Déterminants de la rigidité artérielle chez l'homme et la femme ménopausée

DETERMINANTS DE LA RIGIDITE

ARTÉRIELLE CHEZ L'HOMME ET LA FEMME

MÉNOPAUSÉE

Mémoire présenté

à la Faculté des études supérieures et postdoctorales de l'Université Laval dans le cadre du programme de maîtrise en nutrition

pour l'obtention du grade de Maître es sciences

DEPARTEMENT DES SCIENCES DES ALIMENTS ET DE NUTRITION FACULTÉ DES SCIENCES DE L'AGRICULTURE ET DE L'ALIMENTATION

UNIVERSITÉ LAVAL QUÉBEC

2012

Objectif : Identifier les déterminants physiques et métaboliques de la rigidité artérielle mesurée par tonométrie de l'amplitude du pouls (PAT) digital chez l'homme et la femme ménopausée. Méthodes : La rigidité artérielle, exprimée par l'index d'hyperémie réactive (RHI), a été mesurée par PAT digitale (EndoPAT2000, Itamar Medical, Caesarea, Israël) suite à l'obstruction de l'artère brachiale pendant 5 minutes chez un groupe de 88 hommes (âge moyen ± écart type : 57.9 ± 6.7 ans) et 135 femmes ménopausées (59.2 ± 5.2 ans). Le profil cardiométabolique a été déterminé et des mesures anthropométriques effectuées pour chaque participant. Résultats : Les valeurs de RHI étaient significativement plus basses chez les hommes comparativement aux femmes ménopausées (1.86 ± 0.56 vs. 2.26 ± 0.72 respectivement, p<0.0001). Des corrélations significatives ont été notées entre le RHI et l'indice de masse corporelle 0.22, p=0.0001), la circonférence de la taille (r=-0.22, p=0.002) ainsi qu'avec les concentrations plasmatiques de cholestérol-HDL (r=0.33, p<0.0001) et le ratio cholestérol total/cholestérol-HDL (r=-0.24, p=0.0006). Par ailleurs, les individus présentant un syndrome métabolique (SMet) affichaient des valeurs de RHI plus faibles (-15.8%, p=0.0003) et des concentrations plasmatiques de molécules d'adhésion ICAM-1 plus élevées (+28.6%, p=0.0003) que les sujets ne présentant pas de SMet. Conclusion : Nos résultats démontrent que, comparativement aux femmes ménopausées, les hommes affichent une rigidité artérielle plus importante et que celle-ci semble être modulée par la présence d'obésité abdominale et d'un profil lipidique altéré. Par ailleurs, nos résultats indiquent que les individus affichant un SMet sont caractérisés par une dysfonction endothéliale pouvant contribuer à l'accroissement du risque d'atteinte cardiovasculaire. Des études supplémentaires sont nécessaires afin de mieux comprendre comment une condition dysmétabolique favorise le développement de la rigidité artérielle et de la dysfonction endothéliale chez l'homme et la femme.

Abstract

Endothelial dysfunction is recognized as an important step in the pathogenesis of cardiovascular disease (CVD), the culprit of a plurimetabolic syndrome that includes insulin resistance, dyslipidemia, abdominal obesity and hypertension. The aim of the present study was to investigate the differences in digital pulse wave amplitude reactive hyperemic index (PWA-RHI) in a group of 88 middle-aged men (mean age ± SD: 57.9 ± 6.7 years; BMI: 28.1 ± 4.2 kg/m2) and 135 postmenopausal women (age:

59.2 ± 5.2 years; BMI: 27.7 ± 4.1 kg/m2). Anthropometric measures as well as a

fasting plasma lipoprotein-lipid profile were obtained from all participants. We found that the digital reactive hyperemic index (RHI) was significantly lower in men compared to postmenopausal women (1.86 ± 0.56 vs. 2.26 ± 0.72 respectively, p<0.0001). We also noted that the PWA-RHI was negatively correlated with body weight (r=-0.22, p=0.005), waist circumference (r=-0.21, p=0.005) as well as with the cholesterol/HDL ratio (r=-0.24, p=0.001) and positively with circulating HDL-cholesterol levels (r=0.35, p<0.0001). We also examined the impact of the metabolic syndrome (MetS) on endothelial function and found that PWA-RHI was significantly lower in MetS-t- vs. MetS- individuals (-19%, p=0.0005).

In addition, circulating soluble intercellular adhesion molecule-1 (sICAM-1) concentrations were also significantly higher in MetS+ vs. MetS- individuals (+29%, p<0.0001).

In summary, we found that middle-aged men have a deteriorated digital PWA-RHI indicative of an impaired endothelial function compared to postmenopausal women. Furthermore, our study also demonstrated that a low digital PWA-RHI is a feature of the MetS that likely contributes to the increased CVD risk associated with this condition.

Avant-Propos

Ce projet était une collaboration entre des équipes de chercheurs de l'Université Laval (V. Carnovale, I. Gigleux, ME. Paradis, P. Couture, B. Lamarche, C. Couillard) et de l'Université du Manitoba (V. Ramprasath, P. Jones). Lors de la réalisation de ce projet d'étude, j'ai assisté à la rencontre des participants qui avaient lieu à l'Institut des nutraceutiques et des aliments fonctionnels (INAF, Québec, Canada) en plus d'avoir effectué un grand nombre des tests avec l'EndoPAT2000 afin de pouvoir évaluer la PAT digitale chez les participants. À la fin de l'intervention, j'ai dosé les marqueurs inflammatoires dans les échantillons sanguins des participants au laboratoire. J'ai ensuite pu faire les analyses statistiques des résultats me permettant de formuler la première version de l'article. Celui-ci a ensuite été corrigé par les co-auteurs. La version finale de l'article sera soumise à la revue Vascular Medicine en novembre 2012.

Je veux exprimer toute ma gratitude à ceux qui m'ont aidé de près ou de loin dans la réalisation de mon projet de maîtrise. Je tiens particulièrement à remercier Charles Couillard pour son soutien, ses suggestions judicieuses et surtout pour la confiance qu'il a eu en moi tout au long de ce projet.

Merci à Iris Gigleux pour son aide précieuse.

Merci à Johanne Marin pour son expertise en technique de laboratoire.

Merci à Sandra Parmegiani, David J. Dyck et John R. Barta, de l'Université de Guelph, pour leur lettre de recommandations et leurs encouragements.

Merci à mes parents pour leur inconditionnel amour et appui.

Merci à Diane et Julie pour leur accueil chaleureux qui m'a permis de m'adapter à ma nouvelle ville.

Enfin, je suis très reconnaissante pour les nouvelles expériences que ce projet m'a permis de réaliser; pour les nouvelles amitiés qui se sont créées et pour les anciennes qui se sont solidifiées.

Résumé ii Abstract iii Avant-Propos iv Remerciements v Table des matières vi Liste des tableaux vii Liste des figures viii Introduction x Chapitre 1. Maladies cardiovasculaires 12

1.1 Généralités 12 1.2 Athérosclérose 12 1.3 Dysfonction endothéliale 14

Chapitre 2. Facteurs de risque cardiovasculaire 17 2.1 Facteurs de risque traditionnels 17 2.2 Facteurs de risque émergents 17

2.2.1 Stress oxydatif 17 2.2.2 Inflammation 18 2.2.3 Obésité abdominale 19 2.2.4 Syndrome métabolique 20 Chapitre 3. Différence sexuelle dans le risque cardiovasculaire 22

3.1 Métabolisme des lipides et lipoprotéines 22 3.2 Fonction endothéliale chez l'homme et la femme 23

Chapitre 4. Méthodes de mesure de la fonction endothéliale 26

4.1 Vasodilatation médiée par le flot sanguin 26

4.2 Vitesse de l'onde de pouls 28 4.3 Amplitude de l'onde de pouls digital 29

Chapitre 5. But de l'étude 31 Chapitre 6. Déterminants de la rigidité artérielle chez l'homme et la femme

ménopausée 32 Conclusion 54 Bibliographie 57

Liste des tableaux

Tableau 1. Tableau comparatif des critères du syndrome métabolique selon le National Cholesterol Expert Panel (NCEP), l'International Diabetes Federation (IDF) et la American Heart Association (AHA). Pour le NCEP et l'AHA, il faut au moins la présence de 3 des 5 critères et pour 1TDF il faut la présence de l'obésité abdominale en plus de 2 autres critères

Liste des figures

Figure 1. A) Représente les 3 couches de l'endothélium en santé soit l'intima, la média et l'adventice. B) Le recrutement des leucocytes en 4 étapes : la margination et le roulage, l'adhésion ferme, la transmigration et la migration. C) La formation du cap fibreux. D) La rupture du cap fibreux. Tirée de P Libby et al. Nature. 2011; 473 :317-25.

