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L'ischémie-reperfusion et le choc circulatoire sont associés avec une production excessive d'oxydants et de radicaux libres, capables d'induire des fractures dans la double hélice d'ADN. Ces lésions génétiques activent un enzyme, la poly(ADP-ribose) polymérase (PARP), qui catalyse la transformation du co-enzyme respiratoire nicotinamide adénine dinucléotide (NAD+) en nicotinamide et ADP-ribose. La baisse consécutive du NAD+ cellulaire inhibe la glycolyse et la respiration mitochondriale, entraînant une défaillance bio-énergétique et une nécrose cellulaire. Parallèlement, la PARP exerce un effet facilitateur sur la transmission de signaux pro-inflammatoires, entraînant une amplification de l'inflammation locale. Des études récentes indiquent que ces mécanismes moléculaires jouent un rôle déterminant dans la physiopathologie de la lésion de reperfusion et du choc.
La lésion de reperfusion se définit comme l'aggravation d'une lésion hypoxique faisant suite à la reperfusion d'un tissu préalablement ischémique. Un tel phénomène s'observe dans de nombreuses circonstances cliniques, incluant la reperfusion après obstruction artérielle localisée (infarctus du myocarde, accident vasculaire cérébral, ischémie intestinale, etc.), la reperfusion d'un organe transplanté, ou encore la reperfusion myocardique après chirurgie cardiaque en circulation extra-corporelle.1 Une lésion de reperfusion systémique se développe également lors de la réanimation de l'arrêt cardiaque et des états de choc circulatoire de toute nature. Dans ces situations, le réapprovisionnement en sang oxygéné, bien qu'essentiel à la survie des organes ischémiques, entraîne une cascade d'événements conduisant à des perturbations fonctionnelles (par exemple arythmies de reperfusion), à une réaction inflammatoire locale et à l'extension des dommages tissulaires.1 Les mécanismes physiopathologiques de la lésion de reperfusion comportent la production en excès d'oxydants et de radicaux libres, l'activation de la transcription de gènes pro-inflammatoires (cytokines et molécules d'adhésion par exemple), le recrutement et l'activation de polynucléaires neutrophiles et la surcharge cellulaire en calcium.1 Récemment, il a été démontré qu'un effecteur important de la lésion de reperfusion était représenté par un enzyme dénommé poly(ADP-ribose) polymérase (PARP).2 Dans cet article nous passons en revue les travaux principaux impliquant la PARP dans la physiopathologie de la reperfusion et du choc circulatoire.
La PARP, également appelée poly(ADP-ribose) synthétase (PARS), est un enzyme abondamment présent dans le noyau des cellules eukaryotes. La PARP possède dans sa portion N-terminale un site de liaison à l'ADN, sa portion C-terminale étant le siège de son activité catalytique.2 L'enzyme est activé en réponse à des lésions de l'ADN induites par une variété de stimuli génotoxiques (radiations ionisantes, agents alkylants, oxydants et radicaux libres), et catalyse la transformation de son substrat, le co-enzyme respiratoire nicotinamide adénine dinucléotide (NAD+) en nicotinamide et ADP-ribose. La PARP attache ensuite des groupes ADP-ribose sur diverses protéines (par exemple histones, topoisomérases, ADN polymérases), qui se retrouvent temporairement inactivées.3 Les fonctions physiologiques attribuées à la PARP sont actuellement débattues. On lui attribue un rôle dans la régulation de l'expression génique, la réplication de l'ADN et la division cellulaire. De plus, en participant aux mécanismes de réparation de l'ADN, la PARP contribue au maintien de la stabilité génomique.4 En tout état de cause, les fonctions physiologiques de la PARP restent en grande partie énigmatiques et nécessitent des études complémentaires pour être clarifiées. On possède en revanche bien plus d'éléments concernant les conséquences pathologiques de l'activation de la PARP, thème abordé dans la suite de cette revue.
