Conférences d'actualisation 2006, p. 33-50.
© 2006 Elsevier Masson SAS. Tous droits réservés.

Mécanismes d'action
des agents de l'anesthésie

H. Keïta-Meyer^1,*, S. Dahmani²

¹ Service d'anesthésie, CHU Louis Mourier, 178, rue des Renouillers, 92701 Colombes ;
² Service d'anesthésie-réanimation chirurgicale, hôpital Beaujon, 100, boulevard du général Leclerc, 92110 Clichy, France
* e-mail : hawa.keita@lmr.aphp.fr

INTRODUCTION

Depuis leur introduction dans la pratique clinique il y a environ 150 ans, et après plus de 100 ans de recherche, les sites d'action et les mécanismes moléculaires des anesthésiques au niveau du système nerveux central (SNC) sont toujours incomplètement élucidés. Aujourd'hui encore, il est particulièrement complexe d'expliquer comment des agents aussi différents sur le plan de la structure chimique peuvent induire une anesthésie, cet état clinique qui associe : hypnose, amnésie, immobilité, analgésie et perturbation des réactions du système nerveux végétatifs[1]. L'apport de nouvelles techniques d'investigation comme le « patch-clamp » , la « mutagenèse dirigée » , les « animaux transgéniques » ou la « neuro-imagerie fonctionnelle » a tout de même permis de réaliser des progrès tangibles dans la compréhension intime de ces mécanismes. Ainsi l'identification de multiples cibles moléculaires et sites anatomiques et la découverte du rôle déterminant des canaux ioniques ont été possibles [2].

L'objectif de cette conférence d'actualisation est de faire le point sur les données récentes concernant les cibles et les sites d'action anatomiques des agents anesthésiques. Seront également discutées les données prometteuses mais encore préliminaires, voire embryonnaires, sur la variabilité interindividuelle face aux agents anesthésiques, en fonction de modifications liées au sexe ou à la génétique.

RAPPEL DES TECHNIQUES D'INVESTIGATIONS

Le « patch-clamp ». Méthode qui permet d'enregistrer en temps réel l'activité d'un seul canal ionique.

La « mutagenèse dirigée ». Technique qui permet la mutation ciblée d'un ou de plusieurs acides aminés au niveau d'un récepteur

Les « animaux transgéniques ». Souris « knock-out ». Ce sont des animaux chez qui on introduit une mutation génétique à type de délétion au niveau d'une cible potentielle, ce qui les rend déficients pour cette cible. Souris « knock-in ». On introduit une modification génétique de la cible moléculaire, en changeant par exemple un seul acide aminé (point de mutation). L'avantage du knock-in versus le knock-out est l'absence d'altérations des fonctions physiologiques et de la distribution anatomique de la cible au niveau du SNC. Cette cible pouvant être par exemple un canal ionique.

Les « techniques de neuro-imagerie fonctionnelle ». Essentiellement résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) et tomographie par émission de positons (Pet-Scan).

GÉNÉRALITÉS SUR LES CIBLES MOLÉCULAIRES
DES AGENTS ANESTHÉSIQUES

Il existe aujourd'hui une accumulation de preuves indiquant qu'aux concentrations cliniques (micromolaire à millimolaire), les canaux ioniques couplés à des récepteurs sont les cibles privilégiées des agents anesthésiques [3] [4] [5]. Les récepteurs de l'acide -aminobutyrique de type A (GABA_A) sont les meilleurs candidats en raison de leur distribution ubiquitaire au niveau du SNC, de leurs rôles physiologiques essentiels et de leur sensibilité à de nombreux agents pour des concentrations cliniques [2]. Certains anesthésiques généraux agissent également sur d'autres canaux ioniques, comme les récepteurs de la glycine, nicotinique de l'acétylcholine (nAch), de la sérotonine-3 (5-HT₃), et du glutamate (-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole propionic acid (AMPA), kainate et N-méthyl-D-aspartate (NMDA). Les canaux ioniques voltage-dépendants comme les canaux sodiques, potassiques et calciques ont également été reconnus comme des cibles importantes pour les anesthésiques généraux [3]. Des données récentes particulièrement intéressantes objectivent le rôle des canaux potassiques types 2P-K+ (two-pore-domain ‘leak' K+) qui participent au maintien du potentiel membranaire dans de nombreuses cellules, ainsi que celui des canaux HCN (hyperpolarization-activated, cyclic nucleotide-gated) appartenant à une famille qui donnent lieu aux courants « pacemaker » ou encore des canaux Na+ voltage-dépendants présents en présynaptique [2].

Enfin, de nombreux arguments plaident en faveur d'une modulation de la libération et de la capture à haute affinité des neurotransmetteurs dans l'action de ces agents [6] [7] [8].

Structures moléculaires des récepteurs canaux
et actions des agents anesthésiques

Les récepteurs GABA_A, glycine, 5-HT₃ et nACh appartiennent à une superfamille de récepteurs canaux ayant une évolution commune [9]. Les membres de cette superfamille sont tous composés de cinq sous-unités (configuration pentamérique) qui s'assemblent entre elles pour former le canal perméable aux ions et le complexe récepteur [5]. Chaque sous-unité est constituée d'un grand domaine N-terminal extracellulaire, quatre segments transmembranaires (TM1-TM4), une boucle intracellulaire entre TM3 et TM4 (domaine de régulation du récepteur, avec des sites de phosphorylation), et un court domaine C-terminal extracellulaire [10] (figure 1). Les sites de fixation des agonistes se situent au niveau du domaine extracellulaire N, alors que c'est au niveau des chaînes d'acides aminés du segment TM2 que se situe le pore du canal ionique (figure 1). En revanche, les récepteurs au glutamate appartiennent à une classe distincte de canaux ioniques. Ces récepteurs ont trois segments transmembranaires (M1, M3 et M4) plus une boucle re-entrante cytoplasmique (M2) qui abrite le pore du canal ionique. Ainsi, le domaine N-terminal est localisé en extracellulaire, et le domaine C-terminal est intracellulaire (figure 2). La constitution du récepteur glutamatergique est soit tétramérique soit pentamérique [11].

