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Transports ioniques dans les épithéliums respiratoires

Transports ioniques dans les épithéliums respiratoires. Dr Carole Planès MSBM 2005-06. PLAN. Transports ioniques dans l’épithélium alvéolaire Rappels anatomiques Forces passives régissant les échanges d’eau au niveau alvéolaire Notion de transport actif d’ions par l’épithélium alvéolaire

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Transports ioniques dans les épithéliums respiratoires

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Presentation Transcript

  1. Transports ioniquesdans les épithéliums respiratoires Dr Carole Planès MSBM 2005-06

  2. PLAN • Transports ioniques dans l’épithélium alvéolaire • Rappels anatomiques • Forces passives régissant les échanges d’eau au niveau alvéolaire • Notion de transport actif d’ions par l’épithélium alvéolaire • Mécanismes de la réabsorption d’ions Na+, d’ions Cl- et d’eau • Importance physiologique de la clairance du fluide alvéolaire • Transports ioniques dans l’épithélium des voies aériennes • Rappels anatomiques • Régulation du volume de la phase SOL périciliaire • Réabsorption active de Na+ - Sécrétion active de Cl- • La protéine CFTR • La mucoviscidose

  3. Transports ioniquesdans l’épithélium alvéolaire

  4. T : bronchiole terminale; R : bronchiole respiratoire; V : vaisseau AD : canal alvéolaire; AS : sac alvéolaire; A : alvéole

  5. Alv. O2 GR CO2 P1 P2 Alv. Alv. Epithélium alvéolaire P1 : pneumocyte de type 1 1/3 des pneumocytes 95% de la surface P2 : pneumocyte de type 2 2/3 des pneumocytes 5% de la surface

  6. Oedème pulmonaire

  7. Origine inconnue Composition : [Na+] ~ 135 mM [K+] ~ 7.3 mM pH ~ 6.9 Protéines : conc. proche du plasma Epaisseur ~ 200 nm Hypophase alvéolaire (Epithelial lining fluid) Hypophase

  8. . Q = k [ (PHc – PHi) – (c– i)] H20 Pulmonary capillary Interstitium PHc : pression hydraulique capillaire PHi : pression hydrostatique interstitielle pc : pression oncotique capillaire PHc > PHi pi : pression oncotique interstitielle pc >pi lymph Endothelium

  9. Pulmonary capillary Interstitium Alveolus Surface tension PHc > PHi ? pi p A ? pc >pi PHi PHA > PHi ? Hypophase lymph Endothelium Epithelium

  10. Méthode de mesure de la réabsorption du fluide alvéolaire (« Clairance alvéolaire »)

  11. Alveolar liquid clearance in the sheep 50 40 serum Excess Lung Water (ml) 30 Ringer lactate 20 2 4 hours Matthay et al, J. Appl. Physiol. 1982

  12. 70 60 50 Protein Oncotic Pressure (mmHg) 40 30 20 6 8 10 12 Alveolar protein concentration (g/100 ml) Alveolar Fluid Clearance in Sheep

  13. LA REABSORPTION DE LIQUIDE INTRA ALVEOLAIRE PHENOMENE ACTIF ? • Réabsorption du liquide intra alvéolaire malgré p alvéolaire élevée • Réabsorption du liquide alvéolaire dépendant de la température • Réabsorption du liquide alvéolaire persistant dans un poumon non ventilé • Inhibition de la réabsorption par un inhibiteur du transport du Na+ (amiloride) administré dans l’instillat, ou par un inhibiteur de la Na,K-ATPase (ouabaïne) dans le perfusat.

