Disulfide isomérase protein and cerebral ischemia: a neuroprotective pathway?
La protéine disulfide isomérase et l'ischémie reperfusion cérébrale: une voie de neuroprotection?
Résumé
In the western world, cerebral vascular accidents (CVA) represent one of the major causes of handicap and mortality. Nevertheless, therapeutic approaches are helpless at the hands of this public health problem. They are made of prevention or suppression of risk factors, such tobacco addiction, high blood pressure or hypercholesterolemia. The CVA can be haemorrhagic, but for 80% of the cases, its vascular origin is obstructive. In this case, the acute treatment benefits of thrombolytic agents, whose administration is time dependent. Neuroprotective agents protect the brain from deleterious consequences of cerebral ischemia reperfusion at the time of CVA (irreversible injury and handicap). Nowadays the efficiency of these agents is disappointing.
Therefore, research for novel therapeutic targets is obvious in this area. A preliminary proteomic study has taken an interest in proteins whose concentration was modified during cerebral ischemia reperfusion (CIR). This study gave rise to protein disulfide isomerase (PDI), a result in agreement with data from literature (Tanaka, S., Uehara, T., Nomura, Y., 2000, J. Biol. Chem. 275, 10388-10393).
PDI is a chaperone protein, with an oxidoreductase activity, mainly localised in the endoplasmic reticulum. It assists the protein folding by the formation or isomerisation of disulfure bridges.
PDI modulatory agents are 4-hydroxybenzylic alcohol (4-HBA) and bacitracin, PDI inductor and inhibitor respectively. To determine the potential salutary or deleterious effect of PDI in IRC, the cerebral impact of these modulatory agents was studied in a murine model of CIR, based on transient middle cerebral artery occlusion. In this experimental model, 4-HBA significantly reduces cerebral infarct size in cortex and striatum areas (22 and 55% respectively). PDI involvement in this cerebral protection is corroborated by the elimination of 4-HBA neuroprotective effect by bacitracin. In addition, 4-HBA does not show anto oedematous properties in this CIR model. PDI induction by 4-HBA was shown on healthful mice brain, by western blot experiment. 4-HBA position isomers (2-hydroxybenzylic alcohol and 3-hydroxybenzylic alcohol) and aliphatic analogues (1,4-butanediol and 1,5 pentanediol) were not able to reduce cerebral injury size and to induce cerebral PDI in the experimental CIR model, in opposition to 4-HBA.
The neutroprotective potential of 4-HBA was studied in another model, the audiogenic seizure test on magnesium deficient mice, known for its response to anticonvulsivant agents but also to antioxidant compounds (Vamecq, J., Maurois, P., Bac, P., Bailly, F., Bernier, J.L., Stables, J.P., Husson, I.,Gressens, P., 2003, Eur. J. Neurosci. 18, 1110-1120). The 4-HBA dose which protects 50% of animals to audiogenic seizure was 25mg/kg, against 35mg/kg for 6-hydroxyflavanone (6-HFN), a reference flavone active in this test. As these results suggested a similar antioxydant potential for these two compounds, their protective effects were compared in the CIR model on mice. This study confirmed the neuroprotection given by 4-HBA, but revealed the inability of 6-HFN to induce a significant protection. Conversely to 4-HBA, 6-HFN did not induce cerebral PDI in mice, consolidating the hypothesis that 4-HBA protection at the hands of CIR is more due to its ability to induce PDI than to other properties such as its antioxidant potential. Finally, 4-HBA, at doses up to 200 mg/kg, turned out devoid of toxicity in the rotarod test.
In conclusion, 4-HBA represents a neuroprotective agent active in several evaluation models. Its efficiency at the hands of injury induced by CIR seems bound to its capacity to induce cerebral PDI. This protein is therefore a promising pharmacological target for the development of active compounds in the CVA.
