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Sérotonine et hypertension artérielle pulmonaire
Série « Hypertension artérielle pulmonaire » Coordonnée par A. Chaouat et A.T. Dinh-Xuan
Sérotonine et hypertension artérielle pulmonaire S. Eddahibi, S. Adnot
Résumé Introduction L’hypertension artérielle pulmonaire (HTAP) est liée à un remaniement hypertrophique des vaisseaux pulmonaires. La prolifération des cellules musculaires lisses vasculaires pulmonaires (CML-AP) joue un rôle clé dans ces altérations. État des connaissances Les CML-AP de patients atteints d’HTAP idiopathique ou associée se caractérisent in vitro par une activité proliférative anormalement élevée en réponse à la sérotonine et au sérum. Le transporteur de la sérotonine (5-HTT), médiateur de l’activité mitogénique de la sérotonine, et dont l’expression est augmentée au cours de l’HTAP idiopathique ou associée, est à l’origine de ces effets. La surexpression du 5-HTT, induite sélectivement dans le muscle lisse vasculaire par transgénèse chez la souris, suffit à provoquer le développement d’une HTAP. Le traitement par des inhibiteurs sélectifs du 5-HTT prévient ou permet la réversibilité complète de l’HTAP expérimentale, hypoxique ou inflammatoire. La présence d’un polymorphisme du gène à l’origine d’une augmentation de l’expression de la protéine et de la prolifération des CML-AP semble déterminer la sévérité de certaines formes d’HTAP humaine, notamment l’HTAP compliquant la BPCO. Perspectives Une application thérapeutique potentielle concerne l’utilisation des inhibiteurs du 5-HTT dans l’HTAP humaine. Une étude clinique française est actuellement en cours. Conclusion L’exploration du rôle du 5-HTT et des mécanismes conduisant à la surexpression du 5-HTT dans l’HTAP, de même que les interactions entre 5-HTT et BMPR2, devrait permettre une réelle progression dans la compréhension de la physiopathologie de la maladie.
INSERM U651 et Département de Physiologie, Hôpital Henri Mondor, AP-HP, Créteil, France.
Mots-clés : Hypertension Artérielle Pulmonaire • Sérotonine • Muscle Lisse • Transporteur de la Sérotonine.
Correspondance : S. Adnot INSERM U651, Faculté de Médecine, 8, rue du Général Sarrail, 94010 Créteil, France. [email protected] Réception version princeps à la Revue : 17.01.2006. Retour aux auteurs pour révision : 26.01.2006. Acceptation définitive : 27.01.2006.
Rev Mal Respir 2006 ; 23 : 4S45-4S51 Doi : 10.1019/200530251
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S. Eddahibi, S. Adnot
Serotonin and pulmonary arterial hypertension
S. Eddahibi, S. Adnot
Summary Introduction Pulmonary arterial hypertension (PAH) is related to hypertrophic remodelling of the pulmonary vessels. Proliferation of pulmonary vascular smooth muscle cells (PA-SMCs) plays a key role in these changes. Background The PA-SMCs of patients suffering from idiopathic or secondary PAH are characterized by abnormally increased in vitro proliferation in response to serotonin or serum. Serotonin transporter (5-HTT), the mediator of the mitogenic activity of serotonin, and the expression of which is increased in the course of idiopathic or secondary PAH, is the basis of these effects. The overexpression of 5-HTT, selectively induced in vascular smooth muscle by transgenesis in the mouse, leads to the development of PAH. Treatment with selective 5-HTT inhibitors prevents or leads to complete reversal of experimental hypoxic or inflammatory PAH. The presence of polymorphism of the gene causing over expression of the protein and proliferation of PA-SMCs seems to determine the severity of certain types of human PAH, notably that complicating COPD. Viewpoint There is a potential therapeutic application of 5-HTT inhibitors in human PAH. A clinical study is currently taking place in France. Conclusion The exploration of the role of 5-HTT and the mechanisms leading to its overexpression in PAH, as well as the interactions between 5-HTT and the BMPR2 gene, should lead to a significant increase in the understanding of the pathophysiology of the disease. Mots-clés : Pulmonary arterial hypertension • Serotonin • Smooth muscle • Serotonin transporter.
Introduction Plusieurs arguments sont à l’origine de l’intérêt actuel suscité par la sérotonine (5-HT) dans le développement de l’hypertension artérielle pulmonaire (HTAP) [1]. La prise de médicaments anorexigènes interagissant avec le transport de la 5-HT augmente le risque de développer une HTAP idiopathique (HTAPi). L’association entre l’anorexigène aminorex et l’HTAPi a été décrite pour la première fois dans les années 1960. Plus tard, dans les années 1980, une relation a été établie entre la prise de fenfluramine et une épidémie d’HTAP en France et en Belgique [2]. L’hypothèse sérotonine était déjà étayée par des arguments expérimentaux, puisque le rat Fawn-hooded, dont la principale caractéristique est un déficit héréditaire du stockage plaquettaire de la 5-HT, développe spontanément une hypertension pulmonaire [3]. Une observation analogue avait également été rapportée chez un patient souffrant d’un déficit de stockage plaquettaire de la 5-HT et ayant développé une HTAPi [4]. Par ailleurs, des taux élevés de 5-HT plasmatique ont été rapportés chez des patients porteurs d’une HTAPi, persistant après transplantation pulmonaire [5]. Les premières études ayant réellement permis d’authentifier l’implication de la sérotonine dans la physiopathologie de l’HTAP humaine ont été réalisées sur des cellules musculaires lisses d’artères pulmonaires (CML-AP). Outre ses effets vasoactifs, la 5-HT stimule fortement la croissance du muscle lisse vasculaire pulmonaire [6, 7]. Contrairement son action vasoconstrictrice qui s’exerce principalement par l’activation des récepteurs 5-HT1B, 5-HT1D ou 5-HT-2A [1], l’activité mitogène de la 5-HT nécessite son internalisation par un transporteur membranaire, le transporteur de la 5-HT (5-HTT). L’action mitogénique de la 5-HT dans les CML-AP est ainsi dépendante de son accumulation intracellulaire et donc de l’activité et/ou de l’expression du 5-HTT [7, 8]. Les médicaments qui inhibent le 5-HTT de façon sélective bloquent l’activité mitogène de la 5-HT exercée sur les CML-AP. Les anorexigènes fenfluramine, d-fenfluramine et aminorex diffèrent des inhibiteurs sélectifs du 5-HTT dans la mesure où ceux-ci, non seulement interagissent de façon complexe avec le 5-HTT et certains récepteurs à la 5-HT (5-HT2B), mais également provoquent la libération de 5-HT à partir des plaquettes [9, 10].
