Mechanisms of mechanical strain memory in airway smooth muscle

We evaluated the hypothesis that mechanical deformation of airway smooth muscle induces structural remodeling of airway smooth muscle cells, thereby modulating mechanical performance in subsequent contractions. This hypothesis implied that past experience of mechanical deformation was retained (or "memorized") as structural changes in airway smooth muscle cells, which modulated the cell's subsequent contractile responses. We termed this phenomenon mechanical strain memory. Preshortening has been found to induce attenuation of both force and isotonic shortening velocity in cholinergic receptor-activated airway smooth muscle. Rapid stretching of cholinergic receptor-activated airway smooth muscle from an initial length to a final length resulted in post-stretch force and myosin light chain phosphorylation that correlated significantly with initial length. Thus post-stretch muscle strips appeared to retain memory of the initial length prior to rapid stretch (mechanical strain memory). Cytoskeletal recruitment of actin- and integrin- binding proteins and Erk 1/2 MAPK appeared to be important mechanisms of mechanical strain memory. Sinusoidal length oscillation led to force attenuation during oscillation and in subsequent contractions in intact airway smooth muscle, and p38 MAPK appeared to be an important mechanism. In contrast, application of local mechanical strain to cultured airway smooth muscle cells induced local actin polymerization and cytoskeletal stiffening. It is conceivable that deep inspiration-induced bronchoprotection may be a manifestation of mechanical strain memory such that mechan ical deformation from past breathing cycles modulated the mechanical performance of airway smooth muscle in subsequent cycles in a continuous and dynamic manner.Key words: airway, cytoskeleton, deep inspiration, mechanics, smooth muscle.

Nous avons évalué l'hypothèse que la déformation mécanique du muscle lisse des voies aériennes induit un remodelage de la structure des cellules musculaires, modulant ainsi la performance mécanique des contractions subséquentes. Cette hypothèse supposait que l'expérience antérieure de la déformation mécanique était retenue (« mémorisée ») comme les modifications structurales dans les cellules musculaires lisses des voies aériennes ayant modulé les réponse contractiles subséquentes de la cellule. Nous avons nommé ce phénomène « mémoire de déformation mécanique ». Le pré-raccourcissement a provoqué une atténuation de la force et de la vitesse de raccourcissement isotonique dans le muscle lisse activé par les récepteurs cholinergiques. L'étirement rapide de ce muscle d'une longueur initiale à une longueur finale a donné lieu à une force et à une phosphorylation de la chaîne légère de myosine post-étirement qui ont montré une corrélation significative avec la longueur initiale. Ainsi, les lambeaux musculaires post-étirement ont semblé retenir la mémoire de la longueur initiale avant l'étirement rapide (mémoire de déformation mécanique). Le recrutement des protéines de fixation de l'intégrine et de l'actine et de l'Erk 1/2 MAPK par le cytosquelette a semblé être un mécanisme important de la mémoire de déformation mécanique. L'oscillation sinusoïdale de la longueur a induit une atténuation de la force durant l'oscillation et des contractions subséquentes dans le muscle lisse, et la p38 MAPK a semblé être un mécanisme important. À l'opposé, l'application d'une déformation mécanique locale à des cellules musculaires lisses cultivées a induit une polymérisation locale de l'actine et un raidissement du cytosquelette. Il est possible qu'une bronchoprotection induite par une inspiration profonde soit une manifestation de la mémoire de déformation mécanique de sorte que la déformation mécanique de cycles respiratoires antérieurs module la performance mécanique du muscle lisse des voies aériennes dans les cycles subséquents de manière continue et dynamique. Mots clés : voie aérienne, cytosquelette, inspiration profonde, mécanique, muscle lisse. [Traduit par la Rédaction]