La mitochondrie : rôles et implications en anesthésie réanimation Mitochondria in anaesthesia and intensive care

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1 Annales Françaises d Anesthésie et de Réanimation 26 (2007) Revue générale La mitochondrie : rôles et implications en anesthésie réanimation Mitochondria in anaesthesia and intensive care K. Nouette-Gaulain a,b, A. Quinart a, T. Letellier b, F. Sztark a,b, * a Département d anesthésie réanimation I, CHU Pellegrin, Bordeaux cedex, France b Inserm U688, université Victor-Segalen Bordeaux-II, Bordeaux cedex, France Reçu le 2 septembre 2006 ; accepté le 17 janvier 2007 Disponible sur internet le 08 mars Résumé Objectif. Les mitochondries interviennent dans de nombreux processus comme l apoptose, la signalisation calcique ou la production des radicaux libres ; elles jouent un rôle essentiel dans la production d énergie de la cellule. L objectif de cette revue est de mettre en évidence les interactions entre les agents pharmacologiques utilisés en anesthésie ou les situations de stress en réanimation et le métabolisme mitochondrial afin de mieux connaître les implications cliniques. Source de données. La banque de données PubMed ( a été interrogée avec les mots clés suivants, selon différentes combinaisons : mitochondria, anaesthesia, anaesthetics, sepsis, preconditioning, ischaemia, hypoxia. Synthèse des données. La mitochondrie constitue une cible pour de nombreux agents anesthésiques. Les effets observés peuvent être toxiques ; c est le cas de la myotoxicité induite par les anesthésiques locaux. Au contraire, ils peuvent être bénéfiques comme dans le cadre du préconditionnement myocardique induit par les agents halogénés. Le métabolisme mitochondrial est modifié dans de nombreuses situations d agression (sepsis, hypoxie chronique, ischémie reperfusion) ; son étude doit permettre d ouvrir de nouvelles voies de recherche thérapeutiques Elsevier Masson SAS. Tous droits réservés. Abstract Objective. Mitochondria play a key role in energy metabolism within the cell through the oxidative phosphorylation. They are also involved in many cellular processes like apoptosis, calcium signaling or reactive oxygen species production. The objectives of this review are to understand the interactions between mitochondrial metabolism and anaesthetics or different stress situations observed in ICU and to know the clinical implications. Data sources. References were obtained from PubMed data bank ( using the following keywords: mitochondria, anaesthesia, anaesthetics, sepsis, preconditioning, ischaemia, hypoxia. Data synthesis. Mitochondria act as a pharmacological target for the anaesthetic agents. The effects can be toxic like in the case of the local anaesthetics-induced myotoxicity. On the other hand, beneficial effects are observed in the anaesthetic-induced myocardial preconditioning. Mitochondrial metabolism could be disturbed in many critical situations (sepsis, chronic hypoxia, ischaemia-reperfusion injury). The study of the underlying mechanisms should allow to propose in the future new specific therapeutics Elsevier Masson SAS. Tous droits réservés. Mots clés : Métabolisme énergétique ; Mitochondrie ; Anesthésiques généraux ; Anesthésiques locaux ; Pore mitochondrial de transition de perméabilité ; Canal potassique mitochondrial ATP dépendant ; Hypoxie ; Sepsis Keywords: Mitochondria; Energy metabolism; anaesthetics; Local anaesthetics; Mitochondrial permeability transition pore; Mitochondrial K(ATP) channel; Hypoxia; Sepsis * Auteur correspondant. Adresse francois.sztark@chu-bordeaux.fr (F. Sztark) /$ - see front matter 2007 Elsevier Masson SAS. Tous droits réservés. doi: /j.annfar

2 Introduction K. Nouette-Gaulain et al. / Annales Françaises d Anesthésie et de Réanimation 26 (2007) Structure des mitochondries Dans les cellules de mammifères, les mitochondries jouent un rôle central car elles sont le siège de nombreuses réactions du métabolisme énergétique comme le cycle de Krebs, la bêtaoxydation des acides gras, les oxydations phosphorylantes et une partie de la néoglucogenèse et du cycle de l urée. Les mitochondries interviennent aussi dans de nombreux processus tels que l apoptose, la signalisation calcique ou la production des radicaux libres, et jouent un rôle essentiel dans la production d énergie dans la cellule. Ce rôle consiste à convertir l énergie libérée lors de l oxydation des glucides, des lipides et des protéines en une forme d énergie directement utilisable par la cellule, l adénosine triphosphate (ATP). Cette transformation porte le nom d oxydation phosphorylante et repose sur une série de réactions d oxydoréduction au niveau de la chaîne respiratoire couplée à la synthèse de l ATP au niveau de l ATP-synthase. D un point de vue physiopathologique, il a été montré que ces organelles participaient à la protection myocardique lors des phénomènes d ischémie reperfusion via le canal mitochondrial potassique ATP-dépendant (mitok ATP ), mais aussi que les agents anesthésiques interagissaient avec les différentes structures mitochondriales avec des effets, soit toxiques, soit protecteurs pour la cellule et l organe selon les propriétés physicochimiques des molécules. Enfin, lors des épisodes d agression comme l hypoxie chronique et le choc septique, les mécanismes d adaptation du métabolisme mitochondrial permettent la survie des cellules. Après un rappel sur le métabolisme mitochondrial, l objectif de cette revue est de mettre en évidence les interactions entre les agents pharmacologiques utilisés en anesthésie ou les situations de stress en réanimation et le métabolisme mitochondrial. Cette revue s inscrit dans la suite de l article publié dans les Annales Françaises d Anesthésie Réanimation sur le métabolisme énergétique cellulaire [1]. L ensemble de ces travaux contribue à souligner le rôle essentiel de la mitochondrie dans l homéostasie cellulaire et sa place au sein de nos préoccupations cliniques. 