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Drépanocytose
Physiopathologie et
Thérapeutiques Ciblées
Bichat 21 mars 2014
yvesbeuzard@yahoo.fr
Hb S Hypoxie
Polymères
Oxydations
Maladie
vasculaire
Plasma
GB
Endothelium
Dysérythropoïèse
DREPANOCYTOSE
Plan
• Syndromes drépanocytaires majeurs:
• Hémoglobine S : Polymères et Oxydations
Drépanocytes
• Sang drépanocytaire
Inflammation et dysfonctions de l’endothélium
• Vasculopathies drépanocytaires
• Thérapeutiques
• Co-évolution: humaine et Plasmodium °
Epidémiologie de la drépanocytose
– 15 000 patients drépanocytaires en France
– 500 nouveaux patients par an en France
– 300 000 naissances/an de futurs patients dans le monde
– Espérance de vie • 45-50 ans dans les régions développées
• < 5 ans en Afrique ou en Inde
– 10 millions de patients en 2050 (Piel, 2014)
Fréquence Allélique Gène S
0,03 - 0,18 (2010)
(Piel, Lancet, 2013)
Les Syndromes Drépanocytaires
Majeurs • (SCA) Sickle cell anemia (90%)
– Génotype S/S, S/β°Thal, S/OArabe, S/DPunjab)
– Formes sévères: • Anémie hémolytique importante
• Nombreuses crises douloureuses « vaso-occlusives » localisées
• Complications aigues et chroniques fréquentes
– Gènes modulateurs (HbF, α thalassémie associée….) • Formes moins sévères
• Maladie S/C (10%) • Génotype S/C : HbS = HbC (A/S HbS<HbA)
• MCHC ↑
• Peu anémique
• Peu d’hémolyse
• Moins sévère mais certaines complications sont fréquentes (nécrose ischémique osseuse, rétinopathie)
Découverte de la drépanocytose James Herrick (Arch. Int. Med. 6 517 1910)
Drepanocytes
Air
_ O2
Drépanocyte irréversible- déshydraté- Rigide- Adhérent - Fragilehémoglobine « libre », hème « libre »
Drépanocyte Irréversible
Drépanocyte Réversible
Irréversible
Drépanocyte irréversible
Déshydraté,
Rigide,
Adhérent
Fragile
Réversible
Drépanocytes
Structure de l’hémoglobine
En 1962, Max Perutz (1914–2002) reçoit le
Prix Nobel de Chimie pour avoir déterminé
la structure atomique de l’hémoglobine
Globule rouge
Chaine beta Chaine alpha
Chaine alpha Chaine beta
Hème + Fer
Hème + Fer
Hème + Fer
Hème + Fer
34
O. NEGRE
Hème
Cavité centrale
HbS: β6-Valine
Max Perutz
Structure de l’hémoglobine dans l’espace
Prix Nobel de chimie en 1962
Polymérisation de l’HbS
Coupe d’un polymère d’hémoglobine S
Lateral contacts in Hemoglobin S polymer
Val
Thr
Phe Leu
Thr Pro
Asp
HbS polymer
Val 6
Phe 85
Leu 88
Lateral Contacts
Val 6
Val 6
Phe 85
Leu 88
Phe 85
Leu 88
87 100
g-globin HLDDLKGTFA Q LSELHCDKLHVDPENF
| | | : | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |
b-globin HLDNLKGTFA T LSELHCDKLHVDPENF
| | | | | | | | | : | | | | | | | | | | | | | | | |
d-globin HLDNLKGTFS Q LSELHCDKLHVDPENF
Anti-sickling effect of g-globin
Hereditary persistence of g-globin
Hydroxyurea
V
F
L
T V
F
L
Q
polymerization destabilization
b1 a1
b2 a2
a1
a1
a2
a2
b1
b2
b2
b1
Axial
Contacts
Anti-Sickling Property of β 87 Gln (Q) residue
Antisickling INN-312 (Abdulmalik et al.Acta Cryst. 2011)
Exemples of efficient Antisickling Agents (Abdulmalik et al.Acta Cryst. 2011)
Tucaresol Arya, Brit. J.Haemat.
