Altérations du métabolisme énergétique mitochondrial en situation de dénutrition cancéreuse

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1 Altérations du métabolisme énergétique mitochondrial en situation de dénutrition cancéreuse Jean-François Dumas INSERM UMR1069, Nutrition, Croissance et Cancer Université François-Rabelais, TOURS UFR Sciences Pharmaceutiques

2 Introduction : dénutrition cancéreuse (Maarten von Meyenfeldt, 2005) Localisation tumeurs Vessie Gynécologique Colon/rectum Poumon Œsophage ORL Estomac Pancréas Fréquence de la dénutrition (% de la cohorte totale) apparition d une dénutrition chez 15 à 81% des patients souffrant de cancer

3 Introduction : dénutrition cancéreuse dénutrition 20% des décès altération des capacités fonctionnelles, diminution de la qualité de vie diminution de la tolérance aux traitements anticancéreux (chimiothérapie, radiothérapie ) diminution des chances de guérison Degré de dénutrition inversement corrélé avec survie des patients et c est toujours un indice de mauvais pronostic Pas de réel traitement

4 Introduction : dénutrition cancéreuse syndrome multifactoriel, multi-organes, complexe cancer anorexie altérations métaboliques foie muscle squelettique facteurs inflammation altérations tissu tumoraux systémique hormonales adipeux

5 Introduction : dénutrition cancéreuse syndrome évolutif Pré-cachexie Cachexie propre Cachexie réfractaire Mort Anorexie et/ou Inflammation Stade pro-catabolique, perte de poids < 5% systémique, non réponse aux perte de poids > 5% traitements. Forte et fonte musculaire diminution des capacités musculaires. Espérance de vie < 3 mois (Fearon et al, 2011) Mécanismes?

6 Dénutrition cancéreuse et mitochondrie Modèle rat avec carcinome mammaire 3 mois traitement (vitamines, ubiquinone )

7 Dénutrition cancéreuse et mitochondrie Modèle rat avec carcinome mammaire 3 mois traitement (vitamines, ubiquinone ) témoin cancer avec cachexie cancer sans cachexie = (Perumal et al, 2005) relation entre fonctionnement mitochondrial et dénutrition cancéreuse

8 Dénutrition cancéreuse et hypermétabolisme Hypothèse d une diminution de la conversion énergétique Energie des nutriments Energie pour la cellule (ATP) Perte d énergie apports alimentaires dépenses énergétiques

9 Dénutrition cancéreuse : hypermétabolisme mitochondrial Mb. Externe mitochondriale H + H + H +H+ force proton-motrice H + H + H+ H + H + Mb. Interne Ch. respiratoire Perte d énergie NADH + H + O 2 Nutriments (glucides, acides gras ) Oxydation H 2 O ADP + Pi H + H + ATP Phosphorylation Perte d énergie perte d énergie besoin accru en nutriments pour une même synthèse d ATP

10 Dénutrition cancéreuse: modèle animal : rat avec carcinose péritonéale Prise alimentaire quotidienne (g/jour) anorexie -20% -80% Rats sains, ad libitum Rats sains, pair-fed (Dumas et al, 2010) 0 Rats cancéreux Induction de la carcinose péritonéale Temps (j) 1 er jour d anorexie Sacrifice -45%; p<0,01-15%; p<0,01 sains, PF Masse (g) carcinose péritonéale stade de dénutrition très sévère Tissu adipeux Masse musculaire

11 Dénutrition cancéreuse et Mitochondrie muscle squelettique (quadriceps) foie

12 Dénutrition cancéreuse et Mitochondrie musculaire 1600 (Julienne et al, 2012) Synthèse d ATP (nmole es/min. mg protéines) carcinose péritonéale Sains, PF Consommation d oxygène (natomes O/min. mg protéines) pas d anomalie de l efficacité de la conversion énergétique dans les mitochondries musculaires des rats cancéreux cachectiques

13 Dénutrition cancéreuse et Mitochondrie musculaire sains, PF (Julienne et al, 2012) Consomm mation d oxygène (natomes O/min. mg protéines) carcinose péritonéale -17%; p<0,05-18%; p<0,05 synthèse d ATP Consomm mation d oxygène (natomes O/ /min. mg protéines) activité maximale de la chaîne respiratoire diminution de la capacité maximale à synthétiser l ATP dans les mitochondries musculaires des rats cancéreux cachectiques

14 Dénutrition cancéreuse et Mitochondrie musculaire sains, PF (Julienne et al, 2012) carcinose péritonéale Activi ité complexe 4 (nmoles/m min. mg protéines) complexe 4 (COX) de la chaîne respiratoire diminution de la capacité maximale à synthétiser l ATP associée à une diminution du complexe 4 de la chaîne respiratoire

