Drépanocytose

Physiopathologie et

Thérapeutiques Ciblées

Bichat 21 mars 2014

yvesbeuzard@yahoo.fr

Hb S Hypoxie

Polymères

Oxydations

Maladie

vasculaire

Plasma

GB

Endothelium

Dysérythropoïèse

DREPANOCYTOSE

Plan

• Syndromes drépanocytaires majeurs:

• Hémoglobine S : Polymères et Oxydations

Drépanocytes

• Sang drépanocytaire

Inflammation et dysfonctions de l’endothélium

• Vasculopathies drépanocytaires

• Thérapeutiques

• Co-évolution: humaine et Plasmodium °

Epidémiologie de la drépanocytose

– 15 000 patients drépanocytaires en France

– 500 nouveaux patients par an en France

– 300 000 naissances/an de futurs patients dans le monde

– Espérance de vie • 45-50 ans dans les régions développées

• < 5 ans en Afrique ou en Inde

– 10 millions de patients en 2050 (Piel, 2014)

Fréquence Allélique Gène S

0,03 - 0,18 (2010)

(Piel, Lancet, 2013)

Les Syndromes Drépanocytaires

Majeurs • (SCA) Sickle cell anemia (90%)

– Génotype S/S, S/β°Thal, S/OArabe, S/DPunjab)

– Formes sévères: • Anémie hémolytique importante

• Nombreuses crises douloureuses « vaso-occlusives » localisées

• Complications aigues et chroniques fréquentes

– Gènes modulateurs (HbF, α thalassémie associée….) • Formes moins sévères

• Maladie S/C (10%) • Génotype S/C : HbS = HbC (A/S HbS<HbA)

• MCHC ↑

• Peu anémique

• Peu d’hémolyse

• Moins sévère mais certaines complications sont fréquentes (nécrose ischémique osseuse, rétinopathie)

Découverte de la drépanocytose James Herrick (Arch. Int. Med. 6 517 1910)

Drepanocytes

Air

_ O2

Drépanocyte irréversible- déshydraté- Rigide- Adhérent - Fragilehémoglobine « libre », hème « libre »

Drépanocyte Irréversible

Drépanocyte Réversible

Irréversible

Drépanocyte irréversible

Déshydraté,

Rigide,

Adhérent

Fragile

Réversible

Drépanocytes

Structure de l’hémoglobine

En 1962, Max Perutz (1914–2002) reçoit le

Prix Nobel de Chimie pour avoir déterminé

la structure atomique de l’hémoglobine

Globule rouge

Chaine beta Chaine alpha

Chaine alpha Chaine beta

Hème + Fer

Hème + Fer

Hème + Fer

Hème + Fer

34

O. NEGRE

Hème

Cavité centrale

HbS: β6-Valine

Max Perutz

Structure de l’hémoglobine dans l’espace

Prix Nobel de chimie en 1962

Polymérisation de l’HbS

Coupe d’un polymère d’hémoglobine S

Lateral contacts in Hemoglobin S polymer

Val

Thr

Phe Leu

Thr Pro

Asp

HbS polymer

Val 6

Phe 85

Leu 88

Lateral Contacts

Val 6

Val 6

Phe 85

Leu 88

Phe 85

Leu 88

87 100

g-globin HLDDLKGTFA Q LSELHCDKLHVDPENF

| | | : | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

b-globin HLDNLKGTFA T LSELHCDKLHVDPENF

| | | | | | | | | : | | | | | | | | | | | | | | | |

d-globin HLDNLKGTFS Q LSELHCDKLHVDPENF

Anti-sickling effect of g-globin

Hereditary persistence of g-globin

Hydroxyurea

V

F

L

T V

F

L

Q

polymerization destabilization

b1 a1

b2 a2

a1

a1

a2

a2

b1

b2

b2

b1

Axial

Contacts

Anti-Sickling Property of β 87 Gln (Q) residue

Antisickling INN-312 (Abdulmalik et al.Acta Cryst. 2011)

Exemples of efficient Antisickling Agents (Abdulmalik et al.Acta Cryst. 2011)

Tucaresol Arya, Brit. J.Haemat.

