Dysfonction endothéliale et pathologies cardiovasculaires : rôle du stress oxydant et effets protecteurs des polyphénols végétaux Endothélium Pas de mots clés en anglais 615.7 616.13 Endothélium Thèses et écrits académiques Pharmacologie cardiovasculaire Thèses et écrits académiques ‎Polyphénols végétaux‎ Thèses et écrits académiques Si la France bénéficie d’une position relativement avantageuse en matière de mortalité cardiovasculaire, caractérisée par une baisse des taux de décès d’environ 25% entre 1981 et 1991 pour la tranche d’âge de 35 à 64 ans, les maladies cardiovasculaires demeurent un problème important de santé publique. Les maladies cardiovasculaires constituent là encore la 1ère cause de mortalité dans le Monde. Elles sont responsables chaque année du décès de plus de 17 millions de personne, soit 30% de la mortalité. L’étude MONICA, placée sous l’égide de l’OMS, a permis de confirmer la baisse de mortalité coronaire au cours des années 80 mais si la mortalité diminue, le nombre de maladies (cardiovasculaires, cancers) continue de progresser. Aujourd’hui le vieillissement est devenu un sujet de préoccupation. Plus d’une personne sur 10 est âgée de 65 ans et plus, chez qui, environ 70% des décès proviennent de maladies cardiaques, d’accidents vasculaires cérébraux et de cancers. Les recherches réalisées au cours de ces dernières années, sur divers modèles animaux mais aussi chez l’Homme, ont permis d’établir que les principales pathologies cardiovasculaires (diabète, athérosclérose, hypertension artérielle, insuffisance cardiaque…) sont associées à l’apparition d’une dysfonction endothéliale, c'est-à-dire la perte d’un équilibre entre facteurs vasodilatateurs et vasoconstricteurs. En effet, dans les conditions physiologiques normales, les cellules endothéliales ont un rôle majeur dans le maintien de l’homéostasie vasculaire par la formation de puissants facteurs vasodilatateurs tels que le monoxyde d’azote (NO), la prostacycline (PGI2) et le facteur hyperpolarisant dérivé de l’endothélium (EDHF). Par le biais de ces facteurs, les cellules endothéliales maintiennent une surface non thrombogénique pour le flux sanguin, contribuent à inhiber la prolifération des cellules musculaires lisses dans la paroi vasculaire et permettent la vasodilatation. Le stress oxydant, c'est-à-dire un déséquilibre de la balance formation / dégradation des espèces réactives de l’oxygène (ROS, reactive oxygen species), jouerait aussi un rôle important dans la dysfonction endothéliale, notamment en diminuant la biodisponibilité du NO, et dans la physiopathologie de ces maladies. De nombreuses études épidémiologiques indiquent qu’une consommation modérée de vin rouge et d’aliments d’origine végétale (fruits et légumes) réduit le risque des maladies coronariennes et cardiovasculaires malgré une alimentation riche en lipides athérogènes dans les pays méditerranéens, notamment la France et l’Italie. Outre les propriétés antioxydantes de ces composés, leurs effets bénéfiques pourraient s’expliquer par la capacité des polyphénols à protéger l’endothélium et à améliorer sa fonction. En effet, il a été montré par l’équipe d’accueil et d’autres chercheurs que les polyphénols contenus dans le vin rouge, le jus de raisin ou le thé vert sont capables d’induire la formation endothéliale des facteurs vasorelaxants tels que le NO et EDHF. Ainsi, l’objectif général de ce travail de thèse a été d’étudier la fonction endothéliale dans différents modèles expérimentaux de pathologies cardiovasculaires chez l’animal et plus particulièrement d’analyser le rôle du stress oxydant dans la physiopathologie de l’hypertension artérielle, du syndrome hépatopulmonaire et dans le vieillissement physiologique. Les objectifs spécifiques ont été : 1) tout d’abord de déterminer s’il y a ou non présence d’une dysfonction endothéliale dans les modèles animaux citées précédemment dans l’artère mésentérique de rats et d’en déterminer les caractéristiques et les mécanismes sous jacents, notamment au niveau de la formation des facteurs vasorelaxants NO et EDHF; 2) de mettre en évidence le rôle primordial du stress oxydant dans la dysfonction endothéliale ; 3) de déterminer si les polyphénols du vin rouge sont capables d’induire des relaxations endothélium-dépendantes dans une artère de résistance (l’artère mésentérique) de rats sains mais aussi pathologiques ; 4) de déterminer lors du vieillissement physiologique, si les