Mitophagie dans l'ischémie cérébrale et les lésions d'ischémie/reperfusionⅠ

L'AVC ischémique est une maladie cérébrovasculaire grave avec une mortalité et une morbidité élevées. Ces dernières années, les traitements de reperfusion basés sur la thrombolyse et la thrombectomie sont des prises en charge majeures des patients victimes d'AVC ischémiques, et la fenêtre temporelle de reperfusion a été étendue à plus de 24 h. Cependant, avec l'extension de la fenêtre de temps, le risque de lésion d'ischémie/reperfusion (I/R) après la thérapie de reperfusion devient un grand défi pour les résultats des patients. Les lésions I/R entraînent la mort neuronale en raison du déséquilibre de l'offre et de la demande métaboliques, qui est généralement lié à un dysfonctionnement mitochondrial. La mitophagie est un type d'autophagie sélective faisant référence au processus d'élimination autophagique spécifique des mitochondries endommagées ou dysfonctionnelles pour empêcher la génération d'espèces réactives de l'oxygène (ROS) excessives et la mort cellulaire ultérieure. Des progrès récents ont impliqué le rôle protecteur de la mitophagie dans l'ischémie cérébrale, principalement associé à ses effets neuroprotecteurs dans les lésions I/R. Cette revue traite de l'implication de la dynamique des mitochondries et de la mitophagie dans la physiopathologie de l'AVC ischémique et des lésions d'I/R en particulier, en se concentrant sur le potentiel thérapeutique de la régulation de la mitophagie et la possibilité d'utiliser des interventions liées à la mitophagie comme approche complémentaire pour l'extension de la fenêtre temporelle neuroprotectrice. après un AVC ischémique.

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Mots-clés : mitophagie, dysfonctionnement mitochondrial, AVC ischémique, lésion d'ischémie/reperfusion (lésion I/R), thérapie de recanalisation, fenêtre thérapeutique

DANSPRÉSENTATION

Un accident vasculaire cérébral est une apparition soudaine de troubles de la circulation sanguine cérébrale causés par un infarctus cérébral ou une hémorragie (Shi et al., 2021). Selon la zone du cerveau touchée, les patients peuvent présenter différents symptômes, parmi lesquels les plus courants sont l'apparition aiguë d'une faiblesse d'un côté du corps et une capacité de parole réduite (Nor et al., 2005). L'AVC est la cinquième cause de décès selon l'American Heart Association (AHA). Environ 795 personnes000 souffrent d'AVC nouveaux ou récurrents chaque année (Virani Salim et al., 2020). Il existe deux principaux types d'AVC : l'AVC ischémique et l'AVC hémorragique. Dans l'AVC ischémique, le flux sanguin est bloqué par une thrombose formée autour des plaques d'athérosclérose rompues dans l'artère, tandis que l'AVC hémorragique résulte généralement d'un saignement induit par la rupture d'un vaisseau sanguin.

L'AVC ischémique représente environ 87 % de tous les cas d'AVC. Ainsi, il fait l'objet d'une grande attention dans la recherche et la pratique clinique. Le blocage du flux sanguin entraîne un manque d'oxygène et de nutriments, déclenchant une cascade ischémique dans le cerveau. La production d'adénosine triphosphate (ATP) serait perturbée, ce qui est souvent une situation mortelle pour les cellules cérébrales vulnérables qui dépendent fortement de l'énergie. En détail, l'échec de la génération d'ATP peut entraîner une activité affaiblie des canaux ioniques dépendants de l'ATP, y compris les canaux sodiques, provoquant ainsi une hyperosmolarité intracellulaire (Deb et al., 2010). De plus, l'augmentation de la respiration anaérobie pendant l'ischémie produit le sous-produit acide lactique, entraînant une acidose métabolique. Des alternances sévères dans l'équilibre ionique peuvent provoquer un œdème cytotoxique et perturber l'activité des récepteurs du glutamate, ce qui finit par endommager l'ADN et les protéines structurelles, voire entraîner la mort cellulaire (Nishizawa, 2001 ; Deb et al., 2010). Des changements neuropathologiques irréversibles dans les neurones se produisent généralement dans les 20 à 30 minutes suivant l'ischémie (Ordy et al., 1993).