1996

Antisickling INN-312 (Abdulmalik et al., Acta Cryst. 2011)

Cinétique de polymérisation de

l’HbS

+ Hemin360μM

control

Uzunova, 2010Adachi, 2009

Deoxy HbS

3.5g/dL

No Heminadded

II Le Globule Rouge Drépanocytaire

• Mutation HbS: β6GluVal

• Polymères d’HbS – Concentration élevée d’HbS ≥ 15g/dl de GR

– Désoxygénation des GR

• Oxydation de l’HbS – Dérivés réactifs de l’oxygène (ROS)

– Libération d’hème (hémine) fer

– Déshydratation des GR: [HbS] ↑

– Déformabilité ↓

– Adhérence↑

– Obstruction des micro-vaisseaux, l’Hémolyse et les microparticules

Physiopathologie Membranaire

M. Stuart 2004

Phospholipase A2

Déshydration des GR

Bunn NEJM 1997

Co-transport

K+ Cl- Canal Gardos

K+

ROS

Oxidation

Blebbing

IgG binding AE1

Cluster

Oxidation

Pantaleo Plos ONE, 2011

Erythrocyte Membrane Aging

Eryptosis (apoptose) and Erythrophagocysosis

phosphatidyl serine

Hemoglobin S

free chains

Heme

O 2

O 2 2 H

O H

Génération

d’oxydants

Cell. endothéliale

IgG Bande 3

"micro" Agrégats d’HbS

Agrégats de proteines

glycophorine

O 2

O H

transports

Fuite de potassium

et d’eau

Externalisation de

la PS

Oxydations

microparticules

HbS

O. Platt

Macrophage

Physiopathologie érythrocytaire

Free β S chain

βS chain α chain

HbS polymers

Oxidative stress

Hebbel « Critical Review »

Am. J. Hematol. 86 123-154, 2011

Adhesion

molecules

Vidéo

• Vaso occlusions induites par l’hypoxie

chez la souris drépanocytaire SAD sans

poil et sans pigmentation

« Hairless 3 »

Cellules

Endotheliales

Activées

Hémolyse

HbS

Heme

NO

ROS

Vaso-

occlusion Vaso-constriction

Ischémie/

reperfusion

Inflammation

Adhérence GR, GB, Pl

GR

HbS

GB (activés)

Neutrophiles

Monocytes/Macr

-ophages

Mastocytes

Cercle vicieux de la Drépanocytose

Vasculopathies

III Hémolyse intra-vasculaire et

lignes de défense

Hémolyse intravasculaire – Modérée

• Complexe Haptoglobine-Hb (αβ) macrophage

• Complexe Hémopexine-Hémine hépatocyte

– En excès: toxicité de l’Hb et de l’hème (hémine) ROS • Altération de protéines, lipides, fibrinogène, récepteurs, vaisseaux

• Complexe albumine-hème

Hémine en excès cellules (Hémine, Fe, ROS)

Cellules – Antioxydants: glutathion, enzymes…..

• Hème oxygénase (HO-1, HO-2) – Fer Ferritine (chélateur: 4 500 atomes de Fe/mol.)

– Oxyde de carbone

– Biliverdine Bilirubine (antioxydants)

III Rôle de l’hème « libre » dans l’inflammation et l’activation des cellules endothéliales

HMGB1

Belcher, Blood, 2014

GMI

1070

Activated

Neutrophiles Frenette 2014

Extra Cell.

Traps

Hypoxia, Reperfusion and Inflammation Eltzschig, NEJM, 2011

IV Paradoxes Vasculaires

• Débit cardiovasculaire accru

• Résistances vasculaires accrues – Hypertension artérielle relative (heme)

– Réduction du flux sanguin (zones du cerveau)

– Altérations micro-vasculaires

• Dérégulation du tonus vasculaire – NO Nitrate

– ↑ Endotheline-1

– Système nerveux autonome

• Crises vaso-occlusives

• Ischémie-reperfusion

• Remodelage vasculaire

• Dommages ischémiques d’organe

• Néoangiogénèse (Moya-Moya, rétine)

Vasculopathies régionales

• Circulation splénique

• Circulation cérébrale – Lésions des gros vaisseaux

– Moya-Moya

– Région hypoxique

• Circulation pulmonaire

• Circulation osseuse

• Circulation rénale – Corticale: hyperfiltration glomérulaire

– Médullaire: résistance (baisse du ph, hyperosmolarité)

• Circulation cutanée ulcère de jambe

V Thérapeutiques spécifiques

• Transfusions de GR : Efficace (crises, AVC)

• Hydoxycarbamide (hydroxy-Urée) ↑ HbF (1995)

• Agents antipolymérisation de l’HbS ?

