Nutr Clin M6tabo12000 ; 14 : 201-5 © 2000 t~ditions scientifiques et m6dicales Elsevier SAS. Tous droits r6serv6s

Symposium intervention nutritionnelle

Mucoviscidose : inflammation, stress oxydant, infection. Essais de manipulation nutritionnelle

A n n e M u n c k

Service de gastroent#rologie et nutrition p#diatrique, hdpital Robert DebrO, 48, boulevard Serrurier, 75019 Paris, France

Resum6 L'infection broncho-pulmonaire chronique est la cause principale de morbidit6 et de mortalit6 dans la mucoviscidose. L'inflammation pulmonaire participe & la d6gradation respiratoire ; elle n'est pas uniquement engendr6e par I'infection puisqu'elle est dej& pr6sente chez de jeunes nourrissons avant m6me que I'on puisse identifier des germes pathog~nes. L'~tude des lavages broncho- alv6olaires note la pr6sence accrue de polynucl6aires neutrophiles et de cytokines proinflamma- toires. Par ailleurs, le stress oxydant produit un exc~s de radicaux libres qui majorent la r6ponse inflammatoire. Enfin, les acides gras polyinsatur6s de la s6rie n-6 peuvent 6tre source de leuco- tri~nes et de prostaglandines proinfiammatoires. Certains essais r6cents de manipulations nutritionnelles tentent soit d'am61iorer la balance oxydants/antioxydants, soit de privil~gier la production de protaglandines anti-inflammatoires par les acides gras polyinsatur6s n-3. Ces r6sultats pr61iminaires n~cessitent des 6tudes plus completes afin d'6tre int~gr6s dans la prise en charge globale de la maladie. © 2000 leditions scien- tifiques et m6dicales Elsevier SAS

acides gras poly-insatur6s / anti-oxydants / cytokines / radicaux libres

Summary - Cystic fibrosis: nutritional therapy against inflammation, oxidative stress, and infection, In cystic fibrosis, broncho-pulmonary infection is a leading cause of morbidity and mortality. Pulmo- nary inflammation contributes to the deterioration of respiratory function; it is only partly explained by infection since it is already present in newborns in the absence of clearly identified pathogenous agent. Analysis of broncho-alveolar fluids show an increase in polymorphonuclear cells and pro- inflammatory cytokines. On the other hand, inflammatory processes are majored by the production of large amounts of free radicals while polyunsaturated n-6 fatty acids can generate leukotriene and pro-inflammatory prostaglandines. New therapeutic approaches are aimed at improving anti-oxidant defence or favouring the synthesis of anti-inflammatory prostaglandines from polyunsaturated n-3 fatty acids. Larger studies are needed before these therapies can become an integral part of the treatment of these patients. © 2000 E-ditions scientifiques et m~dicales Elsevier SAS

anti-oxydants / cytokines / free radicals / polyunsaturated fatty acids

Depuis quelques ann6es, l ' inflammation est reconnue comme une 6tape << pr6coce, prolong6e et s6vbre >> [1] intervenant dans la ddgradation pulmo- naire au cours de la mucoviscidose. Deux aspects sont abord6s : la chMne des m6canismes physiopa-

thologiques qui conduit fi la destruction pulmonaire par bronchopathie chronique obstructive et les possibilit6s thdrapeutiques en sachant que nous ne traiterons que des essais de manipulation nutrition- nelle.

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PROCESSUS INFLAMMATOIRES ET I N F E C T I E U X