Les traitements de reperfusion qui visent à rétablir le flux sanguin et l'oxygène dans la zone ischémique avant les lésions neuronales, constituent la principale prise en charge des patients victimes d'AVC ischémiques en clinique. L'activateur tissulaire du plasminogène intraveineux (IV tPA) est le seul agent thrombolytique approuvé par la FDA pour le traitement de l'AVC aigu. Des preuves antérieures suggèrent qu'il ne montre une amélioration clinique significative que lorsqu'il est administré dans les 3 heures suivant l'ischémie (Kwiatkowski et al., 1999). Une autre étude d'essai randomisée réalisée en 2017 a indiqué que les thérapies intraveineuses dans les 6 h bénéficient toujours des problèmes de sécurité (Berkhemer et al., 2014). La thrombectomie mécanique, une intervention chirurgicale pour éliminer la thrombose des artères, est une autre thérapie de reperfusion couramment utilisée. La thrombectomie est efficace pour réduire l'invalidité post-AVC, bien que son efficacité et sa sécurité ne puissent être assurées que dans les 8 heures suivant le début de l'AVC (Jovin et al., 2015). Au cours des dernières années, deux essais cliniques de haute qualité portant sur la recanalisation retardée indiquent que le traitement de reperfusion administré 24 h ou même plus tard après le début de l'AVC montre encore un certain pronostic amélioré chez des patients sélectionnés, étendant ainsi la fenêtre thérapeutique à 24 h dans des populations de patients spécifiques (Ragoschke-Schumm et Walter, 2018).

Cependant, tous les traitements actuels ont la limitation majeure d'augmenter le risque d'hémorragie intracrânienne (HIC) lorsqu'ils sont administrés en dehors de la fenêtre thérapeutique, ce qui peut endommager davantage le tissu cérébral. Cette lésion consécutive à la thérapie de reperfusion est appelée lésion d'ischémie/reperfusion (I/R), un processus qui implique la production d'espèces réactives de l'oxygène (ROS) induites par la réoxygénation, une surcharge en calcium et des lésions tissulaires. Par conséquent, l'extension de la fenêtre de temps de reperfusion après un AVC ischémique tout en assurant une neuroprotection est extrêmement importante pour la gestion de la maladie. L'autophagie est un processus naturel qui dégrade les organites et les protéines inutiles ou endommagés pour maintenir l'homéostasie cellulaire. L'autophagie peut être activée après un AVC ischémique lorsque les cellules cérébrales sont exposées à un risque de carence en oxygène et en nutriments. Pour être plus précis, la privation d'oxygène-glucose stimule l'augmentation du rapport AMP/ATP, qui est un activateur de la voie AMPK (Oakhill et al., 2011 ; Jiang et al., 2018). La régulation à la hausse de la voie AMPK peut ainsi initier l'autophagie via l'activation directe du complexe ULK via la phosphorylation de Ser 317 et Ser 777, ou l'activation indirecte de ULK via l'inhibition de l'activité de mTOR, car mTOR supprime l'activation de Ulk1 en phosphorylant Ulk1 Ser 757 et en perturbant le interaction entre Ulk1 et AMPK (Egan et al., 2011; Kim J. et al., 2011).

Des recherches antérieures montrent des résultats controversés concernant le rôle de l'autophagie après un AVC ischémique. Certaines études montrent que l'autophagie fournit une neuroprotection et améliore les résultats cliniques en réduisant considérablement les dommages ischémiques aux neurones, aux cellules gliales et aux cellules endothéliales (Papadakis et al., 2013 ; Jiang et al., 2015 ; Dai et al., 2017). Pendant ce temps, d'autres découvertes suggèrent qu'un excès d'autophagie pourrait être nocif pour les cellules cérébrales (Li et al., 2017; Mo et al., 2020). En résumé, malgré les preuves controversées, il est généralement admis qu'une autophagie modérée est protectrice, tandis qu'une autophagie excessive peut contribuer à la mort cellulaire pendant l'ischémie (Mo et al., 2020).

