La recherche fondamentale en anesthésie.

Conférence faite par Marie-Thérèse Cousin lors de 31ème réunion scientifique du CHAR le 19 septembre 2014 à l’HIA du Val de Grâce.

Résumé
Nous verrons qu’après un brillant début, cette contribution a subi une longue éclipse, méme si dans ces trente dernières années elle a connu un renouveau, de grande qualité.
Tout avait pourtant bien commencé :
« Si la découverte (de l’anesthésie) n’a pas été faite en France, c’est en France qu’elle recevra sa consécration véritablement scientifique » (Amédée Latour, Union Médicale, 1847)
En effet, les physiologistes : Flourens  , Serres  , Longet, Amussat Duméril …,
les chimistes et pharmaciens : Robin, Lassaigne, Despretz, puis Soubeiran, Dumas, les vétérinaires : Regnault et les chirurgiens : Jobert, Blandin, Plouviez, Guérin, Sandras, Bouisson  , Sédillot  , Gerdy et bien d’autres, ont cherché à préciser les effets de l’éther et du chloroforme et abordé la grande question : comment ça marche ?

A partir de 1870, Claude Bernard   donne des leçons au Collège de France qui seront publiées dans son livre : Leçons sur les Anesthésie et l’Asphyxie. Il y aborde la pharmacologie, et la cinétique du curare, de l’éther et du chloroforme, de la morphine.
Il précise le point d’impact de ces substances et s’efforce de répondre à la question du comment ça marche ? Pour lui l’anesthésie agit au niveau cellulaire et est due à une ’semi-coagulation’ du protoplasme c’est à dire des protéines.

Son élève Albert Dastre en 1890 publie un ouvrage sur les anesthésiques et discute cette notion de coagulation. Lorsque Claude Bernard   a vu au microscope une semi coagulation, cela a été dà » au contact direct du chloroforme sur le tissu examiné. Rien à voir avec les effets d’une inhalation. Néanmoins on sait depuis les premiers jours que les anesthésiques sont des solvants des graisses (déjà montré par Serres   sur le nerf et affirmé par deux Allemands, von Bibra et Harless) : puisque le cerveau est essentiellement constitué par des graisses c’est là qu’agit l’anesthésique. Il solubilise le cerveau !). Mais Dastre sait que le protoplasme contient des graisses phosphorées, notamment dans le cerveau. Aussi conclut-il sans conclure que le chloroforme agit en désorganisant mécaniquement, physiquement ou chimiquement la matière protoplasmique. La théorie lipidique était née.

En 1880, Charles Richet avait rapporté ses expériences sur les batraciens. Il les plonge dans une eau à laquelle il ajoute quelques dix millièmes du produit à tester. Il constate que, à quelques exceptions près, tous les composés carbonés volatils ou gazeux et insolubles dans l’eau sont anesthésiants. Cette notion d’insolubilité dans l’eau et de solubilité dans l’huile appartient donc bien à Richet (nous disons aujourd’hui hydrophobicité et lipophilie).

Le chimiste Maurice Nicloux en 1900 démontre la forte affinité du chloroforme pour les graisses, en particulier celles du cerveau. Néanmoins, dit-il en 1908, il ne faut pas chercher dans la présence du chloroforme dans les graisses la cause de l’anesthésie, mais il est possible qu’elle suffise à modifier les fonctions des constituants de la cellule, en particulier les matières protéiques.

D’autres travaux de Richet sur les effets de l’anesthésie suivront jusqu’en 1900.

A partir de cette date on ne trouve plus de grands chercheurs en France pour faire avancer nos connaissances dans le mécanisme et les effets fondamentaux de l’anesthésie.

La loi de Meyer-Overton.

Le relais est assuré par l’Allemagne avec Hans Meyer. Vers 1900, reprenant les expériences de Richet avec les batraciens et les poissons il en arrive aux mémes conclusions mais les exprime différemment. Il ne s’agit plus de la solubilité dans les graisses et dans l’eau, mais du rapport entre les deux, le fameux coefficient de partage. Il exprime ses résultats dans un tableau et plus tard Eger II en établit la courbe, très parlante.
A la méme époque, Ernest Overton qui travaille sur l’osmose à travers les membranes cellulaires parvient à la méme conclusion. Ces deux auteurs sont réunis dans la « loi de Meyer-Overton », loi qui sera la base du raisonnement pendant 50 ans.

