Biologie du vieillissement cardiovasculaire

Enseignement coordonné des capacités de gérontologie franciliennes Hôpital Saint-Antoine-Grand Amphithèatre (J Mariani) Mercredi 16 Janvier 2013 10-11 heure Biologie du vieillissement cardiovasculaire Bernard Swynghedauw U942 INSERM Hôpital Lariboisière Paris Bernard.Swynghedauw@inserm.fr

CONSÉQUENCES MÉDICALES DU VIEILLISSEMENT DE LA POPULATION 1. La sénescence, aussi complexe que la vie. La biologie de la sénescence normale: pertes cellulaires, fibrose, sénescence replicative, perte des télomères, radicaux libres 2. Les maladies liées à la sénescence: Cancer: la cellule sénescente est en principe peu proliférative et anticancéreuse, mais l environnement sénescent est cancérigène Maladies cardiovasculaires: la paroi artérielle du sujet âgé est plus rigide et sa structure favorise le dépôt de graisses, donc l athérosclérose Maladies neurodégénératives type Alzheimer ou Parkinson et divers types de démences Mais aussi: l ostéoporose, les déficits immunitaires («immunosénescence»), la fibrose pulmonaire 3. Le «traitement» de l âge est basé sur deux «retours : l exercice physique régulier et le maintien d un indice de masse corporelle sous la normale par un régime alimentaire approprié (un peu hypocalorique)

1. La sénescence, aussi complexe que la vie 2. Pourquoi l exercice physique est-il, avec la diète, le seul traitement validé de la sénescence? 3. Pourquoi athérosclérose et cancer sont-ils liés à l âge? 4. Les deux aspects du vieillissement cardiovasculaire 5. L âge en lui-même est-il une des causes d insuffisance cardiaque?

Le vieillissement aussi complexe que la vie La vie programmée improvisable compartimentalisée système ouvert régénérable adaptable douée de séclusion repose sur un coefficient de sécurité énorme complexe La vieillesse Aspects évolutionnistes accumulation de mutations pleiotropie antoginistique Aspects moléculaires changements d expression avec catastrophes Aspects cellulaires radicaux libres Télomérase hétérogénéité Aspects systémiques neuroendocriniens immunologiques

UN vieillissement ou DES vieillissements? Les théories du vieillissement ne font-elles que refléter les multiples aspects d un processus profondément pleïomorphe

Le vieillissement touche tous les niveaux du vivant, 3 facteurs déterminants pour l instant : la fibrose, la sénescence replicative et les conséquences du raccourcissement des télomères 1. Au niveau intracellulaire 1. Accumulation de mutations aboutissant à la synthèse et à l accumulation de protéines anormales 2. La longueur des télomères et l activité télomèrasique sont réduits avec l âge 3. Déficits au niveau des mitochondries, où c est le mieux documenté 4. Lyse insuffisante des déchet cellulaires. L expression globale est modifiée de façon relativement spécifique d espèce 2. Sur un plan cellulaire, l âge réduit 1. la replication de certaines cellules (sénescence replicative), 2. augmente la mort cellulaire, 3. accroît l hétérogénéité cellulaire et tissulaire 3. Sur un plan systèmique il y a à la fois des modifications immunologiques et hormonales [Weinert 2003, Kirkwood 2005]

FIBROSE Biologiquement, la fibrose est une des caractéristiques majeures du processus de vieillissement

Perte myocytaire dans le myocarde chez l homme 40 millions / an Hypertrophie des myocytes restants Diminution masse myocytaire totale Augmentation modérée de la masse VG Olivetti et coll. Circ. Res. 68: 1560-68, 1991

Pas d apoptose dans les myocytes âgés Strech sur des myocytes en culture (rats de 3 mois 14-24 mois ) Le strech induit de l apoptose sur les myocytes adultes mais pas sur les myocytes âgés Husse et al., Am J Physiol 285: H1521 H1527, 2003

mais de la nécrose Strech sur des myocytes en culture (rats de 3 mois 14-24 mois ) Le strech induit de la nécrose sur les myocytes âgés Husse et al., Am J Physiol 285: H1521 H1527, 2003