1996
Antisickling INN-312 (Abdulmalik et al., Acta Cryst. 2011)
Cinétique de polymérisation de
l’HbS
+ Hemin360μM
control
Uzunova, 2010Adachi, 2009
Deoxy HbS
3.5g/dL
No Heminadded
II Le Globule Rouge Drépanocytaire
• Mutation HbS: β6GluVal
• Polymères d’HbS – Concentration élevée d’HbS ≥ 15g/dl de GR
– Désoxygénation des GR
• Oxydation de l’HbS – Dérivés réactifs de l’oxygène (ROS)
– Libération d’hème (hémine) fer
– Déshydratation des GR: [HbS] ↑
– Déformabilité ↓
– Adhérence↑
– Obstruction des micro-vaisseaux, l’Hémolyse et les microparticules
Physiopathologie Membranaire
M. Stuart 2004
Phospholipase A2
Déshydration des GR
Bunn NEJM 1997
Co-transport
K+ Cl- Canal Gardos
K+
ROS
Oxidation
Blebbing
IgG binding AE1
Cluster
Oxidation
Pantaleo Plos ONE, 2011
Erythrocyte Membrane Aging
Eryptosis (apoptose) and Erythrophagocysosis
phosphatidyl serine
Hemoglobin S
free chains
Heme
O 2
O 2 2 H
O H
Génération
d’oxydants
Cell. endothéliale
IgG Bande 3
"micro" Agrégats d’HbS
Agrégats de proteines
glycophorine
O 2
O H
transports
Fuite de potassium
et d’eau
Externalisation de
la PS
Oxydations
microparticules
HbS
O. Platt
Macrophage
Physiopathologie érythrocytaire
Free β S chain
βS chain α chain
HbS polymers
Oxidative stress
Hebbel « Critical Review »
Am. J. Hematol. 86 123-154, 2011
Adhesion
molecules
Vidéo
• Vaso occlusions induites par l’hypoxie
chez la souris drépanocytaire SAD sans
poil et sans pigmentation
« Hairless 3 »
Cellules
Endotheliales
Activées
Hémolyse
HbS
Heme
NO
ROS
Vaso-
occlusion Vaso-constriction
Ischémie/
reperfusion
Inflammation
Adhérence GR, GB, Pl
GR
HbS
GB (activés)
Neutrophiles
Monocytes/Macr
-ophages
Mastocytes
Cercle vicieux de la Drépanocytose
Vasculopathies
III Hémolyse intra-vasculaire et
lignes de défense
Hémolyse intravasculaire – Modérée
• Complexe Haptoglobine-Hb (αβ) macrophage
• Complexe Hémopexine-Hémine hépatocyte
– En excès: toxicité de l’Hb et de l’hème (hémine) ROS • Altération de protéines, lipides, fibrinogène, récepteurs, vaisseaux
• Complexe albumine-hème
Hémine en excès cellules (Hémine, Fe, ROS)
Cellules – Antioxydants: glutathion, enzymes…..
• Hème oxygénase (HO-1, HO-2) – Fer Ferritine (chélateur: 4 500 atomes de Fe/mol.)
– Oxyde de carbone
– Biliverdine Bilirubine (antioxydants)
III Rôle de l’hème « libre » dans l’inflammation et l’activation des cellules endothéliales
HMGB1
Belcher, Blood, 2014
GMI
1070
Activated
Neutrophiles Frenette 2014
Extra Cell.
Traps
Hypoxia, Reperfusion and Inflammation Eltzschig, NEJM, 2011
IV Paradoxes Vasculaires
• Débit cardiovasculaire accru
• Résistances vasculaires accrues – Hypertension artérielle relative (heme)
– Réduction du flux sanguin (zones du cerveau)
– Altérations micro-vasculaires
• Dérégulation du tonus vasculaire – NO Nitrate
– ↑ Endotheline-1
– Système nerveux autonome
• Crises vaso-occlusives
• Ischémie-reperfusion
• Remodelage vasculaire
• Dommages ischémiques d’organe
• Néoangiogénèse (Moya-Moya, rétine)
Vasculopathies régionales
• Circulation splénique
• Circulation cérébrale – Lésions des gros vaisseaux
– Moya-Moya
– Région hypoxique
• Circulation pulmonaire
• Circulation osseuse
• Circulation rénale – Corticale: hyperfiltration glomérulaire
– Médullaire: résistance (baisse du ph, hyperosmolarité)
• Circulation cutanée ulcère de jambe
V Thérapeutiques spécifiques
• Transfusions de GR : Efficace (crises, AVC)
• Hydoxycarbamide (hydroxy-Urée) ↑ HbF (1995)
• Agents antipolymérisation de l’HbS ?