Figure 1. Représentation schématique d'un récepteur canal de la superfamille (GABA_A, glycine, nicotinique, sérotoninergique) et de ses cinq sous-unités qui s'assemblent pour former le canal. Les sous-unités ont un domaine long N-terminal extracellulaire où se fixent les agonistes endogènes, quatre segments transmembranaires (TM), une boucle intracellulaire entre TM3 et TM4, et un court domaine C-terminal extracellulaire. Pour chaque récepteur, le pore du canal ionique est constitué par l'assemblage des segments TM2 des différentes sous-unités [11].

On sait aujourd'hui que la plupart des agents inhalés, à savoir tous les éthers (isoflurane, sévoflurane, desflurane et enflurane) et certains alkanes (comme l'halothane) renforcent la fonction du récepteur GABA_A [12] (figure 3). Ils augmentent de façon extrêmement efficace l'ouverture du canal Cl^- couplé au récepteur GABA_A et majorent ainsi la transmission inhibitrice aussi bien au niveau synaptique qu'extrasynaptique [2].

Figure 2. Représentation schématique des récepteurs glutamatergiques (ionotropiques). Le récepteur NMDA possède un canal perméable au Ca²⁺, K⁺ et Na⁺ et des sites de fixation pour la glycine, le Zn²⁺, la phencyclidine (PCP) et le Mg²⁺ (qui régule la fonction de ce canal). Le récepteur kainate a un canal perméable au Na⁺ et au K⁺. Le récepteur kainate-quinsqualate-A (AMPA) a un canal très semblable au récepteur kainate avec une perméabilité au Na⁺ et au K⁺ et un site de fixation pour le Zn²⁺ [11].

Figure 3. Sur des neurones de ganglions rachidiens de rat en culture, l'halothane à 0,86 mmol potentialise par un facteur 3 à 4 la réponse du récepteur canal GABA_A en présence d'une faibles concentrations de GABA (3 x 10^-6 M).

La majorité des agents intraveineux, y compris le propofol et l'étomidate, modulent sélectivement le récepteur GABA_A en augmentant et en prolongeant la liaison du GABA libéré à partir des terminaisons présynaptiques [2]. Ils augmentent ainsi la durée d'ouverture du canal [2]. Certains anesthésiques intraveineux, à de plus fortes concentrations, peuvent également ouvrir le récepteur GABA_A en l'absence du neurotransmetteur. Le propofol ralentit la désensibilisation du récepteur GABA_A, un phénomène très important lors des activations rapides et répétitives des synapses inhibitrices [13].

En plus de leur action prédominante sur les récepteurs GABA_A, les anesthésiques volatils dépriment la transmission excitatrice au niveau présynaptique, où leur principale action est une réduction du glutamate libéré [2]. En revanche, les agents anesthésiques inhalés non halogénés comme le xénon [4], le protoxyde d'azote [14], le cyclopropane [15], ainsi que les agents intraveineux comme la kétamine [16], ont peu ou pas d'effet sur les différents sous-types de récepteurs GABA_A testés jusqu'à présent. Pour autant, ils dépriment la transmission excitatrice postsynaptique liée à l'action du glutamate sur le récepteur NMDA (figure 4). De nombreux anesthésiques volatils, souvent à des concentrations subanesthésiques, inhibent également les récepteurs nAChR. Cependant, ces récepteurs pourraient être plus impliqués dans l'action antinociceptive qu'immobilisatrice des agents volatils [17] [18].

Figure 4. Courants enregistrés par la technique du patch-clamp configuration « cell-attached » après l'application de 10 m de NMDA sur des neurones de l'hippocampe. Les courants ont été enregistrés à partir de deux cellules différentes, en présence et en l'absence de 0,1 M de kétamine. Le courant entrant est représenté par une déflexion négative [3].

Grâce aux techniques de biologie moléculaire comme la construction de récepteurs chimériques ou la mutation d'un seul acide aminé, on a pu identifier les régions et/ou les sites critiques pour l'action des anesthésiques. La littérature dans ce domaine précis est extrêmement abondante et florissante. En voici quelques exemples importants :

- les expériences sur les sous-unités ₁ du récepteur à la glycine et ₁, ₂, ₁ et ₁ du récepteur GABA ont permis d'identifier des acides aminés spécifiques situés entre TM2 et TM3, indispensables pour la potentialisation de ces récepteurs par les agents volatils, ceci en présence de leurs agonistes [19] [20] [21] ;

- la potentialisation de l'action du GABA par le propofol est également affectée par un point de mutation spécifique présent en TM2 sur la sous-unité du récepteur GABA_A [22] et TM3 [20] ;

- la sensibilité des récepteurs NMDA à la kétamine est déterminée par la présence d'un résidu arginine au niveau du segment M2 des sous-unités ₂ (NR2B) et ₁ (NR1). Ce résidu constitue le site du bloc Mg²⁺ des récepteurs NMDA [23] [24].

Ces travaux remarquables démontrent définitivement la haute spécificité de l'interaction des anesthésiques avec les récepteurs canaux, et laissent entrevoir d'une part leur importance clinique et d'autre part un degré de complexité de plus, puisque deux agents intraveineux modulant tous deux directement l'activité d'un récepteur ne le font pas à un même niveau.

Canaux 2P-K⁺ (two-pore-domain ‘leak'K⁺) et canaux HCN (hyperpolarization-activated, cyclic nucleotide-gated)

L'activation des canaux ioniques 2P- K⁺ par des concentrations cliniques d'anesthésiques volatiles a d'abord été observée sur des cellules nerveuses chez l'escargot, puis chez les mammifères. L'activation de ces canaux entraîne : une augmentation de la conductance K⁺ avec une hyperpolarisation, une réduction de la réactivité aux potentiels excitateurs au niveau synaptique, et une altération de la synchronisation neuronale. Chez les souris pour lesquelles une délétion du canal 2P- K⁺ de type TREK-1 a été induite, on observe une réduction de 7-37 % de l'action immobilisatrice des anesthésiques volatils par rapport aux souris sauvages [25]. Ceci suggère que ce canal est une cible des anesthésiques.

