SÉBASTIEN SAVARD
ÉTUDE DE LA SUREXPRESSION IN VIVO DE LA
MONOXYDE D’AZOTE SYNTHASE
ENDOTHÉLIALE CHEZ LE RAT URÉMIQUE :
EFFETS SUR LA DYSFONCTION ENDOTHÉLIALE
EN INSUFFISANCE RÉNALE
Mémoire présenté
à la Faculté des études supérieures de l’Université Laval dans le cadre du programme de maîtrise en médecine expérimentale
pour l’obtention du grade de maître ès sciences (M.Sc.)
FACULTÉ DE MÉDECINE UNIVERSITÉ LAVAL
QUÉBEC
JUIN 2005
L’hypertension artérielle (HTA) associée à l’insuffisance rénale chronique (IRC) est une cause importante de morbidité-mortalité chez les patients dialysés. La physiopathologie de cette HTA est encore imprécise et implique un ensemble de désordres hémodynamiques incluant une expansion volémique et un changement de l’activité du système nerveux autonome et du système rénine-angiotensine. La dysfonction endothéliale constitue un facteur majeur de maintien et de progression de cette HTA. La diminution de la relâche endothéliale du monoxyde d’azote (NO) apparaît comme l’un des déterminants les plus importants de cette dysfonction endothéliale. En plus d’avoir un puissant effet vasodilatateur, le NO inhibe la production d’endothéline-1 (ET-1), module le taux de filtration glomérulaire (GFR) et est impliqué dans le processus de stress oxydatif. Cette étude vise à déterminer l’effet de la surexpression de l’enzyme NO synthase endothéliale (eNOS) sur la progression de l’HTA et de l’IRC chez le rat urémique.
Un adénovirus codant pour la eNOS est administré par voie intraveineuse à des rats en urémie induite par néphrectomie sub-totale 5/6. Le transfert du gène est observé uniquement dans l’endothélium des vaisseaux. Après quatre semaines de suivi, le traitement avec l’AdeNOS/GFP a freiné l’élévation de la pression artérielle systolique (PAS), préservé la fonction rénale et prévenu l’apparition des dommages tissulaires rénaux. Ces effets protecteurs sont associés à une augmentation de la concentration circulante et urinaire de nitrites et de nitrates (NO2-/NO3-) indiquant une augmentation de la relâche de
NO.
Ainsi, la surexpression de la eNOS entraîne une augmentation de la biodisponibilité du NO et atténue le développement de l’HTA chez le rat urémique en plus de ralentir la progression de l’IRC, probablement en prévenant la dysfonction endothéliale.
D’entrée de jeu, il convient de mentionner que ce travail de maîtrise a été réalisé à l’occasion du programme combiné du Doctorat en médecine et de la Maîtrise en médecine expérimentale. J’ai la conviction que les connaissances ô combien nombreuses acquises au cours de ce projet, qu’elles soient fondamentales, techniques ou appliquées, renforceront ma formation clinique et auront certes une influence sur ma pratique future.
Je garderai un souvenir impérissable de mon passage à l’unité de recherche en néphrologie/hypertension du Centre de recherche de l’Hôtel-Dieu de Québec : une équipe de recherche tout simplement formidable mue par une ardente et inextinguible passion pour la recherche : voilà ce qui restera gravé à jamais dans ma mémoire. Au demeurant, j’aimerais souligner que j’ai eu l’immense privilège de présenter une partie de ce travail à la 14e réunion scientifique annuelle de la European Society of Hypertension tenue à Paris au mois de juin 2004.
Dans le cadre de cette étude, j’ai exécuté l’ensemble du protocole animal comprenant les procédures chirurgicales, l’administration des vecteurs viraux et le suivi des paramètres biologiques de même que les analyses biochimiques subséquentes. La culture virale a été réalisée par Claude Villeneuve. Philippe Lavoie a fourni des résultats complémentaires à l’étude et Danielle Lizotte a procédé au dosage de l’endothéline. Les Docteurs Anne Loranger et Normand Marceau m’ont enseigné les techniques d’immunofluorescence et de microscopie confocale. Le Docteur Mohsen Agharazii a apporté son aide pour relever et analyser l’ensemble des coupes histologiques. Le Docteur Marcel Lebel a quant à lui contribué à l’élaboration du projet alors que le Docteur Richard Larivière a dirigé l’ensemble de l’étude.
Finalement, nous aimerions mentionner que les adénovirus utilisés dans ce protocole nous ont été généreusement offerts par Dr Jean-Philippe Gratton (AdeNOS/GFP) et Dr Bruce C. Trapnell (AdLacZ) à qui nous sommes pleinement reconnaissants.
J’aimerais en tout premier lieu adresser ma plus sincère gratitude à mon directeur de recherche, le professeur Richard Larivière, un homme de science passionné, dévoué et perspicace qui a à cœur la formation et la réussite de ses disciples. Mille mercis pour votre soutien, vos conseils, votre enseignement et votre confiance inébranlable.
Aux membres de l’équipe : Philippe Lavoie, Marie-Ève Rodrigue, Frédérick Therrien, Danielle Lizotte, Claude Villeneuve, Sonia Lacasse et Nadia Chbinou ainsi qu’à nos complices de tous les jours : Geneviève Robitaille, Élisabeth Pagé et Guylaine Soucy, merci pour votre accueil, votre collaboration, votre amitié. Ces dizaines d’anecdotes (souvent hilarantes et rarement dramatiques), ces rires flamboyants, cette complicité édifiante constitueront la commémoration de ces trois années passées en votre compagnie.
Merci au Docteur Marcel Lebel pour ses savants conseils et ses encouragements. Il est pour moi une source d’inspiration pour mon ambitieux projet de carrière, relevant la lourde tâche de clinicien-chercheur avec maestria.
Merci au Docteur Sylvie Marcoux sans qui ce mémoire de maîtrise n’aurait pu voir le jour. Sa confiance, son aide et son soutien ont permis la concrétisation de ce projet.
Merci à tous ceux qui ont cru, croient et croiront toujours en moi : ma mère Louisette Dumas, mon père Jean Savard, mes sœurs Danielle et Sylvie et mon frère Patrice. Leur soutien indéfectible, leur appui à mes projets m’incitent à continuer et à réaliser mes rêves.
Finalement, j’adresse ma plus grande reconnaissance aux Instituts de recherche en santé du Canada, organisme boursier 2001, et au Fonds de la recherche en santé du Québec, organisme boursier 2002-2005, dont l’appui financier m’aura permis de me consacrer pleinement à mes études au programme combiné de M.D.-M.Sc.
en hommage à leur fidèle sollicitude et à notre extraordinaire complicité
C’est dans l’effort que l’on trouve la satisfaction et non dans la réussite. Un plein effort est une pleine victoire.
