SURFACTANT PULMONAIRE Aspects cellulaires et moléculaires, Régulation, Aspect thérapeutique Dr Carole Planès, Physiologie, Paris Ile-de-France Ouest

PLAN Historique – Propriétés tensioactives du surfactant Composition : lipides et protéines spécifiques Synthèse, sécrétion, élimination et recyclage Fonctions du surfactant non liées aux propriétés tensioactives Régulation de la synthèse et de la sécrétion Maturation du surfactant en période foetale Pathologies du surfactant et thérapeutique

SURFACTANT PULMONAIRE = Ensemble des substances permettant de diminuer la tension de surface à l’interface gaz-liquide au niveau des alvéoles pulmonaires

Historique de la découverte du surfactant Propriétés tensioactives du surfactant

Compliance pulmonaire Von Neergaard (1929), Radford (1954) : rôle des forces de surface à l’interface air-liquide dans le poumon Compliance pulmonaire (distensibilité) = DV / DP Hysteresis

En plus des forces tissulaires, il existe des forces de surface qui représentent une part importante des forces de rétraction élastique du poumon

Tension de surface F Molécules de solvant : résultante des forces d’attraction sur les molécules du solvant Gaz Liquide La tension de surface T est la résultante des forces d’attraction intermoléculaires appliquées sur les molécules de surface par unité de longueur : T = F/L (en dyn/cm ou mN/m). Tension de surface à l’interface air-eau : 70 dyn/cm (mN/m)

(la plus petite surface possible Tension de surface Bulle Gaz T P r Gaz Liquide Sphère (la plus petite surface possible pour un volume donné) P = 2T / r (Loi de Laplace)

Interface gaz-liquide dans l’alvéole

Interface gaz-liquide dans l’alvéole Hypophase

Pattle (1955) : très faible tension de surface dans les bulles de liquide d’œdème alvéolaire Clements (1958) : la tension de surface du liquide recueilli par lavage bronchoalvéolaire est variable selon la surface offerte au liquide (balance de surface) La tension de surface est minimale (10 dyn/cm) quand la surface du liquide est comprimée, maximale (40 dyn/cm) sans compression

Matériel tensioactif à l’interface air-liquide des alvéoles 1961 : action tensioactive du surfactant attribuée aux phospholipides

Agents tensioactifs : qui réduisent la tension de surface Molécules tensioactives amphiphiles hydrophobe hydrophile Film d’étalement Molécules de solvant F F f et : résultantes des forces d’attraction sur les molécules du solvant et du corps tensioactif

Hypophase Surfactant

Fonctions du surfactant liées aux propriétés tensioactives : Augmentation de la compliance pulmonaire diminution de l’effort inspiratoire Stabilisation alvéolaire et bronchiolaire au cours du cycle ventilatoire effet anti-atélectasie

Effet anti-atélectasie P2 P1 r1 r2 T P = 2T / r T1 Si T était constante, l’alvéole la plus petite se viderait dans la grande : P1 > P2 car r1 < r2

Effet anti-atélectasie Tension de surface à l’interface air-eau : 70 mN /m La tension de surface à l’interface gaz-liquide des alvéoles varie avec la taille des alvéoles. L’activité tensioactive du surfactant augmente quand le volume pulmonaire diminue.

Effet anti-atélectasie P = 2T / r T2 T1 P1 P2 r1 r2 T1 < T2 car l’action tensioactive du surfactant est d’autant plus grande que le volume est petit

Fonctions du surfactant liées aux propriétés tensioactives : Augmentation de la compliance pulmonaire diminution de l’effort inspiratoire Stabilisation alvéolaire et bronchiolaire au cours du cycle ventilatoire effet anti-atélectasie Rôle dans l’homéostasie du fluide alvéolaire en diminuant la force de succion engendrée par l’interface gaz-liquide effet anti-oedème

Effet anti-oedème Pint Pinterstitielle = P0 – ( 2T / r) Pcap P0 : Pinterstitielle en l’absence d’interface

Composition du surfactant

Composition du surfactant LIPIDES (90%) PHOSPHOLIPIDES (85%) Phosphatidylcholines saturées 50% (Dipalmitoïlphosphatiylcholine : DPPC) Phosphatidylcholines insaturées 18% Phosphatidyléthanolamine 4% Phosphatidylglycérol 8% Phosphatidylinositol 2% Sphingomyéline 1% LIPIDES NEUTRES et CHOLESTEROL (5%) PROTEINES (10%) SPECIFIQUES (3%) Glycoprotéines hydrophiles : SPA, SPD Protéines hydrophobes : SPB, SPC NON SPECIFIQUES (7%)

Structure des phospholipides

Phosphatidylcholine (DPPC) PL A2 Hydrophile Hydrophobe

Protéines hydrophiles (collectines): SPA la plus abondante, synthétisée par PII, cellules de Clara, et tissus non pulmonaires Hydrophile (Lectin-like) Hydrophobe Coll. CRD CRD : Carbohydrate Recognition Domain 28-36 kDa 650 kDa

Protéines hydrophiles (collectines): SPD synthétisée par PII et tissus non pulmonaires, faiblement associée au surfactant (10%) Coll. CRD 620 kDa

Protéines hydrophobes : Tissus pulmonaires uniquement SPB SPC a b Résidus palmitoyls a b 8 kDa 4 kDa Très importante fonctionnellement Interaction avec SPA et PL Rôle dans le métabolisme du surfactant (synthèse PG, maturation SPC …) Spécifique des PII Extrêmement hydrophobe Interactions très fortes avec PL

Protéines du surfactant Chez l’homme, le déficit d’origine génétique en SPB produit une détresse respiratoire à la naissance et une mort en bas âge Protéinose alvéolaire congénitale Chez la souris, seule l’invalidation du gène de SPB est létale par détresse respiratoire aiguë néo-natale. Chez la souris adulte, une diminution > 75% du contenu pulmonaire en SPB induit une détresse respiratoire aiguë.