L'halothane déprime également les courants K⁺ liés aux canaux HCN, avec pour conséquence une réduction des potentiels « pacemaker » et une réduction de la fréquence de décharge de certains neurones qui possèdent une autorythmicité. Plus récemment, il a été démontré que l'halothane modulait pour des concentrations cliniques 2 isoformes HCN1 et HCN2 [26]. Parmi les anesthésiques intraveineux, le pentobarbital inhibe les courants potassiques au niveau des neurones thalamiques [27].

Canaux Na⁺ voltage-dépendants

Les canaux sodiques voltage-dépendants sont des éléments essentiels pour la propagation et l'intégration des signaux neuronaux. Ils participent notamment à la phase initiale de dépolarisation lors de la propagation du potentiel d'action. Les travaux qui ont évalué la place des canaux sodiques voltage-dépendants dans les mécanismes d'action des agents anesthésiques ont produit des résultats contradictoires [28] [29] [30] [31]. Ceci peut s'expliquer par la grande diversité de structures moléculaires des canaux sodiques [32]. En effet, en fonction du canal étudié, des effets pharmacologiques qualitatifs et quantitatifs différents peuvent être observés pour les agents anesthésiques. De plus, sur un même neurone peuvent être présents plusieurs types de canaux sodiques, sensibles ou non aux agents anesthésiques.

La famille des canaux sodiques comprend différents isoformes pouvant avoir une distribution cellulaire et subcellulaire distincte [33]. Chez le mammifère, certains de ces isoformes neuronaux comme les isoformes Na_v1.2, Na_v1.4, Na_v1.5 et Na_v1.6 sont inhibés par l'isoflurane et d'autres agents volatils. En revanche, l'isoforme Na_v1.8 est insensible à l'action de ces agents [2]. Les anesthésiques volatils inhibent également pour des concentrations cliniques, les canaux Na⁺ présents sur les terminaisons nerveuses isolées et les neurones des ganglions rachidiens [2].

Différents travaux suggèrent que l'inhibition des canaux Na⁺ présynaptiques participe à la diminution de la libération de neurotransmetteurs induite par les anesthésiques volatils [34] [35]. Sur une préparation de neurones hypophysaires isolés de rat, l'isoflurane inhibe les courants sodiques au niveau des terminaisons nerveuses et diminue l'amplitude du potentiel d'action par le blocage des canaux sodiques [36] [37]. Toujours sur des neurones de cerveau de rat, cet agent déprime significativement au niveau synaptique l'exocytose vésiculaire induite par le potentiel d'action, ainsi que l'amplitude des courants excitateurs post-synaptiques. Ces effets s'accompagnent d'une faible réduction de l'amplitude du potentiel d'action présynaptique et d'une absence d'action direct sur les courants calciques [38]. Ces données confirment le rôle des canaux Na⁺ présynaptiques comme cibles importantes des anesthésiques volatils.

CIBLES MOLÉCULAIRES SPÉCIFIQUES ET SITES D'ACTION
ANATOMIQUES DES PROPRIÉTÉS IMMOBILISATRICES, SÉDATIVES, HYPNOTIQUES ET AMNÉSIANTES DES AGENTS ANESTHÉSIQUES

Immobilité

L'abolition par les anesthésiques généraux des mouvements spontanés ou induits par un stimulus semble principalement liée à une dépression des voies réflexes au niveau spinal, en produisant soit un renforcement de la neurotransmission inhibitrice soit un affaiblissement de la transmission excitatrice au niveau des neurones spinaux. De nombreuses données démontrent que les agents intraveineux comme le propofol induisent l'immobilité par leur action sur le récepteur synaptique GABA_A [39] [40]. Des travaux réalisés in vivo ont montré que l'administration systémique d'antagonistes du récepteur GABA_A diminue considérablement les propriétés inhibitrices du propofol sur les réflexes spinaux [40]. La détection aujourd'hui possible des ARN messagers des différentes sous-unités du récepteur GABA_A a permis de montrer que seules les sous-unités ₂, ₃, ₃ et ₂ sont présentes de façon significative au niveau spinal, alors que les sous-unités ₁, ₂ et ₂ sont plus abondantes au niveau du cortex, de l'hippocampe et des noyaux thalamiques. Des travaux menés sur des souris knock-in ont précisé que l'action immobilisatrice du propofol et de l'étomidate était quasi exclusivement liée à la présence au niveau spinal, de récepteurs GABA_A avec une sous-unité ₃ [39] [41]. Pour le diazépam, les résultats d'études, là encore sur des souris knock-in, ont démontré que son effet myorelaxant passe principalement par une action sur les récepteurs GABA_A spinaux contenant une sous-unité ₂ [42].

Pour les agents halogénés comme l'isoflurane et le sévoflurane, si initialement il avait été suggéré que le récepteur GABA_A n'était que modérément impliqué dans leur action immobilisatrice, des travaux plus récents montrent que l'altération de la sous-unité ₃ entraîne une absence d'inhibition du retrait de la patte des animaux en présence d'halothane, d'enflurane ou d'isoflurane. Des concentrations d'halogénés de plus de 15-24 % supérieures sont nécessaires chez les souris ₃ knock-in pour avoir le même effet que chez les animaux contrôles [39]. Le rôle de canaux potassiques et de récepteurs de la glycine a également été mis en évidence dans l'action immobilisatrice des halogénés [25].

Enfin, l'inhibition des récepteurs canaux impliqués dans la transmission excitatrice apparaît également comme un des mécanismes moléculaires de l'action immobilisatrice des agents volatils. En effet, des travaux réalisés sur des tranches de moelle épinière de souris ont révélé en présence d'enflurane, une inhibition des courants induits par l'activation des récepteurs AMPA et NMDA. In vivo, l'administration intratéchale d'antagonistes du récepteur NMDA a diminué chez le rat la MAC de l'isoflurane d'environ 30 % [42]. Ces résultats sont en faveur d'une contribution de l'inhibition des récepteurs du glutamate à l'action immobilisatrice des halogénés.

