Le stress oxydant est impliqué dans les mécanismes de mort cellulaire lors des maladies neurodégénératives. La maladie d’Alzheimer [202], la maladie de Parkinson idiopathique [203] et la sclérose latérale amyotrophique[204][205] sont les plus fréquentes de ces affections. Dans ces trois cas, les marqueurs du stress oxydant sont anormaux. Lors de la maladie d’Alzheimer, le stress oxydant joue un rôle aussi bien dans l’hypothèse étiologique liée à la protéine béta-amyloïde que dans l’hypothèse inflammatoire ou celle des troubles neuronaux du métabolisme calcique et/ou des fonctions mitochondriales. De nombreux composés à effets antioxydants ont des effets favorables. C’est le cas de la vitamine E, de la sélégiline (inhibiteur de la monoamine oxydase B ayant de possibles effets antioxydants), de la vitamine C, de l’extrait de Ginkgo Biloba, des anti-inflammatoires non stéroïdiens, des oestrogènes [206] et d’un chélateur du fer. Lors de la sclérose latérale amyotrophique, les principales hypothèses évoquées sont une atteinte excitotoxique due au glutamate induisant des troubles du métabolisme calcique neuronal, ainsi que l’hypothèse génétique (mutations du gène codant pour la superoxyde dismutase de type 1). Parmi les nombreuses substances antioxydantes qui ont été testées chez l’homme, seule la vitamine E en association avec un antiglutamate, le riluzole, aurait un effet favorable [207]. La pathogénie de la maladie de Parkinson idiopathique implique le stress oxydant dans la mort des neurones dopaminergiques de la substance noire [208].
o Maladie d’Alzheimer
La prévalence de la démence sénile est estimée à environ 1 % en Europe entre 60 et 65 ans, atteignant jusqu’à près de35 % des personnes de plus de 95 ans . Dans plus de 50 % des cas, la démence dégénérative est due à une maladie d’Alzheimer, qui touche 6 à 8 % des personnes de plus de 65 ans, avec une prévalence qui augmente rapidement.
Plusieurs hypothèses physiopathologiques ont été proposées, qui font intervenir les radicaux libres ou certains composés réactifs. Les principaux sont le radical hydroxyle (OH·–), le composé réactif peroxynitrite (ONOO–) [212] ainsi que ses précurseurs le monoxyde d’azote et l’anion superoxyde, et le peroxyde d’hydrogène (H2O2). Le stress oxydant est mis en évidence par une élévation des produits terminaux ou de certains intermédiaires réactifs : l’élévation intracérébrale du malondialdéhyde [213] signe la lipoperoxydation, l’élévation de la 8–OH–2–déoxyguanosine [214] et de l’hème-oxydase signe les lésions oxydatives de l’ADN ; le peroxynitrite et la nitrotyrosine sont également élevés, ainsi que, au niveau des agrégats neurofibrillaires, les protéines carbonylées et certains produits de glycosylation.
Plusieurs mécanismes de lutte contre les radicaux libres sont perturbés : les activités sériques de la Cu, Zn–SOD et de la catalase sont augmentées chez les patients, et des concentrations intracérébrales élevées en glutathion, glucose–6– phosphate déshydrogénase, catalase et SOD sont rapportées, par rapport à des sujets témoins. Ces anomalies sont interprétées comme une exacerbation des
L’une des hypothèses principales met en jeu la protéine amyloïde, que l’on retrouve dans les plaques séniles caractéristiques de la maladie. Elle a un effet toxique direct sur les cultures cellulaires neuronales, mais une altération de la glycolyse neuronale, des troubles du cytosquelette et des facteurs neurotrophiques ont également été notés, avec dans chaque cas intervention du stress oxydant. La toxicité de la protéine amyloïde serait liée à une stimulation de la lipoperoxydation des membranes cellulaires synaptiques, à une atteinte radicalaire des protéines, de l’ADN nucléaire ou de l’ADN mitochondrial, à une stimulation de la production de radicaux libres dans les cellules microgliales , mais aussi à une atteinte de type pro-inflammatoire des cellules endothéliales vasculaires[216] . À l’inverse, d’une part les lignées cellulaires