L’oxygène est L’oxygène est toxique…toxique…

C. Minet A. Desrumaux

DESC Réanimation Médicale

9/12/05

INTRODUCTIONINTRODUCTION

Suspectée en 1794 par Priestley Suspectée en 1794 par Priestley O2 considéré comme source de vieO2 considéré comme source de vie 1° rôle:alimentation respiratoire cellulaire 1° rôle:alimentation respiratoire cellulaire

mitochondriale (énergie pour phosphorylation mitochondriale (énergie pour phosphorylation oxydative).oxydative).

tue les anaérobies stricts mais aussi les tue les anaérobies stricts mais aussi les aérobies au dessus d'une concentration aérobies au dessus d'une concentration critique.critique.

1900: Gomberg montre que l'oxygène réagit 1900: Gomberg montre que l'oxygène réagit avec des radicaux libres. avec des radicaux libres.

A partir 1950, toxicité de l’O2:rôle espèces A partir 1950, toxicité de l’O2:rôle espèces dérivées de O2, phénomène adaptation, dérivées de O2, phénomène adaptation, modèles animaux .modèles animaux .

PHYSIOPATHOLOGIEPHYSIOPATHOLOGIE

Principaux mécanismes de toxicité de O2:Principaux mécanismes de toxicité de O2:– Production in situ d’espèces dérivées de Production in situ d’espèces dérivées de

l’oxygène(ROS) .l’oxygène(ROS) .– Déséquilibre balance Déséquilibre balance

oxydant/antioxydant.oxydant/antioxydant.– Lésions cellulaires par interaction avec Lésions cellulaires par interaction avec

ROS.ROS.– Déclenchement d’une réaction Déclenchement d’une réaction

Inflammatoire pulmonaire .Inflammatoire pulmonaire .

Reactive oxygen species in acute lung injury,Eur. Respir. J Reactive oxygen species in acute lung injury,Eur. Respir. J 19981998

Production d’espèces Production d’espèces dérivées de l’O2.dérivées de l’O2.

Radicaux libresRadicaux libres::– O2-°:anion superoxydeO2-°:anion superoxyde– OH°:hydroxyle OH°:hydroxyle – RO2°:peroxylRO2°:peroxyl– RO°:alkoxylRO°:alkoxyl– HO2°:hydroperoxylHO2°:hydroperoxyl

Non radicalaire::– HOCl:acide hypochloreuxHOCl:acide hypochloreux– H2O2:peroxyde d’hydrogèneH2O2:peroxyde d’hydrogène– O3:ozoneO3:ozone– ROOH:hydroperoxideROOH:hydroperoxide

Espèces dérivées du NO.Espèces dérivées du NO.

NO°:monoxyde d’azoteNO°:monoxyde d’azote ONOO-:peroxynitriteONOO-:peroxynitrite NO2°:radical nitryleNO2°:radical nitryle

Radicaux libresRadicaux libres

Molécule avec 1 électron non apparié.Molécule avec 1 électron non apparié. Formation pour interaction entre matière Formation pour interaction entre matière

vivante(singulet) et O2(triplet):vivante(singulet) et O2(triplet):– Par oxydation: O2 accepte 1 e-.Par oxydation: O2 accepte 1 e-.– Par oxygénation: O2 fixe matière organique.Par oxygénation: O2 fixe matière organique.

Ds mitochondries des neutrophiles, dans Ds mitochondries des neutrophiles, dans cytosol, dans RE, par phagocytes. cytosol, dans RE, par phagocytes.

ROSROS Augmentation de production quand:Augmentation de production quand:

– Inflammation aigueInflammation aigue– HypoxieHypoxie– HyperoxieHyperoxie– Ischémie/reperfusion (xanthine, NADPH)Ischémie/reperfusion (xanthine, NADPH)– Hémoglobine libre (peroxydase)Hémoglobine libre (peroxydase)

ROS interviennent dans la ROS interviennent dans la signalisation intracellulaire :signalisation intracellulaire :– Facteurs de transcription nucléaireFacteurs de transcription nucléaire– Cascades de protéine kinase.Cascades de protéine kinase.

Défenses naturellesDéfenses naturelles

Antioxydants: -glutathion, vitamine EAntioxydants: -glutathion, vitamine E Enzymes: - Superoxyde dismutase (SOD)Enzymes: - Superoxyde dismutase (SOD)

- Catalases- Catalases

- Glutathion peroxydases- Glutathion peroxydases Protéines neutralisant Fe2+:oxydation, Protéines neutralisant Fe2+:oxydation,

captation, transport.captation, transport. Action:- prévention formation/inactivation Action:- prévention formation/inactivation

- réparation oxydation moléculaire.- réparation oxydation moléculaire.

