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Transports ioniques dans les épithéliums respiratoires Dr Carole Planès MSBM 2005-06.

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1 Transports ioniques dans les épithéliums respiratoires Dr Carole Planès MSBM

2 PLAN Transports ioniques dans lépithélium alvéolaire –Rappels anatomiques –Forces passives régissant les échanges deau au niveau alvéolaire –Notion de transport actif dions par lépithélium alvéolaire –Mécanismes de la réabsorption dions Na +, dions Cl - et deau –Importance physiologique de la clairance du fluide alvéolaire Transports ioniques dans lépithélium 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 ioniques dans lépithélium alvéolaire

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

5 P2 GR Alv. P1 O2O2 CO 2 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 Epithélium alvéolaire

6 Oedème pulmonaire

7 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

8 Pulmonary capillary Interstitium Endothelium lymph PHc > PHi c > i = k [ ( PH c – PH i ) – ( c – i ) ] H20H20 Q. PHc : pression hydraulique capillaire PHi : pression hydrostatique interstitielle c : pression oncotique capillaire i : pression oncotique interstitielle

9 Pulmonary capillary Interstitium Alveolus Endothelium lymph Epithelium PHc > PHi Surface tension A ? PH A > PHi ? c > i Hypophase i PHi ?

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

11 24 hours Excess Lung Water (ml) serum Ringer lactate Matthay et al, J. Appl. Physiol Alveolar liquid clearance in the sheep

12 Alveolar protein concentration (g/100 ml) Protein Oncotic Pressure (mmHg) Alveolar Fluid Clearance in Sheep

13 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 linstillat, ou par un inhibiteur de la Na,K-ATPase (ouabaïne) dans le perfusat.

14 Na + Cl - H2OH2O TRANSPORTS DES IONS ET DEAU DANS LES EPITHELIUMS Cl - Apical Basolatéral ddp ?

15 Na + H2OH2O Cl - Na + TRANSPORTS DES IONS ET DEAU DANS LES EPITHELIUMS Apical Basolatéral ddp ?

16 Na + H2OH2O Cl - Na + TRANSPORTS DES IONS ET DEAU DANS LES EPITHELIUMS Apical Basolatéral ddp ? Cl - Na +

17 TRANSPORTS TRANSMEMBRANAIRES

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

19 Na + H2OH2O Capillaire pulmonaire Pneumocyte II Pneumocyte I Hypophase alvéolaire Cl - Lumière alvéolaire Réabsorption transépithéliale active dions + passage passif deau par osmose

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

21 Salt transport across alveolar epithelium in vivo alveolus interstitium Na Glu amiloride ouabain Na K KCl hypophase

22 Elastase 21% O 2, 5% CO 2, 74% N 2 PO 2 milieu = 150 mmHg Isolement de pneumocytes II de rat Culture cellulaire pendant 4 j ETUDE IN VITRO CULTURE CELLULAIRE DE P2

23 CANAL SODIQUE EPITHELIAL SENSIBLE A LAMILORIDE ENaC 3 sous-unités homologues assemblées en hétérotétramère ? Exprimées par les pneumocytes 1 et 2

24 Na,K-ATPase et clairance alvéolaire Na,K-ATPase : Sous-unité catalytique Site de fixation de louabaïne Isoforme 1 : P1 et P2 Isoforme 2 : P1 seulement Na,K-ATPase : Sous-unité glycosylée Régule lassemblage de lhétérodimère / Permet linsertion dans le membrane 1 isoforme dans P1 et P2

25 1 1 Transport des ions Cl - : Paracellulaire ou transcellulaire ? alvéole interstitium NaGlu Na K KCl hypophase Cl CFTR ? Cl K KCC ENaC

26 1 1 NaGlu K Na KCl KCC K TRANSPORT de lEAU : rôle des AQUAPORINES ? Na H 2 0 ? ENaC

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28 ALVEOLAR FLUID CLEARANCE IN AQP 1 AND AQP 5 NULL MICE

29 Régulation du transport de Na + Et de la clairance du fluide alvéolaire Stimulation - Catécholamines et agonistes -adrénergiques - Corticostéroïdes - KGF - TGF-, EGF - TNF- - Dopamine Diminution - Dérivés réactifs de lO 2 et du NO - Anesthésiques halogénés - Hypoxie - ANF, TGF

30 Régulation dépendante des catécholamines Catécholamines endogènes : –Epinéphrine ( 2 R) –Norépinéphrine ( 1 R et R) Agonistes 2 - adrénergiques : –Terbutaline –Salmétérol –Dobutamine Agoniste 1 - et 2 - adrénergique –Isoprotérénol

31 EFFECT OF BETA ADRENERGIC AGONISTS ON ALVEOLAR EPITHELIAL LIQUID CLEARANCE 1.Sheep ( by %) 2.Dogs ( by %) 3. Rabbits(no effect) 4.Rats ( by %) 5.Mice ( by %) 6.Humans( by %)

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33 Les 2 agonistes ont une action couplée sur les canaux sodiques et la Na,K-ATPase Stimulation de ladénylate 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 douverture et du temps douverture 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

34 Importance du transport ionique transépithélial alvéolaire ? A la naissance En cas dœdème alvéolaire Si et seulement si lépithélium alvéolaire est intact !

35 Souris déficiente pour ENaC

36 Œdème pulmonaire

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38

39 Transports ioniques dans lépithélium des voies aériennes

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

41 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

42 Effet de lhydratation sur le mucus de trachée de lapin : la phase SOL du mucus reste dépaisseur constante (~7 µm, soit la hauteur des cils en extension) GEL SOL Cils Phase GEL hydratée Phase GEL déshydratée

43 Variations de la surface de section des voies aériennes humaines Trachée : 2.5 cm 2 Sacs alvéolaires : 1 m 2 Mucus Réabsorption de fluide

44 Réabsorption active de Na + Interstitium Na + Cl - Phase SOL H2OH2O ENaC 1 Na,K-ATPase

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46 Possibilité dune sécrétion active de Cl - Interstitium Na + Cl - Phase SOL H2OH2O ENaC 1 CFTR Na + K + 2Cl - Na,K-ATPase Cl - Na + H2OH2O Cl -

47 Selon les circonstances, lépithélium 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 surface Liquid PCL : periciliary liquid

48 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

49 La protéine CFTR Protéine multifonctionnelle : –Conductance Cl - –Protéine régulatrice : inhibition dENaC –Rôle dans lexocytose des protéines, dans lapoptose 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 lAMPc (PKA) : -agonistes, forskoline –Les agents qui augmentent le Ca 2+ intracellulaire, –Les agents qui activent la PKC –Les nucléotides triphosphate : ATP, UTP …

50 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 latteinte 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%

51 La mutation la plus fréquente: delta F 508 F508 : 70% des allèles CF – Délétion dune phénylalanine en position 508 – Anomalie de maturation de la protéine CFTR qui nest pas adressée à la membrane apicale

52 La mutation la plus fréquente: delta F 508

53 Mucoviscidose : hypothèse « isotonique » de réduction de volume Interstitium Na + Cl - Phase SOL H2OH2O ENaC 1 CFTR Na + K + 2Cl - Na,K-ATPase Cl - Na + H2OH2O _

54 Mucoviscidose : hypothèse « isotonique » de réduction de volume Interstitium Na + Cl - Phase SOL H2OH2O ENaC 1 CFTR Na + K + 2Cl - Na,K-ATPase Cl - Na + H2OH2O _


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