riches en catalase et en glutathion peroxydase, enzymes impliquées dans la lutte contre les radicaux libres, sont protégées contre la protéine amyloïde, d’autre part la vitamine E et d’autres antioxydants ont aussi un effet protecteur. Une altération du complexe IV (cytochrome c oxydase) de la chaîne respiratoire mitochondriale est également décrite lors de la maladie d’Alzheimer, avec une baisse de l’activité de 25 à 30 % au niveau du cortex cérébral, par rapport à des sujets normaux [217][218][219]. Ces troubles pourraient être dus à la toxicité de la protéine amyloïde, et se traduire par une moindre production d’ATP et une
Il existe une liaison entre l’existence de la maladie d’Alzheimer et la présence d’un allèle E2 ou E4 du gène qui contrôle la production de l’apolipoprotéine E[221], situé sur le chromosome 19 : la forme E2 est protectrice contre la maladie, et la forme E4 est associée à un développement plus fréquent de formes sporadiques ou familiales. Bien que le mécanisme exact de la liaison soit encore mal déterminé, on sait que le niveau de peroxydation cérébrale est plus élevé en présence de l’allèle E4 .Les radicaux libres peuvent avoir une action d’agrégation de la protéine amyloïde, ce qui constitue un cercle vicieux[222] .Il existe lors de la maladie des perturbations portant sur des métaux qui interviennent dans la génération des radicaux libres :
• le fer, qui participe à la formation de radicaux OH·– est en quantité élevée au niveau des plaques séniles et des agrégats neurofibrillaires. Des altérations des métabolismes du fer ont été suggérées [223];
• le cuivre, réduit de Cu++ en Cu+ sous l’action du précurseur de la protéine _ amyloïde, catalyse la formation de radicaux libres, en particulier OH·–. De plus, le cuivre est nécessaire au bon fonctionnement de la Cu, Zn– SOD, et de la cytochrome c oxydase. Une baisse de cuivre dans plusieurs régions cérébrales a été rapportée. Plusieurs produits à effet scavengers des radicaux libres ont été testés dans la maladie, avec des effets variables [224].
• la vitamine E et la sélégiline ainsi que l’association des deux traitements ralentissent l’évolution de la maladie, mais n’entraînent pas d’amélioration cognitive [225]. La sélégiline est un inhibiteur de la monoamine oxydase B (MAO–B) et a des propriétés antioxydantes. La vitamine E agirait en bloquant la
un régime riche en vitamine C, dont les effets antioxydants sont bien connus, est associé à un faible risque de développer une maladie d’Alzheimer [227] ;
l’extrait de Ginkgo Biloba réduit la lipoperoxydation cérébrale, et a
un effet favorable proche de celui de la tétrahydroaminacridine, qui est un inhibiteur des cholinestérases utilisé pour ralentir la dégradation cognitive lors de la maladie [228];
les anti-inflammatoires non stéroïdiens ralentissent l’évolution de la
maladie. Ils pourraient agir par l’intermédiaire de leurs actions sur les cyclooxygénases et les prostaglandines, ainsi qu’en réduisantla neurotoxicité du glutamate (acide aminé excitateur impliqué dans les atteintes neuronales par stimulation de l’entrée intracellulaire du calcium) et la production de radicaux libres ;
les œstrogènes auraient un effet favorable grâce à des effets
antioxydants [229] ;
un chélateur du fer, la desferrioxamine, ralentit l’évolution de la
maladie ;
Au total, la physiopathologie de la maladie d’Alzheimer est complexe. L’atteinte inflammatoire, les lésions multiples dues à la protéine amyloïde, les atteintes en liaison avec une susceptibilité de gènes, les perturbations du métabolisme calcique et du fonctionnement mitochondrial coexistent, avec une intervention à de multiples interfaces du stress oxydant. Comme dans plusieurs pathologies neurologiques dégénératives, la question de savoir si le stress oxydant est la cause ou la conséquence de la maladie reste entière [230]. Les thérapeutiques à effets antiradicalaires semblent plus efficaces que dans d’autres affections, comme par exemple la SLA.