Mise en évidence du rôle du transporteur de la 5-HT au cours de l’HTAP humaine
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Les études ayant permis d’identifier le rôle du 5-HTT dans la physiopathologie de l’HTAP humaine ont été réalisées in vitro sur CML-AP obtenues à partir de patients porteurs d’une HTAPi [8, 11]. Les CML-AP de patients porteurs d’une HTAPi se caractérisent par une activité proliférative anormalement élevée en réponse à la 5-HT ou au sérum alors
Sérotonine et hypertension artérielle pulmonaire
que leur réponse proliférative à d’autres facteurs de croissance tels le PDGF, le FGFa, le TGF β, l’EGF ou l’IGF ne diffère pas de celle de sujets témoins (fig. 1). Cette croissance anormale est due à une surexpression du 5-HTT car elle disparaît en présence d’inhibiteurs sélectifs de ce transporteur comme la fluoxétine ou le citalopram [8, 11]. Ainsi, une caractéristique essentielle de l’HTAPi semble liée à la sur expression du 5-HTT dans les CML-AP, responsable d’une augmentation de l’activité mitogène de la 5-HT, mais également du sérum (qui contient des concentrations élevées de 5-HT). La surexpression du 5-HTT qui persiste dans des cellules étudiées in vitro et donc extraites de leur environnement pathologique, apparaît donc comme une anomalie intrinsèque des CML-AP intimement liée au phénotype pathologique de l’HTAPi. Dans le poumon, le 5-HTT est principalement exprimé par les CML-AP, peu par les cellules endothéliales (fig. 2). Par ailleurs, le rôle de ce transporteur en tant que médiateur de l’activité mitogénique de la 5-HT semble spécifique des CML-AP puisqu’il n’assure pas cette fonction dans le muscle lisse des artères systémiques dans lequel il est peu exprimé [6]. Le 5-HTT est codé par un gène unique exprimé principalement par les neurones, les plaquettes, ainsi que par les cellules endothéliales et musculaires lisses des vaisseaux pulmonaires. Chez l’homme, le niveau d’expression de 5-HTT semble considérablement plus élevé dans le poumon que dans l’encéphale. Ainsi, toute altération de l’expression de 5-HTT retentit directement sur l’activité proliférative du muscle lisse des vaisseaux pulmonaires.
Cellules musculaires lisses artérielles pulmonaires Activité 5-HTT
Croissance CMLs
4000 3000 2000 1000 0 Témoins IPH
PA-SMC proliferation (cpm)
[3H]5-HT transport (cpm)
5000 4000 Témoins IPH
3000
2000
1000
0 0.2%SVF 10-8
10-7 10-6 5-HT
Fluox Citalop 5-HT 10-6
Fig. 1.
Schéma de gauche : activité 5-HTT dans les CML-AP de sujets témoins et de patients porteurs d’une HTAPi ; schéma de droite : croissance des CML-AP représentée par le niveau d’incorporation de [3H]thymidine chez des témoins (barres claires) ou des patients (IPH, barres foncées). Les cellules étaient incubées en présence de concentrations croissantes de 5-HT (10-8 à 10-6 mol/L) en présence de sérum 0,2 %. La réponse était également mesurée en présence de fluoxetine (10-5mol/L), ou citalopram (10-5mol/L). D’après [8].
Augmentation de l’expression du 5-HTT et développement de l’HTAP : résultats expérimentaux Il existe un lien très étroit entre le niveau d’expression et/ou d’activité pulmonaire du 5-HTT et le développement de l’HTAP expérimentale : – les souris déficientes en 5-HTT sont protégées contre le développement de l’HTAP hypoxique [12]. Ces résultats sont à rapprocher du fait que l’hypoxie augmente l’expression et l’activité du 5-HTT dans les CML-AP, selon un mécanisme faisant intervenir une activation transcriptionnelle [7]. La conséquence est que l’activité mitogénique de la sérotonine est potentialisée par la pré-exposition des cellules musculaires lisses à l’hypoxie. Cette surexpression du transporteur de la sérotonine induite par l’hypoxie in vitro est retrouvée in vivo chez l’animal exposé à l’hypoxie au niveau de la media des artères pulmonaires proximales et distales [7] ; – l’administration chronique d’inhibiteurs sélectifs du 5-HTT atténue l’HTAP hypoxique chez la souris alors que les antagonistes des récepteurs à la 5-HT dirigés contre les récepteurs 5-HT2A et 5-HT1B sont sans effets [13] ; – la sur expression du 5-HTT précède et accompagne le développement de l’HTAP induite par l’injection de monocrotaline chez le rat [14]. Le traitement de ces animaux par un inhibiteur sélectif du 5-HTT non seulement prévient mais également induit une normalisation complète de la pression artérielle pulmonaire, avec une réversibilité totale du remodelage hypertrophique des vaisseaux pulmonaires. Dans ces expériences, les antagonistes des récepteurs à la 5-HT dirigés contre les récepteurs 5-HT2A, 5-HT1B et 5-HT2B sont sans effets ; – l’argument le plus déterminant au plan expérimental a été obtenu récemment en montrant que des souris transgéniques surexprimant sélectivement le 5-HTT dans les CML vasculaires sous le contrôle du promoteur SM22, développent spontanément une HTAP [15]. Chez ces souris SM22-5-HTT + qui développent spontanément un remaniement hypertrophique de la paroi vasculaire, le niveau d’expression du 5-HTT est de 3 à 4 fois celui d’animaux témoins, ce qui correspond au niveau d’expression fréquemment retrouvé dans l’HTAP humaine. Ainsi une surexpression sélective et isolée du 5-HTT dans les CML-AP conduit au développement d’une HTAP sans nécessiter une altération associée de la bio disponibilité de la 5-HT. Une association entre HTAP hypoxique et surexpression du 5-HTT avait antérieurement été montrée chez des souris transgéniques exprimant le 5-HTT sous le contrôle du promoteur humain [16]. Ces études démontrent donc l’existence d’un lien étroit entre le niveau d’expression du 5-HTT pulmonaire et le développement de l’HTAP expérimentale. Actuellement, les souris SM22-5-HTT + représentent un modèle original dans la mesure où ce sont les seuls animaux transgéniques chez qui la modification d’expression d’un gène unique dans le muscle lisse provoque le développement d’une HTAP par remodelage vasculaire pulmonaire. Cette observation montre ainsi qu’une © 2006 SPLF, tous droits réservés
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HPI
TEMOIN
A B C D
HPI
HPI
Fig. 2.
