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Le peroxynitrite est un oxydant biologique puissant formé par la réaction de deux radicaux libres, le superoxyde et le monoxyde d'azote. Il inflige des dommages sévères à la plupart des biomolécules protéines, lipides et acides nucléiques par des processus d'oxydation directe ou par la génération secondaire de radicaux libres très réactifs. Lorsque ces dommages atteignent un seuil critique, ils entraînent la mort cellulaire par nécrose ou apoptose. Une production excessive de peroxynitrite joue un rôle clé dans les lésions et dysfonctions d'organes associées au choc circulatoire et à l'ischémie-reperfusion. Dans ces conditions, diverses métalloporphyrines de synthèse capables de dégrader le peroxynitrite ont d'importants effets bénéfiques chez l'animal, et pourraient ainsi représenter de nouveaux agents pharmacologiques dans le futur.
Un radical libre est un atome ou une molécule possédant un (ou plusieurs) électron(s) non pairé(s) dans son orbite externe. Cette propriété confère au radical la capacité de soustraire un ou plusieurs électrons à d'autres atomes ou molécules afin d'apparier son (ses) électron(s) célibataire(s), ce processus correspondant à un phénomène d'oxydation. Ce phénomène est aussi réalisé par des espèces chimiques non radicalaires, mais dont le potentiel d'oxydo-réduction est suffisamment élevé pour s'approprier les électrons d'autres atomes ou molécules. Collectivement, de telles espèces chimiques (radicalaires et non radicalaires) sont appelées des oxydants.1
Historiquement, le travail princeps identifiant la présence de radicaux libres dans du matériel biologique est celui de Commoner en 1954,2 mais ce n'est qu'en 1969, avec la découverte par Mc Cord et Fridovitch 3 d'une protéine (la superoxyde dismutase) capable d'éliminer le radical superoxyde O2 .- qu'un rôle significatif des radicaux est formellement considéré. En 1980, Furchgott et Zawadzki 4 rapportent que l'endothélium vasculaire produit une substance vasodilatatrice, identifiée quelques années plus tard par Ignarro 5 comme étant un radical gazeux, le monoxyde d'azote, NO .. Finalement, en 1990, Beckman 6 démontre que O2 .- et NO . se combinent rapidement pour générer une molécule au fort pouvoir oxydant, le peroxynitrite (ONOO -), dont nous nous proposons ici de résumer quelques-uns des aspects essentiels.
Les oxydants appartiennent à deux familles principales, les «espèces réactives d'oxygène» (ERO), dont le parent est O2 .-, et les «espèces réactives d'azote» (ERN), dont le parent est NO .,1 comme cela est résumé dans la figure 1. Les principales sources d'O2 .- sont la chaîne respiratoire mitochondriale, la nicotinamide adénine dinucléotide phosphate (NADPH) oxydase et la xanthine oxydo-réductase. Dans la mitochondrie, une fuite naturelle de petites quantités d'électrons de la chaîne des cytochromes vers la matrice mitochondriale entraîne la réduction partielle de l'oxygène en O2 .-, rapidement éliminé par la superoxyde dismutase (SOD). Dans des situations d'hypoxie, ce phénomène s'accentue et surpasse les capacités de la SOD, provoquant une formation excessive d'O2 .-. La NADPH oxydase est une enzyme leucocytaire et endothéliale, produisant O2 .- sous l'effet de stimuli inflammatoires variés. La xanthine oxydo-réductase, ubiquitaire, catalyse le catabolisme des purines en acide urique. Normalement, cette enzyme fonctionne comme une déshydrogénase utilisant le NAD + comme accepteur d'électrons. Dans des situations pathologiques, notamment l'hypoxie, elle est convertie en oxydase, qui transfère un électron sur l'oxygène pour former O2 .-. Quant au NO ., il est produit à partir de L-arginine et d'oxygène par l'enzyme NO synthase (NOS), existant sous plusieurs isoformes (endothéliale, neuronale, inductible et mitochondriale).1,7
Les deux radicaux O2 .- et NO . sont modérément toxiques individuellement, mais lorsqu'ils sont produits à proximité l'un de l'autre, ils se combinent immédiatement pour former un oxydant puissant, non radicalaire, le peroxynitrite ou ONOO -. Cette réaction n'est limitée que par la capacité de diffusion de NO . et O2 .-. En d'autres termes, chaque fois que les deux radicaux se rencontrent, ils génèrent ONOO -. Dans certaines conditions où la formation de NO . et d'O2 .- est augmentée en parallèle (par exemple inflammation, ischémie-reperfusion), des concentrations de ONOO - atteignant 50-100 μM par minute peuvent être générées. La demi-vie de ONOO - est de 10-20 ms à pH physiologique, lui permettant de diffuser sur des distances de 5-20 μm, correspondant à 1-2 diamètres cellulaires et donc d'exercer de multiples effets biologiques.1