2. La mitochondrie Les mitochondries sont des organelles intracellulaires, identifiées au XIX e siècle. Classiquement, selon la théorie endosymbiotique, les mitochondries étaient les vestiges d une endocytose bactérienne ; ce postulat est actuellement discuté [2]. La microcinématographie de cellules vivantes révèle que les mitochondries sont des organites extrêmement mobiles et malléables, qui changent constamment de forme. En effet, le nombre, la forme, l organisation et la taille des mitochondries sont très variables selon les tissus et, dans un même tissu, selon les conditions physiologiques et pathologiques [3]. À l exception des hématies et de certaines cellules de l œil, les mitochondries sont ubiquitaires et retrouvées dans l ensemble des cellules de l organisme. Les observations en microscopie électronique montrent que la taille moyenne des mitochondries varie de 0,5 à 1 μm. Ces organelles possèdent deux membranes (une membrane externe et une membrane interne) qui définissent deux compartiments : l espace intermembranaire et la matrice. La membrane interne est plissée (nombreuses crêtes) et présente une perméabilité sélective tandis que la membrane externe est relativement poreuse vis-à-vis de molécules de faible poids moléculaire (< 5 kda). Les échanges métaboliques entre la matrice mitochondriale et le cytosol sont essentiellement assurés par les transporteurs localisés dans la membrane interne. Cependant, depuis peu, la structure des mitochondries fait l objet d une controverse tant du point de vue de leur structure interne qu en ce qui concerne leur organisation dans le cytoplasme [4]. En effet, il semblerait que les mitochondries soient capables de fusionner pour former un véritable réseau (le mitochondriome) capable d interagir avec les autres composants du cytosol, en particulier le cytosquelette et le réticulum endoplasmique. Au niveau ultrastructural, une nouvelle vision a récemment été proposée grâce à la technique d électrotomographie qui tend à redéfinir les différents compartiments à l intérieur de cette organelle [4]. Ces observations ont révélé six compartiments : membrane interne, membrane externe, membrane des crêtes, espace intracrête, espace intermembranaire et matrice. Dans cette reconstruction tridimensionnelle des mitochondries, les crêtes ne sont plus de simples invaginations de la membrane interne comme présenté dans le modèle classique mais apparaissent connectées à la membrane interne par des pores de contacts (modèle de crêtes-jonction) ; le volume et la forme de ces crêtes seraient variables en fonction des conditions physiologiques (pour des photographies et reconstructions de mitochondries : voir le site internet de T. Frey : Oxydations phosphorylantes Les mitochondries fournissent, en aérobiose, l essentiel de l énergie nécessaire aux différents travaux cellulaires [1] ; dans le cœur par exemple, 90 % de l énergie utilisée lors de la contraction cardiaque est sous la dépendance du métabolisme mitochondrial [5]. Cette énergie, produite sous la forme de molécules d ATP (environ 70 kg/j pour un homme au repos) est synthétisée à partir de l oxygène et des nutriments. En effet, dans les mitochondries, se déroulent une partie de l oxydation des glucides, des acides aminés, et la totalité de celle des acides gras. Au cours de ces réactions cataboliques (cycle de Krebs, bêtaoxydation des acides gras), l énergie contenue dans ces molécules permet la réduction de coenzymes (NAD + et FAD). L énergie intrinsèque de ces équivalents réduits, essentiellement NADH et FADH 2, est transformée en une forme d énergie directement utilisable pour le travail cellulaire, l ATP. Cette transformation, qui porte le nom d oxydation phosphorylante, repose sur une série de réactions d oxydo-

3 K. Nouette-Gaulain et al. / Annales Françaises d Anesthésie et de Réanimation 26 (2007) réduction au niveau de la chaîne respiratoire couplée à l ATPsynthase (Fig. 1) [6]. Ces réactions sont assurées par des complexes enzymatiques constitués de sous-unités codées à la fois par l ADN nucléaire et par l ADN mitochondrial. L ATP ainsi produit est continuellement utilisé par la cellule pour de nombreuses réactions du métabolisme. Dans le cytosol, l ATP représente alors le principal intermédiaire énergétique : le couplage de l hydrolyse de l ATP avec une réaction endergonique permet de transférer l énergie de ces deux liaisons phosphate. Dans l organisme, cette transduction d énergie s opère au cours des processus biologiques comme les mouvements cellulaires, les biosynthèses ou les transports actifs Chaîne respiratoire Selon la théorie de Mitchell, la chaîne respiratoire est constituée d une suite de réactions d oxydoréduction associant l oxydation du NADH et du FADH 2 à la réduction de l oxygène et formation d eau [6]. Elle est composée de quatre complexes hétéropolymériques localisés dans la membrane interne mitochondriale. Les gènes de l ADN mitochondrial codent pour des sousunités de ces complexes enzymatiques, à l exception de celles du complexe II codées uniquement par l ADN nucléaire. Le complexe I (NADH ubiquinone oxydoréductase) est le plus gros des complexes enzymatiques de la chaîne respiratoire avec une masse d environ daltons et 45 ou 46 sous-unités polypeptidiques différentes. Il accepte les électrons du NADH et les transmet, par l intermédiaire d une flavine et de sept ou huit centres fer soufre, à l ubiquinone UQ qui transfère secondairement ses électrons au complexe III. Ce complexe expulse des protons de la matrice vers l espace intermembranaire. Plus de 60 familles différentes de composés sont identifiées comme des inhibiteurs du complexe I, dont le plus connu est la roténone. Le complexe II (succinate ubiquinone oxydoréductase) a une masse d environ daltons. Il est commun au cycle de Krebs et à la chaîne respiratoire. En effet, ce complexe réalise l oxydation du succinate en fumarate pour réduire le FAD en FADH 2, puis il prend en charge deux électrons du FADH 2 et les transmet au pool quinonique situé dans la membrane interne mitochondriale mais ce transport n est pas couplé à un transfert de protons vers l espace intermembranaire. Il est composé de quatre sous-unités et contient un FAD et quelques centres fer soufre. La forme active du complexe III (ubiquinone cytochrome c oxydoréductase) est un dimère. Chaque monomère est composé de 11 sous-unités polypeptidiques et a une masse de daltons. Il comprend un cytochrome b, un cytochrome c 1, et une protéine fer Fig. 1. La chaîne respiratoire mitochondriale. Les mitochondries sont le siège des oxydations du pyruvate et des acides gras avec production de NADH et de FADH 2 qui sont oxydés à leur tour au niveau de la chaîne respiratoire. Le gradient électrochimique de protons généré par la chaîne respiratoire est utilisé au niveau de l ATP-synthase pour produire de l ATP à partir de l ADP. MMI : membrane mitochondriale interne ; MME : membrane mitochondriale externe ; EIM : espace intermembranaire ; CPT I : carnitine palmitoyltransférase I ; CPT II : carnitine palmitoyltransférase II ; ATPs : ATP synthase ; I à IV : complexes I à IV.