o Maladie de Parkinson :
La dégénérescence des cellules de la pars compacta de la substance noire (SN), associée à la présence de corps de Lewy, caractérise l’apparition des troubles moteurs de la maladie de Parkinson idiopathique (MPI). Bien que d’autres groupes cellulaires soient impliqués, le rôle de la SN apparaît primordial [231]. L’hypothèse impliquant potentiellement le stress oxydant dans la mort des neurones dopaminergiques au cours de la MPI repose sur quatre arguments majeurs :
• les neurones dopaminergiques sont exposés à de grandes quantités de radicaux libres oxygénés, dont l’origine peut-être diverse [232]. Une partie de la production de radicaux libres peut provenir du catabolisme de la dopamine. Celui-ci s’effectue selon deux voies principales: une dégradation non enzymatique, dite d’auto oxydation, et une dégradation par oxydation. La
oxydoréductrices propres (transformation de l’oxygène en H2O2) et une activité qui augmente la dismutation de l’anion superoxyde en H2O2 [235]. La dégradation par oxydation utilise la monoamine oxydase et produit également de l’H2O2. Une autre source de radicaux libres est constituée par la chaîne respiratoire mitochondriale des neurones dopaminergiques. Enfin, la SN est une des régions cérébrales les plus riches en fer, qui peut favoriser la formation de radicaux libres à partir du H2O2 par la réaction de Fenton [236]. Il est donc théoriquement possible qu’un dysfonctionnement d’un de ces systèmes producteurs de radicaux libres puisse conduire à un stress oxydant et favorise la destruction des neurones dopaminergiques au cours de la MPI ;
• les neurones de la SN qui sont potentiellement les plus exposés au stress oxydant sont les neurones dopaminergiques. Les lésions dopaminergiques du mésencéphale sont hétérogènes au cours de la MPI. Dans la SN, chez des sujets témoins, la plupart des neurones dopaminergiques contiennent de la neuromélanine témoin d’une auto-oxydation importante de dopamine, et des concentrations élevées de SOD suggérant qu’ils sont exposés à de fortes concentrations de radicaux libres [237] . Ces neurones ont de faibles moyens de défense contre le stress oxydant, car la glutathion peroxydase à activité anti-oxydante est surtout localisée au niveau des astrocytes et l’environnement
situation est intermédiaire en termes d’exposition aux radicaux libres dans les régions où la perte neuronale est modérée. Ainsi, le groupe de neurones dopaminergiques le moins protégé contre le stress oxydant est atteint de façon préférentielle au cours de la MPI, expliquant la distribution des lésions au sein du mésencéphale [240];
• il existe des indices de stress oxydant dans la SN des patients atteints de MPI. Le niveau de peroxydation lipidique est augmenté dans la SN, mis en évidence par une augmentation de la concentration de malondialdéhyde dans le LCR et au niveau de la pars compacta de la SN [241]. La quantité de glutathion réduit, agent de détoxification des radicaux libres est diminuée, ce qui suggère un excès de consommation. Fait important, il existe une corrélation entre le degré de sévérité de la maladie et l’importance de la réduction du contenu en glutathion. Par ailleurs, cette réduction est spécifique de la SN de la MPI car elle n’est pas observée au cours d’autres syndromes parkinsoniens comme la Paralysie Supranucléaire Progressive (PSP) et les atrophies multi systématisées (AMS). Elle n’est donc pas le témoin de la dégénérescence neuronale dopaminergique mais traduit bien un stress oxydant spécifique de la SN. Enfin, un déficit significatif en complexe I de la chaîne respiratoire mitochondriale est observé dans la SN de patients atteints de MPI, par rapport à des sujets témoins appariés. Cette diminution apparaît significative de la SN de la MPI, car elle n’est retrouvée ni au sein d’autres structures cérébrales (noyau caudé, putamen, cervelet et cortex cérébral), ni au sein de la SN de patients atteints d’AMS. En
