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Pneumologie
Physiologie et physiopathologie de l'épuration du mucus des voies aériennes
Cours de pneumologie
 

 

Introduction :

La muqueuse respiratoire est exposée en permanence à de multiples agents agresseurs (gaz et particules toxiques, bactéries, virus, allergènes...) qui sont inhalés au cours de la respiration.

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Les plus grosses particules (diamètre aérodynamique supérieur à 10 µm) sont arrêtées et éliminées par la cavité nasale et le nasopharynx, tandis que les particules de plus petite taille pénètrent au niveau des voies aériennes supérieures et inférieures et se déposent, principalement par mécanismes d’impaction et de sédimentation, au niveau de la muqueuse trachéobronchique, avant d’être éliminées par le jeu de l’épuration mucociliaire.

À l’état normal, le mucus respiratoire, principalement sécrété par les cellules glandulaires, forme un tapis continu à la surface de l’épithélium respiratoire et constitue ainsi une barrière de protection efficace entre l’environnement et la muqueuse des voies aériennes.

Le mucus intervient dans la défense de la muqueuse, à la fois par ses propriétés anti-infectieuses et antiprotéases et par ses propriétés mécaniques et rhéologiques.

Parmi les multiples fonctions « protectrices » du mucus, intervient, en premier lieu, l’épuration mécanique des voies aériennes qui implique une étroite interaction entre les cellules épithéliales ciliées et le mince film de mucus qui les recouvre.

Ce mucus respiratoire, produit par les glandes sous-muqueuses et, en plus faible quantité, par les cellules caliciformes de l’épithélium, est mobilisé en permanence par le mouvement ciliaire des cellules ciliées, à une vitesse qui croît depuis les bronchioles jusqu’à la trachée.Àl’état normal, seul le couple mucociliaire intervient dans l’épuration des voies aériennes.

En réponse à une agression des voies aériennes, qu’elle soit d’origine physique, chimique ou infectieuse, la première réaction de la muqueuse respiratoire est de protéger les cellules épithéliales de surface en augmentant la sécrétion de mucus.

Afin d’accélérer le transport de cet excès de mucus, l’organisme met en jeu un second mode d’épuration des voies aériennes : la toux.

La clairance par la toux est un mécanisme rapide et discontinu d’épuration des voies aériennes qui ne peut être efficace qu’en présence d’une hypersécrétion bronchique et qui, par ailleurs, implique une étroite interaction entre le courant aérien et le mucus respiratoire.

Le rôle important joué par le mucus a longtemps été négligé.

Il a trop souvent été associé à la notion d’hypersécrétion et d’expectoration, et a donc été considéré comme un fluide biologique nocif dont l’hyperviscosité était facteur d’obstruction bronchique.

C’est sur cette base conceptuelle que les mucolytiques, administrés dans le but de diminuer la viscosité du mucus et de faciliter son transport, ont été largement prescrits.

Ce n’est que récemment que l’on a mieux compris le rôle important joué par le mucus et que l’on a admis qu’il était nécessaire de maintenir ou de restaurer un mucus adapté à la fonction de protection et d’épuration des voies aériennes.

Physiologie de l’épuration des voies aériennes :

A - Structure normale du système mucociliaire :

À l’état normal, l’arbre trachéobronchique est recouvert, depuis les voies aériennes supérieures (parties antérieure et moyenne de la cavité nasale) jusqu’aux bronchioles terminales (jonctions bronchioloalvéolaires), par un film de mucus qui se situe à l’extrémité des cils vibratiles des cellules ciliées et dont l’épaisseur varie entre 0,5 et 10 µm.

La muqueuse trachéobronchique est recouverte d’un épithélium pseudostratifié de type respiratoire, l’ensemble des cellules étant rattaché à la membrane basale.

Parmi ces cellules, on peut principalement différencier les cellules de l’épithélium de surface et les cellules de la sous-muqueuse.

1- Cellules de l’épithélium de surface :

Les cellules ciliées sont, en nombre relatif, les plus fréquemment identifiées (cinq cellules ciliées pour une cellule à mucus au niveau de la trachée), mais leur nombre diminue progressivement depuis les voies aériennes proximales jusqu’aux bronchioles terminales où l’épithélium pseudostratifié devient monostratifié.