Fibrose cardiaque, de remplacement rat adulte (4 mois) rat sénescent (24 mois) Coloration hemalun-éosine Besse et coll., Am. J. Physiol., 267: H2237-H2244, 1994

Structure du réseau normal de collagène Epimysium Perimysium Struts capillaires/myocytes Struts myocytes/myocytes Capillaire Endomysium Myofilament

ADN Transcription Le gène du collagène comprend plus de 50 introns Synthèse du collagène de type 1 Traduction ARN messager de la chaîne alpha1 ou alpha 2 du collagène de type 1 NH2 Chaîne alpha1 ou alpha 2 du collagène de type 1 COOH Modifications post traductionnelles: glycosylation et hydroxylation Mannose Lysine ou Proline Assemblage des 3 chaînes de la protéine (2 alpha 1 et 1 alpha 2 Alpha 1 Alpha 1 Alpha 2 OH Excision des peptides N et C terminaux (ESPACE EXTRA-CELLULAIRE) CITP PIIIP Puis assemblage des fibrilles de collagène

Les marqueurs sériques de la fibrose myocardique Marqueurs de la synthèse du collagène PIP : propeptide carboxy terminal du procollagène type I (non associé avec l IC du sujet âgé) PIIIP : peptide amino terminal du pro-collagène type III (associé à l IC systolique et diastolique du sujet âgé) Marqueurs de la lyse du collagène CITP : telopeptide carboxy terminal du collagène de type I (associé à l IC systolique et diastolique du sujet âgé)

Les marqueurs de la fibrose ventriculaire dans le sérum [Barasch Circ Heart Fail 2009] 880 participants de la cohorte Cardiovascular Health Study, tous > 65 ans, dont 131 IC systolique, 179 IC à FE conservée, 279 contrôles en bonne santé et 180 contrôles avec risques CV Dans l IC: élévation de CITP, marqueur de la synthèse du collagène 3, et PIIIP, marqueur de la lyse du collagène 1, PIP marqueur de la synthèse du collagène de type 1 est inchangé Pas de différences entre IC systolique et diastolique Bonne corrélation avec le pic de vitesse E et le BNP Ceci témoigne d une lyse du collagène normal et d une neosynthèse du collagène de type 3, le collagène nouveau

Senescence replicative et facteurs d Hayflick

Les facteurs d Hayflick (Ces facteurs sont à la fois «proaging» et protecteurs contre le cancer. Le processus de la sénescence est basiquement protecteur contre le cancer) -Raccourcissement des télomères -Baisse de l activité de la télomérase Accumulation d ADN non réparé et de chromosomes endommagés Dépression des inhibiteurs des cyclines kinases (locus INK4a et ses protéines CDK 4 et 6) SIGNAUX DE DOMMAGES ADN p53 et Rb (tumor suppressor et Retinoblastoma Sénescence, quiescence et apoptose Les cellules sénescentes expriment des gènes caractéristiques, p53 et p16

Télomères et PGC 1alpha Trois prix Nobel récents ont souligné l importance des télomères et de la télomérase

Fibres du fuseau mitotique Kinétochore Chromosome Télomère Télomérase Ku RAP1 TIN2 3 TTAGGG AATCCC Bras long, q Bras court, p Boucle D Centromère Télomère TRF2 TRF1 TELOMERE ADN non télomérique Paire de chromosomes

L exercice physique

BÉNÉFICES POUR LA SANTÉ DE L ACTIVITÉ PHYSIQUE RÉGULIÈRE ET/OU DE LA CONDITION PHYSIQUE Type de prévention Degré d évidence Mortalité globale toutes causes confondues +++ Maladies cardiovasculaires -Prévention primaire :.mortalité cardiovasculaire.fibrillation auriculaire essentielle.hypertension -Prévention secondaire :.insuffisance coronarienne.insuffisance cardiaque Diabète type 2 -Prévention primaire -Prévention secondaire Cancer -Prévention primaire (colon, sein) -Prévention secondaire Ostéoporose après la ménopause -Prévention primaire (densité osseuse, fractures) -Prévention secondaire (densité osseuse) Troubles objectifs et subjectifs de la mémoire, test ADAS-Coq -Prévention secondaire de ces troubles + Condition et aspect physique générale -Sensation de bien-être, qualité de la vie, état psychologique +++ +++ +++ +++ + +++ +++ +++ ++ ++ ++ +++