Déséquilibre balance Déséquilibre balance oxydant/antioxydantoxydant/antioxydant

Perturbation de équilibre oxydo-Perturbation de équilibre oxydo-réducteur intracellulaire d’où réducteur intracellulaire d’où activation de signalisation activation de signalisation intracellulaire.intracellulaire.

Rôle facteurs nutritionnels:Rôle facteurs nutritionnels:– Cuivre(SOD), sélénium(peroxydase),vit E Cuivre(SOD), sélénium(peroxydase),vit E

(oxydation).(oxydation). Libération brutale d’hémoglobineLibération brutale d’hémoglobine Bactéries intracellulaire.Bactéries intracellulaire.

Mécanisme toxicité de O2 ds Mécanisme toxicité de O2 ds hyperoxiehyperoxie

Hyperoxie:P° partielle multipliée par 4,7 dans alvéoles,augmente l’activité Hyperoxie:P° partielle multipliée par 4,7 dans alvéoles,augmente l’activité des enzymes pro oxydantes.des enzymes pro oxydantes.L’excès des médiateurs oxygénés débordent les capacités des enzymes L’excès des médiateurs oxygénés débordent les capacités des enzymes antioxydantes donc libération de ROS.antioxydantes donc libération de ROS.

Lésions cellulaires Lésions cellulaires biochimiques biochimiques

dues à l’hyperoxie . dues à l’hyperoxie . Altérations chaîne de transport Altérations chaîne de transport

d’électron mitochondriales d’électron mitochondriales (chute (chute glucose et ATP).glucose et ATP).

Altération de l’ADN Altération de l’ADN (bases nucléiques)(bases nucléiques) . . Péroxydation lipidique membranaire Péroxydation lipidique membranaire

(altération perméabilité cellulaire).(altération perméabilité cellulaire). Altération synthèse protéique et Altération synthèse protéique et

fonctions enzymatiques.fonctions enzymatiques. Données actuelles sur toxicité de l’O2,Réanimation Données actuelles sur toxicité de l’O2,Réanimation

2002.2002.

Recrutement et activation Recrutement et activation de phagocytes.de phagocytes.

Macrophages alvéolaires attirent Macrophages alvéolaires attirent neutrophiles par facteurs neutrophiles par facteurs chimiotactiques.chimiotactiques.

Production médiateurs Production médiateurs inflammatoires= cytokines inflammatoires= cytokines

+ Production de ROS+ Production de ROS Destruction tissu pulmonaire et Destruction tissu pulmonaire et

alvéoles (œdème et fibrose). alvéoles (œdème et fibrose).

Toxicité hyperoxie in vivo Toxicité hyperoxie in vivo chez l’animal.chez l’animal.

Susceptibilité selon âge et espèce de Susceptibilité selon âge et espèce de l’animal.l’animal.

Manifestations de toxicité les plus Manifestations de toxicité les plus rapidement visibles : pulmonaire.rapidement visibles : pulmonaire.

Existe seuil de tolérance à hyperoxie:Existe seuil de tolérance à hyperoxie:– Dans la concentration en O2Dans la concentration en O2– Dans la durée d’exposition.Dans la durée d’exposition.

Toxicité hyperoxie in vivo.Toxicité hyperoxie in vivo.

Phénomènes d’adaptationPhénomènes d’adaptation

Quand exposition à >70% et surtout 85%Quand exposition à >70% et surtout 85% GSH après 24 h hyperoxieGSH après 24 h hyperoxieEnz anti-oxydantes dans le poumon après 40-72 h Enz anti-oxydantes dans le poumon après 40-72 h

à 85% O2.à 85% O2. Lung biology in health and disease,Massaro et alLung biology in health and disease,Massaro et al

SOD EC et mitochondriesSOD EC et mitochondries atténuation atténuation de réponse inflammatoire des de réponse inflammatoire des neutrophiles.neutrophiles.