[Gandhi]
Résumé... ii
Avant-propos ... iii
Remerciements...iv
Table des matières ...vi
Liste des tableaux...ix
Liste des figures ...x
Liste des abréviations...xi
PARTIE 1-INTRODUCTION...13 Chapitre 1- Le rein ...13 1.1.1- Physiologie rénale ...13 1.1.1.1- Fonctions et régulation...13 1.1.1.2- Le glomérule...14 1.1.1.3- L’appareil juxtaglomérulaire ...14 1.1.1.4- L’appareil tubulaire ...15 1.1.2- Insuffisance rénale...15 1.1.2.1- Physiopathologie ...15
1.1.2.2- Fibrose rénale, facteurs de croissances et IRC...16
1.1.2.3- Conséquences de l’IRC...17
1.1.2.4- Causes de l’IRC...18
Chapitre 2- Hypertension artérielle...19
1.2.1- Prévalence et lien avec les MCV...19
1.2.1.1- Maladies cardiovasculaires et insuffisance rénale ...19
1.2.2- Hypertension et insuffisance rénale...21
1.2.2.1- Mécanismes physiopathologiques proposés...21
A- Facteurs neuro-humoraux...22 B- Facteurs métaboliques...23 C- Facteurs vasculaires...24 D- Rétention hydrosodée...24 E- Facteurs exogènes...24 1.2.3- Dysfonction endothéliale...25 1.2.3.1- Généralités ...25 1.2.3.2- Définition...25 1.2.3.3- Eïcosanoïdes...28 1.2.3.4- Monoxyde d’azote...29 A- Généralités...29
B- Biosynthèse et mode d’action du NO...30
C- Mécanismes de régulation...32
D- Rôles physiologiques du monoxyde d’azote...32
E- Implications physiologiques...33
F- Implications physiopathologiques en IR...35
G- Relations entre NO synthase et ROS...36
1.2.3.5- Angiotensine II...38
A- Biosynthèse...38
B- Récepteurs, signalisation et actions...39
C- Implications cardiovasculaires...40
D- Implications rénales...40
1.2.3.6- Espèces réactives de l’oxygène ...42
A- Biosynthèse...42
B- Actions et implications cardiovasculaires...43
C- Interactions entre le NO et les ROS...44
D- Élimination par les superoxyde dismutases...45
1.2.3.7- Endothéline...46
A- Synthèse...46
B- Mécanismes d’action...47
C- Actions et implications cardiovasculaires...47
D- Actions et implications rénales...48
1.2.4- Transfert adénoviral de gènes...49
1.2.4.1- Généralités et fondements ...49
1.2.4.2- Distribution vasculaire in vivo ...50
1.2.4.3- Applications cardiovasculaires ...50
A- Cas particulier de la eNOS...51
1.2.4.4- Avenues thérapeutiques ...52
Chapitre 3- Pertinence et objectifs du projet...53
1.3.1- Hypothèse ...53
1.3.2- Objectif général ...53
1.3.3- Objectifs spécifiques ...54
Chapitre 4- Matériel et méthodes ...55
1.4.1- Localisation et expression protéique ...55
1.4.1.1- Vecteurs adénoviraux ...55
1.4.1.2- Transfert adénoviral in vitro ...55
A- Surexpression dans des cellules endothéliales en culture...55
B- Expression de la eNOS bovine et de GFP...56
1.4.1.3- Transfert adénoviral in vivo ...57
A- Surexpression de eNOS chez le rat...57
B- Immunofluorescence en microscopie confocale...58
1.4.2- Effets de la surexpression du NO chez le rat urémique...60
1.4.2.1- Protocole animal ...60
1.4.2.2- Suivi des paramètres biologiques...61
A- Pression artérielle systolique...61
B- Collectes urinaires...61
C- Prélèvement des tissus...61
1.4.2.3- Analyses biochimiques...62
A- Protéinurie, créatinine sérique et urinaire...62
B- NO2-/NO3- urinaires et sériques...62
C- Endothéline tissulaire et urinaire...63
1.4.2.4- Analyses histopathologiques ...63
PARTIE 2-RÉSULTATS...64
2.1.1- Localisation et expression protéique ...64
2.1.1.1- Transfert adénoviral in vitro ...64
A- Surexpression dans des cellules endothéliales...64
B- Expression de la eNOS bovine et de GFP...65
2.1.1.2- Transfert adénoviral in vivo chez l’animal ...66
A- Immunofluorescence en microscopie confocale...66
2.1.2- Effets de la surexpression du NO chez le rat urémique...69
2.1.2.1- Suivi des paramètres biologiques...69
A- Pression artérielle systolique...69
B- Paramètres urinaires...70
2.1.2.2- Paramètres mesurés à la fin de l’étude ...72
A- Paramètres sériques...72
B- NO2-/NO3- urinaires et sériques...73
C- Ratio poids organe / poids total...74
D- Concentration tissulaire et urinaire d’ET-1...75
2.1.2.3- Corrélations par régression linéaire...76
2.1.2.4- Analyses histopathologiques ...77
PARTIE 3-DISCUSSION...80
Conclusion ...86
Bibliographie ...87
Appendices...96
Appendice A : Anatomie du rein...97
Appendice B : Portrait canadien de l’hypertension artérielle...98
Appendice C : Protocole - extraction ARNtotal de cellules...99
Appendice D : Protocole - immunofluorescence avec GFP...100
LISTE DES TABLEAUX
Tableau 1 : Facteurs de risque des maladies cardiovasculaires en IRC...20
Tableau 2 : Séquence des oligonucléotides pour PCR ...56
Tableau 3 : Évolution des paramètres urinaires en cours d’étude ...71
Tableau 4 : Ratio poids organe / poids corporel ...74
Tableau 5 : Concentration tissulaire et urinaire de l'endothéline-1 ...75
Tableau 6 : Analyse semi-quantitative des lésions histopathologiques...77
LISTE DES FIGURES
Figure 1 : Lien entre facteurs de croissance et IR...17
Figure 2 : Causes les plus fréquentes d'IRC ...18
Figure 3 : Comparaison de la mortalité cardiovasculaire aux USA ...19
Figure 4 : Hypertension et maladie rénale ...22
Figure 5 : Facteurs vasoactifs de l'endothélium : un équilibre ...26
Figure 6 : Biosynthèse des eïcosanoïdes...28
Figure 7 : Métabolisme du monoxyde d'azote ...29
Figure 8 : Relation SRAA et bradykinine...38
Figure 9 : Réduction de l’O2 en H2O ...42
Figure 10 : Interactions ROS-NO et oxydation ...44
Figure 11 : Représentation schématique des constructions virales utilisées ...55
Figure 12 : Procédure chirurgicale de la néphrectomie subtotale 5/6...60
Figure 13 : Chronologie des manipulations...61
Figure 14 : Fluorescence cellulaire de GFP...64
Figure 15 : Révélation de la β-galactosidase par coloration X-gal...64
Figure 16 : Expression de GFP et eNOS bovine dans des cellules CPAE. ...65
Figure 17 : Révélation de GFP en microscopie confocale...67
Figure 18 : Révélation de eNOS en microscopie confocale ...68
Figure 19 : Évolution de la PAS moyenne chez les différents groupes d'animaux ...69
Figure 20 : Profil d'évolution de la protéinurie...70
Figure 21 : Créatinine sérique et clairance de la créatinine...72
Figure 22 : Nitrites urinaires et plasmatiques ...73
Figure 23 : Corrélations par régression linéaire...76
Figure 24 : Photographies histopathologiques de cortex rénal ...78
Figure 25 : Néphrons superficiel et juxta-médullaire ...97
LISTE DES ABRÉVIATIONS
1,25 OH-D3 1,25-dihydroxycholécalciferolADNc Acide désoxyribonucléique complémentaire Ad Adénovirus
ADH Hormone anti-diurétique AGT Angiotensinogène
AINS Anti-inflammatoires non-stéroïdiens AngII Angiotensine II
ARA Antagoniste du récepteur AT1 de l’angiotensine
ARN Acide ribonucléique
AVC Accidents vasculaires cérébraux
BH4 Tétrahydrobioptérine
CMV Cytomégalovirus
CPAE Cow pulmonary artery endothelial cells
C-U Collecte urinaire
DOCA Deoxycorticosterone acetate-salt hypertensive rats ECA Enzyme de conversion de l’angiotensine
EDHF Endothelial derived hyperpolarizing factor EDRF Endothelial derived relaxing factor
EGF Epidermal growth factor
eNOS Endothelial nitric oxide synthase EPO Érythropoïétine
ET-1 Endothéline-1
FAD Flavine-adénine dinucléotide FGF Fibroblast growth factor
FMN Flavine mononucléotide
GCs Guanylate cyclase soluble GFP Green fluorescent protein GFR Glomerular filtration rate HBSS Hank’s balanced salt solution HEK Human embryo kidney cells HTA Hypertension artérielle
IECA Inhibiteur de l’enzyme de conversion de l’angiotensine IGF Insulin-like growth factor
IL-1 Interleukine-1 iNOS Inducible nitric oxide synthase i.p. intra-péritonéal IRC Insuffisance rénale chronique kDa kilodalton
LDL Low density lipoprotein LMMA NG-monométhyl-L-arginine L-NAME NG-nitro-L-arginine méthyl ester LT Leucotriènes
MCV Maladies cardiovasculaires mEq Milliéquivalents
MMP Métalloprotéinase
NADPH Nicotinamide adénine dinucléotide phosphate nNOS Neuronal nitric oxide synthase
NO Nitric oxide
NO2- Nitrites
NO3- Nitrates
NOS Nitric oxide synthase
Nx Néphrectomie subtotale 5/6
O2- Ion superoxyde
ONOO- Peroxynitrite
O.C.T. Optimum cutting temperature PAI-1 Plasminogen activator inhibitor-1 PAS Pression artérielle systolique
PBS Phosphate buffered saline PDGF Platelet-derived growth factor pfu Plaque forming unit
PG Prostaglandines PGI2 Prostacycline
PKC Protéine kinase C
PVDF Polyvinyl difluoride membrane
rh-EPO Érythropoïétine recombinante humaine ROS Reactive oxygen species
RSV Rous sarcoma virus
RT-PCR Reverse transcription polymerase chain reaction RVL Noyau rostral ventro-latéral
SHR Spontaneously hypertensive rats SOD Superoxyde dismutase
SNC Système nerveux central
SRAA Système rénine angiotensine aldostérone TGF Transforming growth factor
TNF Tumor necrosis factor TXA2 Thromboxane A2
PARTIE 1- INTRODUCTION
Chapitre 1- Le rein
1.1.1- Physiologie rénale
1.1.1.1- Fonctions et régulation
Le rein, organe noble s’il en est un, est responsable de multiples fonctions de régulation, d’élimination et de synthèse endogène. Nonobstant les variations imposées à chaque instant, cet organe doit maintenir le volume et la composition électrolytique du plasma et des autres fluides corporels à des valeurs physiologiques en plus de devoir éliminer les déchets métaboliques endogènes et les toxines exogènes. Considérant son rôle majeur dans l’homéostasie hydrosodée et sa production de facteurs vasoactifs comme la rénine, les kinines et les prostaglandines, le rein joue un rôle majeur dans la régulation de la pression artérielle systémique. Par ailleurs, le rein est aussi impliqué dans l’érythropoïèse via la production d’érythropoïétine (EPO), dans l’équilibre acido-basique grâce au métabolisme des bicarbonates, de même que dans le métabolisme phosphocalcique par la synthèse de 1,25 OH-D3, la vitamine D active.
