Transports ioniquesdans 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– 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

Transports ioniquesdans l’épithélium alvéolaire

T : bronchiole terminale; R : bronchiole respiratoire; V : vaisseau

AD : canal alvéolaire; AS : sac alvéolaire; A : alvéole

P2

GR

Alv. Alv.

Alv.

P1

O2

CO2

P1 : pneumocyte de type 1

1/3 des pneumocytes95% de la surface

P2 : pneumocyte de type 2

2/3 des pneumocytes5% de la surface

Epithélium alvéolaire

Oedème pulmonaire

Hypophase alvéolaire (Epithelial lining fluid)

Hypophase

Origine inconnue

Composition :

[Na+] ~ 135 mM

[K+] ~ 7.3 mM

pH ~ 6.9

Protéines : conc. proche du plasma

Epaisseur ~ 200 nm

Pulmonarycapillary Interstitium

Endothelium lymph

ic

PHc > PHi

c >i= k [ (PHc – PHi) – (c– i)

]H20Q.

PHc : pression hydraulique capillaire

PHi : pression hydrostatique interstitielle

c : pression oncotique capillaire

i : pression oncotique interstitielle

Pulmonarycapillary Interstitium Alveolus

Endothelium lymph Epithelium

ic

PHc > PHiSurface tension

A ?

PHA > PHi ?

c >i

Hypophase

i

PHi

?

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

2 4hours

50

40

20

30Excess Lung Water (ml)

serum

Ringer lactate

Matthay et al, J. Appl. Physiol. 1982

Alveolar liquid clearance in the sheep

20

30

40

50

60

70

6 8 10 12

Alveolar protein concentration(g/100 ml)

Pro

tein

Onc

otic

Pre

ssur

e(m

mH

g)

Alveolar Fluid Clearance in Sheep

LA REABSORPTION DE LIQUIDE INTRA ALVEOLAIRE PHENOMENE ACTIF ?

•

• Réabsorption du liquide intra alvéolaire malgré 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.

Na+

Cl-H2O

TRANSPORTS DES IONS ET D’EAU DANS LES EPITHELIUMS

Cl-Apical

Basolatéral

ddp ?

Na+ H2O

Cl-Na+

TRANSPORTS DES IONS ET D’EAU DANS LES EPITHELIUMS

Apical

Basolatéral

ddp ?

Na+ H2O

Cl-Na+

TRANSPORTS DES IONS ET D’EAU DANS LES EPITHELIUMS

Apical

Basolatéral

ddp ?

Cl-

Cl-

Na+

TRANSPORTS TRANSMEMBRANAIRES

150

100

Flu

id a

bsor

ptio

n ra

te (

nl/s

)

50

0

Contrôle

Na+ = 0

*

*

Dépendance de la réabsorptionvis-à-vis des ions Na+ et Cl-

(Basset et al.J. Physiol., 1987)

Instillat

Cl- = 0Na+ = 145Cl- = 129

Poumon de ratIsolé-perfusé

Na+H2O

Capillaire pulmonaire

Pneumocyte II

Pneumocyte I

Hypophasealvéolaire

Cl-

Lumièrealvéolaire

Réabsorption transépithéliale active d’ions+ passage passif d’eau par osmose

150

100

Flu

id a

bsor

ptio

n ra

te (

nl/s

)

No Glucose

50

0

C Amiloride10-4 M

**

*

Voies de transport du Na+ dans l ’epithélium alvéolaire

Basset et al. J. Physiol. 384:325, 1987

ouabain

Instillate Perfusate

AmilorideNo glucose

1

1 1

1

Salt transport across alveolar epithelium in vivo

alveolus

interstitium

Na Glu

amiloride

ouabain

Na

K

Na K Cl

hypophase

Elastase 21% O2, 5% CO2, 74% N2

PO2 milieu = 150 mmHg

Isolement depneumocytes II

de rat

Culturecellulaire

pendant 4 j

ETUDE IN VITROCULTURE CELLULAIRE DE P2

CANAL SODIQUE EPITHELIAL SENSIBLE A L’AMILORIDE

ENaC

3 sous-unités homologues

assemblées en hétérotétramère ?