Coloration immunohistochimique du 5-HTT sur coupes de poumons provenant d’un sujet témoin (A) ou de patients porteurs d’une hypertension artérielle pulmonaire idiopathique (B, C, D). La coloration siège essentiellement dans la média et apparaît très marquée en cas de remaniement hypertrophique des artères de patients. Barre de référence: 100 µm pour A, B, C, et 200 µm pour D. D’après [8]. HPI : hypertension artérielle pulmonaire idiopathique.
altération sélective des CML-AP peut induire un remaniement des vaisseaux pulmonaires sans intervention d’autres facteurs pulmonaire ou sytémiques.
Surexpression du transporteur de la sérotonine et hyperplasie du muscle lisse au cours de l’hypertension artérielle pulmonaire idiopathique ou associée Le rôle de la surexpression du 5-HTT dans l’hyperplasie des CML-AP n’est pas restreint à l’HTAP idiopathique mais 4S48
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concerne également d’autres formes d’HTAP humaines. Ainsi, une augmentation de l’expression pulmonaire de 5-HTT est observée, non seulement dans l’HTAPi, mais également dans l’HTAP par maladie veino-occlusive pulmonaire et dans l’HTAP associée [11]. Dans tous ces cas, l’expression du 5-HTT prédomine dans la media des artères pulmonaires épaissies et dans les lésions en bulbe d’oignon. L’augmentation de la concentration et de l’activité de la protéine 5-HTT persiste également dans des CML en culture issues des artères pulmonaires de ces patients, avec en conséquence, une hyperplasie de ces cellules en réponse à la 5-HT et au sérum. En présence d’inhibiteurs du 5-HTT, l’activité proliférative du sérum et de la 5-HT
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Mécanismes à l’origine de la surexpression du 5-HTT au cours de l’HTAP idiopathique ou associée Le mécanisme à l’origine de la sur expression du 5-HTT dans les CML-AP de patients porteurs d’une HTAP reste mystérieux [17]. Le fait que cette surexpression persiste in vitro dans des cellules en culture étudiées après plusieurs passages, a fait rechercher une origine génétique. Bien que la séquence des régions régulatrices du gène 5-HTT ne soit pas modifiée dans l’HTAP, on sait que l’expression du 5-HTT est soumise à un contrôle génétique lié à un polymorphisme de la région promotrice du gène [18]. L’analyse de la séquence promotrice du 5-HTT a en effet révélé l’existence de deux allèles qui différent par le nombre de répétitions d’un motif en tandem ‘L’ pour répétition en grand nombre, et ‘S’ pour répétition en petit nombre. Ces variations alléliques de la séquence promotrice du gène, L ou S, déterminent respectivement une vitesse de transcription élevée ou basse. Nous avons montré que l’expression du 5-HTT varie en fonction du génotype S/S, L/S, ou L/L, dans des CML-AP de sujets contrôles et détermine la réponse proliférative de ces cellules à la 5-HT ou au sérum8. Les cellules de génotype LL expriment davantage de 5-HTT que les cellules LS ou SS et prolifèrent davantage en réponse à la 5-HT (fig. 3). Ce polymorphisme, néanmoins, ne peut expliquer l’augmentation de l’expression pulmonaire ou cellulaire du 5-HTT au cours de l’HTAP. En effet, les niveaux d’ARNm ou d’activité du 5-HTT dans des cellules LL de sujets témoins restent toujours largement inférieurs au niveau mesuré dans les cellules de patients porteurs d’une HTAP, quel que soit leur génotype [11]. Certains facteurs environnementaux peuvent également participer à la surexpression du 5-HTT, parmi lesquels, l’hypoxie, l’inflammation, ou une dysfonction du récepteur 2 de la protéine morphogénique osseuse ou BMPR2.
2400
***
2000 **
1600 1200 800 400 0 SS
LS
LL
Incorporation [3H]Thymidine (cpm/ puit)
Activité 5-HTT et croissance des CML-AP en fonction du génotype
Transport [3H]5-HT (cpm / puit)
est considérablement réduite et la différence entre patients et témoins disparaît [11]. La prolifération des CML-AP en réponse à d’autres facteurs de croissance comme le PDGF est identique chez les patients avec HTAP et les témoins. Ces résultats démontrent donc que la surexpression du 5-HTT constitue une caractéristique phénotypique, non seulement de l’HTAPi, mais également de l’HTAP associée à des pathologies variées comme la sclérodermie, la drépanocytose, la dilatation des bronches, ou l’hystiocytose X. Il faut noter que de telles modifications n’ont jamais été observées dans des CML-AP de sujets témoins, qui sont en fait des patients opérés pour exérèse d’une néoplasie pulmonaire localisée, mais dont les vaisseaux pulmonaires sont souvent remaniés, du fait d’une intoxication tabagique associée. Une question non résolue concerne donc le caractère acquis ou non d’un phénotype anormal du muscle lisse vasculaire pulmonaire au cours de l’HTAP.
** 2500 2000 * 1500 1000 500 0 SS
LS
LL
Fig. 3.
Schéma de gauche : activité 5-HTT dans les CML-AP de sujets témoins en fonction de leur génotype LL, LS ou SS; schéma de droite : croissance des CML-AP représentée par le niveau d’incorporation de [3H]thymidine chez des témoins en fonction de leur génotype LL, LS ou SS. *P < 0,05, **P < 0,01, et ***P < 0,001 en comparaison avec les valeurs obtenues dans des cellules de génotype SS. D’après [8].