• Agents actifs sur la déshydratation du globule rouge (pidolate de Mg, Senicapoc)
• Inhibiteurs de l’adhérence?
• Anti-oxydants?
• Greffe allogénique
• Thérapie génique?
Sickle Erythrocyte dehydration
F. Bunn NEJM 1997
K+ Cl-
Co-transport
K+
Gardos channel
Senicapoc ICA-17043
K. Ataga
BJH, 2011
Mg pidolate W.Wang
BJH, 2011
C. Brugnara
Targeting Channels
Greffe Allogénique en France Françoise Bernaudin
Greffe Allogénique en France
patients β-Thalassémiques
Thérapie génique
par greffe autologue
de cellules souches
génétiquement modifiées
Promising Efficacy in β-Thalassemia 1st patient now transfusion independent
Last Transfusion
0
2
4
6
8
10
12
Hb
(g/
dL)
bA
bAT87Q
fetal
bE
Months post-transplantation
Phlebotomies (200mL) (to eliminate iron overload)
Lenti-β-globin Gene Therapy
-5
-3
3
4 5
6
9 11
12
13
15
16
18
19
20
21
22
24
25
27
28
29
30
30
.6
32
33
33
.6
35
35
.4
36
.5
38
39
40
41
.5
43
44
Thérapeutiques innovantes
• Activation d’un gène foetal de compensation: ↑ expression du gène gamma de l’HbF Hydroxyurée : SUCCES PARTIEL (1995) • Greffe de cellules souches hématopoïétiques (CSH)
– Quelques milliers d’enfants guéris – Progrès de la sélection des donneurs – Progrès du conditionnement
• Thérapie Génique – Addition d’un gène thérapeutique
• β thalassémie: essais en cours, preuve du principe • Drépanocytose: essais en cours
– Correction de la mutation in situ : cellules iPSC (Shinya Yamanaka, Nobel 2012)
Souris drépanocytaire « Hb S seulement »
Knock out (Pasty, 1997), Knock In (Townes, 2005)
Hb = 7g/dL
- O2
Science 21/12/2007
Hémoglobine thérapeutique après greffe de cellules iPS
après correction par le gène de globine βA
Souris drépanocytaire « S Knock In »
HbA
HbS
HbS
HbA 61% HbA
HbA 72%
HbA
HbA 66%
HbS
HbS
4 semaines 8 semaines
HbA 62,5%
HbA 66%
HbA 67%
HbS
HbS
HbS
Souris non traitée
HbS
HbS
Evolution humaine
Facteurs de « résistance » au Paludisme
• Populations à risque : – 2,5 milliards d’êtres humains: pays chauds, basse altitude
– 350 millions de cas par an dans le monde – Plasmodium falciparum en Afrique
– parasite du globule rouge (cycle érythrocytaire)
• Mortalité : – 600 000 enfants + femmes enceintes en Afrique par an
• Facteurs génétiques de tolérance des complications (neuropaludisme, anémie)
– mutations des globules rouges = 1 milliard d’êtres humains • Hétérozygotes A/S et A/C en Afrique,
• Hb E en Asie du Sud-est et en Chine
• Thalassémies mineures (α et β)
• Déficit en G6PD
• Mutation des protéines membranaires,
• Groupes sanguins (Duffy - pas de P. vivax en Afrique)
Mécanismes commun de « résistance » et de « tolérance » accrues – Altérations discrètes du globule rouge altération du cycle parasitaire érythrocytaire,
adhérence des GR
– Porteurs du trait A/S = légère Hyper-hémolyse préventive ↑ Hème oxygénase-1 ↑ CO + biliverdine = antistress cellulaire (souris drépanocytaire SAD)
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