La rdponse inflammatoire chez un sujet normal est un moyen capital de protection contre les agents bact6- riens et se caract6rise par un 6quilibre naturel entre les cytokines pro- et anti-inflammatoires. Dans la muco- viscidose, il existe une rdponse inflammatoire anor- male qui n'est pas seulement secondaire ~t l 'infection ; elle est prdsente d~s le plus jeune fige comme l 'ont montr6 plusieurs travaux cliniques chez de jeunes nourrissons ddpist6s sans infection patente. L'dtude du lavage bronchoalv6olaire montre une 616vation signifi- cative de plusieurs marqueurs de l'inflammation : con- centrations d'IL8 et de son ARN messager dans les macrophages, complexe diastase/alpha-1 antiprot6ase, nombre de polynucldaires neutrophiles (PNN), acti- vit6 61astase libre des PNN, concentration de tumor necrosis factor (x (TNFo 0 [2, 3]. Le lien entre l'inflam- mation et l 'infection semble r6el tout au moins pour le Pseudomonas aeruginosa. Apr~s un certain temps d'dvolution de la maladie, la plupart des patients s'infectent avec ce germe, pourtant tr~s rdpandu dans l 'environnement, responsable de fa~on ddterminante de la progression de l 'atteinte pulmonaire chez les malades. Les mutations du g6ne de la mucoviscidose sur le chromo- some 7 (il y e n a plus de 800) semblent induire une anomalie des rdcepteurs d'adhdsion cellu- laire 5 la surface des cellules 6pith61iales respiratoires majorant le nombre de sites de fixation pour Pseudo- rnonas aeruginosa. De plus, l'adhdsion bactdrienne serait favorisde par le ddfaut de sialylation des pili au niveau des cellules exprimant une protdine (Cystic Fibrosis transmernbrane conductance regulator) CFTR anormale et par la forte teneur ionique du liquide de surface. Cependant, il apparait de plus en plus claire- ment que les germes pr6sents dans l 'arbre bronchique ne sont ni invasifs ni virulents. Leur seule pr6sence va stimuler de fa~on majeure les m6canismes de ddfense qui vont se retourner contre les tissus du malade : ce sont les ph6nombnes inflammatorires locaux qui s'ini- tieraient en cascade en dehors de toute infection authentifi6e.

La mobilisation des neutrophiles entraine une 616- vation de I 'ADN majorant la viscosit6 du mucus, une production de facteurs oxydants et de protdases (serines protdases : 61astase, cathepsine G - m6tallo- protdases : gdlatinase, collag6nase) et de cytokines qui participent gt la destruction progressive du paren- chyme pulmonaire (figure 1). Les cytokines [4] pro- duites par les polynucldaires et les macrophages activ6s sont de type pro-inflammatoires : Interleu- kine(IL)-l , IL-6, TNFot et IL-8 (rdaction prdcoce). Par ailleurs, dans cette maladie, on observe une baisse de la production d'IL-10 [2], cytokine rdgula-

Bactdries

Leucotri~nes B 4 ql IL8 ,

Mobilisation des neutrophiles

,/ \ ADN # Oxydants

#Vi!cosit~

~ 1 ~ Destruction tissulaire Dilatation des bronches

IB ProtSases

!

Sermes protdases ~ M ~ t a l i o p r o t ~ a s e s

i i S~cr~tion de Ddgradation moi~cules d'dlastine

,91

Figure 1. R61e des polynucldaires neutrophiles et des mddiateurs de l ' inflammation dans la physiopathologie de la mucoviscidose.

trice ayant un effet suppresseur important sur les cytokines pro-inflammatoires.

STRESS OXYDANT

Le stress oxydant est un dldment majeur au cours de cette maladie [5, 6]; il induit la formation de radicaux libre (RL) hautement rdactifs qui, associ6s

la libdration concomitante de prot6ases par les PNN et les macrophages participent aux 16sions tis- sulaires et membranaires observ6es dans les pou- mons, le foie et les voies biliaires. Les 16sions tissulaires fi leur tour entret iennent les processus inflammatoires rdalisant un cercle vicieux (figure 2).

Les PNN activ6s produisent des mydloperoxydases dont la concentration est dlev6e dans le mucus [7]. Cette enzyme renforce l 'effet toxique des m6tabo- lites ddrivds de l 'oxyg~ne et catalyse la formation d'oxydants chlorals. Ils peuvent alors se combiner des amines et produire des oxydants ?a vie longue : les chloramines. Ce stress oxydant peut s'dvaluer au niveau sanguin ou urinaire par le dosage de pro- tdines ou de lipides oxydds, l '6valuation de la balance d 'oxydor6duction peut se faire par le dosage de vitamines antioxydantes ou d 'enzymes d'oxydo- rdduction telles que la glutathion peroxydase mais cette approche reste imparfaite.

?olynucl~aires ~ Radicaux libres

Figure 2. Cercle vicieux de l ' inf lammation et du stress oxydant au cours de la mucoviscidose.