Les cellules ciliées sont des cellules en colonne présentant un cytoplasme riche en mitochondries qui fournissent l’énergie indispensable au transport d’ions comme au mouvement ciliaire.

La surface des cellules ciliées est recouverte de deux types d’extensions membranaires : les cils et les microvillosités.

Chaque cellule ciliée est recouverte de 200 à 300 cils dont le diamètre est de 0,2 µmpour une longueur de 5 à 7 µm.

À l’extrémité des cils, on trouve une couronne de microgriffes qui permettent l’ancrage ciliaire dans la couche supérieure géliforme du mucus.

Le corps ciliaire, ou axonème, est formé d’un squelette de neuf paires de microtubules périphériques, disposées en couronne autour de deux paires de microtubules centraux.

La cohésion et l’assemblage des microtubules sont assurés à la fois par les liens de nexine qui relient les doublets adjacents, par les ponts radiaires qui relient les doublets périphériques aux microtubules centraux par l’intermédiaire de la gaine centrale, et par les bras de dynéine à activité ATPasique qui s’attachent aux microtubules adjacents au cours du battement ciliaire.

Les cils sont ancrés à la partie apicale de la cellule ciliée par leur corps basal et leur racine ciliaire.

Entre les cils, on observe de nombreuses microvillosités, dont la longueur varie entre 0,2 et 0,3 µm et qui présentent, en microscopie électronique à transmission, un glycocalyx très marqué par la ferritine cationisée, marqueur des charges négatives.

Ces microvillosités sont également présentes à la partie apicale des cellules sécrétoires.

Le rôle de ces microvillosités est d’augmenter la surface totale d’échange de l’épithélium.

Les cellules muqueuses (également appelées cellules caliciformes) contiennent des grains sécrétoires bien individualisés, de forme et de taille différentes (400 à 2 000 nm).

À la partie apicale des cellules muqueuses, on observe, comme pour les cellules ciliées, la présence de microvillosités.

Les cellules séreuses de surface, identifiées chez le rat et au cours du développement embryonnaire, sont rarement présentes chez l’homme adulte. Les cellules en « brosse », très riches en microvillosités, sont essentiellement identifiées au niveau de l’épithélium nasal.

Ces microvillosités joueraient, à ce niveau, un rôle important dans la régulation et l’homéostasie de la couche périciliaire.

En fait, il est vraisemblable que les cellules en « brosse », comme les cellules ciliées, possèdent des fonctions sécrétrices incluant le transport d’ions et d’eau, et la sécrétion de macromolécules.

En effet, les travaux de Varsano et al suggèrent que les cellules ciliées pourraient sécréter des glycoconjugués sulfatés.

Les cellules muqueuses (caliciformes) de surface sécrètent, elles, des glycoconjugués à la fois sulfatés et sialylés.

Les cellules basales représentent en moyenne 30 à 35 % des cellules épithéliales respiratoires.

Elles se caractérisent par une forme triangulaire, un rapport nucléocytoplasmique important, et une localisation caractéristique ; elles sont en effet attachées à la lame basale où elles sont ancrées par des complexes jonctionnels de type hémidesmosomes.

Ces cellules basales peuvent jouer le rôle de cellules souches et assurer le renouvellement de l’épithélium.

2- Cellules de la sous-muqueuse :

Les glandes de la sous-muqueuse sont situées entre la paroi bronchique, l’épithélium de surface et le cartilage.

Les acini muqueux et séreux sont généralement séparés, les cellules séreuses étant souvent regroupées à la périphérie des tubules muqueux.

Classiquement, les cellules muqueuses se singularisent par leur taille plus élevée (500 à 1 800 nm) et leur densité aux électrons très faible, comparativement aux cellules séreuses qui se caractérisent par une très grande diversité de taille (200 à 2 000 nm) et une densité aux électrons plus marquée après fixation chimique standard.

Chez le sujet sain, le pourcentage de cellules muqueuses est en moyenne de 40 %, mais il peut considérablement varier d’un individu à l’autre.