Une conséquence majeure de l'activation de la PARP réside en une réduction marquée des taux cellulaires de NAD+. Ce dernier est un cofacteur essentiel de la glycolyse et du cycle de l'acide citrique (cycle de Krebs), et il fournit aux mitochondries les électrons nécessaires au processus de phosphorylation oxydative. La concentration de NAD+ joue donc un rôle fondamental dans la survie cellulaire en régulant les mécanismes de production d'énergie.3 Il a été démontré qu'en présence d'un stimulus génotoxique intense, la chute du NAD+ secondaire à l'activation de la PARP entraînait la nécrose cellulaire par un effondrement des réserves en adénosine triphosphate (ATP).5 Ce mode particulier de mort cellulaire a conduit Berger à proposer la théorie du «suicide cellulaire induit par la PARP».6 De fait, l'activation de la PARP peut être considérée comme un mécanisme moléculaire d'autodestruction de la cellule, déclenché par un dommage génétique suffisamment sévère (fig. 1).
Bien qu'initialement, le rôle de la PARP paraissait confiné à des situations extrêmes d'exposition cellulaire à des agents génotoxiques puissants (radiations, agents alkylants), des données récentes ont démontré que la PARP est également activée en réponse à des lésions génétiques plus modérées, induites par diverses molécules ayant des propriétés radicalaires ou/et oxydantes, telles que le radical superoxyde (O2) et ses dérivés (peroxyde d'hydrogène et radical hydroxyl).2 L'intérêt porté à la PARP a rebondi au milieu des années 90 avec la découverte des propriétés biologiques du monoxyde d'azote (NO). Le NO est un radical libre formé à partir de L-arginine par une famille d'enzymes dénommés NO synthases. Physiologiquement le NO est produit en faibles quantités par une NO synthase (NOS) constitutivement exprimée par l'endothélium (eNOS), responsable de multiples fonctions régulatrices au niveau cardiovasculaire. Dans certaines conditions pathologiques (inflammation, infection), le NO est produit en forte quantité par une NO synthase inductible (iNOS), et est associé avec des effets cytotoxiques divers.7 En particulier, le NO, ainsi que le peroxynitrite, fruit de la réaction du NO avec le radical superoxyde, sont capables de produire des fractures dans la double hélice d'ADN. Rapidement, on a réalisé que ce mécanisme d'action du NO et du peroxynitrite entraînait une intense activation de la PARP conduisant à la nécrose par défaillance bio-énergétique.2 Au vu de ces observations, obtenues dans des modèles cellulaires in vitro, il était logique d'assumer que la PARP pourrait jouer un rôle in vivo dans des circonstances associées avec le développement d'un stress oxydatif (formation de superoxyde et dérivés) et nitrosatif (formation de NO et de peroxynitrite). De nombreuses études ont confirmé cette hypothèse et la PARP s'impose désormais comme un effecteur majeur de lésions d'organes dans des situations telles que l'ischémie-reperfusion et le choc circulatoire.2,3,8
Le rôle de la PARP a été particulièrement évalué dans la lésion de reperfusion cérébrale et cardiaque. En 1997, Eliasson et coll. ont rapporté dans Nature Medicine les résultats d'une étude tentant de résoudre l'énigme des mécanismes de la neurotoxicité attribuée au NO.9 On savait depuis plusieurs années déjà que l'ischémie transitoire du cerveau entraînait la formation de médiateurs neurotoxiques, en particulier le NO et le peroxynitrite. On ignorait en revanche si ces médiateurs étaient directement toxiques ou s'ils agissaient par l'intermédiaire d'un autre effecteur moléculaire. L'importante découverte d'Elliason fut de démontrer que la toxicité de ces médiateurs dépendait essentiellement de leur capacité à activer la PARP : in vitro, des cultures primaires de neurones issus de souris génétiquement déficientes en PARP (PARP/) étaient totalement résistantes à la toxicité du NO ; in vivo, la taille de l'infarctus cérébral mesurée après occlusion temporaire de l'artère cérébrale moyenne était considérablement réduite chez des souris PARP/ comparativement à des souris PARP+/+.9 Ces résultats ont été confirmés ultérieurement, en utilisant divers inhibiteurs pharmacologiques de la PARP chez le rat exposé à une ischémie cérébrale transitoire. Dans ces études, une réduction significative de la taille de l'infarctus cérébral a été systématiquement retrouvée chez les animaux traités par de tels agents.10