Polymorphisme du gène codant pour le 5-HTT et susceptibilité à l’HTAP idiopathique ou associée L’existence de ce polymorphisme a naturellement conduit à s’interroger sur la fréquence du génotype LL chez des patients porteurs d’une HTAP idiopathique ou associée. Dans notre étude initiale réalisée chez 89 patients porteurs d’une HTAPi, nous avions retrouvé un génotype L/L chez 65 % des patients alors que la fréquence de ce génotype était de 27 % dans la population témoin [8]. Cette prévalence du génotype LL parmi les patients porteurs d’une HTAPi, cependant, n’a pas été confirmée par d’autres études portant sur un plus grand nombre de patients [19, 20]. Les raisons de cet apparent désaccord entre ces études ne sont pas tout à fait clarifiées. Il faut noter que notre population comportait une proportion considérable de patients transplantés (28 %) et qu’une réévaluation rétrospective de 50 patients transplantés pour HTAP de 1998 à 2005 à l’hôpital Marie Lannelongue (Le Plessis Robinson) montre la présence du génotype LL chez 57 % des patients. Par ailleurs, dans une étude précédente portant sur 25 patients transplantés pour HTAP associée, une forte prévalence du génotype LL était également observée [11]. Il est donc vraisemblable que la situation homozygote L/L ne représente pas un facteur de susceptibilité ou de prédisposition à l’ HTAP idiopathique ou associée. En revanche, il est possible que ce génotype LL puisse intervenir comme gène modificateur et influencer la sévérité ou l’évolutivité de la maladie. Cette hypothèse, cependant, reste à évaluer. © 2006 SPLF, tous droits réservés
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5-HTT et HTAP compliquant la broncho-pneumopathie chronique obstructive (BPCO) La physiopathologie de l’HTAP compliquant l’évolution de la BPCO reste imparfaitement comprise [21]. L’hypoxie chronique semble représenter le facteur contributif majeur, en association avec l’inflammation et la destruction du parenchyme pulmonaire. Il existe cependant d’importantes variations inter-individuelles dans la sévérité de l’hypertension pulmonaire compliquant la BPCO, certains patients développant une HTAP hors de proportion de leur atteinte pulmonaire. Puisque l’expression du gène 5-HTT est inductible par l’hypoxie, et que cette induction est étroitement couplée au polymorphisme du promoteur du gène, l’hypothèse que ce polymorphisme pourrait influencer la sévérité de l’HTAP compliquant la BPCO a été évaluée. Dans deux populations distinctes de patients BPCO, française et anglaise, on observe une relation étroite entre le génotype du 5-HTT et le niveau de pression artérielle pulmonaire [22]. La pression artérielle pulmonaire est en effet nettement plus élevée chez les patients LL que chez les patients LS ou SS (fig. 4), ce qui concorde avec le caractère dominant de l’allèle S sur l’allèle L. À noter également que les patients de génotype LL ne présentaient pas un niveau d’obstruction bronchique supérieur à celui des patients LS ou SS. À l’inverse, le VEMS et le rapport VEMS/CV étaient plutôt moins abaissés chez les patients LL comparés aux patients LS ou SS. Cette observation est maintenant confirmée par les résultats obtenus dans une plus grande population de patients et chez qui un suivi longitudinal est en cours. En effet, l’HTAP étant considérée comme un facteur de mauvais pronostic de la BPCO, le génotype associé à l’HTAP pourrait représenter un facteur prédictif de l’évolution de la 70
Pap moyenne, mmHg
60 50 40 ** §
maladie. Dans cette étude en cours, une relation est également observée entre le niveau d’HTAP et le polymorphisme du gène de l’IL6, venant confirmer l’hypothèse initiale que l’inflammation et l’hypoxie concourent au développement de l’HTAP de la BPCO.
Le 5-HTT, une cible thérapeutique ? Un traitement continu par les inhibiteurs du 5-HTT pourrait donc ralentir, stopper ou faire régresser le processus prolifératif des CML-AP au cours de l’HTAP. Les résultats expérimentaux vont en ce sens puisque le traitement par la fluoxétine prévient l’HTAP hypoxique chez la souris et induit une réversibilité totale de l’HTAP induite par la monocrotaline chez le rat [13, 14]. Bien que ces effets soient obtenus avec des doses de médicament importantes, le traitement de patients porteurs d’une HTAP par la fluoxétine ou le citalopram aux doses couramment utilisées dans la dépression est compatible avec l’effet attendu [23]. En effet, l’inhibition de la prolifération des CML-AP in vitro est observée à des concentrations de l’ordre du micromolaire, concentration plasmatique obtenue aux posologies normales-hautes de fluoxétine ou de citalopram (60 mg/jour). La possibilité qu’un tel traitement puisse être efficace au cours de l’HTAP humaine repose essentiellement sur des arguments indirects. Un rapport préliminaire de l’étude cas-contrôle réalisée en Europe en 1996 montrait que la consommation de médicaments antidépresseurs était significativement plus faible chez les patients avec HTAPi que chez les contrôles, suggérant que l’utilisation de ces médicaments était associée à un moindre risque de développer une HTAPi [24]. Par ailleurs, dans une étude rétrospective évaluant la survie d’une cohorte de 84 patients avec HTAPi (incluant 13 patients traités par inhibiteurs du 5-HTT) et présentée lors du congrès de l’ATS 2005, le risque de décès était de moitié chez les sujets consommant ces médicaments par rapport aux patients non traités [25]. Ces arguments sont à l’origine d’une étude multicentrique française actuellement en cours, évaluant les effets du escitalopram chez des patients porteurs d’une HTAP idiopathique ou associée.
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Références
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LS
SS
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Fig. 4.
Valeurs individuelles de pression artérielle pulmonaire (Pap) mesurée chez des patients BPCO classes selon leur génotype LL, LS, ou SS. * P < 0,05 ** P < 0,01 en comparaison avec les valeurs obtenues chez des sujets de génotype LS ; §P < 0,01, en comparaison avec les valeurs obtenues chez des sujets de génotype SS génotype. D’après [22].