4 322 K. Nouette-Gaulain et al. / Annales Françaises d Anesthésie et de Réanimation 26 (2007) soufre. Il transporte les électrons de l ubiquinol au cytochrome c. Il est inhibé par l antimycine ou le myxothiazol. Enfin le complexe IV (cytochrome c oxydase) a une masse de daltons et contient 13 sous-unités polypeptidiques. Les sous-unités I, II et III sont codées par le génome mitochondrial et forment le site actif du complexe (cytochrome a 3 Cu B ). Ce complexe transporte les électrons du cytochrome c vers l oxygène et participe, comme les complexes I et III, à l expulsion de protons vers l espace intermembranaire. Il est inhibé par le cyanure de potassium ou l azide de sodium. Chaque complexe de la chaîne respiratoire a une plus grande affinité pour les électrons que son prédécesseur. La chaîne respiratoire catalyse ainsi des réactions d oxydoréduction successives entre des couples de potentiel redox croissant. Les électrons passent ainsi en cascade d un complexe à l autre grâce à des transporteurs. Ils sont finalement transférés à l oxygène, qui a l affinité la plus grande pour les électrons. Le transfert des électrons est couplé à des modifications allostériques des protéines des complexes I, III et IV associées à l expulsion de protons de la matrice mitochondriale vers l espace intermembranaire. Ce mouvement de protons a deux conséquences majeures : il crée un gradient de ph (ΔpH) à travers la membrane mitochondriale interne avec une concentration matricielle de protons plus faible que celle de l espace intermembranaire ; il engendre un potentiel de membrane (ΔΨ) à travers la membrane mitochondriale interne, de 180 mv environ. La résultante de ces deux forces constitue un gradient électrochimique de protons (ΔμH + ) qui tend à faire entrer les protons dans la matrice mitochondriale. L énergie emmagasinée dans le gradient électrochimique de protons est utilisée pour assurer la phosphorylation de l ADP en ATP (théorie de Mitchell). L ATP-synthase produit l ATP à partir de l ADP et de Pi dans la matrice mitochondriale, suivant une réaction couplée à l entrée des protons. En effet, le complexe V ou ATP-synthase ou (F 1 F 0 )ATPase peut se définir comme un moteur moléculaire responsable de la synthèse d ATP mitochondriale. Le complexe V est un complexe multimérique possédant une masse apparente de daltons. Il est composé d un secteur catalytique (matriciel), la sous-unité F 1,d un secteur membranaire le canal F 0 et deux bras connecteurs. Le secteur catalytique (F 1 ), lorsqu il est détaché du reste de la structure, est capable d hydrolyser l ATP. Le secteur membranaire (F 0 ) est composé essentiellement de sous-unités hydrophobes qui forment une voie de passage aux protons [7]. Ce complexe permet de synthétiser l ATP en utilisant le ΔμH+ généré par la chaîne respiratoire. Il est inhibé par l oligomycine Transport mitochondrial des substrats énergétiques : le cas des acides gras Un nutriment, qu il soit de nature glucidique, lipidique ou protéique, est une macromolécule complexe avec une certaine quantité d énergie intrinsèque. Celle-ci est libérée progressivement au cours d une succession de réactions cytoplasmiques et mitochondriales aboutissant à de petites molécules pouvant être utilisées pour des biosynthèses ou pouvant être éliminées par l organisme. Dans le cas des acides gras à longue chaîne, le transport transmembranaire des nutriments dépend d un système complexe de transporteurs. En présence d ATP et de coenzyme A, l acyl- CoA synthase située au niveau de la membrane mitochondriale externe catalyse, à partir d un acide gras, la synthèse d un dérivé acylcoenzyme A (Fig. 2). Puis, la carnitine palmitoyltransférase I (CPT I) transforme les radicaux acyls à longue chaîne en acylcarnitine capable de pénétrer dans les mitochondries. Ce transport est possible grâce à la présence de la carnitine-acylcarnitine translocase présente sur la membrane mitochondriale interne qui se comporte comme un échangeur de carnitine. Finalement, la carnitine palmitoyltransférase II (CPT II), située également du côté interne, permet la synthèse d acyl-coa. Dans la matrice mitochondriale, l acyl-coa entre dans le cycle de la bêtaoxydation. Deux carbones sont éliminés en même temps de l extrémité carboxylée des molécules d acyl-coa qui sont transformées par ces clivages successifs en acétyl-coa métabolisé dans le cycle de Krebs Production de radicaux libres Les mitochondries consomment 90 % environ de l oxygène cellulaire [8]. Malgré l efficacité de la chaîne respiratoire à transférer les électrons, l environnement intramitochondrial hautement réducteur et la nature des réactions redox catalysées font que divers composants contenant des flavoprotéines, des centres fer soufre et l ubisemiquinone sont thermodynamiquement capables de transférer un seul électron à une molécule d oxygène et ainsi être des sites de production de radicaux libres de l oxygène (RLO). Ainsi, les RLO (anion superoxyde O 2, radical hydroxyle OH et peroxyde d hydrogène H 2 O 2 ) sont des sous-produits toxiques de la respiration. Dans une cellule à l état de repos, 1 à 2 % des électrons transportés au niveau de la chaîne respiratoire mitochondriale vont aboutir à la production d anions superoxydes à partir des complexes I et III [9,10]. Ces anions sont, soit libérés dans le cytosol, soit neutralisés dans la mitochondrie par une superoxyde dismutase sensible au manganèse (MnSOD). Dans le cytosol, les RLO sont directement interceptés par les mécanismes de défense primaire comprenant la superoxyde dismutase, la glutathion peroxydase, la catalase et la thyroxine thyrodoxine réductase. Le cycle redox glutathion et le proto-oncogène Bcl-2 constituent également des systèmes de défense contre le stress oxydatif. En l absence de stress oxydatif majeur, les systèmes antioxydants neutralisent les effets de la production de RLO. En effet, les organismes sont capables de s adapter à des augmentations de RLO prolongées en augmentant l expression des enzymes antioxydantes et en stimulant les différents systèmes de défense pour lutter ou réparer les dommages cellulaires [11,12] Canal potassique ATP-dépendant mitochondrial Le préconditionnement est la capacité du myocarde à développer et à mettre en place des mécanismes de protection vis-à-vis

