Le glutathion peut-il être utilisé dans l'élevage de porcs ?

 Le glutathion est un composé tripeptidique formé par la condensation de la cystéine, de l'acide glutamique et de la glycine, qui a été découvert en 1888 par le scientifique français Rey-Pailhade dans un extrait éthanolique de levure de boulangerie. En 1921, on a découvert qu'il contenait à la fois de l'acide glutamique et de la cystéine, ce qui lui a valu le nom de "glutathion"[1]. En 1921, on a découvert que le glutathion contenait de l'acide glutamique et de la cystéine, d'où son nom de "glutathion". Actuellement, le glutathion est largement utilisé dans l'alimentation, la médecine, les nutraceutiques et les cosmétiques. Cependant, les études sur l'utilisation du glutathion en tant qu'additif alimentaire sont moins nombreuses, mais le glutathion peut favoriser l'élevage sain des animaux, ce qui est bénéfique pour l'amélioration de la qualité de la viande et de la sécurité alimentaire, et offre de bonnes perspectives de marché[2] . Cet article passe en revue la méthode de production, la fonction physiologique et l'application du glutathion dans la production porcine, dans le but de fournir une base théorique et une référence pratique pour l'application rationnelle du glutathion dans la production porcine.

 

1 Aperçu du glutathion

En tant que thiol non protéique le plus abondant, le glutathion est présent dans tous les tissus des mammifères, la majorité du glutathion (80-85%) se trouvant dans la matrice cytoplasmique, 10%-15% dans les mitochondries et une petite proportion dans le réticulum endoplasmique [3]. Dans les conditions physiologiques, la majorité du glutathion est sous forme réduite (GSH) et représente 98 % du glutathion total, mais plusieurs autres formes de glutathion sont présentes dans les cellules, les tissus et le plasma. Dans l'organisme, le GSH peut être oxydé en GSSG par la glutathion peroxydase (GSH-Px), tandis que la glutathion réductase maintient la stabilité du glutathion intracellulaire en convertissant le GSSG en GSH à l'aide du coenzyme II réduit [4]. Outre le GSSG, le GSH peut être converti en d'autres formes de mélanges disulfures tels que le GS-S-CoA avec le coenzyme A, le GS-S-Cys avec la cystéine et le GS-S-protéine avec la protéine [5].

 

La synthèse du GSH se fait en deux étapes : la première est le couplage de la glutamate cystéine ligase (GCL) avec l'ATP, par lequel une liaison amide est formée entre le groupe γ-carboxylique du glutamate et le groupe amino de la cystéine, ce qui donne la γ-glutamylcystéine ; la deuxième étape est la condensation peptidique de la glycine et de la γ-glutamylcystéine pour produire un composé tripeptidique, catalysée par l'hydropyrolyse de la GSH synthétase (GS) en association avec l'ATP [2], la GS étant constituée de deux sous-unités identiques qui ne souffrent pas de l'inhibition du GSH par rétroaction [3]. La deuxième étape est la condensation de la glycine et de la γ-glutamylcystéine par des liaisons peptidiques pour former un composé tripeptidique, dans lequel la GS est constituée de deux sous-unités identiques et n'est pas inhibée par la rétroaction du GSH.

 

Actuellement, le glutathion et le GSH sont souvent mesurés par chromatographie liquide à haute performance (HPLC). Les composés thiols sont d'abord modifiés par l'ajout d'iodoacétate, puis les groupes aminés sur les composés 1-fluorés sont modifiés avec du 4-diaminobenzène pour isoler un certain nombre de composés, qui sont ensuite identifiés comme GSSG et GSH par leur mouvement sur l'HPLC [6].

Le glutathion est produit industriellement par diverses méthodes, dont l'extraction, la synthèse chimique, la biofermentation et les enzymes. L'extraction consiste à ajouter des solvants appropriés aux tissus végétaux et animaux ou à la levure, puis à les séparer et à les affiner.

La synthèse chimique est un processus bien établi qui implique la synthèse de trois matières premières : l'acide glutamique, la cystéine et la glycine. La fermentation est la conversion d'hydrates de carbone en glutathion en utilisant les métabolites de micro-organismes spécifiques. La synthèse enzymatique implique généralement la synthèse du glutathion dans les organismes en utilisant la GS pour catalyser la synthèse de substrats tels que la glycine, le L-glutamate et la L-cystéine avec l'ajout d'une quantité appropriée d'ATP [7].

 

2 Fonctions physiologiques du glutathion

Le glutathion est le thiol de faible poids moléculaire le plus répandu et le plus important dans les tissus des mammifères. Il remplit diverses fonctions biologiques telles que celles d'antioxydant, de détoxification, de régulation de la prolifération cellulaire et de l'apoptose, de régulation de la signalisation cellulaire dépendante de l'oxydoréduction et de participation au cycle γ-glutamyl en tant que source continue de cystéine. Une carence en glutathion dans les tissus entraîne l'oxydation des cellules, le vieillissement, le déclin, la maladie ou la mort. Par conséquent, le maintien de niveaux normaux de glutathion dans les tissus est bénéfique pour la prévention des maladies, le maintien de la santé et la prévention du vieillissement et des dommages biologiques.

 

2.1 Effets antioxydants  

La fonction antioxydante du glutathion est principalement assurée par la réaction GSH-Px. Les mitochondries sont le principal site des espèces réactives de l'oxygène (O2-, H2O2, OH∙, etc.), et un excès d'espèces réactives de l'oxygène bloque la synthèse énergétique mitochondriale, tandis que la peroxydation lipidique provoque des dommages oxydatifs mitochondriaux [12]. Le GSH est oxydé en GSSG par la GSH-Px lors de la détoxification de H2O2 ou d'hydroperoxydes organiques afin de réduire la formation de H2O2 et de peroxydes lipidiques dans l'organisme [13]. Cela permet de réduire la formation de H2O2 et de peroxydes lipidiques dans l'organisme et de protéger l'intégrité de la membrane cellulaire. Inversement, le GSSG est réduit en GSH par la GSSG réductase, formant un cycle d'oxydoréduction [13]. Par conséquent, le glutathion est particulièrement important pour les mitochondries dans la défense contre le stress oxydatif dans des conditions physiologiques et pathologiques.