Les cellules sécrétrices de la sous-muqueuse trachéobronchique sont en moyenne 40 fois plus nombreuses que les cellules muqueuses de l’épithélium de surface.

Elles représentent donc la source la plus importante du mucus respiratoire.

Ce dernier est transporté depuis les cellules sécrétrices de la sous-muqueuse jusqu’à la lumière bronchique par un canal glandulaire revêtu d’un épithélium cilié.

B - Composition biochimique du mucus :

Compte tenu de la faible quantité de mucus présente à l’état normal à la surface de l’épithélium, il est difficile de connaître de façon précise sa composition biochimique. Elle a été cependant définie à partir de mucus recueilli chez des sujets sains laryngectomisés.

Le mucus normal contient 95 à 97 %d’eau associée à des protéines (1 %de glycoprotéines), des lipides (1 %) et des ions.

Le mucus est donc un gel dont l’état d’hydratation est conditionné par les mouvements actifs ioniques transépithéliaux.

On décrit généralement le mucus respiratoire comme un système structuré en deux phases : une phase « sol », très fluide, dans laquelle baignent les cils, et une phase « gel », superficielle, viscoélastique.

Cette structure biphasique est en fait probablement une simplification.

Le mucus présent au niveau de l’épithélium mucociliaire est vraisemblablement formé d’un gradient continu de glycoprotéines en faible concentration à la base des cils et en concentration beaucoup plus forte à leur partie apicale.

Parmi les principaux composants du mucus, figurent les glycoprotéines, ou mucines, de très haut poids moléculaire (de l’ordre de 106 Da) très riches en sucres, très complexes, et qui sont formées d’un axe polypeptidique sur lequel viennent se brancher des centaines de chaînes glycaniques.

En microscopie électronique, les mucines purifiées se présentent comme de longues chaînes flexibles, de longueur très variable.

Une telle hétérogénéité des structures glycaniques pourrait, selon Roussel et al, constituer une mosaïque de sites récepteurs permettant de piéger les micro-organismes ensuite éliminés par le jeu de l’activité mucociliaire.

Plusieurs protéines du mucus bronchique, soit transsudées, soit sécrétées localement, interviennent dans la défense de la muqueuse bronchique, en association avec l’épuration mécanique des voies aériennes assurée par le système mucociliaire. Parmi les protéines antibactériennes, figurent les immunoglobulines (Ig)A sécrétoires, le lysozyme, la peroxydase, la transferrine et l’inhibiteur bronchique qui est le principal inhibiteur de protéase synthétisé par la muqueuse bronchique.

La localisation de cette antileucoprotéase a jusqu’à présent été décrite comme limitée aux cellules glandulaires séreuses de la sous-muqueuse bronchique et à l’épithélium bronchiolaire.

Les travaux de Marchand et al ont mis en évidence la présence de cette antileucoprotéase dans l’épithélium de surface bronchique, en association avec une hyperplasie basale et muqueuse.

Ceci suggère que l’inhibiteur bronchique peut intervenir dans la défense biochimique de l’épithélium de surface bronchique.

Par ailleurs, Hiemstra et al ont montré qu’en plus de ses propriétés d’inhibiteur endogène des sérines protéases, l’inhibiteur bronchique possède des propriétés bactéricides vis-à-vis de Escherichia coli et de Staphylococcus aureus.

D’autres molécules à activité enzymatique, des peptides et des phospholipides présents dans le mucus bronchique, peuvent intervenir directement dans la fonction antibactérienne et antioxydante du mucus.

Le glutathion (GSH) est un composant antioxydant majeur présent dans le mucus.

Il peut servir de balayeur pour les radicaux oxygènes libres, produits par les polynucléaires neutrophiles dans l’inflammation.

D’autres enzymes, comme la catalase et la superoxyde-dismutase, interviennent dans la défense antioxydante de la muqueuse respiratoire.

Récemment, des peptides antimicrobiens de type bêta-défensines (hBD-1), exprimés par les cellules épithéliales de surface ont été décrits comme les principaux acteurs de l’activité antibactérienne et seraient, à côté du lysozyme et de la lactoferrine, les molécules antimicrobiennes les plus importantes dans le liquide de lavage bronchoalvéolaire.

