Troubles pré- et post-natals du développement pulmonaire

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1 DESC de Chirurgie Pédiatrique Troubles pré- et post-natals du développement pulmonaire Jacques Bourbon, Inserm U841 Institut Mondor de Recherche Biomédicale Université Paris 12 - Faculté de Médecine Créteil

2 Le développement pulmonaire, un processus complexe qui s étend de la vie intra-utérine aux deux premières années.

3 Stades du développement pulmonaire et chronologie croissance Maturation microvasculaire (fusion des capillaires) Stade canaliculaire formation des voies aériennes distales vascularisation Stade pseudoglandulaire ramification de l arbre aérien jusqu aux bronchioles terminales Stade embryonnaire formation de l ébauche Stade sacculaire formation des unités fonctionnelles Stade alvéolaire Septation secondaire Développement, morphogenèse Croissance naissance semaines (40) mois années

4 Origine embryologique du poumon et processus de ramification Les cellules épithéliales du poumon dérivent de l intestin embryonnaire primitif (endoderme) Intestin antérieur - diverticule thyroïdien, - diverticule respiratoire (trachée, bronches, parenchyme pulmonaire), - appareil digestif (pharynx, œsophage, estomac / début du duodénum / foie, pancréas). Le poumon est issu de l association d un bourgeon épithélial issu d une évagination ventrale du tube digestif embryonnaire avec le mésenchyme environnant (mésoderme) Bourgeon épithélial toutes les cellules épithéliales du poumon mature Mésenchyme toutes les autres cellules (fibroblastes, endothéliums vasculaires, fibres musculaires lisses, chondrocytes, etc) Le poumon se développe par ramifications successives du tube épithélial originel («branching morphogenesis»)

5 L arbre aérien et les générations de ramifications Embryonnaire (4-7 semaines) Pseudo-glandulaire (7-16 semaines) Canaliculaire (17-26 semaines) Sacculaire / Alvéolaire (27semainespostnatal) Moulage polyester d un poumon humain adulte vu de dos (le poumon gauche a été moins empli que le poumon droit) Organisation de l arbre aérien du poumon humain indiquant les générations (z) de ramifications dichotomiques

6 L alvéolisation procède par un mécanisme différent : la septation secondaire Le processus de septation secondaire accroît considérablement la surface d échanges gazeux. Poumon humain de 26 j septum primaire élastine élastine septum secondaire Alvéole Alvéole des dépôts d élastine se forment dans l épaisseur des septa primaires ; des crêtes apparaissent à leur niveau les crêtes s allongent pour donner naissance aux septa secondaires qui subdivisent les sacs alvéolaires

7 Des mécanismes cellulaires et moléculaires d une grande complexité, mais de mieux en mieux connus.

8 Spécification du territoire pulmonaire : Rôle des facteurs de transcription Bohinski et al., 1994 : le poumon se développe dans un territoire endodermique qui exprime simultanément les facteurs de transcription TTF1, Foxa1 et Foxa2 Thyroïde Poumon Tube digestif et dérivés Pax-8 TTF-1 (Nkx2.1) Fox a1 (HNF-3α) Fox a2 (HNF-3β) Fox a3 (HNF-3γ) THYROID TRANSCRIPTION FACTOR (TTF-1) ou Titf1 ou Nkx2.1 : Facteur de transcription à domaine de liaison à l ADN de type homéotique (homéodomaine) Exprimé dans la thyroïde, le poumon et certaines régions du cerveau (Homéodomaine: séquence conservée de 60 acides aminés, de structure hélice-tour-hélice, codée par 180 nucléotides qui constituent l homeobox) Famille FORKHEAD BOX (Fox) [antérieurement Hepatocyte Nuclear Factors 3 (HNF-3) et HNF-3/Forkhead homologues (HFH)] : Facteurs de transcription à domaine de liaison à l ADN de type "winged helix" exprimés dans divers tissus, notamment ceux issus de l endoderme (Winged helix: séquence conservée d une centaine d acides aminés dérivée du motif homéotique)

9 Le territoire pulmonaire est induit par le mésenchyme cardiaque via une signalisation Fibroblast Growth Factor (FGF) L induction de TTF-1 (Nkx2.1) se fait à proximité du mésenchyme cardiaque (marquage actine=msa) et du futur territoire hépatique (marquage albumine) Explants endoderme + mésenchyme cardiaque més. cardiaque intestin antérieur ventral intestin antérieur dorsal Intestin moyen FGF-1 et FGF-2 peuvent se substituer in vitro au mésenchyme cardiaque pour induire l expression de TTF-1 et de l albumine Explants endoderme seul + FGF ng/ml Interprétation : il existe un seuil de signalisation FGF tel que : - [ ] élevée différenciation pulmonaire - [ ] faible différenciation hépatique

