Implication of oxidative stress in the pathophysiology of sickle cell disease : vaso-occlusive crisis, antiband 3 antibodies levels and red blood cell oxidation

A partir du défaut premier de la drépanocytose, la polymérisation de l’hémoglobine S (HbS), se développe toute une série de processus anormaux qui contribuent au développement d’une réponse inflammatoire et d’un stress oxydant dus à une hypoxie-reperfusion traumatisante et à l’auto-oxydation de l’HbS. L’exacerbation du stress oxydatif semble participer de manière active aux mécanismes physiopathologiques de la maladie et jouer un rôle dans la survenue des crises vaso-occlusives (CVO). Les travaux menés dans le cadre de cette thèse avaient pour objectif de mieux documenter les effets délétères du stress oxydant sur le globule rouge et son impact dans le développement des CVO. Nous avons, en premier lieu, évalué in vitro l’impact du stress oxydant sur la rhéologie sanguine des patients drépanocytaires SS et SC à l’aide d’un agent à fort potentiel oxydant, le t-butyl hydroperoxide (TBHP). Nous avons montré que les globules rouges des patients drépanocytaires (GR SS) produisent en présence du TBHP davantage de radicaux libres que les GR provenant de sujets contrôles (GR AA) et que ces GR SS présentent un système de défense anti-oxydant diminué. L’induction d’un stress oxydant accentue les altérations rhéologiques déjà présentes chez les patients drépanocytaires (i.e, déformabilité diminuée, diminution de l’indice d’agrégation, augmentation du seuil de désagrégation) tandis qu’il induit chez les sujets contrôles un profil hémorhéologique altéré proche de celui déjà préexistant chez les patients drépanocytaires. Ces résultats suggèrent que le stress oxydant, en participant aux anomalies hémorhéologiques associées à la drépanocytose, pourrait être l’un des facteurs favorisant la survenue des complications drépanocytaires. Nous nous sommes de plus attachés à documenter directement l’impact du stress oxydant dans le développement des CVO en analysant des prélèvements sanguins provenant de patients drépanocytaires SS en crise et à l’état de base. Il s’agissait : 1) de tester l’hypothèse selon laquelle la protéine bande 3, protéine de la membrane du GR, est une cible majeure des espèces réactives de l’oxygène qui provoquent au niveau de cette protéine l’apparition d’épitopes de senescence reconnus par des auto anticorps anti-bande 3 ; 2) d’évaluer l’évolution de marqueurs moléculaires et cellulaires pro- et anti-oxydants ; 3) d’étudier l’évolution des paramètres hémorhéologiques ; 4) d’explorer l’activité du système nerveux autonome, considéré comme un marqueur potentiel de sévérité. Nous avons mis en évidence au cours des CVO : 1) une exacerbation du stress oxydant ; 2) une diminution du taux d’anticorps anti-bande 3 et une augmentation de la concentration plasmatique de microparticules érythrocytaires, suggérant que ces deux processus sont liés au phénomène de clusterisation de la protéine bande 3 déclenché par le stress oxydant ; 3) une exacerbation des anomalies hémorhéologiques se traduisant par une réduction de la déformabilité érythrocytaire, une augmentation de l’agrégation érythrocytaire et du seuil de désagrégation ; 4) une altération du système nerveux autonome marqué par un retrait de l’activité parasympathique, ce déséquilibre étant accentué au cours des CVO. Les travaux de cette thèse se traduisent par à une meilleure compréhension de la physiopathologie extrêmement complexe de la drépanocytose en précisant l’impact du stress oxydant dans le déclenchement des CVO, première cause d’hospitalisation des sujets drépanocytaires. Les données obtenues, qui mettent en évidence des marqueurs pertinents de ce stress oxydant au cours de la CVO du sujet drépanocytaire, pourront favoriser la mise en œuvre de nouvelles pistes thérapeutiques anti-oxydantes et une amélioration in fine de la prise en charge des patients.Besides the primary defect of sickle cell disease, hemoglobin S (HbS) polymerization, other abnormal processes may contribute to the development of an inflammatory response and to an oxidative stress caused by traumatic hypoxia-reperfusion and autoxidation of HbS. The exacerbation of oxidative stress seems to participate actively in the pathophysiology of the disease and play a role in vaso-occlusive crisis (VOC). The aim of this thesis was to document the deleterious effects of oxidative stress on the red blood cell and its impact in the development of VOC. First, we have evaluated the impact of tert-butyl hydroperoxide-induced oxidative stress on blood rheology of SS and SC sickle cell patients. We have shown that sickle red blood cells (SS RBC) produce more free radicals in the presence of tert-butyl hydroperoxide (TBHP) than control subject red blood cells (AA RBC). Furthermore, SS RBC have a decreased anti-oxidant defense system. Induction of oxidative stress increases the rheological alterations already present in sickle cell patients (ie, decreased deformability, reduced aggregation, increased disaggregation threshold). In control subjects, oxidative stress induces an altered hemorheological profile close to that already present in sickle cell patients. These results suggest that oxidative stress by modulating the hemorheological abnormalities associated with sickle cell disease, could be one of the factors promoting the occurrence of sickle cell complications. Then, we have studied the impact of oxidative stress in the development of VOC, analyzing blood samples from SS patients in crisis and at steady state. 1) We have tested the hypothesis that the protein band 3 of RBC, is a major target of reactive oxygen species, which cause the appearance of senescence epitopes of this protein recognized by auto anti-band 3 antibodies; 2) We have evaluated pro- and anti-oxidants molecular and cellular markers; 3) We have studied the evolution of hemorheological parameters; 4) We have explored the activity of the autonomic nervous system, seen as a potential marker of severity. Our results show during VOC: 1) an exacerbation of the oxidative stress; 2) a decrease in anti-band 3 antibodies levels and an increase in the plasma concentration of erythrocyte microparticles, suggesting that these two processes are linked to the clustering phenomenon of band 3 protein triggered by oxidative stress; 3) an exacerbation of hemorheological abnormalities resulting in a reduction of SS RBC deformability, increased aggregation and disaggregation threshold; 4) an impairment of the autonomic nervous system marked by a withdrawal of parasympathetic activity and this imbalance is accentuated during VOC. This work allows a better understanding of the complex pathophysiology of sickle cell disease, highlighting the impact of oxidative stress in the development of VOC, the leading cause of hospitalization of sickle cell subjects. The data obtained, which reveal relevant markers of oxidative stress during VOC, could promote the implementation of new antioxidant therapeutic approaches and help improving sickle cell patients care