Le préconditionnement ischémique (IPC), une stratégie qui utilise de courtes périodes d'occlusion vasculaire et de reperfusion pour prévenir les événements ischémiques fœtaux et la recanalisation, peut activer le programme neuroprotecteur dans le cerveau en déclenchant une autophagie adaptative ciblant les organites endommagés et en atténuant le stress oxydatif dans l'AVC ischémique aigu ( Yang et al., 2020 ; Ajoolabady et al., 2021). De plus, le postconditionnement de l'ischémie cérébrale, qui réduit l'autophagie inadaptée en appliquant de courtes périodes de reperfusion interrompues par l'ischémie au début de la recanalisation, a été induit pour supprimer les lésions de reperfusion, indiquant son rôle protecteur dans le traitement de l'AVC ischémique (VintenJohansen, 2017 ; Ajoolabady et al ., 2021). La mitophagie, un type d'autophagie sélective, peut éliminer les mitochondries dysfonctionnelles. Les mitochondries jouent un rôle central dans la production d'énergie cellulaire, le maintien de l'homéostasie du calcium et la régulation des ROS. Le dysfonctionnement mitochondrial peut augmenter le stress oxydatif et les dommages cellulaires (Liu, 1999 ; Indo et al., 2007).

La mitophagie fonctionne principalement comme un contrôle de la qualité des mitochondries par l'élimination des mitochondries endommagées. Chez les mammifères, les mitochondries dysfonctionnelles peuvent être éliminées soit via la voie d'ubiquitination ROSE 1- dépendante de la parkine, soit via l'activation des récepteurs de la mitophagie, réduisant ainsi la génération de ROS à partir des mitochondries (Lemasters, 2005) et protégeant les cellules contre les niches défavorables (Huang et al ., 2011).

En cas d'AVC ischémique, les mitochondries défectueuses augmentent la libération de facteurs pro-apoptotiques, notamment le cytochrome c, pour induire la mort cellulaire dans la zone touchée (Jürgensmeier et al., 1998 ; Lemasters, 2005). Il convient de noter que la mitophagie peut avoir des effets différents pendant la première phase ischémique et plus tard la phase de reperfusion. Des études ont indiqué que la mitophagie exerce son rôle protecteur principalement pendant la phase de reperfusion (Kumar et al., 2016).

Ces dernières années, le rôle de la mitophagie dans l'AVC aigu a été largement étudié. La plupart des études indiquent un rôle neuroprotecteur de la mitophagie dans le soulagement des lésions de reperfusion par de multiples mécanismes. Cette revue résume le rôle de la mitophagie dans l'AVC ischémique et les lésions d'I/R, proposant des interventions liées à la mitophagie comme approche complémentaire pour la prise en charge de l'AVC ischémique. Des mises à jour concernant la recanalisation retardée et l'implication potentielle de la mitophagie dans celle-ci ont également été discutées.

MITOCHONDRIE ET ​​MITOPHAGIE

Les mitochondries sont des organites importants qui sont principalement responsables de la production d'énergie. Cependant, les mitochondries endommagées libèrent des ROS nocifs et d'autres oxydants, tels que H2O2 et le peroxynitrite, dans le cytoplasme et endommagent les protéines, l'acide nucléaire et les membranes (Zhou et al., 2011). Pire encore, le cytochrome c, une protéine de l'espace intermembranaire mitochondrial, sera libéré en cas de dommages mitochondriaux graves, ce qui déclenchera une cascade de caspases et finalement l'apoptose (Ott et al., 2002).

Par conséquent, une dégradation rapide des mitochondries endommagées est nécessaire à la survie des cellules. La mitophagie est un processus au cours duquel les mitochondries endommagées ou vieillissantes sont sélectivement enveloppées par des phagophores et subissent une dégradation lysosomale pour maintenir l'homéostasie cellulaire et empêcher l'apoptose cellulaire. La mitophagie commence par la formation du phagophore, une structure membranaire isolée du réticulum endoplasmique. Le phagophore reconnaît ensuite les mitochondries endommagées via des adaptateurs LC3 ou des récepteurs LC3 et engloutit les mitochondries endommagées pour une dégradation autosomique. Actuellement, les voies de la mitophagie se composent de deux types principaux : la voie médiée par l'ubiquitine et la voie médiée par les récepteurs (Figure 1).