 

Le GSH a une grande capacité à donner des électrons, et sa concentration élevée dans la cellule maintient un environnement cellulaire normal. Le GSH est moins sensible à l'oxydation que la cystéine, ce qui le rend plus apte à maintenir le potentiel redox intracellulaire.5 Degroote et al.[14] ont montré que l'état redox du glutathion était amélioré lorsque le rapport GSH/GSSG augmentait dans les érythrocytes, la muqueuse de l'intestin grêle et le tissu hépatique des porcelets sevrés. Par conséquent, le GSH est un antioxydant très important dans l'organisme qui protège les protéines, l'ADN et d'autres biomolécules des dommages oxydatifs.

 

Le GSH interagit également avec d'autres antioxydants non enzymatiques tels que la vitamine E et la vitamine C. La vitamine E réduit les radicaux hydroxyles lipidiques et les peroxydes lipidiques produits par les acides gras polyinsaturés, qui sont réduits en vitamine E par la vitamine C, le GSH et le sélénium. La vitamine C est un agent réducteur puissant qui élimine la toxicité des radicaux libres en les réduisant et qui aide à piéger les radicaux libres produits par la vitamine E ou le GSH et réduit les radicaux libres liés à la vitamine E et au GSH [15]. Les radicaux libres liés à la vitamine E et au GSH [15].

2.2 Désintoxication

Le GSH se lie aux réactifs électrophiles exogènes (par exemple, l'acide 4-hydroxynonénoïque), aux toxines, aux métabolites nocifs ou aux carcinogènes potentiels par l'intermédiaire des glutathion-s-transférases (GST) pour former des dérivés plus solubles et non toxiques, qui sont sécrétés par la cellule à des fins de désintoxication. Le GSH peut également être utilisé comme cofacteur avec la glyoxalase I (Glx-I) et la glyoxalase II (Glx-II) pour former le système glyoxalase, dans lequel l'intermédiaire s-d-lactoylglutathione catalyse la conversion du méthylglyoxal (MG) en acide d-lactique avec la participation du GSH, éliminant ainsi l'α-oxoformaldéhyde (α-O), tel que le MG, de la cellule, et empêchant ainsi l'éthylation médiée par l'α-O-oxoformaldéhyde et évitant la formation de l'α-O-oxoformaldéhyde pour prévenir les dommages cellulaires qu'il provoque. Lorsque Glx-II catalyse l'hydrolyse du s-d-lactoyl glutathion en acide d-lactique, le GSH épuisé peut être restauré [17]. Le GSH peut également se lier aux métaux lourds présents dans l'organisme et les excréter directement. Tokumoto et al [18] ont montré que les gènes du GSH et de la métallothionéine agissent en synergie pour détoxifier les lésions rénales graves induites par le mercure inorganique. Dong Guifang et al [19] ont constaté que l'ajout d'une quantité appropriée de GSH dans les aliments peut atténuer efficacement la toxicité des microcystines dans les aliments pour Pelteobagrus fulvidraco, mais qu'il peut inhiber la croissance des poissons après le dépassement d'une certaine dose. En outre, le GSH peut jouer un rôle dans la phagocytose des leucocytes et la production d'anticorps, ce qui constitue l'un des médicaments antiviraux efficaces.

 

2.3 Favoriser l'absorption et l'utilisation des nutriments  

Le GSH est impliqué dans les cycles métaboliques intracellulaires, tels que le cycle γ-glutamyl, qui est impliqué dans l'absorption des acides aminés pendant l'absorption et le transport des acides aminés dans les cellules de l'intestin grêle [16], et joue donc un rôle important dans le transport transmembranaire des acides aminés.Le GSH se couple avec le monoxyde d'azote (NO) pour former le s-nitrosoglutathion, qui peut être clivé par le système de thiorédoxine pour libérer le GSH et le NO, et le NO endogène est médié par le GSH intracellulaire pour remplir son rôle de ciblage [18]. Le s-nitro glutathion peut être clivé par le système de thiorédoxine pour libérer du GSH et du NO, et le NO endogène est médié par le GSH intracellulaire pour remplir son rôle de ciblage [18]. En outre, le NO et le GSH sont des substances importantes pour le maintien des fonctions physiologiques normales du foie. Le foie peut stocker et produire du glucose, il est également l'organe central du métabolisme des lipides et le site du catabolisme des acides aminés. Le NO et le GSH jouent un rôle clé dans la régulation de l'utilisation des lipides, du glucose et des acides aminés en maintenant les fonctions physiologiques du foie.