Exprimées par les pneumocytes 1 et 2

Na,K-ATPase et clairance alvéolaire

Na,K-ATPase :Sous-unité catalytique

Site de fixation de l’ouabaïne

Isoforme 1 : P1 et P2

Isoforme 2 : P1 seulement

Na,K-ATPase :Sous-unité glycosylée

Régule l’assemblage de l’hétérodimère /

Permet l’insertion dans le membrane

1 isoforme dans P1 et P2

1

1

Transport des ions Cl- :Paracellulaire ou transcellulaire ?

alvéole

interstitium

Na GluNa Na

K

Na K Cl

hypophase

Cl

CFTR ?

Cl K

KCC

ENaC

1

1

Na Glu

K

Na K Cl

Cl

KCC

K

TRANSPORT de l’EAU : rôle des AQUAPORINES ?

Na Na

H20 ?

ENaC

ALVEOLAR FLUID CLEARANCEIN AQP 1 AND AQP 5 NULL MICE

Régulation du transport de Na+

Et de la clairance du fluide alvéolaire

Stimulation

- Catécholamines etagonistes -adrénergiques - Corticostéroïdes - KGF- TGF-, EGF- TNF- - Dopamine

Diminution

- Dérivés réactifs de l’O2 et du NO - Anesthésiques halogénés

- Hypoxie

- ANF, TGF

Régulation dépendante des catécholamines

• Catécholamines endogènes :

– Epinéphrine (2R)

– Norépinéphrine (1R et R)

• Agonistes 2-adrénergiques :

– Terbutaline– Salmétérol– Dobutamine

• Agoniste 1- et 2-adrénergique

– Isoprotérénol

EFFECT OF BETA ADRENERGIC AGONISTSON ALVEOLAR EPITHELIAL LIQUID CLEARANCE

1.Sheep ( by 50-60 %)

2.Dogs ( by 75-150 %)

3. Rabbits (no effect)

4.Rats ( by 45-135 %)

5.Mice ( by 60-70 %)

6.Humans (↑ by 70-100%)

Les 2 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 , , 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 1 et 1 Na,K-ATPase dans la membrane basolatérale à partir du pool sous membranaire

Importance du transport ionique transépithélial alvéolaire ?

A la naissance En cas d’œdèmealvéolaire

Si et seulement si l’épithélium alvéolaire est intact !

Souris déficiente pourENaC

Œdème pulmonaire

Transports ioniquesdans l’épithélium des voies

aériennes

Epithélium pseudostratifié, comprenant des cellules sécrétoires et des cellules ciliées,

responsable de la clairance mucociliaire

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

SOLCils

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)

GEL

SOLCils

Phase GELhydratée

Phase GELdéshydratée

Variations de la surface de section des voies aériennes humaines

Trachée : 2.5 cm2

Sacs alvéolaires : 1 m2Mucus

Réabsorption de fluide

Réabsorption active de Na+

Interstitium

Na+ Cl-

Phase SOL

H2O

ENaC

1

Na,K-ATPase

Possibilité d’une sécrétion active de Cl-

Interstitium

Na+ Cl-

Phase SOL

H2O

ENaC

1

CFTR

Na+ K+ 2Cl-Na,K-ATPase

Cl- Na+

H2O

Cl-

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.

Culture primaire de cellules des voies aériennes

ASL : airway surfaceLiquid

PCL : periciliary liquid

La protéine CFTR

Cystic Fibrosis TransmembraneConductance Regulator

Famille des protéines ABC(ATP Binding Cassette)

MW forme mature ~ 170 kDa

MSD : Membrane SpanningDomain

NBD : Nucleotide BindingDomain

R : Regulation Domain

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) : -agonistes, forskoline– Les agents qui augmentent le Ca2+ intracellulaire, – Les agents qui activent la PKC– Les nucléotides triphosphate : ATP, UTP …

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%

La mutation la plus fréquente: delta F 508

F508 : 70% des allèles CF

– Délétion d’une phénylalanine en position 508

– Anomalie de maturation de la protéine CFTR qui n’est pas adressée à la membrane apicale

La mutation la plus fréquente: delta F 508

Mucoviscidose : hypothèse « isotonique »de réduction de volume

Interstitium

Na+ Cl-

Phase SOL

H2O

ENaC

1

CFTR

Na+ K+ 2Cl-Na,K-ATPase

Cl- Na+

H2O

_

Mucoviscidose : hypothèse « isotonique »de réduction de volume

Interstitium

Na+ Cl-

Phase SOL

H2O

ENaC

1

CFTR

Na+ K+ 2Cl-Na,K-ATPase

Cl- Na+

H2O

_