Les premières définitions du préconditionnement et de
la tolérance ischémiques ont été établies au niveau cardiaque par
C.E. Murry et al. en 1986 [1] (‹).
(‹) m/s 2004, n° 5, p. 521
Depuis, ce phénomène de protection endogène a été mis en
évidence chez la plupart des mammifères, y compris chez l’homme où
il est actuellement utilisé en chirurgie cardiaque. Parallèlement,
la notion de tolérance à l’ischémie s’est étendue à d’autres
organes, et en particulier au cerveau. Dès 1986, A. Schurr et al.
ont montré in vitro qu’une courte période d’anoxie protège
l’hippocampe d’une anoxie plus longue, normalement délétère pour
les neurones. Ce processus d’adaptation des neurones présentait les
caractéristiques qui servent aujourd’hui à définir le
préconditionnement [2]. Mais il a fallu attendre 1990 pour que le
terme de tolérance cérébrale ischémique soit utilisé, et cinq ans
de plus pour que la tolérance épileptique soit définie par analogie
avec la tolérance ischémique : c’est-à-dire qu’une crise
épileptique modérée protège le cerveau d’une crise normalement
délétère pour les neurones [3, 4].
Dans les premières expériences visant à établir un état de
tolérance contre un stimulus pathogène, l’inducteur était de même
type que le stimulus létal, d’où le terme de préconditionnement.
Seule l’intensité des stimulus variait, le stimulus inducteur
devant être infraliminaire au seuil du dommage irréversible et le
second stimulus étant supposé létal pour les neurones. Les
imprécisions dans la terminologie ont engendré des confusions entre
la tolérance - qui correspond à la fenêtre de protection contre une
maladie - et le préconditionnement, qui est l’inducteur de
celle-ci. Cela a compliqué la compréhension du phénomène et masqué
son important potentiel thérapeutique. L’avènement de nouvelles
technologies et une meilleure approche des exemples historiques de
la tolérance cérébrale ischémique et épileptique devraient
faciliter les futures investigations.
La tolérance ischémique cérébrale
Le phénomène de tolérance ischémique est d’abord un concept
expérimental, décrit principalement dans le cœur et le cerveau,
mais aussi dans de nombreux autres organes. L’induction et le
maintien de la tolérance impliquent des effecteurs moléculaires
dont la plupart semblent communs aux différents
préconditionnements. Cependant, les spécificités liées à la
régulation de l’excitabilité neuronale font de la tolérance
cérébrale un phénomène unique.
Les premières études in vivo ont montré qu’une ischémie cérébrale
modérée déclenche un mécanisme de protection endogène : le
préconditionnement cérébral de type ischémique réduit la
neurodégénérescence normalement induite par une ischémie cérébrale
sévère lorsque le cerveau n’est pas préconditionné [3] (Figures 1
et 2).
Les deux critères majeurs régissant cette tolérance sont
l’intensité du premier stress ischémique et le délai séparant les
deux agressions ischémiques. La protection est induite par une
ischémie modérée, non létale pour les neurones, et apparaît
uniquement si le délai entre les deux ischémies est de plusieurs
dizaines heures [5]. La protection est transitoire et implique une
fenêtre de protection de 24 à 96 heures après la première ischémie
(Figure 1). La tolérance est établie par la quasi-totalité des
agressions ischémiques, qu’elles soient focales (occlusion de
l’artère cérébrale moyenne), globales (arrêt total du débit sanguin
cérébral) ou croisées (pour revue, voir [6]). Des modèles de
tolérance neuronale ischémique ont été développés in vitro [6]. Les
conditions induisant l’ischémie sont reproduites en associant une
hypoxie à un appauvrissement en glucose du milieu de culture. Ce
modèle respecte le profil des dommages neuronaux observé in vivo et
la tolérance ischémique observée semble régie par les mêmes
critères.
Figure 1. Critères définissant les concepts du
préconditionnement et de la tolérance cérébrale. Il existe
plusieurs types de préconditionnement cérébral, définis en fonction
de leur inducteur (la première agression cérébrale, qui doit dans
tous les cas être modérée). Il existe toujours un délai, impliquant
des changements biochimiques, avant que la fenêtre de protection ne
s’établisse. Les deux fenêtres de protection généralement décrites
sont transitoires et ont des profils temporels distincts : la
fenêtre précoce est de courte durée et apparaît rapidement après le
préconditionnement ; la fenêtre retardée est quant à elle effective
entre 24 et 96 heures après le préconditionnement.