5 K. Nouette-Gaulain et al. / Annales Françaises d Anesthésie et de Réanimation 26 (2007) Fig. 2. Transport transmembranaire mitochondrial des acides gras et bêtaoxydation. L acyl-coa à longue chaîne ne peut pas traverser la membrane mitochondriale interne (MMI). La carnitine palmitoyltransférase I (CPT I), au niveau de la membrane mitochondriale externe (MME) permet la formation d acylcarnitine. La carnitine-acylcarnitine translocase permet le transport de l acylcarnitine à travers la membrane mitochondriale interne (MMI) en échange avec la carnitine. L acyl-coa est reformé dans la matrice mitochondriale par la carnitine palmitoyltransférase II (CPT II) et est dégradé au cours de la bêtaoxydation. des différentes conséquences de l ischémie myocardique. Le préconditionnement ischémique se définit par une exposition du tissu myocardique à des périodes brèves et répétées d occlusion vasculaire dans l objectif de retarder les effets délétères d une ischémie ultérieure prolongée. Le canal potassique ATP-dépendant mitochondrial (mitok ATP ) est un acteur indispensable à la réalisation de ce phénomène. Il reste en revanche à clairement définir son mode d implication en tant que déclencheur, médiateur et/ou effecteur terminal. En clinique, la protection myocardique induite par le préconditionnement se caractérise par une réduction de la taille de la nécrose myocardique et par une meilleure récupération de la fonction contractile [13]. Le préconditionnement diminue l incidence de la mort cellulaire durant les deux ou trois premières heures postischémiques. Ce phénomène se poursuit avec des effets décrits plus tardivement entre 12 et 24 heures, voire jusqu à 72 heures (préconditionnement tardif). Le canal mitok ATP a été mis en évidence au niveau de la membrane mitochondriale interne [14]. La structure moléculaire du canal mitok ATP n est pas encore connue. La plupart des informations sur la structure de ces canaux potassiques ATPdépendants (K ATP ) font référence au canal K ATP du sarcolemme dont la purification et l étude en patch clamp sont plus faciles. La première purification et reconstitution du canal mitok ATP a été réalisée en 1990 [14]. Le canal mitok ATP comprendrait deux types de sous-unités situées dans la membrane interne mitochondriale, une sous-unité de 55 kda (mitokir) et une sous-unité de 63 kda (mitosur) [15]. La sous-unité mitokir appartient à la famille des protéines «canal au potassium» tandis que la sousunité mitosur est un récepteur des sulfonylurées et appartient à la famille des transporteurs ABC (ATP binding cassette). L ouverture de ce canal provoque une entrée d ions potassium dans la matrice mitochondriale entraînant une baisse du potentiel

6 324 K. Nouette-Gaulain et al. / Annales Françaises d Anesthésie et de Réanimation 26 (2007) mitochondrial d une part, et un gonflement de la matrice d autre part par entrée d eau osmotiquement liée aux ions potassium. Les canaux mitok ATP sont exprimés dans plusieurs tissus dont le cerveau, le rein, le foie et le cœur. L assemblage des sous-unités KIR et SUR donne la spécificité biochimique et pharmacologique du canal. Devant l absence de description précise de la structure moléculaire de ce canal, le mitok ATP est caractérisé essentiellement par ses propriétés pharmacologiques. In vitro sur préparation de mitochondries isolées, l activité du mitok ATP est régulée par les nucléotides. En présence de magnésium, l ATP, l ADP et les acyl-coa à longue chaîne inhibent le canal et entraînent sa fermeture. En revanche, le GTP et le GDP ouvrent le canal [16]. En pharmacologie, en présence de magnésium et d ATP, ce canal est un récepteur avec une affinité élevée pour les molécules qui ouvrent les canaux potassiques, comme le diazoxide et le cromakalim, et entraînent un gonflement matriciel. Si le canal est en configuration ouverte suite à l action d un agoniste biochimique ou pharmacologique, il devient sensible aux effets des bloqueurs du canal comme le glyburide ou le 5-hydroxydécanoate, agents qui entraînent à leur tour la fermeture du canal et inhibent le gonflement matriciel [16]. Ainsi, en suivant l effet de ces agents pharmacologiques sur le volume matriciel, il est possible de caractériser la présence et l activité du canal mitok ATP. In vivo, le canal mitok ATP est fermé à l état basal et son ouverture peut être provoquée par un signal calcique ou de brèves périodes d ischémie suivies de reperfusion Pore mitochondrial de transition de perméabilité La mitochondrie occupe aussi une place centrale dans le processus de mort cellulaire par apoptose. La transition de perméabilité de la membrane mitochondriale est une étape clef de ce processus. La membrane mitochondriale interne, normalement imperméable à la plupart des métabolites et des ions, peut devenir perméable de façon non sélective à des molécules de moins de 1500 daltons. L entrée de petites molécules dans la mitochondrie et en particulier de protons et d eau provoque la dépolarisation de la mitochondrie et le découplage des oxydations phosphorylantes, le gonflement de la mitochondrie et la rupture de la membrane mitochondriale externe ainsi que la libération de cytochrome c. Ces événements conduisent à une déplétion en ATP et à l activation de la cascade apoptotique. Cette transition de perméabilité est due à l ouverture d un canal non spécifique, le pore de transition de perméabilité (PTP). Ce canal, normalement fermé, s ouvre en présence d une augmentation de la concentration matricielle de calcium ou de phosphate inorganique, d un stress oxydatif [17]. En revanche, le pore est inhibé par la cyclosporine A, le magnésium, les inhibiteurs de phospholipase et un ph acide inférieur à 7 [17]. La structure du PTP est complexe et encore débattue. L hypothèse dominante consiste à définir le PTP comme un canal transmembranaire composé de protéines situées au niveau de la matrice et des membranes mitochondriales (Fig. 3). Ce complexe protéique serait constitué par la translocase des nucléotides adényliques (ANT) située dans la membrane mitochondriale interne, la cyclophiline D matricielle et le canal à anions voltage dépendant (VDAC), ou porine, situé sur la membrane mitochondriale externe [18,19]. D autres protéines pourraient intervenir dans la constitution du PTP : l hexokinase, l isoenzyme mitochondriale de la créatine kinase, le récepteur périphérique aux benzodiazépines et des protéines de la famille des Bcl2, pro- ou antiapoptotiques comme Bax [17]. Ce canal non spécifique est un acteur central dans la mort cellulaire. In vitro, l ouverture de ce pore diminue la force protomotrice et provoque un gonflement mitochondrial. La déplétion en ATP secondaire au découplage des oxydations phosphorylantes favorise la mort de la cellule par nécrose. Mais, l ouverture du PTP entraîne la libération du cytochrome c et d autres protéines proapoptotiques contenues dans l espace intermembranaire