10 Le mésenchyme pulmonaire est régionalisé, il contrôle à la fois la ramification et la différenciation épithéliales Culture d épithélium et de mésenchyme séparés par un filtre (JM Shannon) Ramification Expression de marqueurs Épithélium distal seul Épithélium distal + Mésenchyme distal Épithélium distal + Mésenchyme trachéal Épithélium distal + Mésenchyme distal Épithélium distal + Mésenchyme trachéal HIS SP-C HIS SP-C Épithélium trachéal seul Épithélium trachéal + Mésenchyme distal Épithélium trachéal + Mésenchyme trachéal Épithélium trachéal + Mésenchyme distal Épithélium distal + Mésenchyme trachéal HIS SP-C Marquage mucine L épithélium est multipotent et inductible. La ramification et la différenciation proximo-distale sont sous le contrôle du mésenchyme par l intermédiaire de médiateurs diffusibles.

11 Modélisation des mécanismes de la ramification bronchique : Le mésenchyme exerce son contrôle via le FGF10 Étape 1 Étape 2 Étape 3 Un foyer de FGF-10 exerce une attraction chimiotactique sur le tube épithélial. La croissance épithéliale est stimulée. Des contre-mécanismes (inhibition de la chimio-attraction, inhibition de la prolifération) inhibent la production de FGF-10 et la progression de l épithélium De nouveaux foyers de FGF-10 et la nucléation de la matrice font naître une ramification

12 L alvéolisation est contrôlée par des effets antagonistes des corticostéroïdes et des rétinoïdes L administration d un glucocorticoïde pendant la période postnatale chez les rongeurs inhibe la septation, stimule la fusion capillaire et induit l amincissement des septa Les Corticostéroïdes contrôlent la fin du processus de septation La signalisation par l acide rétinoïque (AR) est cruciale pour le processus de septation - Des fibroblastes pulmonaires stockent de la vitamine A et libèrent de l AR - La délétion du gène des RARα et γ réduit la septation alvéolaire - L AR exogène augmente la synthèse d élastine et la septation alvéolaire, il s oppose aux effets des glucocorticoïdes Les Rétinoides agissent avant les corticostéroïdes au cours du processus de septation Témoin Dex 0,25 µg/jour (Massaro & Massaro, AJP Lung, 1996) AR 500 µg/kg/jour Dex + AR

13 L alvéolisation nécessite des interactions entre types cellulaires et entre cellules et matrice (Bourbon et al., Pediatr. Res, 2005)

14 L alvéolisation nécessite des interactions entre types cellulaires et entre cellules et matrice (Bourbon et al., Pediatr. Res, 2005)

15 L alvéolisation nécessite des interactions entre types cellulaires et entre cellules et matrice (Bourbon et al., Pediatr. Res, 2005)

16 L alvéolisation nécessite des interactions entre types cellulaires et entre cellules et matrice (Bourbon et al., Pediatr. Res, 2005)

17 Les troubles du développement pulmonaire

18 Embryonnaire Pathologies associées à un développement pulmonaire anormal et stade d origine Agénésies pulmonaires Agénésies et sténoses trachéales et laryngées Trachéo- ou bronchomalacies Malformations bronchiques Lobes ectopiques Kystes lobaires congénitaux Pseudoglandulaire Canaliculaire Malformations adénomatoïdes kystiques Séquestrations pulmonaires Hypoplasies pulmonaires Lymphangiectasie pulmonaire congénitale Hypoplasies pulmonaires Dysplasie acinaire Détresse respiratoire néonatale (MMH) et Dysplasie bronchopulmonaire du prématuré Sacculaire / Alvéolaire Hypoplasies pulmonaires Dysplasie acinaire et dysplasie capillaire alvéolaire Emphysème lobaire congénital Détresse respiratoire néonatale (MMH) et Dysplasie bronchopulmonaire du prématuré (Voir site :