 

2.4 Régulation de la prolifération cellulaire et de l'apoptose

La prolifération de nombreuses cellules normales et malignes est liée aux niveaux de glutathion, et le maintien de niveaux normaux de glutathion dans l'organisme est essentiel pour la progression ordonnée du cycle cellulaire et l'entrée des cellules en phase S [20]. Le glutathion affecte les membres de la chaîne de transduction du signal impliqués dans la prolifération cellulaire par le biais de la S-glutathionylation et contribue au maintien des niveaux de glutathion ou de thiorédoxine dans la synthèse de l'ADN, ce qui est nécessaire au maintien de l'activité enzymatique limitant la vitesse de la ribonucléotide réductase. En outre, l'état d'oxydation du glutathion réduit affecte l'expression et l'activité de nombreux gènes clés impliqués dans les activités du cycle cellulaire [21] . Le glutathion régule également la mort cellulaire, car la signalisation apoptotique se produit lorsque les niveaux de glutathion tombent en dessous d'un seuil, ce qui active les récepteurs de la mort ou déclenche la signalisation apoptotique mitochondriale ; inversement, des niveaux accrus de glutathion fournissent des défenses cellulaires contre l'apoptose induite [22] . Le glutathion affecte les voies de la mort cellulaire en régulant les niveaux d'espèces réactives de l'oxygène (ROS) mitochondriales. Une grave carence en glutathion mitochondrial entraîne une augmentation des niveaux de ROS et d'espèces réactives de l'azote (RNS), ce qui provoque un dysfonctionnement mitochondrial et une carence en ATP, qui transforme l'apoptose normale en nécroptose [3]. Thompson et al. (23) ont montré qu'une augmentation des cystéine ligases glutamatergiques induisait une augmentation de la biosynthèse du glutathion [24]. Thompson et al [23] ont constaté qu'une augmentation de la glutamate-cystéine ligase induisait une augmentation de la biosynthèse du glutathion et inhibait ainsi l'apoptose induite par l'arséniate trivalent.

 

2.5 Renforcement de l'immunité Les neutrophiles sont des cellules phagocytaires qui font partie du système immunitaire inné. Le glutathion renforce la fonction des cellules tueuses naturelles et des neutrophiles pour prévenir l'infection des macrophages par Mycobacterium tuberculosis [24] . En outre, les niveaux intracellulaires de glutathion sont essentiels à l'établissement de la réponse immunitaire TH1, et des niveaux normaux de glutathion favorisent une bonne production de cytokines pour prévenir l'infection par Mycobacterium tuberculosis [21]. Par conséquent, la supplémentation en glutathion peut augmenter la capacité des macrophages à tuer M. tuberculosis intracellulaire. Le glutathion pourrait également jouer un rôle important dans la maturation des cellules dendritiques, car une diminution du glutathion entraîne une diminution de l'interleukine 12 [25], qui est nécessaire à la maturation des cellules dendritiques. Les cellules dendritiques sont considérées comme le pont entre les systèmes immunitaires inné et adaptatif [24], et les cellules dendritiques matures sont capables d'initier la réponse immunitaire initiale des cellules T et adaptative.

 

En outre, l'ajout exogène de glutathion est bénéfique pour l'organisme afin de lutter contre les infections virales ou d'atténuer les symptômes de l'infection. Lorsque le niveau de glutathion est réduit chez les animaux de laboratoire, ceux-ci sont plus sensibles à l'infection par le virus de l'herpès simplex de type I (HSV-I), le virus de Sendai, le VIH et le virus de la grippe A [26]. Palamara et al [27] ont montré qu'une forte dose de glutathion chez des souris infectées par le complexe rétroviral LPBM5 était efficace pour atténuer les symptômes de la maladie et réduire la quantité d'ADN viral dans les tissus et les organes. Amatore et al [28] ont constaté que l'utilisation de dérivés du n-butyryl glutathion augmentait les niveaux intracellulaires de glutathion, produisait des réponses immunitaires cellulaires et d'immunoglobuline A, et diminuait les titres de virus pulmonaires chez les souris âgées. En outre, Min et al[29] ont constaté que l'ajout de 300 mg/kg de vitamine C, de 200 mg/kg de vitamine E ou d'une combinaison des deux pouvait améliorer les fonctions antioxydantes et immunitaires des poulets en augmentant l'expression génétique de la GSH-Px.

 

3 Le glutathion dans la production porcine

3.1 Effet du glutathion sur les performances de reproduction des porcs

3.1.1 Effet du glutathion sur la conservation du sperme de verrat  

Pendant le stockage, le sperme est souvent attaqué par des radicaux libres oxydants, ce qui entraîne des dommages oxydatifs et une réduction de la mobilité des spermatozoïdes. L'augmentation de la teneur en GSH dans les mitochondries des spermatozoïdes peut améliorer l'intégrité de l'acrosome des spermatozoïdes, augmenter la viabilité des spermatozoïdes et réduire la mortalité des spermatozoïdes [30]. Yan ZY et al [31] ont constaté que l'ajout de 1 mmol/L de GSH au sperme de porc pouvait atténuer les dommages causés par la peroxydation lipidique de la membrane plasmique des spermatozoïdes et augmenter la viabilité des spermatozoïdes, prolongeant ainsi la durée de conservation du sperme et améliorant l'effet de conservation du sperme de porc. L'ajout de glutathion au sperme congelé peut améliorer l'intégrité de l'acrosome des spermatozoïdes en épuisant l'oxygène réactif, protégeant ainsi la qualité et la viabilité des spermatozoïdes [32]. Les antioxydants GSH et acide L-ascorbique sont plus efficaces pour la conservation des spermatozoïdes lorsqu'ils sont combinés dans un milieu de congélation-décongélation [33]. Dans une étude réalisée par Li Bolin et al [34], l'ajout de 1 mmol/L et de 5 mmol/L de GSH a amélioré de manière significative l'intégrité des acrosomes des spermatozoïdes congelés, et les effets des deux concentrations étaient similaires. Bien que le GSH puisse réduire la teneur en espèces réactives de l'oxygène dans les spermatozoïdes congelés, une concentration trop élevée de GSH réduira la qualité des spermatozoïdes, de sorte que l'ajout de GSH ne doit pas être trop élevé. En outre, la mélatonine a un effet synergique significatif avec le GSH, et l'efficacité antioxydante du GSH peut être améliorée lorsque le GSH et la mélatonine sont ajoutés au sperme [2].