Oxygen toxicity in rats,Am Rev Respir Dis 1985Oxygen toxicity in rats,Am Rev Respir Dis 1985

Chez prématuré:Chez prématuré:

""Oxygen radical disease in Oxygen radical disease in neonatologyneonatology" " Acta Paediatr Scand. 1990 Saugstad ODActa Paediatr Scand. 1990 Saugstad OD

Dysplasie broncho-pulmonaireDysplasie broncho-pulmonaire Rétinopathie du prématuréRétinopathie du prématuré LMPVLMPV ECUNECUN CA persistantCA persistant

Dysplasie Dysplasie broncho- broncho-

pulmonaire :pulmonaire :

FdR : oxygénothérapieFdR : oxygénothérapie (1) (1) Interférence de O2 dans développement Interférence de O2 dans développement

alvéolaire et vasculairealvéolaire et vasculaire Immaturité et dépassement rapide des Immaturité et dépassement rapide des

capacités antioxydantes (SOD, Catalase, capacités antioxydantes (SOD, Catalase, Peroxydase) (2)Peroxydase) (2)

(1). DBP Paediatr Drugs. 2004. Bronchopulmonary dysplasia in preterm (1). DBP Paediatr Drugs. 2004. Bronchopulmonary dysplasia in preterm infants: pathophysiology and management strategies. D'Angio CT, infants: pathophysiology and management strategies. D'Angio CT, Maniscalco WM.Maniscalco WM.

(2). (2). Strategies to minimize lung injury in extremely low birth weight infants Suguihara, Jornal de Pediatria 2005

Dysplasie Dysplasie broncho- broncho- pulmonaire :pulmonaire :

2 groupes: 88 à 98% n = 123

70 à 90% n = 126

Résultats (DBP): 46% vs 18%

Dysplasie Dysplasie broncho-broncho-

pulmonairepulmonaire : :

89 94% 96 99%

Étude multicentrique : une supplémentation en vitamine A diminue le risque de DBP.

Tyson JE et al.Vitamin A supplementation for extremely-low-birth-weight infants: National Institute of Child Health and Human

Development. Neonatal Research Network. N Engl J Med.1999

Dysplasie Dysplasie broncho- broncho- pulmonaire :pulmonaire :

Rétinopathie du prématuréRétinopathie du prématuré Immaturité des vaisseaux rétiniensImmaturité des vaisseaux rétiniens

Physiopathologie:Physiopathologie:– Phase 1: hyperoxie et vaso-oblitérationPhase 1: hyperoxie et vaso-oblitération– Phase 2: vasoproliférationPhase 2: vasoprolifération

Bande fibreuse

Rétinopathie du prématuréRétinopathie du prématuré

Étude contrôlée, non randomisée: Étude contrôlée, non randomisée: incidence et gravité de RPP liées à la incidence et gravité de RPP liées à la durée où PaO2> 80 mmHgdurée où PaO2> 80 mmHg

Flynn J.T., Banclari E., Snyder E.S., Flynn J.T., Banclari E., Snyder E.S., et al.et al. 1992. A cohort study of 1992. A cohort study of transcutaneous oxygen tension and the incidence and severity of transcutaneous oxygen tension and the incidence and severity of retinopathy of prematurity. retinopathy of prematurity. N Engl J MedN Engl J Med 1992 (326)1050-54 1992 (326)1050-54

Rétinopathie du prématuréRétinopathie du prématuré

89 94 % 96 99%

Étude clinique descriptive sur une durée de 5 ans imposant des limites de saturations strictes

Résultats: incidence RPP stade 3 et 4

diminue sur une période de 5 ans passant de 12,5% en1997 à 2,5% en 2001

Nécessité de traitement par laser diminue de 4,5% en 1997 à 0% dans les 3 dernières années de l’étude.

Pediatrics 2003;111;339-345

Leucomalacie Leucomalacie périventriculairepériventriculaire

Quatre facteurs principaux: • Surproduction de radicaux libres• Libération de cytokines• Excès de glutamate, principal

neurotransmetteur cérébral, • Déprivation en facteurs de croissance

lésions de la SB (Dugan et Choï, 1994).

Leucomalacie Leucomalacie périventriculairepériventriculaire

Vulnérabilité des oligodendrocytes Vulnérabilité des oligodendrocytes aux R° produits en excès lors des aux R° produits en excès lors des mécanismes d’ischémie-reperfusion, mécanismes d’ischémie-reperfusion, responsable d’une apoptose responsable d’une apoptose cellulairecellulaire

Pediatr Res. 2001 Nov. Neurobiology ofPediatr Res. 2001 Nov. Neurobiology of

periventricular leukomalacia periventricular leukomalacia

in the premature infant. Volpe JJ.in the premature infant. Volpe JJ.