Voie médiée par l'ubiquitine

La protéine kinase putative induite par PTEN 1 (PINK1) et la voie d'ubiquitination médiée par Parkin font partie des mécanismes de mitophagie les mieux caractérisés. Dans les mitochondries saines, PINK1, une sérine/thréonine kinase, est importée du cytoplasme en continu et subit un clivage par les protéases mitochondriales peptidase de traitement mitochondrial (MPP) et rhomboïde associé à la préséniline (PARL) (Greene et al., 2012). Lors d'un AVC ischémique, la membrane mitochondriale est dépolarisée, ce qui empêche l'importation de PINK1 et entraîne l'accumulation de PINK1 sur la membrane mitochondriale. En conséquence, l'activité kinase de PINK1 pleine longueur induit la phosphorylation de la ligase E3 Parkin, qui active la fonction enzymatique de Parkin et conduit à l'ubiquitination de plusieurs protéines mitochondriales (Kazlauskaite et al., 2015). Pendant ce temps, PINK1 phosphoryle l'ubiquitine et entraîne la liaison de l'ubiquitine phosphorylée et de la parkine, où l'activité ligase est encore améliorée (Koyano et al., 2014 ; Kazlauskaite et al., 2015).

Une fois que Parkin est activé, il conjugue les fragments d'ubiquitine sur les protéines OMM, et ainsi la mitophagie est induite. Certaines protéines mitochondriales ubiquitinées, telles que MFN1, sont dégradées, ce qui est essentiel pour la fission mitochondriale et la mitophagie (Tanaka et al., 2010). D'autres protéines ubiquitinées recrutent des protéines adaptatrices d'autophagie telles que l'optineurine (OPTN) et la protéine de point nucléaire 52 (NDP52), qui ancrent les mitochondries marquées à l'autophagosome par ses motifs de région d'interaction (LIR) LC3-, ce qui déclenche la mitophagie (Lazarou et al., 2015). De plus, PINK1 peut recruter OPTN et NDP52 indépendamment de la parkine, qui recrute ensuite plusieurs facteurs d'initiation de l'autophagie, tels que l'unc51-comme l'autophagy activating kinase 1 (ULK1), pour la médiation de la synthèse et de l'allongement des phagophores (Wong et Holzbaur, 2014 ; Lazarou et al., 2015). Plusieurs autres ligases E3 ont également été découvertes pour initier la mitophagie. Certains mécanismes sont liés à la mitophagie médiée par PINK1/Parkin et certains sont indépendants de Parkin. Par exemple, la surexpression de l'ubiquitine ligase 1 mitochondriale (MUL1) induit la dégradation de la mitofusine par ubiquitination, ce qui sauve le phénotype mutant PINK1/parkine (Yun et al., 2014).

Dans les neurones matures, MUL1 est également important pour le contact du RE et des mitochondries et son absence altère l'homéostasie du Ca2 plus dans les mitochondries et réduit l'apport de Ca2 plus du RE. Cela conduit à l'activation de la calcineurine, qui active Drp1 et induit donc la fission des mitochondries. Les mitochondries fragmentées perdent leur potentiel membranaire et la mitophagie médiée par PINK1/Parkin est induite (Puri et al., 2019). Une autre ligase E3, sept homologues in absentia (SIAH)-1, est recrutée par la synphiline-1 lorsque le PINK1 complet est présent. SIAH-1 favorise la mitophagie par l'ubiquitination des protéines mitochondriales indépendamment de Parkin (Szargel et al., 2016). Outre les avantages de l'ubiquitination médiée par la parkine PINK1-, les deubiquitinases sont essentielles pour une mitophagie correcte. La désubiquitination de Parkin est réalisée directement par la peptidase 8 spécifique de l'ubiquitine (USP8) (Durcan et al., 2014), tandis que l'USP15 désubiquitine les substrats de Parkin pour inhiber la mitophagie (Cornelissen et al., 2014). Plusieurs autres déubiquitinases, telles que USP30, USP35 et USP33 (Bingol et al., 2014; Wang Y. et al., 2015; Niu et al., 2020), contrecarrent la mitophagie médiée par l'ubiquitine en supprimant les chaînes d'ubiquitine de la membrane mitochondriale . Par conséquent, un équilibre affiné entre l'ubiquitination et la désubiquitination est établi pour la régulation de la mitophagie.