polyphénols du vin rouge sont capables de prévenir l’apparition d’une dysfonction endothéliale et / ou de l’améliorer chez les animaux âgés. Une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires et cellulaires de ce dysfonctionnement permettra à plus long terme de proposer de nouveaux traitements pour ces pathologies, en vue de prévenir et/ou de limiter leur évolution. La première étude a porté sur l’exploration des effets d’un traitement chronique de rats avec l’angiotensine II (0,4 mg/kg/j pendant 3 semaines à l’aide de mini pompes osmotiques sous-cutanées) sur les paramètres hémodynamiques, in vivo, et la fonction endothéliale, ex vivo sur des anneaux isolés d’artère mésentérique. Les résultats obtenus ont permis de montrer que l’administration chronique d’angiotensine II induit une augmentation significative de la pression artérielle systolique, sans modification de la fréquence cardiaque. A cet effet hypertenseur est associé une dysfonction endothéliale, se caractérisant par une diminution sélective de la composante EDHF de la relaxation sans modification apparente de la composante NO. L’analyse de segments d’artères mésentériques ex vivo, en microscopie confocale, a révélé une diminution de plus de 50% de l’expression des connexines Cx37, Cx40 et Cx43 (composant les jonctions gap impliquées dans la vasodilatation médiée par EDHF) et des canaux potassiques IKCa et SKCa (impliqués dans la genèse du facteur EDHF) dans la paroi artérielle des animaux hypertendus traités avec l’angiotensine II. Nous avons également observé une production accrue d’espèces réactives de l’oxygène dans la paroi des artères mésentériques de rats traités chroniquement avec l’angiotensine II, impliquant une augmentation de l’expression de la NADPH oxydase et de la NO synthase endothéliale. Nous avons pu mettre en évidence que les polyphénols du vin rouge sont capables d’induire les relaxations dans l’artère mésentérique de rats contrôles, par l’activation de la voie PI3-kinase/Akt aboutissant à la formation des facteurs vasorelaxants NO et EDHF, tout comme dans l’artère coronaire de porc. Ainsi nous avons pu montrer l’existence d’une seconde voie de formation des facteurs vasorelaxants dans l’artère mésentérique, différente de la voie calcique stimulée par deux puissants stimulateurs de NO et d’EDHF, l’acétylcholine et la bradykinine. C’est pourquoi durant toutes les expériences réalisées ex vivo sur les artères nous avons comparé la capacité des deux stimuli, acétylcholine et polyphénols du vin rouge, à induire la relaxation des artères. La seconde partie de mon travail a porté sur l’étude de la fonction endothéliale dans un modèle in vivo chez le rat de syndrome hépatopulmonaire (SHP) associée à une hypertension portale et une cirrhose biliaire. Ainsi, la ligature de la voie biliaire commune aboutit au développement de cette pathologie. Celle-ci est associée à une dysfonction endothéliale au niveau du lit mésentérique avec une atteinte sélective de la composante EDHF de la relaxation sans modification de la composante NO. Cette atteinte spécifique d’EDHF est associée à une diminution de l’expression des trois connexines Cx37, Cx40 et Cx43 et des deux canaux potassiques dépendants du calcium IKCa et SKCa. Nous avons aussi pu mettre en évidence le rôle du stress oxydant chez les animaux malades tant au niveau de l’artère mésentérique qu’au niveau de l’artère pulmonaire, avec une augmentation de la formation d’espèces réactives de l’oxygène, les anions superoxyde par la NADPH oxydase et la NOS endothéliale découplée. Les rats traités préventivement avec de l’apocynine, un inhibiteur de la NADPH oxydase et un antioxydant, ont permis de confirmer le rôle majeur du stress oxydant dans cette pathologie, puisque les rats traités présentent une fonction endothéliale normale. Un second traitement nous a permis de mettre en évidence l’importance de système rénine-angiotensine dans cette pathologie, en effet le traitement préventif au losartan un antagoniste des récepteurs à l’angiotensine II, est capable de prévenir la dysfonction endothéliale et ses mécanismes sous jacents. Enfin la dernière partie de ma thèse a porté sur l’étude de la fonction endothéliale dans le vieillissement naturel in vivo chez le rat, dans laquelle une dysfonction endothéliale progressive a été mise en évidence avec l’avancement de l’âge des animaux. En effet, dès 20 semaines une diminution des relaxations endothélium-dépendantes