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Sérotonine et hypertension artérielle pulmonaire S. Eddahibi, S. Adnot
Résumé Introduction L’hypertension artérielle pulmonaire (HTAP) est liée à un remaniement hypertrophique des vaisseaux pulmonaires. La prolifération des cellules musculaires lisses vasculaires pulmonaires (CML-AP) joue un rôle clé dans ces altérations. État des connaissances Les CML-AP de patients atteints d’HTAP idiopathique ou associée se caractérisent in vitro par une activité proliférative anormalement élevée en réponse à la sérotonine et au sérum. Le transporteur de la sérotonine (5-HTT), médiateur de l’activité mitogénique de la sérotonine, et dont l’expression est augmentée au cours de l’HTAP idiopathique ou associée, est à l’origine de ces effets. La surexpression du 5-HTT, induite sélectivement dans le muscle lisse vasculaire par transgénèse chez la souris, suffit à provoquer le développement d’une HTAP. Le traitement par des inhibiteurs sélectifs du 5-HTT prévient ou permet la réversibilité complète de l’HTAP expérimentale, hypoxique ou inflammatoire. La présence d’un polymorphisme du gène à l’origine d’une augmentation de l’expression de la protéine et de la prolifération des CML-AP semble déterminer la sévérité de certaines formes d’HTAP humaine, notamment l’HTAP compliquant la BPCO. Perspectives Une application thérapeutique potentielle concerne l’utilisation des inhibiteurs du 5-HTT dans l’HTAP humaine. Une étude clinique française est actuellement en cours. Conclusion L’exploration du rôle du 5-HTT et des mécanismes conduisant à la surexpression du 5-HTT dans l’HTAP, de même que les interactions entre 5-HTT et BMPR2, devrait permettre une réelle progression dans la compréhension de la physiopathologie de la maladie.
INSERM U651 et Département de Physiologie, Hôpital Henri Mondor, AP-HP, Créteil, France.
Mots-clés : Hypertension Artérielle Pulmonaire • Sérotonine • Muscle Lisse • Transporteur de la Sérotonine.
Correspondance : S. Adnot INSERM U651, Faculté de Médecine, 8, rue du Général Sarrail, 94010 Créteil, France. [email protected] Réception version princeps à la Revue : 17.01.2006. Retour aux auteurs pour révision : 26.01.2006. Acceptation définitive : 27.01.2006.
Rev Mal Respir 2006 ; 23 : 4S45-4S51 Doi : 10.1019/200530251
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S. Eddahibi, S. Adnot
Serotonin and pulmonary arterial hypertension
S. Eddahibi, S. Adnot
Summary Introduction Pulmonary arterial hypertension (PAH) is related to hypertrophic remodelling of the pulmonary vessels. Proliferation of pulmonary vascular smooth muscle cells (PA-SMCs) plays a key role in these changes. Background The PA-SMCs of patients suffering from idiopathic or secondary PAH are characterized by abnormally increased in vitro proliferation in response to serotonin or serum. Serotonin transporter (5-HTT), the mediator of the mitogenic activity of serotonin, and the expression of which is increased in the course of idiopathic or secondary PAH, is the basis of these effects. The overexpression of 5-HTT, selectively induced in vascular smooth muscle by transgenesis in the mouse, leads to the development of PAH. Treatment with selective 5-HTT inhibitors prevents or leads to complete reversal of experimental hypoxic or inflammatory PAH. The presence of polymorphism of the gene causing over expression of the protein and proliferation of PA-SMCs seems to determine the severity of certain types of human PAH, notably that complicating COPD. Viewpoint There is a potential therapeutic application of 5-HTT inhibitors in human PAH. A clinical study is currently taking place in France. Conclusion The exploration of the role of 5-HTT and the mechanisms leading to its overexpression in PAH, as well as the interactions between 5-HTT and the BMPR2 gene, should lead to a significant increase in the understanding of the pathophysiology of the disease. Mots-clés : Pulmonary arterial hypertension • Serotonin • Smooth muscle • Serotonin transporter.
Introduction Plusieurs arguments sont à l’origine de l’intérêt actuel suscité par la sérotonine (5-HT) dans le développement de l’hypertension artérielle pulmonaire (HTAP) [1]. La prise de médicaments anorexigènes interagissant avec le transport de la 5-HT augmente le risque de développer une HTAP idiopathique (HTAPi). L’association entre l’anorexigène aminorex et l’HTAPi a été décrite pour la première fois dans les années 1960. Plus tard, dans les années 1980, une relation a été établie entre la prise de fenfluramine et une épidémie d’HTAP en France et en Belgique [2]. L’hypothèse sérotonine était déjà étayée par des arguments expérimentaux, puisque le rat Fawn-hooded, dont la principale caractéristique est un déficit héréditaire du stockage plaquettaire de la 5-HT, développe spontanément une hypertension pulmonaire [3]. Une observation analogue avait également été rapportée chez un patient souffrant d’un déficit de stockage plaquettaire de la 5-HT et ayant développé une HTAPi [4]. Par ailleurs, des taux élevés de 5-HT plasmatique ont été rapportés chez des patients porteurs d’une HTAPi, persistant après transplantation pulmonaire [5]. Les premières études ayant réellement permis d’authentifier l’implication de la sérotonine dans la physiopathologie de l’HTAP humaine ont été réalisées sur des cellules musculaires lisses d’artères pulmonaires (CML-AP). Outre ses effets vasoactifs, la 5-HT stimule fortement la croissance du muscle lisse vasculaire pulmonaire [6, 7]. Contrairement son action vasoconstrictrice qui s’exerce principalement par l’activation des récepteurs 5-HT1B, 5-HT1D ou 5-HT-2A [1], l’activité mitogène de la 5-HT nécessite son internalisation par un transporteur membranaire, le transporteur de la 5-HT (5-HTT). L’action mitogénique de la 5-HT dans les CML-AP est ainsi dépendante de son accumulation intracellulaire et donc de l’activité et/ou de l’expression du 5-HTT [7, 8]. Les médicaments qui inhibent le 5-HTT de façon sélective bloquent l’activité mitogène de la 5-HT exercée sur les CML-AP. Les anorexigènes fenfluramine, d-fenfluramine et aminorex diffèrent des inhibiteurs sélectifs du 5-HTT dans la mesure où ceux-ci, non seulement interagissent de façon complexe avec le 5-HTT et certains récepteurs à la 5-HT (5-HT2B), mais également provoquent la libération de 5-HT à partir des plaquettes [9, 10].