Études cliniquesÉtudes cliniques::VentoVento (n= (n= 56)56)Am J Respir Crit Care Am J Respir Crit Care Med 2005Med 2005

Prospective Prospective

randomisée randomisée

double aveugledouble aveugle

cTnT NAGucTnT NAGu

GSH/GSSG SODGSH/GSSG SOD

Vento (n=40)Vento (n=40)Pediatrics 2001Pediatrics 2001

Randomisée Randomisée

simple aveugle simple aveugle

monocentriquemonocentrique

ApgarApgar

1° cri1° cri

VLVL

SaugstadSaugstad

N=213N=213Pediatrics Pediatrics 20032003

Randomisée Randomisée

multicentrique simple multicentrique simple aveugleaveugle

Poids/ âge/ PC/ Poids/ âge/ PC/ cerebral palsy cerebral palsy /développement PM/développement PM

SaugstadSaugstadPediatrics 1998Pediatrics 1998

N=609N=609

prospective multicentrique prospective multicentrique contrôlée ouvertecontrôlée ouverte

Décès à S1 Décès à S1

anoxoischémieanoxoischémie

TanTan

N = 295N = 295Arch. Dis. Child. Fetal Neonatal Ed. 2001;

Prospective Prospective

MulticentriqueMulticentrique

contrôléecontrôlée

Poids Poids

durée VM durée VM

cerebral palsy cerebral palsy

rétinopathierétinopathie

Études cliniquesÉtudes cliniques

Méta analyse:Méta analyse:Cochrane Database Syst Rev. 2005 Apr. Air versus Cochrane Database Syst Rev. 2005 Apr. Air versus

oxygen for resuscitation of infants at birth.Tan A, Schulze oxygen for resuscitation of infants at birth.Tan A, Schulze A, O'Donnell CP, Davis PGA, O'Donnell CP, Davis PG.. 5 études, 1302 enfants 5 études, 1302 enfants

Résultats:Résultats:– Diminution significative du taux de mortalité dans le Diminution significative du taux de mortalité dans le

groupe réanimation sous air (RR 0.71 (0.54, 0.94))groupe réanimation sous air (RR 0.71 (0.54, 0.94))– Pas de différence significative entre les 2 groupes Pas de différence significative entre les 2 groupes

pour HIV de stade 2 et 3 pour HIV de stade 2 et 3 – Amélioration du score d’apgar à 5’ (1 seule étude)Amélioration du score d’apgar à 5’ (1 seule étude)– Pas de différence dans pronostic neurologique mais Pas de différence dans pronostic neurologique mais

petit effectif petit effectif Conclusion: pas suffisamment de preuves pour Conclusion: pas suffisamment de preuves pour

recommander réa sous air plutôt que sous 100% et recommander réa sous air plutôt que sous 100% et réciproquement, même si diminution de la mortalité sans réciproquement, même si diminution de la mortalité sans effets indésirables démontréseffets indésirables démontrés

Recommandations Recommandations :: Room air versus 100% oxygen during positive Room air versus 100% oxygen during positive

pressure ventilation : pressure ventilation : ——100% oxygen has been used traditionally for rapid 100% oxygen has been used traditionally for rapid

reversal of hypoxia. Although biochemical and reversal of hypoxia. Although biochemical and preliminary clinical evidence suggests that lower preliminary clinical evidence suggests that lower inspired oxygen concentrations may be useful in inspired oxygen concentrations may be useful in some settings, data is insufficient to justify a some settings, data is insufficient to justify a change from the recommendation that 100% change from the recommendation that 100% oxygen be used if assisted ventilation is required.oxygen be used if assisted ventilation is required.

——If supplemental oxygen is unavailable and If supplemental oxygen is unavailable and positive-pressure ventilation is required, use positive-pressure ventilation is required, use room air room air (Class Indeterminate)(Class Indeterminate)

International Guidelines for Neonatal Resuscitation: An International Guidelines for Neonatal Resuscitation: An Excerpt From the Guidelines 2000 for Cardiopulmonary Excerpt From the Guidelines 2000 for Cardiopulmonary Resuscitation and Emergency Cardiovascular Care: Resuscitation and Emergency Cardiovascular Care: International Consensus on Science International Consensus on Science Contributors and Contributors and Reviewers for the Neonatal Resuscitation Guidelines Reviewers for the Neonatal Resuscitation Guidelines Pediatrics Pediatrics 2000;2000;

Toxicité 02 chez homme.Toxicité 02 chez homme.