D’un point de vue hémodynamique, 20% du débit cardiaque perfuse les reins. Ceci représente un immense débit sanguin d’environ 1000 ml/min à partir duquel sera produit à peu près 1 ml/min d’urine.11 En conditions physiologiques, compte tenu des variations de la pression artérielle systémique, le rein possède de nombreux mécanismes de régulation de la circulation dans le but de maintenir un débit sanguin et un taux de filtration glomérulaire adéquats. L’autorégulation intrinsèque, générée par la contraction ou la relaxation des fibres musculaires lisses des artérioles afférentes et efférentes en réponse à leur distension, permet cet ajustement pour des pressions artérielles variant entre 80 et 180 mmHg.19
Par ailleurs, plusieurs facteurs neuro-humoraux résumés par Cecil et Goldman19 ont le potentiel d’altérer le débit sanguin rénal. Ce dernier est réduit par les vasoconstricteurs rénaux tels que l’angiotensine II (AngII), l’endothéline-1 (ET-1), la thromboxane A2
(TXA2), la vasopressine, les catécholamines ou encore par la stimulation α-adrénergique.
À l’inverse, les bradykinines, les prostaglandines I2 (PGI2) et E2 (PGE2) de même que le
L’unité fonctionnelle du rein est le néphron, lui-même constitué des appareils glomérulaire et tubulaire. On estime qu’un rein normal en compte entre 0,8 et 1,2 million.11 L’anatomie structurale ne sera pas détaillée davantage dans cette partie. Un schéma récapitulatif est proposé à l’Appendice A.
1.1.1.2- Le glomérule
Physiologiquement, le débit de filtration glomérulaire est de l’ordre de 120 ml/min ; le glomérule filtre le plasma et produit donc quotidiennement quelque 180 litres d’ultrafiltrat.19 Il importe de savoir que son taux de filtration est proportionnel à la pression nette d’ultrafiltration présente à travers le capillaire glomérulaire. Cette dernière est fonction de la perméabilité intrinsèque de la membrane capillaire et dépend des pressions hydrostatiques et oncotiques (forces de Starling) entre la lumière capillaire et la capsule de Bowman. En conditions normales, on ne retrouve pas de protéines dans l’ultrafiltrat ; la pression oncotique dans la capsule de Bowman tend vers 0 et n’influence donc pas le processus. Au niveau d’un néphron, on comprend alors qu’une augmentation de la pression oncotique dans le capillaire glomérulaire (par exemple dans le myélome multiple qui implique une hyper-protéinémie), une augmentation de la pression hydrostatique au sein de la capsule de Bowman (dans toute obstruction du tractus urinaire) ou encore une diminution de la pression hydrostatique dans le capillaire glomérulaire (état d’hypotension) conduisent toutes à une diminution de son taux de filtration.
La membrane basale du capillaire glomérulaire, formée de podocytes, constitue une barrière taille et charge-dépendante au passage des macromolécules ; elle représente, avec l’endothélium, le principal obstacle à la filtration des composés plasmatiques. Un schéma montrant l’anatomie du glomérule est présenté à l’Appendice A.
1.1.1.3- L’appareil juxtaglomérulaire
Formé de la macula densa, de l’artériole afférente – qui contient à ce niveau des cellules musculaires modifiées appelées cellules granulaires – de l’artériole efférente et du mésangium, l’appareil juxtaglomérulaire est responsable de la rétroaction tubulo-glomérulaire. Cette dernière permet une modification de la filtration glomérulaire en réponse à une modification de la composition du liquide tubulaire arrivant à la macula
densa. Ce mécanisme implique la sécrétion de rénine par les cellules granulaires. Ainsi,
une élévation de la charge en sodium provoquera une inhibition de la sécrétion de rénine.
1.1.1.4- L’appareil tubulaire
L’appareil tubulaire est formé du tubule proximal, de l’anse de Henle (descendante et ascendante), du tubule distal et du tubule collecteur. La composition cellulaire et la fonction de chacune de ces parties ne seront pas discutées ici. De manière fort réductrice, disons que sa fonction est de modifier la quantité et le contenu de l’ultrafiltrat glomérulaire, pour conduire à la formation de l’urine. Ainsi, l’eau sera réabsorbée avec les électrolytes alors que les déchets endogènes et exogènes, qui n’ont pas été filtrés par le glomérule, seront sécrétés à ce niveau. Ces actions confèrent donc à l’appareil tubulaire un rôle crucial dans le maintien de l’homéostasie hydro-électrolytique et l’élimination des déchets métaboliques. En ce sens, bien que près de 25 000 mEq de sodium (140 mEq/L × 180 L) soient filtrés quotidiennement, moins de 1% sera finalement excrété.19
1.1.2- Insuffisance rénale
D’abord connue sous le nom de «Mal de Bright» au début du 19e siècle puis dénommée
urémie au début du siècle dernier, l’insuffisance rénale correspond à un syndrome résultant
de la perte en partie ou en totalité du fonctionnement rénal. Une agression brutale survenant en quelques heures conduit à une insuffisance rénale aiguë qui peut être réversible, ce qui n’est pas le cas d’une atteinte progressive menant à l’insuffisance rénale chronique (IRC). On estime que 20 millions d’américains souffrent d’IRC.11
1.1.2.1- Physiopathologie
L’IRC est le résultat de la destruction progressive et irréversible des néphrons associée à une hyperfiltration et une hypertension glomérulaire de même qu’à un hypermétabolisme tubulaire et une hypertrophie du néphron.112 Elle a souvent un début insidieux et reste longtemps asymptomatique : les anomalies du milieu intérieur sont détectées par les méthodes diagnostiques actuelles lorsque 50% des néphrons sont détruits90 alors que les manifestations cliniques du syndrome urémique ne surviennent qu’à des taux de filtration glomérulaire (GFR) réduits de 80-85%.72 Initialement, la perte de néphrons est compensée par ceux demeurant intacts qui s’hypertrophient, augmentent leur filtration glomérulaire et
ajustent leurs fonctions tubulaires. Néanmoins à la longue, la surcharge de travail s’avère délétère et un cercle vicieux d’auto-aggravation se met en place où l’hypertension artérielle (HTA) et la protéinurie sont des facteurs majeurs de progression. En ce sens, l’augmentation de la pression de filtration cause des lésions au filtre glomérulaire. Elle augmente également la quantité de protéines filtrées qui se déposent dans le mésangium : d’où le développement d’une hyalinose glomérulaire qui entraîne la perte du glomérule.90 Parallèlement au déclin de la fonction glomérulaire, la réabsorption et l’excrétion tubulaires sont aussi compromises. Les fonctions émonctoires du rein étant perturbées, il y a accumulation de déchets métaboliques dans l’organisme.
1.1.2.2- Fibrose rénale, facteurs de croissances et IRC
Comme le rapporte Eddy dans une excellente revue de littérature sur les fondements moléculaires de la fibrose rénale, toutes les maladies progressives du rein résultent de la progression de cette fibrose destructrice.29 De façon intéressante, l’auteure divise le processus de fibrose interstitielle en 4 phases : (1) phase du dommage et de l’activation cellulaire impliquant les macrophages et les fibroblastes ; (2) phase de signalisation caractérisée par la sécrétion de facteurs de croissance et de cytokines dont l’AngII, l’ET-1, le transforming growth factor β (TGF-β), le platelet-derived growth factor (PDGF), le
tumor necrosis factor α (TNF-α) et l’interleukine-1 (IL-1) ; (3) phase fibrosante où il y a
accumulation de matrice extracellulaire par le biais d’inhibiteurs de protéase comme les métalloprotéinases (MMPs) et le plasminogen activator inhibitor-1 (PAI-1), (4) phase de destruction rénale avec oblitération tubulaire et capillaire.29
Une surexpression de facteurs de croissance a été rapportée dans de nombreux modèles d’insuffisance rénale. Il a été démontré qu’une kyrielle de ces facteurs de croissance sont synthétisés par le rein et agissent de façon autocrine et paracrine. Ils stimulent soit l’hyperplasie (ET-1, PDGF, TGF-α, epidermal growth factor –EGF– ), soit l’hypertrophie cellulaire (AngII, TGF-β, fibroblast growth factor –FGF–, insuline-like growth factor – IGF–) ou encore la synthèse de la matrice extracellulaire (AngII, FGF, PDGF, TGF-β) et sont par conséquent impliqués dans la progression de l’IRC.112 Le schéma ci-après présente une cascade hypothétique liant la perte de néphrons au développement de lésions rénales via la surexpression de facteurs de croissance.