Therefore, research for novel therapeutic targets is obvious in this area. A preliminary proteomic study has taken an interest in proteins whose concentration was modified during cerebral ischemia reperfusion (CIR). This study gave rise to protein disulfide isomerase (PDI), a result in agreement with data from literature (Tanaka, S., Uehara, T., Nomura, Y., 2000, J. Biol. Chem. 275, 10388-10393).
PDI is a chaperone protein, with an oxidoreductase activity, mainly localised in the endoplasmic reticulum. It assists the protein folding by the formation or isomerisation of disulfure bridges.
PDI modulatory agents are 4-hydroxybenzylic alcohol (4-HBA) and bacitracin, PDI inductor and inhibitor respectively. To determine the potential salutary or deleterious effect of PDI in IRC, the cerebral impact of these modulatory agents was studied in a murine model of CIR, based on transient middle cerebral artery occlusion. In this experimental model, 4-HBA significantly reduces cerebral infarct size in cortex and striatum areas (22 and 55% respectively). PDI involvement in this cerebral protection is corroborated by the elimination of 4-HBA neuroprotective effect by bacitracin. In addition, 4-HBA does not show anto oedematous properties in this CIR model. PDI induction by 4-HBA was shown on healthful mice brain, by western blot experiment. 4-HBA position isomers (2-hydroxybenzylic alcohol and 3-hydroxybenzylic alcohol) and aliphatic analogues (1,4-butanediol and 1,5 pentanediol) were not able to reduce cerebral injury size and to induce cerebral PDI in the experimental CIR model, in opposition to 4-HBA.
The neutroprotective potential of 4-HBA was studied in another model, the audiogenic seizure test on magnesium deficient mice, known for its response to anticonvulsivant agents but also to antioxidant compounds (Vamecq, J., Maurois, P., Bac, P., Bailly, F., Bernier, J.L., Stables, J.P., Husson, I.,Gressens, P., 2003, Eur. J. Neurosci. 18, 1110-1120). The 4-HBA dose which protects 50% of animals to audiogenic seizure was 25mg/kg, against 35mg/kg for 6-hydroxyflavanone (6-HFN), a reference flavone active in this test. As these results suggested a similar antioxydant potential for these two compounds, their protective effects were compared in the CIR model on mice. This study confirmed the neuroprotection given by 4-HBA, but revealed the inability of 6-HFN to induce a significant protection. Conversely to 4-HBA, 6-HFN did not induce cerebral PDI in mice, consolidating the hypothesis that 4-HBA protection at the hands of CIR is more due to its ability to induce PDI than to other properties such as its antioxidant potential. Finally, 4-HBA, at doses up to 200 mg/kg, turned out devoid of toxicity in the rotarod test.
In conclusion, 4-HBA represents a neuroprotective agent active in several evaluation models. Its efficiency at the hands of injury induced by CIR seems bound to its capacity to induce cerebral PDI. This protein is therefore a promising pharmacological target for the development of active compounds in the CVA.
Les accidents vasculaires cérébraux (AVC) représentent, dans nos contrées, une cause importante de handicap et de mortalité. Les approches thérapeutiques restent toutefois relativement impuissantes face à ce problème de santé publique. Elles reposent essentiellement sur la prévention ou la suppression de facteurs de risques tels que le tabagisme, l'hypertension ou encore l'hypercholestérolémie. L'AVC peut être hémorragique, mais dans 80% des cas son origine vasculaire est obstructive. Son traitement aigu peut dans ce cas bénéficier d'agents thrombolytiques dont l'administration est cependant soumise à une fenêtre d'intervention immédiate relativement étroite. L'efficacité d'agents neuroprotecteurs, dont la finalité est de protéger le cerveau des conséquences délétères de l'ischémie/reperfusion cérébrale inhérente à l'AVC (lésions irréversibles et handicap), reste aujourd'hui assez décevante.