Liste des abréviations

Association américaine du cœur (American Heart Association) Apolipoprotéine B

Apolipoprotéine E

Accident vasculaire cérébral

Vitesse de l'onde de pouls entre l'artère brachiale et tibiale Protéine C-réactive (C-Reactive Protein)

Synthase d'oxyde nitrique endothéliale (endothelial Nitric Oxide Synthase) Thérapie de remplacement d'estrogènes (Estrogen Replacement Therapy) Vasodilatation médiée par le flot sanguin (Flow-Mediated Dilation) Lipoprotéine de densité élevée (High Density Lipoprotein)

Molécule d'adhésion intercellulaire-1 (Intercellular Adhesion Molecule) Fédération international de diabète (International Diabetes Federation) Insuline-like Growth Factor-1

Interleukine-1P Interleukine-6

Indice de masse corporelle

Lipoprotéine de faible densité (Low Density Lipoprotein) Maladies cardiovasculaires

Facteur de stimulation de colonies de macrophages (Macrophage-Colony Stimulating Factor)

Panel d'expert national de cholestérol (National Cholesterol Expert Panel) Oxyde nitrique (Nitric oxide)

Tonométrie artérielle périphérique (Peripheral Arterial Tonometry)

Inhibiteur de l'activation de plasminogène (Plasminogen Activating Inhibitor)

Amplitude de l'onde de pouls (Puise Wave Amplitude) Vitesse de l'onde de pouls (Pulse Wave Velocity) Indice d'hypermie réactive (Reactive Hyperemic Index) Syndrome métabolique

Phospholipase soluble A2 (soluble Phospholipase A2)

Triglycérides

Facteur de nécrose tumorale-a (Tumor Necrosis Factor-a)

Molécule d'adhésion aux cellules vasculaires (Vascular Cell Adhesion Molecule)

L'athérosclérose est à la base même du développement des maladies cardiovasculaires (MCV) qui sont parmi les principales causes de mortalité au monde (1). Plusieurs facteurs de risque ont été identifiés pour le développement de maladies cardiovasculaires incluant : l'âge, les dyslipidémies, l'hypertension, l'obésité (plus spécifiquement l'obésité abdominale), la résistance à l'insuline ainsi que le stress oxydatif (2, 3).

Des différences sexuelles ont été démontrées dans plusieurs études quant au risque de MCV et à l'ampleur de la détérioration métabolique qui y est associée et les hormones sexuelles seraient au cœur de cette différence (4, 5). L'œstradiol et la testosterone, les deux hormones sexuelles les plus présentes chez les hommes et les femmes, ont été associées au profil cardiométabolique et à des différences quant à l'incidence des maladies cardiovasculaires entre les hommes et les femmes (6, 7). Récemment, la dysfonction endothéliale a été identifiée comme étant un marqueur des atteintes vasculaires et du risque de MCV.

Il existe d'ailleurs plusieurs techniques de mesure de la fonction endothéliale. Parce qu'elles sont non-invasives, les plus populaires sont la vasodilatation médiée par le flot sanguin {flow-mediated dilation, FMD), la vitesse d'onde de pouls (puise-wave velocity, PWV) et l'amplitude de l'onde de pouls (puise-wave amplitude, PWA) (8). La technique de tonométrie artérielle périphérique (peripheral arterial tonometry, PAT) permet de mesurer la PWA facilement et de manière très reproductible puisqu'elle est automatisée, donc moins dépendante de l'expertise de l'opérateur (9). L'objectif de ce mémoire est d'identifier les différents déterminants physiques et métaboliques de la rigidité artérielle chez l'homme et la femme ménopausée i.e. la réponse de la PWA à une hyperémie et mesurée par la PAT digitale.

Ce mémoire est composé de plusieurs sections. Premièrement, une revue de littérature portant sur l'athérosclérose et les facteurs menant à la formation de la plaque athéromateuse sera présentée. Les différences entre les facteurs de risque chez

les hommes et les femmes seront par la suite explorées. Quelques-unes des techniques de mesure de la fonction endothéliale seront décrites et suivies par les résultats du projet de recherche, dans lequel j'ai été impliquée, seront présentés sous forme d'un article scientifique original qui sera soumis pour publication au cours de l'année 2012. Finalement, la dernière partie de ce mémoire consistera en une discussion et une conclusion des travaux effectués, ainsi qu'une mise en perspective des résultats obtenus.

1.1 Généralités

Selon Statistique Canada, les maladies cardiovasculaires (MCV) étaient responsables de 29% des décès au Canada en 2008 (10). Les données canadiennes montrent également que chez l'homme, les décès attribuables aux MCV ont été dépassés par ceux liés aux cancers en 2008, signe tangible de l'amélioration de la qualité et la quantité des approches de prévention et traitement des MCV au cours des dernières décennies. L'impact de cette amélioration est également observé chez la femme i.e. que l'écart dans la mortalité liée aux MCV et cancer a diminué depuis 10 ans bien que les décès attribuables aux MCV demeurent toujours plus nombreux que ceux attribuables au cancer (10). Ceci suggère qu'une meilleure compréhension des différences sexuelles dans l'étiologie et le traitement des MCV permettra de mieux les prévenir (prévention primaire et secondaire) et de limiter leur impact sur la santé des Canadiens et des Canadiennes.

Par ailleurs, les coûts liés au traitement des MCV et à la perte de productivité des personnes qui en sont affligées sont estimé à plus de 20.9 milliards de dollars (11). Il est donc important de non seulement bien comprendre comment traiter les MCV mais possiblement encore plus pertinent de mieux prévenir leur développement afin de limiter les impacts financiers et en capital humain des atteintes cardiovasculaires.

1.2 Athérosclérose

Les artères sont composées de 3 couches distinctes dont deux sont séparées par une lamina élastique interne : la média et l'intima (12). L'adventice, la couche la plus externe de l'artère est formée de tissu conjonctif, de cellules musculaires lisses et de fibrobiastes tandis que la média comprend uniquement des cellules musculaires lisses (13). Finalement, l'intima est définie comme l'espace entre la média et une couche de cellules endothéliales en contact avec le sang. On réfère à l'intima comme l'espace sous-endothélial. Le développement de l'athérosclérose se fait principalement dans l'intima de la paroi artérielle.

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Figure 1. A) Représente les 3 couches de l'endothélium en santé soit l'intima, la média et l'adventice. B) Le recrutement des leucocytes en 4 étapes : la margination et le roulage, l'adhésion ferme, la transmigration et la migration. C) La formation du cap fibreux. D) La rupture du cap fibreux. Tirée de P Libby et al. Nature. 2011; 473:317-25(70.

La plaque athéromateuse se manifeste par une déformation de la paroi interne de l'artère limitant l'espace disponible pour la circulation du sang (12, 15). Au centre de cette plaque athéromateuse se trouve un milieu nécrotique principalement formée de cholestérol, des cellules musculaires lisses et de collagène (12). La plaque athéromateuse, située dans l'intima de l'artère est recouverte d'un cap fibreux qui peut être plus ou moins susceptible à la rupture ce qui déterminera le risque de thrombose (12, 15).

L'athérogénèse, processus de formation de la plaque athéromateuse se produit lorsqu'il y a une tentative de guérison effectuée dans le vaisseau suite à un dommage à l'endothélium vasculaire (75). Plusieurs articles de revues décrivent en détails le processus d'athérogénèse (75, 16). Brièvement, une blessure ou un stress compromettant l'intégrité de l'endothélium vasculaire augmentera sa perméabilité face à différents types de cellules et molécules. Le passage de particules LDL

s'effectue de la circulation vers l'intima (espace sous-endothélial) où elles s'accumuleront et seront captés par des macrophages qui ce différencieront en cellules spumeuses. Une cascade d'événements débutera impliquant de l'inflammation, du stress oxydatif et un recrutement augmenté de monocytes/macrophages qui favoriseront l'amplification de la réponse inflammatoire dans la paroi artérielle. Ainsi, l'athérosclérose est maintenant reconnue comme le résultat d'une série de réponses cellulaires et moléculaires qui comprennent mais ne se limitent pas à l'accumulation de lipides dans la paroi artérielle, mais s'étendent également à une réponse inflammatoire complexe.

