STRESS OXYDANT ET ATHÉROSCLÉROSE D. Bonnefont-Rousselot, J.L. Beaudeux, P. Thérond, J. Peynet, J. Delattre, A. Legrand Laboratoire de Biochimie Métabolique et Clinique (EA3617), Faculté de Pharmacie Paris 5, 4 avenue de l'Observatoire, 75270 Paris Cedex 06 EXON et AE2BM, Lille, 9-10 septembre 2004

Stimuli et cibles du stress oxydant dans l’athérogenèse Sources cellulaires d’espèces réactives de l’oxygène (ERO) et de l’azote (ERN) Rôles des lipoprotéines (LDL, HDL) Autres stimuli: Facteurs activant les NAD(P)H oxydases des cellules vasculaires Facteurs activant la production mitochondriale d’anion superoxyde Facteurs diminuant la biodisponibilité du monoxyde d’azote (NO) Implication du stress oxydant dans l’évolution de la plaque

Stimuli et cibles du stress oxydant dans l’athérogenèse

Sources cellulaires d’espèces réactives de l’oxygène (ERO) et de l’azote (ERN)

Sources cellulaires d’ERO et d’ERN NADPH oxydase Xanthine oxydase Chaîne respiratoire mitochondriale NO synthase NO O2 ONOO- O2 - Superoxyde dismutase Cyt. P450 monooxygénase Lipooxygénases Cyclo-oxygénases Myéloperoxydase NO2 H2O H2O2 HOCl Cl- Catalase/ Glutathion peroxydase O2- O2 + Cl- Fe2+ OH

Déséquilibre entre production et neutralisation des ERO = stress oxydant Oxydation des lipoprotéines Stress oxydant intracellulaire  altération du fonctionnement cellulaire

Rôles des ERO dans les cellules vasculaires Hypercholestérolémie Diabète Hypertension Tabagisme Age Expression des molécules d’adhésion Altération de la vasomotricité ERO Activation des métalloprotéases Fragilisation des plaques Prolifération des cellules musculaires lisses Oxydation des lipoprotéines Apoptose

Modulation par les ERO des effets cellulaires impliqués dans l’athérogenèse PDGF, angiotensine II, thrombine, TNF , hyperglycémie, LDL oxydées, forces hémodynamiques Lipoxygénase Chaîne mitochondriale de transport des électrons NADP(H) oxydase Xanthine oxydase ERO  kinases (p38MAPK, JNK, ERK1/2, Akt)  phosphatases (protéine-tyrosine phosphatase 1B…) Facteurs de transcription (NFkB, STAT-1, AP-1…) Gènes « redox-sensibles » Croissance/hypertrophie, survie, migration, apoptose, dysfonctionnement endothélial, inflammation, remodelage

Rôle des lipoprotéines

(d’après Segrest et coll., J. Lipid Res., 2001) Structure des LDL (d’après Segrest et coll., J. Lipid Res., 2001)

Acides gras saturés et insaturés *   RAPPELS SUR LA COMPOSITION DES LDL (en molécules par particule de LDL) Lipides et protéine Acides gras saturés et insaturés * Anti-oxydants Phospholipides 700 Cholestérol non estérifié 600 Esters de cholestérol 1600 Triglycérides 100 Protéine (apoB) 1 Acide myristique 70 Acide palmitique 700 Acide palmitoléique 50 Acide stéarique 150 Acide oléique 450 Acide linoléique 1100 Acide arachidonique 150 Acide docosahexaénoïque 20 Acides gras totaux 2700 Acides gras polyinsaturés 1300 -tocophérol 6 g-tocophérol 0,5 -carotène 0,3 Lycopène 0,2 Ubiquinol 0,3 * sous forme d'esters (esters de cholestérol, phospholipides, triglycérides). (d’après Esterbauer et Ramos, Rev. Physiol. Biochem. Pharmacol. 1996 ; 127 : 31-64) LDL petites et denses plus sensibles à l’oxydation

Modifications oxydatives des LDL LIPIDES Déplétion en antioxydants Déplétion en acides gras polyinsaturés Formation de diènes conjugués Formation de produits d’oxydation lipidique spécifiques: Phospholipides oxydés à courte chaîne (POVPC, PGPC…) Hydroperoxydes de phospholipides et d’esters de cholestérol (HPODE, HPETE…) Isoprostanes (8-isoPGF2a) Oxystérols (7-cétocholestérol, 25-hydroxycholestérol…) Lysophosphatidylcholines Apparition de produits de décomposition (dialdéhyde malonique, 4-hydroxynonénal…) APOLIPOPROTÉINE B Carbonylation, fragmentation Oxydation d’aminoacides (tryptophane, histidine…) Formation de produits d’addition entre acides aminés et produits aldéhydiques (MDA, HNE…)

