. Le mécanisme qui sous-tend la cardioprotection induite par l'exercice n'est toujours pas connu et continue de faire l'objet de recherches. Les mécanismes potentiels comprennent une induction des protéines cardiaques de choc thermique ou une amélioration de la capacité antioxydante du myocarde.

Des études effectuées chez l'animal ont révélé qu'une supplémentation en vitamine E et en acide alpha-lipoïque peut protéger contre les lésions cardiaques induites par l'ischémie-reperfusion. À l'heure actuelle, on ne sait pas si les antioxydants nutritionnels peuvent assurer une certaine cardioprotection chez l'homme, mais ce sujet continue de faire l'objet d'importantes recherches.

Barrow, M. (1992). Heart talk: understanding cardiovascular diseases. Cor-Ed Publishing Company. Gainesville, Florida.

Berlin, J.A., and G. Colditz (1990). A meta-analysis of physical activity in the prevention of coronary heart disease. Am. J. Epidemiol. 132:612-628.

Bolli, R., and E. Marban (1999). Molecular and cellular mechanisms of myocardial stunning. Physiol Rev. 79:609-634.

Bowles, D.K., R. Farrar, and J. Starnes (1992). Exercise training improves cardiac function after ischemia in the isolated, working rat heart. Am. J. Physiol. 263:H804-H809.

Chen, Z., B. Siu, Y. Ho, R. Vincent, C. Chua, R. Hamdy, and B. Chua (1998). Overexpression of MnSOD protects against myocardial ischemia/reperfusion injury in transgenic mice. J. Mol.Cell Cardiol. 30:2281-2289.

Coombes, J., S. Powers, K. Hamilton, H. Demirel, R.A. Shanely, M. Zergeroglu, C. Sen, L. Packer, and L. Ji. (2000a). Improved cardiac per-formance after ischemia in aged rats supplemented with vitamin E and alpha-lipoic acid. Am. J. Physiol. 279: R2149-R2155.

Coombes, J., S. Powers, H. Demirel, J. Jessup, H. Vincent, K. Hamilton, N. Naito, R.A. Shanely, C. Sen, L. Packer, and L. Ji. (2000b). Effect of combined supplementation with vitamin E and alpha-lipoic acid on myocardial performance during in vivo ischemia-reperfusion. Acta Physiol. Scand. 169:261-269.

Demirel, H.A., S. Powers, M. Zergeroglu, R. Shanely, K. Hamilton, J. Coombes, and H. Naito (2001). Short-term exercise improves myocar-dial tolerance to in vivo ischemia- reperfusion in the rat. J. Appl. Physiol. 91:2205-2212.

Downey, J.M. (1990). Free radicals and their involvement during long-term myocardial ischemia and reperfusion. Annu. Rev. Physiol. 52:487-504.

Granger, D.N., and R. Korthuis (1995). Physiologic mechanisms of postis-chemic tissue injury. Annu. Rev. Physiol. 57:311-332.

Hamilton K.L., S. Powers, T. Sugiura, S. Kim, S. Lennon, N. Tumer, and J. Mehta (2001). Short-term exercise training can improve myocardial tolerance to I/R without elevation in heat shock proteins. Am. J. Physiol: Heart Circ. Physiol. 281:H1346-H1352.

Hutter, M.M., S. Sievers , V. Barbosa, and C. Wolfe (1994). Heat-shock protein induction in rat hearts. A direct correlation between the amount of heat-shock protein induced and the degree of myocardial protection. Circulation 89:355-360.

Lee, I.M., C. Hsieh, and R. Paffenbarger (1995). Exercise intensity and longevity in men. The Harvard Alumni Health Study. JAMA 273:1179-1184.

Marber, M.S., R. Mestril, S.H. Chi, M. Sayen, D. Yellon, and W. Dillmann (1995). Overexpression of the rat inducible 70-kD heat stress protein in a transgenic mouse increases the resistance of the heart to ischemic injury. J. Clin. Invest. 95:1446-1456.

Mickle, D., R. Li, R. Weisel, P. Birnbaum, T. Wu, G. Jackowski, M. Madonik, G. Burton, and K. Ingold. (1989). Myocardial salvage with Trolox and ascorbic acid for an acute evolving infarction. Ann. Thorac. Surg. 47:553-537.