Mise en évidence du rôle du transporteur de la 5-HT au cours de l’HTAP humaine
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Les études ayant permis d’identifier le rôle du 5-HTT dans la physiopathologie de l’HTAP humaine ont été réalisées in vitro sur CML-AP obtenues à partir de patients porteurs d’une HTAPi [8, 11]. Les CML-AP de patients porteurs d’une HTAPi se caractérisent par une activité proliférative anormalement élevée en réponse à la 5-HT ou au sérum alors
Sérotonine et hypertension artérielle pulmonaire
que leur réponse proliférative à d’autres facteurs de croissance tels le PDGF, le FGFa, le TGF β, l’EGF ou l’IGF ne diffère pas de celle de sujets témoins (fig. 1). Cette croissance anormale est due à une surexpression du 5-HTT car elle disparaît en présence d’inhibiteurs sélectifs de ce transporteur comme la fluoxétine ou le citalopram [8, 11]. Ainsi, une caractéristique essentielle de l’HTAPi semble liée à la sur expression du 5-HTT dans les CML-AP, responsable d’une augmentation de l’activité mitogène de la 5-HT, mais également du sérum (qui contient des concentrations élevées de 5-HT). La surexpression du 5-HTT qui persiste dans des cellules étudiées in vitro et donc extraites de leur environnement pathologique, apparaît donc comme une anomalie intrinsèque des CML-AP intimement liée au phénotype pathologique de l’HTAPi. Dans le poumon, le 5-HTT est principalement exprimé par les CML-AP, peu par les cellules endothéliales (fig. 2). Par ailleurs, le rôle de ce transporteur en tant que médiateur de l’activité mitogénique de la 5-HT semble spécifique des CML-AP puisqu’il n’assure pas cette fonction dans le muscle lisse des artères systémiques dans lequel il est peu exprimé [6]. Le 5-HTT est codé par un gène unique exprimé principalement par les neurones, les plaquettes, ainsi que par les cellules endothéliales et musculaires lisses des vaisseaux pulmonaires. Chez l’homme, le niveau d’expression de 5-HTT semble considérablement plus élevé dans le poumon que dans l’encéphale. Ainsi, toute altération de l’expression de 5-HTT retentit directement sur l’activité proliférative du muscle lisse des vaisseaux pulmonaires.
Cellules musculaires lisses artérielles pulmonaires Activité 5-HTT
Croissance CMLs
4000 3000 2000 1000 0 Témoins IPH
PA-SMC proliferation (cpm)
[3H]5-HT transport (cpm)
5000 4000 Témoins IPH
3000
2000
1000
0 0.2%SVF 10-8
10-7 10-6 5-HT
Fluox Citalop 5-HT 10-6
Fig. 1.
Schéma de gauche : activité 5-HTT dans les CML-AP de sujets témoins et de patients porteurs d’une HTAPi ; schéma de droite : croissance des CML-AP représentée par le niveau d’incorporation de [3H]thymidine chez des témoins (barres claires) ou des patients (IPH, barres foncées). Les cellules étaient incubées en présence de concentrations croissantes de 5-HT (10-8 à 10-6 mol/L) en présence de sérum 0,2 %. La réponse était également mesurée en présence de fluoxetine (10-5mol/L), ou citalopram (10-5mol/L). D’après [8].
Augmentation de l’expression du 5-HTT et développement de l’HTAP : résultats expérimentaux Il existe un lien très étroit entre le niveau d’expression et/ou d’activité pulmonaire du 5-HTT et le développement de l’HTAP expérimentale : – les souris déficientes en 5-HTT sont protégées contre le développement de l’HTAP hypoxique [12]. Ces résultats sont à rapprocher du fait que l’hypoxie augmente l’expression et l’activité du 5-HTT dans les CML-AP, selon un mécanisme faisant intervenir une activation transcriptionnelle [7]. La conséquence est que l’activité mitogénique de la sérotonine est potentialisée par la pré-exposition des cellules musculaires lisses à l’hypoxie. Cette surexpression du transporteur de la sérotonine induite par l’hypoxie in vitro est retrouvée in vivo chez l’animal exposé à l’hypoxie au niveau de la media des artères pulmonaires proximales et distales [7] ; – l’administration chronique d’inhibiteurs sélectifs du 5-HTT atténue l’HTAP hypoxique chez la souris alors que les antagonistes des récepteurs à la 5-HT dirigés contre les récepteurs 5-HT2A et 5-HT1B sont sans effets [13] ; – la sur expression du 5-HTT précède et accompagne le développement de l’HTAP induite par l’injection de monocrotaline chez le rat [14]. Le traitement de ces animaux par un inhibiteur sélectif du 5-HTT non seulement prévient mais également induit une normalisation complète de la pression artérielle pulmonaire, avec une réversibilité totale du remodelage hypertrophique des vaisseaux pulmonaires. Dans ces expériences, les antagonistes des récepteurs à la 5-HT dirigés contre les récepteurs 5-HT2A, 5-HT1B et 5-HT2B sont sans effets ; – l’argument le plus déterminant au plan expérimental a été obtenu récemment en montrant que des souris transgéniques surexprimant sélectivement le 5-HTT dans les CML vasculaires sous le contrôle du promoteur SM22, développent spontanément une HTAP [15]. Chez ces souris SM22-5-HTT + qui développent spontanément un remaniement hypertrophique de la paroi vasculaire, le niveau d’expression du 5-HTT est de 3 à 4 fois celui d’animaux témoins, ce qui correspond au niveau d’expression fréquemment retrouvé dans l’HTAP humaine. Ainsi une surexpression sélective et isolée du 5-HTT dans les CML-AP conduit au développement d’une HTAP sans nécessiter une altération associée de la bio disponibilité de la 5-HT. Une association entre HTAP hypoxique et surexpression du 5-HTT avait antérieurement été montrée chez des souris transgéniques exprimant le 5-HTT sous le contrôle du promoteur humain [16]. Ces études démontrent donc l’existence d’un lien étroit entre le niveau d’expression du 5-HTT pulmonaire et le développement de l’HTAP expérimentale. Actuellement, les souris SM22-5-HTT + représentent un modèle original dans la mesure où ce sont les seuls animaux transgéniques chez qui la modification d’expression d’un gène unique dans le muscle lisse provoque le développement d’une HTAP par remodelage vasculaire pulmonaire. Cette observation montre ainsi qu’une © 2006 SPLF, tous droits réservés
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HPI
TEMOIN
A B C D
HPI
HPI
Fig. 2.