Figure 1 : Lien entre facteurs de croissance et IR
Schéma démontrant le lien théorique pouvant exister entre la surproduction des facteurs de croissance et les processus impliqués dans la pathogenèse de l’insuffisance rénale chronique. Traduit de Terzi et al112
1.1.2.3- Conséquences de l’IRC
Les conséquences cliniques de l’IRC sont multi-systémiques et Marx en propose un excellent résumé.72 Au niveau cardiovasculaire, apparaissent entre autres une hypertrophie ventriculaire gauche, une athérosclérose de même qu’une surcharge volumique et une anémie responsables en partie de l’HTA associée à l’IRC ; la péricardite est pour sa part tardive. Sur le plan pulmonaire, on peut retrouver des épanchements pleuraux ou un œdème pulmonaire. Les manifestations neurologiques sont de tout ordre : léthargie, somnolence, altération mentale, astérixis, myoclonies ou encore encéphalopathie urémique. De surcroît, il est possible de voir des atteintes gastro-intestinales (anorexie, vomissement, nausée), dermatologiques (prurit probablement secondaire au dépôt sous-cutané de
Dilatation tubulaire
Lésion rénale
Destruction du néphron
↑ pression / flot
glomérulaire et tubulaire ↑ perméabilité glomérule aux macromolécules
Hypoxie rénale ↑ cisaillement et
étirement Surcharge protéique du tubule
Surproduction facteurs de croissance
Expansion matrice extracellulaire Infiltration cellules inflammatoires
Sclérose glomérulaire Hyperplasie Hypertrophie Prolifération de fibroblastes ↓ apport O2 ↑ consommation O2 Vasoconstriction Fibrose interstitielle Atrophie tubulaire Oblitération vasculaire
calcium), ostéo-articulaires (perturbation phosphocalcique, pseudo-goutte), hématologiques (anémie par carence en EPO) et finalement immunologiques.
1.1.2.4- Causes de l’IRC
Qu’elle soit aiguë ou chronique, les causes de l’insuffisance rénale peuvent être classées en pré-rénales, rénales (parenchymateuses) et post-rénales. Le diagnostic de la maladie sous-jacente importe puisque certaines étiologies sont réversibles. Le tableau ci-dessous présente les causes d’IRC les plus fréquentes72,90 ; le diabète, l’HTA, les glomérulo-néphrites et la maladie rénale polykystique expliqueraient ensemble près de 90% des nouveaux cas.11
Figure 2 : Causes les plus fréquentes d'IRC
Résumé des principales causes d’insuffisance rénale chronique selon qu’elles soient pré-rénales, rénales ou post-rénales. Adapté à partir de Marx72 et de Quérin90
Maladies vasculaires rénales
Néphropathie ischémique (sténose bilatérale des artères rénales)
Néphro-angiosclérose hypertensive Maladie rénale athéro-embolique
Causes rénales ou parenchymateuses
Glomérulopathies Primaires membraneuse membrano-proliférative néphropathie à IgA
hyalinose segmentaire et focale autres Secondaires diabétique auto-immune post-infectieuse amyloïdose Néphropathies tubulo-interstitielles néphrotoxique rein myélomateux
secondaire aux analgésiques de reflux (pyélonéphrite chronique) hypercalcémique (myélome multiple)
Causes post-rénales
Néphrolithiase Congénitale
Cancer, hypertrophie de la prostate Fibrose, tumeur rétro-péritonéale
Causes héréditaires
Polykystose rénale autosomique dominante Syndrome d’Alport
Chapitre 2- Hypertension artérielle
1.2.1- Prévalence et lien avec les MCV
Les maladies cardiovasculaires (MCV) représentent la première cause de décès au Canada expliquant près de 38% de ceux-ci.50 Pour sa part, l’HTA constitue un facteur de risque majeur pour de nombreuses pathologies dont la maladie coronarienne, les accidents vasculaires cérébraux (AVC), les arythmies, l’insuffisance cardiaque, les cardiomyopathies, les maladies valvulaires, la maladie rénale avec ultimement l’IRC.85 Une étude pancanadienne50 réalisée entre 1986 et 1992 chez des individus de 18-74 ans révélait que 22% des sujets (26% des hommes et 18% des femmes) étaient hypertendus. L’Appendice B présente ces résultats en fonction de l’âge et du sexe des individus. On remarque que 57% de la population de 65-74 ans a des valeurs de pressions élevées. Aux USA, l’HTA affecte près de 50 millions de personnes.
1.2.1.1- Maladies cardiovasculaires et insuffisance rénale
Les complications cardiovasculaires sont la première cause de morbidité et de mortalité chez les patients dialysés.71 La prévalence des MCV serait 10 à 30 fois plus élevée dans cette population71 et provoquerait près de 50% des décès.35 Une étude canadienne multicentre7 réalisée en 1993 chez 822 patients débutant une dialyse rapporte les prévalences suivantes : angine 21%, infarctus du myocarde 18%, insuffisance cardiaque 35% et maladie vasculaire périphérique 16%.35 La National Kidney Foundation conclut en 1998 que les patients avec IRC sont à très haut risque de MCV.116 La figure 3, tirée de l’étude de Foley et Parfrey35 sur l’épidémiologie clinique des MCV en IRC, montre une augmentation significative de la mortalité cardiovasculaire chez les patients dialysés.
Figure 3 : Comparaison de la mortalité cardiovasculaire aux USA
Mortalité cardiovasculaire annuelle selon l’âge, le sexe, la race et le genre dans la population générale (GP) et chez des patients dialysés. La mortalité est définie comme un décès attribuable à une arythmie, une cardiomyopathie, un arrêt cardiaque, un infarctus du myocarde, une maladie cardiaque athérosclérotique ou un œdème pulmonaire.
De plus, dans cette même étude on apprend que 27% des symptômes ischémiques surviennent en l’absence d’une maladie athérosclérotique et ont été associés à une cardiomyopathie sous-jacente, au remodelage des petits vaisseaux – secondaire à l’HTA, au diabète et à la déposition de phosphate de calcium – à une densité capillaire réduite de même qu’à des anomalies bioénergétiques des myocytes.35 Le tableau 1 résume les facteurs de risque traditionnels – issus entre autres de la cohorte de Framingham – et non-traditionnels des MCV actuellement proposés.
Tableau 1 : Facteurs de risque des maladies cardiovasculaires en IRC
Facteurs de risque Facteurs de risque Facteurs de risque traditionnels modifiés par l’IRC liés à l’IRC
âge avancé dyslipidémie anémie
sexe masculin ↑ lipoprotéine (a) surcharge volumique hypertension facteurs thrombogènes ↑ stress oxydatif
hyperlipidémie hyperhomocystéinémie hypoalbuminémie
diabète sucré hypo/hyperkaliémie
tabagisme acidose métabolique
sédentarité anomalie ions divalents
histoire familiale hyperparathyroïdie
ménopause anomalies phosphocalciques
déséquilibre NO/ET-1
dialyse inadéquate
Tableau synthèse présentant les facteurs de risque des maladies cardiovasculaires traditionnels et non-traditionnels liés à l’insuffisance rénale chronique. (NO) monoxyde d’azote ; (ET-1) endothéline-1.
1.2.2- Hypertension et insuffisance rénale
La prévalence de l’HTA rapportée chez les patients en IRC est de 70 à 80%11,116 ; elle
augmente au fur et à mesure que la GFR chute. C’est ainsi qu’il existe une corrélation directe entre la pression artérielle systolique, le niveau de GFR et la protéinurie.116 En outre, dans la maladie rénale, l’HTA est davantage associée aux atteintes glomérulaires que tubulo-interstitielles.11,116
Des données américaines de l’an 2000 rapportent que l’HTA est la 2e cause d’IRC terminale, étant responsable de 28% des nouveaux cas de dialyse.11 Néanmoins, comme le mentionne Brenner, cette association est probablement erronée parce que la cause exacte de l’IRC est fréquemment inconnue. Dans plusieurs cas, elle sera imputée par défaut à l’hypertension, si prévalente chez les patients admis en dialyse. Inversement, il est décrit que l’IRC est la première cause d’HTA secondaire.11,116 Quoi qu’il en soit, une hypertension incontrôlée constitue un facteur majeur de progression de la maladie rénale.