Mais pourtant … ...plusieurs anesthésiques, un peu frondeurs, désobéissent à la loi, soit sans effet malgré un fort coefficient de partage (cut off) soit avec des effets qu’on ne devrait pas attendre pour des raisons d’isomérie (isoflurane) et méme de solubilité majeure dans l’eau (N2O). Les exceptions toutefois peuvent devenir un fort stimulant pour des chercheurs.

Un nouveau paradigme, la théorie protéinique.

En 1984 N. Franck et W.Lieb démontrent que le chloroforme inhibe l’action d’une protéine obtenue à l’état pur, la luciférase ; cette inhibition est proportionnelle à la puissance connue de l’anesthésique et la luciole s’éteint. La courbe ainsi obtenue est tout à fait superposable à celle que Eger avait réalisée pour la loi de Meyer Overton. Cette nouvelle hypothèse ne fut pleinement acceptée qu’au bout de dix ans.
Restait à savoir sur quelles protéines de la membrane cellulaire agissaient les anesthésiques et pour cela mieux connaître ses récepteurs mis en jeu par des transmetteurs.

Les transmetteurs. L’acétyl choline

C’est à Cambridge que, au début du XXème siècle, se développe la recherche. Nous ne citerons ici que celle qui concerne l’acétylcholine en laissant l’adrénaline étudiée à la méme époque et les nombreux neurotransmetteurs qui apparaîtront dans les décennies ultérieures.
 Charles Sherrington a défini la synapse, électrique et chimique (1896-1906).
 Langley en 1905 : l’acétylcholine en contact avec un muscle squelettique provoque sa contraction.
 Otto Loewi : expérience des deux cœurs : l’excitation d’une branche cardiaque du nerf parasympathique provoque le ralentissement du cœur. Le liquide qui baigne ce cœur provoque le ralentissement d’un deuxième cœur (1921)
 Dale décèle la présence d’acétylcholine 1) à l’extrémité distale du nerf parasympathique, 2) au niveau de la jonction neuromusculaire et 3) dans le bain de l’expérience des deux cœurs de Loewi (1936)

En 1939 A. Fessard et Feldberg prouvent la présence d’acétylcholine au niveau de l’organe électrique de la torpille, renforçant l’hypothèse émise au XIXème siècle que cet organe est une jonction neuromusculaire qui aurait perdu ses fibres musculaires permettant le développement quasi monstrueux de la plaque motrice.
La présence des récepteurs membranaires sera prouvée quand la membrane cellulaire aura été décrite.

La membrane cellulaire. I Morphologie

1. 1900. Puisque les anesthésiques et les solvants des graisse traversent la membrane cellulaire Overton en conclut que celle-ci doit étre de nature lipidique.. Jusque-là on pensait que seules les substances solubles dans l’eau traversaient la membrane.
2. 1925. Gorter et Grendel par le calcul prouvent que les lipides forment une double couche
3. 1935. La membrane sandwich : dans cette double couche s’insèrent des protéines (Danielli)
Les protéines sont de forme hélicoïdale (hélice alpha), avec un N terminal hydrophile en contact avec l’extérieur de la cellule, et un C terminal hydrophobe en contact avec l’intérieur.
A l’intérieur de la protéine existent des cavités.

Le récepteur de l’acétylcholine

Décrit en1970 par J.P. Changeux, le récepteur nicotinique de la jonction neuromusculaire présente cinq métamères au milieu desquels existe un canal, le canal ionique qui s’ouvre et laisse passer des ions lorsque le récepteur est activé. La morphologie du récepteur nicotinique neuronal est peu différente.
Les progrès en biologie moléculaire avec l’association des analyses chimiques et de l’analyse spectrale aux rayons X ont permis de « visualiser » un récepteur dans lequel se fixent des anesthésiques, le propofol à l’entrée du canal, et le desflurane, plus petit et plus flexible, pénétrant plus profondément.

