Introduction

Sepsis et choc septique sont des syndromes cliniques hétérogènes compliquant l'évolution de certains états infectieux. Par le terme de sepsis, on entend un syndrome de réponse inflammatoire systémique (systemic inflammatory response syndrome, SIRS) dû à une infection. Le SIRS se manifeste par des symptômes non spécifiques tels que tachycardie, tachypnée, fièvre ou hypothermie, et leucocytose ou leucopénie. Selon une terminologie couramment acceptée,^1,2 on distingue des sous-catégories particulières de sepsis qui sont le sepsis sévère, accompagné de la dysfonction d'un ou plusieurs organes ou systèmes, et le choc septique lorsque vient s'ajouter une hypotension artérielle non corrigée par les manœuvres d'expansion volémique. Sepsis sévère et choc septique ont un mauvais pronostic avec une mortalité atteignant ou dépassant 50%. Le choc septique est la cause la plus fréquente de mort dans les unités de soins intensifs chirurgicales. C'est également, aux Etats-Unis tout au moins, la treizième cause de mort en général.³ La fréquence de ce type de pathologie va croissant en raison de la plus grande longévité des patients souffrant de maladies chroniques, de l'extension des procédures invasives en soins intensifs, et du nombre de plus en plus important de patients immunodéprimés.^3,4

Les mécanismes conduisant aux lésions d'organe au cours du sepsis sont mutiples et complexes.⁵ La réponse inflammatoire engendre la production de nombreux médiateurs vasoactifs, qui entraînent une perte de la sensibilité vasculaire à la stimulation adrénergique ainsi que des anomalies de la répartition du débit sanguin et de l'apport d'oxygène au niveau microcirculatoire. Les cellules effectrices de l'inflammation, et notamment les polynucléaires neutrophiles activés, inondent les tissus de produits cytotoxiques, dont des radicaux libres de l'oxygène et des protéases. A l'interface des phénomènes circulatoires et tissulaires, les cellules endothéliales adoptent un phénotype inflammatoire caractérisé notamment par une expression accrue des molécules d'adhésion et de l'activité procoagulante, avec une perte de leur fonction régulatrice du tonus microvasculaire.⁶

Au plan pratique, les traitements du sepsis sévère et du choc septique n'ont guère évolué au cours des deux dernières décennies.⁷ Ils consistent toujours à lutter contre l'infection et à soutenir ou suppléer les systèmes défaillants (remplissage vasculaire, administration d'agents vasopresseurs et inotropes, hémodiafiltration, ventilation mécanique). Que la considérable progression de nos connaissances physiopathologiques ne se soit pas accompagnée d'avancées thérapeutiques majeures s'explique en partie par la grande hétérogénéité des situations cliniques couvertes par le terme de sepsis, et en partie par l'extrême complexité de la réponse systémique à l'infection.

Au début des années 1990, l'oxyde nitrique (NO) est soudain apparu comme un élément important dans la pathogenèse des perturbations hémodynamiques induites par le sepsis. Rapidement, les études se sont multipliées pour évaluer diverses thérapeutiques centrées sur cette molécule. Dans la présente mise au point, nous allons brièvement rappeler la biologie du NO. Nous passerons ensuite en revue l'évidence indiquant que sa production est anormalement élevée dans les états septiques, résumerons les données expérimentales relatives à la modulation pharmacologique de cette anomalie, et terminerons par un survol des études cliniques pertinentes.