Sd de souffrance par hyperoxie:3 phases:Sd de souffrance par hyperoxie:3 phases:– Trachéobronchite(10 h FiO2 100%),réversible.Trachéobronchite(10 h FiO2 100%),réversible.– SDRA (>24 h),SDRA (>24 h), albumine ds LBA = atteinte albumine ds LBA = atteinte

de barrière alvéolo-capillaire et de de barrière alvéolo-capillaire et de endothélium capillaireendothélium capillaire

– Fibrose interstitielle pulmonaire avec dégâts Fibrose interstitielle pulmonaire avec dégâts alvéolaires importants (48 h).alvéolaires importants (48 h).

FiO2>85%,dégât pulmonaire en 4-6 joursFiO2>85%,dégât pulmonaire en 4-6 jours FiO2 à 100%,lésions endothélium< 4 joursFiO2 à 100%,lésions endothélium< 4 jours Toxicité de l’Oxygène,Deby-dupont et al,Réanimation 2002.Toxicité de l’Oxygène,Deby-dupont et al,Réanimation 2002.

Histologie des lésionsHistologie des lésions

Exsudation excessive, congestion, zones Exsudation excessive, congestion, zones de nécrose cellules alvéolaires, de nécrose cellules alvéolaires, desquamation de l’épithélium desquamation de l’épithélium alvéolaire.alvéolaire.

Altération cellules endothéliales Altération cellules endothéliales capillaires.capillaires.

Destruction pneumocytes type I.Destruction pneumocytes type I. AtélectasieAtélectasie Puis prolifération pneumocytes type II et Puis prolifération pneumocytes type II et

fibrose interstitiellefibrose interstitielle

Manifestations de toxicité Manifestations de toxicité de l’02 chez homme.de l’02 chez homme.

A 50 % FiO2,après 44 H chez homme A 50 % FiO2,après 44 H chez homme sain:sain:– Augmentation stress oxydantAugmentation stress oxydant– Stimulation de macrophagesStimulation de macrophages– Production de médiateurs inflammatoires: Production de médiateurs inflammatoires:

LTB4 dans LBA.LTB4 dans LBA.– Augmentation de neutrophiles dans les Augmentation de neutrophiles dans les

alvéoles: 2,8 VS 1,2 (p<0,05)alvéoles: 2,8 VS 1,2 (p<0,05) Hyperoxic exposure in humans,Chest 92Hyperoxic exposure in humans,Chest 92

Radical NO°Radical NO°

NO très utilisé dans le SDRA pour NO très utilisé dans le SDRA pour améliorer l’oxygénation.améliorer l’oxygénation.

Inhibiteurs de NO synthétase aggraverait Inhibiteurs de NO synthétase aggraverait toxicité de l’O2 au niveau pulmonaire.toxicité de l’O2 au niveau pulmonaire.

NO° piégeur de ROS mais rôle bénéfique NO° piégeur de ROS mais rôle bénéfique discuté:discuté:– NO°+O2-°NO°+O2-°ONOO- + O2ONOO- + O2 nitrites qui réagit nitrites qui réagit

avec myélopéroxydase et forment autres ROS.avec myélopéroxydase et forment autres ROS.– Donc NO° aggraverait toxicité de hyperoxie. Donc NO° aggraverait toxicité de hyperoxie.

Capellier et al,L-NAME aggravates pulmonary oxygen toxicity in rats,Eur Respi J Capellier et al,L-NAME aggravates pulmonary oxygen toxicity in rats,Eur Respi J

1996.1996.

20 patients SDRA, étude contrôlée 20 patients SDRA, étude contrôlée randomisée.randomisée.

Objectif:démontrer que NO° Objectif:démontrer que NO° cytotoxique .cytotoxique .

Quantification dans LBA de 3-Quantification dans LBA de 3-nitrotyrosine (marqueur de formation de nitrotyrosine (marqueur de formation de ONOO-) et 3-chlorotyrosine ONOO-) et 3-chlorotyrosine (neutrophiles).(neutrophiles).

Patients receiving°NO had increased levels of 3-nitrotyrosine (6.76+/-2.79 versus 0.4+/-0.15 nmol/mg of protein, p<0.05). 3-chlorotyrosine(7.97+/-2.74 versus 1.53+/-1.09 nmol/mg of protein, p<0.05) in BAL protein compared with controls.

In patients with ARDS inhaled °NO increases the formation of 3-nitrotyrosine and is accompanied by an increase in levels of 3-chlorotyrosine (a marker of neutrophil activation).

ConclusionConclusion

Seuil de toxicité de l’O2 pourrait être Seuil de toxicité de l’O2 pourrait être 60 % de FiO2.60 % de FiO2.

FiO2 à 100%FiO2 à 100% décès en moins de décès en moins de 100 h.100 h.