Paffenbarger, R.S., R. Hyde, A. Wing, and C. Hsieh (1986). Physical activity, all-cause mortality, and longevity of college alumni. N. Engl. J. Med. 314:605-613.

Powers, S.K., D. Criswell, J. Lawler, D. Martin, F. Lieu, L. Ji, and R.A. Herb (1993). Rigorous exercise training increases superoxide dismutase activity in ventricular myocardium. Am. J. Physiol. 265:H2094-H2098.

Powers, S.K., H. Demirel, H. Vincent , J. Coombes, H. Naito , K. Hamilton, R. Shanely, and J. Jessup (1998). Exercise training improves myocardial tolerance to in vivo ischemia- reperfusion in the rat. Am. J. Physiol. 275:R1468-R1477.

Shephard, R.J., and G. Balady (1999). Exercise as cardiovascular therapy. Circulation 99:963-972.

Wang, P., H. Chen, H. Qin, S. Sankarapandi, M. Becher, P. Wong, and J. Zweier (1998). Overexpression of human copper, zinc-superoxide dismutase (SOD1) prevents postischemic injury. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 95:4556-4560.

Yamashita, N., S. Hoshida, K. Otsu , M. Asahi, T. Kuzuya, and M. Hori (1999). Exercise provides direct biphasic cardioprotection via manganese superoxide dismutase activation. J. Exp. Med. 189:1699-1706.

Sports Science Exchange 85

VOLUME 15 (2002) NUMBER 2 SUPPLEMENT

PROTECTING YOUR HEART WITH EXERCISE AND NUTRITIONAL ANTIOXIDANTS

Cardiovascular disease is a major cause of death throughout the world. Therefore, finding ways to reduce your risk of developing cardiovascular disease and protect your heart in the event of a heart attack is important. Regular exercise and dietary intake of adequate nutritional antioxidants are two lifestyle factors within our control that have been shown to provide protection for the heart (cardioprotection). Examples of activities that provide cardioprotection are running, walking, and cycling. Note in Figure S1 that exercise-related protection against cardiovascular disease follows a dose-response relationship; in other words, the risk of death from cardiovascular disease is progressively lower as exercise energy expenditure increases from 500 to 3500 kcal/week. Notice that exercise of moderate to vigorous intensity provides the most protection against death from heart disease. Table S1 provides an overview of an exercise-prescription designed to provide cardioprotection.

Nutritional Antioxidants and Cardioprotection

Recent animal studies suggest that dietary supplementation with antioxidants (i.e., vitamin E and alpha-lipoic acid) can provide cardiac protection during a heart attack. Animal studies also show that antioxidant supplementation in drug form (i.e., unnatural antioxidants) slows the progression of coronary artery disease. Nonetheless, it is unclear if antioxidant supplementation can provide the same protection in humans. Further, given that very large doses of some antioxidants could have harmful side effects, the decision to use dietary antioxidant supplements should be approached with caution. Based on our current knowledge of antioxidants, a prudent dietary goal is to achieve the Reference Daily Intake (RDI) for major antioxidant vitamins (e.g., vitamins A, E, C) and minerals (e.g., zinc, copper, magnesium, and selenium) through a varied diet. In other words, the general rule is that most vitamin and mineral dietary requirements are best met by eating foods rather than by ingesting a supplement, and this rule should be followed for antioxidants as well. Hence, achieving the RDI for antioxidant vitamins and minerals through a diet rich in fruits and vegetables is a sound approach toward obtaining the maximum health benefits from antioxidants. Table S2 lists some important food sources of antioxidants.

Suggested Readings

Barrow, M. (1992). Heart talk: understanding cardiovascular diseases. Cor-Ed Publishing Company. Gainesville, Florida.

Lee, I.M., C. Hsieh, and R. Paffenbarger (1995). Exercise intensity and longevity in men. The Harvard Alumni Health Study. JAMA 273:1179-1184.

Shephard, R.J., and G. Balady (1999). Exercise as cardiovascular therapy. Circulation 99:963-972.