Biologie du NO

De nombreux types de cellules sont capables de produire du NO à partir de l'arginine et de l'oxygène, sous le contrôle enzymatique d'une famille d'enzymes appelées collectivement NO synthases (NOS).⁸ Il existe trois isoformes distinctes de NOS, qui sont les produits de gènes différents : la NOS neuronale (nNOS), la NOS endothéliale (eNOS), et la NOS inductible (iNOS). Les deux premières isoformes sont constitutionnellement exprimées en des localisations spécifiques, plus variées que ne le suggèrent les dénominations. L'eNOS est ubiquitaire dans l'endothélium vasculaire, mais se trouve aussi dans le placenta, les tubules rénaux et certains neurones. La nNOS est principalement localisée dans le système nerveux et le muscle squelettique. Quant à la iNOS, elle n'est normalement présente que dans quelques sites précis, tels que l'épithélium respiratoire ou l'utérus gravide, mais elle peut apparaître en quelques heures dans les cellules effectrices de l'immunité innée, l'endothélium vasculaire, le muscle lisse vasculaire, le myocarde, les hépatocytes et bien d'autres localisations encore, sous l'influence de stimuli très variés, parmi lesquels de nombreux produits bactériens (par exemple lipopolysaccharide de la paroi des bactéries Gram négatives (LPS), ou acide lipotéichoïque des bactéries Gram positives), plusieurs cytokines pro-inflammatoires (facteur de nécrose tumorale, interleukine-1, interféron gamma), et les radicaux libres de l'oxygène.^9,10

Pour leur activation, les isoformes constitutives de la NOS requièrent des concentrations élevées (0,1-1mM) de calcium cytosolique.⁸ C'est pourquoi elles ne produisent du NO à vitesse maximale que de manière intermittente, en réponse à des signaux calciques. Cette propriété de la nNOS et de la eNOS est adaptée à leur rôle dans les phénomènes de signalisation. Au contraire, la iNOS est maximalement active indépendamment de la concentration de calcium. Son expression entraîne donc toujours une production de NO à haut débit, pour autant que les substrats, oxygène et arginine, soient présents en quantité suffisante.

Le NO est une petite molécule, non réactive avec l'eau, lipophile, et pour cette raison traversant facilement les membranes cellulaires. Doté d'un électron impair, le NO répond à la définition d'un radical libre, mais n'est pas pour autant (contrairement à un cliché répandu) très réactif en lui-même.¹¹ Il possède néanmoins une infinie variété d'effets biologiques basés sur l'un ou l'autre de trois groupes distincts de réactions : avec les métaux de transition, avec l'oxygène moléculaire, et avec d'autres radicaux libres (fig. 1).^9,12 Le premier groupe rend compte des effets directs du NO, qui consistent en activation ou inhibition d'enzymes héminiques par liaison au métal du groupe prosthétique. L'effet direct le plus connu du NO est l'activation de la guanylate cyclase soluble, qui provoque une relaxation du muscle lisse vasculaire, ainsi qu'une inhibition de l'agrégation plaquettaire et de l'adhésion des leucocytes à l'endothélium vasculaire.¹³ A haute concentration, le NO est potentiellement cytotoxique en inhibant deux enzymes clés du métabolisme oxydatif, la cytochrome oxydase (étape terminale de la chaîne mitochondriale de transport d'électrons, et l'aconitase mitochondriale (cycle de Krebs).⁹ A haute concentration toujours, le NO peut aussi dégrader certains complexes oxygène-métal hypervalent très toxiques, tels que le cation ferryl (Fe⁴⁺=O).¹⁴ Ces exemples illustrent bien la nature duale du NO, à la fois cytotoxique et cytoprotecteur.

Les effets indirects du NO passent par la formation de composés intermédiaires qui à leur tour interagissent avec des (macro)molécules biologiques.¹² La réaction du NO avec l'oxygène moléculaire produit de l'oxyde nitreux (N_²O_³) et d'autres oxydes d'azote qui ont une affinité particulière pour les groupes thiols (S-nitrosylation). Par exemple, la S-nitrosylation de la glycéraldéhyde-3-phosphate-déshydrogénase peut freiner la glycolyse, une action particulièrement délétère dans une situation de métabolisme anaérobie.¹⁵ Finalement, la réaction du NO et de l'anion superoxyde (O₂) produit une molécule très oxydante dénommée peroxynitrite (HOONO).¹¹ Le potentiel cytotoxique du peroxynitrite est important, une voie particulière étant la génération de lésions de l'ADN.¹⁶ Celles-ci activent un enzyme nucléaire, la poly-(ADP-ribose)-polymérase (PARP). La PARP, impliquée dans les processus de réparation de l'ADN, catalyse des réactions consommant beaucoup d'ATP et de NAD. Une activation trop importante de cet enzyme peut ainsi conduire à une déplétion énergétique et à la mort cellulaire. Il convient de remarquer que la formation de peroxynitrite demande des conditions particulières (flux approximativement égaux de NO et de O₂), que l'O₂ a sa propre cytotoxicité via la formation du radical hydroxyle (OH), et qu'un excès de NO par rapport à O₂ aboutit à détoxifier ce dernier par transformation en nitrite/ nitrate.^9,10

