transports ioniques dans les épithéliums respiratoires dr carole planès msbm 2005-06
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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
_
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