La membrane cellulaire. II Fonction. Le potentiel d’action (PA)

C’est encore à Cambridge que l’on doit les premières études du PA. Dans les années trente et jusqu’à 1952, Hodgkin et Huxley choisissent de travailler sur la cellule géante de l’axone d’un calamar.
En 1939, au laboratoire international qu’il a fondé pour accueillir les savants fuyant les nazis, A. Fessard avec Feldberg réalise également des enregistrements sur ces mémes cellules géantes.

En 1972 Ber nard Katz et Miledi enregistrent le PA au niveau de la jonction neuromusculaire. Ils décrivent les potentiels miniatures en relation avec les petits paquets d’Acétylcholine, les « quanta » qui arrivent sur la plaque motrice.
La mesure du potentiel d’action est le point de départ de la compréhension des mécanismes cellulaires et de l’action des agonistes et antagonistes des neurotransmetteurs..
Une nouvelle étape est franchie avec la mise au point du patch-clamp. Il s’agit d’isoler une minuscule fraction de la membrane au moyen d’un « clamp » qui permet d’obtenir le PA à l’échelle d’un seul canal ionique.
Là encore cette technique devenue incontournable pour tous les chercheurs en biologie est à l’origine de nouveaux progrès de la physiologie à l’échelle microscopique.
Mais le tournant le plus décisif a été la découverte de la double hélice de L’ADN..

La double hélice de l’ADN . I

J. Watson, F. Crick et M. Wilkins ont été nobélisés pour cette découverte qu’ils ont publiée en 1953.

On connaissait depuis une ou deux décennies les composants chimiques du noyau cellulaire. Dénommée d’abord « nucléine » on définit progressivement sa composition un sucre, le désoxyribose un phosphate, et et des base puriques et pyrimidiques qu’on sait au nombre de quatre pour chaque nucléotide. Les protéines ont été décrites par Linus Pauling de forme hélicoïdale. Mais comment le tout est-il assemblé et comment se fait sa réplication ? La question est d’importance puisque l’on sait désormais que c’est l’ADN qui transmet les caractères héréditaires, donc est à l’origine de la vie.
Watson et Crick, comme l’avait fait Pauling pour la structure en hélice des protéines, visualisent l’ADN en fabriquant un modèle en plaques de laiton et fils de cuivre et méme en carton. Ils vérifient ainsi avec ce « joujou » si les conditions chimiques et géométriques sont remplies.
L’analyse des propriétés chimiques des composants et, par les rayons X, de la structure permettent de proposer le modèle désormais universellement connu. Il répond à tous les critères chimiques, types de liaison, appariement des bases, agencement, distance et situation respective dans l’espace des molécules qui le composent.
Son implication pour la génétique est entrevue au cours méme de l’élaboration du modèle. Watson voit que les chaînes enroulées sont complémentaires, la partenaire d’une chaîne se détermine automatiquement. Et dans leur publication princeps les auteurs Watson et Crick écrivent : « Il n’a pas échappé à notre attention que l’appariement spécifique des bases que nous avons proposé suggère immédiatement un mécanisme de transcription pour du matériel génétique » (Nature 1953). Bel exemple d’understatement avait déclaré des années plus tard Bill Clinton.

A l’arrivée, « la structure est trop belle pour ne pas étre vraie ». (Rosalin Franklin, 1953). et de l’opinion méme de Crick, ce qui frappe « c’est la beauté intrinsèque de la double hélice ». Pour Pauling, leur rival pourtant dans la course, « la découverte de la double hélice a mené au développement extraordinaire de la biologie moléculaire » (Pauling 1974) et pour Lawrence Bragg, le patron du laboratoire de Cambridge où s’est élaborée cette double hélice, cette découverte est « un des évènements scientifiques majeurs de ce siècle. Le nombre de recherches qu’elle a suscité est impressionnant. Elle a créé une explosion qui a modifié la biochimie. »Bragg, 1962)
Une des raisons de son formidable impact c’est dit Crick « qu’elle s’est révélée en une seule fois et non par petits pas successifs, comme un coup d’éclat ».
François Jacob se souvient encore de son émotion quand en 1953 au cours d’un colloque international Watson avait exposé son travail :
« Il y avait dans cette structure une telle simplicité, une telle perfection, une telle harmonie, une telle beauté méme, les avantages biologiques en découlaient avec tant de rigueur et tant d’évidence....tout cela avait la force du nécessaire, tout cela ne pouvait pas étre faux » F. Jacob, La statue intérieure, 1987.