Cardioprotection par l exercice Etudes expérimentales et cliniques L entraînement physique Tend à normaliser l impédance caractéristique de l aorte Réduit les stigmates biologiques caractéristiques de la surcharge ventriculaire gauche d impédance Ne limite pas la concentration en collagène mais diminue le cross-linking Améliore la fonction diastolique

Compliance, rigidité artérielle et exercice chez l homme Sujets de 53±2 ans Compliance artérielle centrale Rigidité b stiffness index avant après avant après Entrainement 13,5±1 semaines 5,3±0,2 j/sem. 42±1 min/j 73±1% de la FC max Tanaka et al., Circulation, 102: 1270-75, 2000

Modifications dans l expression génétique induite la sédentarité au cours du vieillissement chez la souris [Bronikowski et al. Physiol Genomics 2003] Gènes dont l expression est augmentée avec l âge dans la population sédentaire par rapport aux actifs: Réponse inflammatoire: 21 (dont TNF, TNFR, MHC class I) Réponse au stress: 11 (dont apod, ANF) Signal transduction: 6 (dont IGF-1) Métabolisme énergétique: 3 (dont Cox) Gènes dont l expression est diminuée avec l âge dans la population sédentaire par rapport aux actifs: Réponse inflammatoire: 2 (dont protéine immunosuppressante) Réponse au stress: 4 (dont HSP 105, chaperonine 10) Signal transduction: 7 (dont Tyrosine kinase Flck1) Métabolisme énergétique: 6 (dont glucagon R, UCP3)

Expression of peroxisome proliferatoractivated receptor (PPAR)- mrna in the heart (left ventricle) of Sedentary-young (n 7), Sedentaryaged (n 9), and Trained-aged (n 9, swimming training for 8 wk) groups. From Iemitsu 2002)

Exercise physique Libération du calcium du RS Le coactivateur de transcription PGC-1 Activation Expression gènes métaboliques et mitochondriaux Angiogenèse Expression gènes de l exercice et de la jonction neuromusculaire Détoxification des ROS Diminution du processuss inflammatoire

Télomère Aging Télomère raccourci Repression of PPARGC1A Telomerase Sheterin complex The DNA damage machinery Activation of p53 Télomère Télomère raccourci Growth arrest Senescence Apoptosis Le lien entre télomère et dysfonctions [Sahin Nature 2011; Mosichi CR 2012; voir aussi ENCODE Nature 2012, N 7414]

LA RESTRICTION CALORIQUE retarde l apparition de nombreuses affections liées à l âge et augmente la durée de vie des mammifères Chez le singe (Rhésus) [Mattison JA 2003] mais aussi chez l homme [Fontana L 2004] Une restriction calorique de 30-70% augmente aussi les réponses métaboliques sensibilité à l insuline réponses endocriniennes et immunitaires (défenses contre les infections, le cancer...) réduction des cross-links du collagène changement de l expression de très nombreux gènes. Il y a à la fois réduction de l expression des gènes métaboliques et augmentation des gènes de la synthèse protéique.