Ultimement, l'accumulation de cellules nécrotiques et lipidiques au centre de la plaque athéromateuse entraînera une instabilité du cap fibreux recouvrant la plaque, la rendant plus susceptible à la rupture. La rupture du cap fibreux et le relâchement dans la circulation sanguine du contenu de la plaque athéromateuse favoriseront la formation de thrombus (75) pouvant mener à l'occlusion d'une artère et à l'infarctus du myocarde ou à un accident vasculaire cérébral (AVC) (7 7).

Un endothelium vasculaire en santé n'agit pas seulement comme une barrière utile à la circulation sanguine mais joue également un rôle dans la régulation du tonus vasculaire. Ainsi, les changements qui surviennent dans la physiologie de l'endothélium vasculaire au cours de l'athérogénèse entraîneront l'apparition d'une dysfonction endothéliale.

1.3 Dysfonction endothéliale

La dysfonction endothéliale survient lorsque la biodisponibilité de l'oxyde nitrique (NO) diminue, ce qui entraîne des effets délétères non seulement sur le processus de vasodilatation mais également sur l'adhésion leucocytaire et l'agrégation plaquettaire de même que sur la prolifération des cellules musculaires lisses dans l'intima vasculaire (75). Cette dysfonction endothéliale est considérée comme l'une des premières étapes du développement de la plaque athéromateuse. La baisse de la concentration de NO biodisponible résulte entre autres de l'inhibition de l'activité de la forme endothéliale de la synthase de l'oxyde nitrique (eNOS), l'enzyme

responsable de la production du NO (19). Une condition de stress oxydatif est également très fréquemment associée à une diminution de la biodisponibilité du NO (20).

La dysfonction endothéliale ne se limite pas à une altération de la capacité à se dilater mais comprend également l'activation endothéliale. Les cellules endothéliales sont capables d'exprimer une large sélection de protéines incluant des molécules d'adhésion comme la molécule d'adhésion intercellulaire-1 (ICAM-1), la molécule d'adhésion aux cellules vasculaires (VCAM-1) et la sélectine endothéliale (E-sélectine). Ces molécules d'adhésion sont impliquées dans le recrutement leucocytaire dans les processus thrombotiques et inflammatoires (21). Normalement, l'activation endothéliale est de courte durée. Cependant, chez les individus avec un profil cardiométabolique altéré, l'état d'inflammation chronique prolonge la durée et augmente l'intensité de l'activation endothéliale (22). Ainsi Hahne et al. (23) ont montré que la synthèse des molécules d'adhésion ICAM-1, VCAM-1 et E-sélectine peut être induite par le facteur de nécrose tumorale-a (TNF-a) et que des anticorps pour ses molécules peuvent réagir avec des antigènes exprimés à la surface des cellules endothéliales chez la souris (23). De plus, Davies et al. (24) ont étudié l'expression de ICAM-1, VCAM-1 et E-sélectine des sections de l'artère coronaire droite chez 15 patients en attente d'une transplantation cardiaque et ont démontré que les segments d'artère sur lesquels des plaques athéromateuses étaient visibles exprimaient des niveaux de ICAM-1, VCAM-1 et E-sélectine plus élevés comparativement aux sections qui n'affichaient pas de plaques athérosclérotiques (24). Nakashima et al. (25) ont également rapporté la présence de ICAM-1 et VCAM-1 au site de formation de lésions athérosclérotiques chez des souris invalidées pour le gène de l'apoE (25).

La présence de molécules d'adhésion en circulation (forme soluble) offre la possibilité d'obtenir de l'information sur la fonctionnalité et l'intégrité de l'endothélium vasculaire. Par exemple, Ridker et al. (26) ont démontré que les niveaux circulant de ICAM-1 étaient plus élevés chez des hommes en santé mais à risque d'infarctus du myocarde. De plus, Hwang et al. (27) ont rapporté des niveaux

plasmatiques significativement plus élevés de ICAM-1 et de E-sélectine chez des patients avec une maladie coronarienne ou de l'athérosclérose carotidienne (27). Par contre, aucune association significative entre les niveaux de VCAM-1 en circulation et l'incidence de maladies coronariennes ou d'athérosclérose dans l'artère carotide a été notée (27, 28). Malgré le fait qu'elle soit mesurée dans plusieurs études s'intéressant au risque et au développement de l'athérosclérose, VCAM-1 n'apparaît que très rarement comme étant significativement plus élevée chez les individus à risque de MCV (27, 28). Cependant, les concentrations sanguines de VCAM-1 sont souvent très élevées chez les individus souffrant de maladies inflammatoires et notamment d'arthrite rhumatoïde (29, 30).

Chapitre 2. Facteurs de risque cardiovasculaire

2.1 Facteurs de risque traditionnels

De nombreux facteurs de risque pour les MCV ont été identifiés au cours des années. Parmi ceux-ci, on retrouve l'âge et l'hypertension artérielle qui sont d'un point de vue clinique, les plus couramment utilisés dans la quantification du risque de MCV. À ceux-ci, s'ajoute le profil lipidique. En effet, les relations entre l'accroissement du risque de MCV et des concentrations élevées de cholestérol-LDL (31-37) et de triglycérides (TG) (38-40) de même que des niveaux faibles de cholestérol-HDL (41-44) sont très bien documentées. De plus, la présence simultanée d'hyperinsulinémie, de concentrations élevées d'apolipoprotéine B et de LDL petites et denses a également été associée à un risque accru de MCV (45).

2.2 Facteurs de risque émergents

Plus récemment, les rôles de l'inflammation et du stress oxydatif dans les perturbations du profil cardiométabolique ont été beaucoup étudiés.

2.2.1 Stress oxydatif

Chez l'humain, des molécules hautement réactives communément appelées radicaux libres sont continuellement produites par diverses réactions cellulaires impliquées dans la production d'énergie, l'inflammation et la detoxification du corps (46). Les radicaux libres jouent un rôle important dans la santé du corps humain puisqu'ils participent aux mécanismes de défenses du corps notamment ceux de phagocytose, d'élimination des bactéries et champignons de même que d'inactivation des virus (47). Bien que nécessaires au bon fonctionnement de l'organisme, la nature a tout de même pourvu l'être humain de nombreux mécanismes de neutralisation contre ces radicaux libres puisque ceux-ci ont la capacité de modifier de nombreuses biomolécules comme les lipides, les protéines et l'ADN (48).

Le stress oxydatif est un déséquilibre entre la production et la neutralisation des radicaux libres et qui maintient les niveaux de radicaux libres dans l'organisme anormalement élevés (47). Le vieillissement, l'exercice physique exhaustif de même

que les maladies inflammatoires chroniques (49, 50) sont toutes des conditions associées au stress oxydatif. De plus, le diabète de type II et les dyslipidémies sont également associés à un état de stress oxydatif (51, 52) qui contribuent au risque cardiovasculaire accru dans ces populations.

Les particules LDL sont des cibles de choix pour les radicaux libres (53) étant donné leur contenu en lipides insaturés et en protéines. Les LDL oxydées qui sont présentes dans l'intima artériel sont phagocytées par des macrophages à l'aide de récepteurs éboueurs scavenger à leur surface (75). L'internalisation des particules LDL par les macrophages mène à la formation de cellules spumeuses (75). C'est la présence de cellules spumeuses qui donne lieu à la formation des stries lipidiques, une des premières étapes de l'athérogénèse.

D'un point de vue clinique, les personnes avec une maladie coronarienne ont des niveaux circulants de LDL oxydées plus élevés que les personnes étant à risque faible pour un d'événement coronarien (54). Parmi les prédicteurs de la concentration circulante de LDL oxydées, on retrouve l'hypercholestérolémie, les dyslipidémies, l'intolérance au glucose, la présence de diabète, l'âge et le sexe. De plus, les niveaux de LDL oxydées ont été identifiés comme des prédicteurs de maladies coronariennes indépendamment des facteurs de risque bien reconnus comme les niveaux de protéine C-réactive (CRP) et du ratio cholestérol total : cholestérol-HDL (55).