à l’acétylcholine et aux polyphénols du vin rouge est observée, diminution s’aggravant entre 40 et 55 semaines. Cette dysfonction endothéliale est caractérisée d’une part par une diminution des connexines Cx37, Cx40 et Cx43 et des canaux potassiques dépendants du calcium IKCa et SKCa aboutissant à l’altération des relaxations médiées par EDHF, d’autre part par la formation d’espèces réactives de l’oxygène et la formation de peroxynitrites aboutissant à la baisse de la biodisponibilité du NO et donc des relaxations moindres. Le rôle du stress oxydant dans le vieillissement a été confirmé par la capacité d’un traitement préventif et curatif avec l’apocynine, à prévenir et à améliorer les modifications induites avec l’âge. De plus, les traitements avec les polyphénols du vin rouge ont permis de mettre en évidence leur capacité à prévenir l’apparition de la dysfonction endothéliale chez le rat âgé mais aussi de restaurer en partie les relaxations endothélium-dépendantes chez les animaux âgés ayant été traités avec les polyphénols du vin rouge durant un mois. De plus, nous avons analysé l’effet de l’âge sur la capacité physique des animaux et donc sur les conséquences du vieillissement sur l’animal entier. Nous avons pu mettre en évidence une perte de la capacité d’exercice chez les animaux âgés en partie prévenue par l’apocynine et les polyphénols du vin rouge, soulignant ainsi les effets protecteurs et bénéfiques des polyphénols du vin rouge sur l’organisme entier et pas uniquement sur la fonction endothéliale. Ces études ont permis de mettre en évidence des similitudes dans les mécanismes de l’atteinte vasculaire observée dans l’hypertension artérielle, le syndrome hépatopulmonaire ainsi que dans le vieillissement. Ceux-ci offrent ainsi de nouvelles pistes quant à l’implication majeure du stress oxydant et du système rénine-angiotensine dans ces pathologies. Deux traitements se sont avérés efficaces pour ces pathologies, le losartan dans le traitement du SHP et de ses complications et les polyphénols du vin rouge bénéfiques dans le cas du vieillissement physiologique. Du point de vue clinique, nos résultats suggèrent que le losartan pourrait ainsi ouvrir sa fenêtre thérapeutique au contrôle et à l’amélioration de l’hyperdynamie circulatoire et spécialement dans le SHP, complication de la cirrhose et de l’hypertension portale. Les polyphénols du vin rouge avaient déjà démontré leur capacité à prévenir l’hypertension artérielle mais offrent aujourd’hui de nouveaux espoirs quant à leurs effets bénéfiques pour le système vasculaire au cours du vieillissement physiologique. A l’heure actuelle, des études sont en cours dans l’équipe d’accueil afin de déterminer quelles sont les molécules actives dans l’extrait de vin rouge ; ceci permettant de proposer de nouvelles alternatives thérapeutiques. De plus, l’identification des sources alimentaires (fruits, légumes, boissons) riches en ces molécules actives permettra de proposer des orientations hygiéno-diététiques en conseillant une consommation régulière de ces aliments et boissons. If France has a relatively advantageous position in terms of cardiovascular mortality, characterized by a lower death rate of about 25% between 1981 and 1991 for age 35 to 64 years, cardiovascular diseases remain an important problem of public health. Cardiovascular disease is again the 1st cause of death worldwide. They are responsible each year of the death of over 17 million people, or 30% mortality. The MONICA study, under the aegis of WHO, confirmed the decline in coronary mortality during the 80s but if mortality is declining, the number of diseases (cardiovascular, cancer) continues to grow. Today aging has become a concern. More than 10 people are aged 65 and over, in which approximately 70% of deaths from heart disease, stroke and cancer. Research in animal models but also in humans, conducted in recent years, have shown that the major cardiovascular diseases (diabetes, atherosclerosis, hypertension, congestive heart ...) are associated with the appearance of endothelial dysfunction, a loss of balance between vasoconstrictor and vasodilator factors. Indeed, in normal physiological conditions, endothelial cells have a major role in maintaining vascular homeostasis by forming powerful vasodilator factors such as nitric oxide (NO), prostacyclin (PGI2) and factor derived hyperpolarizing the endothelium (EDHF). Through these factors, endothelial