La tolérance épileptique
Une des premières descriptions relatives à ce phénomène concerne
deux modèles d’épilepsie chez l’animal : l’embrasement limbique par
kindling dans le cortex pyriforme et l’injection d’un analogue du
glutamate (le principal neuromédiateur excitateur), l’acide
kaïnique. Son injection chez des rats, préalablement soumis à un
embrasement limbique, n’induit pas les dommages neuronaux attendus
avec ce type d’agression épileptique [7]. Depuis, la tolérance
épileptique a été définie par analogie avec la tolérance ischémique
[4] (Figures 1 et 2) et mise en évidence dans plusieurs modèles
expérimentaux, avec différents types de crises épileptiques
induites par différents neurotoxiques [4, 8]. Des études in vitro,
notamment sur des cultures organotypiques d’hippocampe, ont
confirmé que l’exposition préalable de neurones à une dose
sublétale d’acide kaïnique les protège des dommages normalement
induits par une dose toxique (voire létale) de cet agent [9].
Figure 2. Protection des neurones de l’hippocampe par différents
types de préconditionnement et analogie entre les tolérances
ischémique et épileptique. La tolérance cérébrale ischémique
décrite dans cette figure est induite par un préconditionnement
ischémique (ischémie cérébrale modérée). Ce dernier réduit la
neurodégénérescence au niveau des couches du CA1 de l’hippocampe
induite par une ischémie cérébrale sévère lorsque le cerveau n’est
pas préconditionné. De même, la tolérance épileptique est induite
par un préconditionnement épileptique (crise épileptique modérée)
qui préserve les neurones des couches du CA3 de l’hippocampe
détruits lors d’une crise épileptique sévère. Le préconditionnement
pharmacologique, par les activateurs des canaux KATP ou des
récepteurs de l’adénosine de type A1, est capable quant à lui
d’induire une tolérance ischémique ou épileptique. Cela suggère que
chacun des éléments intervenant dans l’établissement de la
tolérance cérébrale représente une cible thérapeutique potentielle.
crom : (-)cromakalim ; R-PIA :
R(-)N6-(2-phénylisopropyl)-adénosine.
La tolérance croisée et le préconditionnement
pharmacologique
La définition des critères régissant la tolérance ischémique ou
épileptique a ouvert de nouveaux champs d’investigation avec deux
nouveaux aspects de la tolérance cérébrale : la tolérance croisée
et le préconditionnement pharmacologique. La notion de tolérance
croisée repose sur le fait que de nombreux stimulus supposés être
nocifs, comme l’hyperthermie, la cortical spreading depression ou
le stress oxydatif augmentent la résistance du cerveau à une
agression cérébrale secondaire d’un type différent. Le premier
stimulus, toujours sublétal, est perçu par les neurones comme un
signal de stress.
Le préconditionnement pharmacologique implique que la molécule
utilisée pour induire la résistance du cerveau stimule les
mécanismes biologiques probablement mis en jeu lors de
l’établissement de la tolérance cérébrale. Pour établir celle-ci,
la réponse neuronale nécessite toujours un délai de mise en œuvre
associé à la synthèse de nouvelles protéines protectrices ou la
répression de protéines de type pro-apoptotique [10].
La démonstration in vivo de l’existence de la tolérance croisée
(ischémie/épilepsie, épilepsie/ischémie) [8, 11] et l’établissement
de modèles de préconditionnement pharmacologique [10, 12, 13]
offrent de nouvelles opportunités, tant dans le domaine de la
prévention - au niveau clinique - qu’en recherche fondamentale,
dans l’étude des mécanismes communs aux différents
préconditionnements.
Les mécanismes classiques de la tolérance
cérébrale
L’efficacité d’un préconditionnement est associée à la notion de
seuil « à franchir pour protéger » et « à ne pas dépasser pour
éviter la nocivité ». Elle repose sur l’activation de nombreux de
facteurs, d’où sa complexité (Figure 3 et 4).
Parmi les différents composants cellulaires, trois catégories très
liées entre elles peuvent être distinguées : les « senseurs, ou
initiateurs », qui capturent le signal de stress et activent une
multitude de « voies de signalisation intracellulaire,
transducteurs membranaires et intracellulaires » qui eux-mêmes
convergent vers des « effecteurs » de la protection (pour revue,
voir [14]). La plupart de ces facteurs sont communs à tous les
modèles de préconditionnement in vivo et in vitro, et leur
polyvalence est à l’origine de la protection croisée. Chacun
d’entre eux représente une cible thérapeutique potentielle dont
l’activation pourrait améliorer la prise en charge des patients
victimes d’accidents ischémiques ou épileptiques.