Le développement extraordinaire de la biologie moléculaire

Dans la préface du livre qu’il coordonne, Anesthesia, Biologic Foundations, 1998, Tony Yaksh évoque l’expansion massive aux Etats-Unis des budgets de la recherche accordés par le Congrès et le Ministère de la santé, dont profiteront largement les départements d’anesthésie. Le monde entier en bénéficiera également car de nombreux chercheurs, venus de tous les pays feront le voyage en Amérique, là où désormais se fait la recherche de pointe.
Il y a d’abord la découverte des nombreux neurotransmetteurs, Gaba A, Acide glutamine, Sérotonine, Dopamine etc, et les récepteurs qui leur correspondent. On distingues deux classes : les inhibiteurs et les excitateurs. Ces deux classes ont leurs agonistes et antagonistes dont les anesthésiques.
La plupart des anesthésiques renforcent l’inhibition des transmetteurs inhibiteurs, quelques-uns antagonisent les excitateurs : ce sont la kétamine, le Xénon, le protoxyde d’azote.
On connaît aussi l’action directe activatrice des anesthésiques volatils sur certains canaux de la famille des canaux du potassium, les Trek 1 et les Task qui par définition sont hyperpolarisants et donc inhibiteurs (Lazdunski, 1999).

L’imagerie fonctionnelle

Ces techniques permettent de visualiser les zones d’activité cérébrale qui se révèlent par l’augmentation du débit sanguin.
Le PET-Scan tomographie par émission de positrons comporte l’injection d’un traceur radio actif qu’on retrouve dans ces zones activées lesquelles sont alors analysées par tomographie ;
La RMN ou résonance magnétique nucléaire consiste à analyser les propriétés magnétiques de l’hémoglobine, différentes selon qu’elle est saturée ou désaturée ce qui permet de distinguer les zones activées ou les zones de repos. On analyse ainsi les territoires désactivés par les anesthésiques. Ainsi
1. la sédation simple désactive des zones corticales et sous-corticales.
2. l’altération de la mémoire concerne le système limbique, l’hippocampe, l’amygdale.
3. L’immobilité par désactivation de zones spinales

L’EEG

L’enregistrement des ondes au cours de l’anesthésie met en évidence des ondes spécifiques selon la profondeur de l’anesthésie. Elle peut révéler des phases d’éveil masquées par la curarisation. UN simplification des enregistrements (BIS) en fait un instrument de surveillance peropératoire.

La contribution de la France

Nous avons cité plus haut quelques uns de ses apports. Deux structures sont à examiner qui mettront un terme au long déclin de la recherche médicale en France : l’Institut Pasteur  , et le CNRS.

L’Institut Pasteur  

A vrai dire, l’Institut Pasteur  , fondé en 1888, n’a pas 20 ans au tournant du siècle. C’est une structure jeune et dynamique qui a su attirer de grands chercheurs,dont déjà de futurs prix Nobel. L’Institut comporte plusieurs départements dont le nombre et l’objet évolueront avec le développement de la médecine : l’infection, la biochimie, la biologie cellulaire plus tard les neurosciences. Citons :
1. Fourneau qui met au point la stovaïne, premier anesthésique local synthétique (1904)
2. Daniel Bovet : les antihistaminiques (années trente) ; les curares synthétiques ( années quarante)
3. Jean-Pierre Changeux : le récepteur de l’acétylcholine (1970) et sa participation jusqu’en 2012 aux neurosciences. Il est associé parfois à des anesthésistes Erikson de Stockholm, Laudenbach de Bichat puis Robert Debré, Weng de San Francisco.