Elastase

R~action mtiammatoire (IL 1 - IL6 - TNF ct)

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L'origine du stress oxydant dans la mucoviscidose est plurifactorielle : -l'augmentation du mdtabolisme entraine une majoration de l'activit6 de transfert des 61ectrons associ6e fi une production accrue de RL par les mitochondries [8] ; d'ailleurs, on observe une activit6 plus important des enzymes de la chaine respiratoire (NADH oxydase,...) ; - deux composants du Pseudornonas aeruginosa (pyo- ch61ine, pyocyanine) se potentialisent pour altdrer l'endoth61ium des vaisseaux pulmonaires par le biais d'une production en excbs de RL [9] (H202/O2 °-) ; - l 'infection pulmonaire bactdrienne, notamment Pseudomonas aeruginosa, entraine une r6ponse inflammatoire majeure avec une infiltration de PNN activds qui produisent des radicaux hydroxylds, des ions superoxydes, et du peroxyde d'hydrog6ne. Ces facteurs sont de puissants agents antibact6riens mais une surproduction peut endommager les tissus. Les macrophages des voies a6riennes participent 6gale- ment h la production de RL.

Tous ces RL produits en excbs inactivent les anti- prot6ases de type al-antitrypsine ce qui majore encore leurs effets nocifs. Les RL initient alors la peroxydation lipidique en produisant des radicaux alddhydes qui ~ leur tour activent les PNN. Les RL par ailleurs peuvent r6guler l'activation du facteur nucl6aire NF~B qui peut d6clencher dans le noyau la transcription des g6nes de l 'inflammation (IL-1, IL-6, TNFa). Le TNFa, ~ son tour, peut stimuler les PNN et activer NFr.B r6alisant un cercle vicieux qui ne peut pas ~tre interrompu par les traitements actuellement proposals. De plus, le contenu ionique (NaC1) anormalement 61ev6 du liquide de surface respiratoire chez ces patients joue un r61e dans la stimulation de NF~zB favorisant la production d'IL-8 [10]. L'antibioth6rapie telle qu'elle est pratiqude chez ces malades en poussde de surinfection n'entraine pas de baisse des concentrations des d6rivds d'oxydation des prot6ines ou du malondial- d6hyde (MDA) mais tout au plus une baisse des hydroperoxydes lipidiques [11]; cela illustre les limites de notre comprdhension du stress oxydant et de la clairance des marqueurs circulants.

Chez le sujet normal en situation de ddfense anti- bact6rienne, les cellules inllammatoires produisent de fa~on contr616e des RL par diff6rentes voies mdtaboliques. Un syst6me anti-oxydant performant permet de prot6ger les cellules contre l 'effet agressif des RL. Malheureusement, dans la mucoviscidose, les 6tudes sont parfaitement concordantes dans le sens d 'un ddficit des syst~mes antioxydants. Le d6s6quilibre provient, d 'une part, de la maldigestion- malabsorption secondaire ~ l'insuffisance pancr6a- tique exocrine pour les facteurs antioxydants tels que la vitamine E et le ~-carot~ne et, d'autre part, de

la production exagdr6e de RL par l'intrication de l 'inflammation et de l'infection qui majore la consommation des facteurs antioxydants tels que vitamine C, glutathion, sdldnium...

PRODUITS DE L'INFLAMMATION ET ACIDES GRAS POLYINSATURI~S (AGPI)

Une autre voie de l 'inflammation pulmonaire passe par les produits de l 'inflammation d6riv6s des acides gras n-6 avec une production accrue de leucotri6nes et de thromboxanes par les PNN.

Rappelons que, parmi les acides gras polyinsatur6s (AGPI), deux sont dits ~ essentiels ~ pour l 'homme puisqu'ils ne peuvent pas ~tre synth6tisds. Ils doivent donc ~tre apportds par l 'alimentation ; il s'agit de l'acide linoldique C18:2 n-6 et de l'acide alpha-lino- ldnique C18:3 n-3. L'acide linoldique est le chef de file des acides gras de la famille n-6. L'acide alpha- linol6nique est le premier des acides gras de la famille n-3. Les AGPI sont des constituants structu- raux de la bicouche lipidique des membranes cellu- 1aires intervenant dans la fluidit6 de ces derni~res et conditionnant la perm6abilit6 membranaire. De plus, leur structure influence l'activit6 des r6cepteurs membranaires et de diff6rents syst6mes enzy- matiques notamment ATPasiques qui contr61ent les transports ioniques. Les deux AGPI sus-cit6s sont par ailleurs les pr6curseurs d'autres acides gras qui sont des mdtabolites sup6rieurs suite ~ Faction de ddsaturases et d'dlongases. Ces mdtabolites sup6- rieurs : acide arachidonique (AA), l'acide eicosa- penta6noYque (EPA), l'acide docosah6xadnoique (DHA), sont des prdcurseurs des 6icosanoYdes qui peuvent atre des prostaglandines, des thromboxanes ou des leucotri~nes. Ces m6tabolites ont entre autres, selon le type synthdtis6, des activit6s pro- ou anti-inflammatoires qui peuvent atre tr~s intdressan- tes lors de certaines pathologies.