1.2.2.1- Mécanismes physiopathologiques proposés
Comme le rapporte Brenner, un modèle linéaire ne saurait expliquer la pathogenèse de l’HTA associée à la maladie rénale. On assiste plutôt à un ensemble de désordres hémodynamiques qui interagissent entre eux et conduisent à un cercle vicieux dans lequel l’hypertension et la perte de néphrons s’aggravent mutuellement et deviennent inséparables. Tel que schématisé à la figure 4, les interactions entre les facteurs physiopathologiques sont responsables de l’initiation et de l’entretien d’une série d’anomalies hémodynamiques qui à leur tour accélèrent la progression des maladies cardiovasculaires et rénales.11
L’HTA en IRC n’est donc pas uniquement due à l’élévation des résistances périphériques ; elle est associée à l’augmentation du débit cardiaque – secondaire à l’anémie et à l’expansion du volume extracellulaire avec rétention hydrosodée – et pourrait également refléter le processus d’artériosclérose.35 D’autres mécanismes comme l’activation du système rénine-angiotensine-aldostérone (SRAA), l’augmentation de l’activité nerveuse sympathique, l’élévation du calcium intracellulaire liée à l’hyperparathyroïdie secondaire ou encore l’emploi d’érythropoïétine recombinante-humaine (rh-EPO) sont impliqués.
Nous dirons quelques mots sur chacun d’eux dans les lignes suivantes en nous rapportant essentiellement au chapitre 47 du volume The Kidney.11
Figure 4 : Hypertension et maladie rénale
Relations entre les divers facteurs physiopathologiques de l’HTA en IRC. (PAS) pression artérielle systolique. Traduit de Brenner11.
A- Facteurs neuro-humoraux
Le système nerveux central (SNC) est impliqué dans la régulation de la pression artérielle. Le centre réflexe de son contrôle serait situé dans le noyau réticulaire rostral ventro-latéral (RVL) de la medulla oblongata, parfois appelé centre de contrôle vasomoteur. Les fibres afférentes proviennent des barorécepteurs aortiques et carotidiens sensibles à la pression de même que des récepteurs cardio-pulmonaires réagissant à la variation du volume circulant. Leur stimulation inhibe la décharge sympathique du RVL pour contrer les hausses aiguës de la pression. L’activation inappropriée du SNC serait responsable en partie du maintien et de la progression de l’HTA chronique, comme le démontre l’élévation de la noradrénaline sanguine chez des patients avec cette condition.
L’augmentation de l’activité nerveuse sympathique représenterait une explication majeure de l’HTA en urémie. Il a été démontré que chez les rats urémiques avec néphrectomie 5/6, le métabolisme et la sécrétion hypothalamique de la noradrénaline étaient grandement augmentés. Chez ces animaux, l’utilisation de clonidine, un sympatholytique central, s’est avérée très efficace. En outre, une perturbation de la sensibilité des barorécepteurs a été
hyperactivation neurohumorale anomalies métaboliques anomalies vasculaires rétention hydrosodée facteurs exogènes ↑ inappropriée du débit cardiaque ↑ résistance vascu-laire périphérique rigidité artérielle insuffisance rénale terminale maladies cardiovasculaires vieillissement perte de néphrons ↑ PAS Facteurs
décrite en IRC. Il a été avancé que cette sensibilité était diminuée par l’AngII et par l’excès d’espèces réactives de l’oxygène (ROS) alors qu’elle pourrait être améliorée par une augmentation du NO.
Au niveau rénal, les fibres efférentes sont très importantes pour contrôler l’hémodynamie régionale. La stimulation nerveuse provoque une vasoconstriction rénale et régule la relâche de rénine. Les cellules juxtaglomérulaires sécrètent la rénine via l’activation des récepteurs β1-adrénergiques membranaires. La stimulation α1-adrénergique pourrait
également influer le métabolisme de la rénine probablement en modifiant le contenu tubulaire en sodium ou directement la fonction de la macula densa.
Parmi les substances circulantes qui modifient la fonction vasculaire en IRC, Brenner rapporte l’AngII, l’adrénomédulline et la calcitonine. L’implication du SRAA dans la pathogenèse de l’HTA en IRC sera décrite dans une partie subséquente (1.2.3.5-
Angiotensine II). En ce qui concerne l’adrénomédulline, son administration chez des sujets
sains diminuerait la pression. Le même effet, en plus d’une augmentation de la GFR, a été observé après l’administration du calcitonin gene-related peptide chez des patients avec insuffisance rénale modérée.
B- Facteurs métaboliques
Brenner propose une revue complète de la relation existant entre l’HTA en IRC et le syndrome métabolique. L’augmentation de l’activité nerveuse centrale de même que du SRAA jouerait un rôle important dans l’apparition d’une résistance à l’insuline contribuant à la pathogenèse de l’HTA.
Les autres facteurs métaboliques résumés par Brenner comprennent entre autres les ROS – qui favorisent l’hypertrophie, la prolifération et le remodelage – et le NO. Ils font l’objet de sections différentes (1.2.3.4- Monoxyde d’azote et 1.2.3.6- Espèces réactives de
l’oxygène). L’hormone parathyroïdienne et la vitamine D seraient également impliquées
via un mécanisme de vasoconstriction induit par le calcium. En effet, la concentration de calcium cytoplasmique est la voie commune pour la vasoconstriction, la contraction cardiaque et l’activité neuronale sympathique. Ainsi, une augmentation du calcium
intracelluaire provoque une série de phosphorylations qui conduisent à la contraction des fibres d’actine et de myosine.
C- Facteurs vasculaires
La dysfonction endothéliale, sur laquelle nous porterons notre attention dans la prochaine section (1.2.3- Dysfonction endothéliale), constitue un facteur majeur dans la progression de l’HTA en IRC. Elle implique un déséquilibre entre les facteurs vasoconstricteurs (AngII, ET-1, ROS) et vasodilatateurs (NO, PGI2).
D- Rétention hydrosodée
Au fur et à mesure que la maladie rénale progresse, le rein perd sa capacité d’excréter l’eau et le sel malgré l’augmentation progressive de la pression de perfusion ; un phénomène associé au déclin de la natriurèse de pression. Par ailleurs, l’activation du SNC et des efférences rénales sont de première importance pour réguler l’excrétion d’eau et de sel dans l’homéostasie hydrique. Au surcroît, l’activation du SRAA en IRC induit une réabsorption hydrosodée supplémentaire.
E- Facteurs exogènes
Ces facteurs comprennent l’utilisation de médicaments anti-inflammatoires (AINS) – qui inhibent la synthèse des prostaglandines agissant au niveau rénal – ou encore de rh-EPO ayant tous deux pour effet d’augmenter la pression artérielle.
Finalement, deux autres éléments d’importance pourraient expliquer en partie les complications cardiovasculaires observées en IRC, soit d’une part l’élévation de la pression pulsée et l’hypertension systolique isolée associée à une rigidité artérielle accrue et d’autre part, la perte de la variation circadienne de la pression artérielle (nondippers).
1.2.3- Dysfonction endothéliale
1.2.3.1- Généralités
L’endothélium vasculaire est la couche la plus interne des vaisseaux sanguins en contact avec le sang et il forme avec la membrane basale l’intima. En conditions normales, l’endothélium possède de nombreuses fonctions : activités sécrétoires, échanges liquidiens, filtre moléculaire, régulation locale de la vasomotricité, mitogenèse et angiogenèse. Il constitue une barrière aux antigènes et participe à la réaction immunitaire ; il contrôle la coagulation sanguine en participant à la fois à l’hémostase et à la fibrinolyse ; il exerce également un rôle prépondérant dans le contrôle du tonus vasculaire, de l’inflammation et du stress oxydatif en plus de moduler la migration et la prolifération cellulaire conduisant au processus d’athérosclérose. Au demeurant, l’endothélium vasculaire peut être considéré comme le plus important organe endocrine du corps humain45 sécrétant des agents vasoactifs impliqués dans le mécanisme d’autorégulation de la pression artérielle.