cells maintain a non-thrombogenic surface for blood flow, helping to inhibit the proliferation of smooth muscle cells in the vascular wall and allow vasodilatation. Oxidative stress, that is to say an imbalance formation / degradation of reactive species of oxygen (ROS, reactive oxygen species) play an important role in endothelial dysfunction, including reducing the bioavailability of NO, and in the pathophysiology of these diseases. Numerous epidemiological studies indicate that moderate consumption of red wine and plant foods (fruits and vegetables) reduces the risk of coronary heart disease despite a diet rich in atherogenic lipids in Mediterranean countries, including France and Italy. Besides the antioxidant properties of these compounds, their beneficial effects could be explained by the ability of polyphenols to protect and improve endothelial function. Indeed, it has been shown by the host team and other researchers that the polyphenols in red wine, grape juice or green tea are able to induce the formation of endothelial vasorelaxant factors such as NO and EDHF. Thus, the overall objective of this thesis was to study the different endothelial function in experimental models of cardiovascular diseases in animals and in particular to analyze the role of oxidative stress in the pathophysiology of hypertension, hépatopulmonaire syndrome and physiological aging. The specific objectives were: 1) first determine whether or not the presence of endothelial dysfunction in animal models mentioned earlier in the mesenteric artery of rats and to determine the characteristics and mechanisms in behind, particularly in the formation of vasorelaxant factors NO and EDHF, 2) highlight the role of oxidative stress in endothelial dysfunction, 3) determine whether red wine polyphenols are able to induce relaxation of endothelium -dependent in a resistance artery (mesenteric artery) in healthy rats but also pathological 4) to determine when physiological aging, if the red wine polyphenols are able to prevent the occurrence of endothelial dysfunction and / or to improve in older animals. A better understanding of molecular and cellular mechanisms of this dysfunction will enable longer term to offer new treatments for these diseases to prevent and / or limit their development. The first study focused on exploring the effects of chronic treatment of rats with angiotensin II (0.4 mg / kg / d for 3 weeks using osmotic mini-pumps subcutaneously) on the parameters hemodynamics in vivo and endothelial function, ex vivo on isolated rings of mesenteric artery. The results have shown that chronic administration of angiotensin II induced a significant increase in systolic blood pressure without changing heart rate. In this hypertensive effect is associated with endothelial dysfunction, characterized by a selective reduction of the EDHF component of relaxation without apparent change of the component NO. The analysis of segments of mesenteric arteries ex vivo confocal microscopy, showed a decrease of more than 50% of the expression of connexins Cx37, Cx43 and CX40 (comprising the gap junctions involved in vasodilation mediated by EDHF) and potassium channel IKCa and SKCa (involved in the genesis factor EDHF) in the arterial wall of hypertensive animals treated with angiotensin II. We also observed increased production of reactive species of oxygen in the wall of mesenteric arteries of rats chronically treated with angiotensin II, involving an increased expression of NADPH oxidase and endothelial NO synthase. We were able to show that red wine polyphenols are able to induce relaxation in the mesenteric artery of control rats by activating the PI3-kinase/Akt path leading to the formation of vasorelaxant factors NO and EDHF, as in the pig coronary artery. Thus we have shown the existence of a second process of formation of vasorelaxant factors in the mesenteric artery, different from the way calcium stimulated by two potent stimulators of NO and EDHF, acetylcholine and bradykinin. So during all experiments performed on ex vivo arteries we compared the ability of the two stimuli, acetylcholine and polyphenols in red wine, to induce relaxation of arteries. The second part of my work has focused on the study of endothelial function in an in vivo rat hepatopulmonary syndrome (HPS) associated with portal hypertension and biliary cirrhosis. Thus, ligation of the common bile duct led to the development of