Rôles clinico-biologiques du monoxyde d'azote produit par les voies aériennes

Abstract

Le monoxyde d'azote (NO) est une molécule produite par l'ensemble des cellules des voies aériennes. Sa synthèse à partir de la L-arginine fait appel à un groupe d'enzymes : les NO synthases (NOS). Il existe trois isoformes de NOS exprimées par des cellules ayant des fonctions diverses conférant ainsi au NO produit une spécificité d'action dépendante de la cellule et de la situation ayant entraîné sa synthèse. Les travaux effectués dans le cadre de cette thèse explorent des rôles différents (bronchoréactivité, immunitaires) du NO produit par les voies aériennes ainsi que la mesure du NO dans le contexte de l'anesthésie réanimation. L'objectif du premier travail était de revisiter la fonction régulatrice du tonus bronchique dans le cadre d'une pathologie respiratoire, l'objectif du second travail était méthodologique (étude des sources anatomiques du NO expiré chez le patient sous ventilation mécanique), et l'objectif du troisième travail était d'utiliser la mesure validée dans le second travail pour évaluer les fonctions immunes du NO en réanimation.Premier travail. La compétition entre les NO synthases et les arginases pour leur substrat commun, la L-arginine, pourrait être impliquée dans régulation de la réactivité et du remodelage bronchique chez le patient atteint de BPCO. Le but du premier travail était d'évaluer la relation entre expression de cette balance enzymatique, et les effets pharmacologiques de l'inhibition des NOS et des arginases sur la réactivité bronchique ex vivo à l'acétylcholine de patients sans et avec une BPCO peu sévère. Pour cela, nous avons étudié les bronches de 22 patients. Des études immunohistochimiques nous ont permis de mettre en évidence une expression bronchique NOS-2 plus importante chez les patients BPCO comparée aux patients non BPCO. De plus, les études pharmacologiques réalisées en cuve à organe ont permis de mettre en évidence une tension bronchique de base plus importante chez les BPCO, corrélée à l'expression de la NOS-2 et au degré d'obstruction bronchique (VEMS). L'utilisation d'inhibiteur des NOS diminuait cette tension de base. Nous avons démontré ainsi qu'une augmentation de l'expression NOS-2 chez le BPCO était impliquée dans l'augmentation du tonus bronchique de base et dans l'obstruction bronchique.Second travail. Les variations de NO expiré après chirurgie cardiaque avec circulation extracorporelle (CEC) demeurent controversées. Le but de ce deuxième travail était de déterminer quelle source de NO expiré (bronchique ou alvéolaire) était modifiée après CEC, et d'étudier les effets de la ventilation mécanique pendant la CEC sur ces variations. Nous avons étudié ainsi 32 patients ventilés ou non durant une chirurgie cardiaque avec CEC. Nous avons observé une diminution significative du NO expiré d'origine bronchique après la CEC. Cette diminution n'était pas observée lors du maintien durant la CEC d'une ventilation avec pression expiratoire positive (PEEP). Ce travaille permettait de conclure que la diminution du NO bronchique après la CEC pouvait être liée à une occlusion des petites voies aériennes. Cette atteinte de petites voies aériennes était prévenue par la PEEP.Troisième travail. Enfin, dans ce troisième travail, nous avons émis l'hypothèse que la mesure du NO produit par les voies aériennes (NO expiré et nasal) pouvait constituer un marqueur prédictif de survenue d'infection nosocomiale (fonctions immunitaires du NO). Dans une étude observationnelle chez 45 patients de réanimation ventilés (15 patients ont développé une infection nosocomiale), le NO nasal était le seul marqueur significativement plus bas chez les patients développant une infection nosocomiale (le NO expiré, les dosages d'IL6 et d'IL10 ainsi que le score SOFA n'étaient pas différents entre les deux groupes). Un NO nasal inférieur à 148 ppb 72 heures après l'admission du patient, permettait de prédire la survenue d'une infection nosocomiale avec une sensibilité et une spécificité de 80% et de 70% respectivement et un odds ratio de 2.7. Le développement de ce bio marqueur simple à mesurer permettrait de mettre en place des stratégies préventives (immunonutrition avec de la L-arginine).In the respiratory tract, NO is produced by a wide variety of cell types and is generated via oxidation of l-arginine that is catalyzed by the enzyme NO synthase (NOS). NOS exists in three distinct isoforms: neuronal NOS (NOS-1), inducible NOS (NOS-2), and endothelial NOS (NOS-3). NO derived from the constitutive isoforms of NOS (NOS-1 and NOS-3) and other NO-adduct molecules (nitrosothiols) have been shown to be modulators of bronchomotor tone. On the other hand, NO derived from NOS-2 seems to be a proinflammatory mediator with immunomodulatory effects. This thesis explores the physiological and pathophysiological role of endogenous nitric oxide in the airways, and the clinical aspects of monitoring nitric oxide in exhaled air of patients with respiratory disease.First Study: competition between nitric oxide synthases (NOSs) and arginases for their common substrate l-arginine could be involved in the regulation of cholinergic airway reactivity and subsequent airway remodeling. The aims of this study were to evaluate the relationships between the expression of this enzymatic balance and the effects of NOS and arginase inhibition on bronchoconstrictive response to acetylcholine of patients without and with early chronic obstructive pulmonary disease (COPD). Twenty-two human bronchi were investigated for immunohistochemistry and modulation of acetylcholine-induced airway constriction. Significantly increased expression of NOS2 in immunoblots of bronchial tissue and staining in smooth muscle cells was evidenced in patients with COPD compared with control subjects. Forced expiratory volume in 1 s (FEV1) and NOS2 expression were negatively correlated. Pharmacological experiments demonstrated that resting tension was elevated in COPD compared with control subjects and was positively correlated with the expression of NOS2. The sole effect of the specific arginase inhibitor Nomega-hydroxy-nor-L-arginine was to decrease sensitivity in COPD patients, whereas NG-nitro-L-arginine methyl ester unexpectedly decreased resting tension because of a non-cGMP-dependent effect. In conclusion, an upregulation of NOS2 expression in COPD patients is involved in airway tone regulation and functional airflow limitation, whereas increased arginase activity is involved in airway sensitivity.Second Study: the change in exhaled NO after cardio-pulmonary bypass remains controversial. The aims were to determine whether exhaled NO sources (alveolar or bronchial) are modified after bypass, and whether mechanical ventilation (MV) settings during bypass modify exhaled NO changes. Thirty-two patients were divided into three groups: without MV during bypass and positive end-expiratory pressure (PEEP) (n=12), dead space MV without PEEP (n=10) and dead space MV with PEEP (n=10). Alveolar NO concentration and bronchial NO flux were calculated before and 1h after surgery using a two-compartment model of NO exchange developed in spontaneous breathing patients. Whereas a significant decrease in bronchial NO was found after bypass in the two groups without PEEP during bypass, this decrease was not observed in patients with dead space ventilation with PEEP. Alveolar NO was not significantly modified whatever the ventilation settings. In conclusion, the impairment of bronchial NO seemed related to airway closure since dead space mechanical ventilation with PEEP prevented its decrease.Third Study: the development of biomarkers able to predict the occurrence of nosocomial infection could help manage preventive strategies, especially in medical patients whose degree of acquired immunosuppression may be variable. We hypothesized that the NO fraction present in the airways (upper and lower) of critically ill patients under mechanical ventilation could constitute such a biomarker. We conducted an observational study in a medical intensive care unit. Forty-five patients (26 men; 72 [25th-75th percentiles] years [56-82]; Simplified Acute Physiology Score II, 63 [50-81], 14 infected) under mechanical ventilation (>3 days) underwent on day 1 and day 3 of their stay: nasal and exhaled (partitioned in bronchial and alveolar sources) bedside NO measurements, determination of urine NO end products and plasma cytokine (IL-6, IL-10) concentrations, and Sequential Organ Failure Assessment score calculation. Nosocomial infection incidence was recorded during the 15 subsequent days. Fifteen patients (33%) acquired a nosocomial infection. Nasal NO was the only marker significantly different between patients with and without subsequent infection (day 1, 52 ppb [20-142] vs. 134 [84-203], P = 0.038; day 3, 98 ppb [22-140] vs. 225 [89-288], P = 0.006, respectively). Nasal NO fraction 148 ppb or less at day 3 had an 80% sensitivity, a 70% specificity, and an odds ratio of 2.7 (95% confidence interval, 1.9-3.8) to predict acquisition of nosocomial infection. Nasal NO seems to be a relatively sensitive and specific biomarker of subsequent nosocomial infection acquisition.PARIS-EST-Université (770839901) / SudocSudocFranceF