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Pneumologie
Préservation ischémique du poumon
Cours de pneumologie
 

 

Introduction :

La durée de préservation ischémique d’un poumon prélevé sur un donneur en état de mort cérébrale est l’un des facteurs limitant l’expansion de la transplantation pulmonaire et ceci indépendamment de la technique chirurgicale employée :

transplantations monopulmonaire (TMP), bipulmonaire (TBP), coeurpoumons (TCP).

En effet, les méthodes de conservation actuellement utilisées, n’autorisent pas à dépasser 6 à 8 heures d’ischémie.

Des travaux expérimentaux permettent d’atteindre jusqu’à 36-48 heures d’ischémie, avec un déficit qualitatif de la ventilation et de la perfusion pulmonaire dû au double traumatisme de procédures des prélèvement-transplantation et d’ischémie-reperfusion, hors mécanismes de rejet.

Cliniquement, l’altération du greffon se caractérise par une augmentation des résistances et de la perméabilité vasculaire, traduisant la présence d’un oedème pulmonaire.

Il a été montré que l’importance du syndrome de reperfusion est proportionnelle à la durée d’ischémie.

Les progrès réalisés dans la préservation des poumons et concernant la tolérance ischémique (amélioration du potentiel de récupération) sont faibles, si on les compare à ceux obtenus dans d’autres domaines de transplantation.

Ce travail examine les éléments physiopathologiques de l’ischémie pulmonaire, afin de comparer les différentes stratégies de protection.

Physiopathologie des lésions pulmonaires au cours de l’ischémie-reperfusion :

Plusieurs phénomènes sont à l’origine des dommages cellulaires.

– Altération de l’endothélium.

L’endothélium des vaisseaux pulmonaires, siège de réactions immunologiques spécifiques et producteur majeur de radicaux libres, représente l’élément le plus sensible au phénomène d’ischémie-reperfusion à l’origine d’une augmentation de la perméabilité capillaire et de la formation d’oedème interstitiel.

Schématiquement, les mécanismes physiopathologiques observés sont les suivants : passage de la glycolyse aérobie à la glycolyse anaérobie avec déphosphorylation des nucléotides, altération des pompes Na+/K+-Ca++ ATPases et baisse du pH intracellulaire.

– Activation des leucocytes et des plaquettes, suivie d’une dégranulation des neutrophiles et du relargage des médiateurs chimiques de l’inflammation (kinines vasoactives, platelet activating factor [PAF]), stimulation de la cascade du complément.

– Formation au niveau des membranes cellulaires de l’acide arachidonique et synthèse de ses principaux métabolites vasoconstrictifs : thromboxane et leucotriènes, contribuant au no reflow phenomenon.

– Production de radicaux libres, molécules très réactives ayant un électron célibataire.

Les radicaux libres se forment principalement à la reperfusion de l’organe, suite à la réintroduction de l’oxygène. Pendant l’ischémie, la dégradation des nucléotides adényliques phosphorylés (acide adénosine tri-, di-, monophosphorique [ATP, ADP, AMP]), conduit à la formation d’adénosine, d’inosine et d’hypoxanthine.

L’hypoxanthine est ensuite catalysée par la xanthine oxydase, dérivée de la xanthine déshydrogénase, pour produire la xanthine, le radical superoxyde (O2–) et le peroxyde d’hydrogène (H2O2).

L’anion superoxyde est transformé en radical hydroxyle (OH–) et en oxygène singulet (O2), comme décrit par la réaction de Haber-Weiss catalysée par Fe++ (O2– + H2O2 ®® O2 + 2 OH–).

Les radicaux libres provoquent :

– la peroxydation des lipides (acide gras polyinsaturés et phospholipides) de membrane, au niveau cytoplasmique (cellules endothéliales en particulier) et des organites intracellulaires (mitochondries et lysosomes) ;

– la dépolymérisation de mucopolysaccarides ;

– l’oxydation des protéines sulfhydriques ;

– la lésion de l’acide désoxyribonucléique (ADN).

Méthodes de recherche concernant la préservation pulmonaire :

La recherche, dans le domaine de la préservation pulmonaire, a connu des difficultés pour élaborer des modèles standardisés et facilement reproductibles.