L'homéostasie redox est garantie par divers antioxydants comportant des enzymes, principalement la SOD, qui convertit O2 .- en peroxyde (H2O2), et la catalase, qui transforme H2O2 en eau. H2O2, non radicalaire, peut être transformé en radical hydroxyl, OH ., beaucoup plus réactif, en présence de métaux (réaction de Fenton). D'autres antioxydants incluent le glutathion (GSH), l'ascorbate (vitamine C) et l'a-tocophérol (vitamine E), agissant comme trappes à radicaux.1 ONOO - est quant à lui détoxifié par des molécules incorporant du sélénium, telles la glutathion peroxydase, la sélénoprotéine P, la sélénométhionine et la sélénocystéine. On parle de stress oxydatif ou nitrosatif lorsque les capacités de ces systèmes sont dépassées par une production excessive d'ERO ou d'ERN.1
La chimie oxydative de ONOO - dépend de deux types de réactions, directes et indirectes (figure 1). Les oxydations directes touchent les métaux de transition -Fe, Cu et Mn- et les groupements sulfhydryls -SH- dans les protéines. Les oxydations indirectes sont liées à la formation de radicaux très réactifs lors de la réaction spontanée de ONOO - avec le gaz carbonique (CO2), générant les radicaux CO3 .- (carbonate) et NO2 - (dioxyde d'azote radicalaire), et lors de la fission homolytique (rupture de liaison covalente) de ONOO -, générant les radicaux OH . et NO2 .. Toutes les biomolécules protéines, lipides et acides nucléiques sont oxydées par ces radicaux. De plus, NO2. introduit une modification particulière, la nitration, au niveau de l'acide aminé tyrosine dans les protéines, formant de la nitrotyrosine dont la détection est employée comme marqueur de la génération de ONOO -.1
Les altérations protéiques médiées par ONOO - entraînent dans la plupart des cas une perte de fonction. Ceci est particulièrement remarquable pour de nombreuses enzymes mitochondriales, comme les complexes I, II, IV et V de la chaîne respiratoire dont l'inhibition abolit la synthèse d'adénosine triphosphate (ATP). ONOO - inactive aussi des protéines de la membrane mitochondriale, notamment les protéines constituant le «pore de transition mitochondrial», et la SOD, amplifiant ainsi le stress oxydatif.1,8 Dans de rares cas, la protéine modifiée par ONOO - est activée. C'est le cas des métalloprotéinases de matrice, dont l'activation par ONOO - a été impliquée dans la dysfonction cardiaque après infarctus du myocarde expérimental.9 Une autre conséquence des modifications protéiques par ONOO - est la modulation du signaling cellulaire.1,8 Les signaux sont transmis par phosphorylation et déphosphorylation de résidus tyrosine, sérine ou thréonine, médiées par des kinases et des phosphatases. La nitration de résidus tyrosine par ONOO - peut prévenir leur phosphorylation et inhiber les signaux reposant sur la formation de phosphotyrosine. A l'inverse, ONOO - inactive par oxydation de nombreuses phosphatases, entraînant une persistance de la phosphorylation et une amplification des signaux. Parmi les conséquences de ces effets, relevons particulièrement l'activation des mitogen-activated protein kinases (MAP kinases), impliquées dans la régulation de l'apoptose et de l'inflammation, ainsi que la modulation du facteur de transcription NF-kB, un régulateur majeur de l'inflammation, comme nous l'avons démontré dans des cellules cardiaques et endothéliales.1,10,11
ONOO - peut aussi soustraire un électron aux acides gras polyinsaturés entraînant la peroxydation et la dégradation de lipides membranaires, ainsi que l'oxydation de lipoprotéines, notamment les LDL. Les LDL ainsi oxydées jouent un rôle dans l'athérogenèse, en favorisant l'accumulation de cholesteryl esters oxydés dans la paroi vasculaire.1 Au niveau des acides nucléiques, ONOO - attaque les nucléobases et le squelette ribose-phosphate, provoquant des mutations et des fractures de l'ADN. Lors de stress oxydatif majeur, les fractures de l'ADN activent une enzyme nucléaire, la poly(ADP-ribose) polymerase (PARP), responsable, entre autres, d'une dégradation du NAD + à l'origine d'une réduction majeure des processus bioénergétiques cellulaires.12