Sédation et hypnose

Le terme « sédation » définit une diminution du niveau d'éveil associant un allongement du délai de réponse, une diminution de l'activité motrice et une difficulté à formuler un discours distinct. L'hypnose est le plus souvent définie par l'absence de réponse à la commande verbale. Les études sur des souris knock-in ont permis de comprendre comment l'étomidate produit une sédation et une hypnose. Ces travaux ont mis en évidence une action prédominante de l'étomidate via les récepteurs GABA_A présentant des sous-unités ₂ ou ₃ [43]. Chez les souris ₂ knock-in, les effets hypnotiques de l'étomidate, évalués par les modifications du tracé électroencéphalographique et la perte du réflexe de la station debout, restaient présents comparativement aux animaux sauvages [41]. On pourrait en déduire que l'action hypnotique de l'étomidate dépend de manière prédominante des sous-unités ₃ récepteurs GABA_A et non des sous-unités ₂. Cependant, ces données sont surprenantes dans la mesure où les récepteurs GABA_A composés de sous-unités ₂ sont les sous-types les plus abondants dans le cerveau. Les résultats de différents travaux dont celui de Reynolds et al. [41] mettent en avant une implication des sous-unités ₂ des récepteurs GABA_A dans la sédation induite par les anesthésiques.

Le site anatomique de l'action sédative des agents anesthésiques a été évalué par plusieurs équipes. Dans une étude associant expérimentations in vivo et in vitro chez le rat, les effets des agents volatils sur le potentiel d'action spontanée des neurones du cortex somatosensoriel ont été déterminés [44]. In vivo, les taux moyens de décharge des neurones corticaux ont été significativement réduits par des concentrations bien inférieures à la MAC_awake. À la MAC_awake, le potentiel d'action spontané était diminué d'environ 50 %. De plus, l'importance de la dépression neuronale induite par l'isoflurane et l'enflurane était quasiment identique sur les préparations in vitro de cultures de neurones corticaux, donc en l'absence de structures subcorticales. Pour des concentrations correspondantes à la MAC_awake, l'action des agents anesthésiques volatils sur les neurones corticaux s'accompagnait d'une augmentation significative de la transmission synaptique inhibitrice GABAergique [44]. Ces résultats mettent en avant le rôle majeur des récepteurs GABA_A présents dans le cortex lors du processus de sédation. L'importance des neurones corticaux dans la sédation a également été documentée par des études de neuro-imageries chez l'homme. Il a été démontré que des concentrations subhypnotiques (sédative) d'agents anesthésiques diminuent le métabolisme cortical de 30 à 50 %, alors que l'activité métabolique des structures subcorticales est peu affectée pour ces mêmes concentrations [45]. En résumé, ces différents travaux suggèrent que l'action sédative des anesthésiques généraux implique principalement la sous-unité ₂ des récepteurs GABA_A présents dans le néocortex. La place des sous-unités ₁, ₂ et ₃ a également été appréhendée par des travaux réalisés sur des souris knock-in. Ces expérimentations ont montré que les effets sédatifs et amnésiants (amnésie antérograde) du diazépam étaient largement liés à une action sur la sous-unité ₁ des récepteurs GABA_A [46]. On peut donc retenir qu'au niveau du cerveau les récepteurs GABA_A présentant les sous-unités ₁ et ₂ sont responsables de la sédation. Comme ces sous-unités sont le plus souvent assemblées avec des sous-unités ₂, certains auteurs suggèrent que l'action sédative des anesthésiques généraux passent par les récepteurs GABA_A composés de sous-unité ₁, ₂ et ₂ [47].

Dans le cas de l'hypnose, la participation prédominante des sous-unités ₃ des récepteurs GABA_A a été suggérée pour le propofol et l'étomidate. Là encore, un certain nombre de données indiquent que les neurones concernés sont situés dans le cortex. En effet, l'étomidate aux concentrations hypnotiques induit une baisse de l'activité des neurones corticaux en culture [42]. Même si dans le thalamus, les sous-unités ₂ et ₃ des récepteurs GABA_A sont exprimés au niveau de différents noyaux, les études menées chez l'animal et chez l'homme n'ont pas mis en évidence d'abolition des fonctions thalamiques au cours de l'anesthésie par étomidate [42]. Ces travaux suggèrent qu'une action au niveau thalamique n'est pas nécessaire pour produire l'hypnose.

Amnésie

L'amnésie définit la perte de mémoire. La mémoire est généralement classée en deux catégories, la mémoire active (mémoire à court terme) et la mémoire à long terme. Le traitement des informations dépendantes de la mémoire active s'effectue au niveau du cortex préfrontal, du cortex sensoriel et d'autres régions du cerveau [48]. La mémoire active a une capacité limitée, alors qu'une quantité quasiment illimitée d'informations peut être stockée au niveau la mémoire à long terme. Il faut savoir que l'information transitoirement stockée dans la mémoire active est ensuite basculée dans la mémoire à long terme [42]. Cependant, si un patient se réveille accidentellement au cours d'une intervention chirurgicale, il ne se souviendra pas nécessairement de cet épisode si l'anesthésie est approfondie, même s'il a été totalement conscient. Ceci indique que le transfert des informations de la mémoire active vers la mémoire à long terme ne s'est pas fait et que ce processus est sensible à l'action des agents anesthésiques. Les propriétés amnésiantes des anesthésiques généraux résultent probablement d'une dépression des neurones de l'hippocampe. Des travaux récents se sont intéressés au rôle de la sous-unité ₅ des récepteurs GABA_A extrasynaptiques, exprimés de façon prédominante par les cellules pyramidales hippocampales. Ces récepteurs sont extrêmement sensibles aux agents volatils halogénés [49], ce qui peut expliquer le fait que ces agents à faibles concentrations (subhypnotiques) altèrent les capacités d'apprentissage. Cependant, il a été démontré que les animaux ₅ knock-out et ₅ knock-in avec une réduction de l'expression de la sous-unité ₅ au niveau de l'hippocampe ont des performances d'apprentissage améliorées. Il est donc peu probable que les propriétés amnésiantes des agents anesthésiques soient exclusivement liées à une action sélective sur les récepteurs GABA_A constitués d'une sous-unité ₅ dans l'hippocampe. D'autres régions comme l'amygdale, élément du système limbique, sont considérées comme des structures cibles pour l'amnésie [50] [51]. Les agents volatils altèrent le traitement de l'information dans cette structure par une action sur les voies GABAergiques et glutamatergiques [52].

