Anti-inflammatory effects of Protein Z-dependent protease inhibitor (ZPI) : potential benefit on sepsis adjuvant therapy

Le choc septique est une défaillance circulatoire aiguë déclenchée par un agent infectieux, entraînant des désordres hémodynamiques, métaboliques et viscéraux, en raison notamment de la libération de cytokines proinflammatoires. Le taux de mortalité est élevé (environ 40 %). L’évolution des sepsis sévères est souvent compliquée par des phénomènes thrombotiques qui résultent en partie de l’activation de la coagulation par les agents infectieux, mais aussi de la libération de Neutrophil Extracellular Traps (NETs) par les polynucléaires neutrophiles. Ainsi, chez ces patients, une coagulation intravasculaire disséminée (CIVD) est souvent observée, caractérisée par un état d’équilibre instable, où co-existent un risque thrombotique et un risque hémorragique, dû à la consommation des facteurs de coagulation.Plusieurs études ont suggéré que l’administration d’antithrombine (AT) ou de Protéine C activée diminuait la mortalité, non seulement en diminuant l’activation de la coagulation, mais aussi en ayant des effets cytoprotecteurs et anti-inflammatoires indépendants de leur activité anti-coagulante. Toutefois, leurs effets cytoprotecteurs nécessitent l’administration de doses élevées, responsables d’hémorragies.L’inhibiteur dépendant de la protéine Z (ZPI), appartient à la superfamille des serpines, comme l’AT, mais n’inhibe que les facteurs Xa (FXa) et XIa (FXIa). L’inhibition du FXa est potentialisée par la Protéine Z (PZ), un facteur vitamine K-dépendant, qui circule dans le plasma lié au ZPI. Dans un modèle en sang total, j’ai observé que le ZPI exerce un effet inhibiteur sur la production de cytokines pro-inflammatoires (IL-6 et TNF-α) en réponse au lipopolysaccharide (LPS). A forte concentration (4 fois la concentration physiologique), l’effet anti-inflammatoire (EAI) du ZPI n’est pas modifié par l’ajout de PZ ou d’héparine non fractionnée, qui majorent l’effet anticoagulant du ZPI. De plus, l’EAI persiste avec un variant de ZPI muté sur son site actif (ZPI Y387A), suggérant que le ZPI possède un EAI indépendant de son activité anticoagulante. In vitro, en sang total, le ZPI augmente précocement la production de CCL-5, une chimiokine ayant des propriétés anti-inflammatoires. Ces observations ont été confirmées dans un modèle d’endotoxinémie in vivo, chez la souris, en injectant par voie intra-péritonéale du LPS. Les souris qui avaient reçu simultanément du ZPI recombinant humain ont un taux plasmatique plus faible d’IL-6 et de TNF α que les souris contrôles et un taux plus élevé de CCL-5 dans le lavage péritonéal.De plus, nous avons mis en évidence, en milieu purifié, que l’élastase neutrophile, une enzyme libérée à la surface des NETs induisait plusieurs clivages du ZPI. Le premier clivage se produit au niveau de la boucle réactive du ZPI, qui perd alors son activité inhibitrice sur les FXa et FXIa. La PZ ne protège pas le ZPI de sa dégradation par l’élastase. La dégradation du ZPI induite par les NETs pourrait participer à leurs propriétés procoagulantes.Enfin, en collaboration avec l’équipe du Service de Réanimation du CHU de Strasbourg, nous avons étudié les variations des taux plasmatiques de PZ et ZPI chez 100 patients atteints de sepsis sévère. Dans les premières 24 heures, nous avons observé une diminution du taux de PZ par rapport à une groupe de sujets sains, et à l’inverse, une augmentation d’environ 2,5 fois du taux de ZPI. Ce taux élevé de ZPI persiste à J3 et J7, alors que le taux de PZ augmente. Les variations de PZ ou ZPI ne sont pas prédictifs de la mortalité à 30 jours ni de l’apparition d’une CIVD.Ces résultats suggèrent que des doses élevées de ZPI (4 fois la concentration physiologique) pourraient constituer un traitement adjuvant du choc septique, en diminuant la production de cytokines pro-inflammatoires, avec un risque hémorragique faible, puisque l’inhibition du FXIa a des activités antithrombotiques dépourvues de risque hémorragique.Septic shock is an acute circulatory failure caused by an infectious agent, resulting in hemodynamic, metabolic and visceral disorders, in particular due to pro-inflammatory cytokines. The mortality rate is high (about 40 %). Progression of severe sepsis is often complicated by thrombotic events, in part because of a direct coagulation activation by bacteria, but also because of Neutrophil Extracellular Traps (NETs) released by polymorphonuclear neutrophils. Disseminated intravascular coagulation (DIC) is frequently present in these patients, characterized by an unstable equilibrium, where thrombotic and bleeding risks coexist, due to the consumption of coagulation factors.Several studies suggested that administration of coagulation inhibitors, such as antithrombin (AT) or activated Protein C, decreased mortality, not only by preventing the activation of coagulation, but also through their cytoprotective and anti-inflammatory effects, independent of their anticoagulant activity. However, the cytoprotective effects require the administration at very high doses, leading to a bleeding tendency.The protein Z-dependent protease inhibitor (ZPI) belongs to the serpin superfamily, as AT, but in contrast to AT, inhibits only factors Xa (FXa) and XIa (FXIa) of coagulation. FXa inhibition by ZPI is potentiated by Protein Z (PZ), a vitamin K-dependent factor, which circulates in plasma in a complex with ZPI. In a whole blood model, I observed that ZPI exerts an inhibitory effect on lipopolysaccharide (LPS)-induced pro-inflammatory cytokines production (IL-6 and TNF-α). At high concentration (4 times physiological concentration), ZPI anti-inflammatory effect (AIE) is not modified by PZ or unfractionned heparin, which increase ZPI anticoagulant activity. Moreover, this AIE is still present using a reactive center loop variant of ZPI (ZPI Y387A), suggesting that the AIE of ZPI is independent of its anticoagulant activity. In vitro, in whole blood, ZPI induced an early increased of CCL-5, a chemokine with anti-inflammatory properties. These data are confirmed in vivo in a murine model of endotoxin shock where LPS is injected intraperitoneally. Simultaneously injection of recombinant human ZPI (rhZPI) with LPS led to lower plasma levels of IL-6 and TNF-α than in control mice, whereas higher CCL-5 levels were observed in peritoneal lavages.In addition, using purified proteins, we have shown that neutrophil elastase, an enzyme which decorates NETs, induces several cleavages of rhZPI. A quick and first cleavage is observed on the reactive centre loop of ZPI, inducing a loss of inhibitory activity towards FXa and FXIa. PZ does not protect ZPI from elastase degradation. ZPI proteolysis induced by NETs could contribute to their procoagulant activity.Lastly, in collaboration with the intensive care unit of Strasbourg Hospital, we studied plasma levels of PZ and ZPI in 100 patients with severe sepsis. During the first 24 hours, there was a significant decrease of plasma PZ levels, compared to levels of healthy subjects, whereas an approximately 2.5 times increase was observed for ZPI levels. These high levels of ZPI were still present at D3 and D7, whereas PZ levels regularly increased. Variations of PZ and ZPI levels were not predictive of the 30-day mortality rate, and not associated with DIC development.These results suggest that elevated concentrations of ZPI (4 times physiological concentration) could be an adjuvant therapy to septic shock, by decreasing pro-inflammatory cytokines production, but devoid of bleeding risk, since FXIa inhibition has antithrombotic activity without inducing haemorrhages