1.2.3.2- Définition
L’hypertension essentielle et de nombreux modèles animaux d’HTA sont associés à une élévation des résistances périphériques. L’une des hypothèses retenues pour expliquer cet élément est qu’en conditions physiologiques normales, il existe un équilibre entre la production des facteurs vasoconstricteurs et vasorelaxants locaux (figure 5) ; la résultante détermine alors le tonus vasculaire. Le concept de dysfonction endothéliale réfère à un état où il existe un excès de vasoconstricteurs ou encore une sous-production de vasorelaxants endogènes11 associé à un état pro-inflammatoire et pro-thrombotique.30
La dysfonction endothéliale est reliée aux maladies cardiovasculaires telles que l’HTA, l’insuffisance cardiaque, la maladie coronarienne, les maladies vasculaires périphériques, le diabète et l’IRC. Dans ce dernier cas, Morris a clairement démontré une diminution de la relaxation endothélium-dépendante avec production diminuée de NO dans des artères d’humains avec insuffisance rénale.77 En synthèse, toute atteinte diminuant le pouvoir relaxant des vaisseaux ou augmentant le stress oxydatif contribue à ce phénomène : réduction de la biodisponibilité du NO, production d’inhibiteurs endogènes des NOS ;
augmentation du stress oxydatif par la synthèse de cytokines, de molécules d’adhésion, de PAI-1 ; production de substances vasoactives telles que l’AngII ou l’ET-1.30
En somme, l’altération de la fonction endothéliale résulte d’une apparente diminution de la relaxation dépendante de l’endothélium8 et est en partie responsable de l’augmentation de la résistance vasculaire périphérique, du remodelage de la paroi des vaisseaux et du processus d’athérosclérose associés au développement précoce et à la progression de l’HTA.8 Le remodelage structurel et fonctionnel des vaisseaux est présent dans nombre de modèles d’hypertension et il contribue au développement et aux complications de cette dernière.98 Le remodelage des petits vaisseaux de résistance est particulièrement d’intérêt puisqu’il joue un rôle majeur dans l’apparition d’infarctus du myocarde, d’AVC et d’insuffisance rénale. Ce remodelage est corrigé par le blocage du SRAA et non par l’utilisation de β-bloquants.98
Parmi les agents vasoconstricteurs, on identifie l’ET-1, le TXA2, la PGF2 et l’AngII. En
contrepartie, les vasodilatateurs d’origine endothéliale comprennent entre autres le NO, la PGI2 et le facteur hyperpolarisant dérivé de l’endothélium (EDHF).8,11
Figure 5 : Facteurs vasoactifs de l'endothélium : un équilibre
Schéma représentant l’équilibre des facteurs vasoactifs endothéliaux observé en condition normale. (Ang II) angiotensine II, (ET-1) endothéline-1, (TXA2) thromboxane A2 (PGF2) prostaglandine F2 ; (NO) oxyde
nitrique, (PGI2) prostacycline, (EDHF) facteur hyperpolarisant dérivé de l’endothélium.
AngII, ET-1, TXA2, PGF2 NO, PGI2, EDHF
Au demeurant, dans des conditions physiologiques normales, il existe un équilibre précis entre les facteurs relaxants et contractants.8 Par exemple, une légère élévation de l’ET-1 induit une relâche immédiate de NO qui contrecarre les effets vasoconstricteurs de ce premier.27,83 Toutefois, cet équilibre est perturbé dans de nombreux états pathologiques dont l’athérosclérose, le diabète, l’insuffisance cardiaque et rénale ou encore l’hypertension.8 Dans ces états, on note une baisse du NO et une élévation de l’ET-1.27 En bref, la dysfonction endothéliale est impliquée dans les phénomènes de thrombose, d’inflammation, de vasoconstriction et de remodelage qui aggravent l’élévation de la pression, accélère la progression de l’athérosclérose et déclenche des événements vasculaires. Les thérapies pour contrecarrer la dysfonction endothéliale sont nombreuses et visent soit à corriger la cause sous-jacente (greffe rénale), soit à réduire le stress oxydatif et l’inflammation (inhibiteurs de l’enzyme de conversion de l’AngII –IECA–, antagonistes du récepteur AT1 de l’AngII –ARA–) soit à augmenter la biodisponibilité du NO
(supplémentation en tétrahydrobioptérine –BH4– ou L-arginine). Les activateurs du
peroxisome proliferator-activated receptor-γ PPAR-γ (rosiglitazone) et les PPAR-α
(fénofibrates) utilisés dans le traitement du diabète et de la dyslipidémie respectivement montrent une activité anti-inflammatoire et anti-oxydante apte à corriger la dysfonction endothéliale induite par l’AngII.30 L’aspirine, les statines, la vitamine C, l’acide folique et la vitamine E peuvent également améliorer la fonction endothéliale.77
Acide arachidonique Leucotriènes LTB4, LTC4, LTD4, LTE4 Prostaglandines H2 et G2 PGH2, PGG2 Thromboxanes A2 et B2 TXA2, TXB2 Prostaglandines E2 et F2 PGE2, PGF2 Prostacycline PGI2 cyclo-oxygénases
TX synthase PG synthase PGI2 synthase
lipo-oxygénases
1.2.3.3- Eïcosanoïdes
Les eïcosanoïdes interviennent pour réguler le tonus vasculaire, l’agrégation plaquettaire, l’élimination urinaire de sodium et les réactions inflammatoires ; ils comprennent les prostaglandines (PG), la prostacycline (PGI2), le thromboxane (TX) et les leucotriènes
(LT). Ils sont dérivés de l’acide arachidonique ou eicosatétraénoïque (figure 6). Leur biosynthèse débute avec la libération par la phospholipase de l’acide arachidonique provenant des phospholipides membranaires suivie de sa transformation en produits actifs. La voie des cyclooxygénases conduit à la formation des PGE2, PGF2, PGI2 et du TX. Leur
biosynthèse n’est pas uniforme dans tous les tissus : celle du TX prédomine dans les plaquettes alors que celle des PG se concentre dans l’endothélium vasculaire. Ainsi, le TX a un effet vasoconstricteur et pro-agrégant plaquettaire. Par ailleurs, Moncada et al ont démontré que l’endothélium était une source majeure de PGI2 dont la synthèse est stimulée
par les bradykinines. Au niveau des vaisseaux, la PGI2 provoque une vasodilatation et est
anti-agrégante alors que la PGF2 est vasoconstrictrice. Sur le rein, la PGI2 augmente le
débit sanguin rénal et diminue la réabsorption de sodium et d’eau.
Pour sa part, la voie des lipooxygénases permet la formation des LT qui provoquent une agrégation plaquettaire, une augmentation de la perméabilité capillaire et un œdème ainsi qu’une bronchoconstriction avec hypersécrétion bronchique.
Figure 6 : Biosynthèse des eïcosanoïdes
1.2.3.4- Monoxyde d’azote
A- Généralités
Furchgott et Zawadski ont démontré en 1980 que la relaxation artérielle induite par l’acétylcholine dépendait d’un endothélium intact qui produisait une substance pouvant diffuser et agir sur les cellules musculaires lisses.37 Cette substance fut nommée
endothelial derived relaxing factor (EDRF) jusqu’à ce que Palmer et al la caractérisent et
découvrent en 1987 qu’il s’agissait du NO.74 Le NO ayant suscité beaucoup d’intérêt au cours des années qui suivirent, sa découverte fut récompensée du Prix Nobel de médecine en 1998 décerné à R.F. Furchgott, L.J. Ignarro et F. Murad.
Cette molécule gazeuse hydro et liposoluble peut agir à l’intérieur comme à l’extérieur des cellules et possède un large spectre d’actions physiologiques (figure 7), tant au niveau rénal que cardiovasculaire, pulmonaire et gastro-intestinal. En outre, parce que le NO est un puissant vasodilatateur endogène, il plaît à l’esprit de croire que la baisse de sa biodisponibilité puisse être en partie responsable de l’élévation des résistances périphériques.74
Figure 7 : Métabolisme du monoxyde d'azote
Synthèse, dégradation et actions physiologiques du monoxyde d’azote. (BH4) tétrahydrobioptérine, (FAD)
flavine adénine dinucléotide, (FMN) flavine mononucléotide, (GCs) guanylate cyclase soluble, (ONOO-)
peroxynitrite, (L-NAME) analogue synthétique de la L-arginine inhibant eNOS.