Figure 5. Concept du « mécanisme multisites et multicibles » de l'action des anesthésiques. Mécanismes supposés des agents volatils (sévoflurane et isoflurane) et des anesthésiques intraveineux (propofol et étomidate) aux concentrations cliniques.

En résumé, pour les agents volatils, sédation/hypnose sont induits par une action au niveau du cerveau alors que l'immobilité résulte de manière prédominante d'une dépression des neurones spinaux. Pour les anesthésiques intraveineux, des actions spinales et supraspinales sont nécessaires pour réaliser l'immobilité. Les concentrations effectives pour induirent l'anesthésie diffèrent notablement entre les anesthésiques intraveineux et volatils. Avec les halogénés, ces concentrations sont de l'ordre du mM alors que pour les intraveineux, les concentrations nécessaires sont approximativement 1 000 fois inférieures. De plus, les concentrations sanguines permettant d'induire une sédation/hypnose sont plus faibles que celles utiles pour l'immobilité. Les canaux ioniques impliqués dans la sédation/hypnose sont les membres de la famille des récepteurs GABA_A. La sédation implique essentiellement l'activation des récepteurs GABA_A composés de sous-unités ₂, alors que les sous-unités ₃ sont largement impliquées dans l'hypnose (figure 5). Ces données sont probablement aussi vraies pour les anesthésiques intraveineux que pour les agents volatils. Une différence importante entre ces deux types d'agents concerne les mécanismes moléculaires impliqués dans l'immobilité. Les anesthésiques volatils réduisent l'excitabilité des neurones spinaux via de multiples sites. A contrario, les agents intraveineux agissent également au niveau spinal mais quasi exclusivement sur les récepteurs GABA_A. Cette différence pourrait expliquer en partie la plus grande capacité des agents volatils à déprimer les mouvements en réponse aux stimuli nociceptifs, ainsi que le rôle plus important des cibles supraspinales dans l'action immobilisatrice des agents intraveineux. L'amnésie semble essentiellement mais pas exclusivement liée à une action des agents anesthésiques sur les récepteurs GABA_A composés d'une sous-unité ₅ dans l'hippocampe.

VARIABILITÉ INTERINDIVIDUELLE
DE L'ACTION DES AGENTS ANESTHÉSIQUES
EN FONCTION DE MODIFICATIONS LIÉES AU SEXE
OU À LA GÉNÉTIQUE

Modifications liées au sexe

Dans un très récent article de synthèse, le rôle du sexe a été discuté comme facteur pouvant être à l'origine de différences pharmacocinétiques ou pharmacodynamiques responsables d'une variabilité de l'action des agents anesthésiques [53]. La majeure partie de la littérature portent sur les différences pharmacocinétiques, probablement parce qu'elles sont plus faciles à évaluer (mesure des concentrations plasmatiques des agents par exemple), que les différences pharmacodynamiques. Toutefois, ces dernières ont fait l'objet d'études pour la plupart des anesthésiques inhalés à l'exception de l'enflurane. Parmi les anesthésiques intraveineux seuls le midazolam, le thiopental et le propofol ont été étudiés. Il n'existe pas de données pour des agents comme la kétamine ou l'étomidate [53]. On peut retenir de ces différents travaux que la mise en évidence d'une différence pharmacocinétique ne conduit pas systématiquement à une différence clinique, celle-ci peut être contrebalancée par des modifications pharmacodynamiques allant dans la direction opposée [53]. En pratique, des différences pharmacocinétiques, dans le métabolisme ou la clairance, inférieures à 20-30 % entre les 2 sexes, sont sans conséquence clinique [53]. Il n'a pour l'heure pas été mis en évidence de différence dans l'effet hypnotique des agents anesthésiques, en rapport avec des modifications pharmacocinétiques liées au sexe, aussi bien pour les agents inhalés (halothane, isoflurane, sévoflurane et desflurane) que pour le midazolam ou le thiopental [53]. Pour autant, dans le cas du propofol, il semblerait que les hommes soient plus sensibles aux effets de cette drogue avec un réveil moins rapide que les femmes pour les mêmes doses [53]. Une étude rapporte des arguments en faveur de facteurs d'ordre pharmacodynamiques [54], une autre menée chez le sujet âgé montre, tout au moins dans cette population, des facteurs pharmacocinétiques [55]. Bien que les mécanismes précis de cette différence de sensibilité au propofol entre hommes et femmes ne soient pas clairement identifiés, une réduction des doses de l'ordre de 30-40 % est recommandée chez les hommes pour obtenir les mêmes délais de réveil [53].

Modifications génétiques

Malgré les progrès rapides réalisés en biologie moléculaire, la pharmacogénétique des agents de l'anesthésie reste embryonnaire [56]. Cette approche étudie les différences génétiques qui rendent compte de la variabilité interindividuelle pour le métabolisme, l'efficacité et les effets indésirables d'un agent donné. Ces différences peuvent être le fait de modifications des gènes impliqués dans la pharmacocinétique ou la pharmacodynamique des drogues (figure 6). À l'heure actuelle, on dispose de très peu d'études sur les agents de l'anesthésie et seuls les benzodiazépines et les anesthésiques inhalés ont fait l'objet de travaux chez l'homme. La plupart des benzodiazépines sont métabolisées par les enzymes du cytochrome P-450 au niveau du foie et les métabolites sont ensuite éliminés par la bile ou les urines. Les différences génétiques mises en évidence au niveau de ces enzymes semblent avoir essentiellement un impact sur le métabolisme et les effets du diazépam. La demi-vie du diazépam chez les individus homozygotes pour l'allèle (A) du cytochrome CYP2C19 G681A est 4 fois plus longue que chez les individus homozygotes pour l'allèle majeur (G), probablement en raison d'une activité métabolique moins importante du cytochrome CYP2C19 [57]. Ces différences génétiques se traduisent cliniquement par un prolongement de la sédation et de la perte de conscience après administration de diazépam chez les homozygotes pour l'allèle CYP2C19 G681A [58]. Contrairement au diazépam, les différentes études sur le midazolam ont montré que les effets cliniques de cette benzodiazépine n'étaient que modestement associés à des facteurs génétiques. Même s'il a été décrit une diminution de la clairance du midazolam chez les individus présentant les gènes des cytochromes CYP3A4 et CYP3A5. Les conséquences cliniques de ces polymorphismes sont relativement faibles en raison de l'existence d'autres alternatives pour le métabolisme et l'excrétion de cet agent [59] [60] [61].