mitochondrial. Le mécanisme responsable de cette libération reste encore débattu entre l hypothèse de la formation d un canal spécifique dans la membrane mitochondriale externe ou celle de la rupture de la membrane externe suite au gonflement de la mitochondrie [17,20]. Le cytochrome c ainsi libéré dans le cytosol active, en présence d ATP, la caspase 9 qui, à son tour, active la caspase 3 et d autres caspases déclenchant la partie effectrice de la cascade apoptotique. Les caspases sont des protéases qui, une fois activées, activent à leur tour un grand nombre de protéines capables de dégrader divers éléments de la cellule dans le cytoplasme, le noyau et les membranes. Ces atteintes multiples sont responsables des modifications histologiques décrites au cours de l apoptose. L ouverture du PTP est à l origine à la fois du processus d apoptose mais aussi de nécrose. La différence majeure entre les deux phénomènes est que le premier nécessite de l énergie sous forme d ATP et pas le second. Une des hypothèses toujours Fig. 3. Structure du pore de transition de perméabilité. Le modèle proposé associe la porine ou canal à anions voltage dépendant (VDAC) sur la membrane mitochondriale externe (MME), la translocase des nucléotides adényliques (ANT) sur la membrane mitochondriale interne (MMI), la cyclophiline D dans la matrice mitochondriale ainsi que d autres protéines comme le récepteur périphérique aux benzodiazépines (PBR), l hexokinase (HK), la créatine kinase (CK) et la protéine proapoptotique bax.

7 K. Nouette-Gaulain et al. / Annales Françaises d Anesthésie et de Réanimation 26 (2007) discutées serait que l ouverture du PTP provoquerait la libération de cytochrome c puis le PTP se refermerait. Cette fermeture permettrait d atteindre une concentration cellulaire d ATP suffisante à la cellule pour évoluer vers l apoptose. En revanche, si l ouverture du PTP se prolongeait, la déplétion en ATP deviendrait majeure et le processus évoluerait plutôt vers la nécrose [21]. Dans tous les cas, le PTP est impliqué dans de nombreux processus physiopathologiques comme l ischémie reperfusion, le pré- et le postconditionnement ; son inhibition constitue actuellement une cible thérapeutique de choix [22]. 3. Implications de la mitochondrie en anesthésie En anesthésie, la plupart des agents pharmacologiques utilisés au quotidien interagissent avec le métabolisme mitochondrial. La résultante peut être un effet cardioprotecteur dans le cas des halogénés par exemple ou un effet toxique dans le cas des anesthésiques locaux (AL). Les principaux effets des agents anesthésiques sur le métabolisme mitochondrial sont décrits successivement Anesthésiques locaux En situation clinique, une injection périnerveuse d AL bloque le canal sodique et arrête la propagation du potentiel d action. En cas de surdosage local ou d injection intravasculaire, l AL peut entraîner une altération du métabolisme énergétique mitochondrial rendant compte de la toxicité de cet agent sur la cellule nerveuse, musculaire squelettique ou myocardique [23,24] Effets des anesthésiques locaux sur le métabolisme énergétique mitochondrial Sur mitochondries isolées ou fibres myocardiques perméabilisées, les AL modifient le métabolisme mitochondrial et entraînent principalement une diminution de la synthèse d ATP [25]. Les mécanismes d action sont multiples. Plusieurs équipes ont montré que les AL découplaient les oxydations phosphorylantes par un mécanisme de type protonophore, entraînant une diminution de la synthèse mitochondriale d ATP (Fig. 4) [26 28]. Cet effet est renforcé en présence d anions lipophiles perméants [29]. En fait, selon les conditions expérimentales et l état d énergisation des mitochondries, les AL se comportent comme des découplants classiques ou agissent en modifiant le rendement des pompes à protons au niveau des complexes de la chaîne respiratoire [30,31]. La diminution de la synthèse d ATP observée dépend de la concentration et de la liposolubilité de l AL. En effet, pour une concentration de 3 mm d AL au contact des mitochondries, la synthèse mitochondriale d ATP est quasi nulle (inférieure à 10 %) en présence de bupivacaïne tandis qu elle n est diminuée que de 50 % avec la ropivacaïne. Cet effet n est pas stéréospécifique [32]. D autres mécanismes d action ont été rapportés comme l inhibition directe par les AL (bupivacaïne, ropivacaïne) des complexes de la chaîne respiratoire [32,33]. Fig. 4. Découplage des oxydations phosphorylantes. Les anesthésiques locaux agissent sur mitochondries isolées comme des découplants de type protonophore en perméabilisant la membrane mitochondriale interne aux protons. Ils entraînent ainsi une diminution du gradient électrochimique de protons qui ne permet plus la synthèse d ATP par l ATPsynthase (ATPs) Cardiotoxicité des anesthésiques locaux Au niveau myocardique, la toxicité de la bupivacaïne sur la mitochondrie pourrait expliquer en partie la dépression myocardique observée après un passage intravasculaire accidentel. Comme sur mitochondries isolées, cet effet cardiodépresseur est essentiellement dépendant de la liposolubilité de l AL et non de sa stéréospécificité [32,34,35]. En plus de leur action directe sur les oxydations phosphorylantes, les AL altèrent le transport transmembranaire des acides gras à longue chaîne au niveau cardiaque en inhibant la carnitine-acylcarnitine translocase [36]. Ainsi, la bupivacaïne diminue l apport des substrats issus du métabolisme des acides gras, substrats préférentiels du muscle cardiaque. En clinique, ces mécanismes permettraient d expliquer l atteinte cardiaque sévère observée après injection sous-cutanée d une faible dose de bupivacaïne chez un patient présentant un déficit en carnitine [37] Myotoxicité des anesthésiques locaux Les AL sont également responsables d une myotoxicité locale secondaire à une concentration élevée de la molécule dans le muscle. Sur mitochondries et fibres musculaires striées, l inhibition du flux d électron au niveau du complexe I est associée à des modifications du potentiel de membrane et provoque l ouverture du PTP avec un relargage de cytochrome c dans le cytosol [24]. Les processus apoptotiques et nécrotiques sont de ce fait engagés [38]. Sur des modèles animaux, des lésions apoptotiques et nécrotiques sont retrouvées à l examen des muscles striés voisins du nerf fémoral après une administration continue de six heures de bupivacaïne par un cathéter périnerveux fémoral. En revanche, la ropivacaïne, énantiomère S moins lipophile, n entraînerait pas de lésions apoptotiques [39]. Les mécanismes précis impliqués restent encore discutés. Après sept injections consécutives de bupivacaïne (1 ml/kg) chez le rat, une diminution de la synthèse d ATP est associée à une diminution globale de l activité enzymatique des complexes de la chaîne