L-NAME –
O2
remodelage
cardiovasculaire vasodilatation production ET-1 hémodynamie rénale eau et sel excrétion L-citrulline NO• GCs GMPc ONOO -(peroxydation et cytotoxicité) O2-• (NADPH oxidase) NO2 + NO3 (métabolites inactifs) O2 L-arginine eNOS BH4 ; FAD ; FMN ; Ca2+ ; calmoduline
B- Biosynthèse et mode d’action du NO
Le monoxyde d’azote est un composé diatomique labile possédant une action paracrine.109 En milieu biologique, sa demi-vie est estimée entre 1 et 5 secondes39 voire 30 secondes104 étant donné qu’il réagit avec le fer des noyaux hèmes, avec les dérivés de l’oxygène et avec les groupements thiols. Ainsi, le NO est rapidement inactivé par les ions superoxydes ou transformé en métabolites inactifs, les nitrites (NO2-) et les nitrates (NO3-) en contact avec
l’oxygène.119 La liaison du NO aux thiols de bas poids moléculaire conduit à la formation de S-nitrosothiols qui constitueraient un déterminant important pour l’activité et le transport du NO. Ces composés peuvent subséquemment agir comme donneurs de NO et ainsi augmenter substantiellement sa demi-vie.6
Le NO est produit par l’enzyme nitric oxide synthase (NOS) dont il existe trois isoformes : deux sont constitutives soit la NOS endothéliale (eNOS) et la NOS neuronale (nNOS) alors qu’une est inductible (iNOS). Toutes ces isoformes utilisent l’acide aminé L-arginine, l’oxygène et le NADPH (nicotinamide adénine dinucléotide phosphate) comme substrats pour synthétiser le NO de même qu’un coproduit, la L-citrulline. Tétrahydrobioptérine (BH4), Ca2+/calmoduline, FAD (flavine-adénine dinucléotide) et FMN (flavine
mononucléotide) sont des cofacteurs nécessaires au processus catalytique.131 Au niveau cellulaire, le NO se lie à une guanylate cyclase (GC) soluble intracellulaire – l’unique cible connue du NO101 – et augmente son activité enzymatique de 400 fois, catalysant la conversion de GTP (guanosine triphosphate) en GMPc (guanosine monophosphate cyclique), son second messager.117 Cette amplification du signal permet donc un effet
soutenu avec une concentration faible de NO de l’ordre de nanomolaire.80
Endothelial nitric oxide synthase : La eNOS aussi appelée NOS III est encodée sur le
chromosome 7 et se retrouve ancrée à la membrane des cellules endothéliales des vaisseaux de gros et de moyen calibre, dans les myocytes cardiaques et dans les plaquettes. La eNOS est présente dans la paroi des vaisseaux corticaux et médullaires de tous les segments du rein ainsi que dans les cellules endothéliales glomérulaires28 avec une prééminence à la
macula densa et au tubule collecteur.39 Il a été établi par ailleurs que les cellules endothéliales mésentériques n’exprimaient pas la eNOS bien qu’elles puissent générer du NO via la iNOS lorsque stimulées par des cytokines.86 La eNOS est exprimée de façon
constitutive et dépend du calcium intracellulaire et de la calmoduline.11,119 Elle peut être inhibée de façon compétitive par des analogues synthétiques de la L-arginine dont le NG -nitro-L-arginine méthyl ester (L-NAME) ou le NG-monomethyl-L-arginine (LMMA).119 Il existe également des inhibiteurs endogènes de la eNOS dont il sera question plus loin. De nombreux stimuli physiques et humoraux augmentent la synthèse de NO par la eNOS avec pour voie d’activation commune l’élévation de la concentration intracellulaire de Ca2+. L’augmentation de la tension des fibres musculaires exercée par le flot sanguin est l’un des principaux facteurs régulant la synthèse de NO à chaque instant119 afin de maintenir un tonus basal adéquat. Les stimuli humoraux sont abordés dans la section suivante (C-
Mécanismes de régulation).
Inducible nitric oxide synthase : La iNOS ou NOS II, dont le gène se trouve sur le
chromosome 17, est présente dans divers types cellulaires dont les macrophages et les granulocytes et serait indépendante du calcium cytoplasmique. L’exposition in vitro et in
vivo de cellules musculaires lisses à certains médiateurs inflammatoires dont l’IL-1 et le
TNF-α, aux endotoxines microbiennes ou aux lipopolysaccharides provoque une induction de la iNOS. Une fois induite, la iNOS demeure active pour 4 à 24 heures, produisant près de 100 fois plus de NO que les NOS constitutives.104 La stimulation de iNOS provoquant une production massive de NO, elle pourrait expliquer l’hypotension observée lors d’un choc septique.104,119
Neuronal nitric oxide synthase : La nNOS ou NOS I, de localisation cytosolique et encodée
sur le chromosome 12, se retrouve dans certains neurones centraux et périphériques et répond à la stimulation nerveuse. Elle est présente dans toutes les zones du cerveau, mais particulièrement dans le cervelet, l’hippocampe et la zone olfactive.117 Dans le rein, la nNOS se localise dans les cellules de la macula densa et des tubules.28 Finalement, elle est également retrouvée au niveau du corps caverneux de la verge chez l’homme.
Mode d’action : La plupart des actions cellulaires du NO impliquent l’activation de la
guanylate cyclase soluble retrouvée dans le cytosol. Cette enzyme catalyse la formation de GMPc à partir de GTP. L’augmentation de GMPc active la protéine kinase G qui provoque la phosphorylation de protéines impliquées dans les processus de relaxation musculaire, de prolifération cellulaire, d’agrégation plaquettaire et de l’expression de molécules
d’adhésion dont il sera question plus loin à la section D- Rôles physiologiques du monoxyde
d’azote.
C- Mécanismes de régulation
La libération du monoxyde d’azote par l’endothélium est stimulée entre autres par l’AngII (récepteur AT2), l’ET-1 (récepteur ETB), l’estradiol,109 la sérotonine (récepteur 5-HT1D), la
bradykinine (récepteur B2),1,109 l’histamine,57 la thrombine, les catécholamines, les peptides
natriurétiques13 et la vasopressine119 qui, en augmentant le taux de calcium libre intracellulaire, activent la eNOS.41,109 Au contraire, l’activation de eNOS par les forces d’étirement et de cisaillement survient indépendamment de la variation du calcium intracellulaire.109 D’un autre côté, certains facteurs sont aussi connus pour inhiber l’expression de la eNOS dont le TNF-α, l’EPO, l’hypoxie et une concentration élevée de LDL oxydés.41 Dans la maladie diabétique, la glycémie élevée, l’altération du métabolisme de l’insuline, l’inflammation, l’activation de la protéine kinase C et la production accrue de ROS concourent à diminuer la biodisponibilité du NO.31
Concernant le lien entre le NO et les bradykinines, Agata et al ont décrit une augmentation de ce premier dans les carotides de rats ayant reçu un adénovirus codant pour le gène de la kallikréine dont la fonction la mieux caractérisée est de cliver le kininogène de bas poids moléculaire pour libérer les kinines.78,130 Cette surproduction de NO était totalement renversée par l’administration d’un inhibiteur du récepteur des bradykinines1 démontrant le
lien existant entre la bradykinine et le système endogène vasodilatateur.
D- Rôles physiologiques du monoxyde d’azote
Dans la paroi vasculaire, le NO diffuse de l’endothélium du côté luminal et adluminal vers la cellule musculaire lisse en traversant librement les membranes cellulaires. Ses actions cardiovasculaires sont nombreuses. Au niveau de la cellule endothéliale, il inhibe la production d’ET-1, l’oxydation des LDL, l’expression de molécules d’adhésion et par conséquent, l’adhésion des plaquettes et des leucocytes.119 À l’extérieur de la cellule, il
favorise la relaxation des fibres musculaires lisses des vaisseaux, du cœur, du système digestif, du tractus génito-urinaire, des voies respiratoires et de l’utérus, il inhibe l’agrégation plaquettaire, il empêche la prolifération des cellules du muscle lisse en plus de moduler la perméabilité vasculaire de même que les mécanismes inflammatoires.8,59,109,119
Dans le rein, l’inhibition des NOS induit une contraction des cellules mésangiales, diminue la GFR de même que le débit plasmatique rénal et augmente à la fois la fraction de filtration et l’excrétion urinaire du sodium.39 En corollaire, le NO antagonise la constriction induite par l’AngII et assure donc en permanence un tonus basal vasodilatateur préférentiellement sur l’artériole afférente, lui conférant un rôle important dans la filtration glomérulaire.28 Plusieurs études rapportent que le NO stimulerait la sécrétion de rénine par la macula densa en réponse à une déplétion en sodium ou à l’administration de furosémide, d’où une implication dans le rétrocontrôle tubulo-glomérulaire.96
Au cerveau, le NO produit localement agit comme neurotransmetteur et neuromodulateur pouvant contribuer à l’autorégulation du flot sanguin et à la prévention de vasospasmes cérébraux.119 Il a également été associé au processus épileptique, au comportement alimentaire et à la mémoire.117
Au niveau gastro-intestinal, il agirait dans le plexus mésentérique comme un neurotransmetteur pour réguler la relaxation des fibres musculaires lisses de l’intestin, nécessaire au péristaltisme. Son déficit pourrait être impliqué dans des pathologies neuromusculaires comme la maladie de Hirschprung, l’achalasie et l’œsophage «casse-noisette».104
Finalement, le NO participe au processus d’érection pénienne, de dilatation bronchique et a récemment été impliqué dans la perception de la douleur.117 L’augmentation des peroxynitrites (ONOO-) et l’implication du NO dans les maladies d’Alzheimer et de Parkinson reste à confirmer.