Les procédures de TMP, TBP et TCP ont été conçues chez le porc, le chien et le bovin (The Johns Hopkins Hospital, en ce qui concerne la technique chirurgicale).

La TBP représente le modèle idéal même s’il a été exclusivement utilisé dans des protocoles en « aigu », du fait de la dépendance de la respiration spontanée au réflexe de Hering et Breuer.

La TMP a pour conséquence, au contraire, une interférence fonctionnelle du poumon natif ; de plus, on ne peut pas pratiquer de pneumonectomie du poumon natif, ni de ligature de l’artère pulmonaire, du fait du taux excessif de mortalité et de la redistribution forcée de tout le débit cardiaque dans le poumon transplanté.

Des dispositifs gonflables, placés autour de l’artère pulmonaire du poumon natif et reliés à des réservoirs sous-cutanés, se sont révélés utiles ; des insufflations séquentielles et des exclusions fonctionnelles transitoires sont réalisables afin de comparer la fonction des deux poumons d’un point de vue ventilatoire, gazométrique et hémodynamique.

Le problème du rejet a incité les auteurs à l’élaboration de modèles d’autotransplantation qui présentent des difficultés techniques majeures, avec thrombose des anastomoses vasculaires.

Pour supprimer la dysfonction précoce du greffon, des protocoles d’ischémie ex vivo, constitués d’un poumon ou d’un lobe isolé et perfusé, ont été mis au point.

Les inconvénients de cette technique sont dus à la tendance spontanée du poumon ou du lobe isolé, une fois perfusé, à développer une hypertension et un oedème pulmonaire dans un délai inférieur à celui observé au cours des modèles in vivo.

Wang et al utilisent un protocole ex vivo d’évaluation fonctionnelle en perfusant le poumon gauche du lapin pendant 10 minutes avec du sang autologue.

Récemment ce modèle a été modifié par Weder et al grâce à l’introduction d’un circuit paracorporel, ce qui a permis d’augmenter le temps de reperfusion de 10 à 60 minutes.

Les animaux de petite taille permettent de réaliser des protocoles expérimentaux au coût réduit, en éliminant l’interférence du phénomène de rejet grâce à la sélection des souches identiques d’un point de vue génétique.

Toutefois chez les rats et les lapins, l’évaluation de l’hémodynamique pulmonaire et du débit cardiaque est difficile.

Actuellement, l’orientation des auteurs est d’utiliser les modèles ex vivo et les animaux de petite taille afin d’élaborer des lignes guides expérimentales, avant le passage à des modèles animaux de grande taille.

Méthodes d’évaluation qualitative de la préservation pulmonaire :

Pour apprécier la qualité d’une préservation pulmonaire, il n’existe pas de méthode standardisée valable pour tous les protocoles expérimentaux.

Différents critères ont été mis au point :

– l’évaluation du degré d’activité métabolique pendant la préservation ischémique avec la réalisation de courbes de consommation de glucose, de production de lactate et de CO2 ;

– l’évaluation du potentiel énergétique résiduel grâce à la méthode de spectroscopie par résonance magnétique nucléaire ;

– la mesure de la peroxydation lipidique par le dosage du lipidsoluble schiff bases et des métabolites réactifs de l’acide thiobarbiturique (TBA) ;

– l’évaluation de l’intégrité de la membrane alvéolocapillaire en considérant les variations pathologiques de perméabilité, donc le contenu hydrique du parenchyme pulmonaire, grâce à :

– la mesure de l’eau extravasculaire à l’aide de multiples indicateurs de dilution (colorants ou traceurs radioactifs) ;

– l’étude de la variation du coefficient de filtration (kfc) ;

– l’évaluation de l’activation des neutrophiles (méthode de chimiluminescence) ;

– l’évaluation de la morphologie pulmonaire en microscopie optique (peu spécifique) et électronique (d’intérêt qualitatif).

En effet, les altérations morphostructurales du poumon ischémique (oedème alvéolaire, hémorragies localisées, destruction de la membrane alvéolocapillaire) sont hétérogènes et dépendantes de la durée d’ischémie.

Méthodes de préservation du poumon :

Trois méthodes de préservation de l’organe, en vue de transplantation, sont actuellement proposées :

– le refroidissement topique (topical cooling) ;

– la perfusion-lavage (single flush perfusion, cold flushing) ;

– le refroidissement corporel total du donneur par circulation extracorporelle (CEC) ou donor core cooling on CPB (cardio-pulmonary bypass.