Effets d une restriction calorique sur plusieurs facteurs de risque. 18 volontaires. 6 ans [Fontana L et al. PNAS 2004, 101, 6659] Restriction Contrôles (~1500 kcal/j (~2700 kcal/j) Body Mass index 19 25 Pression systolique 99 129 Pression diastolique 61 79 Cholestérol 158 205 Triglycérides 48 147 Glycémie 81 95 Insulinémie 1,4 5,1 Hs-CRP 0,3 1,6

MECANISMES Effets anti-vieillissements de la restriction calorique. Mécanisme probable (levure, rat, homme) restriction calorique activation des Sirtuines (SIRT1) désacétylation du facteur de réparation Ku70 séquestration de Bax qui est un facteur pro-apoptotique mitochondrial inhibition de la mort cellulaire apoptotique induite par le stress [Cohen HY et al. Science 2004, 305, 390]

1. La sénescence, aussi complexe que la vie 2. Pourquoi l exercice physique est-il, avec la diète, le seul traitement validé de la sénescence? 3. Pourquoi athérosclérose, cancers sont-ils liés à l âge? 4. Les deux aspects du vieillissement cardiovasculaire 5. L âge en lui-même est-il une des causes d insuffisance cardiaque?

Mécanismes du vieillissement cardiovasculaire Et ses relations avec les maladies liées à l'âge Maladies cardiovasculaires - Perte cellulaire et fibrose de remplacement, éléments déterminants sur le plan clinique: - la compliance ventriculaire (remplissage passif diastolique) et artérielle est diminuée; - le myocarde devient hétérogène d où les troubles du rythme bénins et la diminution de la fonction systolique - Pourquoi la perte cellulaire? sénescence replicative Cancer - Notion essentielle, ce que l on sait de la biologie de la sénescence montre un lien cancer-âge paradoxal et compliqué Pas la génétique. - La toute dernière GWA démontre que l association SNP / longévité et vieillissement est faible et concerne de très nombreux gènes et voies métaboliques. Il n y a pas un gène du vieillissement [Toren Finkel et al. Nature 2007, 448, 767-774; Framingham, Lunetta BMC Geneitcs, 2007]

AGE ET MALADIES CARDIOVASCULAIRES. UN ÉCHANGE DE MAUVAIS PROCÉDÉS Hypertrophie VG Fibrillation auriculaire LES PROCESSUS GENERAUX PROPRES A LA SENESCENCE: - VASCULAIRE: épaississement, fibrose - MYOCARDIQUE: perte de myocytes, fibrose, down-régulation adrénergique - ENDOCRINIENNE: baisse angio II & thyroxine libre, hausse cortisol & BNP Accidents Vasculaires Cérébraux Insuffisance coronarienne Insuffisance cardiaque La microcirculation Facteurs de risque propres a l'âge: isolement, sédentarité, pauvreté EXPRESSION TARDIVE de gènes à pénétrance faible CONTACT PROLONGÉ AVEC LES FACTEURS DE RISQUE - tabac - cholestérol - calories - glycémie -pression -pollution

Athérosclérose et vieillissement [d après Levy 2006 et Minamino 2008] Les artères âgées sont plus rigides, avec le vieillissement les contraintes mécaniques auxquelles la paroi est soumise entraînent des modifications des fibres d élastine qui perdent leur parallélisme, deviennent fragmentées avec des dilatations multiples de type anévrysmales un épaississement compensateur de la média (augmentation de l IMT) avec migration des cellules musculaires lisses fibrose réparatrice et augmentation du contenu en collagène glycation des fibres de collagène avec formation de ponts covalents Il y a dysfonctionnement de l endothélium vasculaire et réduction du nombre et de l activité des cellules endothéliales progénitrices avec expression de gènes dits de sénescence (p53) et présence de ces cellules sur les plaques (SA -gal cells), la télomérase est réduite avec l âge et responsable, en partie, de la fonction endothéliale (statine et estrogène augmentent la télomérase), il y a aussi des mécanismes indépendants des télomères en cause, cytokines et en particulier cytokines proangiogéniques

La glycation non enzymatique des protéines Glucose + Protéine Base de Schiff (Sucre réducteur et groupement aminé) Produits d Amadori (comme les bases de Schiff mais plus stables) Accumulation des produits d Amadori et formation des Advanced Glyaction End Products, AGE Effets structuraux et effets par l intermédiaire des récepteurs, RAGEs