Le NO joue probablement un rôle très important dans la défense contre l'infection. Pour preuve, les souris génétiquement déficientes en iNOS sont particulièrement sensibles à la plupart des microorganismes intracellulaires, bactéries (Mycobaterium tuberculosis, Listeria monocytogenes, Salmonella typhimurium), protozoaires (Toxoplasma gondii, Leishmania major), parasites (Schistosoma mansoni), et virus (Coxsackie B3, Herpes simplex type 1).¹⁷ Il faut remarquer que la place exacte du NO dans la défense contre la plupart des agents pathogènes n'est pas encore connue.¹⁸

Pour conclure ce survol biologique, le NO se caractérise par une intrication d'effets potentiellement favorables et dangereux pour l'hôte. On pressent d'emblée que la manipulation de sa production à des fins thérapeutiques est une affaire compliquée.

Arguments en faveur d'une augmentation de la production endogène de NO dans les états septiques

Un modèle expérimental de sepsis très utilisé consiste à injecter, par voie intrapéritonéale ou intraveineuse, un bolus de LPS chez le rat ou la souris. Il en résulte dans les heures qui suivent un tableau d'inflammation généralisée accompagné d'une hypotension artérielle progressive et d'une défaillance d'organes multiples (notamment insuffisance rénale, cytolyse hépatique, dysfonction ventriculaire).¹⁹ Parallèlement, les méthodes de biologie moléculaire mettent en évidence une expression croissante de la iNOS dans pratiquement tous les organes, et la concentration plasmatique des anions nitrites + nitrate (NOx), qui sont des produits de transformation du NO, augmente dramatiquement d'une valeur de base d'une dizaine de micromole/L (mM) à plusieurs centaines, voire plusieurs milliers de mM.^20,21

Il faut remarquer que les modèles d'endotoxémie chez les rongeurs sont assez éloignés du syndrome septique clinique, pour de nombreuses raisons parmi lesquelles l'absence de composante infectieuse, les doses très élevées de LPS qui doivent être utilisées, et l'absence du syndrome hémodynamique hyperdynamique caractéristique du sepsis humain.²² Dans d'autres modèles expérimentaux, tels que la péritonite induite par ponction-ligature cécale (CLP) chez le rat et la souris,²³ ou l'endotoxémie chez le mouton²⁴ ou le porc²⁵ (qui comme les humains sont beaucoup plus sensibles au LPS que les rongeurs), l'expression de la iNOS et la stimulation de la production de NO sont beaucoup moins marquées, voire absentes.

Dans le sepsis humain, on rapporte généralement des taux plasmatiques de NOx modérément élevés (environ 100 mM), ou normaux (environ 10 mM).^26-30 Quelques études récentes on décelé une présence anormale de iNOS dans les macrophages alvéolaires obtenus par lavage broncho-alvéolaire,³¹ les neutrophiles circulants,³² les artères omentales prélevées à l'occasion d'une chirurgie,³³ ou le tissu nécrotique entourant des foyers de cellulite.²⁹ Ces données suggèrent que la production de NO peut augmenter chez certains patients septiques, mais pas dans les mêmes proportions que chez les rongeurs endotoxémiques. Le siège précis de cette augmentation reste mal défini chez l'homme.