2.2.2 Inflammation

Les réponses cellulaires et moléculaires spécifiques des lésions athérosclérotiques ont mené à la description de l'athérosclérose en tant que maladie inflammatoire (22). Plus spécifiquement, des médiateurs de l'inflammation comme le TNF-a, l'interleukine (IL)-ip et le facteur de stimulation de colonies de macrophages (M-CSF), favorisent non seulement la liaison des LDL à l'endothélium mais augmentent également la transcription du gène du récepteur aux LDL (56, 57). De son côté, la captation des LDL oxydées par le récepteur éboueur des macrophages présents dans l'intima artériel contribue au déclenchement d'une série de réactions cellulaires sous-jacentes à la réponse inflammatoire (57). Ainsi, l'inflammation favorise la modification et

l'oxydation des lipoprotéines qui contribueront à rehausser la réponse inflammatoire, ce qui culminera en la formation d'une plaque athéromateuse.

Au niveau systémique, l'inflammation est également associée à un profil de risque cardiométabolique défavorable. Ainsi, le taux de disposition de glucose médiée par l'insuline est associé négativement avec les concentrations de CRP et de ICAM-1 en circulation chez les Indiens Pima (55). Un autre résultat intéressant de cette étude était la démonstration que la CRP et la E-sélectine étaient tous deux des déterminants indépendants significatifs de la disposition du glucose médiée par l'insuline expliquant jusqu'à 58% de sa variance (55). Par ailleurs, l'étude de Weyer et al. (55) a également permis d'apprendre que la concentration de certains marqueurs de fonction endothéliale (E-sélectine, antigène de vWF, et sVCAM-1) augmentaient de façon proportionnelle au degré de résistance à l'insuline et d'inflammation.

2.2.3 Obésité abdominale

L'obésité abdominale est associée à un état dyslipidémique incluant de rhypertriglycéridémie, des concentrations élevées d'apoB et faibles de cholestérol-HDL de même qu'une proportion augmentée de LDL petites et denses (58, 59) et un stress oxydatif (60) ainsi que des perturbations au niveau de l'homéostasie entre le glucose et l'insuline menant au développement du diabète de type II (61-63). La détérioration métabolique qui caractérise l'accumulation excessive de graisse au niveau de l'abdomen a fait l'objet de revues exhaustives (64) et la contribution du tissu adipeux viscéral dans cet état dysmétabolique est bien documentée (65, 66). L'importance de l'obésité abdominale au risque de développer un diabète ou une MCV a été reconnue au cours des dernières années avec l'inclusion de la mesure de la circonférence de la taille, une mesure de l'accumulation de graisse abdominale, comme une composante du syndrome métabolique (37, 67, 68).

Par ailleurs, le tissu adipeux n'est plus considéré comme un simple entrepôt d'acides gras puisqu'il est maintenant bien connu que l'adipocyte a également une fonction endocrinienne (69) par sa capacité à synthétiser et à sécréter de nombreuses cytokines

incluant l'EL-6, le TNFa et l'inhibiteur -1 de l'activateur de plasminogène (PAI-1) (69).

De plus, la capacité des tissu adipeux à relâcher des acides gras en circulation est un autre mécanisme par lequel l'obésité abdominale contribue à une résistance à l'insuline et un état dyslipidémique (70).

2.2.4 Syndrome métabolique

Le syndrome métabolique (SMet) consiste en l'agrégation de facteurs de risque pour les MCV qui fut longtemps considérée comme un concept mais qui n'était pas exactement une condition clinique pouvant être diagnostiquée (70). Depuis, plusieurs organisations ont proposé différentes définitions du SMet.

Le panel d'expert national du cholestérol (NCEP) définit le SMet comme étant la présence d'au moins 3 des conditions suivantes : de l'obésité abdominale (circonférence de la taille > 102 cm pour les hommes et > 88 cm chez les femmes), une hypertriglycéridemie (>1.7 mmol/L), une concentration faible de cholestérol-HDL (< 1.03 mmol/L chez les hommes et < 1.29 mmol/L chez les femmes), une tension artérielle élevée (> 130/85 mmHg) et finalement une concentration élevée de glucose à jeun (>5.6 mmol/L) (2). L'International Diabetes Federation (71) a par la suite proposé une définition du SMet en tenant compte de certaines particularités ethniques notamment au niveau des valeurs seuils de la circonférence de la taille.

Tableau 1. Tableau comparatif des critères du syndrome métabolique pour la National Cholesterol Expert Panel (NCEP), l'International Diabetes Federation (IDF) et la American Heart Association (AHA). Pour la NCEP et l'AHA, il faut au moins la présence de 3 des 5 critères et pour l'IDF il faut la présence de l'obésité abdominale en plus de 2 autres critères (71-73).

Critère NCEP IDF AHA

Tour de taille (cm) 6" : > 102 c_? : > 94* S : > 102 $ :>88 $ : > 80* $ :>88

Triglycérides (mmol/L) > 1.7 > 1.7 > 1.7

Cholestérol-HDL (mmol/L) S : < 1.03 S : < 1.03 cj? : < 1.03 $ :< 1.29 $ :< 1.29 $ :< 1.30

Glycémie à jeun (mmol/L) >5.6 >5.6 >5.6

Tension artérielle (mmHg) > 130/85 > 130/85 > 130/85

*Pour les Europids, mais des valeurs spécifiques existent pour différentes ethnies

Par ailleurs, au-delà d'un état dyslipidémique et dysglycémique, les individus avec le SMet affichent également un profil proinflammatoire et procoagulant. De plus, beaucoup des composantes du SMet peuvent entraîner une dysfonction endothéliale par leurs effets sur la synthèse et la dégradation de l'oxyde nitrique (NO) (74). Les altérations métaboliques le plus fréquemment citées pour leur capacité à contribuer au développement d'une dysfonction endothéliale sont (75): l'hyperinsulinémie, l'hyperglycémie, l'hypertriglycémie, l'hypoalphalipoprotéinémie (cholestérol-HDL faible), les LDL petites et denses, des concentrations élevées d'apoB, 1TGF-1, de PAI-1, une concentration élevée de CRP ainsi que le stress oxydatif.

Au Canada, près de 20% de la population adulte est caractérisée par le SMet (76). L'importance clinique de cette condition repose sur le fait que les individus avec le SMet ont un risque de MCV deux fois plus élevé que les individus en santé (77, 78)

Chapitre 3. Différence sexuelle dans le risque

cardiovasculaire

Les contributions des facteurs de risque tels que l'âge, le tabagisme, l'hypertension, le diabète, des concentrations élevées de cholestérol-LDL et de triglycérides de même que de faibles concentrations de cholestérol-HDL, au développement des MCV sont très bien documentées (79). Il existe également une différence sexuelle bien connue dans le risque de MCV (80). En effet, les hommes ont généralement un risque plus élevé de MCV comparativement aux femmes, une différence qui s'estompe à l'arrivée de la ménopause chez la femme. Au-delà des différences dans le profil cardiométabolique entre les hommes et les femmes, le rôle des hormones sexuelles dans la modulation du risque cardiovasculaire est également de plus en plus reconnu.

3.1 Métabolisme des lipides et lipoprotéines

Les différences dans les concentrations sanguines de lipides et de lipoprotéines entre les hommes et les femmes doivent être considérées lorsque l'on tente d'expliquer le risque de MCV plus élevé chez les hommes comparativement aux femmes. Les hommes ont généralement un profil lipidique et lipoprotéinémique moins favorable que celui des femmes pré-ménopausées. En effet, indépendamment de l'âge, les hommes sont caractérisés par des concentrations plus élevées de cholestérol-LDL et de triglycérides et de cholestérol-HDL plus faibles que les femmes pré-ménopausées (81). Au-delà des concentrations circulantes de lipides et de lipoprotéines, des différences sont également notées dans les caractéristiques physico-chimiques des lipoprotéines, la plus reconnue étant vraisemblablement celle de la proportion plus grande de LDL petites et denses chez l'homme comparativement aux femmes (82).

À la ménopause, le profil de risque cardiovasculaire des femmes se détériore pour ressembler un peu plus à celui des hommes d'âge comparable. Ces observations supportent le rôle des hormones sexuelles dans la cardioprotection. Le rôle attribué aux hormones sexuelles et notamment aux estrogènes, peut également être étudié dans le cadre d'études de remplacement hormonal chez la femme ménopausée. Skafar et al. (83) ont d'ailleurs révisé des recherches sur les effets de thérapies de

replacement d'estrogènes (ERT) et ont montré que 25-50% des bienfaits de l'ERT étaient attribuables à des changements dans le profil lipidique, comme l'augmentation de la concentration de cholestérol-HDL et les diminutions des concentrations de cholestérol-LDL et de LDL-oxydées ainsi que de lipoprotéine-a.