E- Implications physiologiques
On confère au monoxyde d’azote de nombreuses fonctions en commençant par un puissant effet vasodilatateur. Sur ce point, le tonus vasculaire musculaire lisse dépendant du NO est déterminé par de nombreuses voies métaboliques : (1) ouverture de canaux potassiques ATP-dépendants conduisant à l’hyperpolarisation cellulaire, ; (2) diminution du Ca2+ intracellulaire via l’inhibition de canaux calciques associée à une réduction de la libération du Ca2+ par le réticulum sarcoplasmique ; (3) inhibition de la phospholipase C ; (4) phosphorylation de protéines accélérant la relaxation et inhibition de la kinase Rho.119 En
plus de ces actions directes sur les cellules, il a été démontré que le NO favorisait la vasorelaxation indirectement (1) en diminuant la dégradation de l’adénosine monophosphate (AMP) via l’inhibition de la phosphodiestérase II, (2) en inhibant la production d’ET-1 ainsi que la synthèse de rénine – et par conséquent d’AngII – et (3) en désactivant les anions superoxydes O2- ou autres ROS.119 Par ailleurs, il est impliqué dans
les mécanismes anti-thrombose donc de protection vasculaire et possède un rôle de neurotransmetteur en plus d’agir sur le système immunitaire. Dans le diabète, le manque de NO est associé aux dommages vasculaires inflammatoires, athérosclérotiques et prothrombotiques qui augmentent le risque d’infarctus du myocarde.31 De surcroît, le NO a été associé au métabolisme des lipoprotéines de faible densité (LDL) et Kurowska59 fait mention d’une relation inversement proportionnelle entre la concentration plasmatique des métabolites du NO et le niveau de LDL cholestérol plasmatique total.
Du point de vue rénal, le NO contrôle le débit sanguin rénal en s’opposant à l’effet vasoconstricteur de l’ET-1 et de l’AngII sur l’artériole afférente,27 il diminue la sensibilité
de la rétroaction tubulo-glomérulaire, il module la natriurèse et le débit sanguin dans la médullaire assurant ainsi son oxygénation et il prévient finalement l’infiltration de leucocytes dans la paroi vasculaire et la formation de thrombi dans le système vasculaire rénal.41
Plusieurs modèles sont élaborés pour approfondir l’impact physiopathologique du NO dans l’organisme. Des souris rendues déficientes pour eNOS par génie génétique présentent une hypertension suggérant que l’organisme ne peut compenser cette délétion par d’autres mécanismes régulateurs de la pression sanguine et du tonus vasculaire. L’inhibition de la eNOS avec le L-NAME se traduit chez les animaux sains par une vasoconstriction et une hypertension dose-dépendante sans hypertrophie cardiaque qui s’accompagne d’une synthèse accrue d’ET-1 dans le plasma et l’aorte thoracique.23,38,70 L’utilisation d’un bloqueur du récepteur ETA peut renverser les effets du L-NAME.3 Par ailleurs, chez
l’animal spontanément hypertendu (SHR), l’administration d’un plasmide contenant la séquence codant pour la eNOS humaine provoque une baisse de pression artérielle significative pour 5 à 6 semaines.70
F- Implications physiopathologiques en IR
Comme nous l’avons brièvement mentionné plus haut, en IRC, il est possible de mettre en évidence une diminution de la biodisponibilité de NO62 qui pourrait, en partie, être attribuable soit à une production diminuée soit à une dégradation accélérée du NO.57 Cette baisse de biodisponibilité du NO est attribuée en partie à l’accumulation plasmatique d’inhibiteurs endogènes des NOS – le dimethyl-arginine asymétrique118 et le méthyl-guanidine – et en partie à son inactivation rapide par les ROS, dont la concentration augmente rapidement en insuffisance rénale. Outre la dégradation prématurée du NO et la présence d’antagonistes endogènes, d’autres sites de dysfonctionnement de sa voie de synthèse peuvent être impliqués : défaut de substrat ou de cofacteurs, moindre activité des NOS, absence d’effet de la guanylate cyclase vasculaire.25 Par ailleurs, certains auteurs allèguent que l’hyperparathyroïdie secondaire induite en IRC provoquant une élévation du Ca2+ intracellulaire est responsable de la régulation négative de eNOS. Conformément à cette hypothèse, la parathyroïdectomie conduit à une augmentation de l’expression de eNOS dans le rein et ces résultats sont également reproduits par l’utilisation de bloquants des canaux calciques.123
En ce qui concerne les applications du NO, notre laboratoire a récemment mis en évidence que sa diminution en IRC jouait un rôle crucial dans la modulation de l’ET-1 de même que dans le développement de l’hypertension et la progression de la maladie rénale. En ce sens, on a obtenu une atténuation de ces deux paramètres par la supplémentation avec la L-arginine ; effets associés à une diminution de la production d’ET-1.27
De nombreuses tentatives ont été réalisées pour freiner la progression de l’IRC. Ainsi, plusieurs voies thérapeutiques sont proposées pour accroître la biodisponibilité du NO ou encore diminuer la production de ROS. L’administration d’antioxydants (acide ascorbique, vitamine E) ou de superoxyde dismutase (SOD)32 pour diminuer les ROS a été démontrée efficace tout comme la supplémentation en L-arginine27,123 ou en BH4.113,121 D’un point de
vue pharmacologique, les IECA et les ARA permettent de contrôler le SRAA et leurs effets bénéfiques seraient dus en partie à la préservation de la bradykinine qui augmente le NO.26 De surcroît, Kurowska59 rapporte d’autres approches ayant un effet bénéfique sur la pression artérielle en potentialisant l’effet du NO dont l’administration chronique de
donneur de NO comme le nitroprussiate de sodium, la consommation de vitamine C et E (rôle antioxydant) ou encore de caroténoïdes (fruits et légumes) et de flavonoïdes (vin rouge et raisins). En ce sens, il a été démontré que l’ARNm (acide ribonucléique messager) de la eNOS était surexprimé chez les patients avec une diète riche en oméga-3 ou en polyphénols alors qu’il serait réduit par le tabagisme, la sénescence et les diètes riches en cholestérol.119
G- Relations entre NO synthase et ROS
Paradoxalement, nombre d’auteurs ont rapporté que les NOS pouvaient générer des superoxyde O2- par un processus appelé «découplage de la NO synthase». Il existe une
controverse à savoir si cette production peut être inhibée par le L-NAME53,74 ou l’ablation de l’endothélium53 chez le rat SHR. McIntyre précise que la NOS ne doit pas être totalement dysfonctionnelle pour générer des O2- ; le domaine C-terminal de chaque
isoforme démontrant une homologie significative avec la NADP(H) oxydase.10 Pour sa part, la nNOS peut réduire de l’oxygène en peroxyde d’hydrogène (H2O2) surtout dans des
conditions de déficit en L-arginine et en BH4.74 En outre, on sait que la formation de O2
-catalysée par la nNOS en absence de L-arginine est tributaire de la présence de Ca2+/calmoduline.131 La iNOS produit elle aussi des anions O2- et ONOO- lors de déplétion
en L-arginine et il a été proposé que ces oxydants contribuent à l’activité antibactérienne des macrophages.131
H- Tétrahydrobioptérine : cofacteur des NO synthases
Le BH4 est un cofacteur essentiel à toutes les isoformes de NOS pour produire du NO.113 Il
agirait comme un facteur allostérique et/ou réducteur facilitant le transfert des électrons du domaine réductase et pourrait également maintenir le groupement hème à sa forme active.15 Il a également été avancé que le BH4 était nécessaire pour stabiliser la NOS dans sa
conformation active d’homodimère et ainsi faciliter la liaison de la L-arginine.113
Le BH4 provient d’une synthèse de novo et l’enzyme limitante de sa synthèse est la
cyclohydrolase I. La surexpression de cette dernière par transfert adénoviral dans des cellules endothéliales humaines en culture a provoqué une augmentation du BH4 et de
Certains auteurs rapportent qu’en condition de déficit en BH4, les NOS pourraient générer
des ROS plutôt que du NO53,74,113,120,121,131 probablement par la dissociation du complexe hème ferreux-dioxygène du domaine oxygénase de la eNOS.120 Vasquez-Vivar et al ont démontré in vitro que seule la supplémentation en BH4 pouvait complètement abolir cette
production de ROS contrairement au L-NAME, à la L-arginine ou au L-NMMA.121 Néanmoins, cette dernière affirmation est infirmée par plusieurs auteurs qui rapportent une inhibition de la production des superoxydes par le L-NAME.69,88 Podjarny a publié une étude où il montre que chez des rats avec néphrectomie 5/6, tant la supplémentation en BH4
qu’en L-arginine normalisent la pression artérielle et augmentent l’excrétion de nitrates urinaires de façon similaire.88 D’autre part, d’autres évidences laissent croire que l’auto-oxydation du BH4 dans des anneaux d’artères coronaires porcines pourrait être responsable
de la production de O2- ; production qui serait renversée par l’inhibition du cofacteur.9
Dans une étude de Tiefenbacher, l’administration de BH4 a permis de restaurer la réponse
vasodilatatrice à l’acétylcholine sur des artères coronaires de chiens rendues dysfonctionnelles par ischémie-reperfusion.113 Cet effet était renversé par la co-administration d’un inhibiteur de la GTP cyclohydrolase I, l’enzyme responsable de la synthèse du BH4.