Figure 6. Déterminants génétiques de l'effet d'une molécule.

Dans le cas des anesthésiques inhalés, les travaux de pharmacogénétique ont essentiellement portés sur les effets indésirables de ces agents comme le syndrome d'hyperthermie maligne (SHM) ou l'hépatite induite par l'halothane.

Les études sur le SHM ont retrouvé dans environ 50 % des cas la présence de mutations sur le gène du récepteur de la ryanodine (RYR1) [62] [63]. Vingt-trois mutations différentes de RYR1 semblent être associés au SHM [56]. Les cas les plus sévères de SHM ont tendance à survenir chez les individus avec un « central core disease » , une pathologie musculaire connue pour être associée aux polymorphismes du RYR1 [64] [65]. Une mutation au niveau de la sous-unité ₁ du canal calcique voltage dépendant est également présente dans 1 % des cas de SHM en Amérique du Nord. Contrairement au SHM, l'hépatite induite par l'halothane semble liée à une réponse immunitaire sous la dépendance des métabolites produits par le cytochrome CYP2E1 [66] [67]. Cette complication survient approximativement pour 1/10 000 patients [56]. Même s'il existe une tendance familiale, les mécanismes génétiques impliqués ne sont pas évidents, l'activité de l'enzyme CYP2E1 étant dépendante aussi bien de la masse corporelle, de l'alimentation, de la consommation d'alcool, de l'âge, que des polymorphismes génétiques mis en évidence à ce jour [56]. L'importance des études pharmacogénétiques sur les effets indésirables des anesthésiques inhalés contraste avec la quasi-absence de littérature évaluant l'influence de la génétique sur leurs effets hypnotiques.

CONCLUSION

Sur ces 10 dernières années, des progrès significatifs ont été fait dans la compréhension des mécanismes d'action des agents de l'anesthésie tant au niveau moléculaire, cellulaire qu'au niveau des systèmes neuronaux. Il existe maintenant de nombreux arguments pour dire qu'aux concentrations cliniques, la plupart des agents anesthésiques influence la fonction de récepteurs canaux associés à des neurotransmetteurs et plus particulièrement les récepteurs du GABA et du glutamate, au niveau synaptique et extrasynaptique. D'autres canaux ioniques comme les canaux voltage-dépendants et d'autres récepteurs sont également reconnus comme des cibles importantes des anesthésiques généraux. Les mutations spécifiques de ces cibles potentielles chez la souris se sont révélées de puissants outils pour identifier les régions et/ou les sites critiques pour l'action de ces agents anesthésiques. Cette approche permet un passage « élégant » entre les observations faite in vitro et l'analyse des effets anesthésiques généraux chez l'animal entier. Ces techniques, ainsi que la neuro-imagerie fonctionnelle, ont permis de progresser encore dans l'identification des cibles moléculaires et des structures du système nerveux central impliquées dans les principaux effets de ces agents comme l'immobilité, la sédation, l'hypnose ou encore l'amnésie. De nouveaux axes de recherche comme la pharmacogénétique des agents anesthésiques, bien qu'à leurs débuts et nécessitant des études génétiques sur des populations sélectionnées avec des phénotypes bien définis, sont des pistes intéressantes pour envisager d'optimiser l'efficacité et prévenir la toxicité de ces agents.

RÉFÉRENCES

1 Angel A. Central neuronal pathways and the process of anaesthesia. Br J Anaesth 1993 ; 71 : 148-63.

2 Hemmings HC, Jr, Akabas MH, Goldstein PA, et al. Emerging molecular mechanisms of general anesthetic action. Trends Pharmacol Sci 2005 ; 26 : 503-10.

3 Franks NP, Lieb WR. Molecular and cellular mechanisms of general anaesthesia. Nature 1994 ; 367 : 607-14.

4 Franks NP, Lieb WR. Which molecular targets are most relevant to general anaesthesia? Toxicol Lett 1998 ; 100-101 : 1-8.

5 Krasowski MD, Harrison NL. General anaesthetic actions on ligand-gated ion channels. Cell Mol Life Sci 1999 ; 55 : 1278-303.

6 Keita H, Henzel-Rouellé D, Dupont H, et al. Halothane and isoflurane increase spontaneous but reduce the N-methyl-D-aspartate-evoked dopamine release in the rat striatal slices. Anesthesiology 1999 ; 91 : 1788-97.

7 Keita H, Lecharny JB, Henzel D, et al. Is inhibition of dopamine uptake relevant to the hypnotic action of iv anaesthetics? Br J Anaesth 1996 ; 77 : 254-56.

8 Salord F, Keita H, Lecharny JB, et al. Halothane and isoflurane differentially affect the regulation of dopamine and gamma-aminobutyric acid release mediated by presynaptic acetylcholine receptors in the rat striatum. Anesthesiology 1997 ; 86 : 632-41.

9 Ortells MO, Lunt GG. Evolutionary history of the ligand-gated ion-channel superfamily of receptors. Trends Neurosci 1995 ; 18 : 121-27.

10 Dingledine R, Borges K, Bowie D, et al. The glutamate receptor ion channels. Pharmacol Rev 1999 ; 51 : 7-61.

11 Kandel ER, Schwartz JH, Jessel TM. Directly gated transmission at central synapses. Principles of neuronal science. Third edition. Edited by Lange Aa, 1991. p. 153-72.