Souris génétiquement déficientes en iNOS

Si la surproduction de NO liée à l'induction de la iNOS joue un rôle déterminant dans la genèse des lésions d'organe et dans la léthalité du sepsis, les souris homozygotes pour une mutation inactivant le gène codant pour cette enzyme (iNOS^­/­) devraient en être protégées. Tel n'est pas uniformément le cas. Ainsi, des trois premières études relatant les effets d'une administration de LPS chez des souris iNOS^­/­, l'une décrit que la mutation amène une protection totale,³⁴ alors que la seconde rapporte une complète absence de protection.³⁵ Dans la troisième étude, la protection variait selon les conditions expérimentales particulières (notamment l'état conscient ou anesthésié de l'animal).³⁶ Les travaux ultérieurs ont confirmé cette grande variabilité de résultats dans les modèles endotoxémiques (pour revue, voir¹⁰). Il faut cependant signaler un travail récent rapportant que, comparées à leurs congénères non génétiquement modifiées, les souris iNOS^­/­ survivent mieux à une péritonite induite par CLP, ce à condition que les moyens thérapeutiques usuels soient mis en œuvre.³⁷

Globalement, l'étude des souris iNOS^­/­ ne semble pas permettre de conclusion définitive quant au rôle pathogénétique du NO dans le sepsis. Remarquons qu'en dépit de sa modernité, cette approche expérimentale souffre de limitations méthodologiques importantes. Premièrement, les résultats sont limités à l'espèce murine. Deuxièmement, il est difficile d'exclure une adaptation des mutants à l'absence congénitale de iNOS, adaptation qui affecterait leur sensibilité aux conditions septiques indépendamment de tout mécanisme lié au NO. Troisièmement, au vu des rôles biologiques multiples et contradictoires du NO, il est possible que l'augmentation de sa production entraîne un mélange d'effets protecteurs et délétères, variant dynamiquement au cours du temps. Un tel cas de figure ne saurait être analysé utilement par la suppression totale de la capacité d'exprimer la iNOS.

Inhibiteurs de la NOS. Etudes expérimentales

Les analogues de l'arginine, tels que la N^G-nitro-L-arginine (L-NA), la N^G-nitro-L-arginine méthyl ester (L-NAME), ou la N^G-monométhyl-L-arginine (L-NMMA), sont des inhibiteurs compétitifs de toutes les isoformes de la NOS. Historiquement, l'intérêt pour leur emploi dans le traitement du choc septique a été suscité par trois observations publiées en 1990. Vane et Thiemermann ont montré chez le rat que l'hypotension survenant dans les minutes suivant l'injection d'un bolus de LPS était entièrement prévenue si l'animal était prétraité par une perfusion i.v. de L-NMMA.³⁸ Dans la même espèce, Julou-Schaeffer et coll. ont perfusé durant une heure une dose de LPS non hypotensive mais néanmoins suffisante pour atténuer l'effet presseur d'un bolus i.v. de noradrénaline.³⁹ Dans ces conditions, la sensibilité vasculaire à la noradrénaline était rétablie par une perfusion de L-NMMA réalisée durant les dix dernières minutes de l'endotoxémie. Finalement, Kilbourn et coll. ont rapporté des observations analogues, dans les deux heures suivant une exposition au LPS, chez le chien.⁴⁰ Rétrospectivement, la pertinence clinique de ces trois études apparaît limitée, car on sait maintenant que l'hypotension artérielle de l'endotoxémie très précoce dépend d'une activation anormale et très transitoire de la eNOS, à un moment où la iNOS n'est pas encore exprimée dans le tissu vasculaire.⁴¹ Dans les phases plus tardives de l'endotoxémie, la eNOS semble au contraire plutôt inactivée.⁴²

Les travaux ultérieurs, conduits pour leur grande majorité dans des modèles endotoxémiques, ont fait apparaître les dangers possibles des traitements à base d'analogues de l'arginine : vasoconstriction exagérée, effondrement du débit cardiaque et des perfusions régionales,^43-45 induction de thromboses glomérulaires⁴⁶ et veineuses hépatiques,⁴⁷ aggravation de toutes les lésions d'organe, et finalement augmentation de la mortalité (pour revue, voir¹⁰). Ces effets délétères pouvaient être liés au fait que les inhibiteurs utilisés dans ces études agissent non sélectivement sur toutes les isoformes de la NOS, supprimant ainsi les fonctions protectrices liées à la production de NO par l'endothélium vasculaire sous le contrôle de la eNOS (anticoagulation, inhibition de l'adhésion leucocytaire, modération du tonus vasculaire).