 

3.1.2 Effet du glutathion sur le développement folliculaire des truies  

Le glutathion est présent à la fois dans les spermatozoïdes et les ovocytes et joue un rôle important dans le maintien de la fécondation des ovocytes et le développement embryonnaire précoce [35]. Dans les ovocytes, le rôle principal du glutathion est de protéger les ovocytes en participant à l'activité antioxydante et en résistant à la toxicité des radicaux réactifs de l'oxygène (ROR).Li et al.[36] ont constaté que l'ajout de GSH ou de cystéine au milieu de culture augmentait le clivage des ovocytes et la formation de blastocystes, et diminuait les ROR et l'indice apoptotique des ovocytes, améliorant ainsi la capacité de développement des embryons.Yoshida et al.[37] ont constaté que l'ajout de cystéine au milieu de culture des ovocytes augmentait le clivage et la formation de blastocystes, et diminuait les ROR et l'indice apoptotique des ovocytes. [L'ajout de cystéine au milieu de culture a permis d'augmenter de manière significative la concentration de GSH dans les ovocytes matures in vitro, et le GSH a également favorisé la formation de cellules procaryotes mâles. Lorsque le GSH est présent en quantité suffisante dans les ovocytes, il peut accélérer le processus de déconcentration des spermatozoïdes et, en même temps, activer les ovocytes, ce qui facilite la transformation des têtes de spermatozoïdes en noyaux pré-mâles et améliore la capacité des ovocytes de porc à former des noyaux procaryotes mâles après la pénétration des spermatozoïdes. La capacité des ovocytes de porc à former des procaryotes mâles après la pénétration des spermatozoïdes est améliorée.

En outre, le GSH a un effet protecteur sur les ovocytes exposés au cadmium, un métal lourd toxique qui provoque des hémorragies ovariennes, une nécrose testiculaire et un retard d'implantation. Le cadmium est un métal lourd toxique qui provoque des hémorragies ovariennes, des nécroses testiculaires et un retard d'implantation des embryons. Le GSH protège la structure du fuseau/chromosome des ovocytes exposés au cadmium, rétablit les défauts d'assemblage du fuseau induits par le cadmium, améliore la maturation du noyau, rétablit la distribution des mitochondries, des granules corticaux et des protéases de l'ovastacine, et améliore la fécondation des ovocytes exposés au cadmium. Il améliore également la maturation du noyau de l'ovocyte et restaure la distribution des mitochondries, des granules corticaux et des protéases de l'ovastacine dans les ovocytes exposés au cadmium. En conclusion, le GSH peut protéger les ovocytes exposés au cadmium de l'échec méiotique causé par des perturbations de la maturation nucléaire et cytoplasmique, améliorant ainsi la qualité des ovocytes et la fertilité [38].

 

3.2 Effet du glutathion sur les performances de croissance des porcelets sevrés  

L'ajout de GSH à l'alimentation des porcelets a amélioré de manière significative la peau et la couleur de la peau, les performances de croissance et la morphologie de la muqueuse intestinale, tout en augmentant la capacité antioxydante du muscle des porcelets [39]. Liu Pingxiang [40] a montré que l'ajout de 50 à 200 mg/kg de GSH pouvait augmenter la compensation alimentaire, le gain de poids quotidien moyen et l'expression du facteur de croissance analogue à l'insuline I dans le sang, le foie et le muscle des porcelets sevrés, et inhiber son expression dans les tissus adipeux, de manière à favoriser la croissance des porcelets. Luo Bin et al [41] ont constaté que l'ajout de 0,5 % de poudre de levure de glutathion à l'alimentation des porcelets pouvait augmenter la teneur en glutathion de leur corps et accroître la digestibilité apparente des protéines brutes dans l'alimentation. Zhang Yantao et al [42] ont constaté que l'ajout de GSH à l'alimentation des porcelets sevrés à l'âge de 28 jours augmentait de manière significative l'activité sérique de la GSH-Px et les niveaux d'IgG. Degroote et al [43] ont montré que le système GSH hépatique était impliqué dans l'élimination des peroxydes luminaux et constituait le facteur dominant dans la régulation de la fonction de barrière intestinale des porcelets sevrés soumis à un stress oxydatif. Il a également été démontré que le GSH intracellulaire, catalysé par les GST et le GSH-Px, joue un rôle important dans la régulation de l'homéostasie et de la défense antioxydante dans l'organisme, et que les porcelets ayant des niveaux sanguins plus élevés de GSH-Px à la naissance sont plus résistants aux maladies infectieuses [44].

 

3.3 Effet du glutathion sur les porcs d'engraissement

3.3.1 Le glutathion améliore la qualité de la viande de porc Le GSH peut inhiber la dégradation des acides nucléiques dans la viande et les fruits de mer, rehausser la saveur des aliments et prolonger leur durée de conservation, et améliorer la qualité de la viande telle que la teneur en eau, la tendreté, la couleur et la saveur du muscle en réduisant les dommages causés à la structure cellulaire par la réaction en chaîne des radicaux libres et le degré d'oxydation de la myoglobine [32]. Hernández et al. (45) ont constaté que les échantillons de viande de porc présentant des activités catalase et GSH-Px plus élevées étaient moins sensibles à l'oxydation des lipides. Hernández et al [45] ont constaté que les échantillons de viande de porc présentant des activités catalase et GSH-Px plus élevées étaient moins sensibles à l'oxydation des lipides et que l'augmentation de l'oxydation des lipides dans la viande salée pouvait être due à une diminution de l'activité GSH-Px, de sorte que l'augmentation de l'activité GSH-Px dans la viande de porc serait bénéfique pour l'amélioration de la qualité de la viande.