19 Embryonnaire Pathologies associées à un développement pulmonaire anormal et stade d origine Agénésies pulmonaires Agénésies et sténoses trachéales et laryngées Trachéo- ou bronchomalacies Malformations bronchiques Lobes ectopiques Kystes lobaires congénitaux Pseudoglandulaire Canaliculaire Malformations adénomatoïdes kystiques Séquestrations pulmonaires Hypoplasies pulmonaires Lymphangiectasie pulmonaire congénitale Hypoplasies pulmonaires Dysplasie acinaire Détresse respiratoire néonatale (MMH) et Dysplasie bronchopulmonaire du prématuré Sacculaire / Alvéolaire Hypoplasies pulmonaires Dysplasie acinaire et dysplasie capillaire alvéolaire Emphysème lobaire congénital Détresse respiratoire néonatale (MMH) et Dysplasie bronchopulmonaire du prématuré (Voir site :

20 Embryonnaire Pathologies associées à un développement pulmonaire anormal et stade d origine Agénésies pulmonaires Agénésies et sténoses trachéales et laryngées Trachéo- ou bronchomalacies Malformations bronchiques Lobes ectopiques Kystes lobaires congénitaux Pseudoglandulaire Canaliculaire Malformations adénomatoïdes kystiques Séquestrations pulmonaires Hypoplasies pulmonaires Lymphangiectasie pulmonaire congénitale Hypoplasies pulmonaires Dysplasie acinaire Détresse respiratoire néonatale (MMH) et Dysplasie bronchopulmonaire du prématuré Sacculaire / Alvéolaire Hypoplasies pulmonaires Dysplasie acinaire et dysplasie capillaire alvéolaire Emphysème lobaire congénital Détresse respiratoire néonatale (MMH) et Dysplasie bronchopulmonaire du prématuré (Voir site :

21 Embryonnaire Pathologies associées à un développement pulmonaire anormal et stade d origine Agénésies pulmonaires Agénésies et sténoses trachéales et laryngées Trachéo- ou bronchomalacies Malformations bronchiques Lobes ectopiques Kystes lobaires congénitaux Pseudoglandulaire Canaliculaire Malformations adénomatoïdes kystiques Séquestrations pulmonaires Hypoplasies pulmonaires Lymphangiectasie pulmonaire congénitale Hypoplasies pulmonaires Dysplasie acinaire Détresse respiratoire néonatale (MMH) et Dysplasie bronchopulmonaire du prématuré Sacculaire / Alvéolaire Hypoplasies pulmonaires Dysplasie acinaire et dysplasie capillaire alvéolaire Emphysème lobaire congénital Détresse respiratoire néonatale (MMH) et Dysplasie bronchopulmonaire du prématuré (Voir site :

22 Troubles du développement pulmonaire prénatal

23 Les causes d hypoplasie pulmonaire Compression du thorax Agénésie rénale (Potter's syndrome) Oligoamnios avant 28 SA Diminution de l espace thoracique Hernie de coupole diaphragmatique Effusions pleurales Distension abdominale Dystrophies thoraciques, dysplasies du squelette Masses intra thoraciques Diminution des mouvements respiratoires intra-utérins Lésions nerveuses centrales intra-utérines Syndrome de Werdnig Hoffman fœtal Autres neuropathies et myopathies Hypoxie, hypoglycémie, tabagisme et alcoolisme, morphine Infection intra utérine Autres associations Trisomie 21 Anomalies congénitales multiples Erythroblastose fœtale Nanisme thanatophorique

24 Les causes d hypoplasie pulmonaire Compression du thorax Agénésie rénale (Potter's syndrome) Oligoamnios avant 28 SA Diminution de l espace thoracique Hernie de coupole diaphragmatique Effusions pleurales Distension abdominale Dystrophies thoraciques, dysplasies du squelette Masses intra thoraciques Diminution des mouvements respiratoires intra-utérins Lésions nerveuses centrales intra-utérines Syndrome de Werdnig Hoffman fœtal Autres neuropathies et myopathies Hypoxie, hypoglycémie, tabagisme et alcoolisme, morphine Infection intra utérine Autres associations Trisomie 21 Anomalies congénitales multiples Erythroblastose fœtale Nanisme thanatophorique

25 Un dénominateur commun aux hypoplasies : le défaut de tension du tissu par le liquide intra pulmonaire Pendant toute la vie intra-utérine, le poumon sécrète un liquide dont la pression s équilibre avec celle du liquide amniotique grâce aux mouvements respiratoires fœtaux. À la naissance, la sécrétion s arrête et le liquide est réabsorbé. Sécrétion : ions Cl - (période fœtale) Réabsorption : ions Na + (période périnatale) - rôle des catécholamines et de la vasopressine - rôle du travail (stress fœtal) La tension exercée par le liquide pulmonaire est indispensable à la croissance pulmonaire : Drainage ou compression hypoplasie Ligature trachéale hyperplasie