Deux types de défensines, hBD-1 et hBD-2 ont été très récemment identifiés dans les cellules épithéliales de surface et dans les cellules séreuses glandulaires bronchiques.

Leur activité antibactérienne est très rapide et s’exerce vis-à-vis de multiples agents pathogènes, mais elle est très sensible à l’environnement ionique et à la composition en sel du mucus.

Une augmentation de la salinité du mucus entraîne une diminution de l’activité antibactérienne de ces défensines. Des phospholipides ont également été identifiés dans le mucus bronchique.

Il a été rapporté, par Girod et al, que les cellules glandulaires séreuses contiennent des phospholipides.

De même, ces auteurs ont identifié des phospholipides sur le glycocalyx des cellules épithéliales de surface.

Ces données suggèrent que la muqueuse respiratoire, comme la muqueuse intestinale, contient des phospholipides qui, en s’associant aux mucines, peuvent intervenir comme molécules lubrifiantes facilitant le transport du mucus et peuvent également jouer un rôle protecteur vis-à-vis d’un environnement péricellulaire délétère.

De plus, parmi les protéines du surfactant (surfactant associated proteins) détectées dans les cellules épithéliales bronchiques, deux protéines SPAet SPD possèdent des activités antibactériennes.

C - Contrôle neurohumoral de la sécrétion :

Le contrôle neurohumoral de la sécrétion bronchique fait intervenir à la fois des mécanismes parasympathiques (cholinergiques) et sympathiques (adrénergiques), mais aussi un mécanisme non adrénergique et non cholinergique (NANC). Ces trois systèmes de contrôle sont intimement liés.

1- Innervation des cellules sécrétrices :

Les cellules sécrétrices, en particulier les cellules des glandes de la sousmuqueuse bronchique, sont innervées par un plexus d’axones postglanglionnaires dérivant des systèmes nerveux sympathique et parasympathique.

Le système nerveux est formé d’une population de neurones afférents non myélinisés (fibres C) dont les terminaisons sont identifiées dans l’épithélium et les glandes bronchiques.

Les ganglions contiennent des cellules qui produisent, en plus des classiques neurotransmetteurs tels que la norépinéphrine et l’acétylcholine, des neuropeptides comme le neuropeptide Y qui coexistent avec la norépinéphrine.

Des fibres présentant une réactivité pour le vasoactive intestinal peptide (VIP) se ramifient sous l’épithélium, et d’autres neuropeptides comme la substance P et le calcitonine gene related peptide (CGRP) sont identifiés à proximité de l’épithélium trachéal et des glandes sous-muqueuses bronchiques.

2- Stimulation de la sécrétion :

Comme il existe différentes formes de stimulation, il existe différentes réponses sécrétoires à la stimulation.

Ainsi, la stimulation des récepteurs bêtaadrénergiques s’accompagne d’une sécrétion faible en volume mais visqueuse, tandis que la stimulation des récepteurs alpha-adrénergiques se traduit par une hypersécrétion très fluide.

Les cellules de type muqueux sont facilement stimulables par les agonistes bêta-adrénergiques et cholinergiques, tandis que les cellules de type séreux sont très stimulables par les agents alpha-adrénergiques, cholinergiques et la substance P.

Différents neurotransmetteurs, comme les neuropeptides et l’oxyde nitrique (NO), semblent capables de conduire à une « neuromodulation » de la sécrétion de mucus par l’intermédiaire des voies cholinergiques et adrénergiques.

Il a été démontré, in vitro, que le NO endogène régule l’importance de la stimulation sécrétoire d’origine neurogène.

Les processus infectieux et allergiques peuvent stimuler la sécrétion, soit par voie réflexe, soit par effet direct sur l’épithélium, de substances telles que l’histamine et les métabolites de l’acide arachidonique, parmi lesquels on distingue les produits de la cyclo-oxygénase (prostaglandines et intermédiaires) et les produits de la lipo-oxygénase (en particulier les leucotriènes).