15 Dénutrition cancéreuse et Mitochondrie de foie sains, PF ATP/O (-25%) p<0,05 carcinose péritonéale (Dumas et al, 2011) efficacité de la conversion énergétique dans les mitochondries de foie des rats cancéreux cachectiques

16 Dénutrition cancéreuse et Mitochondrie de foie Mb. Externe mitochondriale force proton-motrice H + H + H+ H + H + H + H+ H + H + Mb. Interne Ch. respiratoire carcinose péritonéale Perte d énergie NADH + H + O 2 Nutriments (glucides, acides gras ) Oxydation H 2 O ADP + Pi H + H + ATP Phosphorylation Perte d énergie oligomycine sains, PF (Dumas et al, 2011) gaspillage d énergie non lié au système de phosphorylation dans les mitochondries de foie rats cancéreux cachectiques

17 Dénutrition cancéreuse et Mitochondrie de foie diminution de la masse musculaire non non oui oui diminution de la masse adipeuse non non non oui (p/r pair-fed) (p/r pair-fed)

18 Dénutrition cancéreuse et Mitochondrie de foie présence d un gaspillage d énergie mitochondrial uniquement en stade très sévère de dénutrition

19 gaspillage d énergie : quels mécanismes? Membrane mitochondriale externe Mb interne Force protonmotrice H + H + H + H + H + H + H + H + H H + + H + c1 e - NADH + H + FADH 2 c e - Q e - c4 Q e - QH2 c2 c3 e - O 2 H 2 O ATP Éch. ADP/ATP ADP cardiolipine Nutriments (glucides, acides gras ) Oxydation H + H ADP + Pi + ATP Phosphorylation Rôle de l ANT?

20 gaspillage d énergie : quels mécanismes? (Brand et al, 2005) gaspillage d énergie mitochondrial dépend de la quantité d ANT Augmentation de la quantité d ANT dans les mitochondries hépatiques dans un modèle de dénutrition (rat traité par dexaméthasone) (Arvier et al, 2007)

21 Dénutrition cancéreuse et Mitochondrie de foie: rôle de l ANT? VDAC ANT Carcinose péritonéale Sains, PF 37 kda 25 kda 20 kda Rapport ANT / VDAC 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Sains, PF Carcinose péritonéale pas de variation de la quantité d ANT dans les mitochondries hépatiques des rats cancéreux cachectiques

22 gaspillage d énergie : quels mécanismes? Membrane mitochondriale externe ERO ERO Mb interne Force protonmotrice H + H + H + H + H + H + H + H + H H + + H + c1 e - NADH + H + FADH 2 c e - Q e - c4 Q e - QH2 c2 c3 e - O 2 H 2 O ATP Éch. ADP/ATP ADP cardiolipine Nutriments (glucides, acides gras ) Oxydation H + H ADP + Pi + ATP Phosphorylation Rôle des espèces réactives de l oxygène (ERO)?

23 gaspillage d énergie : quels mécanismes? Rôle des espèces réactives de l oxygène (ERO)? Mitochondries musculaires incubés avec des ERO diminution de l efficacité de la conversion énergétique mitochondriale (Tonkonogi et al, 2000) Augmentation de la production d ERO dans des homogénats de foie de rats cancéreux dénutris (Springer et al, 2010)

24 Dénutrition cancéreuse et Mitochondrie de foie: rôle des ERO fois; p<0,05 Production de ERO (pm moles/min.mg protéine) sains, PF carcinose péritonéale augmentation de la production de ERO dans les mitochondries hépatiques des rats cancéreux cachectiques

25 gaspillage d énergie : quels mécanismes? Membrane mitochondriale externe Mb interne Force protonmotrice H + H + H + H + H + H + H + H + H H + + H + c1 e - NADH + H + FADH 2 c e - Q e - c4 Q e - QH2 c2 c3 e - O 2 H 2 O ATP Éch. ADP/ATP ADP cardiolipine Nutriments (glucides, acides gras ) Oxydation H + H ADP + Pi + ATP Phosphorylation Rôle des cardiolipines?