Pour les hommes, la testosterone a également été identifiée comme un modulateur du profil lipidique. Par exemple, dans une étude s'intéressant aux impacts négatifs de l'obésité et du syndrome métabolique sur les niveaux circulants de testosterone chez les hommes (84), la concentration sanguine de testosterone corrélait négativement avec l'indice de masse corporelle (IMC). De plus la diminution des niveaux de testosterone avec l'accroissement de l'IMC était plus prononcée chez les individus avec le syndrome métabolique (84). Des corrélations négatives entre la concentration sérique de testosterone et celle de triglycérides, de même qu'avec la présence de diabète ont aussi été notées au cours de l'étude (84).

Tchernof et al. (85) ont également rapporté une association négative entre la testosterone et les niveaux de triglycérides, d'apoB, de cholestérol total et de cholestérol-LDL. La concentration de cholestérol-HDL était quant à elle associée positivement à la quantité de testosterone en circulation (85). Les auteurs, ont également souligné l'importance de l'accumulation de tissu adipeux viscéral et de l'adiposité totale dans ces relations (85).

Dans une revue de littérature, Muller et al. (86) ont démontré que des niveaux élevés de testosterone étaient associés à des faibles concentrations de cholestérol-LDL et de TG de même qu'à une concentration élevée de cholestérol-HDL.

3.2 Fonction endothéliale chez l'homme et la femme

Tel que présenté précédemment, le risque de maladies coronariennes chez les femmes de moins de 55 ans est environ le tiers de celui des hommes d'âge comparable et cette différence sexuelle s'atténue par la suite pour disparaître vers l'âge de 75 ans (83). Certains ont donc suggéré que les estrogènes pourraient exercer des effets cardioprotecteurs via des mécanismes dépendants des récepteurs aux estrogènes (83).

En effet, la présence de récepteurs aux estrogènes à la surface des cellules endothéliales suggèrent qu'elles peuvent être stimulées et favoriser la production de NO (un vasodilatateur) (87, 88). Par ailleurs, parmi les autres effets ayant un impact sur la fonction vasculaire, les estrogènes ont également été rapportés pour inhiber les canaux calciques et activer ceux du potassium (83).

En lien avec les effets des hormones sexuelles sur la fonction vasculaire, Williams et al. (89) ont observé la variation de la fonction endothéliale chez la femme tout au long du cycle menstruel. En effet, les chercheurs ont observé que les valeurs de vasodilatation médiée par le flux sanguin (flow-mediated dilation, FMD) de même que celle produite par 1'acetylcholine augmentaient à partir des menstruations jusqu'à la dernière phase folliculaire du cycle menstruel et diminuait lors de la phase lutéale précoce pour ensuite remonter au cours de la phase lutéale tardive (89). La conclusion de leurs travaux fut que pendant le cycle menstruel, la fonction endothéliale des vaisseaux sanguins augmentait pendant la phase lutéale tandis que la compliance artérielle augmentait pendant le développement folliculaire et diminuait lors de l'ovulation (89).

Dans une méta-analyse, Reckelhoff et al. (4) ont examiné les avantages vasculaires liés à la présence d'estrogènes et montré que ceux-ci modulent la réponse de certaines composantes du système rénine-angiotensine, ceci étant observable notamment par l'influence qu'ont les contraceptifs oraux sur l'angiotensine pouvant affecter la pression artérielle (72). Parmi les autres mécanismes sous-jacents aux effets vasculaires bénéfiques des estrogènes, notons la diminution de l'endothéline de même que des effets anti-mitogéniques et antioxydants.

Sader et al. (87) ont investigué les effets des estrogènes sur la fonction endothéliale artérielle chez 23 hommes ayant reçu des implants hormonaux relâchant soit : 1 ) 600 mg de testosterone 2) 600 mg de testosterone + 10 mg d'estrogènes ou 3) 600 mg de testosterone + 20 mg d'estrogènes. Les changements moyens des valeurs de FMD étaient plus grands chez ceux avec les implants hormonaux comprenant le plus d'estrogènes et que ces changements devenaient significatifs après 6 mois. Ces

résultats suggèrent que de petites doses d'estrogènes augmentent significativement la dilatation artérielle dépendante de l'endothélium chez l'homme et qu'il n'impliquait pas d'altérations aux parois des vaisseaux sanguins (taille ou composition).

L'effet de la testosterone sur la fonction endothéliale a aussi été étudié. Les résultats de nombreuses études indiquent que la testosterone pourrait exhiber plusieurs effets favorables sur le système cardiovasculaire comme la vasodilatation effectuée par le potassium; la vasoconstriction effectuée par la libération du thromboxane; et la conversion de la testosterone en œstradiol par l'enzyme aromatase (86, 90).

Une étude d'intervention par Webb et al. (97) a vérifié les effets de la testosterone sur la circulation coronarienne chez les hommes souffrant de maladies coronariennes et ont démontré que la circulation coronarienne était significativement plus élevée lors de l'infusion de testosterone (97).

Quelques études ont comparé la fonction endothéliale mesurée par FMD, entre l'homme et la femme et ont révélé la présence d'une détérioration de la fonction endothéliale chez l'homme comparativement à la femme (92-94). De plus, cette différence sexuelle était maintenue lorsque la FMD d'hommes était comparée à celle de femmes ménopausées (92). McCue et al. (95) ont utilisé la mesure d'onde de pouls comme mesure de la fonction endothéliale chez 45 hommes et 41 femmes pré-ménopausées en santé et n'ont observé aucune différence significative entre les valeurs de l'indice d'hyperémie réactive (RHI) entre les hommes et les femmes. Par ailleurs, lorsqu'une dose de 0.4 mg de nitroglycérine sublinguale était administrée, les femmes affichaient une fonction endothéliale significativement supérieure à celles des hommes (93).

Chapitre 4. Méthodes de mesure de la fonction

endothéliale

Les cellules endothéliales vasculaires ont longtemps été considérées comme inertes mais de nombreuses évidences indiquent maintenant que l'endothélium vasculaire joue un rôle important dans le maintien de l'homéostasie chez l'humain en régulant

non seulement la vasodilatation mais également les processus de vasoconstriction, de prolifération des cellules musculaires lisses, de thrombose, d'inflammation, de coagulation, de fibrinolyse et d'oxydation (72).

La vasodilatation se divise en deux composantes distinctives qui sont la vasodilatation indépendante et dépendante de l'endothélium. La première réfère à la capacité maximale de l'artère à se dilater en réponse à l'administration d'un donneur d'oxyde nitrique (NO), un puissant vasodilatateur, tel que la nitroglycérine. En contrepartie, la vasodilatation dépendante de l'endothélium réfère à la capacité des vaisseaux à se dilater suite à la production endogène de NO par les cellules endothéliales. La dysfonction endothéliale se produit chez un individu en présence de conditions vasoconstrictrices, procoagulantes et proinflammatoires (18) et ce sont généralement les mécanismes sous-jacents à la vasodilatation dépendante de l'endothélium qui sont affectés chez l'individu affichant un profil cardiométabolique défavorable.

Tel qu'indiqué précédemment, l'altération de la capacité dilatatoire des artères est associée à de nombreux facteurs de risque de MCV (96), ce qui suggère qu'une détérioration de la fonction vasculaire peut être présente longtemps avant même que les signes cliniques de MCV se manifestent.

4.1 Vasodilatation médiée par le flot sanguin

Normalement, les artères répondent à une augmentation du flot sanguin en se dilatant par des mécanismes indépendants de l'endothélium (97) mais la FMD est atténuée ou absente en présence d'une dysfonction endothéliale (98).