Mécanismes potentiels par lesquels les LDL oxydées participeraient à l’athérogenèse (1) Action sur les monocytes-macrophages Lyso-PC  action chimiotactique sur les monocytes circulants Lipides oxydés  production de chimiokines pro-inflammatoires (IL-6), de facteurs chimiotactiques (MCP-1) et de croissance (M-CSF)  inflammation Reconnaissance des LDL oxydées par des récepteurs « scavenger » (CD36), de façon non régulée par la concentration de cholestérol intracellulaire Oxystérols  synthèse de métalloprotéases matricielles (MMP)  remodelage matriciel  progression de la lésion

Mécanismes potentiels par lesquels les LDL oxydées participeraient à l’athérogenèse (2) Action sur les cellules endothéliales Lyso-PC, isoprostanes  diminution de vasoréactivité endothéliale par:  libération de NO Interaction du NO avec O2-  peroxynitrite ONOO-  synthèse et libération d’endothéline Phospholipides oxydés à chaîne courte (POVPC, PGPC)  réaction inflammatoire locale par:  synthèse facteurs chimiotactiques (MCP-1, M-CSF) et molécules d’adhésion (ICAM-1, VCAM-1) Activité PAF-like Rupture de l’homéostasie profibrinolytique  action procoagulante Oxystérols et lyso-PC  modulation de la synthèse endothéliale de tPA et de PAI-1 Expression accrue de récepteurs des LDL oxydées Oxystérols  action cytotoxique et proapoptotique

Mécanismes potentiels par lesquels les LDL oxydées participeraient à l’athérogenèse (3) Action sur les cellules musculaires lisses Lyso-PC, oxystérols, hydroperoxydes, aldéhydes  prolifération et migration des cellules musculaires lisses par:  synthèse et sécrétion de facteurs de croissance (PDGF), chimiokines (IL-1b, IL-6, TNF-a) Activation des fonctions de synthèse des cellules musculaires lisses  production de molécules constitutives de la matrice extracellulaire (collagènes, protéoglycanes, laminine, fibronectine…)

Effet protecteur des HDL contre l’athérogenèse Classiquement attribué au rôle central joué par les HDL dans l’efflux cellulaire et le transport réverse du cholestérol des tissus périphériques vers le foie. Nouvelles fonctions anti-athérogènes des HDL - protection des LDL contre l’oxydation - destruction des produits d’oxydation des lipides générant la réponse inflammatoire impliquée dans l’athérogenèse Cependant, les HDL peuvent elles-mêmes subir des modifications oxydatives susceptibles d’altérer leurs propriétés protectrices. Hétérogénéité fonctionnelle entre les différentes sous-classes de HDL

Composantes anti-oxydantes et anti-inflammatoires contribuant aux propriétés anti-athérogènes des HDL Anti- oxydantes HDL Anti- inflammatoires Apo AI  capture des hydroperoxydes des LDL; Paraoxonase (PON-1), PAF-acétylhydrolase  hydrolyse des phospholipides oxydés LCAT  transfert des AG oxydés des PC sur le cholestérol  hydroperoxydes GPx  réduction des hydroperoxydes en alcools Transport inverse du cholestérol (rôle de la LCAT) EFFETS ANTI-ATHÉROGÈNES

Modification des fonctions des HDL oxydées (1) HDL facilement oxydées in vitro par divers procédés (ions des métaux de transition, lipoxygénases, radical hydroxyle, myéloperoxydase, radical tyrosyle). Oxydation des HDL  peroxydation lipidique et attaque des apolipoprotéines  formation par « crosslink » d’oligomères d’apolipoprotéine AI et d’hétérodimères d’apolipoprotéines AI-AII. HDL plus susceptibles à l’oxydation que les LDL (moindre contenu en anti-oxydants comme l’ubiquinol et le tocophérol). Oxydation probable des HDL in vivo dans les espaces extracellulaires

Modification des fonctions des HDL oxydées (2) Oxydation des HDL   capacité à promouvoir l’efflux du cholestérol cellulaire Causes: Oxydation de l’apolipoprotéine AI et des lipides; Formation d’oxystérols; Diminution de fluidité des HDL. Exception : HDL oxydées par le radical tyrosyle (action de la MPO)   efflux Oxydation des HDL   activité de la LCAT (dénaturation de l’apolipoprotéine AI et inhibition directe de la LCAT par oxydation des cystéines libres et de résidus du site actif de l’enzyme)

Altération des propriétés anti-inflammatoires des HDL au cours de la réponse à la phase aiguë HDL anti-inflammatoire HDL pro-inflammatoire Apo A-I Apo A-I PON État inflammatoire Cérulo- plasmine SAA Apo A-II Apo A-I PON Apo A-I PAF-AH PAF-AH PON Apo A-I PAF-AH (d’après Van Lenten et al., Trends in Cardiovasc. Med. 2001; 11: 155-161)

