Clairance muco-ciliaire Isabelle Fajac Service de Physiologie, Hôpital Cochin Mars 2014 Objectifs Comprendre le rôle de la clairance mucociliaire Connaître la structure et la fonction des cils Connaître la structure et la fonction du mucus Plan Epithélium des voies aériennes Notion de clairance mucociliaire Cils Mucus 1
Fahy et Dickey, N Engl J Med 2010;363:2233-2247 Epithélium trachéal 2
Epithélium trachéo-bronchique Epithélium cylindrique pseudo-stratifié Au moins 8 types cellulaires: - ciliées - à mucus ou caliciformes ou goblet cells - séreuses - basales - en brosse - neuroendocrines Glandes sous-muqueuses Tube étroit cilié en continuité avec épithélium de surface Tube collecteur : épithélium cylindrique Tubules sécréteurs et acini : - muqueux (60 %) - séreux (40 %) 3
Epithélium respiratoire et générations bronchiques Clairance muco-ciliaire Epithélium bronchique : 1ère ligne de défense de l'appareil respiratoire contre le milieu extérieur par la clairance muco-ciliaire Deux acteurs : cils et liquide de surface des voies aériennes 4
Cils 200 cils/cellule 12-15 battements/sec # 5-6 µm de long Structure ciliaire 3 parties : - tige ou corps ciliaire : contient axonème - corpuscule basal - racine ciliaire 5
Structure ciliaire Ultrastructure tige ciliaire : - 9 paires de microtubules périphériques - 1 paire de microtubules centraux - liens : bras de dynéine, liens de nexine, ponts radiaires Knowles et al, AJRCCM 2013 Mouvement ciliaire - Phase de préparation : mouvement en arrière - Phase de propulsion : mouvement rapide bref 6
Méthodes d'exploration des cils et de la fonction ciliaire Test de screening: Oxyde nitrique (NO) nasal très bas Brossage de cellules nasales: étude du battement ciliaire et de l'ultrastructure ciliaire Autres: culture de cellules, étude génétique Barbato et al, Eur Respir J 2009; 34:1264-76 Liquide de surface des voies aériennes (ancien "mucus") 2 phases : - phase "gel" = mucus transporté par battements ciliaires - phase "sol" = liquide péri-ciliaire phase où battent les cils Mucus Liquide péri-ciliaire 7
Mucus (ancienne phase gel) Mucus Liquide péri-ciliaire 10 à 20 ml de mucus sécrétés par jour, épaisseur : # 0,5-2 µm Fonctions : - piège et élimine aérocontaminants - humidifie les voies aériennes - protège et isole les épithéliales Composition du mucus H 2 O et électrolytes : 95% Glycoprotéines : mucines : 2% Protéines : 1% Lipides, lipoprotéines : 1% Sels inorganiques : 1% Propriétés rhéologiques du mucus Propriétés anti-bactériennes 8
Origine du mucus 90 % : glandes sous-muqueuses Cellule à mucus Sécrète les mucines Cellule séreuse Sécrète les autres composants protéiques Mucines Fahy et Dickey, N Engl J Med 2010;363:2233-2247 9
Structure des mucines Synthétisées par les cellules à mucus Représentent 50% des composants solides du mucus Glycoprotéines de très haut PM : - Axe peptidique : sérine, thréonine - Chaînes d'hydrates de carbone de 1 à 20 sucres Rose & Voynow Physiol Rev 2006 Structure des mucines Liaison de type O-glycosidique entre N-acétyl-hexosamine et résidu sérine ou thréonine de chaîne peptidique. liaison O-glycosidique sérine ou thréonine N-acétyl-hexosamine 10
Mucines et propriétés du mucus Propriétés rhéologiques Rhéologie : science de lʼécoulement et de la déformation de la matière viscosité élasticité adhésivité filance Mucus : propriétés d'un fluide visqueux non newtonien et d'un solide élastique Propriétés antibactériennes Propriétés physiques du mucus, rôle des sucres des mucines Gènes des mucines humaines Au moins 17 identifiés : MUC1, 2, 3, 4, 5A, 5B, 6, 7, 8, 13 Expression dans les voies aériennes humaines Bronches : MUC5B : glandes sous-muqueuses MUC5AC : caliciformes Rôle spécifique? 11
Production et sécrétion des mucines Fahy et Dickey, N Engl J Med 2010;363:2233-2247 Autres composants protéiques du mucus Protéines à activité anti-bactérienne Origine sérique : IgG, IgA, IgM, transferrine, complément, anti-protéases Origine locale : séreuses lysozyme transferrine antiprotéases pièce sécrétoire des IgAs défensines 12
Lysozyme Origine : séreuses Enzyme bactériolytique Modulateur de l'inflammation Structurant du mucus Transferrine Origine : séreuses Deux sites de fixation du fer Activité anti-bactérienne Antiprotéases Origine : séreuses SLPI : secretory leucocyte proteinase inhibitor Anti-élastase des PNN Pièce sécrétoire des IgAs Dimère d'iga+chaîne J synthétisé par plasmocytes de la sous-muqueuse bronchique Pièce sécrétoire synthétisée par les séreuses Exprimée au pôle basolatéral des séreuses et constitue le récepteur à dimère d'iga+chaîne J Endocytose, protéolyse partielle du récepteur et sécrétion : IgAs : dimère + chaîne J + pièce sécrétoire Propriétés anti-bactériennes et structurant du mucus 13
Pièce sécrétoire des IgAs ß-défensines Peptides antibactériens Expression par les cellules épithéliales des voies aériennes : épithélium de surface séreuses des glandes sous-muqueuses Activité diminue dans milieu hypertonique % bacteria killed 125 100 75 50 25 0 hbd-1 0 50 100 150 200 [NaCl] mm 12 µg/ml 6 1.2 250 Singh et al, PNAS 1998 14
Clairance mucociliaire Mucus Liquide péri-ciliaire ciliée séreuse à mucus Effets conjoints clairance mucociliaire et substances anti-bactériennes Normalement : Bactéries éliminées par transport mucociliaire en # 6 h (4-10 mm/min) Multiplication bactérienne toutes les 20 min : substances antibactériennes du mucus inhibent croissance bactérienne pendant les 6 h nécessaires à leur clairance. Mais : si clairance inefficace, les bactéries acquièrent rapidement une résistance à ces substances et recommencent à se multiplier au bout de 24 h. 15
Mucus Récapitulatif Liquide péri-ciliaire ciliée séreuse à mucus Epithélium bronchique permet la clairance muco-ciliaire, moyen de défense de l'immunité innée. Deux acteurs : cils et liquide de surface des voies aériennes - Cils (importance de l'ultrastructure ciliaire) - Liquide de surface des voies aériennes : mucus : mucines et substances anti-bactériennes liquide péri-ciliaire Méthodes d'exploration de la clairance mucociliaire 1 mm/min In vivo : vitesse de transport du mucus VAS : test à la saccharine VAI : marqueurs radioactifs In vitro : Mucus : - capacité de transport du mucus - étude rhéologique Etude des cellules ciliées 16
Maladies des voies aériennes Modification de : la composition de l'épithélium l'expression des gènes de mucines (MUC 2 : CF et Pyo) l'expression des enzymes responsables de la glycosylation des mucines Altération des propriétés rhéologiques du mucus Colonisation bactérienne Dégradation du film muqueux, désquamation ciliaire Adhérence bactérienne à l'épithélium Maladies des voies aériennes et caractéristiques du mucus Fahy et Dickey, N Engl J Med 2010;363:2233-2247 17