  14. TRANSPORTS DES IONS ET D’EAU DANS LES EPITHELIUMS Apical Cl- ddp ? H2O Na+ Cl- Basolatéral

  15. TRANSPORTS DES IONS ET D’EAU DANS LES EPITHELIUMS Apical Na+ Cl- ddp ? H2O Na+ Basolatéral

  16. TRANSPORTS DES IONS ET D’EAU DANS LES EPITHELIUMS Apical Na+ Cl- Cl- ddp ? H2O Na+ Na+ Cl- Basolatéral

  17. TRANSPORTS TRANSMEMBRANAIRES

  18. Dépendance de la réabsorption vis-à-vis des ions Na+ et Cl- Instillat Poumon de rat Isolé-perfusé 150 (Basset et al. J. Physiol., 1987) 100 Fluid absorption rate (nl/s) 50 * 0 Contrôle * Na+ = 0 Na+ = 145 Cl- = 129 Cl- = 0

  19. Réabsorption transépithéliale active d’ions+ passage passif d’eau par osmose Pneumocyte I Hypophase alvéolaire Pneumocyte II Lumière alvéolaire H2O Na+ Cl- Capillaire pulmonaire

  20. Voies de transport du Na+ dans l ’epithélium alvéolaire Perfusate Instillate 150 * * 100 Fluid absorption rate (nl/s) 50 * 0 C No Glucose Amiloride No glucose Amiloride 10-4 M ouabain Basset et al. J. Physiol. 384:325, 1987

  21. Salt transport across alveolar epithelium in vivo amiloride alveolus hypophase Glu Na Na K b1 b1 a1 a1 K Cl interstitium ouabain Na

  22. ETUDE IN VITRO CULTURE CELLULAIRE DE P2 Elastase 21% O2, 5% CO2, 74% N2 PO2 milieu = 150 mmHg Culture cellulaire pendant 4 j Isolement de pneumocytes II de rat

  23. 3 sous-unités homologues assemblées en hétérotétramère ? Exprimées par les pneumocytes 1 et 2 CANAL SODIQUE EPITHELIAL SENSIBLE A L’AMILORIDE ENaC a g b a

  24. Na,K-ATPase et clairance alvéolaire • Na,K-ATPase : Sous-unité catalytique Site de fixation de l’ouabaïne Isoforme a1 : P1 et P2 Isoforme a2 : P1 seulement • Na,K-ATPase : Sous-unité glycosylée Régule l’assemblage de l’hétérodimère a/b Permet l’insertion dans le membrane b1 isoforme dans P1 et P2

  25. Transport des ions Cl- : Paracellulaire ou transcellulaire ? alvéole CFTR ? hypophase ENaC Na Glu Na Na Cl K b1 b1 KCC a a Cl K K Cl interstitium Na

  26. TRANSPORT de l’EAU : rôle des AQUAPORINES ? H20 ? ENaC Na Glu Cl Na Na K b1 b1 a KCC a K Cl K Na

  27. ALVEOLAR FLUID CLEARANCE IN AQP 1 AND AQP 5 NULL MICE

  28. Régulation du transport de Na+ Et de la clairance du fluide alvéolaire • Diminution • Dérivés réactifs de l’O2 et du NO • Anesthésiques halogénés • Hypoxie • ANF, TGFb • Stimulation • Catécholamines et • agonistes b-adrénergiques • Corticostéroïdes • KGF • TGF-a, EGF • TNF-a • Dopamine

  29. Catécholamines endogènes : Epinéphrine (b2R) Norépinéphrine (a1R et bR) Agonistes b2-adrénergiques : Terbutaline Salmétérol Dobutamine Agoniste b1- et b2-adrénergique Isoprotérénol Régulation dépendante des catécholamines

  30. EFFECT OF BETA ADRENERGIC AGONISTS ON ALVEOLAR EPITHELIAL LIQUID CLEARANCE • 1. Sheep ( by 50-60 %) • 2. Dogs ( by 75-150 %) • 3. Rabbits (no effect) • Rats ( by 45-135 %) • Mice ( by 60-70 %) • 6. Humans (↑ by 70-100%)

  31. Les b2 agonistes ont une action coupléesur les canaux sodiques et la Na,K-ATPase Stimulation de l’adénylate cyclase ↑ AMPc Activation protéine kinase A (PKA) • Insertion des sous unités a, b, g ENaC dans la membrane apicale à partir du pool sous membranaire • Augmentation de la probabilité d’ouverture et du temps d’ouverture des canaux cationiques non sélectifs • Insertion des sous unités a1 et b1 Na,K-ATPase dans la membrane basolatérale à partir du pool sous membranaire

  32. Importance du transport ionique transépithélial alvéolaire ? A la naissance En cas d’œdème alvéolaire Si et seulement si l’épithélium alvéolaire est intact !

