Physiopathologie du SDRA Christophe Delclaux UPRES EA 220 (Saints-Pères) Service de Physiologie Hôpital Européen Georges Pompidou Paris

SDRA : histologie Poumon normal SDRA

SDRA : stades évolutifs (morphométrie) Normal Phase aiguë Œdème interstiel et alvéolaire Lésions pneumocytes 1 Prolifération de pneumocytes 2 Raréfaction capillaire Pneumocyte 2 Capillaire Phase fibro-proliférative Dépôts interstitiels de matrice extra-cellulaire Intense prolifération de pneumocytes 2 Importante raréfaction capillaire Atteinte hématose modérée sévère

Initiation du SDRA : activation macrophagique alvéolaire Voie alvéolaire SDRA direct, primaire médiation par produits bactériens (LPS …) Macrophage activé voie NFkB (Schwartz, Crit Care Med; 1996) Voie systémique SDRA indirect, secondaire médiation par la réponse a-adrénergique (Le Tulzo, J Clin Invest, 1997)

SDRA : inflammation alvéolaire recrutement de neutrophiles Fuite plasmatique IL-8 (Donnelly SC, Lancet, 1993) IL-1b (Jacobs RF, ARRD, 1989) TNF-a (Tran Van Nhieu J, ARRD, 1993) macrophage alvéolaire

Œdème pulmonaire interstitiel  SDRA SDRA = rupture barrière épithéliale, inondation alvéolaire

SDRA : phase exsudative Infiltration cellulaire inflammatoire interstitielle puis exsudation alvéolaire

SDRA : perte compartimentalisation de la réponse inflammatoire alvéolaire Pneumopathie = compartimentalisation Cytokines pro-inflammatoires Chimiokines (Dehoux M, AJRCCM, 1994) SDRA = perte de compartimentalisation Cytokines pro-inflammatoires Chimiokines (Terashima T, AJRCCM, 1996)

Altération fonctionnelle sans altération morphologique Mécanisme actif de contôle de la perméabilité Rapidemment réversible (heures) Altération fonctionnelle avec altération morphologique (diffuse alveolar damage) Destruction de constituants de la barrière Nécessite un processus de cicatrisation (jours)

Altération fonctionnelle de la barrière Rôle direct de cytokines, TNF-a par exemple TNF-a augmente la perméabilité endothéliale in vitro (Partridge CA, Am J Physiol, 1993) TNF-a augmente la perméabilité épithéliale in vitro (Lacherade JC, Am J Physiol, 2001) TNF-a augmente la perméabilité alvéolo-capillaire in vivo en absence de polynucléaires neutrophiles (Horvath CJ, PNAS, 1988) (mais d’autres médiateurs sont impliqués dans la perméabilité …)

Altération morphologique de la barrière Lésion morphologique Dénudation des membranes basales: lésions épithéliales: pneumocytes de type 1 (95% surface) lésions endothéliales Mécanismes physiopathologiques

SDRA : stades évolutifs (morphométrie) Normal Phase aiguë Pneumocyte 2 Œdème interstiel + alv. Lésions pneumocytes 1 Prolifération de pneumocytes 2 raréfaction capillaire Capillaire Phase fibro-proliférative Dépôts interstitiels de matrice extra-cellulaire Intense prolifération de pneumocytes 2 Importante raréfaction capillaire Atteinte hématose modérée sévère

Barrière alvéolo-capillaire normale

Lésions des pneumocytes de type 1 Fragmentation des pneumocytes 1 Dégénérescence des pneumocytes de type 1 Pneumocyte 2 intact

Peu de lésions endothéliales initiallement Versant endothèlial normal “It must be pointed out that the endothelial layer was found to be intact, and that no open cell junctions could be detected… intracapillary thrombi were extremely rare” (Bachofen M, ARRD, 1977) Dénudation précoce du versant épithélial

Mécanismes lésionnels cellulaires Protéases, sécrétées par le neutrophile Oxydants, sécrétés par le neutrophile Facteurs inducteurs d’apoptose cellulaire Lyse cellulaire démontrée in vitro

Mécanismes lésionnels: rôle du neutrophile Migration transendothéliale d’un neutrophile “Even at sites of leukocyte sequestration, no gross damage of the pulmonary capillaries could be detected, suggesting that the role of this factor might have been overestimated” (Bachofen M, ARRD, 1977)

Induction des lésions épithéliales: apoptose Infiltration lymphocytaire

Marqueurs d’apoptose dans les liquides de LBA : RT-PCR (Hashimoto S, Am J Respir Crit Care Med, 2000)

Marqueurs d’apoptose dans les liquides de LBA (Hashimoto S, Am J Respir Crit Care Med, 2000)

SDRA : stades évolutifs (morphométrie) Normal Phase aiguë Pneumocyte 2 Œdème interst. + alv. Lésions pneumocytes 1 Prolifération de pneumocytes 2 Raréfaction capillaire Capillaire Phase fibro-proliférative Dépôts interstitiels de matrice extra-cellulaire Intense prolifération de pneumocytes 2 Importante raréfaction capillaire Atteinte hématose modérée sévère

SDRA : phase fibro-proliférative “Noteworthy is the rapid proliferation of Type II epithelial cells in the very acute stage” (Bachofen M, ARRD, 1977) Prolifération épithéliale de pneumocytes de type 2

A B C D Poumon normal (A) SDRA (B, C, D) Prolifération des pneumocytes II A B C D (Abadie Y., Eur Respir J, 2005) Poumon normal (A) SDRA (B, C, D) Marquage d’une protéine du surfactant