La réponse au stress est dans une large mesure identique pour tous
les types cellulaires. Les neurones possèdent cependant des voies
de signalisation intracellulaire spécifiques. Une des distinctions
les plus marquantes entre les neurones et les autres cellules
existe au niveau des senseurs, ou initiateurs, et implique le
glutamate et ses récepteurs.
Figure 3. Où, quand et comment les différents composants
cellulaires impliqués dans les fenêtres précoce et retardée de la
tolérance cérébrale peuvent s’opposer à la cascade
neurodestructrice induite par une agression cérébrale sévère. Une
ischémie ou une crise épileptique sévère induisent, selon un profil
temporel bien défini, une série complexe de mécanismes
(excitotoxicité, apoptose, inflammation) qui aboutit au dommage
cérébral. Le préconditionnement ischémique induit deux fenêtres de
protection (précoce et retardée), dont les délais d’établissement
sont différents et dont l’efficacité ne couvre pas la même échelle
de temps. L’heure de protection offerte par la tolérance précoce
s’oppose aux quelques jours (2 à 4) de la tolérance retardée. Cette
composante temporelle explique pourquoi certains facteurs comme les
senseurs (adénosine ou récepteur A1) interviennent avec le même
rôle dans les deux types de protection, alors que d’autres ont un
double rôle de transducteur ou d’effecteur (KATP). La résistance
neuronale sera réelle si les effecteurs induits dans la fenêtre de
protection s’opposent efficacement à la cascade de mécanismes
délétères déclenchée par l’agression cérébrale sévère. Les
multiples effecteurs de la protection retardée ont des actions
anti-excitotoxique, anti-inflammatoire et anti-apoptotique,
garantissant ainsi une protection maximale. A1R : adenosine
receptor type 1 ; ADO : adénosine ; Akt : a serine-threonine kinase
; BDNF : brain derived neutrophic factor ; COX-2 : cyclo-oxygénase
; CRE : cAMP-response element ; EAAT : excitatory amino acid
transporter ; EPO : érythropoïétine ; ERK : extracellular
signal-regulated kinase ; GluR2 : glutamate-receptor subunit 2 ;
GABA : 4-aminobutyric acid ; GABAA : GABA-A receptor ; HIF :
hypoxia inducible factor ; HSP : heat shock protein ; IEG :
immediate early gene ; IL-1 : interleukine-1 : JNK : c-jun
N-terminal kinase ; KATP : ATP-sensitive potassium channel ; MAPK :
mitogen-activated protein kinase ; MMP : matrix metalloproteases ;
NF-kappaB : nuclear-factor kappaB ; NMDAR : NMDA receptor ; NO :
nitric oxide ; NOS : nitric oxide synthase ; OFR : oxygen free
radical ; p21ras : p21 mitogen-activated protein kinase ; p38 : p38
mitogen-activated protein kinase ; PI3K : phospho-inositide-3
kinase ; PKB : protéine kinase B ; PKC : protéine kinase C ; TNF :
tumor necrosis factor ; VEGF : vascular-endothelial growth
factor.
Figure 4. Mécanismes classiques de la tolérance cérébrale. Les
préconditionnements ischémique et épileptique activent les
récepteurs NMDA (N-méthyl-D-aspartate) et les récepteurs de
l’adénosine de type A1 qui - via une cascade d’activation
impliquant des protéines G et la protéine kinase C (PKC) - ouvrent
les canaux potassiques sensibles à l’ATP (KATP). Les voies de
signalisation intracellulaire résultant de ces activations au
niveau membranaire convergent vers l’activation de facteurs de
transcription - comme le facteur nucléaire kappaB (NF-kappaB) -
dont la translocation au niveau nucléaire induit la synthèse de
protéines bénéfiques pour les neurones, par exemple la protéine de
choc thermique HSP70. Cet ensemble de modifications biochimiques
amène les neurones à un état de tolérance. Ce dernier définit la
fenêtre de protection (retardée), pendant laquelle une agression
cérébrale supposée délétère n’aurait en fait qu’une très faible
incidence sur le cerveau. Les préconditionnements pharmacologiques
par les activateurs des canaux KATP (récepteurs de type A1) et des
récepteurs NMDA reproduisent certaines des voies de signalisation
des préconditionnements dits « classiques », comme le montrent
l’activation du facteur NF-kappaB et la synthèse de la protéine
HSP70. Leur fenêtre de protection est identique à celle induite par
les préconditionnements ischémique et épileptique. MnSOD :
manganese superoxide dismutase ; iNOS : inducible nitric oxide
synthase.