A - REFROIDISSEMENT TOPIQUE :

Le refroidissement topique de l’organe doit être effectué, selon l’expérience de Nakamoto et al, à 8-9 °C afin d’éviter l’obstruction vasculaire pulmonaire due à l’hypothermie.

Cette technique toutefois est désuète, si on considère l’étude de Wang et al qui ont constaté une mauvaise qualité de préservation avec le topical cooling comparé au single flush perfusion.

B - PERFUSION-LAVAGE :

La technique de perfusion-lavage par flush dans l’artère pulmonaire, suivie du stockage statique à froid de l’organe, est actuellement la plus utilisée.

Historiquement, plusieurs solutions ont été employées en clinique et dans les protocoles expérimentaux, afin de réduire le dommage d’ischémie-reperfusion.

Les objectifs d’une solution idéale sont les suivants :

– limiter la stagnation et l’expansion de l’oedème interstitiel pulmonaire ;

– inhiber l’oedème et l’acidose intracellulaire ;

– prévenir la production des radicaux libres ;

– fournir des métabolites pour la reprise énergétique au moment de la reperfusion. Un nombre majeur d’expériences utilise la solution de Collins, additionnée aux prostaglandines (solution Euro-Collins [EC]).

Il s’agit d’une solution cristalloïde de type intracellulaire, avec l’objectif théorique d’éliminer les gradients électrochimiques de sodium et de potassium entre les compartiments intra- et extracellulaires, réduisant ainsi les flux ioniques.

Des travaux ont montré que le taux élevé de K+ a pour conséquences :

– une dépolarisation persistante des cellules musculaires lisses de la paroi vasculaire, à l’origine de l’ouverture des canaux calciques lents et de la vasoconstriction ;

– l’augmentation intracellulaire de K+, provoquant des lésions cellulaires directes.

Une concentration intracellulaire élevée d’AMP cyclique (AMPc) et de l’acide guanosine monophosphorique cyclique (GMPc) est à la base de la relaxation des muscles lisses de la paroi vasculaire.

Pendant l’ischémie-reperfusion, il y a une réduction de l’AMPc, produit en réponse à l’isoprotérénol, et du GMPc, produit en réponse à l’acétylcholine.

L’accroissement des résistances vasculaires (combattu par l’infusion systématique de prostaglandine) induit une distribution non homogène du liquide de perfusion, par la mise en fonction des shunts artérioloveineux.

Ceci provoque l’existence de zones parenchymateuses où les globules blancs, les plaquettes et le complément, résistant au lavage de l’organe, restent activés.

La vasoconstriction entraîne la réduction du flux microcirculatoire pulmonaire à la reperfusion (no reflow phenomenon), accentuée par l’englobement des globules rouges, du fait de la perte d’élasticité de la membrane, et par la formation d’agrégats leucoplaquettaires.

Enfin, la vasoconstriction est à l’origine d’une hypertension artérielle pulmonaire (HTAP) qui, du fait de la destruction parcellaire de la barrière endothéliale, provoque une exsudation interstitielle et un oedème pulmonaire.

Les inconvénients liés à l’emploi d’une solution intracellulaire ont incité à l’élaboration de liquides de type extracellulaire.

Plusieurs formules extracellulaires ont été proposées.

– Solution de Fujimura, caractérisée par la présence de dextran et de phosphates, modifiée en LPD (low-potassium-dextran solution) par Cooper.

Ce dernier ajoute actuellement du glucose à 1 %, avec l’intention de fournir un terrain métabolique pendant l’ischémie.

Le dextran 40 est un polysaccharide pluriramifié qui améliore la fonction pulmonaire à la reperfusion.

Ces molécules recouvrent les globules rouges et, à la suite de la glycolysation des protéines membranaires, permettent leur désagrégation et leur déformation.

Le dextran joue aussi un rôle antithrombotique, en revêtant les cellules endothéliales et les plaquettes, ce qui empêche leur activation.

Il n’a pas la fonction de scavengers, du fait de sa compartimentation vasculaire due à son haut poids moléculaire. Hausen et al ont montré une compliance pulmonaire et une différence d’oxygénation alvéoloartérielle améliorées, à 16 heures d’ischémie, avec la LPD en comparaison à l’EC hyperkaliémique, l’EC hypokaliémique et la Wisconsin (UW) originale.