this pathology. It is associated with endothelial dysfunction in the mesenteric bed with selective impairment of the EDHF component of relaxation without changing the component NO. This achievement of specific EDHF is associated with decreased expression of the three connexins Cx37, Cx43 and CX40 and two potassium channels IKCa and SKCa. We were also able to highlight the role of oxidative stress in diseased animals both in the mesenteric artery at the level of the pulmonary artery, with increased formation of reactive species of oxygen, superoxide anions by NADPH oxidase and uncoupled endothelial NOS. The rats treated preventively with apocynin, an inhibitor of NADPH oxidase and an antioxidant, have confirmed the role of oxidative stress in this pathology, since the treated rats have a normal endothelial function. A second treatment allowed us to highlight the importance of renin-angiotensin system in this disease, because preventive treatment with losartan receptor antagonist to angiotensin II is able to prevent endothelial dysfunction and its mechanisms in behind. The last part of my thesis focused on the study of endothelial function in the natural aging in vivo in rats, in which progressive endothelial dysfunction has been demonstrated with advancing age of animals. In fact, from 20 weeks decreased endothelium-dependent relaxations to acetylcholine and polyphenols in red wine is observed decline increased between 40 and 55 weeks. This endothelial dysfunction is characterized in part by a decrease of connexin Cx37, Cx43 and CX40 and potassium channels IKCa and SKCa leading to alteration of relaxation mediated by EDHF, secondly by the formation of species reactive oxygen and formation of peroxynitrite leading to decreased bioavailability of NO and thus less relaxation. The role of oxidative stress in aging has been confirmed by the ability of a preventive and curative treatment with apocynin, prevent and improve the induced changes with age. Furthermore, treatment with the polyphenols in red wine have helped to highlight their ability to prevent the onset of endothelial dysfunction in aged rats but also partially restore endothelium-dependent relaxations in aged animals have been treated with polyphenols in red wine for a month. In addition, we analyzed the effect of age on the physical abilities of animals and therefore the effects of aging on the whole animal. We were able to demonstrate a loss of exercise capacity in older animals partially prevented by apocynin and polyphenols in red wine, highlighting the beneficial and protective effects of polyphenols in red wine on the whole body and not only on endothelial function. These studies highlight similarities in the mechanisms of vascular injury observed in hypertension, the hepatopulmonary syndrome well as in aging. They thus offer new avenues for the major involvement of oxidative stress and the renin-angiotensin system in these pathologies. Two treatments have proven effective for these conditions, losartan in the treatment of HPS and its complications and polyphenols in red wine beneficial in cases of physiological aging. From a clinical perspective, our results suggest that losartan may well open the therapeutic window to control and improvement of the hyperdynamic circulatory and especially in the SHP, a complication of cirrhosis and portal hypertension. The polyphenols in red wine had already demonstrated their ability to prevent hypertension but today offer new hope for their beneficial effects on the vascular system during physiological aging. Currently, studies are underway in the host team to determine what is (or are) the active molecule(s) in the extract of red wine that would also offer new therapeutic alternatives. Furthermore, identification of food sources (fruit, vegetables, drinks) high in the active molecules will provide guidance lifestyle modifications advising regular consumption of these foods and beverages. Electronic Thesis or Dissertation Text fr France PDF https://publication-theses.unistra.fr/public/theses_doctorat/2009/ROS_Stephanie_2009.pdf Université de Strasbourg Strasbourg Ros Stéphanie 1981-01-01T00:00:00 FR 157030091 http://www.theses.fr/2009STRA2005 2009STRA2005 2009-06-18T00:00:00 Pharmacologie Université de Strasbourg 131056549 Doctorat Docteur es non oui Bronner Christian 110351827 École doctorale Sciences de la vie et de la santé (Strasbourg ; 2000-....) ED414 156502844 ddc:610