3.3.2 Le glutathion améliore les performances des porcs d'engraissement Le glutathion en tant qu'additif alimentaire pour les porcs d'engraissement peut améliorer leurs performances de croissance et réduire les coûts de production. Zheng Mengqi et al [46] ont constaté que l'ajout de 10, 20 et 30 mg/kg de glutathion à l'alimentation des porcs d'engraissement augmentait de manière significative le gain de poids quotidien, l'indice de consommation et la maigreur de la carcasse, la croissance des porcs d'engraissement, l'efficacité de la production et les coûts de production par rapport au groupe témoin. Liu Pingxiang et al [47] ont constaté que 6,515×10-4 mol/L de GSH agissait directement sur des cellules adénopituitaires isolées pour promouvoir la sécrétion de l'hormone de croissance, mais qu'une dose élevée de 6,515×10-3 mol/L de GSH inhibait la sécrétion de l'hormone de croissance.

 

4 Résumé

En résumé, le glutathion joue un rôle positif dans la défense antioxydante, le métabolisme nutritionnel et la régulation de l'homéostasie systémique dans le corps animal, mais peu d'études ont été menées sur son mécanisme d'action et sa régulation. Par ailleurs, en raison de la complexité de la méthode de production et du prix élevé du glutathion, peu d'études ont été menées sur l'application du glutathion dans la production porcine. Cependant, en raison de ses fonctions physiologiques précises, le glutathion attire de plus en plus l'attention et peut être étudié sous différents angles, tels que les performances d'élevage, la résistance au stress des porcelets sevrés et l'amélioration de la qualité du porc d'engraissement, etc. Il est particulièrement important d'explorer les effets régulateurs du glutathion sur le corps de l'animal aux niveaux cellulaire et moléculaire, afin de fournir une base théorique et des références pratiques pour l'application étendue du glutathion dans l'industrie de l'élevage de porcs.

 

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Le glutathion a-t-il un effet sur les lésions cérébrales des prématurés ?

 Avec le développement continu de la technologie des soins intensifs néonatals, le taux de survie des prématurés, en particulier des nourrissons de très faible poids à la naissance, a considérablement augmenté. L'incidence des lésions cérébrales chez les prématurés a également augmenté et, en tant que cause majeure du développement neurologique à long terme chez les prématurés, elles sont principalement dues à l'hypoxie-ischémie, à l'infection, à l'hypoglycémie, à la ventilation mécanique et à l'hyperbilirubinémie[1] . 

Les mécanismes des lésions cérébrales chez les prématurés comprennent les lésions excitotoxiques et les lésions dues aux radicaux libres, qui comprennent les espèces réactives de l'oxygène (anion superoxyde, radical hydroxyle, peroxyde d'hydrogène, etc.) et les espèces réactives de l'azote (oxyde nitrique et ses dérivés). Lorsque la production de radicaux libres augmente, la réserve d'antioxydants s'épuise rapidement et les protéines cytosoliques, les lipides et l'ADN sont oxydés, ce qui entraîne une série de réactions physiologiques et pathologiques, c'est-à-dire un stress oxydatif. Les prématurés sont particulièrement sensibles au stress oxydatif, qui entraîne souvent de graves lésions cérébrales. Afin de résister au stress oxydatif, l'organisme a formé une série de barrières de défense au cours de l'évolution. Parmi ces barrières, le glutathion élimine les radicaux libres de l'oxygène dans des conditions normales et peut agir comme antioxydant en réagissant directement avec les métabolites toxiques ou en réduisant le peroxyde d'hydrogène en eau et en oxygène grâce à l'action d'enzymes apparentées[2] . En outre, le glutathion agit comme une protéine liant les métaux pour maintenir l'homéostasie de l'environnement intracellulaire et le métabolisme cellulaire normal[3] . Les effets de la synthèse et du métabolisme du glutathion sur les lésions cérébrales chez les prématurés sont passés en revue.

 

1 Principales enzymes impliquées dans la synthèse et le métabolisme du glutathion

Plusieurs enzymes clés sont impliquées dans la synthèse et le métabolisme du glutathion. Le transporteur glutamate/cystine (xCT) dans la membrane cellulaire transporte la cystine dans la cellule pour la synthèse du glutathion et des protéines contenant de la cystéine. À l'intérieur de la cellule, la glutamate-cystéine ligase (GCL) absorbe la cystine pour synthétiser le glutathion et maintenir la capacité antioxydante de la cellule. L'enzyme glutathion peroxydase oxyde le glutathion en glutathion oxydé, qui est réduit en eau par l'hydrogène peroxydase. Le glutathion oxydé est réduit en eau par la catalase, tandis que le glutathion est à nouveau réduit en glutathion par la coenzyme/II quinone oxydoréductase réduite 1. Cette synthèse et ce métabolisme du glutathion constituent l'une des fonctions importantes de la barrière antioxydante de l'organisme.

 

La fonction importante de la xCT dans la synthèse du glutathion est de transférer la cystine extracellulaire dans la cellule pour la synthèse du glutathion et de transférer le glutamate intracellulaire hors de la cellule pour la signalisation des neurotransmetteurs. En outre, la xCT joue un rôle important dans le développement des cellules neuronales, et les astrocytes partiellement inactivés par la xCT perdent leur capacité à proliférer in vitro. Les neurones immatures et les cellules précurseurs d'oligodendrocytes cultivés in vitro expriment des niveaux de xCT significativement plus faibles que les cellules matures, ce qui suggère que les cellules neuronales immatures sont plus sensibles aux dommages que les cellules neuronales matures [4]. L'expression de la xCT sur les cellules neuronales varie considérablement.