Binns et al ont confirmé la bonne qualité de préservation obtenue par la LPD face à l’EC à 18 heures d’ischémie : une composante hématique ajoutée à la formule classique de LPD semble inutile.

Grâce à l’utilisation de la LPD classique par rapport à la LPD hématique, King et al ont constaté, d’une part, une réduction de la pression artérielle pulmonaire (PAP) et des résistances vasculaires pulmonaires (RVP) et, d’autre part, une meilleure oxygénation après 36 heures et 48 heures d’ischémie froide.

– Solution UCLA, qui contient du vérapamil (10 mg/L) et de l’insuline (80 U/L).

Hachida et al, dans un protocole d’autotransplantation sur chien, ont trouvé, après la greffe, une augmentation de la PaO2 et une réduction des résistances artériolaires pulmonaires avec UCLA, si on la compare à la solution de Collins.

La préservation avec UCLA nécessite un lavage supplémentaire du poumon avant la reperfusion, sans vérapamil, afin d’éviter l’effet inotrope négatif dû au Ca++ bloqueur.

– Solution de Papworth qui associe prostacycline, héparine, mannitol, albumine et sang du donneur (500 mL environ).

Xiong et al ont trouvé, à 4 heures et 6 heures d’ischémie, une augmentation réduite du coefficient de filtration et des résistances pulmonaires avec cette solution, par rapport à l’EC, la LPD et l’UW.

Cet effet est accentué en ajoutant de la prostacycline et de la L-arginine.

Hooper et al, au contraire, ont noté une augmentation des résistances vasculaires pulmonaires à 1 heure, une diminution de la compliance pulmonaire à 12 et 24 heures et un oedème plus important avec la Papworth modifiée, en comparaison à l’EC, les deux associées à iloprost.

– Solution de Wisconsin (Belzer University of Wisconsin - UW) hypokaliémique.

Elle a été utilisée au départ pour les organes parenchymateux (foie, pancréas, rein).

Son application en transplantation pulmonaire a été réalisée à la Mayo Clinic. L’UW, à l’origine de nature intracellulaire (taux élevé de potassium, 125 mmol/L), caractérisée par du lactobionate, du raffinose et du glutathion réduit (ce dernier métaboliquement actif contre les radicaux libres), a été ensuite modifiée en réduisant la concentration de K+.

Miyoshi et al ont montré que l’UW hypokaliémique donne, par rapport à l’UW originale, une meilleure qualité de préservation pulmonaire sur laquelle le lactobionate et le raffinose ne semblent avoir aucune influence.

Oka et al ont souligné que la protection au moyen de l’UW hypokaliémique et de la LPD, par rapport à celle observée avec l’UW originale et l’EC, se caractérise par un oedème mineur, une PAP moyenne réduite et une amélioration de l’hématose.

Naka et al, au contraire, ont remarqué un accroissement important des RVP et de l’oedème, à 24 heures d’ischémie, dans un modèle de transplantation coeur-poumons chez le chien en utilisant l’UW.

Kawara et al ont montré, sur le poumon isolé de chien après 24 heures d’ischémie, une dégradation de la compliance et une augmentation des résistances, vasculaires pulmonaires et des voies aériennes, avec l’EC par rapport à l’UW sans différence significative de la PO2 entre les deux groupes, après reperfusion.

– Solution Celsior, dans laquelle on retrouve lactobionate-mannitolglutathion réduit, a été conçue par Menasche et al comme solution cardioplégique.

Son utilisation, en tant que solution pneumoplégique, a été envisagée en comparaison avec la Papworth ; Reignier et al ont constaté, à 4 heures d’ischémie, une réduction de l’augmentation du coefficient de filtration, donc de la perméabilité microvasculaire pulmonaire.

Wittwer et al ont ensuite comparé la préservation obtenue avec Celsior (CE), Celsior plus prostacycline (CEPG, 6 mg/100 mL) et EC hypokaliémique (LPEC, 40 mmol/L de K+).