8 326 K. Nouette-Gaulain et al. / Annales Françaises d Anesthésie et de Réanimation 26 (2007) respiratoire [40,41]. Ces phénomènes sont associés in vitro et in vivo à des perturbations de l homéostasie calcique par l interaction entre l AL et le récepteur à la ryanodine situé au niveau du réticulum sarcoplasmique avec une libération massive de calcium et l inhibition de la recapture du calcium au niveau sarcoplasmique [24,42 44]. Cette augmentation du calcium cytosolique associée à la déplétion de synthèse d ATP et à la libération de facteurs apoptotiques désigne le PTP à l origine de la mort cellulaire [45]. Chez le mini-porc recevant des AL durant six heures par un cathéter fémoral, les fibres musculaires présentent en histologie, des vacuoles, des myofibrilles condensées et des signes de nécrose cellulaire. La plupart des myocytes à proximité de la zone d injection paraissent altérés et un œdème interstitiel peut être observé. À noter cependant qu à distance du site d injection, les fibres ont une architecture respectée, mais des plages de nécrose peuvent être observées [39,45]. La réversibilité complète de ces lésions est à confirmer. Une régénération musculaire avec prolifération des myoblastes est observée entre deux et sept jours après l injection [46, 47]. Le muscle squelettique paraît complètement cicatrisé entre quatre et six semaines en séquences T1 d IRM [48]. En revanche, Zink et al. [49] décrivent des plages de nécrose calcifiées dans les zones superficielles du muscle directement en contact avec l anesthésique local, au 28 e jour après une perfusion périnerveuse fémorale de 8 ml/h de 2,5 mg/ml de bupivacaïne et de 3,75 mg/ml de ropivacaïne durant six heures. Les conséquences cliniques de la myotoxicité des AL sont à prendre en considération. Dans la plupart des cas, cette atteinte musculaire est décrite après une injection unique de bupivacaïne en péri- ou rétrobulbaire ou après infiltration mais peu de données sont disponibles après administration via un cathéter [48,50,51]. Si l utilisation des cathéters périnerveux est en plein essor, le suivi de ces patients et la tolérance du traitement restent difficiles à réaliser ou à évaluer car les signes permettant le diagnostic de la myotoxicité ne sont pas spécifiques. La nature de l AL, la durée du traitement et la concentration de la solution d anesthésique seront des éléments à considérer afin de prévenir ou de diminuer le risque de myotoxicité Neurotoxicité des anesthésiques locaux La neurotoxicité des AL administrés par voie périmédullaire ou périnerveuse peut être aussi expliquée en partie par une atteinte du métabolisme énergétique mitochondrial. L immersion d un nerf sciatique isolé de grenouille dans une solution de lidocaïne 5 % pendant quelques minutes entraîne une disparition irréversible du potentiel d action [52]. Cette atteinte est fonction de la durée d exposition du nerf à l agent, de la quantité totale administrée et de la concentration locale de l agent. La neurotoxicité des AL est également variable selon l agent utilisé. Sur culture neuronale, l inhibition des cônes de croissance axonale persiste 20 heures après exposition des cellules à la lidocaïne tandis qu en présence de ropivacaïne ou de bupivacaïne, cette croissance est en majeure partie restaurée [53]. Sur cellules ND7 d origine nerveuse, la lidocaïne et la bupivacaïne entraînent une dépolarisation prolongée (> 60 min) et concentration-dépendante de la membrane mitochondriale [54,55]. L inhibition de la respiration mitochondriale est associée à un relargage cytosolique de cytochrome c mitochondrial avec activation des voies de l apoptose. Les AL modifient également l homéostasie calcique. Une augmentation du calcium cytosolique est souvent décrite [54,55]. En revanche, l origine sarcoplasmique ou mitochondriale du calcium reste discutée [54,56]. Ainsi, comme pour la myotoxicité, des travaux suggèrent que le rôle de l atteinte mitochondriale dans la genèse de la neurotoxicité induite par les AL est primordial [55]. En conclusion, les interactions entre AL et mitochondries expliquent en partie la toxicité locale ou systémique de ces agents. Le respect des recommandations d emploi des AL explique la diminution de l incidence des accidents rapportés [57]. L hypoxie est toujours à éviter car elle potentialise la toxicité des AL [58]. Les solutions lipidiques pourraient diminuer le risque toxique en se comportant comme un piège lipidique pour la fraction libre des AL [59 61]. En ce qui concerne la toxicité locale, des études complémentaires chez l animal sont nécessaires pour mieux caractériser les mécanismes impliqués et proposer des moyens pour prévenir ou limiter ces atteintes Agents volatils halogénés (AVH) En pratique clinique, les interactions des AVH avec le métabolisme mitochondrial rendent essentiellement compte des phénomènes de préconditionnement, l inhibition du complexe I ayant été essentiellement mise en évidence sur cardiomyocytes isolés avec des concentrations élevées (> 2 CAM) ou chez des patients atteints d une maladie mitochondriale [62,63] Protection myocardique par les AVH Depuis une dizaine d années, les AVH sont décrits comme des agents cardioprotecteurs, permettant, selon un mécanisme différent de celui des bêtabloquants, de diminuer l incidence des ischémies myocardiques postopératoires. Cet effet serait secondaire au préconditionnement induit par les agents halogénés et ferait intervenir la mitochondrie. L effet cardioprotecteur s observe lorsque les AVH sont administrés avant l ischémie (préconditionnement anesthésique ou pharmacologique) mais également lorsqu ils sont administrés lors de la reperfusion (postconditionnement) [64,65]. Les mécanismes conduisant les AVH à réduire la taille de l infarctus du myocarde et à préserver la contractilité myocardique sont multiples et complexes (Fig. 5) [66]. De nombreux stimuli induisant un préconditionnement ischémique ont été mis en évidence comme l adénosine, l acétylcholine, l angiotensine II, la bradykinine, les catécholamines, l exercice physique et l hypoxie chronique [67 73]. Ces stimuli sont responsables successivement de l activation de récepteurs à protéine G, de la protéine kinase C (PKC) et des MAP kinases. Les effecteurs terminaux du préconditionnement ne sont pas encore clairement identifiés mais font intervenir le canal mitok ATP et certainement le PTP [74,75].