Lorsque la production de ONOO - est suffisamment élevée ou prolongée, le stress cellulaire conduit à la mort par apoptose (stress modéré) ou nécrose (stress intense). L'apoptose est secondaire aux altérations mitochondriales (inhibition de la chaîne respiratoire, oxydation des protéines du pore de transition) induites par ONOO -, entraînant la perméabilisation de la mitochondrie et la libération de facteurs pro-apoptotiques dans le cytoplasme, notamment le cytochrome c. En cas d'agressions oxydatives plus sévères, des dégâts mitochondriaux plus marqués ainsi que l'activation de la PARP provoquent une baisse critique de l'ATP, conduisant à la mort par nécrose.1
De nombreuses affections critiques sont associées avec le développement simultané d'un stress oxydatif et nitrosatif, par l'activation des mécanismes de production d'O2 .- et de NO .. C'est le cas du choc circulatoire, de l'ischémie-reperfusion, de la transplantation d'organes et des états inflammatoires systémiques, où une formation excessive de ONOO - a été démontrée.1 L'implication de ONOO - dans les lésions et dysfonctions d'organes dans ces situations a pu être précisée grâce au développement de molécules catalysant la décomposition de ONOO -. Ces molécules sont toutes des métalloporphyrines contenant du fer ou du manganèse, qui inactivent rapidement ONOO - en le réduisant en nitrite (NO2 -) non toxique.8 Plusieurs métalloporphyrines de synthèse actuellement à un stade de développement avancé (FP-15, WW-85, AEOL-10150) devraient être prochainement testées en clinique.8
Le rôle de ONOO - a notamment été bien évalué dans le choc septique et l'infarctus du myocarde. Au cours du choc septique expérimental, un excès de ONOO - a été détecté dans la plupart des organes, en particulier les vaisseaux sanguins, les poumons et le cur.1 Chez l'homme, des concentrations élevées de nitrotyrosine sont détectables dans le plasma de patients septiques et sont corrélées avec la sévérité du choc.8,13 Des études ont montré que ONOO - oxyde et inactive les catécholamines, un phénomène qui pourrait être impliqué dans le collapsus circulatoire au cours du choc septique.14 Cette hypothèse est corroborée par l'amélioration de la contractilité artérielle et cardiaque consécutive à l'élimination de ONOO - par diverses métalloporphyrines chez l'animal septique.8
Au cours de l'infarctus du myocarde et de l'insuffisance cardiaque, il existe de multiples preuves de la formation et d'un rôle délétère de ONOO -. Nous avons notamment démontré 15 l'implication de ONOO - dans le développement de la nécrose et de l'apoptose des cardiomyocytes au cours de l'infarctus chez le rat, ainsi que ses effets inotropes négatifs très marqués dans un modèle d'insuffisance cardiaque aiguë chez la souris.16 Chez l'homme, des données récentes indiquent que ONOO - joue un rôle clé au cours de l'insuffisance cardiaque chronique, en inhibant les flux calciques intracellulaires par nitration et inactivation de la pompe calcique sarcoplasmique SERCA2a.17
Outre le choc et l'ischémie-reperfusion, de nombreuses études font également état d'un rôle pathogénique du peroxynitrite dans des situations aussi diverses que le diabète, les maladies dégénératives du système nerveux, les maladies inflammatoires de l'intestin, l'hypertension et le cancer, pour lesquelles nous référons le lecteur intéressé à d'exhaustives revues récentes.1,8
Le peroxynitrite est une molécule à fort pouvoir oxydant, issu de la réaction spontanée entre le radical superoxyde et le monoxyde d'azote. Sa réactivité chimique lui permet d'infliger des dommages oxydatifs multiples, pouvant entraîner la mort cellulaire par nécrose ou apoptose. La formation de peroxynitrite émerge comme un mécanisme important de lésions tissulaires dans de nombreuses pathologies comme le choc circulatoire et l'ischémie-reperfusion. Par conséquent, des stratégies thérapeutiques visant à éliminer le peroxynitrite pourraient s'avérer très efficaces dans ces situations.