expliquée par le phénomène de mort neuronale, ni par le traitement par L–Dopa, traitement symptomatique prescrit au cours des syndromes parkinsoniens. Plusieurs équipes ont retrouvé un déficit en complexe I dans d’autres types cellulaires (cellules musculaires et plaquettes)[242][243], mais ces résultats sont controversés. Enfin, il existe une augmentation des quantités de fer dans la SN [244]. La ferritine, principale protéine de stockage du fer, pourrait être diminuée au niveau de la Substance noire[245], entraînant une augmentation locale de fer libre potentiellement toxique pour les neurones dopaminergiques[246], mais les résultats du dosage de ferritine sont discordants. Une autre hypothèse impliquerait les protéines de transport du fer, telles que la lactotransferrine et son récepteur ; le rôle du stress oxydant a été clairement démontré dans les
syndromes parkinsoniens induits par le 1–méthyl–4–phényl–1,2,3,6–
tétrahydropyridine (MPTP). Ce syndrome Parkinsonien, décrit initialement chez
des toxicomanes, est intéressant sur le plan physiopathologique car il est proche de la MPI . Fait convaincant, le MPTP, dont l’oxydation produit un métabolite : le 1–méthyl–4–phénylpyridinium ou MPP+, est toxique pour les neurones dopaminergiques en inhibant le complexe I de la chaîne respiratoire, ce qui confirmerait le rôle de ce complexe au cours de la MPI. L’inhibition ne semble pas liée à une anomalie structurale protéique, ni à une mutation de l’ADN
chronique surajouté. L’implication du stress oxydant au cours de la MPI a conduit à évaluer des traitements antioxydants. Les résultats des premiers essais thérapeutiques ont été décevants. Plusieurs explications ont été avancées : dosage des thérapeutiques testées non adéquat, instauration du traitement trop tardive par rapport à la date théorique de début de l’affection et enfin manque de sensibilité des critères d’efficacité permettant de discriminer entre placebo et traitement antioxydant. Par la suite, l’étude DATATOP a démontré que la sélégiline, à action inhibitrice de la MAO–B retardait l’instauration d’un traitement par L–Dopa, avec cependant peu d’arguments en faveur d’un phénomène neuroprotecteur [248]. Dans la même étude, la vitamine E n’avait en revanche aucun effet [249]. Il a été démontré que certaines molécules de structure similaire à la sélégiline, comme le CGP 3466 ou le TCH 346 ont une efficacité [250]. Ces molécules, bien que dépourvues d’activité anti–MAO, peuvent se lier à une enzyme glycolytique, la glycérol–3–phosphate déshydrogénase, qui, parmi d’autres fonctions, possède un effet anti-apoptotique 100 fois supérieur à la sélégiline. Enfin, la rasagiline est un inhibiteur sélectif irréversible de la MAO–B cinq fois plus puissant que la sélégiline dans la prévention du syndrome parkinsonien induit par le MPTP. D’autres études sont en cours pour confirmer son effet protecteur au cours de la MPI.
Bien que la cause de la dégénérescence des neurones dopaminergiques soit encore inconnue dans la maladie de Parkinson, les mécanismes impliqués commencent à être mieux connus. Le problème majeur reste l'établissement de
chronologie pourrait être la suivante. L'agent étiologique génétique et/ou environnemental pourrait entraîner un dysfonctionnement métabolique responsable d'une production accrue de radicaux libres oxygénés. Les conséquences de l'excès de radicaux libres produits seraient surtout marquées dans la sous-population neuronale la plus vulnérable au stress oxydatif, c'est-à-dire les neurones dopaminergiques de la substance noire. Les perturbations neuronales dues au stress oxydatif déclencheraient alors une activation microgliale, capable de produire des cytokines comme le TNF-alpha, à l'origine de la mise en route du programme d'apoptose.
Malgré toutes ces inconnues, les différentes hypothèses proposées ouvrent des perspectives thérapeutiques. En effet, même si la cause initiale de la maladie reste inconnue, il est envisageable d'agir efficacement à chacun des niveaux de la chaîne d'événements conduisant à la mort neuronale :
- lutte contre les radicaux libres, par des agents anti-oxydants par
exemple ;
- contrôle des phénomènes déclenchant l'apoptose, comme la
libération de cytokines par la microglie ;
Par ailleurs, les mécanismes impliqués dans la mort des neurones dopaminergiques ne sont probablement pas spécifiques de cette seule maladie. Par exemple, certains de ces mécanismes ont été observés dans l'encéphalopathie VIH [251]. Les perspectives thérapeutiques décrites pourraient, si elles démontrent leur efficacité, s'appliquer de façon plus large à d'autres maladies neurodégénératives.