Une série de travaux a également évalué le rôle joué par la PARP dans la reperfusion myocardique. Dans un modèle d'infarctus du myocarde chez le lapin, l'administration d'inhibiteurs pharmacologiques de la PARP (3-aminobenzamide et nicotinamide) ont réduit de manière importante la lésion myocardique.11 Chez le rat, nous avons démontré que l'inhibition de la PARP non seulement limitait la taille de la nécrose induite par une occlusion transitoire de l'artère interventriculaire antérieure, mais encore réversait totalement la dysfonction systolique associée.12 Dans un modèle analogue chez la souris, l'absence de PARP fonctionnelle était aussi associée avec une diminution de l'inflammation myocardique déclenchée par la reperfusion (réduction de l'infiltration neutrophilique et baisse de la production de cytokines pro-inflammatoires).13 Ces données suggèrent que la PARP, impliquée dans le processus de nécrose, intervient également dans la régulation de la réponse inflammatoire après reperfusion, sujet sur lequel nous reviendrons ultérieurement. Les effets protecteurs de l'inhibition de la PARP sur le myocarde reperfusé n'ont pas été répertoriés uniquement chez le rongeur. Une étude récente a démontré une amélioration morphologique et fonctionnelle significative dans un modèle d'infarctus myocardique chez le porc traité par le PJ-34, nouvel inhibiteur puissant et sélectif de la PARP.14
Des données intéressantes ont été récemment publiées sur le rôle de la PARP dans le processus de remodelage ventriculaire et l'insuffisance cardiaque chronique.15 Chez le rat sujet à une occlusion permanente de l'interventriculaire antérieure, un traitement quotidien par le PJ-34 (initié après la constitution de l'infarctus et poursuivi durant dix semaines) a permis de limiter très nettement l'hypertrophie et la dilatation des cavités cardiaques et a pratiquement supprimé la défaillance systolique et diastolique du ventricule gauche. En utilisant des techniques immunohistochimiques, il a été démontré que le ventricule gauche remanié était le siège d'une importante formation de nitrotyrosine, un marqueur indirect de la génération de peroxynitrite.15 Le processus de remodelage ventriculaire conduisant à l'insuffisance cardiaque post-ischémique dépend donc, en partie, de la persistance d'un stress oxydatif et nitrosatif myocardique, responsable d'une activation continue de la PARP. A l'évidence, la découverte de ce mécanisme, qui nécessite confirmation dans d'autres modèles animaux, pourrait ouvrir la voie à de nouveaux concepts thérapeutiques dans l'insuffisance cardiaque clinique.
Le choc circulatoire représente un exemple extrême de lésion de reperfusion. De fait, la restauration des conditions hémodynamiques, même partielle, induite par la réanimation de l'état de choc, entraîne un phénomène de reperfusion généralisée. Dans ces circonstances, une formation massive d'oxydants et de radicaux libres représente un mécanisme central des lésions tissulaires et des défaillances d'organes.8 Cette situation est majorée par l'état inflammatoire systémique qui se développe au cours du choc, quelle qu'en soit sa nature. La réponse inflammatoire entraîne l'activation des neutrophiles, générateurs de radicaux libres d'oxygène, et la production en excès de NO par suite de l'expression diffuse de la NOS inductible.8 Aussi, le choc circulatoire s'accompagne-t-il d'un intense stress oxydatif et nitrosatif, conditions parfaites pour entraîner une activation majeure de la PARP. Le rôle de la PARP a principalement été investigué dans des modèles animaux de choc septique. Ces études ont démontré d'une part que cet enzyme représente un médiateur majeur de défaillance cardiovasculaire, mais qu'elle exerce également un rôle fondamental dans la régulation de la réponse inflammatoire.8
Des données récentes ont révélé que le peroxynitrite, formé à partir de l'excès de NO produit dans la paroi vasculaire, contribue largement à la vasoplégie typique du choc septique, en induisant l'activation vasculaire de la PARP. In vitro, des cellules musculaires lisses vasculaires exposées au peroxynitrite présentent une forte activation de la PARP responsable d'une chute marquée des taux cellulaires d'ATP.16 De même, le peroxynitrite provoque une hypocontractilité vasculaire dans des anneaux isolés d'artères pulmonaires et d'aortes, qui est totalement prévenue par l'inhibition pharmacologique de la PARP.17,18 In vivo, la formation de peroxynitrite est détectable dans l'aorte de rats après administration d'endotoxine,19 et la réduction de la contractilité vasculaire induite par l'endotoxine est supprimée par des agents inhibant la formation de peroxynitrite ou l'activation de la PARP.20,21 Finalement, l'inhibition de la PARP réduit fortement la vasoplégie aortique au cours du choc septique murin induit par ligature et perforation cæcale.22 Des résultats comparables ont été rapportés au cours du choc hémorragique expérimental : la réduction de la contractilité vasculaire et l'hypotension artérielle se développant après réanimation d'une hémorragie sévère sont largement prévenues en l'absence de PARP fonctionnelle chez la souris.23