L’évaluation a été réalisée à la reperfusion (10, 20, 30, 40, 50 minutes), après 2 heures d’ischémie, dans un modèle ex vivo chez le rat (extracorporeal lung circuit). Les résultats ont montré :

– une capacité d’oxygénation (relative oxygen capacity) supérieure avec la CE par rapport à la LPEC ; l’addition de prostacycline (CEPG) ne semble avoir aucun effet ;

– des résistances vasculaires pulmonaires réduites dans le groupe CE ;

– un pic de pression à l’inspiration plus élevé avec LPEC ;

– un rapport poids frais/poids sec (wet/dry ratio) inférieur dans les groupes CE et CEPG face au groupe LPEC.

Comme on peut le constater d’après la littérature, les résultats des différentes études sont souvent contradictoires et le choix du liquide de lavage est fonction de l’expérience de chaque auteur.

En ce qui nous concerne, nous utilisons actuellement la solution UW hypokaliémique.

Refroidissement corporel total du donneur par by-pass cardiopulmonaire :

Le refroidissement corporel total du donneur en CEC a été proposé par Baumgartner et al et par Yacoub et al.

Le donneur, qui présente une canulation artérielle (aorte ou artère fémorale droite) et une double canulation veineuse (oreillette droite ou veines caves supérieure et inférieure), est relié à une machine coeur-poumon de type portatif avec échangeur de chaleur.

Le prélèvement de l’organe est effectué dans un état d’hypothermie profonde du donneur (hypothermie idéale : 10 °C), sans le recours à aucune solution de lavage.

Le sang du donneur est le vecteur qui induit le refroidissement contemporain et uniforme des organes car il est riche en substrats métaboliques, en colloïdes (effet osmotique) et en scavengers physiologiques.

Cette technique permet :

– de régler le niveau d’hypothermie ;

– d’effectuer des dissections et des prélèvements soigneux.

Les désavantages sont les suivants :

– difficulté de transport ;

– nécessité d’une assistance technique qualifiée ;

– hypoperfusion pulmonaire progressive ;

– activation intrapulmonaire du complément, avec séquestration des leucocytes et des plaquettes, du fait de l’introduction de la CEC.

La CEC est la limite majeure dans l’application du core cooling et une des causes de dysfonction de l’organe.

En effet, la CEC est à l’origine, comme l’a montré l’étude de Le Deist et al, d’une réaction inflammatoire généralisée dont les caractéristiques principales sont :

– l’adhésion des neutrophiles à l’endothélium vasculaire, sous le contrôle d’une part de la L-sélectine et des b2-intégrines leucocytaires (exprimées en réponse au composant C5a du complément, au PAF et à l’interleukine 8), d’autre part de la P-sélectine (exprimée en réponse à l’histamine et à la thrombine), de la E-sélectine et de l’ICAM-1 endothéliales (exprimées en réponse aux cytokines) ;

– la migration transendothéliale des neutrophiles activés qui vont libérer des radicaux libres et des enzymes protéolytiques.

Bando et al ont constaté, à 6 heures d’ischémie, une réduction de l’augmentation des résistances vasculaires pulmonaires tandis que Fraser et al ont trouvé, à 4 et 6 heures d’ischémie, un score histologique amélioré grâce à la technique du core cooling.

Au contraire, l’étude comparative de Locke et al a montré une amélioration significative des paramètres gazométriques avec la méthode de perfusion-lavage, par rapport au core cooling.

Le Gal et al, dans un protocole sur ovins, ont essayé de prolonger la durée de la préservation jusqu’à 12 heures d’ischémie totale.

Ils ont utilisé la méthode du core cooling, induit l’arrêt cardioplégique avec une solution à base de St Thomas additionné de superoxyde dismutasecatalase-déféroxamine.

Après le prélèvement, le stockage statique à froid (4 °C) du bloc coeur-poumons a été effectué pendant 8,5 heures dans du St Thomas modifié par l’association d’un tampon phosphate, de pénicilline (240 mg/L) et de molécules ayant une action de scavengers.

Néanmoins, la survie des animaux transplantés a été décevante.

Rôle de l’hyperinsufflation pulmonaire et de la température de conservation :

Dans le but d’optimiser le prélèvement de l’organe, on a pu constater l’influence prépondérante de l’hyperinsufflation pulmonaire et de la température, pendant le stockage ischémique.

L’hyperinsufflation pulmonaire est obtenue en ventilant les poumons, pendant le lavage, avec des volumes courants élevés (supérieurs à 20 mL par acte respiratoire) et une pression expiratoire positive (5 cm H20).