Voie médiée par les récepteurs

Une voie alternative de la mitophagie passe par la signalisation des récepteurs de la mitophagie. Plusieurs récepteurs de la mitophagie sont actuellement identifiés dans les cellules de mammifères (Ren et al., 2018), qui contiennent au moins un LIR pour la liaison directe du médiateur de l'autophagie LC3 et l'engloutissement ultérieur du phagosome. Un récepteur critique dans le renouvellement des mitochondries dans les érythrocytes est une protéine OMM appelée protéine interagissant avec BCL2 3-like (BINP3-L, également connue sous le nom de NIX) (Sandoval et al., 2008). Il est régulé positivement de manière transcriptionnelle pendant la maturation des érythrocytes pour éliminer les mitochondries. Dans des conditions d'hypoxie, le BINP3-L est induit avec son homologue, BNIP3, favorisant la mitophagie par le désassemblage d'OPA1 et le recrutement de DRP1, qui est régulé transcriptionnellement par la boîte de forkhead O3 (FOXO3) et le facteur inductible par l'hypoxie (HIF) , induisant ainsi la fission mitochondriale et inhibant la fusion mitochondriale (Sowter et al., 2001 ; Mammucari et al., 2007).

De plus, son affinité de liaison à LC3 est encore améliorée par la phosphorylation du LIR dans des conditions de stress (Rogov et al., 2017). Un autre récepteur essentiel de la mitophagie est le domaine FUN14 contenant 1 (FUNDC1), qui assure la médiation de la mitophagie dans des conditions hypoxiques (Liu et al., 2012). L'activité de FUNDC1 est régulée par son état de phosphorylation. Dans des conditions sans stress, il est supprimé par la phosphorylation de Src à Tyr18 et de la caséine kinase II (CK2) à Ser13 (Chen et al., 2014). Sous hypoxie, la phosphatase PGAM5 déphosphoryle FUNDC1, qui active le motif LIR sur FUNDC1 et induit la mitophagie. De plus, FUNDC1 recrute Drp1 et perturbe son association physique avec OPA1 sous stress (important pour la dynamique des mitochondries), induisant ainsi la fission mitochondriale et inhibant la fusion mitochondriale (Chen et al., 2016).

De plus, il existe plusieurs autres récepteurs de la mitophagie. Sur la membrane mitochondriale externe, il a été démontré que BCL 2 Like 13 (BCL2L13) et FKBP prolyl isomérase 8 (FKBP8) interviennent dans la mitophagie en se liant à LC3 via le motif LIR indépendamment de Parkin (Murakawa et al., 2015 ; Bhujabal et al., 2017). Certains récepteurs se localisent également dans l'IMM, comme la prohibitine 2 (PHB2) et la cardiolipine. Une fois l'OMM dépolarisé ou endommagé, PHB2 interagira avec LC3 pour favoriser directement la mitophagie (Wei et al., 2017). Cependant, l'épuisement de PHB2 lors de la rupture de l'OMM déstabilise PINK1 par l'activation de PARL et conduit donc au clivage de PGAM5 pleine longueur (Yan et al., 2020). Cela abolit la stabilisation PINK1 impliquée par PGAM 5- et inhibe ainsi la mitophagie PINK1 / Parkindependent. Récemment, la cardiolipine, un phospholipide, a également été identifiée comme un récepteur de la mitophagie, dont la synthèse primaire est réalisée dans l'IMM. En cas de rupture de l'OMM, la cardiolipine est libérée dans l'OMM et interagit avec LC3, déclenchant une cascade de signalisation qui entraîne l'engloutissement des mitochondries (Chu et al., 2013).

Dynamique des mitochondries et sa relation avec la mitophagie

Pour s'adapter à l'environnement extérieur, les mitochondries fusionnent les membranes interne et externe ou subissent une fission et se séparent en plusieurs mitochondries. Ces deux processus essentiels dans la dynamique des mitochondries sont appelés fusion et fission. Face au stress cellulaire, la fusion est favorisée pour assurer la production d'énergie en réparant les mitochondries partiellement endommagées (Youle et van der Bliek, 2012). En revanche, la fission est nécessaire à la mitophagie puisqu'elle permet la séparation des mitochondries dépolarisées, permettant la préservation de "la partie saine" dans les mitochondries et réduisant les pertes inutiles pendant la mitophagie. Selon la qualité des mitochondries, la fusion ou la fission sera activée en même temps que l'inhibition de l'autre (Twig et al., 2008).