26 La Hernie de Coupole Diaphragmatique congénitale (HCD) une cause (relativement) fréquente d hypoplasie pulmonaire - Défaut de fermeture du diaphragme (étiologie inconnue) - 1/3000 naissances vivantes - Remontée des viscères et compression pulmonaire - Hypoplasie pulmonaire sévère, division bronchique anormale - Immaturité histologique - Surface vasculaire totale réduite, hyperplasie de la média, hypertension hyper-muscularisation des artérioles - Large spectre de gravité - 50% de mortalité Témoin HCD Poumons hypoplasiques Foie ascensionné Tube digestif ascensionné Diaphragme

27 La Technique P.L.U.G. (Plug the Lung Until it Grows Plug the Lung Until it Grows) ) : une approche de l hypoplasie l pulmonaire en cours de développement Liquide pulmonaire Principe : l occlusion trachéale provoque une rétention du liquide sécrété par le poumon ; la tension exercée par le liquide force la croissance du poumon. Permet un traitement peu invasif de la HCD (occlusion par voie endoscopique). Toutefois, un effet secondaire néfaste : différenciation excessive des pneumocytes I au détriment des pneumocytes II.

28 Séquestrations pulmonaires et malformations adénomatoïdes kystiques La séquestration pulmonaire : Tissu pulmonaire non fonctionnel ayant perdu ses rapports normaux avec l'arbre trachéo-bronchique et dont la vascularisation artérielle est de type systémique (aorte thoracique ou abdominale). 2 formes : - Séquestration intra lobaire : partage avec le poumon où elle siège l'enveloppe pleurale et le retour veineux (75% des séquestrations, malformation assez précoce). - Séquestration extra lobaire : possède une enveloppe pleurale propre et un retour veineux vers le réseau systémique (25 % des séquestrations, partie inférieure et postérieure du thorax, le plus souvent à gauche, malformation plus tardive). La malformation adénomatoïde kystique : Anomalie sporadique consistant en une croissance anormale des bronchioles terminales sans glande bronchique ni différenciation alvéolaire, et qui augmente le volume du lobe affecté. Communique avec l'arbre respiratoire par des canaux anormaux, d où aération progressive après la naissance. 3 types : -Type 1 (50 % des cas) : kystes multiples de 2 à 10 cm, souvent avec un kyste prédominant ; à l échographie, un kyste principal entouré d'autres kystes plus petits. -Type 2 (40 % des cas) : kystes multiples de 0,5 à 2 cm; à l échographie, forme mixte de multiples petits kystes et de tissu échogène. -Type 3 (10% des cas: lésion faite de microkystes se traduisant à l échographie par une masse solide hyperéchogène, souvent de grande taille.

29 Troubles du développement pulmonaire postnatal

30 Naissance prématurée et syndrome de détresse respiratoire aiguë ou idiopathique (maladie des membranes hyalines) Insuffisance respiratoire à début immédiat Pathologie de l'immaturité pulmonaire (< 32 SA) : déficit primitif en surfactant Traitement "symptomatique" par la ventilation mécanique avec PEP Traitement étiologique : surfactant exogène Traitement préventif : corticostéroïdes à la mère Incidence >37 SA

31 Séquelles Respiratoires Néonatales = la Dysplasie Bronchopulmonaire (DBP) Maladie "récente" et "iatrogénique" Premières descriptions : = débuts de réanimation néonatale Série de Northway (66-67) : moyenne des enfants : 2,2 kgs et 34 SA 19 décès sur 32 Enfants avec DBP (%) 2000 : Observatoire PrimeVeReS (Corticoïdes anténatals + surfactant + modes ventilatoires) 3043 prématurés < 33 SA 11% décès dont 75% < J Terme (SA)

32 La DBP, une pathologie du développement alvéolaire Stade canaliculaire sacculaire alvéolaire 24 semaines Naissance prématurée ( naissances / an) 36 semaines Terme théorique Incidence de la DBP DBP + DBP -

33 La nouvelle DBP, une maladie principalement caractérisée par un déficit de septation Poumon du prématuré Évolution favorable sans DBP Avant l ère "surfactant" surfactant exogène + corticostéroïdes + progrès des méthodes de ventilation "ancienne" DBP "nouvelle" DBP Progrès dans la prise en charge Réparation anormale : Fibrose Développement alvéolaire anormal Lésions bronchiques