SDRA : prolifération épithéliale précoce Augmentation d’un facteur de prolifération épithéliale, l’HGF, dès l’intubation des patients avec SDRA (Verghese GM, Am J Respir Crit Care Med, 1998)

SDRA : stades évolutifs (morphométrie) Normal Phase aiguë Œdème interst. + alv. Lésions pneumocytes 1 Prolifération de pneumocytes 2 Raréfaction capillaire Pneumocyte 2 Capillaire Phase fibro-proliférative Dépôts interstitiels de matrice extra-cellulaire Intense prolifération de pneumocytes 2 Importante raréfaction capillaire Atteinte hématose modérée sévère

SDRA : raréfaction capillaire précoce VEGF : facteur de survie endothéliale, importante synthèse physiologique par le pneumocyte de type 2 500 1000 1500 2000 2500 3000 VEGF pg/ml of ELF 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Timing of BAL procedure after ARDS onset (days) (Maitre B, Eur Respir J, 2001) VEGF of control patients :5740±1582 pg/ml Diminution d’un facteur de survie endothéliale

A B Raréfaction capillaire (Abadie Y., Eur Respir J, 2005) Double immunostaining for TUNEL/CD31 Vascular bed density (control: A, ARDS: B) (Abadie Y., Eur Respir J, 2005) 1 2 3 4 5 6 * controls early ARDS late ARDS % of field area (CD31)

A B Raréfaction capillaire Espace mort alvéolaire Double immunostaining for TUNEL/CD31 Vascular bed density (control: A, ARDS: B) Espace mort alvéolaire Hypoventilation alvéolaire

SDRA : raréfaction capillaire précoce (Hamacher J, AJRCCM, 2002) Présence d’activité biologiques pro-apoptotiques dans les LBA sur des cellules micro-vasculaires pulmonaires Augmentation de facteurs de toxicité endothéliale

A B C Raréfaction capillaire (Abadie Y., Eur Respir J, 2005) Double immunostaining for TUNEL/CD31 endothelial apoptosis (ARDS: A, B, C) (Abadie Y., Eur Respir J, 2005) Augmentation d’apoptose endothéliale 2 6 10 14 * § controls early ARDS late ARDS apoptotic cells / 10 fields

L’altération du lit vasculaire pulmonaire: rôle pronostique ? Pas de différence pour sepsis -  VW chez décédés

Cellules progénitrices endothéliales circulantes plus importante chez les survivants d’ALI

SDRA : histologie Phase précoce Phase tardive Fibro-prolifération endo-alvéolaire Infiltrat inflammatoire alvéolaire

l’hypoxémie au cours du SDRA Shunt vrai Territoires non recrutables Hétérogénéité de VA/Q recrutables

SDRA : stades évolutifs (morphométrie) Normal Phase aiguë Œdème interst. + alv. Lésions pneumocytes 1 Prolifération de pneumocytes 2 Raréfaction capillaire Pneumocyte 2 Capillaire Dépôts interstitiels de matrice extra-cellulaire Intense prolifération de pneumocytes 2 Importante raréfaction capillaire Phase fibro-proliférative Atteinte hématose modérée sévère

SDRA : phase fibro-proliférative Prolifération de pneumocytes de type 2 Dépôts de collagène Alvéoles

SDRA : phase fibro-proliférative Trouble de diffusion alvéolo-capillaire

SDRA : phase fibro-proliférative Marshall RP, Am. J. Respir. Crit. Care Med., 2000 Augmentation des cellules productrices de matrice extra-cellulaire Prolifération de fibroblastes humains exposés à des LBA de patients

SDRA : dépôt précoce de collagène interstitiel Etude de la balance protéases / inhibiteurs au niveau interstitiel (Van de Louw A, 2002, Lab Invest) Zymographie in situ Immunolocalisation Gélatinase A Cellule inflammatoire Alv. Poumon normal du rat

SDRA : dépôt précoce de collagène interstitiel Poumon normal Poumon instillé HCl Alv. Alv. Diminution des activités collagénolytiques du poumon agressé Excès d’anti-protéases favorise l’excès de matrice extra-cellulaire Excès d’anti-protéases dans le LBA du SDRA (Delclaux C, Am J Physiol, 1997)

SDRA : dépôt précoce de collagène interstitiel (Demoule A., ICM, 2006) MMP-2 (ng/mL) CLIN,PEEP (mL/cmH2O) PCP III (U/mL) Y = 30 – 4.15 x ln(X) R2= 0.44, p<0.0001 Y = 43 – 4.28 x ln(X) R2= 0.47, p<0.0001 20 25 30 35 40 45 50 55 60 1 2 3 4 5 6 7 8 10 70 80 17 patients SDRA Phase précoce < 4 jours Marqueurs de remodelage: PCP III, MMP-2 dans LBA Compliance linéaire Conséquences mécaniques  compliance respiratoire

SDRA : corrélation anatomo-clinique “the severe impairment of pulmonary gas exchange is almost exclusively due to the extensive flooding of alveoli, … lung mechanics and gas exchange may often be dramatically improved by adequate ventilation with PEEP. Normal Phase aiguë Pneumocyte 2 Capillaire Phase fibro-proliférative Due to the generalized fibrotic thickening of the alveolar septa, an increasing stiffening of the lung ensues … whereas the loss of capillaries correlates with huge alveolar dead space” (Bachofen M, ARRD, 1977) Atteinte hématose modérée sévère