Ces médiateurs ont généralement une action sécrétagogue puissante sur les glandes sous-muqueuses, mais leur effet sur l’activité ciliaire et sur le transport mucociliaire est variable.

Ainsi, chez l’homme, l’histamine en aérosol stimule le transport mucociliaire trachéal et bronchique, tandis que certains leucotriènes, comme le LTD4 et LTC4, sont capables d’induire un ralentissement dose-dépendant du transport mucociliaire, avec diminution de la fréquence ciliaire.

D - Propriétés physiques du mucus :

Le mucus respiratoire possède des propriétés rhéologiques et des propriétés de surface qui jouent un rôle fondamental dans l’épuration des voies aériennes.

Parmi les deux principales propriétés rhéologiques figurent la viscoélasticité et la filance.

Les propriétés de surface sont essentiellement caractérisées par la tension de surface et le travail d’adhésion.

1- Viscoélasticité :

Le mucus respiratoire est à la fois capable de s’écouler (phénomène irréversible) comme les liquides et de se déformer (phénomène réversible) comme les solides.

Il peut donc être décrit comme un système rhéologiquement complexe qui, selon la période de temps pendant laquelle une force lui est appliquée, peut se comporter comme un corps purement solide (par exemple, déformation instantanée sous l’influence d’une secousse de toux), ou comme un liquide (comportement viscoélastique sous l’influence du battement ciliaire).

L’énergie transférée par le cil au mucus est d’autant plus élevée que le temps de contact entre le cil et le mucus est faible.

Une viscoélasticité intermédiaire voisine de 12 Pa.s et un temps de relaxation de l’ordre de 40 secondes représentent le profil viscoélastique favorable au transport du mucus par l’activité ciliaire.

2- Filance :

Comme le mucus cervical, le mucus respiratoire possède des propriétés de filance : sous l’effet d’une pression ou d’une traction, le mucus forme des filaments dont la longueur maximale avant rupture caractérise la filance.

Selon King, la mesure de la filance du mucus à l’aide du filancemètre présente deux avantages majeurs : la simplicité de la mesure, le faible volume (20 à 30 µL) requis et, de plus, le paramètre qui semble être particulièrement sensible aux modifications du poids moléculaire de macromolécules sous l’influence d’agents mucolytiques comme la désoxyribonucléase et la gelsoline.

L’importance des propriétés de filance du mucus, dans les mécanismes physiologiques de transport et de défense épithéliaux, a été établie : une filance élevée (> 30 mm) est généralement associée à une vitesse de transport du mucus également élevée.

3- Propriétés de surface :

Les propriétés physiques du mucus ont généralement été décrites en termes de propriétés rhéologiques.

Les propriétés de surface du mucus sont moins connues. Elles semblent cependant jouer un rôle déterminant dans le mécanisme d’épuration du mucus des voies aériennes.

Selon Pillai et al, les contraintes appliquées au mucus par le jeu de l’activité ciliaire s’effectuent dans une dimension latérale et non normale.

Ceci signifie que l’interaction interfaciale mucus-cils joue un rôle critique dans l’épuration mucociliaire.

Cette interaction peut être caractérisée par un paramètre physique, le travail d’adhésion (work of adhesion Wa), qui correspond au travail par unité de surface nécessaire à la séparation de deux hases initialement en contact.

Wa = delta (1 + cos õ)

delta correspond à la tension de surface du mucus en contact avec l’air, õ est l’angle de contact formé par une goutte de mucus sur une surface solide.

Le travail d’adhésion du mucus dépend donc à la fois des propriétés bioadhésives du mucus, mais aussi des propriétés du substrat avec lequel il entre en contact.

Le contenu en eau, l’osmolalité, ainsi que la composition en mucines et phospholipides, contribuent également aux propriétés de surface du mucus.

Il a été rapporté par Pillai et al que le travail d’adhésion du mucus augmente avec l’osmolalité et décroît avec le contenu en eau.

Dans la mucoviscidose, les sécrétions purulentes, peu hydratées, se caractérisent par des valeurs élevées de tension de surface, associées à une vitesse de transport mucociliaire basse.