La technique de mesure de la FMD repose sur la capacité des cellules endothéliales vasculaires à produire et relâcher le NO en réponse à une augmentation de la force de cisaillement (shear stress) exercée sur les parois artérielles suite à l'augmentation du flot sanguin. L'effet de vasodilation se traduit par un changement du diamètre artériel suite à l'hyperémie induite par l'occlusion de l'artère brachiale. La FMD peut donc se calculer en utilisant la formule suivante (99) :

(Diamètre brachial maximal post — occlusion) — (Diamètre brachial pré — occlusion)

%FMD = -i ___, r, , , . , , , . v -X 100

(Diamètre brachial pre — occlusion)

La technique se fait à l'aide d'un ultrasonographe et mesure le changement du diamètre de l'artère brachiale. Cette artère est utilisée puisqu'elle a rarement un diamètre plus élevé que 5.0 mm et que les vaisseaux sanguins ayant un diamètre entre 2.5 - 5.0 mm sont considérés comme étant meilleurs pour la mesure de vasodilatation médiée par le flot sanguin (100). Les vaisseaux ayant un diamètre de moins de 2.5 mm ou de plus de 5.0 mm risquent de respectivement surestimer et sous-estimer la FMD étant donné qu'il y a une relation inverse entre la vasodilatation dépendante de l'endothélium et le diamètre artériel dans des conditions normales (707).

Brièvement, après une période de repos de 15 minutes, la pression artérielle et le pouls du sujet sont enregistrés et le resteront tout au long du test (702). Un brassard gonflable est par la suite installé 2 pouces sous le pli du coude, gonflé à 50 mmHg au-dessus de la valeur de la pression systolique du sujet. L'occlusion de l'avant-bras varie entre 4-5 minutes. L'image de l'artère brachiale est captée par l'ultrasonographe qui continue à capter l'image jusqu'à 4 minutes après l'occlusion (700). Les images sont ensuite analysées afin de calculer le pourcentage de variation de l'artère brachiale après vs. avant l'occlusion.

Plusieurs études ont été effectuées afin d'évaluer la corrélation entre la FMD et les événements cardiovasculaires. Yeboah et al (99) ont montré que dans un groupe de

2 791 participants qu'une FMD faible était un bon prédicteur d'événements cardiovasculaires même après des ajustements pour l'âge et le sexe. L'étude a également montré qu'un diamètre de l'artère brachiale au repos plus large était également un bon prédicteur d'événements cardiovasculaires dans un modèle ajusté pour l'âge et le sexe (p=0.001). Cependant, les auteurs ajoutaient que très peu d'information dans la prédiction du risque cardiovasculaire était disponible lorsqu'on considérait les facteurs de risque traditionnels pour les MCV comme le cholestérol, le tabagisme, l'hypertension artérielle, le sexe, le diabète et les antécédents d'événements cardiovasculaires (99).

4.2 Vitesse de Tonde de pouls

La technique de mesure de vitesse de l'onde de pouls (PWV) est basée sur la variation de la pression contenue dans les vaisseaux sanguins. Une pression est générée par l'éjection ventriculaire du sang et se propage à travers l'arbre artériel à une vitesse qui est déterminée entre autres par l'élasticité et la viscosité sanguine (703). Puisque le sang circule dans un système de conduits élastiques, l'énergie se trouve principalement dans la paroi artérielle et par conséquent, les propriétés de ces vaisseaux (i.e. l'épaisseur, le diamètre de la lumière, etc.) sont extrêmement importantes à considérer lors du calcul de la PWV (103). En théorie, la PWV peut être résumée et calculée par deux équations différentes : soit l'équation Moens-Korteweg ou l'équation de Bramwell-Hill (703).

Plus simplement encore, les dispositifs utilisés pour mesurer la PWV se basent principalement sur l'équation suivante:

Distance parcourue par l'onde de pouls

P W V = - —

Temps de transit de l'onde de pouls

Les instruments développés pour mesurer la PWV utilisent pour la plupart l'équation ci-dessus (104) et enregistrent la forme de l'onde de pouls à deux endroits sur le

corps, soit entre les artères carotide et fémorale, ce qui représente la PWV aortique ou entre les artères carotide et radiale qui représente plutôt la PWV brachiale (705). Le temps de transit de l'onde est calculé à l'aide d'un programme informatique comme référence en utilisant les ondes qui sont enregistrées sur un échocardiogramme simultanément comme référence (105). La distance entre les deux sites d'enregistrement de l'onde de pouls est mesurée permettant le calcul de la PWV (705).

D'autres sites de mesure d'impulsion ont aussi été testés en lien avec la PWV. Yamashina et al. (106) ont utilisé des brassards placés au niveau des artères brachiale et tibiale antérieure (btPWV) dans le but d'évaluer la validité et la reproductibilité de la mesure de btPWV et d'examiner les différences entre les valeurs de btPWV chez les personnes souffrant d'une maladie coronarienne. L'étude a été effectuée chez 41 personnes (34 hommes et 7 femmes) qui devaient subir une angiographie afin de diagnostiquer une maladie coronarienne ou encore une cardiomyopathie. Les résultats ont démontré que les valeurs de btPWV étaient significativement plus élevées chez les patients avec une maladie coronarienne que ceux ayant seulement des facteurs de risque pour celles-ci (p<0.01). De plus, les valeurs de btPWV étaient plus élevées chez les personnes ayant des facteurs de risque que chez ceux qui n'en possédaient pas chez les deux sexes (p<0.01). Les coefficients de la reproductibilité inter-observateur était de 8.4% tandis que celle intra-inter-observateur était de 10.0% (106).

4.3 Amplitude de Fonde de pouls digital

Plus récemment, une technique de mesure de l'amplitude de l'onde de pouls au niveau digital a vu le jour. La tonométrie de l'amplitude du pouls a ainsi été développée (107) et tout comme la technique de FMD, la PAT est basée sur la réponse vasculaire à une hyperémie. Brièvement, l'évaluation se fait dans un environnement contrôlé afin de limiter les facteurs de stress qui pourraient influencer la fonction des vaisseaux sanguins. Des sondes sont placées sur les index des deux mains et un brassard est placé sur un des avant-bras, l'autre bras servant de contrôle. Une pression de 70 mmHg ou 10 mmHg sous la pression diastolique (la valeur inférieure est choisie) est présente dans les sondes afin d'éviter l'accumulation de

sang veineux au bout des doigts. Le brassard est par la suite gonflé à 200 mmHg ou 60 mmHg de plus que la pression systolique (la valeur la plus petite est choisie) pendant 5 minutes puis la circulation sanguine est rétablie suite au dégonflement du brassard. L'amplitude du pouls est enregistrée dans les deux doigts et un algorithme calcule automatiquement la moyenne de l'amplitude de l'onde de pouls pour chaque intervalle de 30 secondes post-occlusion (jusqu'à 4 minutes après le retrait du brassard). Cette valeur est l'indice d'hyperémie réactive (RHI) et plus cette valeur est élevée plus elle indique une bonne fonction endothéliale tandis qu'une valeur faible de RHI suggère une dysfonction endothéliale.

Liu et al. (108) ont quantifiée la variabilité de la mesure de RHI chez 22 sujets. L'avantage majeur de la PAT digitale réside dans sa reproductibilité et la facilité de la mesure automatisée. Les résultats obtenus montraient qu'il n'y avait pas de différences significatives entre les mesures de RHI prises à des intervalles de 2 heures ni même sur des mesures de RHI faibles.

Par ailleurs, Kuvin et al. (709) ont investigué la relation entre la mesure de l'amplitude du pouls et la présence ou l'absence de facteurs de risque cardiovasculaires et ont déterminé qu'une valeur de RHI élevée était associée avec un profil de risque cardiovasculaire plus favorable.

Chapitre 5. But de l'étude

Une différence existe dans l'incidence de MCV chez les hommes et les femmes. Ces différences pourraient être attribuées au fait que les hommes ont typiquement de plus hautes concentrations de triglycérides et de plus faibles concentrations de cholestérol-HDL. Il est intéressant de voir si la fonction endothéliale, un marqueur de l'athérosclérose, pourrait elle aussi être différente chez les hommes et les femmes ainsi que de vérifier si les facteurs avec lesquels corrèle l'indice d'hyperémie réactive (RHI) seraient différents chez les hommes et les femmes. L'objectif de mon projet était d'examiner les différences de la valeur de l'hyperémie digitale PAT entre des hommes âgés et des femmes ménopausées. À cause du profil cardiométabolique typiquement favorable chez les femmes, l'hypothèse associée à cet objectif est que les femmes auraient un RHI plus élevé démontrant une fonction endothéliale supérieure à celle des hommes.