Autres stimuli

Facteurs activant les NAD(P)H oxydases des cellules vasculaires Structure des NAD(P)H oxydases des cellules vasculaires O2 H+ mox p22 rac p47 O2•- p67 NADPH NADP+ (d’après Griendling et al. Circ Res 2000; 86 : 494-501)

Facteurs d’activation hémodynamiques (flux oscillatoire) Facteurs humoraux (angiotensine II, TNFa, LDL oxydées, hyperhomocystéinémie…) Facteurs génétiques (polymorphismes)  NAD(P)H oxydase  O2-  H2O2  NO et  ONOO- Effets délétères des ERO au niveau cellulaire (d’après Zalba et al., Hypertension 2001; 38: 1395-1399)

Facteurs activant la production mitochondriale d’anion superoxyde Hyperglycémie   production mitochondriale d’anion superoxyde dans les cellules endothéliales Participation à la macroangiopathie diabétique Normalisation de cette production  blocage de l’activation de la PKC et du NFkB, et inhibition de la formation des produits de glycation avancée (AGE) (Nishikawa et al., Nature 2000; 404: 787-790)

Facteurs diminuant la biodisponibilité du NO NO: vasodilatateur, inhibiteur de l’agrégation plaquettaire, de l’adhérence des leucocytes et de la prolifération des cellules musculaires lisses Perturbation des fonctions endothéliales médiées par NO chez les sujets hypercholestérolémiques, hypertendus et tabagiques (Channon et Guzik, J. Physiol. Pharmacol. 2002; 53: 515-524) Causes de la diminution de biodisponibilité de NO:  production de superoxyde   peroxynitrite piégeage du NO par les AGE chez les sujets diabétiques découplage de la NOS endothéliale lors de la carence en L-arginine ou en tétrahydrobioptérine (BH4)  transfert d’électron sur O2 au lieu de l’arginine  formation de O2- au lieu de NO découplage de la NOS endothéliale par augmentation de la diméthylarginine asymétrique (ADMA)

Dysfonctionnement endothélial Facteurs de découplage de la NOS endothéliale par augmentation de l’ADMA (d’après Hayden et Tyagi, Cardiovasc. Diabetol. 2003; 2: 2) O2-, H2O2 LDL oxydées  ADMA Diabète de type 2 Angiotensine II Syndrome métabolique Insulinorésistance Homocystéine Découplage de la NOS endothéliale Dysfonctionnement endothélial O2-  NO

Implication du stress oxydant dans l’évolution de la plaque

 concentration plasmatique des LDL et/ou dysfonctionnement endothélial Rétention des LDL dans l’espace sous-endothélial puis modifications de ces LDL: Enrichissement des LDL circulantes en hydroperoxydes lipidiques (LOOH) (action des 12/15-LPO cellulaires) Enrichissement en LOOH des LDL retenues dans la matrice extracellulaire Oxydation non enzymatique des AGPI  formation de phospholipides oxydés à activité PAF-like  activation des facteurs de transcription  sécrétion de MCP-1, M-CSF, IL-8, ICAM-1, PDGF…)  MM-LDL

Rétention et modification des LDL dans la paroi artérielle (d’après Van Lenten et al., Trends Cardiovasc. Med. 2001; 11 : 155-161) Monocyte Cellules endothéliales Monocyte LO ERO (O2, OH, ROO, ONOO-, HOCl) LDL oxydées Monocyte LDL LDL-LOOH LDL-MM Récepteur scavenger LO Macrophage protéoglycanes Lamina Cellules musculaires lisses LO: lipoxygénases  Formation des stries lipidiques

Cytokines pro-inflammatoires (TNFa, IL-1) Flux oscillatoire Angiotensine II Hyperglycémie Cytokines pro-inflammatoires (TNFa, IL-1)  production intracellulaire d’O2-  dysfonctionnement endothélial

LDL oxydées  migration et prolifération des cellules musculaires lisses  Formation de la chape fibreuse Cytotoxicité des LDL oxydées  Centre nécrotique, rupture de plaque LDL oxydées   production endothéliale de PAI-1,  thrombomoduline,  production plaquettaire de TXA2  Athérothrombose

En conclusion Stress oxydant impliqué dans l’athérogenèse et dans la progression des lésions d’athérosclérose ERO produites par différents types cellulaires (cellules endothéliales, cellules musculaires lisses, monocytes-macrophages) LDL oxydées : rôle dans la constitution et la progression de la lésion d’athérosclérose Rôle du dysfonctionnement endothélial Déséquilibre redox  modulation des voies de signalisation intracellulaires  libération de facteurs pro-inflammatoires ou de prolifération cellulaire, induction de processus d’apoptose ou de nécrose  évolution de la plaque