26 gaspillage d énergie : quels mécanismes? phospholipides spécifiques des mitochondries 4 chaînes d acides gras stabilisation des supercomplexes de la chaîne respiratoire témoin hypo hyperthyroidien dans mitochondries de foie rats hyperthyroidiens: contenu en cardiolipines et ATP/O (Ruggiero et al, 1984; Nogueira et al, 2002) quantité de cardiolipines influence intensité gaspillage énergétique mitochondrial

27 gaspillage d énergie : quels mécanismes? Intensité du gaspillage d énergie mitochondrial dépend aussi de la composition en AG des cardiolipines (Pehowich et al, 1999) Modification de la composition en AG des cardiolipines dans les mitochondries de TAB de rats cancéreux dénutris (Oudart et al, 1995)

28 Dénutrition cancéreuse et Mitochondrie de foie: rôle des cardiolipines? modifications de la composition en acides gras des cardiolipines dans les mitochondries hépatiques de rats cancéreux dénutris

29 Dénutrition cancéreuse et Mitochondrie de foie: rôle des cardiolipines? (Dumas et al, 2011) quan ntité cardiolipines (u..a./mg protéine) %; p<0,05 sains, PF carcinose péritonéale Consom mmation d oxygène liée au ga aspillage d énergie (natomes O/min.mg protéine) R²=0,4; p<0,01 quantité cardiolipines (u.a./mg protéine) augmentation de la quantité de cardiolipines dans les mitochondries hépatiques de rats cancéreux dénutris qui corrèle positivement avec l intensité du gaspillage d énergie mitochondrial

30 Dénutrition cancéreuse et Mitochondrie de foie: rôle des cardiolipines? Mitochondries isolées de rats sains enrichies en cardiolipines commerciales (86% 18:2 n-6) par fusion avec liposomes 1) sonication 2) fusion : + Quantité cardiolipines (u.a./mg protéine) %; p<0,05 Mitochondries saines Mitochondries saines + cardiolipines

31 Dénutrition cancéreuse et Mitochondrie de foie: rôle des cardiolipines? Synthèse ATP (nmole es/min.mg protéine) Mitochondries saines Mitochondries saines + cardiolipines ATP/O (-13%) p<0, Consommation oxygène (natomes O/min.mg protéine) Enrichissement en cardiolipines entraine efficacité conversion énergétique dans mitochondries de foie

32 Dénutrition cancéreuse et Mitochondrie de foie: rôle des cardiolipines? Consommatio on oxygène liée au gaspilla age d énergie (natomes O/min n.mg protéine) Mitochondries saines + 13%; p<0,05 Mitochondries saines + cardiolipines Enrichissement en cardiolipines entraine gaspillage d énergie non lié au système de phosphorylation dans les mitochondries de foie

33 Dénutrition cancéreuse et Mitochondrie de foie: rôle des cardiolipines? 90 N.S. Con nsommation oxygène liée au gaspillage d énergie (nato omes O/min.mg protéine) %; p<0, %; p<0,05 Mitochondries saines Mitochondries saines + cardiolipines 10 0 gaspillage d énergie non lié au système de phosphorylation serait dépend du substrat respiratoire

34 Dénutrition cancéreuse et Mitochondrie de foie: rôle des cardiolipines? Production de ERO (p pmoles/min.mg protéine) %; p<0,05 Mitochondries saines Mitochondries saines + cardiolipines 10 0 enrichissement en cardiolipines entraine une augmentation de la production d ERO

35 Dénutrition cancéreuse et Mitochondrie: conclusion la dénutrition cancéreuse s accompagne: diminution de la capacité maximale à synthétiser l ATP dans les mitochondries musculaires rôle?

36 Dénutrition cancéreuse et Mitochondrie: conclusion la dénutrition cancéreuse s accompagne: diminution de la capacité maximale à synthétiser l ATP dans les mitochondries musculaires rôle? diminution de l efficacité de la conversion énergétique dans les mitochondries de foie stade tardif de la maladie?

37 Dénutrition cancéreuse et Mitochondrie: conclusion la dénutrition cancéreuse s accompagne: diminution de la capacité maximale à synthétiser l ATP dans les mitochondries musculaires rôle? diminution de l efficacité de la conversion énergétique dans les mitochondries de foie stade tardif de la maladie? augmentation du gaspillage d énergie non lié au système de phosphorylation

38 Dénutrition cancéreuse et Mitochondrie: conclusion la dénutrition cancéreuse s accompagne: diminution de la capacité maximale à synthétiser l ATP dans les mitochondries musculaires rôle? diminution de l efficacité de la conversion énergétique dans les mitochondries de foie stade tardif de la maladie? augmentation du gaspillage d énergie non lié au système de phosphorylation augmentation de la quantité de cardiolipines origine de cet augmentation? rôle des modification de composition en AG?

39 Merci de votre attention INSERM UMR 1069 Charles Couet Philippe Bougnoux Stéphan Chevalier Mimsy Julienne Caroline Goupille Michelle Pinault Stéphane Servais Axe de Valorisation des produits de la mer