  33. Souris déficiente pour aENaC

  34. Œdème pulmonaire

  35. Transports ioniquesdans l’épithélium des voies aériennes

  36. Epithélium pseudostratifié, comprenant des cellules sécrétoires et des cellules ciliées,responsable de la clairance mucociliaire

  37. Mucus de trachée de lapin :phase SOL / phase GEL • Phase SOL (périciliaire) : très fluide, hydroélectrolytique (Na+, Cl-), 6-7 µm de hauteur (= hauteur des cils en extension) • Phase GEL : visqueuse, contenant des agrégats de glycoprotéines de haut poids moléculaire (= mucines), hauteur variable GEL SOL Cils

  38. Effet de l’hydratation sur le mucus de trachée de lapin :la phase SOL du mucus reste d’épaisseur constante(~7 µm, soit la hauteur des cils en extension) Phase GEL hydratée GEL SOL Cils Phase GEL déshydratée

  39. Mucus Variations de la surface de section des voies aériennes humaines Trachée : 2.5 cm2 Réabsorption de fluide Sacs alvéolaires : 1 m2

  40. Réabsorption active de Na+ Phase SOL H2O Na+ Cl- ENaC b1 a Interstitium Na,K-ATPase

  41. Possibilité d’une sécrétion active de Cl- Phase SOL Cl- Cl- Na+ H2O Na+ Cl- H2O CFTR ENaC b1 a Na+ K+ 2Cl- Interstitium Na,K-ATPase

  42. Selon les circonstances, l’épithélium des voies aériennes absorbe activement du Na+ ou sécrète activement du Cl- pour maintenir constant le volume de la phase SOL. ASL : airway surface Liquid PCL : periciliary liquid Culture primaire de cellules des voies aériennes

  43. La protéine CFTR Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator Famille des protéines ABC (ATP Binding Cassette) MW forme mature ~ 170 kDa MSD : Membrane Spanning Domain NBD : Nucleotide Binding Domain R : Regulation Domain

  44. La protéine CFTR • Protéine multifonctionnelle : • Conductance Cl- • Protéine régulatrice : inhibition d’ENaC • Rôle dans l’exocytose des protéines, dans l’apoptose • Expression de la protéine dans les voies aériennes : • Cellules ciliées : + • Cellules de Clara : ++ • Epithélium glandulaire : +++ • Le canal CFTR et la sécrétion active de Cl- est stimulée par : • Les agents qui augmentent l’AMPc (PKA) : b-agonistes, forskoline • Les agents qui augmentent le Ca2+ intracellulaire, • Les agents qui activent la PKC • Les nucléotides triphosphate : ATP, UTP …

  45. La mucoviscidose : mutation du gène CF(« Cystic Fibrosis » sur chr. 7) • Maladie autosomique récessive (1/3000 à 1/5000 naissances) touchant les épithéliums exprimant CFTR : voies aériennes, voies biliaires, pancréas, intestin, glandes sudoripares. • 90% des décès sont dûs à l’atteinte respiratoire : Mucus très visqueux → altération de la clairance mucociliaire et obstruction bronchique → infections respiratoires récidivantes (haemophilus influenzae, staph. Aureus, Pseudo. Aeruginosa) → destruction des tissus bronchiques (bronchectasies) et pulmonaires vers une insuffisance respiratoire obstructive. • > 1000 mutations répertoriées dont 5% sont représentées à plus de 2%

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