La recherche de nouvelles cibles thérapeutiques s'impose dès lors plus que jamais dans ce domaine. S'intéressant aux protéines dont la concentration peut varier au cours du temps, une étude protéomique préliminaire a mis en évidence l'augmentation de la protéine disulfure isomérase (PDI) au cours de l'ischémie reperfusion cérébrale (IRC), un résultat en accord avec les données de la littérature (Tanaka, S., Uehara, T., Nomura, Y., 2000, J. Biol. Chem. 275, 10388-10393). La PDI est une protéine chaperonne dotée d'une activité oxydoréductase/isomérase et est principalement localisée dans le réticulum endoplasmique. Elle assiste le repliement des protéines par la formation ou le déplacement de ponts disulfures.
Les agents modulateurs de la PDI incluent l'alcool 4-hydroxybenzylique
(4-HBA) et la bacitracine, respectivement inducteur et inhibiteur de cette protéine. Pour déterminer le rôle potentiellement bénéfique ou délétère de la PDI dans l'IRC, l'impact cérébral des modulateurs précités a été étudié dans un modèle murin d'IRC basé sur l'occlusion unilatérale et transitoire de l'artère cérébrale moyenne chez la souris. Dans ce modèle expérimental, le 4-HBA réduit significativement (respectivement de 22 et 55%). la taille de l'infarctus cérébral touchant le cortex et le striatum. L'implication de la PDI dans cette protection cérébrale est confirmée par la suppression de l'effet protecteur du 4-HBA par la bacitracine, le 4-HBA ne manifestant par ailleurs aucune propriété anti-oedémateuse dans le modèle expérimental d'IRC. L'induction de la PDI par le 4-HBA a elle été démontrée sur le cerveau sain de souris, la protéine étant quantifiée par immuno-chemiluminescence après migration électrophorétique (Western blots). Différents isomères de position (alcool 2-hydroxybenzylique et alcool 3-hydroxybenzylique) ainsi que des analogues aliphatiques (1,4-butanediol et 1,5-pentanediol) du 4-HBA se sont avérés, à l'inverse du dernier, incapables de réduire la taille des lésions cérébrales dans le modèle expérimental d'IRC et d'induire la PDI cérébrale.
Le potentiel neuroprotecteur du 4-HBA a été étudié dans un autre modèle d'évaluation, à savoir celui des crises audiogènes chez la souris déficiente en magnésium, connu pour sa réponse aux agents anticonvulsivants mais aussi aux composés antioxydants (Vamecq, J., Maurois, P., Bac, P., Bailly, F., Bernier, J.L., Stables, J.P., Husson, I.,Gressens, P., 2003, Eur. J. Neurosci. 18, 1110-1120). La dose de 4-HBA protégeant 50% des animaux vis-à-vis de la crise audiogène était de 25 mg/kg contre 35mg/kg pour la 6-hydroxyflavanone (6-HFN), une flavone de référence active dans ce test. Ces résultats suggérant un potentiel antioxydant similaire des deux composés ont conduit à une étude comparative de leurs effets protecteurs dans le modèle murin d'IRC. Cette étude tout en confirmant la protection offerte par le 4-HBA dans l'IRC expérimentale a révélé l'incapacité du 6-HFN d'induire une protection significative dans ce modèle. A l'inverse du 4-HBA, le 6-HFN n'induisait pas la PDI cérébrale murine, confortant ici l'hypothèse que la protection du 4-HBA vis-à-vis de l'IRC résulte plus de sa capacité à induire la PDI que d'autres de ses propriétés parmi lesquelles son potentiel antioxydant. Finalement, le 4-HBA, à des doses atteignant 200 mg/kg, s'est avéré dénué de toxicité dans le test de la barre tournante.
En conclusion, le 4-HBA représente un agent neuroprotecteur actif dans plusieurs modèles d'évaluation. Son efficacité vis-à-vis des lésions induites par l'IRC semble étroitement liée à sa capacité à induire la PDI cérébrale, faisant dès lors de cette protéine une cible pharmacologique prometteuse pour le développement pharmacologique de composés actifs dans l'AVC.