Cancers

Age et cancer une double opposition La sénescence bloque la formation tumorale. Senescence replicative, un modèle cellulaire?? Replication, mais pas plus de 50 fois, facteur de Hayflick? Dé-repression de la cyclindependent kinase inhibitor 2A (CDKN2A) sert à la cellule à mémoriser des stimulations mitogéniquqes excessives (oncogène-induced senescence). La protéine codée par CDKN augmente dans la sénescence dont elle est un des marqueurs. Le processus de sénescence replicative (la CDKN) et la perte de l activité télomérasique sont liés à l âge et sont basiquement antiprolifératifs. Au contraire, l instabilité génomique croit avec l âge. L autophagie est accrue par les tumor-suppressor et inhibée par les oncogènes, elle joue un rôle important dans le vieillissement.

Ferions-nous plus de cancers sans les cellules sénescentes? Normalement les cellules sénescentes limitent la prolifération, et la sénescence agit comme une barrière contre le cancer La réponse est, probablement dans l environnement. En culture, les fibroblastes sénescents (au moins 10% par culture) stimulent la croissance de cellules épithéliales prénéoplastiques (kératocytes ou lignée de cancer du sein) Les cellules sénescentes pourraient donc promouvoir la croissance cancéreuse [ Krtolica et al. PNAS 2001]

Il y a dans le vieillissement cardiovasculaire, CV, au moins deux aspects différents 1. Le processus général du vieillissement est multiforme, mais, dans le système CV, il y reste dominé par 1. la perte cellulaire, 2. la fibrose de réparation 3. et la glycation des parois luminales 2. L augmentation de l impédance caractéristique des gros vaisseaux entraîne une surcharge myocardique gauche une diminution de la réserve coronaire et une augmentation de la sensibilité du myocarde aux effets de l ischémie 3. L âge réduit la plasticité et la densité de la microcirculation, au moins au niveau cérébral

LE PROCESSUS GENERAL DU VIEILLISSEMENT CARDIOVASCULAIRE Le vieillissement vasculaire a des conséquence spécifiques GROS VAISSEAUX: glycation, fibrose et dysfonction endothéliale Augmentation de l impédance caractéristique: rigidité et épaisseur Intima/Media + calibre + longueur Trois conséquences: Le vieillissement myocardique a des conséquence spécifiques Ischémie vasculaire et tolérance à l ischémie diminuée Surcharge myocardique gauche d impédance FIBROSE MYOCARDIQUE: pertes cellulaires, ischémie Hausse de la pression artérielle pulsée Insuffisance coronarienne Insuffisance cardiaque Fibrillation auriculaire Accidents vasc. cérébraux

Le vieillissement des grosses artères entraîne une augmentation de l impédance caractéristique de l aorte et une surcharge ventriculaire gauche compensée dite d impédance

L insuffisance cardiaque du sujet âgé Principales caractéristiques Le cœur sénescent n est pas un cœur normal Le processus général du vieillissement: signaux et capacité à s hypertrophier fonction cardiaque à l exercice la fibrose et ses conséquences troubles du rythme fonction diastolique Le vieillissement vasculaire et ses conséquences: surcharge gauche compensée fonction coronaire dysfonctionnement endothélial Le vieillissement du système neurohormonal normes du taux de BNP système rénine angiotensine

Mais, le grand âge est associé à un dysfonctionnement myocardique progressif surtout au niveau du remplissage

Kc 52 Kc 78 Kc 99 Courbes Pression/Volume. Cœur isolé perfusé selon Langendorff [Rozenberg et al. Exp Ger 2005]

Effets du vieillissement sur la fonction cardiaque du rat [Rozenberg et al Exp Gerontol 2005] Rapport Poids du VG/Poids du corps, mg/g Pression télédiastolique du VG, mmhg Rats de 3 mois Rats de 24 mois Rats de 28 mois 1,58 1,65* 1,84* Muscle papillaire 4,8 4,1 7,9* Force au repos/force totale 0,11 0,21* 0,30* Pression développée du VG, mmhg/g Cœur isolé 125 60* 60* Compliance de chambre, 52 78* 99* Kc en ml -1