En plus de son rôle dans la défaillance vasculaire périphérique, la PARP est également impliquée dans la dépression myocardique du sepsis. Dans un modèle de choc septique induit par une péritonite à bacilles Gram négatifs chez le porc, Goldfarb a montré que la PARP était fortement activée au niveau myocardique, suggérant la possibilité d'un mécanisme cardio-dépresseur PARP-dépendant.24 Cette hypothèse fut confirmée en démontrant que la défaillance ventriculaire gauche induite par le sepsis était totalement prévenue par l'administration d'un inhibiteur puissant de la PARP (PJ-34). Nous avons également observé que la dépression systolique et diastolique du ventricule gauche accompagnant le choc endotoxique chez la souris ne se développait pas chez des animaux génétiquement déficients en PARP.25
Plusieurs travaux publiés à la fin des années 90 ont montré que la suppression génétique ou pharmacologique de la PARP entraînait, dans des modèles in vitro, une baisse marquée de l'expression de médiateurs de l'inflammation, tels que des cytokines, des molécules d'adhésion et des enzymes inductibles (principalement iNOS).3 Rapidement, ces données furent confirmées in vivo, en particulier dans des modèles de choc septique. L'absence de PARP fonctionnelle était associée avec une réduction de la production de cytokines (par exemple TNFa, IL-6 et IFNg), de l'expression de iNOS, et de l'infiltration tissulaire par des granulocytes.20,26,27 Le mécanisme moléculaire sous-tendant ces effets a été dévoilé récemment par la découverte d'une association fonctionnelle entre la PARP et le facteur de transcription nuclear factor kappa B (NFkB).26 NFkB est activé en réponse à de multiples stress extracellulaires, et régule la transcription de gènes codant pour des médiateurs divers de l'inflammation. Oliver et coll. démontrèrent les premiers que des souris PARP/ n'activaient pas le NFkB en réponse à l'injection d'endotoxine, avec pour corollaire une réduction majeure des concentrations plasmatiques de cytokines inflammatoires et une protection totale contre la léthalité de l'endotoxine,26 informations confirmées depuis par d'autres auteurs.28 Ces données indiquent que la PARP, outre ses effets défavorables sur le métabolisme énergétique cellulaire, représente un modulateur central de la réponse inflammatoire démesurée et anarchique qui caractérise le choc septique. Des études sont actuellement en cours dans plusieurs laboratoires pour mieux cerner cet aspect intriguant de la physiologie de la PARP, qui conduiront certainement à de nouveaux concepts théoriques sur les mécanismes moléculaires de l'inflammation.
Sur la base des connaissances actuelles, le scénario suivant peut être proposé pour résumer les rôles pathologiques de la PARP (fig. 2). Le stress oxydatif et nitrosatif accompagnant la lésion de reperfusion et le choc entraîne des lésions de l'ADN, responsables d'une activation de la PARP. Celle-ci déclenche une consommation du NAD et une baisse de l'ATP, conduisant à la dysfonction et à la nécrose cellulaire. Parallèlement, la PARP active la production de médiateurs de l'inflammation, en régulant positivement le facteur de transcription NFkB. Le recrutement consécutif de cellules inflammatoires augmente la production locale d'oxydants et de radicaux libres, générateurs de nouvelles lésions de l'ADN et d'une activation de la PARP. Le cycle est ensuite renouvelé, amplifiant progressivement le collapsus énergétique cellulaire et la réponse inflammatoire locale. Selon ce modèle, on peut envisager que l'inhibition pharmacologique de la PARP puisse représenter une nouvelle option thérapeutique dans le choc et l'ischémie-reperfusion. Des inhibiteurs de synthèse de la PARP particulièrement puissants, actuellement au stade de développement préclinique,20 ont démontré une efficacité remarquable dans le traitement de ces conditions. Des études complémentaires sont requises pour déterminer la toxicité potentielle de tels agents, avant de considérer leur introduction dans l'arsenal thérapeutique du réanimateur.