D6jfi dans les anndes 1980, on avait port6 un intdrat particulier ~ la composition sdrique des AGPI au cours de la mucoviscidose [12, 13]. Actuellement, le r61e des AGPI dans la pathogdnie de la maladie se con~oit selon deux axes principaux : d 'une part, ils interviennent dans la fluidit6 et le traficking mem- branaire et, d 'autre part, ils rdgulent la production de prostaglandines, m6diateurs de l'inflammation et stimulants de la s6cr6tion de mucines.

PRISE EN CHARGE DE LA MALADIE PULMONAIRE

Actuellement, la prise en charge de la maladie pulmonaire fait appel fi la kin6sith6rapie respiratoire quotidienne ou pluriquotidienne afin d'6vacuer les s6cr6tions 6paisses et purulentes des bronches;

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administr6e sous forme d'adrosols, la DNAse, qui permet de couper I 'ADN des polynucl6aires neutro- philes, peut aider fi fluidifier les sdcr6tions. Lors des poussdes de surinfection bactdrienne ou de colonisa- tion chronique, notamment ~t Pseudornonas aerugi- nosa, l 'antibiothdrapie adaptde aux donndes de l 'antibiogramme des germes isol6s dans un crachat profond permet d'am61iorer l'6tat infectieux mais 6galement de diminuer les pouss6es inflammatoires (les concentrations d'IL-8 s'abaissent mais celles de TNF(z et de mydloperoxydases ne se modifient pas) en rompant un des m6canismes responsables de l'inflammation.

Certains essais thdrapeutiques actuels jouent sur les propri6tds anti-inflammatoires par r6duction de l 'accumulation des neutrophiles (corticoYdes), dimi- nution de leur activit6 (ibuprofbne), baisse de l'acti- vit6 des prot6ases leucocytaires (anti-protdases, alpha-1 antitrypsine, inhibiteur s6cr6toire de la leu- coprot6ase (SLPI)) mais 6galement certains essais tendent h corriger le d6ficit en facteurs antioxydants (vitamine E, [3-carot6ne) ou ?a assurer une suppl6- mentation en acides gras polyinsatur6s de type n-3. Nous allons d6tailler ces manipulations nutrition- nelles qui pour certaines ne sont qu'au stade d'essais th6rapeutiques.

ESSAIS D E MANIPULATION NUTRITIONNELLE

Actuellement, les donndes les mieux 6tablies concer- nent la correction de la balance oxydants/antioxy- dants ~ l 'aide de suppldmentation en vitamine E et [3-carot6ne [14] ; ainsi, des concentrations circulantes plasmatiques d'cz-tocoph6rol de 28 mmol/L et de 13-carot6ne de 1 mmol/L permettent une correction de la rdsistance ?a l 'oxydation des LDL et de la concentration de MDA [15] et une baisse du TNFa. La suppl6mentation en vitamine E (vitamine antioxydante majeure) est une attitude de routine depuis la description il y a plus de 10 ans de signes cliniques de carence sdvbre. La posologie n6cessaire est 61evde si l 'on souhaite un r61e protecteur contre le stress oxydant. On recommande chez l 'adulte un apport de l 'ordre de 400 UI/j de vitamine E (~-toco- ph6rol) qui doit ~tre pris avec un repas contenant des lipides et des extraits pancr6atiques pour la forme liposoluble, la seule disponible en France. Quant au ~-carotbne, le pr6curseur lipophile de la vitamine A, son r61e dans les ph6nom6nes de peroxydation des lipides ainsi que ses propri6t6s anti-inflammatoires justifient une prescription de 0,5 mg/kg/j : il aurait 6t6 montr6 une r6duction des

6pisodes infectieux [16] avec une suppldmentation sur six mois.

L'absorption de la vitaminc C (deuxi~me vitamine antioxydante majeure) est normale, mais il n'est pas exclu qu'une suppl6mentation puisse 8tre bdn6fique notamment chez des patients en situation d'atteinte respiratoire sdv~re.

Des carences en glutathion ont 6t6 rapportdes mais aucune 6tude n'a pu montrer de bdndfice apporter un de ses pr6curseurs (le glutathion n'est pas absorb6 par voie digestive). Pour le s616nium, oligodldment cofacteur de la glutathion peroxydase sdl6nium-ddpendante, aucune conclusion d6finitive n 'a pu 8tre apportde sur l'int6rSt clinique d'une sup- pl6mcntation.