 

Des études ont montré que la sous-unité catalytique de la xCT dans les cellules neuronales de souris est exprimée dans les neurones, les oligodendrocytes et les microglies, mais pas dans les astrocytes, et que l'inhibition de l'expression de la xCT entraîne une déplétion en glutathion, une dégénérescence neuronale et une démyélinisation, ainsi qu'une perturbation de l'homéostasie cellulaire [5]. Une autre étude a montré que la xCT de souris est principalement exprimée sur les astrocytes, mais pas sur les neurones, et que la régulation à la hausse de l'expression de la xCT sur la membrane cellulaire peut favoriser l'absorption de la cystine par les astrocytes, ce qui peut augmenter la production de glutathion, rendant ainsi les cellules neuronales périphériques résistantes au stress oxydatif[6]. La microglie traitée à l'arsenic inhibe de manière compétitive la xCT, provoquant un déséquilibre cystine/glutamate extracellulaire, c'est-à-dire une diminution de la cystine et une augmentation du glutamate dans la solution de culture, ce qui entraîne la mort des cellules neuronales immatures périphériques, et la supplémentation en N-acétylcystéine améliore la survie des neurones [7]. Les données ci-dessus suggèrent que le xCT joue un rôle important dans la prolifération cellulaire, le maintien de l'homéostasie et la promotion de la protection des cellules neuronales.

 

La GCL est l'enzyme limitant la vitesse de synthèse du glutathion, composée d'une sous-unité catalytique et d'une sous-unité régulatrice, par laquelle le glutathion est synthétisé à partir de l'absorption de cystine pour maintenir la capacité antioxydante cellulaire, qui est neuroprotectrice [8]. La quantité de glutathion synthétisée par l'enzyme est contrôlée par un certain nombre de facteurs, notamment le niveau de GCL, le ratio des deux sous-unités, le substrat de la synthèse du glutathion, la L-cystine, et l'inhibition de la GCL par la rétroaction négative du niveau intracellulaire de glutathion[9] . Dans des études animales, l'inhibition de l'expression du gène de la GCL chez le rat a entraîné une altération de l'homéostasie du glutathion mitochondrial, un dysfonctionnement mitochondrial et une réduction des cellules neuronales[10] . L'absence de GCL dans les cellules neuronales entraîne une réduction significative de la production de glutathion, ce qui accroît la sensibilité des cellules aux lésions hypoxiques [11]. Pehar et al. [12] ont constaté que l'élimination de la sous-unité régulatrice de la GCL dans les astrocytes de souris réduisait les niveaux totaux de glutathion de 80 %, ce qui entraînait une réduction de l'effet protecteur sur les neurones. Certaines études ont également montré que lorsque l'activité de la GCL continue à diminuer, les niveaux de glutathion continuent également à diminuer, mais le niveau de dommages oxydatifs de l'ADN est plus élevé ; la surexpression de la GCL peut augmenter de manière significative les niveaux de glutathion, inhiber les dommages oxydatifs de l'ADN et donc inhiber la migration et la croissance des cellules tumorales [13]. Il existe des polymorphismes dans le gène de la GCL qui affectent ses niveaux de transcription et d'expression, en particulier lorsque les cellules sont soumises à un stress oxydatif, les polymorphismes de ce gène peuvent être détectés. Lorsque les cellules sont soumises à un stress oxydatif, les polymorphismes de ce gène modifient l'homéostasie du glutathion intracellulaire, ce qui conduit finalement à la susceptibilité des cellules aux dommages causés par le stress oxydatif. Par conséquent, les inhibiteurs du glutathion sont couramment utilisés en laboratoire pour inhiber l'action de la GCL et réduire ainsi la synthèse du glutathion, et les knockouts de la GCL sont souvent utilisés dans les modèles animaux de déficience en glutathion. Les embryons de souris knock-out ne parviennent pas à maturité et souffrent d'une apoptose massive, mais l'ajout de glutathion ou de N-acétylcystéine au milieu de culture favorise le développement du bulbe embryonnaire.

 

2 Facteur de transcription nucléaire Lignée rouge 2 Les facteurs apparentés régulent le stress antioxydant

Le facteur nucléaire lié à l'érythroïde 2 (Nrf2) est un facteur de transcription à base de leucine-zinc qui agit comme un récepteur de substances toxiques exogènes et de stress oxydatif, et comme un régulateur central des réponses antioxydantes cellulaires. Il joue le rôle de médiateur dans l'initiation des protéines antioxydantes codées en aval et des enzymes de détoxification contre le stress oxydatif, qui est un important mécanisme de défense cellulaire.

 

Dans des conditions physiologiques normales, Nrf2 se lie à la protéine 1 associée à l'épichlorhydrine de type Kelch, qui l'inhibe, dans le cytoplasme de la cellule, de sorte que Nrf2 devient un substrat adaptatif pour l'ubiquitine ligase E3, qui favorise l'ubiquitination de Nrf2 et sa dégradation par le protéasome 26S. Lorsqu'il y a plus de radicaux libres et de substances toxiques, les substances électrophiles modifient les résidus cystéine de la protéine 1 associée à l'épichlorhydrine de type Kelch, provoquant un changement de conformation de la protéine 1 associée à l'épichlorhydrine de type Kelch, ce qui entraîne la dissociation de Nrf2 de la protéine 1 associée à l'épichlorhydrine de type Kelch, puis la stabilité de Nrf2 augmente et il est transféré au noyau pour se lier à l'élément de réponse antioxydant dans la région promotrice spécifique à l'antioxydant. Dans ce cas, la stabilité de Nrf2 augmente et il est transloqué dans le noyau où il se lie aux éléments de réponse antioxydants dans la région promotrice des gènes spécifiques aux antioxydants et initie l'expression des enzymes de détoxification et des gènes antioxydants. Il s'agit du mode le plus courant d'activation de Nrf2, connu sous le nom de voie de l'élément de réponse antioxydant Nrf2 ; en outre, Nrf2 peut être activé indirectement par phosphorylation par les voies de la protéine kinase activée par la schisplasmotrophie, de la protéine kinase C et de la phosphatidylinositol-3-kinase.