12 Tomlin SL, Jenkins A, Lieb WR, et al. Stereoselective effects of etomidate optical isomers on gamma-aminobutyric acid type A receptors and animals. Anesthesiology 1998 ; 88 : 708-17.

13 Bai D, Pennefather PS, MacDonald JF, et al. The general anesthetic propofol slows deactivation and desensitization of GABA (A) receptors. J Neurosci 1999 ; 19 : 10635-46.

14 Jevtovic-Todorovic V, Todorovic SM, Mennerick S, et al. Nitrous oxide (laughing gas) is an NMDA antagonist, neuroprotectant and neurotoxin. Nat Med 1998 ; 4 : 460-3.

15 Raines DE, Claycomb RJ, Scheller M, et al. Nonhalogenated alkane anesthetics fail to potentiate agonist actions on two ligand-gated ion channels. Anesthesiology 2001 ; 95 : 470-7.

16 Flood P, Krasowski MD. Intravenous anesthetics differentially modulate ligand-gated ion channels. Anesthesiology 2000 ; 92 : 1418-25.

17 Flood P, Ramirez-Latorre J, Role L. ₄₂ neuronal nicotinic acetylcholine receptors in the central nervous system are inhibited by isoflurane and propofol, but a7-type nicotinic receptors are unaffected. Anesthesiology 1997 ; 86 : 859-65.

18 Violet JM, Downie DL, Nakisa RC, et al. Differential sensitivities of mammalian neuronal and muscle nicotinic acetylcholine receptors to general anesthetics. Anesthesiology 1997 ; 86 : 866-74.

19 Koltchine VV, Finn SE, Jenkins A, et al. Agonist gating and isoflurane potentiation in the human -aminobutyric acid type A receptor determined by the volume of a second transmembrane domain residue. Mol Pharmacol 1999 ; 56 : 1087-93.

20 Krasowski MD, Koltchine VV, Rick CE, et al. Propofol and other intravenous anesthethics have sites of action on the -aminobutyric acid type A receptor distinct from that for isoflurane. Mol Pharmacol 1998 ; 53 : 530-8.

21 Yamakura T, Mihic SJ, Harris RA. Amino acid volume and hydropathy of a transmembrane site determine glycine and anesthethic sensitivity of glycine receptors. J Biol Chem 1999 ; 274 : 23006-12.

22 Pistis M, Belelli D, McGurk K, et al. Complematary regulation of anaesthetic activation of human (_632L) and Drosophila (RDL) GABA receptors by a single amino acid residue. J Physiol 1999 ; 515 : 3-18.

23 Yamakura T, Mori H, Masaki H, et al. Different sensitivities of NMDA receptor channel subtypes to non-competitive antagonists. Neuroreport 1993 ; 4 : 687-90.

24 Yamakura T, Shimoji K. Subunit and site-specific pharmacology of the NMDA receptor channel. Prog Neurobiol 1999 ; 59 : 279-98.

25 Heurteaux C, Guy N, Laigle C, et al. TREK-1, a K⁺ channel involved in neuroprotection and general anesthesia. Embo J 2004 ; 23 : 2684-95.

26 Chen X, Sirois JE, Lei Q, et al. HCN subunit-specific and cAMP-modulated effects of anesthetics on neuronal pacemaker currents. J Neurosci 2005 ; 25 : 5803-14.

27 Wan X, Mathers DA, Puil E. Pentobarbital modulates intrinsic and GABA-receptor conductances in thalamocortical inhibition. Neuroscience 2003 ; 121 : 947-58.

28 Berg-Johnsen J, Langmoen IA. The effects of isoflurane on excitatory transmission in the rat hippocampus. Acta Anaesthesiol Scand 1992 ; 36 : 350-5.

29 Frenkel C, Duch DS, Urban BW. Effects of iv anaesthetics on human brain sodium channels. Br J Anaesth 1993 ; 71 : 15-24.

30 Fujiwara N, Higashi H, Nishi S, et al. Changes in spontaneous firing patterns of rat hippocampal neurones induced by volatile anaesthetics. J Physiol 1988 ; 402 : 155-75.

31 Urban BW. Differential effects of gaseous and volatile anaesthetics on sodium and potassium channels. Br J Anaesth 1993 ; 71 : 25-38.

32 Catterall WA. Structure and fonction of voltage-gated ion channels. Annu Rev Biochem 1995 ; 64 : 493-531.

33 Yu FH, Catterall WA.The VGL-chanome: a protein superfamily specialized for electrical signaling and ionic homeostasis. Sci STKE 2004 ; 2004 : re15.

34 Schlame M, Hemmings HC. Inhibition by volatile anaesthetics of endogenous glutamate release from synaptosomes by a presynaptic mechanism. Anesthesiology 1995 ; 82 : 1406-16.

35 Westphalen RI, Hemmings HC, Jr. Selective depression by general anesthetics of glutamate versus GABA release from isolated cortical nerve terminals. J Pharmacol Exp Ther 2003 ; 304 : 1188-96.

36 Ouyang W, Hemmings HC, Jr. Depression by isoflurane of the action potential and underlying voltage-gated ion currents in isolated rat neurohypophysial nerve terminals. J Pharmacol Exp Ther 2005 ; 312 : 801-8.

37 Ouyang W, Wang G, Hemmings HC, Jr. Isoflurane and propofol inhibit voltage-gated sodium channels in isolated rat neurohypophysial nerve terminals. Mol Pharmacol 2003 ; 64 : 373-81.

38 Wu XS, Sun JY, Evers AS, et al. Isoflurane inhibits transmitter release and the presynaptic action potential. Anesthesiology 2004 ; 100 : 663-70.

39 Jurd R, Arras M, Lambert S, et al. General anesthetic actions in vivo strongly attenuated by a point mutation in the GABA (A) receptor beta3 subunit. Faseb J 2003 ; 17 : 250-2.

40 Sonner JM, Zhang Y, Stabernack C, et al. GABA (A) receptor blockade antagonizes the immobilizing action of propofol but not ketamine or isoflurane in a dose-related manner. Anesth Analg 2003 ; 96 : 706-12.