Le CNRS

Dans la première moitié du XXème siècle la recherche en physiologie et partant en anesthésie a subi une longue éclipse. Elle va renaître progressivement avec la création du CNRS en 1939, lui-méme issu de structures officielles récentes, la caisse nationale de la recherche scientifique et l’Office national des recherches scientifiques et des inventions (recherche appliquée). Plus tard le CNRS , orienté vers les sciences fondamentales crée des liens avec l’Université par les Laboratoires Associés (1966). De méme il tisse de nombreux liens avec l’Inserm née en 1964 et dévolu aux problèmes de Santés

Dans ce cadre il faut distinguer l’apport d’Alfred Fessard, le père des Neurosciences qui domine pendant plus de vingt ans les travaux de l’Institut Marey.

L’Institut Marey

Ancien établissement qui se meurt peu à peu au cours de ce premier tiers de siècle, il est ranimé par Fessard. Il en fait un centre des neurosciences attirant de nombreux et jeunes collaborateurs et des visiteurs étrangers. Lui -méme, Fessard est compétent dans les enregistrements unitaires à l’échelon cellulaire, méthodes qu’il perfectionne à Cambridge (toujours !) avec Edgar Adrian et en neurophysiologie intégrative avec l’EEG, et les études statistiques de psychométrie. A Marey il crée cinq bientôt six départements. Retenons deux départements qui s’orientent vers l’étude des voies de la douleur
 :
 le département de Physiologie nerveuse, dirigé par Denise Albe-Fessard. Celle-ci, physicienne a l’origine perfectionne les méthodes d’enregistrement et s’adonne ensuite à l’étude des systèmes thalamocorticaux qui la conduisent à l’étude des voies de la douleur au niveau cérébral. L’anesthésiste A. Levante y travaille sous sa direction.

 le département de Neuropharmacologie biochimique qui sera dirigé bientôt par Jean-Marie Besson . Il enregistre les cellules médullaires de la couche cinq qui transmettent le signal douloureux. Ch. Conseiller a rejoint ce département pendant quelques années.

En 1970 Fessard s’installe au centre de neurophysiologie de Gif sur Yvette prévu pour remplacer les bâtiments de l’Institut Marey, lequel restera actif jusqu’à sa démolition en 1977.

La contribution des anesthésistes français

Jeanne Lévy, élève du pharmacologue Tiffeneau, elle-méme professeur de pharmacologie à Paris et rattachée au CNRS, fait partie des membres fondateurs de la toute première Société française d’anesthésie et d’analgésie. A ce titre elle enseigne à l’Institut d’anesthésie ; ses thèmes sont les amines cérébrales. En 1952 elle organise un colloque international sur le Mécanisme de la la narcose. Malheureusement cette manifestation restera sans suite.

Ce n’est que vingt ans après la création des DAR que certains départements seront en mesure de créer des laboratoires pour la recherche qu’elle soit expérimentale, fondamentale, translationnelle. Il y avait d’autres urgences : organiser le département, assurer les anesthésies demandées par l’hôpital, former à la pratique clinique et enseigner les étudiants, maintenir let faire vivre les sociétés d’anesthésie.
Citons quelques centres prestigieux nés dans les départements de Paris ou de Province à l’initiative de leur chefs de service, et malgré tous les obstacles qui se dressaient sur leur chemin ;
Dar de Bichat avec J.M. Desmonts puis J. Mantz
Dar Pitié Salpétrière, avec P. Viars puis P. Coriat, le laboratoire étant dirigé par B. Riou
Dar Lariboisière avec D. Payen
Dar Bicétre avec K. Samii puis Benamou, le laboratoire étant dirigé par X. Mazoit (fig)
Dar de Nîmes avec Eledjam et de la Coussaye
ainsi que Strasbourg, Rouen, etc...et les Dar que nous n’avons pas, et très injustement, contactés.

La conférence