Cette procédure facilite une distribution homogène de la solution de préservation et la production de surfactant alvéolaire, mais augmente la perméabilité de la membrane alvéolocapillaire.

Si l’oxygène à 100 % n’est pas impératif, on n’a pas encore établi de valeur optimale de FiO2 capable d’éviter ou de limiter la formation des radicaux libres.

Van Raemdonck et al ont montré, dans un modèle post mortem chez le lapin, que les taux d’ATP et nucléotides adényliques totaux (ATP, ADP, AMP) au niveau du parenchyme pulmonaire, ne présentent pas de variation importante à condition de ventiler les animaux soit en air à 24 °C ou 4 °C, soit en oxygène à 100 %.

En revanche, on retrouve une différence significative des taux d’hypoxanthine entre le groupe ventilé en air et le groupe ventilé à 100 % d’oxygène (1,17 ± 0,37 versus 2,87 ± 0,56 µmol/g à 2 heures ; 3,03 ± 0,49 versus 5,88 ± 0,35 µmol/g à 24 heures respectivement).

La température idéale pendant le stockage ischémique du poumon reste un paramètre très difficile à ajuster.

L’hypothermie est nécessaire afin de réduire le métabolisme cellulaire en préservant les réserves énergétiques mais elle ne permet pas le maintien d’un seuil minimal d’activité métabolique, donc la sauvegarde des mécanismes d’homéostasie (homéostasie des membranes cellulaires, calcique et de transport des ions).

Au niveau pulmonaire, grâce à l’hyperinsufflation, il est possible de garantir des conditions d’aérobie pendant la préservation avec production d’ATP.

L’ATP, disponible au moment de la reperfusion, est synthétisée par la « respiration mitochondriale » et permet le fonctionnement des pompes Na+/K+ -Ca++ ATPases qui inhibent l’oedème cellulaire.

Date et al considèrent que la température idéale de conservation est de 10 °C, par rapport à :

– 4 °C, où ils ont constaté une augmentation des résistances vasculaires pulmonaires et une réduction de la tension artérielle d’oxygène après transplantation ;

– 22 °C, température à laquelle ils ont mesuré une diminution de 28 % du taux d’ATP après 18 heures de préservation. Wang et al ont trouvé une meilleure fonction postischémique avec un flush de LPD à 23 °C versus 10 °C.

Protection contre les radicaux libres :

Les scavengers sont des molécules capables d’interagir chimiquement avec un radical libre, en le neutralisant.

Physiologiquement, l’organisme possède des systèmes endogènes qui inhibent les radicaux libres.

Ce sont :

– les enzymes antioxydantes superoxyde dismutase (SOD), catalase (CAT) et glutathion peroxydase ;

– la vitamine E ;

– l’ascorbate ;

– la cystéine et la cystéamine.

La SOD catalyse la conversion de l’anion superoxyde en peroxyde d’hydrogène, tandis que la CAT exerce son action de scavenger contre le H2O2.

L’administration exogène de superoxyde dismutase s’est révélée être contre-indiquée, tant pour sa demi-vie plasmatique brève (25 minutes) que pour son antigénicité potentielle.

En outre, comme la catalase, cette molécule a un poids moléculaire élevé qui limite son action au compartiment extracellulaire.

Dans le but de résoudre ce problème, des formes de « recombinaison liposomiale » ont été élaborées en l’associant à de la phosphatidylcholine, du cholestérol ou du « dicétylphosphate ».

Celles-ci réduisent le dommage d’ischémie-reperfusion en facilitant son passage endocellulaire grâce à un mécanisme d’absorption par endocytose, comme l’ont montré Bando et al.

Une des molécules endogènes est représentée par le glutathion dans sa forme réduite GSH, qui est le substrat physiologique idéal dans la protection du processus d’oxydation (il prévient notamment l’oxydation des protéines sulfhydriques).

En effet, le glutathion réduit active l’enzyme glutathion peroxydase qui catalyse l’inactivation du peroxyde d’hydrogène et des autres peroxydes lipidiques.

La transformation du glutathion oxydé en sa forme réduite GSH est catalysée par deux enzymes : la glutathionréductase et la glucose-6-phosphate déshydrogénase.