Ce scénario a été confirmé par l'emploi d'inhibiteurs sélectifs de la iNOS, De tels agents ont été développés en nombre assez élevé.⁴⁸ Il faut relever que leur sélectivité n'est jamais que relative, c'est-à-dire qu'elle se perd lorsque la dose utilisée est excessive. Dans les modèles endotoxémiques chez les rongeurs, l'emploi d'inhibiteurs sélectifs à dose appropriée a entraîné avec une consistance extrême des effets favorables, qui incluent, outre une amélioration de la survie, la correction des anomalies suivantes induites par l'exposition au LPS : état de choc, troubles de la perméabilité microvasculaire, hyporéactivité vasculaire, dysfonction endothéliale, hypocontractilité myocardique, œdème pulmonaire lésionnel, cytolyse hépatique, insuffisance rénale, translocation bactérienne, déplétion énergétique cellulaire (pour revue, voir¹⁰). Il apparaît donc bien que, chez les rongeurs, la surproduction trop importante de NO liée à l'expression massive et généralisée de la iNOS contribue de façon importante aux effets délétères de l'endotoxémie. Dans d'autres espèces animales, où, nous l'avons vu, l'exposition au LPS modifie de manière moins marquée le métabolisme du NO, l'emploi des inhibiteurs sélectifs de la iNOS a donné des effets beaucoup plus variables.¹⁰

Inhibiteurs de la NOS dans les modèles infectieux de sepsis

Les modèles expérimentaux de sepsis impliquant une invasion par des bactéries vivantes sont potentiellement plus pertinents cliniquement que les modèles endotoxémiques. Il convient donc d'accorder une importance particulière aux études qui les ont employés, et notamment à celles qui ont comporté un suivi prolongé. Il est intéressant de noter que de tels travaux représentent largement moins de 20% de la totalité des publications originales consacrées à l'emploi des inhibiteurs de la NOS dans le sepsis expérimental.¹⁰

De manière générale, les résultats ont été assez discordants. Par exemple, l'effet protecteur d'un traitement de L-NMMA administré 7 heures après une inoculation intrapéritonéale par E. coli chez la souris, rapporté par Teale et Atkinson en 1992,⁴⁹ n'a pu être reproduit.⁵⁰ Chez un petit nombre de babouins (huit par groupe), le temps de survie après l'injection i.v. d'une dose léthale de E. coli a été plus que doublé par un traitement continu de L-NMMA débuté douze heures après l'infection.⁵¹ Dans l'essai animal qui à notre avis représente la meilleure imitation d'une véritable situation clinique, des chiens ont été rendus septiques par l'implantation intrapéritonéale de caillots de fibrine infectés par E. coli.⁵² Une perfusion continue de L-NMMA (trois doses possibles), d'adrénaline, ou d'une combinaison de ces deux agents, a été administrée de la sixième à la trentième heure postinfection. Tous les animaux ont reçu en plus des antibiotiques et une expansion volémique. La mortalité était de 50% environ à 28 jours et n'a pas été influencée par l'inhibiteur de la NOS, quelle qu'en soit la dose.