Chapitre 6. Déterminants de la rigidité artérielle chez

l'homme et la femme ménopausée

L'article composant ce chapitre s'intitule :

Correlates of Digital Pulse Wave Amplitude Reactive

Hyperemic Index in Middle-Aged Men and

Correlates of digital pulse wave amplitude reactive

hyperemic index in middle-aged men and

postmenopausal women

Valerie Carnovalea, Marie-Eve Paradis3, Iris Gigleux3, Vanu R. Ramprasathb,

Patrick Couture3, Peter J. Jonesb, Benoît Lamarche3, Charles Couillard3"*

a _{Institute of Nutraceuticals and Functional Foods}

Université Laval

2240 boulevard Hochelaga

Québec (Québec) Canada G1V 0A6

Richardson Centre for Functional Foods and Nutraceuticals University of Manitoba

196 Innovation Drive SmartPark

Winnipeg (Manitoba) Canada R3T 2N2

Corresponding author: Charles Couillard, Ph.D. Professor

Institute of Nutraceuticals and Functional Foods Department of Food Science and Nutrition Université Laval

2440 boulevard Hochelaga, Room 2729-L Québec (Québec) Canada G1V 0A6 Phone: (418) 656-2131 ext. 12855 Fax:(418)656-3423

Email: charles.couillard@fsaa.ulaval.ca

Counts Abstract

Text (including tables and figure legends) References

Figures and Tables

241 words 2 926 words 32

5 Key Words

Endothelial dysfunction, digital reactive hyperemic index, sex differences,

menopause

Abstract

Objective: Digital pulse wave amplitude reactive hyperemic index (PWA-RHI) is increasingly used to assess endothelial dysfunction, an important step in the pathogenesis of cardiovascular disease (CVD). Therefore, there is interest in gathering information on the associations between digital PWA-RHI and cardiometabolic risk profile variables.

Methods and results: We investigated the differences in digital PWA-RHI in a group of 88 middle-aged men (mean age ± SD: 57.9 ± 6.7 years; body mass index: 28.1 ± 4.2 kg/m2) and 135 postmenopausal women (59.2 ± 5.2 years; 27.7 ± 4.1 kg/m2).

Anthropometric as well as fasting blood measurements were obtained from all participants. We found that digital PWA-RHI was significantly lower in men compared to postmenopausal women (1.86 ± 0.56 vs. 2.26 ± 0.72 respectively, p<0.0001) and correlated with body weight (r=-0.22, p<0.005), waist circumference (r=-0.21, p<0.005) as well as with circulating HDL-cholesterol levels (r=0.35, p<0.0001) and cholesterol/HDL ratio (r=-0.24, p<0.001). We also examined the impact of the metabolic syndrome (MetS) on endothelial function and found that digital PWA-RHI values were significantly lower in MetS+ vs. MetS- individuals

(-19%, p<0.0005). In addition, circulating soluble intercellular adhesion molecule-1 concentrations were significantly higher in MetS+ vs. MetS- individuals (+29%, p<0.0001).

Conclusion: In summary, we found that middle-aged men have a deteriorated digital PWA-RHI indicative of an impaired endothelial function compared to postmenopausal women. Furthermore, our study also demonstrates that MetS+ individuals are characterized by endothelial dysfunction and activation which likely contribute to their increased CVD risk.

1. Introduction

Atherosclerosis i.e. plaque buildup within arteries, is an important step in the development of cardiovascular disease (CVD), one of the leading causes of death worldwide. Over the years, many risk factors for CVD have been identified including age, hyperlipidemia, hypertension, abdominal obesity and insulin resistance, a cluster of cardiometabolic alterations that are now identified as components of the metabolic syndrome (MetS) (7).

It is well known that women have a lower risk of CVD compared to men and that menopause reduces this sex-related cardioprotection in women through the alterations of the cardiometabolic profile including increases in circulating LDL-cholesterol and triglyceride concentrations, a decrease in HDL-cholesterol as well as abdominal fat deposition and insulin resistance (2).

Impairment of the normal functions of the vascular endothelium or endothelial dysfunction occurs in the presence of vasoconstrictive, growth promoting, procoagulant and proinflammatory conditions. Endothelial dysfunction are often present long before any obvious clinical signs of CVD can be noted (3). Thus, the measurement of endothelial function is now recognized as an important variable to consider in the assessment of CVD risk (4). In a previous study looking at the effect of age and sex on endothelial function (5), assessed by arterial flow-mediated dilation (FMD) in a healthy population, it was found that between the ages of 20-70 years, FMD was significantly and consistently higher in women compared to men. Interestingly, no statistically significant differences in FMD were found between men and women after the age of 70 years. Other studies on the topic also revealed that men show a significantly deteriorated endothelial function when compared to pre-and post-menopausal women (6, 7). When using digital pulse wave amplitude (PWA) as a measure of endothelial function McCue et al. (8) found no significant difference in digital PWA-reactive hyperemic index (RHI) values between men and premenopausal women. The present study was therefore undertaken in order to

investigate the differences in and correlates of digital PWA-RHI in middle-aged men and postmenopausal women.

2. Methods 2.1 Subjects

The present study was performed using baseline data of subjects enrolled in a 4 week intervention study investigating the impact of looking at the importance of dietary spices and herbs on vascular function. Eighty-eight middle-aged men and 135 postmenopausal women were recruited throughout the Québec City and Winnipeg areas. In order to be included in the study, subjects had to be aged between 40-70 years, have a waist circumference > 94 cm for men or > 80 cm for women as well as a Framingham 10-year risk score under 20% (9). Menopause was defined as the absence of menses for at least one year. Individuals were excluded from the study if they had a diagnosis and/or treatment for hypertension, CVD, type 2 diabetes mellitus (T2DM) or other endocrine disorders, if they were current smokers or had an alcohol consumption > 1 drink/day (15g). Those with unusual dietary habits (e.g. vegetarianism), using supplements (hormone replacement therapy was only accepted when a stable dose of progestin had been taken for at least 3 months, vitamins, minerals or flavonoids) or with an aversion for dietary spices and/or herbs were also excluded from the study. Each participant signed a consent form which was explained verbally in detail was approved by the Human Research Ethics Committee of Université Laval and the Biomedical Research Ethics Board of the University of Manitoba.

2.2 Physical Measurements

Body weight, height, waist and hip circumferences was measured at rest using an automated sphygmomanometer (HEM-907XL, Omron Healthcare Inc., Bannockburn, IL, USA) were measured using standardized procedures (70).

2.3 Endothelial Function

Digital pulse amplitude was measured in the fasting state using a peripheral arterial tone (PAT) device placed on the tip of each index finger (EndoPAT2000, Itamar Medical, Caesarea, Israel). The PAT device included a pneumatic plethysmograph that applied uniform pressure to the surface of the distal finger, allowing measurements of pulse volume changes in the finger. Inflation pressure of the digital device was electronically set to 10 mm Hg below diastolic blood pressure or 70 mm Hg (whichever value was lower). Baseline amplitude was measured from each fingertip for 5 minutes. Arterial flow was then interrupted for 5 minutes by a cuff placed on a proximal forearm and inflated at a pressure of 200 mm Hg or 60 mm Hg higher than the systolic blood pressure, unless the occlusion appeared incomplete at which time the cuff pressure was increased to 250 mm Hg (whichever value was lower). The cuff was then rapidly deflated and pulse amplitude was recorded electronically in both fingers and analyzed using the automated algorithm provided by Itamar Medical which provided the average PAT measure for each 30-second interval after forearm cuff deflation up to 5 minutes. The reactive hyperemic index (RHI) was then calculated as the ratio of the post- to pre-occlusion PAT amplitude of the tested arm, divided by the post- to pre-occlusion PAT values ratio of the control arm (11). Inflation and deflation of the cuff was performed using a E20 Rapid Cuff Inflator (DE Hokanson Inc, Bellevue, WA, USA).

2.4 Blood Measurements

Total and HDL-cholesterol as well as TG levels were determined in serum from 12-hour fasting blood samples as previously described (72, 73) while LDL-cholesterol was calculated (14). Plasma oxidized LDL particles (OxLDL, Alpco Diagnostics Windham, NH, USA), soluble forms of the vascular cell adhesion molecule-1 (sVCAM-1) and E-selectin (sE-selectin, Abcam, Cambridge, MA, USA) as well as of the intercellular adhesion molecule-1 (sICAM-1, R&D Systems, Hornby, Ontario, Canada) were measured in plasma using commercial assays. Serum glucose was measured enzymatically (75), whereas serum insulin was measured by

radioimmunoassay with polyethylene glycol separation (16). The homeostasis model assessment index of insulin resistance (HOMA-IR) value was then calculated (17).