Coloration immunohistochimique du 5-HTT sur coupes de poumons provenant d’un sujet témoin (A) ou de patients porteurs d’une hypertension artérielle pulmonaire idiopathique (B, C, D). La coloration siège essentiellement dans la média et apparaît très marquée en cas de remaniement hypertrophique des artères de patients. Barre de référence: 100 µm pour A, B, C, et 200 µm pour D. D’après [8]. HPI : hypertension artérielle pulmonaire idiopathique.
altération sélective des CML-AP peut induire un remaniement des vaisseaux pulmonaires sans intervention d’autres facteurs pulmonaire ou sytémiques.
Surexpression du transporteur de la sérotonine et hyperplasie du muscle lisse au cours de l’hypertension artérielle pulmonaire idiopathique ou associée Le rôle de la surexpression du 5-HTT dans l’hyperplasie des CML-AP n’est pas restreint à l’HTAP idiopathique mais 4S48
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concerne également d’autres formes d’HTAP humaines. Ainsi, une augmentation de l’expression pulmonaire de 5-HTT est observée, non seulement dans l’HTAPi, mais également dans l’HTAP par maladie veino-occlusive pulmonaire et dans l’HTAP associée [11]. Dans tous ces cas, l’expression du 5-HTT prédomine dans la media des artères pulmonaires épaissies et dans les lésions en bulbe d’oignon. L’augmentation de la concentration et de l’activité de la protéine 5-HTT persiste également dans des CML en culture issues des artères pulmonaires de ces patients, avec en conséquence, une hyperplasie de ces cellules en réponse à la 5-HT et au sérum. En présence d’inhibiteurs du 5-HTT, l’activité proliférative du sérum et de la 5-HT
Sérotonine et hypertension artérielle pulmonaire
Mécanismes à l’origine de la surexpression du 5-HTT au cours de l’HTAP idiopathique ou associée Le mécanisme à l’origine de la sur expression du 5-HTT dans les CML-AP de patients porteurs d’une HTAP reste mystérieux [17]. Le fait que cette surexpression persiste in vitro dans des cellules en culture étudiées après plusieurs passages, a fait rechercher une origine génétique. Bien que la séquence des régions régulatrices du gène 5-HTT ne soit pas modifiée dans l’HTAP, on sait que l’expression du 5-HTT est soumise à un contrôle génétique lié à un polymorphisme de la région promotrice du gène [18]. L’analyse de la séquence promotrice du 5-HTT a en effet révélé l’existence de deux allèles qui différent par le nombre de répétitions d’un motif en tandem ‘L’ pour répétition en grand nombre, et ‘S’ pour répétition en petit nombre. Ces variations alléliques de la séquence promotrice du gène, L ou S, déterminent respectivement une vitesse de transcription élevée ou basse. Nous avons montré que l’expression du 5-HTT varie en fonction du génotype S/S, L/S, ou L/L, dans des CML-AP de sujets contrôles et détermine la réponse proliférative de ces cellules à la 5-HT ou au sérum8. Les cellules de génotype LL expriment davantage de 5-HTT que les cellules LS ou SS et prolifèrent davantage en réponse à la 5-HT (fig. 3). Ce polymorphisme, néanmoins, ne peut expliquer l’augmentation de l’expression pulmonaire ou cellulaire du 5-HTT au cours de l’HTAP. En effet, les niveaux d’ARNm ou d’activité du 5-HTT dans des cellules LL de sujets témoins restent toujours largement inférieurs au niveau mesuré dans les cellules de patients porteurs d’une HTAP, quel que soit leur génotype [11]. Certains facteurs environnementaux peuvent également participer à la surexpression du 5-HTT, parmi lesquels, l’hypoxie, l’inflammation, ou une dysfonction du récepteur 2 de la protéine morphogénique osseuse ou BMPR2.
2400
***
2000 **
1600 1200 800 400 0 SS
LS
LL
Incorporation [3H]Thymidine (cpm/ puit)
Activité 5-HTT et croissance des CML-AP en fonction du génotype
Transport [3H]5-HT (cpm / puit)
est considérablement réduite et la différence entre patients et témoins disparaît [11]. La prolifération des CML-AP en réponse à d’autres facteurs de croissance comme le PDGF est identique chez les patients avec HTAP et les témoins. Ces résultats démontrent donc que la surexpression du 5-HTT constitue une caractéristique phénotypique, non seulement de l’HTAPi, mais également de l’HTAP associée à des pathologies variées comme la sclérodermie, la drépanocytose, la dilatation des bronches, ou l’hystiocytose X. Il faut noter que de telles modifications n’ont jamais été observées dans des CML-AP de sujets témoins, qui sont en fait des patients opérés pour exérèse d’une néoplasie pulmonaire localisée, mais dont les vaisseaux pulmonaires sont souvent remaniés, du fait d’une intoxication tabagique associée. Une question non résolue concerne donc le caractère acquis ou non d’un phénotype anormal du muscle lisse vasculaire pulmonaire au cours de l’HTAP.
** 2500 2000 * 1500 1000 500 0 SS
LS
LL
Fig. 3.
Schéma de gauche : activité 5-HTT dans les CML-AP de sujets témoins en fonction de leur génotype LL, LS ou SS; schéma de droite : croissance des CML-AP représentée par le niveau d’incorporation de [3H]thymidine chez des témoins en fonction de leur génotype LL, LS ou SS. *P < 0,05, **P < 0,01, et ***P < 0,001 en comparaison avec les valeurs obtenues dans des cellules de génotype SS. D’après [8].
