Anti-inflammatory properties of statins, triterpenoids and thiazole derivatives : role of heme oxygenase-1 (HO-1) and cyclooxygenase-2 (COX-2)

Les statines sont des inhibiteurs sélectifs de la 3-hydroxy-3-méthylglutaryl-coenzyme A réductase, utilisées pour diminuer la biosynthèse du cholestérol. Ces molécules possèdent en plus de leur capacité à réduire le cholestérol des effets pléiotropiques comme les propriétés anti-inflammatoires et anti-oxydantes. Les cucurbitacines sont des triterpènes dérivés des plantes, ayant des propriétés biologiques diverses comme les effets anti-inflammatoires et anticancéreux, associées toutefois à une toxicité élevée. Les dérivés de thiazole sont des molécules contenant un noyau hétérocyclique formé de trois atomes de carbones, un atome de sulfure et un atome d'azote, disposant des effets anti-inflammatoires importantes. Les cyclooxygénases et les hème-oxygénases jouent un rôle dans l'inflammation et le stress oxydatif et sont les cibles des statines et des cucurbitacines in vitro. Les dérivés de thiazole peuvent inhiber plutôt l'activité enzymatique des cyclooxygénases. Le but de ma thèse est d'étudier les effets de ces 3 molécules in vivo et d'analyser si possible les mécanismes impliqués, comme par exemple pour les statines. Pour cela, nous avons eu recours chez les souris C57BL/6 au modèle d'inflammation de la poche à air-stérile injecté par le zymosan.Nous avons d'abord montré que le traitement des souris avec l'atorvastatine pendant 10 jours a réduit la migration des cellules dans l'exsudat de la poche à air ainsi que l'expression de gènes des marqueurs pro-inflammatoires tels que les cytokines, les chimiokines, la cyclooxygénase-2 et la nitric oxide synthase -II. Le taux de la prostaglandine E2 et de l'interleukine-6 a été également réduit. L'inhibition de l'hème-oxygénase-1 par son inhibiteur sélectif, tin protoporphyrine, a partiellement réduit l'effet inhibiteur de l'atorvastatine sur la migration des cellules et sur certaines cytokines suggérant un rôle important de la l'hème-oxygénase-1 dans les propriétés anti-inflammatoires in vivo.En parallèle, nous avons utilisé ce modèle animal tester l'effet de la cucurbitacine E sur l'inflammation et évaluer le rôle d'encapsulation in vivo dans des liposomes à base de phosphatidylcholine. Nous avons démontré que la cucurbitacine E libre (12.5 μg/poche ou 25 μg/poche) a tendance à diminuer l'interleukine-6, l'hème oxygénase-1 et la cyclooxygénase-2 alors que la cucurbitacine E encapsulée (12.5 μg/poche) a significativement réduit la prostaglandine E2, l'interleukine-6 et le taux de nitrite sans affecter le niveau d'ARNm de la cyclooxygénase-2 et l'hème oxygénase-1. Nos résultats suggèrent que l'incorporation de la cucurbitacine E dans des liposomes améliore son effet anti-inflammatoire et réduit sa cytotoxicité.Finalement, deux dérivés de thiazole qui diffèrent dans leur structure par la présence d'un groupement butyle- ou benzyle- sur leur chaîne latérale, ont été explorés dans ce modèle. Nous avons montré que le dérivé de thiazole contenant le groupe benzyle est sélectif de la cyclooxygénase-2 dans les macrophages et le modèle in vivo chez la souris.En résumé, mon travail de thèse met en évidence in vivo les effets anti-inflammatoires des statines et le rôle de l'hème oxygénase-1, et permet en plus la caractérisation des effets anti-inflammatoires des cucurbitacines et des dérivés de thiazole. L'ensemble de ces résultats renforcent les effets anti-inflammatoires de ces substances et démontre in vivo leur effet et les suggèrent comme molécules anti-inflammatoires.Statins are selective competitive inhibitors of 3-hydroxy-3-methylglutaryl coenzyme A reductase used to lower cholesterol biosynthesis and have multiple pleiotropic effects beyond lowering cholesterol such as anti-inflammatory and anti-oxidant properties. Cucurbitacins are triterpenoid derived from plants and exhibit potential anti-inflammatory and anticancer properties though they have a high cytotoxicity. Thiazole derivatives are molecules containing heterocyclic ring with three carbons, one sulfur and one nitrogen atom, with important anti-inflammatory activities. Cyclooxygenases and heme-oxygenases play a role in inflammation and oxidative stress and are targets for statins or cucurbitacins in vitro. Thiazole derivatives are potential inhibitors of cyclooxygenases. The aim of my thesis is to investigate the anti-inflammatory effect of these three compounds in vivo and attempt to analyze the mechanisms involved, mainly for statins. Thus we set up an animal model of inflammation in C57BL/6 corresponding to the zymosan -injected dorsal sterile air pouch.First we have shown that treatment of mice with atorvastatin for 10 days reduced cell migration in the exudate of the air pouch as well as the expression of inflammatory markers such as cytokines, chemokines, cyclooxygenase-2 and nitric oxide synthase -II. The synthesis of prostaglandin E2 and interleukin-6 was also reduced. Inhibition of heme-oxygenase-1 by the selective inhibitor tin protoporphyrin partially diminished the inhibitory effect of statins on cell migration and some cytokines suggesting a significant role of HO-1 in the anti-inflammatory properties for atorvastatin in vivo.For cucurbitacins, we used the same animal model to investigate the effect of this substance in vivo and further assess the beneficial effect of encapsulating cucurbitacin in phosphatidylcholine-liposomes. Free cucurbitacin E (12.5 μg/pouch or 25 μg/pouch) tended to increase interleukin-6, decrease heme oxygenase-1 and cyclooxygenase-2 whereas cucurbitacin E loaded liposomes (12.5 μg/pouch) significantly reduced prostaglandin E2, interleukin-6 and nitrite without affecting cyclooxygenase-2 and heme oxygenase-1 mRNA levels. We demonstrated that the incorporation of Cuc E into liposomes enhances its anti-inflammatory effect and reduces its cytotoxicity.Finally, we used the dorsal air pouch model to investigate the anti-inflammatory effect of two thiazole derivatives that differ in their side chain by the presence of butyl or benzyl group. In addition to analyzing their effect on cyclooxygenase activity in human blood platelets, on recombinant COX-1 and in culture macrophage cell lines, we demonstrated their capacity to block cyclooxygenase-dependent prostaglandin synthesis in the lumen of the air pouch.In summary, my thesis presents in vivo evidence for the anti-inflammatory effects of atorvastatin dependent on HO-1 activity. My studies characterized the anti-inflammatory effects of cucurbitacins and thiazole derivatives. All these results support the anti-inflammatory effects of these substances and suggested them as potential anti-inflammatory substances