Le travail d’adhésion dépend également de la nature plus ou moins hydrophobe de la phase gel du mucus, en grande partie contrôlée par certains phospholipides tensioactifs comme le phosphatidylglycérol.

La diminution de la concentration en phosphatidylglycérol dans les sécrétions bronchiques mucoviscidosiques est associée à une diminution du transport mucociliaire.

À l’opposé, l’addition d’un simulant de la phase sol sous forme de liposomes de distéaroyl-phosphatidylglycérol diminue le travail d’adhésion du mucus et facilite son transport par l’activité ciliaire et la toux.

De façon générale, on admet que l’adhésivité du mucus à la muqueuse respiratoire est un facteur favorable, évitant l’accumulation des sécrétions au niveau de bronches distales par effet gravitationnel.

À l’opposé, une adhésivité trop élevée est défavorable à l’épuration du mucus hors des voies aériennes.

E - Rôle de l’interaction cils-mucus dans l’épuration des voies aériennes :

L’efficacité du battement ciliaire et la vitesse de transport du mucus dépendent de multiples facteurs, parmi lesquels figurent le nombre de cils actifs, la vitesse de l’extrémité des cils, la régulation du mouvement ciliaire, la coordination et la fréquence de battement ciliaire.

L’interaction cils-mucus, dans laquelle les propriétés rhéologiques et les propriétés de surface du mucus interviennent de façon prépondérante, conditionne l’efficacité de la clairance mucociliaire.

1- Battement ciliaire :

La fréquence de battement ciliaire, à l’état normal, atteint 10 à 20 cycles par seconde (10 à 20 Hz).

Elle varie selon l’étage bronchique, la fréquence étant plus rapide dans les bronches comparativement aux bronchioles. Ce battement s’effectue en quatre temps :

– une phase active brève (environ 10 ms), au cours de laquelle le cil se déploie et son extrémité entre en contact avec la phase supérieure viscoélastique du mucus ;

– une phase de récupération (environ 30 ms), pendant laquelle le cil se replie sur lui-même dans la phase fluide, ou phase sol, qui baigne la quasi-totalité de la tige ciliaire et dont la très faible viscosité offre une résistance minimale à la flexion ciliaire ;

– une phase de repos (environ 20 ms) qui sépare la phase de récupération de la phase active ;

– une phase de propulsion du mucus, correspondant à la phase active pendant laquelle l’extrémité du cil pénètre à une vitesse élevée (800 µm/s) dans la phase gel.

Au niveau de la trachée, le mucus est transporté à une vitesse de 10 à 15 mm/min.

2- Régulation du battement ciliaire :

Un très grand nombre d’agonistes du système nerveux autonome, cholinergiques et adrénergiques, stimulent de manière dose-dépendante in vitro et in vivo l’activité ciliaire.

Cette stimulation peut être inhibée par l’interaction ligand-récepteur à la surface de la membrane cellulaire.

Les agents cholinergiques comme l’acétylcholine stimulent l’activité ciliaire via des protéines G.

Cet effet peut être inhibé par l’atropine. Pour les agents ciliostimulants de type bêta-2-adrénergique, l’augmentation de la fréquence de battement ciliaire intervient par l’intermédiaire de l’augmentation de la concentration intracellulaire du taux d’acide adénosine monophosphorique (AMP) cyclique dépendant d’un mécanisme de phosphorylation.

L’activation des récepteurs cholinergiques muscariniques par le carbachol induit une dépolarisation membranaire et une augmentation de la fréquence ciliaire par suite d’un influx cellulaire de sodium et de calcium extracellulaire par l’intermédiaire des canaux correspondants.

L’augmentation de la concentration en Ca2+ intracellulaire est reconnue comme un facteur responsable de l’augmentation de la fréquence du battement ciliaire bronchique n’entraînant pas de modification de sa coordination.

Le mécanisme de régulation cellulaire impliqué dans la modification de la fréquence du battement ciliaire est lié à la propagation intercellulaire de vagues calciques.

Sanderson a décrit cette vague de propagation calcique associée à une augmentation du battement ciliaire à travers les cellules ciliées adjacentes après stimulation mécanique d’une cellule.