Le glutamate et ses récepteurs
Pour l’ischémie et l’épilepsie, l’hyperexcitabilité et la mort
neuronales sont associées à la libération excessive du
neurotransmetteur excitateur, le glutamate. Le préconditionnement
n’affecte pas la libération du glutamate au cours d’une ischémie
sévère [15], mais prépare les neurones à résister à son action
toxique (excitotoxicité) : il agit sur les récepteurs du glutamate.
In vitro, un préconditionnement pharmacologique par l’activation
des récepteurs NMDA (N-méthyl-D-aspartate) établit une tolérance
neuronale identique à celle obtenue par le préconditionnement
ischémique ou épileptique [16]. Le préconditionnement prévient
l’altération induite par l’ischémie sévère de la sous-unité GluR2
des récepteurs AMPA
(alpha-amino-3hydroxy-5-méthyl-4-isoxazolepropionate), partenaire
de la résistance à l’excitotoxicité [17].
Les récepteurs de l’adénosine de type A1 et les canaux
potassiques sensibles à l’ATP (KATP)
Ces protéines membranaires sont un des sujets les plus
documentés de la tolérance cérébrale. Un préconditionnement
pharmacologique par les activateurs des canaux KATP ou des
récepteurs de type A1 reproduit une fenêtre de protection identique
à celle observée dans la tolérance ischémique ou épileptique, et
déclenche un signal de stress conduisant à la synthèse de
nombreuses protéines, dont HSP70 (heat shock protein), décrite pour
ses effets bénéfiques dans la majorité des modèles de
préconditionnement [10]. L’inhibition des canaux KATP ou des
récepteurs de type A1 abolit les effets bénéfiques induits par un
préconditionnement ischémique ou épileptique [17], tandis que leur
activation en phase aiguë protège les neurones d’une ischémie ou
d’une crise épileptique [18]. Les récepteurs A1 de l’adénosine et
les canaux KATP pourraient donc avoir à la fois un rôle de senseur
et d’effecteur dans la tolérance cérébrale, et l’analyse de leur
rôle dans la phase tardive du préconditionnement cérébral est aussi
compliquée par l’existence potentielle de canaux KATP
mitochondriaux [19].
Le facteur nucléaire kappaB (NF-kappaB)
Le rôle des facteurs de transcription comme NF-kappaB n’a été
étudié que très récemment, lorsque le délai nécessaire à
l’établissement de la tolérance cérébrale a clairement été associé
à la synthèse de nouvelles protéines. Ils représentent un intérêt
particulier puisqu’ils pourraient être un des points de convergence
obligatoire à tous les préconditionnements. Le facteur NF-kappaB a
retenu l’attention, car il est activé par de nombreux stimulus
(anoxie, radicaux libres, ischémie…). On lui attribue de plus un
double rôle : pro- et anti-apoptotique [20]. Cette dualité en
accord avec le concept du préconditionnement a motivé son étude
dans la tolérance cérébrale. Il apparaît aujourd’hui comme un des
points de convergence clé des nombreuses voies de signalisation
intracellulaire déclenchées aussi bien par les préconditionnements
classiques (ischémique et épileptique) que par les
préconditionnements pharmacologiques (activateurs de canaux KATP,
récepteurs A1 ou prétraitement par les acides gras poly-insaturés).
Dans tous ces modèles, l’établissement de la tolérance est aboli si
l’activation du facteur NF-kappaB est inhibée [21].
Conclusions
Les quelques exemples évoqués montrent que de nombreux modèles
de tolérance cérébrale ont été caractérisés, y compris chez l’homme
[22, 23], suscitant un intérêt clinique grandissant. Les cinétiques
d’action sont connues. Les études ont permis d’élargir la notion de
tolérance à la capacité de résistance intrinsèque des neurones face
à des agressions délétères et la notion de préconditionnement à une
multitude de stress cellulaires. L’existence de mécanismes
endogènes communs aux différents préconditionnements ne fait
maintenant plus aucun doute. L’approche génomique, grâce aux
nouvelles techniques d’analyse génomique et protéomique, apporte un
outil supplémentaire à la caractérisation de la réponse aux
différents préconditionnements. Les différentes approches devraient
pouvoir aboutir à une nouvelle stratégie thérapeutique fondée sur
le préconditionnement pharmacologique, par exemple dans le cas de
la chirurgie cérébrale à haut risque de complications vasculaires
ou épileptiques.
Remerciements
Nous tenons vivement à remercier les professeurs M. Lazdunski et M.
Moskovitz de leur confiance et leurs encouragements, ainsi que le
docteur C. Waeber pour sa lecture attentive du manuscrit, sans
oublier le CNRS et la Fondation de la Recherche Médicale pour leur
soutien financier.
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