34 Modèles expérimentaux de DBP et d arrêt de la septation alvéolaire Animaux prématurés ventilés babouin, agneau, lapin Exposition chronique du nouveau-né à l hyperoxie (60% à 100% O 2 ) rat, souris Injections quotidiennes de dexaméthasone au nouveau-né rat, souris Injections intra-amniotiques ou intratrachéales d endotoxine (lipopolysaccharide) rat Rat, exposition à l hyperoxie (>95% O 2 de 0 à 6 jours ) Air O2

35 La septation alvéolaire implique des interactions multiples altérées dans la DBP Proliferation cell. / différenciation Angiogenèse Ventilation mécanique Fibroblaste Facteurs de croiss. Oxygène Recepteurs Cellule épithéliale Infection/ Inflammation Cellule endothéliale Remodelage matriciel

36 Importance de l Élastogenèse +/+ -/- Migration Myofibroblastes Élastine moins de septa, espaces élargis, mais souris meurent avant début septation secondaire Wendel, Am J Respir Cell Mol Biol 2000 Synthèse élastine Assemblage élastine Septation Lysyl-oxidase développement sacculaire perturbé PDGFA Hoxa5 plus de migration des myofib. plus de septation secondaire FGF-18 pic d expression pendant alvéolisation stimulus de l élastogenèse Mäki, Am J Pathol 2005 Boström, Cell 1996 Control ng/ml FGF18 Elastin Lysyl ox Fibulin-1 Fibulin-5 Chailley-Heu, AJP 2005

37 Importance de la signalisation FGF - FGFR3/4 Les FGFR 3 and 4 sont augmentés pendant la septation (Powell et al., AJRCMB 1998) Les souris double-ko Fgfr3 -/- /Fgfr4 -/- n ont plus de septation (Weinstein et al., Development 1998) Wild type fgfr3 -/- fgfr4 -/- L hyperoxie diminue l expression des FGFR 3 et 4, et du FGF18 chez le rat nouveau-né de 6 j ARNm FGFR3 (% du témoin) 120 (Lopez / Boucherat et al., AJRCMB 2006) ARNm FGFR4 (% du témoin) 140 ARNm FGF18 (% du témoin) j * 60 * * j Air O 2 0 Air O 2 0 Air O 2

38 Importance des remaniements matriciels : métalloprotéases (MMP L absence de MMP-2 perturbe temporairement l alvéolisation (Atkinson et al., Dev Dyn 2005) La voie de signalisation EGF module l expression de MT1-MMP (=MM14), responsable de l activation de MMP-2 (Kheradmand et al., J Cell Sci 2005) L expression de MT1-MMP augmente pendant l alvéolisation et est indispensable au processus mrna (% of 17 dpc level) # dpc dpp ** * * (Boucherat et al., Pediatr Res 2007) MT1-MMP +/+ MT1-MMP -/- # Morphologie pulmonaire à 1 mois (Atkinson et al., Dev Dyn 2005)

39 DBP et métalloprotéases Faible activité MMP-2 à J0 significativement associé à risque de DBP (oxygéno-dépendance à 36 SA) Plasma à J1 (Schulz et al., Pediatr Res 2004) MMP-2 (10 5 UA/ml) Effluents trachéaux à J1 P = 0,0004 DBP - DBP + (Danan et al., Am J Physiol 2002) Mais pas de données sur MT1-MMP

40 L angiogenèse est indispensable à l alvéolisation : rôle du VEGF Un inhibiteur des récepteurs du VEGF et un anticorps anti-vegfr2 inhibent non seulement l angiogenèse, mais aussi la septation alvéolaire Rats nouveau-nés Traités par Su-5416 (J1-14) Souris nouveau-nées traités 3 fois par un anticorps neutralisant anti-vegfr2 Témoin J14 Inhibiteur J14 (Jakkula et al., Am J Physiol 2000) (McGrath-Morrow et al., AJRCMB 2005)

41 VEGF et Dysplasie Broncho-Pulmonaire Etude post-autopsie DBP - DBP + Naissance : 39 SA Décès : 39 SA Naissance : 27 SA Décès : 36 SA DBP Capillaires dystrophiques marquagepecam-1 (cellules endothéliales) Homogénat : protéine et marn PECAM-1 Diminution marquage VEGF Diminution ARNm VEGF (hybridation in situ) Homogénat : ARNm VEGF et VEGFR-1 (Bhatt et al., AJRCCM 2001)

42 Olivier BOUCHERAT Alexandra BENACHI Bernadette CHAILLEY-HEU Claude DANAN Christophe DELACOURT Marie-Laure FRANCO-MONTOYA

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