2.5 Statistical Procedures

Differences between groups were tested by GLM procedures with an adjustments for sex and recruitment center when appropriate. Spearman's correlation coefficients were calculated to test for associations between the different variables. This study used the NCEP definition of MetS wherein individuals with the MetS are defined as having at least three of the following (7): waist circumference >102 cm for men or > 88 cm for women; triglycerides > 1.7 mmol/L; HDL-cholesterol < 1.03 mmol/L for men or < 1.29 mmol/L for women; blood pressure > 130/85 and a fasting plasma glucose of > 5.6 mmol/L. All analyses were conducted using the SAS statistical package (version 9.2, SAS Institute, Cary, NC, USA). Throughout the manuscript a p value < 0.05 is considered statistically significant.

3. Results

Table 1 shows the physical and metabolic characteristics of study participants. On average, men were younger than postmenopausal women (p<0.005) and were also characterized with a higher BMI (p<0.05) and larger waist circumference (p<0.0001) elevated diastolic blood pressure (p<0.05) as well as higher plasma TG (p<0.05) concentrations compared to postmenopausal women. On the other hand, postmenopausal women had significantly higher HDL cholesterol levels (pO.0001) which led to a significantly lower total/HDL-cholesterol ratio (p<0.0001) compared to men. Glucose and HOMA-IR levels were found to be significantly higher in men (p<0.05). Table 1 also shows that men were characterized by lower digital PWA-RHI values compared to postmenopausal women (p<0.0001). Furthermore, endothelial dysfunction i.e. a digital PWA-RHI lower than 1.67 (18, 19) was more prevalent in men (50%) than in postmenopausal women (33%). No significant differences were observed in plasma oxidized LDL, sICAM-1, s VCAM-1 and sE-selectin concentrations between men and postmenopausal women.

Table 2 shows the associations between digital PWA-RHI values and physical as well as cardiometabolic variables of the participants. We found that digital PWA-RHI was negatively correlated with overall adiposity and abdominal fat accumulation as suggested by significant negative associations with BMI (r=-0.17, p<0.05) and waist circumference (r=-0.21, p<0.005). Furthermore, a lower digital PWA-RHI was associated with higher plasma TG (r=-0.18, p<0.01) and higher total/HDL-cholesterol ratio (r=-0.24; pO.001) in the entire cohort (Table 2).

In an effort to better characterize the impact of the MetS on endothelial function, we compared digital PWA-RHI values and circulating adhesion molecule concentrations in individuals with (MetS+) vs. without the MetS (MetS-). Digital PWA-RHI values were found to be significantly higher in MetS- vs. MetS+ individuals (2.20 ± 0.07 vs. 1.85 ± 0.05, p<0.0005) (Figure 1). Similar observations were made when men and postmenopausal women were examined separately. Figure 2 illustrates that fasting plasma sICAM-1 concentrations were significantly increased

in MetS+ vs. MetS- individuals (pO.001) while no difference was noted in plasma sVCAM-1 and sE-selectin concentrations between MetS- vs. MetS+ individuals.

Finally, we conducted multiple regression analyses (Table 3) in order to quantify the independent contributions of physical and metabolic variables to digital PWA-RHI values and found that HDL-cholesterol, diastolic BP and sex were all significant predictors of the variance of digital PWA-RHI.

4. Discussion

In the present study, we show that there is a clear difference in the endothelial function of middle-aged men and postmenopausal women with men displaying lower digital PWA-RHI values. This sex-difference in endothelial function is in accordance with previous observations (77) and gives further support to the notion that impairment of endothelial function contributes to the higher incidence of CVD in men compared to women of similar age (20).

There is a well-described sex difference in endothelial function with women showing a more favorable vascular response than men and that is explained, at least partly, by differences in sex hormones profiles. Indeed, estrogens have been characterized with antioxidant properties as well as being able to favorably modulate the lipid profile (27, 22), both of which are metabolic adaptations associated with better endothelial function. Hormonal changes occurring at menopause in women (i.e. loss of estrogens) have been shown to reduce the sex protection against CVD (23). However, as we tested postmenopausal women, it is unlikely that the higher PWA-RHI values of women of the present study would result from circulating estrogens.

Age has also been associated with endothelial dysfunction and this effect has been reported to occur earlier in men than women (24). Indeed, whereas men begin to show progressive impairment of endothelial function around 40 years of age, a steep decline in endothelial function is rather observed in women 10 years later, consistent with the onset of menopause and progressive loss of the protective effect of estrogens on the vasculature (25). In the present study, although postmenopausal women were older than men (-4 years on average), the status of their endothelial dysfunction was still more favorable than that of the men suggesting that the decline in endothelial function with age in women may not have reached that of men. On the other hand, the age-related decline in endothelial function has been assessed by brachial artery FMD

in most studies rather than digital PWA-RHI and potential differences on the effect of age in both measures cannot be discarded.

Blood vessel diameter must also be considered as an explanation for the sex-difference in digital PWA-RHI we report herein. To that effect, it has been previously shown that resting brachial artery diameter (BAD) is smaller in middle-aged women compared to middle-aged men (3.4±0.1 vs. 4.2±0.1 mm for men and women respectively) (7) while PWA-RHI was higher in women than in men. Interestingly, when women were individually matched with men for resting BAD, PWA-RHI values of men and women were found to be comparable (7). Unfortunately, we did not measure resting BAD in the present study and thus, we were not able to examine its contribution in our observations.

Obesity has also been shown to be associated with endothelial dysfunction as suggested by the inverse relationship reported between brachial artery FMD and BMI (26, 27). Furthermore, abdominal obesity has been suggested to be more important in the relationship of obesity to endothelial dysfunction as the impairment of FMD has been more closely associated to the waist-to-hip ratio than BMI (28). Although not assessed by brachial artery FMD, we also found that waist circumference and BMI were negatively associated with endothelial function, an observation which is concordant with previous studies reporting an inverse relationship between digital PWA-RHI and overall as well as abdominal obesity (77).

The detrimental impact of a dysmetabolic profile on endothelial function is also revealed by the impairment of the response of the vascular endothelium to hyperemia in individuals with the MetS (29). Our results are in line with these previous observations as we also report that digital PWA-RHI values are decreased in middle-aged men and postmenopausal women with the MetS. It has been suggested that the peculiar metabolic and hormonal milieu of the MetS contributes to endothelial dysfunction through the impairment of nitric oxide synthesis and degradation (30). Furthermore, as we also found that circulating sICAM-1 concentrations were

increased in individuals with the MetS, this supports the fact that an impaired vascular function is often accompanied by endothelial activation.

A potential limitation of the present study is that we only tested middle-aged men and postmenopausal women. Although we report a sex-difference in digital PWA-RHI, we were not able to thoroughly investigate the impact of age and menopause on endothelial function as we could have with the inclusion of younger men and premenopausal women in the study. Furthermore, endothelial function was only measured by digital PWA-RHI although FMD is considered the gold standard technique for assessing endothelial function. It has however been reported that digital PWA-RHI values are significantly associated with FMD measurements (37). On the other hand, this does not rule out the possibility that digital PWA-RHI assessment may only give information on the response of small blood vessels (capillary bed) that may react differently from larger vessels like those evaluated with brachial artery FMD as previously suggested (32). The use of both methods could be valuable in future studies on changes in vascular health and endothelial function with age and the occurrence of menopause.

5. Conclusion

Our study shows that compared to postmenopausal women, middle-aged men are characterized by an impairment of the peripheral blood vessel endothelial response to hyperemic stimulus as suggested by significantly lower digital PWA-RHI values. Our study also reinforces the relationship between the MetS and alterations of the vascular function. Further studies need to be undertaken in order to better understand the etiology of endothelial dysfunction in men and women with or without the MetS as well as how behavioral and nutritional interventions can affect digital PWA-RHI in populations with varying CVD risk.

Acknowledgements and Disclosure

This study was supported by McCormick Science Institute (MSI). We also acknowledge the contributions of nurses and research professionals as well as of the subjects who participated in the study without whom, no clinical research would be possible.