41 Reynolds DS, Rosahl TW, Cirone J, et al. Sedation and anesthesia mediated by distinct GABA (A) receptor isoforms. J Neurosci 2003 ; 23 : 8608-17.

42 Grasshoff C, Rudolph U, Antkowiak B. Molecular and systemic mechanisms of general anaesthesia: the ‘multi-site and multiple mechanisms' concept. Curr Opin Anaesthesiol 2005 ; 18 : 386-91.

43 Belelli I, Pistis I, Peters JA, et al. General anaesthetic action at transmitter-gated inhibitory amino acid receptors. Trends Pharmacol Sci 1999 ; 20 : 496-502.

44 Hentschke H, Schwarz C, Antkowiak B. Neocortex is the major target of sedative concentrations of volatile anaesthetics: strong depression of firing rates and increase of GABA_A receptor-mediated inhibition. Eur J Neurosci 2005 ; 21 : 93-102.

45 Heinke W, Fiebach CJ, Schwarzbauer C, et al. Sequential effects of propofol on functional brain activation induced by auditory language processing: an event-related functional magnetic resonance imaging study. Br J Anaesth 2004 ; 92 : 641-50.

46 Rudolph U, Crestani F, Benke D, et al. Benzodiazepine actions mediated by specific -aminobutyric acidA receptor subtypes. Nature 1999 ; 401 : 796-800.

47 Mohler H, Fritschy JM, Rudolph U. A new benzodiazepine pharmacology. J Pharmacol Exp Ther 2002 ; 300 : 2-8.

48 Pasternak T, Greenlee MW. Working memory in primate sensory systems. Nat Rev Neurosci 2005 ; 6 : 97-107.

49 Caraiscos VB, Newell JG, You-Ten KE, et al. Selective enhancement of tonic GABAergic inhibition in murine hippocampal neurons by low concentrations of the volatile anesthetic isoflurane. J Neurosci 2004 ; 24 : 8454-8.

50 Alkire MT, Nathan SV. Does the amygdala mediate anesthetic-induced amnesia? Basolateral amygdala lesions block sevoflurane-induced amnesia. Anesthesiology 2005 ; 102 : 754-60.

51 Alkire MT, Vazdarjanova A, Dickinson-Anson H, et al. Lesions of the basolateral amygdala complex block propofol-induced amnesia for inhibitory avoidance learning in rats. Anesthesiology 2001 ; 95 : 708-15.

52 Ranft A, Kurz J, Deuringer M, et al. Isoflurane modulates glutamatergic and GABAergic neurotransmission in the amygdala. Eur J Neurosci 2004 ; 20 : 1276-80.

53 Pleym H, Spigset O, Kharasch ED, et al. Gender differences in drug effects: implications for anesthesiologists. Acta Anaesthesiol Scand 2003 ; 47 : 241-59.

54 Hoymork SC, Raeder J, Grimsmo B, et al. Bispectral index, predicted and measured drug levels of target-controlled infusions of remifentanil and propofol during laparoscopic cholecystectomy and emergence. Acta Anaesthesiol Scand 2000 ; 44 : 1138-44.

55 Vuyk J, Oostwouder CJ, Vletter AA, et al. Gender differences in the pharmacokinetics of propofol in elderly patients during and after continuous infusion. Br J Anaesth 2001 ; 86 : 183-8.

56 Palmer SN, Giesecke NM, Body SC, et al. Pharmacogenetics of anesthetic and analgesic agents. Anesthesiology 2005 ; 102 : 663-71.

57 Qin XP, Xie HG, Wang W, et al. Effect of the gene dosage of CgammaP2C19 on diazepam metabolism in Chinese subjects. Clin Pharmacol Ther 1999 ; 66 : 642-6.

58 Bertilsson L. Geographical/interracial differences in polymorphic drug oxidation. Current state of knowledge of cytochromes P450 (CYP) 2D6 and 2C19. Clin Pharmacokinet 1995 ; 29 : 192-209.

59 Goh BC, Lee SC, Wang LZ, et al. Explaining interindividual variability of docetaxel pharmacokinetics and pharmacodynamics in Asians through phenotyping and genotyping strategies. J Clin Oncol 2002 ; 20 : 3683-90.

60 Shih PS, Huang JD. Pharmacokinetics of midazolam and 1'-hydroxymidazolam in Chinese with different CYP3A5 genotypes. Drug Metab Dispos 2002 ; 30 : 1491-6.

61 Wandel C, Witte JS, Hall JM, et al. CYP3A activity in African American and European American men: population differences and functional effect of the CYP3A4*1B5'-promoter region polymorphism. Clin Pharmacol Ther 2000 ; 68 : 82-91.

62 Girard T, Urwyler A, Censier K, et al. Genotype-phenotype comparison of the Swiss malignant hyperthermia population. Hum Mutat 2001 ; 18 : 357-8.

63 Stewart SL, Hogan K, Rosenberg H, et al. Identification of the Arg1086His mutation in the alpha subunit of the voltage-dependent calcium channel (CACNA1S) in a North American family with malignant hyperthermia. Clin Genet 2001 ; 59 : 178-84.

64 Guis S, Figarella-Branger D, Monnier N, et al. Multiminicore disease in a family susceptible to malignant hyperthermia: histology, in vitro contracture tests, and genetic characterization. Arch Neurol 2004 ; 61 : 106-13.

65 Robinson RL, Brooks C, Brown SL, et al. RYR1 mutations causing central core disease are associated with more severe malignant hyperthermia in vitro contracture test phenotypes. Hum Mutat 2002 ; 20 : 88-97.

66 Eliasson E, Gardner I, Hume-Smith H, et al. Interindividual variability in P450-dependent generation of neoantigens in halothane hepatitis. Chem Biol Interact 1998 ; 116 : 123-41.

67 Kharasch ED, Hankins D, et al. Identification of the enzyme responsible for oxidative halothane metabolism: implications for prevention of halothane hepatitis. Lancet 1996 ; 347 : 1367-71.