La stimulation, à la fois calcique et ciliaire, s’effectue très rapidement (0,5 à 1 s) et atteint 10 à 20 cellules.

Dans la mesure où la culture cellulaire stimulée est dépourvue d’activité nerveuse, il est admis que la propagation intercellulaire de cette onde calcique s’effectue par l’intermédiaire d’un second messager de type IP3 qui diffuse à travers les jonctions intermédiaires (gap junctions) vers les cellules adjacentes.

Bien que le mécanisme à l’origine de l’augmentation de l’IP3, après stimulation mécanique, soit encore mal connu, il semblerait qu’une phospholipase C ou une protéine de régulation, telle que la protéine G, puisse être impliquée.

3- Interaction cils-mucus :

Les caractéristiques rhéologiques du mucus influencent directement la vitesse de transport mucociliaire.

Une viscosité trop faible ou trop élevée s’accompagne d’une diminution de la fréquence ciliaire, et parallèlement, d’une diminution du transport du mucus.

L’épaisseur de la couche périciliaire est également un facteur important dans le mécanisme d’interaction cils-mucus.

Si la phase périciliaire est trop faible par suite d’une augmentation de la réabsorption d’eau par les cellules, le battement ciliaire est inefficace, voire interrompu.

À l’inverse, si l’épaisseur de la phase périciliaire s’accroît de façon excessive par suite d’un déséquilibre entre le phénomène de sécrétion et de réabsorption liquidiennes, le couplage mécanique cils-mucus est inefficace et le transport mucociliaire très diminué.

Les propriétés rhéologiques du mucus interviennent de façon déterminante dans le mécanisme d’épuration mucociliaire.

Chez le sujet sain, les variations interindividuelles de la clairance mucociliaire nasale sont, avant tout, secondaires à des variations des propriétés mécaniques du mucus recueilli in situ, et non à des variations de l’activité ciliaire mesurée ex vivo.

Nous avons également démontré, à l’aide de stimulants du mucus respiratoire (gels de polymères de viscosité variable) déposés sur un modèle d’épithélium cilié respiratoire maintenu en survie, que la fréquence de battement des cils est directement dépendante de la viscosité du mucus avec lequel les cils entrent en contact.

Pour de très faibles valeurs de viscosité (inférieures à 10 Pa.s), la fréquence de battement ciliaire est normale (de l’ordre de 12 Hz), mais la vitesse relative du transport du mucus reste faible.

Cette dernière augmente jusqu’à une valeur maximale, sans modification de la fréquence ciliaire pour une viscosité optimale de 15 Pa.s, valeur au-delà de laquelle la fréquence ciliaire, et en parallèle la vitesse de transport mucociliaire, chutent de façon rapide et sévère.

Lorsque la viscosité atteint 50 Pa.s, la fréquence ciliaire et le transport mucociliaire sont totalement interrompus.

Ces résultats montrent donc bien qu’il existe une réelle interdépendance entre les propriétés rhéologiques du mucus, la fréquence mucociliaire, et la clairance du mucus au niveau des voies aériennes.

Par ailleurs, il semble exister une interdépendance du transport mucociliaire le long des voies aériennes.

En effet, il a été démontré, in vivo, que la vitesse de transport du mucus trachéal bronchique et la clairance pulmonaire totale sont intimement liées.

En outre, si le transfert d’énergie des cils au mucus est essentiellement lié aux propriétés rhéologiques, le mucus peut également influencer la fréquence de battement ciliaire par ses composants biochimiques, mais aussi par le pH, l’osmolalité de la phase sol et enfin, la présence de substances ciliomodulatrices.

Chez le sujet sain, la vitesse de transport mucociliaire augmente depuis les bronchioles terminales (2,4 mm/min) jusqu’à la trachée (12 mm/min).

Le gradient de vitesse du transport mucociliaire suit la réduction de la circonférence totale des voies aériennes.

En fait, ce gradient de vitesse est insuffisant pour éviter l’accumulation des sécrétions intrabronchiques, ce qui suggère que l’épithélium absorbe une partie des sécrétions au niveau de la phase sol au cours de leur progression vers la trachée.