Quant ~ la question de savoir si on a intdrSt fi faire une suppldmentation en antioxydants pour obtenir des conce~atrations plasmatiques supdrieures a celles des sujets sains pour essayer de neutraliser le stress oxydant, seules des 6tudes approfondies permettront d'y r6pondre de faqon objective.

Une autre approche nutritionnelle qui permettrait de limiter les effets d616t~res de l 'inflammation (infection chronique) serait la suppl6mentation orale en acides gras polyinsatur6s de la lignde n-3 [16] prdcurseurs de leucotri6nes ou thromboxanes d6pourvus d'activit6 pro-inflammatoire. En effet, lots de la r6ponse inflammatoire, les PNN lib~rent, sous l'action de la 5-1ipoxygdnase (5-LOP), des produits pro-inflammatoires qui ~ leur tour acc61~- rent le turnover endog~ne de I 'AA/t partir des mem- branes par activation de la phospholipase A2. Une 6tude in vitro [17] sur des PNN de patients infect6s a montr6 une r6duction ou la suppression de la lib6- ration de d6riv6s pro-inflammatoires produits par la 5-LOP par adjonction d'acides gras n-3 contenus dans l'huile de poisson ou d'EPA. Une 6tude cli- nique en double aveugle sur 12 mois, 6valuant les effets biochimiques et ventilatoires de la suppldmen- tation en n-6 ou en huile de poisson, est en cours.

D'autres 6tudes concernant la correction des concentrations en acides gras essentiels par une sup- pldmentation orale ont montr6 des rdsultats int6res- sants sur la croissance et la fonction pulmonaire mais le m6canisme invoqu6 est l 'amdlioration de la composition et de la fluidit6 membranaire ce qui est assez 61oign6 des ph6nomSnes inflammatoires.

Une 6tude rdcente sur des souris mucoviscido- siques mdrite d'Stre rapport6e. Freedman et Alvarez [18] ont 6valu6 le contenu tissulaire d 'AA et de D H A dans des homog6nats d'organes o/1 s'exprime CFTR (pancr6as, poumon, il6on) ; ils ont identifi6 par rapport ~ des souris contr61es une augmentation de I 'AA et une baisse du DHA. Les souris mucovis- cisodosiques ont 6t6 nourries pendant 30 jours par un rdgime enrichi en DHA, ce qui a normalis6 le

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c o n t e n u t i s su la i re e n A A et en D H A et , de f a~on s p e c t a c u l a i r e , les a n o m a l i e s m o r p h o l o g i q u e s h i s to - l o g i q u e s du p a n c r 6 a s o n t r6gress6 e t le c o n t e n u en p o l y n u c l 6 a i r e s du l a v a g e b r o n c h o a l v 6 o l a i r e s ' e s t e f f o n d r 6 , c o m m e si la m o d i f i c a t i o n de f lu id i t6 des m e m b r a n e s a p e r m i s u n r e t o u r fi u n e s i t u a t i o n de sour i s t6moins .

I1 r e s t e tr6s di f f ic i le d ' a p p r d h e n d e r ce q u ' i l e n e s t c h e z l ' h o m m e e t q u e l s e r a i t l ' i m p a c t d ' u n e supp l6 - m e n t a t i o n o r a l e au l o n g cou r s de f o r t e s d o s e s de D H A m a i s ce su je t es t p a s s i o n n a n t .

CONCLUSION

L e s p h d n o m 6 n e s i n f l a m m a t o i r e s i n t r i q u d s a u x p r o - cessus i n f e c t i e u x p a r t i c i p e n t de f a ~ o n ac t i ve fi la d 6 g r a d a t i o n d e la f o n c t i o n p u l m o n a i r e c h e z le p a t i e n t a t t e i n t d e m u c o v i s c i d o s e . L e c l i n i c i en n e dis- p o s e pas e n c o r e de m a r q u e u r s i n f l a m m a t o i r e s b io - l o g i q u e s f iables, n o n invas i f s e t p e u c o f i t e u x p o u r m e s u r e r l ' i m p a c t de m e s u r e s t h 6 r a p e u t i q u e s . E n ef fe t , il es t d d s o r m a i s i n d i s p e n s a b l e d ' e n v i s a g e r la p r i se en c h a r g e des p a t i e n t s en t e n a n t c o m p t e de l ' i n f l a m m a t i o n .

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