• Agents actifs sur la déshydratation du globule rouge (pidolate de Mg, Senicapoc)

• Inhibiteurs de l’adhérence?

• Anti-oxydants?

• Greffe allogénique

• Thérapie génique?

Sickle Erythrocyte dehydration

F. Bunn NEJM 1997

K+ Cl-

Co-transport

K+

Gardos channel

Senicapoc ICA-17043

K. Ataga

BJH, 2011

Mg pidolate W.Wang

BJH, 2011

C. Brugnara

Targeting Channels

Greffe Allogénique en France Françoise Bernaudin

Greffe Allogénique en France

patients β-Thalassémiques

Thérapie génique

par greffe autologue

de cellules souches

génétiquement modifiées

Promising Efficacy in β-Thalassemia 1st patient now transfusion independent

Last Transfusion

0

2

4

6

8

10

12

Hb

(g/

dL)

bA

bAT87Q

fetal

bE

Months post-transplantation

Phlebotomies (200mL) (to eliminate iron overload)

Lenti-β-globin Gene Therapy

-5

-3

3

4 5

6

9 11

12

13

15

16

18

19

20

21

22

24

25

27

28

29

30

30

.6

32

33

33

.6

35

35

.4

36

.5

38

39

40

41

.5

43

44

Thérapeutiques innovantes

• Activation d’un gène foetal de compensation: ↑ expression du gène gamma de l’HbF Hydroxyurée : SUCCES PARTIEL (1995) • Greffe de cellules souches hématopoïétiques (CSH)

– Quelques milliers d’enfants guéris – Progrès de la sélection des donneurs – Progrès du conditionnement

• Thérapie Génique – Addition d’un gène thérapeutique

• β thalassémie: essais en cours, preuve du principe • Drépanocytose: essais en cours

– Correction de la mutation in situ : cellules iPSC (Shinya Yamanaka, Nobel 2012)

Souris drépanocytaire « Hb S seulement »

Knock out (Pasty, 1997), Knock In (Townes, 2005)

Hb = 7g/dL

- O2

Science 21/12/2007

Hémoglobine thérapeutique après greffe de cellules iPS

après correction par le gène de globine βA

Souris drépanocytaire « S Knock In »

HbA

HbS

HbS

HbA 61% HbA

HbA 72%

HbA

HbA 66%

HbS

HbS

4 semaines 8 semaines

HbA 62,5%

HbA 66%

HbA 67%

HbS

HbS

HbS

Souris non traitée

HbS

HbS

Evolution humaine

Facteurs de « résistance » au Paludisme

• Populations à risque : – 2,5 milliards d’êtres humains: pays chauds, basse altitude

– 350 millions de cas par an dans le monde – Plasmodium falciparum en Afrique

– parasite du globule rouge (cycle érythrocytaire)

• Mortalité : – 600 000 enfants + femmes enceintes en Afrique par an

• Facteurs génétiques de tolérance des complications (neuropaludisme, anémie)

– mutations des globules rouges = 1 milliard d’êtres humains • Hétérozygotes A/S et A/C en Afrique,

• Hb E en Asie du Sud-est et en Chine

• Thalassémies mineures (α et β)

• Déficit en G6PD

• Mutation des protéines membranaires,

• Groupes sanguins (Duffy - pas de P. vivax en Afrique)

Mécanismes commun de « résistance » et de « tolérance » accrues – Altérations discrètes du globule rouge altération du cycle parasitaire érythrocytaire,

adhérence des GR

– Porteurs du trait A/S = légère Hyper-hémolyse préventive ↑ Hème oxygénase-1 ↑ CO + biliverdine = antistress cellulaire (souris drépanocytaire SAD)