Synthèse, sécrétion, élimination et recyclage

SYNTHESE DU SURFACTANT Tous les constituants du surfactant sont synthétisés, puis assemblés dans les pneumocytes II (PII), avant d’être sécrétés.

Voies de synthèse de la DPPC Glucose Choline ATP Acetyl CoA Choline Phosphate fatty acid synthetase CDP Glycerol-3-P cholinephosphate cytidylyltransferase Fatty acyl CoA Phosphatidic acid CDP-Choline Diacylglycerol PHOSPHATIDYLCHOLINES DPPC phospholipase A2 acyltransferase Fatty acid LYSOPHOSPHATIDYLCHOLINES

Sécrétion du surfactant par exocytose en présence de calcium LB : lamellar bodies (corps lamellaires) = stockage intracellullaire TM : tubular myelin (myéline tubulaire) = stockage extracellullaire

Myéline tubulaire LB : corps lamellaires TM : myéline tubulaire = structure tubulaire à mailles carrées avec SPA et SPB aux intersections des feuillets phospholipidiques

Surfactant et cycle ventilatoire Expulsion des éléments les plus fluides SPB et SPC : facilitent l’adsorption des phospholipides dans le film, Augmentent les propriétés tensioactives du film

Elimination et recyclage Turn-over du surfactant : 5 à 10h (10% renouvelés / h) 85% des phospholipides sont recyclés

Fonctions du surfactant non liées aux propriétés tensioactives

Fonctions non tensioactives du surfactant (1) Propriétés physicochimiques - Effet anti-évaporation - Capture des particules hydrophobes Propriétés anti-inflammatoires - Rôle dans la clairance mucociliaire - Effet cytoprotecteur et anti-oxydant

Fonctions non tensioactives du surfactant (2) Propriétés anti-infectieuses liées à SPA et SPD (domaines CRD) : immunité innée - Effet indirect : Agglutination des pathogènes (bactéries, virus …) Effet chimiotactique sur les macrophages, Opsonisation et facilitation de la phagocytose par les macrophages, Rôle immunomodulateur de la production de cytokines par les cell. inflam. - Effet direct anti-prolifératif et bactéricide : Augmentation de la perméabilité de la membrane bactérienne Souris invalidées en SPA ou SPD : très sensibles aux infections pulmonaires bactériennes ou virales

Régulation de la synthèse et de la sécrétion du surfactant

Régulation de la synthèse Glucocorticoïdes H. Thyroïdiennes AMPc Phospholipides enzymes de synthèse (CYT et FAS mRNA) synthèse DPPC Protéines SP mRNA SPA mRNA

Régulation de la sécrétion (1) Hormonale : Implique la PKC, la PKA ou une PK dépendante de la calmoduline phosphorylation des protéines du cytosquelette Les mécanismes « distaux » ne sont pas connus

Régulation de la sécrétion (2) Pas de régulation par voie nerveuse Régulation homéostasique - in vitro : inhibition de la sécrétion par SPA et DPPC Stimulation par l’hyperventilation in vivo

Maturation du surfactant en période foetale

Maturation biochimique du surfactant en période foetale DPPC / Sphingo Surfactant mature Présurfactant Corps lamellaires Activation des enz. synthèse DPPC Accumulation des SP

Contrôle de la maturation du surfactant Corticoïdes : synthèse DPPC H. thyroïdiennes : synthèse PL Médiateurs locaux : EGF, KGF, VEGF … cAMP agonistes: sécrétion juste avant la naissance

Pathologies du surfactant et thérapeutique

Maladie des membranes hyalines (MMH) Déficit quantitatif et qualitatif du surfactant chez les nouveaux-nés nés avant terme Collapsus alvéolaire Atélectasies progressives Exsudation d’eau et de protéines dans les alvéoles Œdème alvéolaire et membranes hyalines DETRESSE RESPIRATOIRE AIGUE 80% de risque avant 28 semaines de grossesse 60% à 28-29 semaines 40% à 30-31 semaines 5% après 32 semaines

Administration thérapeutique de surfactant exogéne Lapin prématuré control natural surfactant Chez le lapin prématuré

Surfactants exogènes

Avancées thérapeutiques Surfactants exogènes +++ Mais aussi : Administration IM à la mère de stéroïdes de synthèse Amélioration des techniques de ventilation (PEEP) La mortalité a chuté de 70% à moins de 10% en 10 ans. Mais le risque de développer une dysplasie bronchopulmonaire persiste.

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

P2 GR Alv. P1 P1 : pneumocyte de type 1; P2 : pneumocyte de type 2