 

Nrf2 régule l'expression de nombreuses protéines cytoprotectrices, telles que xCT, GCL, l'hème oxydase, la glutathion peroxydase et la réductase indépendante CoA/II quinone oxydoréductase 1, qui sont impliquées dans la régulation de la synthèse et du métabolisme du glutathion, et peuvent bloquer efficacement la neurotoxicité due à une carence en glutathion et à une mauvaise utilisation du glutathion, et ainsi protéger l'organisme des effets des substances réactives et toxiques [14 ]. Cela peut protéger l'organisme des substances actives et de certaines substances toxiques[14] . Une expérience animale simulant des lésions cérébrales dues à l'ischémie, à l'hypoxie et à la réoxygénation a montré que l'inhibition de la dégradation de Nrf2 et le renforcement de son activité de liaison aux éléments réactifs antioxydants sont bénéfiques à la récupération des cellules neuronales cérébrales après une lésion par ischémie/reperfusion[15] . Lors d'un stress oxydatif, la tertiobutylhydroquinone, en tant qu'activateur de Nrf2, exerce sa fonction antioxydante en augmentant les niveaux de glutathion, en augmentant la stabilité de Nrf2 et en inhibant l'ubiquitination de la protéine 1 associée à l'épichlorhydrine de type Kelch afin de réduire l'apoptose neuronale [16-17]. En outre, il a été constaté que l'effet neuroprotecteur de la régulation à la hausse des niveaux de glutathion par le calcium est médié par Nrf-2, et que le knockdown du gène Nrf2 élimine cet effet protecteur [18]. En clinique, le dicarboxylate d'acide fumarique, activateur de Nrf2, a également un effet indirect sur le retardement de la mort neuronale en augmentant l'activité de Nrf2[19] . Nrf2 et ses activateurs ont également des effets neuroprotecteurs en régulant l'expression génétique de la xCT [20]. Cependant, la question de savoir si l'absence de xCT atténue l'effet neuroprotecteur induit par Nrf2 doit faire l'objet d'une étude plus approfondie.

 

On a découvert que les microARN (miARN) sont étroitement liés à Nrf2 et aux protéases antioxydantes [21-22]. Les miARN sont de petits ARN moléculaires endogènes, non codés, monocaténaires, de 21 à 25 nt chez les plantes et les animaux. Dans les cellules animales, la plupart des miARN empêchent la traduction post-traductionnelle en se liant à la région 3′ non traduite de l'ARN messager des gènes cibles, régulant ainsi l'expression des gènes. Dans un modèle de surexpression de miR-144, miR-144 a non seulement augmenté les radicaux libres de l'oxygène, diminué l'activité cellulaire, le glutathion et les enzymes antioxydantes dans les cellules de neuroblastome SH-SY5Y, mais a également diminué l'expression de la sous-unité catalytique de la GCL, de la sous-unité régulatrice de la GCL et de Nrf2 [21]. Certains chercheurs ont constaté que les niveaux d'expression des miR-27a, miR-28-3p et miR-34a étaient plus élevés dans les cellules ventriculaires gauches après un infarctus du myocarde que dans d'autres organes en utilisant une analyse quantitative en temps réel de la réaction en chaîne par polymérase, et que ces miARN augmentent le stress oxydatif en inhibant l'activité de Nrf2, ce qui conduit à l'insuffisance cardiaque [22]. Ces études suggèrent que les miARN peuvent réduire la capacité antioxydante des cellules en régulant négativement Nrf2. Certains chercheurs ont découvert que miR140-5p agit directement sur la région 3′ non traduite de Nrf2 et régule positivement l'expression de Nrf2, et que les niveaux de réductase/II quinone oxydoréductase 1 et d'hémoglobine oxydase sont également augmentés de manière significative, ce qui entraîne une amélioration significative de la capacité antioxydante cellulaire par l'établissement du phénotype de lésions rénales aiguës induites par le cisplatine chez la souris [23]. L'étude approfondie de la régulation du stress oxydatif par les miARN est susceptible de fournir une nouvelle approche thérapeutique pour le traitement des infections, des tumeurs et des maladies auto-immunes à l'avenir.

 

3 Rôle des astrocytes dans la barrière antioxydante

Les astrocytes jouent un rôle très important dans la lutte contre le stress oxydatif, et leur dysfonctionnement est une cause importante de lésions primaires et secondaires des neurones et autres cellules nerveuses [24]. Les astrocytes sont les cellules les plus nombreuses du cerveau humain, et différents degrés de lésions neurologiques activent les astrocytes, modifiant leur morphologie et l'expression de protéines fonctionnelles et affectant les cellules nerveuses périphériques, ce qui entraîne une cicatrisation gliale. Dans les premiers stades de la lésion neurologique, les astrocytes activés favorisent la survie des neurones de diverses manières, mais inhibent la régénération neuronale au fur et à mesure que la lésion progresse.

 

Un important mécanisme de protection des astrocytes en cas de lésion nerveuse est la synthèse du glutathion, qui élimine les produits toxiques (radicaux d'oxygène, fer, lipides oxydés, etc.) produits par la lésion, inhibant ainsi les dommages causés par le stress oxydatif[2] . Ce processus de détoxification nécessite des niveaux suffisants de glutathion dans les astrocytes et, dans certaines conditions, différents processus de détoxification peuvent interférer ou même entrer en compétition pour le glutathion ; une altération de la synthèse, du recyclage et de l'exportation du glutathion dans les astrocytes peut affecter la détoxification dépendante du glutathion, entraînant des dommages aux astrocytes et une réduction de la protection antioxydante d'autres cellules cérébrales [25]. Il a été démontré que lorsque des neurones étaient cultivés conjointement avec des astrocytes, le glutathion était multiplié par 1,5 et par 5 après 12 et 24 heures, respectivement, ce qui empêchait la croissance du glutathion dans les neurones et les astrocytes. Il a été démontré que le glutathion était multiplié par 1,5 et 5 à 12 et 24 heures, respectivement, lorsque les neurones étaient cocultivés avec des astrocytes, et qu'il pouvait bloquer la mort neuronale et les dommages induits par la roténone et le paraquat dans le cortex cérébral du fœtus de rat [26].