La recherche de nouvelles cibles thérapeutiques s'impose dès lors plus que jamais dans ce domaine. S'intéressant aux protéines dont la concentration peut varier au cours du temps, une étude protéomique préliminaire a mis en évidence l'augmentation de la protéine disulfure isomérase (PDI) au cours de l'ischémie reperfusion cérébrale (IRC), un résultat en accord avec les données de la littérature (Tanaka, S., Uehara, T., Nomura, Y., 2000, J. Biol. Chem. 275, 10388-10393). La PDI est une protéine chaperonne dotée d'une activité oxydoréductase/isomérase et est principalement localisée dans le réticulum endoplasmique. Elle assiste le repliement des protéines par la formation ou le déplacement de ponts disulfures.
Les agents modulateurs de la PDI incluent l'alcool 4-hydroxybenzylique
(4-HBA) et la bacitracine, respectivement inducteur et inhibiteur de cette protéine. Pour déterminer le rôle potentiellement bénéfique ou délétère de la PDI dans l'IRC, l'impact cérébral des modulateurs précités a été étudié dans un modèle murin d'IRC basé sur l'occlusion unilatérale et transitoire de l'artère cérébrale moyenne chez la souris. Dans ce modèle expérimental, le 4-HBA réduit significativement (respectivement de 22 et 55%). la taille de l'infarctus cérébral touchant le cortex et le striatum. L'implication de la PDI dans cette protection cérébrale est confirmée par la suppression de l'effet protecteur du 4-HBA par la bacitracine, le 4-HBA ne manifestant par ailleurs aucune propriété anti-oedémateuse dans le modèle expérimental d'IRC. L'induction de la PDI par le 4-HBA a elle été démontrée sur le cerveau sain de souris, la protéine étant quantifiée par immuno-chemiluminescence après migration électrophorétique (Western blots). Différents isomères de position (alcool 2-hydroxybenzylique et alcool 3-hydroxybenzylique) ainsi que des analogues aliphatiques (1,4-butanediol et 1,5-pentanediol) du 4-HBA se sont avérés, à l'inverse du dernier, incapables de réduire la taille des lésions cérébrales dans le modèle expérimental d'IRC et d'induire la PDI cérébrale.
Le potentiel neuroprotecteur du 4-HBA a été étudié dans un autre modèle d'évaluation, à savoir celui des crises audiogènes chez la souris déficiente en magnésium, connu pour sa réponse aux agents anticonvulsivants mais aussi aux composés antioxydants (Vamecq, J., Maurois, P., Bac, P., Bailly, F., Bernier, J.L., Stables, J.P., Husson, I.,Gressens, P., 2003, Eur. J. Neurosci. 18, 1110-1120). La dose de 4-HBA protégeant 50% des animaux vis-à-vis de la crise audiogène était de 25 mg/kg contre 35mg/kg pour la 6-hydroxyflavanone (6-HFN), une flavone de référence active dans ce test. Ces résultats suggérant un potentiel antioxydant similaire des deux composés ont conduit à une étude comparative de leurs effets protecteurs dans le modèle murin d'IRC. Cette étude tout en confirmant la protection offerte par le 4-HBA dans l'IRC expérimentale a révélé l'incapacité du 6-HFN d'induire une protection significative dans ce modèle. A l'inverse du 4-HBA, le 6-HFN n'induisait pas la PDI cérébrale murine, confortant ici l'hypothèse que la protection du 4-HBA vis-à-vis de l'IRC résulte plus de sa capacité à induire la PDI que d'autres de ses propriétés parmi lesquelles son potentiel antioxydant. Finalement, le 4-HBA, à des doses atteignant 200 mg/kg, s'est avéré dénué de toxicité dans le test de la barre tournante.
En conclusion, le 4-HBA représente un agent neuroprotecteur actif dans plusieurs modèles d'évaluation. Son efficacité vis-à-vis des lésions induites par l'IRC semble étroitement liée à sa capacité à induire la PDI cérébrale, faisant dès lors de cette protéine une cible pharmacologique prometteuse pour le développement pharmacologique de composés actifs dans l'AVC.