Polymorphisme du gène codant pour le 5-HTT et susceptibilité à l’HTAP idiopathique ou associée L’existence de ce polymorphisme a naturellement conduit à s’interroger sur la fréquence du génotype LL chez des patients porteurs d’une HTAP idiopathique ou associée. Dans notre étude initiale réalisée chez 89 patients porteurs d’une HTAPi, nous avions retrouvé un génotype L/L chez 65 % des patients alors que la fréquence de ce génotype était de 27 % dans la population témoin [8]. Cette prévalence du génotype LL parmi les patients porteurs d’une HTAPi, cependant, n’a pas été confirmée par d’autres études portant sur un plus grand nombre de patients [19, 20]. Les raisons de cet apparent désaccord entre ces études ne sont pas tout à fait clarifiées. Il faut noter que notre population comportait une proportion considérable de patients transplantés (28 %) et qu’une réévaluation rétrospective de 50 patients transplantés pour HTAP de 1998 à 2005 à l’hôpital Marie Lannelongue (Le Plessis Robinson) montre la présence du génotype LL chez 57 % des patients. Par ailleurs, dans une étude précédente portant sur 25 patients transplantés pour HTAP associée, une forte prévalence du génotype LL était également observée [11]. Il est donc vraisemblable que la situation homozygote L/L ne représente pas un facteur de susceptibilité ou de prédisposition à l’ HTAP idiopathique ou associée. En revanche, il est possible que ce génotype LL puisse intervenir comme gène modificateur et influencer la sévérité ou l’évolutivité de la maladie. Cette hypothèse, cependant, reste à évaluer. © 2006 SPLF, tous droits réservés
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5-HTT et HTAP compliquant la broncho-pneumopathie chronique obstructive (BPCO) La physiopathologie de l’HTAP compliquant l’évolution de la BPCO reste imparfaitement comprise [21]. L’hypoxie chronique semble représenter le facteur contributif majeur, en association avec l’inflammation et la destruction du parenchyme pulmonaire. Il existe cependant d’importantes variations inter-individuelles dans la sévérité de l’hypertension pulmonaire compliquant la BPCO, certains patients développant une HTAP hors de proportion de leur atteinte pulmonaire. Puisque l’expression du gène 5-HTT est inductible par l’hypoxie, et que cette induction est étroitement couplée au polymorphisme du promoteur du gène, l’hypothèse que ce polymorphisme pourrait influencer la sévérité de l’HTAP compliquant la BPCO a été évaluée. Dans deux populations distinctes de patients BPCO, française et anglaise, on observe une relation étroite entre le génotype du 5-HTT et le niveau de pression artérielle pulmonaire [22]. La pression artérielle pulmonaire est en effet nettement plus élevée chez les patients LL que chez les patients LS ou SS (fig. 4), ce qui concorde avec le caractère dominant de l’allèle S sur l’allèle L. À noter également que les patients de génotype LL ne présentaient pas un niveau d’obstruction bronchique supérieur à celui des patients LS ou SS. À l’inverse, le VEMS et le rapport VEMS/CV étaient plutôt moins abaissés chez les patients LL comparés aux patients LS ou SS. Cette observation est maintenant confirmée par les résultats obtenus dans une plus grande population de patients et chez qui un suivi longitudinal est en cours. En effet, l’HTAP étant considérée comme un facteur de mauvais pronostic de la BPCO, le génotype associé à l’HTAP pourrait représenter un facteur prédictif de l’évolution de la 70
Pap moyenne, mmHg
60 50 40 ** §
maladie. Dans cette étude en cours, une relation est également observée entre le niveau d’HTAP et le polymorphisme du gène de l’IL6, venant confirmer l’hypothèse initiale que l’inflammation et l’hypoxie concourent au développement de l’HTAP de la BPCO.
Le 5-HTT, une cible thérapeutique ? Un traitement continu par les inhibiteurs du 5-HTT pourrait donc ralentir, stopper ou faire régresser le processus prolifératif des CML-AP au cours de l’HTAP. Les résultats expérimentaux vont en ce sens puisque le traitement par la fluoxétine prévient l’HTAP hypoxique chez la souris et induit une réversibilité totale de l’HTAP induite par la monocrotaline chez le rat [13, 14]. Bien que ces effets soient obtenus avec des doses de médicament importantes, le traitement de patients porteurs d’une HTAP par la fluoxétine ou le citalopram aux doses couramment utilisées dans la dépression est compatible avec l’effet attendu [23]. En effet, l’inhibition de la prolifération des CML-AP in vitro est observée à des concentrations de l’ordre du micromolaire, concentration plasmatique obtenue aux posologies normales-hautes de fluoxétine ou de citalopram (60 mg/jour). La possibilité qu’un tel traitement puisse être efficace au cours de l’HTAP humaine repose essentiellement sur des arguments indirects. Un rapport préliminaire de l’étude cas-contrôle réalisée en Europe en 1996 montrait que la consommation de médicaments antidépresseurs était significativement plus faible chez les patients avec HTAPi que chez les contrôles, suggérant que l’utilisation de ces médicaments était associée à un moindre risque de développer une HTAPi [24]. Par ailleurs, dans une étude rétrospective évaluant la survie d’une cohorte de 84 patients avec HTAPi (incluant 13 patients traités par inhibiteurs du 5-HTT) et présentée lors du congrès de l’ATS 2005, le risque de décès était de moitié chez les sujets consommant ces médicaments par rapport aux patients non traités [25]. Ces arguments sont à l’origine d’une étude multicentrique française actuellement en cours, évaluant les effets du escitalopram chez des patients porteurs d’une HTAP idiopathique ou associée.
30 20
Références
10 LL
LS
SS
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Fig. 4.
Valeurs individuelles de pression artérielle pulmonaire (Pap) mesurée chez des patients BPCO classes selon leur génotype LL, LS, ou SS. * P < 0,05 ** P < 0,01 en comparaison avec les valeurs obtenues chez des sujets de génotype LS ; §P < 0,01, en comparaison avec les valeurs obtenues chez des sujets de génotype SS génotype. D’après [22].
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