 

En outre, les astrocytes en coculture peuvent augmenter les niveaux de glutathion par la voie du récepteur de l'orexine-A 1/protéine kinase Cα/ signal extracellulaire-régulé kinase 1/2/transporteur de glutamate pour renforcer la résistance aux dommages hypoxiques et hypoglycémiques [27]. Il a également été démontré que la protéine kinase activée par la phosphoadénosine régule sélectivement l'expression de la sous-unité régulatrice de la GCL dans les astrocytes et favorise la synthèse du glutathion, protégeant ainsi les neurones [8]. L'effet cérébroprotecteur des astrocytes sur les nouveau-nés se manifeste également par leur absorption du glutamate, qui réduit la toxicité du glutamate sur l'excitabilité cérébrale néonatale, et par la synthèse de neurotransmetteurs par les astrocytes sous l'action de la pyruvate carboxylase, qui favorise le développement normal des neurones [28]. Il est clair que les astrocytes sont les principales cellules qui synthétisent le glutathion dans le cerveau et qu'ils jouent un rôle important dans la protection des cellules cérébrales environnantes. Cependant, il existe relativement peu d'études sur la régulation de la synthèse et du métabolisme du glutathion par les astrocytes immatures, sur leur réponse aux lésions et sur les mécanismes de neuroprotection, qui doivent être explorés plus avant.

 

4 Effet des niveaux de glutathion sur le cerveau des prématurés

Il n'y a pas de conclusion claire quant à savoir si les niveaux de glutathion dans le cerveau des prématurés diffèrent de ceux des enfants nés à terme ou des adultes. L'autopsie d'un large échantillon a montré que les niveaux de glutathion dans le cerveau des nouveau-nés étaient similaires à ceux des adultes plus âgés, mais qu'ils étaient plus élevés chez les adultes, probablement parce que les adultes sont soumis à un stress oxydatif plus important, ce qui maintient des niveaux plus élevés de glutathion.29 Dans une étude, le sang maternel à différentes semaines de gestation et le sang du cordon ombilical à la naissance ont été contrôlés pour les produits oxydatifs, le glutathion et d'autres facteurs de stress oxydatif. Dans une étude portant sur les produits oxydatifs et la glutathion peroxydase dans le sang maternel à différentes semaines de gestation et dans le sang du cordon ombilical à la naissance, les enzymes oxydatives et les enzymes antioxydantes étaient négativement corrélées, et l'on a émis l'hypothèse que le système antioxydant, dans lequel le glutathion est impliqué, assure le maintien de la grossesse[30] .

 

Chez les rats néonatals prématurés et endommagés, les niveaux de glutathion sont plus bas que chez les rats normaux nés à terme et l'apoptose est plus sévère [31]. Cela peut être dû au fait que le métabolisme du glutathion est influencé par un certain nombre d'enzymes métaboliques, et que de faibles niveaux de ces enzymes entraînent une synthèse immature du glutathion et une capacité limitée à maintenir un état réduit en réponse au stress oxydatif. Par conséquent, lorsque le cortex cérébral est soumis à une lésion hypoxique, la réserve de glutathion est considérablement réduite et les niveaux de glutathion oxydé et de peroxydes lipidiques dans le tissu cérébral sont élevés. L'administration de N-acétylcystéine (un précurseur de la synthèse du glutathion) à des porcs nouveau-nés réduit de manière significative les niveaux de médiateurs inflammatoires, d'interleukine-1β et de facteur nucléaire κB, et restaure la réserve de glutathion tissulaire, exerçant ainsi des effets neuroprotecteurs [32 ]. Les études susmentionnées ont montré que le niveau d'interleukine-1β et de facteur nucléaire κB dans le cortex cérébral des porcs adultes est plus élevé que celui des porcs adultes. Les études susmentionnées indiquent que le cerveau des porcelets prématurés est moins capable de synthétiser, de métaboliser et d'utiliser le glutathion que celui des individus matures, et que l'augmentation de l'activité des enzymes liées à la synthèse et au métabolisme du glutathion et l'apport de N-acétylcystéine peuvent améliorer le rôle du glutathion dans la lutte contre le stress oxydatif.

 

5 Résumé

Actuellement, de nombreux chercheurs nationaux et étrangers se sont consacrés à l'étude des mécanismes de développement et des mesures préventives et thérapeutiques des lésions cérébrales chez les prématurés, en vue d'améliorer le pronostic à long terme des prématurés souffrant de lésions cérébrales. Cependant, de plus en plus de preuves suggèrent que l'immaturité de la barrière antioxydante pour la synthèse et la régulation du glutathion dans le cerveau des prématurés pourrait être un mécanisme important de la susceptibilité des prématurés aux lésions cérébrales [7, 33-34]. La barrière antioxydante à médiation Nrf-2 impliquant le glutathion joue un rôle important dans la protection contre divers stress externes et internes, et les astrocytes, en tant que cellules les plus nombreuses du cerveau, jouent également un rôle clé dans la protection des cellules cérébrales. L'étude approfondie de la synthèse et du métabolisme du glutathion devrait avoir un impact profond sur la prévention et le traitement des lésions cérébrales chez les prématurés.

 

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