Quelques travaux fournissent une information sur les raisons possibles de ces discordances. Chez des rats rendus septiques par CLP, Okamoto et coll. ont méticuleusement investigué les effets sur la survie d'un inhibiteur extrêmement sélectif et puissant de la iNOS (ONO-1714), en fonction de la dose et du moment où le traitement était débuté. De manière très frappante, une dose qui était protectrice lorsque administrée à partir de la douzième heure post-CLP se révélait délétère si le traitement commençait plus tôt (sixième heure).²³ Cette observation est compatible avec l'hypothèse énoncée plus haut d'un mélange d'effets protecteurs et délétères du NO variant dynamiquement au cours de l'évolution de l'état septique.

A cet égard, le rôle du NO dans les défenses anti-infectieuses est une considération importante. Dans le modèle de CLP chez la souris, la survie dépend d'abord de la capacité des polynucléaires neutrophiles à migrer vers le foyer d'infection, puis de leur capacité bactéricide. Benjamim et coll. ont rapporté que dans ces conditions, l'administration préventive d'aminoguaninidine (inhibiteur sélectif de la iNOS) stimulait le recrutement local de neutrophiles, en bloquant l'effet inhibiteur du NO sur la transmigration leucocytaire.⁵³ La survie des animaux en était améliorée. En revanche, le même traitement appliqué deux heures après plutôt que trente minutes avant le début de l'infection accroissait la mortalité en interférant avec la fonction bactéricide des neutrophiles.

Etudes cliniques

Les toutes premières études animales mentionnées plus haut ont été rapidement suivies par la publication de cas cliniques de choc septique réfractaire où l'administration de L-NMMA ou de L-NAME a permis de faire remonter la pression artérielle et de réduire les besoins en agents vasopresseurs adrénergiques.^54,55 En 1994, ces observations ont été confirmées par une petite étude qui comportait deux groupes de patients septiques traités durant quelques heures, l'un par placebo et l'autre par une perfusion continue de L-NMMA.⁵⁶ En comparaison avec le placebo, la L-NMMA augmentait de manière soutenue les résistances vasculaires systémiques, en abaissant de 30% le débit cardiaque. Plusieurs petites séries non contrôlées ont par la suite rapporté des résultats similaires (pour revue, voir¹⁰). La chute du débit cardiaque entraînée par les inhibiteurs de la NOS n'aggravait pas de manière évidente les troubles de l'oxygénation tissulaire, mais il faut garder à l'esprit les importantes limitations des indices d'oxygénation utilisables en clinique pour l'évaluer.

Un grand essai clinique contrôlé par placebo et randomisé, sponsorisé par Glaxo-Wellcome, a eu lieu à la fin des années 90, mais n'est pas encore publié. Le plan expérimental autorisait une titration de la perfusion continue de L-NMMA jusqu'à 20 mg/kg/h, et l'usage de dobutamine, avec pour objectif de maintenir un index cardiaque supérieur à 3 L/min/m². Une analyse intérimaire conduite après inclusion de presque 800 patients a conduit à l'interruption de l'étude pour cause de surmortalité dans le groupe recevant l'inhibiteur de la NOS.⁵⁷

Conclusion

S'il est hors de doute que les inhibiteurs de la NOS permettent d'augmenter la pression artérielle dans le choc septique réfractaire, cela ne suffit pas pour en faire des agents thérapeutiques utilisables en clinique. Certes, la surproduction de NO induite par le sepsis peut se révéler délétère, que ce soit en participant à la vasoplégie ou plus généralement en exerçant des actions cytotoxiques. Cependant, l'énorme diversité des effets du NO dans ces conditions doit être prise en compte. Comme schématisé dans la figure 2, le sepsis sévère et le choc septique sont des conditions hétérogènes. A chaque instant, l'état du patient est déterminé par l'interaction des effets protecteurs du NO, des effets délétères du NO, et des effets indépendants du NO. Leur importance relative varie d'un patient à l'autre, et chez le même patient d'un instant ou d'un organe à l'autre. Les moyens d'investigation actuellement disponibles ne permettent aucunement au clinicien de s'orienter dans ce dédale. Tant que cet état de chose durera, l'usage d'inhibiteurs de la NOS dans le traitement du sepsis sévère et du choc septique devra être découragé.