9 K. Nouette-Gaulain et al. / Annales Françaises d Anesthésie et de Réanimation 26 (2007) la filtration glomérulaire postopératoire comme en témoigne le dosage de la cystatine c [89]. Finalement, le postconditionnement pharmacologique responsable de cardioprotection a été essentiellement décrit chez l animal [90]. Par exemple, l administration de sévoflurane entre 1 et 1,5 CAM au cours des 15 premières minutes de la période de reperfusion permet de réduire significativement la taille de la nécrose myocardique [91]. Fig. 5. Voies de signalisation du préconditionnement par les agents volatiles halogénés. Les mécanismes d activation des canaux potassiques ATP-dépendant situés au niveau de la membrane mitochondriale (mitok ATP ) sont multiples et complexes. Le diazoxide est un agoniste du canal mitok ATP tandis que le 5- hydroxydécanoate (5-HD) est un inhibiteur spécifique. NO : monoxyde d azote ; RLO : radicaux libre de l oxygène. En effet, la protection myocardique induite par les halogénés et les morphiniques dépend de l activation du canal mitok ATP [76]. Sur des cardiomyocytes de mini-porc, les AVH favorisent l ouverture du canal mitok ATP [77,78]. L abolition de l effet protecteur des halogénés par le 5-hydroxydécanoate confirme l action des AVH au niveau mitochondrial [79]. De même in vivo, le canal mitok ATP paraît être la cible ultime des halogénés et l ouverture du canal permet de diminuer la taille de la nécrose myocardique induite [80,81]. Sur le myocarde de rat et de lapin, l isoflurane permet de réduire la taille de l infarctus tandis que le 5-hydroxydécanoate inhibe cet effet [82,83] Cardioprotection par les halogénés en pratique clinique Chez l animal, la cardioprotection induite par les halogénés fait l objet de nombreuses publications [64,84]. Chez le lapin, l administration d halogénés 30 minutes avant une occlusion coronarienne de 30 minutes suivie d une période de reperfusion de trois heures permet de diminuer la taille de la zone myocardique infarcie [85]. Dans cette étude, la cardioprotection dépend des propriétés physicochimiques de l agent halogéné. Toujours chez le lapin, le sévoflurane permet un préconditionnement tardif, phénomène décrit également chez l homme [86]. En effet chez l homme, une équipe a mis en évidence le bénéfice d une anesthésie par sévoflurane ou desflurane chez des malades bénéficiant d une chirurgie coronarienne avec circulation extracorporelle [87, 88]. Les malades bénéficiant d une anesthésie par AVH avaient une meilleure fonction ventriculaire gauche après CEC avec une moindre élévation de la troponine I durant les 36 premières heures postopératoires et des besoins en amines vasopressives réduits. De même, l administration de sévoflurane à 2 CAM durant uniquement dix minutes avant le début de la circulation extracorporelle permet une diminution du taux de probnp pendant les 72 premières heures postopératoires et une protection de Prévention des lésions d ischémie reperfusion des autres organes Cet effet protecteur est actuellement en cours d évaluation sur d autres organes. Ainsi, au niveau cérébral, les agonistes du canal mitok ATP pourraient prévenir ou limiter les lésions d ischémie reperfusion [15,92]. En revanche sur le rein, les effets protecteurs des AVH seraient plutôt expliqués par les propriétés antioxydantes des halogénés [93]. Chez l homme, des études complémentaires sont nécessaires pour vérifier ces données. 4. Implications de la mitochondrie en réanimation En réanimation, le métabolisme mitochondrial peut être altéré dans deux situations : la sédation avec le propofol et le sepsis. Le sepsis, classiquement défini comme un syndrome de réponse systémique à une agression infectieuse, est également aujourd hui défini comme une situation d hypoxie cytopathique [94] : l hypoxie serait secondaire à un défaut cellulaire du métabolisme de l oxygène et non à un défaut d apport Propofol Les effets du propofol (2,6-diisopropylphénol) sur la mitochondrie rendent compte en partie de la toxicité clinique de ce produit chez les patients de réanimation Propofol et oxydations phosphorylantes Sur des mitochondries isolées de foie, le propofol est responsable d une altération des capacités oxydatives par plusieurs mécanismes : un effet découplant par augmentation de la perméabilité aux protons de la membrane mitochondriale interne [95] ; une inhibition du complexe I de la chaîne respiratoire (l inhibition du complexe II n apparaissant qu à des concentrations très élevées de propofol) [96]. Selon les conditions expérimentales, l inhibition du complexe I est associée à une diminution de la consommation d oxygène et à une diminution de synthèse d ATP [97]. Sur cœur isolé de cobaye, cette diminution des capacités oxydatives est couplée à une diminution des performances ventriculaires [98]. Cet effet pourrait être majoré en cas de stress oxydatif avec acidose et l activité accrue de la NO-synthase pourrait entraîner la synthèse de différents produits dérivés du propofol dont le 4-nitrosopropofol [99,100]. Ce produit est responsable d un effet découplant majeur par altération de la fluidité membranaire [101,102]. Les effets du propofol sur mitochondries isolées sont mis en évidence pour des concentrations supérieures à 200 μm. En revanche, le 4-