o La sclérose latérale amyotrophique :
La SLA est une maladie neurodégénérative, et c’est aussi la plus fréquente des maladies neuromusculaires. Elle touche environ 5000 à 7000 patients en France. Son évolution est rapidement défavorable, avec une médiane de survie comprise entre 23 et 52 mois. Elle se manifeste en priorité dans la sphère neurologique. Quatre-vingt-dix pour cent des patients ont une forme sporadique de la maladie, les autres une forme familiale. Des altérations des processus de défense contre les radicaux libres par mutations du gène codant pour la Cu, Zn– SOD1 (SOD de type 1), situé sur le chromosome 21, ont été mises en évidence dans 10 à 20 % des formes familiales [252]. Cette découverte est à l’origine de l’une des deux principales hypothèses physiopathologiques de la maladie : l’hypothèse « oxydative »[253]. Compte-tenu de l’identité clinique entre les formes familiales et les formes sporadiques, ainsi que de l’existence de souches de souris mutantes développant des affections neuromusculaires similaires à la SLA, l’étude des mutations de la SOD1 a été largement développée [254]. La seconde hypothèse, ou hypothèse excitotoxique, associe une dysrégulation du
métallo-enzyme cytosolique ubiquitaire qui catalyse la conversion du radical superoxyde en H2O2, qui lui-même peut-être transformé en eau par action de la glutathion peroxydase ou de la catalase. Il y a donc là un effet antiradicalaire [255]. Plus de 60 mutations de la SOD1 ont été décrites lors de la SLA familiale au niveau de diverses lignées cellulaires, qui se traduisent en général par une baisse de 30 à 70% de l’activité SOD1[256]. Par comparaison aux autres types de neurones, les motoneurones humains normaux ont une expression élevée de la SOD1, peut-être en relation avec leur intense activité métabolique et leur grande taille. Ceci explique en partie leur sensibilité à une baisse d’activité de l’enzyme et au stress oxydant. Les autres raisons invoquées sont leur faible contenu en glutathion, à effet antioxydant, la concentration de leurs membranes cellulaires en acides gras polyinsaturés, et enfin les fortes quantités d’oxygène utilisées à l’état normal par le métabolisme neuronal, d’où une forte production de radicaux libres liée au fonctionnement mitochondrial [257].
D’autres mécanismes de toxicité peuvent être présents en cas de baisse d’activité SOD1 : il peut y avoir une activation de la production de radicaux OH·–, toxiques pour la SOD1 elle-même et pour diverses structures cytoplasmiques ; on peut mettre en évidence une augmentation de la formation de ONOO–, qui est un dérivé oxygéné toxique non radicalaire inducteur de la
intracellulaires et modifier la forme des cellules. Cependant, la baisse d’activité SOD1 n’est pas le seul mécanisme en cause, car plusieurs mutations humaines avec baisse d’activité SOD1 n’entraînent pas un développement de la maladie, certaines formes mutées ont une activité SOD normale et, chez la souris transgénique, certaines souches qui hyper expriment la SOD1 développent pourtant la maladie. Les conséquences des perturbations induites par les processus décrits ci-dessus sont mal connues dans le détail [259]. On a mis en évidence dans des lymphocytes de patients atteints de la forme sporadique de la maladie et dans des cultures mutantes pour la SOD1 une augmentation du calcium intra neuronal, qui peut induire une nécrose ou une apoptose cellulaire. Les mitochondries lésées par le stress oxydant peuvent également intervenir dans le déclenchement de l’apoptose par une ouverture du pore de transition mitochondrial et un transfert de calcium vers le cytoplasme. Des anomalies du potentiel de membrane mitochondrial, le plus souvent dans le sens de la baisse, ont été décrites, pouvant induire une réduction de la production d’énergie et/ou favoriser l’apoptose. Lors des formes sporadiques de la maladie, le rôle du stress oxydant est probable. En effet, l’interaction entre les radicaux libres oxygénés ou le ONOO– et les protéines peut former des résidus protéines-carbonyles, qui sont détectés en quantité anormalement élevée dans le cortex moteur et la moelle épinière des patients [260]. Une majoration de l’immunoréactivité à la nitrotyrosine et à la NO–synthase inductible est retrouvée au niveau des motoneurones. Une augmentation de la 8–OH–2–déoxyguanosine, qui marque
épinière .L’activité SOD du LCR est abaissée, et des anomalies des sites de fixation du glutathion au niveau des cornes dorsales et ventrales de la moelle épinière sont décrites. Plusieurs auteurs retrouvent une augmentation dans la moelle épinière des patients d’autres marqueurs indirects du stress oxydant, tels