Dans les cellules de mammifères, MFN1, MFN2 et OPA1, qui sont des GTPases, assurent la médiation de la fusion des mitochondries (Wu et al., 2019). Ces protéines sont souvent modifiées après la transcription pour contrôler leur puissance. Pour MFN1, la kinase régulée extracellulaire (ERK) peut la phosphoryler à Thr562 pour supprimer la fusion. Le MFN1 peut également être ubiquitinisé d'ici le 5 MARS pour dégradation (Park et al., 2014). La protéine kinase 8 activée par les mitogènes (MAPK8, également connue sous le nom de JNK) phosphoryle MFN2 à Ser27 sous stress pour une ubiquitination ultérieure par les ligases E3 Parkin (Gegg et al., 2010), HUWE1 (Leboucher et al., 2012) et l'ubiquitine ligase mitochondriale RING-CH associé à la membrane (5 MARS) (Sugiura et al., 2013). MFN1 et MFN2 peuvent être désubiquitinés par USP30, où l'inhibition de celui-ci conduira à une ubiquitination non dégradante de MFN1/2 (Yue et al., 2014).

Pour OPA1, il est régulé par des modifications de l'activité protéasique de YME1L et OMA1, qui est sensible aux signaux intramitochondriaux (Griparic et al., 2007 ; Head et al., 2009). La fission mitochondriale est régulée principalement par une protéine du cytosol, DRP1, dont le recrutement est médié par des facteurs de fission mitochondriale tels que le MFF. DRP1 peut être phosphorylé par la protéine kinase A au niveau de Ser637 et Ser656, ce qui inhibe son activité. La déphosphorylation de DRP1 est médiée par la protéine phosphatase calcineurine dépendante du calcium ou par la protéine phosphatase 2A (PP2A) pour une fragmentation accrue sous stress (Chang et Blackstone, 2007; Cribbs et Strack, 2007).

De plus, la protéine kinase activée par l'adénosine monophosphate (AMP) à détection d'énergie (AMPK) phosphoryle le MFF sous stress énergétique, ce qui recrute Drp1 et accélère la fission mitochondriale (Toyama et al., 2016). La mitophagie est étroitement liée à la dynamique mitochondriale, car plusieurs protéines mitophagiques favorisent la fission et facilitent la mitophagie. Par exemple, la Parkine phosphorylée peut ubiquitiner MFN1 et MFN2 pour la dégradation, ce qui diminue la fusion mitochondriale et améliore la fragmentation, conduisant à l'initiation de la mitophagie (Tanaka et al., 2010). Au cours de la mitophagie, MFN2 est également phosphorylé par PINK1 pour recruter Parkin pour une mitophagie supplémentaire (Chen et Dorn, 2013).

Effet neuroprotecteur Cistanche

Cistanche est un extrait de plante connu pour ses propriétés neuroprotectrices, et son mécanisme d'action impliquerait des effets antioxydants, anti-inflammatoires et anti-apoptotiques. Il existe plusieurs tests et cas d'application pertinents liés aux effets neuroprotecteurs de Cistanche, notamment :

1. Études in vitro : Des études in vitro ont montré que l'extrait de Cistanche protège les neurones des dommages induits par le stress en réduisant le stress oxydatif et l'inflammation.

2. Études animales : Des études animales ont démontré que Cistanche peut protéger contre les dommages neuronaux causés par l'ischémie cérébrale, les lésions cérébrales traumatiques et l'exposition aux neurotoxines.

3. Études humaines : Il existe des preuves cliniques limitées sur les effets neuroprotecteurs de Cistanche chez l'homme, mais certaines études ont suggéré qu'il pourrait améliorer la fonction cognitive et réduire le déclin de la mémoire lié à l'âge.

Luoan Shen1†, Qinyi Gan1†, Youcheng Yang1, Cesar Reis2, Zheng Zhang1, Shanshan Xu3, Tongyu Zhang4 * et Chengmei Sun1,3 *

1 Université du Zhejiang-Institut de l'Université d'Édimbourg, École de médecine, Université du Zhejiang, Haining, Chine,

2 VA Loma Linda Healthcare System, Université de Loma Linda, Loma Linda, Californie, États-Unis,

3 Institut d'études avancées, Université de Shenzhen, Shenzhen, Chine, 4 Département de neurochirurgie, Hôpital Xuanwu, Université médicale de la capitale, Pékin, Chine