10 328 K. Nouette-Gaulain et al. / Annales Françaises d Anesthésie et de Réanimation 26 (2007) nitrosopropofol est toxique à des concentrations dix fois plus faibles (20 μm), comparables aux concentrations plasmatiques de propofol observées en clinique au cours d une anesthésie générale [103] Propofol et métabolisme des acides gras Les acides gras libres sont les substrats préférentiels du cœur et du muscle, en particulier au cours des situations d agression car ils fournissent du FADH 2 et du NADH à un moindre coût énergétique. Le propofol entraîne une inhibition de la carnitine palmitoyl transférase I, responsable d une augmentation des concentrations plasmatiques de malonyl carnitine et de C5-acylcarnitine [104]. Le métabolisme des acides gras est également altéré par le découplage de la bêta-oxydation induit par le propofol [105]. Ainsi, le propofol altère de façon majeure le transport et le métabolisme mitochondrial des acides gras «Propofol infusion syndrome» Le «propofol infusion syndrome» (PRIS) est une complication rare mais souvent fatale décrite au cours de sédation prolongée avec le propofol. Le PRIS a été initialement observé chez des enfants en réanimation recevant une perfusion de propofol à des doses élevées (> 4 mg/kg par heure) pendant plus de 48 heures [106]. Ce syndrome associe en clinique une défaillance cardiaque avec des troubles du rythme graves, une acidose métabolique sévère, une rhabdomyolyse et une insuffisance rénale aiguë. L accumulation extracellulaire d acides gras libres favoriserait la survenue d arythmie tandis que l altération du métabolisme énergétique mitochondrial contribuerait à la défaillance cardiaque et à la rhabdomyolyse responsable d acidose et d insuffisance rénale [105]. Le PRIS pourrait expliquer 70 % des décès en pédiatrie et au moins 30 % des décès chez l adulte en rapport avec l utilisation de propofol pour une sédation de longue durée [107]. Il n existe aucun traitement spécifique de ce syndrome. L hémofiltration continue débutée précocement semble être efficace. Récemment, un système d oxygénation extracorporelle (ECMO) a été utilisé avec succès au cours du PRIS chez un enfant en état de choc cardiogénique [108]. La prévention du PRIS repose sur la limitation de la quantité de propofol perfusée, en vitesse et en durée, et sur l identification de sujets plus à risque comme les patients atteints de myopathies mitochondriales ou présentant un déficit acquis en carnitine [109] Autres effets du propofol L effet du propofol sur l apoptose de cellules myocardiques et sur les propriétés des cellules du système immunitaire fait actuellement l objet de nombreuses investigations. Si le propofol ne modifie pas de façon significative l activité du canal mitok ATP, c est un inhibiteur du PTP [110,111]. Sur un modèle d ischémie reperfusion sur cœur isolé, le propofol (2 μm) inhibe le PTP et améliore les performances hémodynamiques cardiaques au cours de la reperfusion [112]. En outre, à des concentrations cliniques, le propofol modifie les propriétés des cellules responsables des défenses immunitaires. La diminution du potentiel de membrane mitochondriale et de la synthèse d ATP par le propofol est responsable d une dysfonction des macrophages [113]. Les propriétés antioxydantes de la molécule de propofol sont mises en évidence sur neutrophiles mais pas sur lymphocytes [ ]. En revanche, un effet proapoptotique du propofol peut être observé in vitro à des concentrations variables [117,118]. La pertinence clinique de ces résultats reste à définir, mais ils pourraient limiter l utilisation du propofol chez le patient neutropénique ou présentant un déficit immunitaire Sepsis et défaillance du métabolisme mitochondrial Le sepsis est défini comme la réponse inflammatoire systémique à une infection. Il peut évoluer vers un choc septique responsable d un syndrome de défaillance multiviscérale associé à une mortalité élevée en réanimation. Les mécanismes exacts conduisant à la défaillance multiviscérale ne sont pas connus. Lors d un choc septique, le défaut d extraction tissulaire de l oxygène et l acidose lactique ne sont pas corrigés par l optimisation du transport de l oxygène [119]. Ainsi, le terme d hypoxie cytopathique a été proposé pour caractériser cette défaillance énergétique au cours du sepsis [94,120]. L atteinte mitochondriale au cours du sepsis est d origine multifactorielle avec une diminution de l apport en substrats énergétiques, mais aussi une inhibition des enzymes de la chaîne respiratoire. Chez le rat après ligature du cæcum, une diminution des capacités oxydatives mitochondriales est mise en évidence dans les fibres musculaires [121]. De même, après injection intraveineuse de lipopolysaccharide chez le chat, des modifications importantes de l ultrastructure des mitochondries hépatiques sont associées à une altération de la respiration mitochondriale [122]. Chez des patients en sepsis sévère ou en choc septique, l étude des lymphocytes montre une diminution de potentiel de la membranaire mitochondriale et une mort cellulaire accrue [123]. Ainsi, ce potentiel de membrane a été proposé comme marqueur de sévérité chez le patient septique, les malades survivants n ayant qu une altération modérée de ce paramètre. Sur des biopsies musculaires de 28 patients en sepsis sévère ou choc septique, les auteurs décrivent une diminution de la synthèse d ATP et une augmentation de la production de NO, associées à une altération de l activité du complexe I [120]. Les mécanismes précis de la dysfonction mitochondriale ne sont pas encore compris mais plusieurs travaux soulignent le rôle des RLO ou des dérivés du NO. La production d espèces radicalaires au cours du sepsis est associée à des lésions de l ADN mitochondrial et des modifications directes des protéines mitochondriales, comme la nitrosation qui peut expliquer la diminution de l activité du complexe I [124, 125]. L ensemble de ces études expérimentales et cliniques semble confirmer l atteinte du métabolisme mitochondrial au cours du sepsis. Une altération majeure des paramètres mitochondriaux pourrait être corrélée à un pronostic péjoratif pour le patient. En revanche, il est encore difficile de définir à quel moment la mitochondrie intervient dans la cascade des phénomènes physiopathologiques responsables du sepsis.