L’augmentation du transport du mucus fait intervenir une augmentation du pourcentage de cellules ciliées et de la fréquence de battement ciliaire au niveau des voies aériennes proximales et également une modification des propriétés rhéologiques du mucus.

F - Rôle de l’interaction air-mucus dans l’épuration des voies aériennes :

1- État physiologique :

À l’état normal, l’interaction air-mucus contribue peu à l’épuration du mucus car le débit aérien est faible.

Il est au maximum de 10 m/s à l’entrée des fosses nasales, il atteint 1 m/s dans la trachée, et n’est plus que de 10 mm/s dans les bronchioles.

S’il est classiquement admis que l’épuration du mucus est le résultat de l’activité ciliaire à l’état normal, il a été également démontré que lorsque l’épaisseur du mucus devient anormale ou lorsque la nature du courant aérien se modifie (fréquence de ventilation ou débit aérien élevé comme celui observé au cours de la toux), l’interaction air-mucus peut alors intervenir de façon significative sur le transport du mucus.

2- Effet de la toux :

Sans évoquer en détail le mécanisme de la toux, il importe de rappeler que chez le sujet sain, le débit expiré au cours de la toux peut atteindre 10 L/s, ce qui implique une vitesse aérienne de l’ordre de 10 m/s.

Un tel débit entraîne un écoulement en deux phases gaz-liquide, dû au cisaillement qui se produit entre la couche de mucus qui tapisse la paroi bronchique et l’air qui s’écoule à grande vitesse.

Cet écoulement en deux phases gaz-liquide est conditionné par de multiples facteurs.

Selon King et al, l’interaction air-mucus ne peut se produire qu’à partir d’une vitesse aérienne très élevée (12 m/s) et cet écoulement est d’autant plus efficace que l’élasticité du mucus est faible.

L’épaisseur totale de la couche de mucus est également un facteur déterminant.

D’après les expériences réalisées par Clarke, si l’épaisseur du mucus respiratoire est inférieure à 500 µm(épaisseur largement supérieure à celle observée chez le sujet sain), l’interaction n’a pas lieu.

La phase sol périciliaire est au moins aussi importante, sinon plus importante, que la phase gel du mucus dans le mécanisme de transport par le courant aérien.

D’après le modèle de toux développée par Scherer, le transport par le courant aérien est favorisé par la présence d’une couche séreuse fluide.

La vitesse de déplacement de cette couche séreuse serait d’autant plus rapide que l’épaisseur de cette phase sol serait élevée et sa viscosité faible.

L’hypersécrétion est un prérequis pour que la contrainte appliquée au mucus au cours de la toux soit capable de mobiliser le mucus.

Chez le sujet sain, la toux n’intervient pas dans l’épuration des voies aériennes.

Les expériences réalisées in vitro à l’aide de simulants de mucus (polymères réticulés d’origine végétale comme le guar) prédisent qu’une viscosité et un module d’élasticité élevés sont favorables à la clairance des sécrétions par la toux.

Les travaux de Zahm et al et de King et al ont permis de démontrer le rôle primordial, non seulement des propriétés rhéologiques, mais aussi des propriétés tensioactives du mucus dans le mécanisme d’interaction air-mucus au cours de la toux simulée.

En présence d’un mucus très adhérent, le transport est diminué, aussi bien par le mécanisme de l’activité ciliaire que par le mécanisme de la toux.

Zahm et al ont également souligné que les propriétés thixotropes du mucus (diminution de la viscosité en fonction du temps sous l’influence d’une contrainte appliquée continue) favorisent l’efficacité de clairance de la toux si cette dernière est répétée.

F - Facteurs physiologiques de variation de l’épuration du mucus :

1- Environnement :

* Température et hygrométrie :

L’épithélium des voies aériennes est constamment exposé à des variations de la température et de l’hygrométrie de l’air inhalé, qui théoriquement ne devraient pas intervenir sur l’épuration mucociliaire, dans la mesure où l’air est réchauffé et saturé en vapeur d’eau dès qu’il atteint le carrefour trachéobronchique.

Cependant, dans des conditions de température extérieure extrêmement basses, ou à l’occasion de variations brutales de la température, la clairance mucociliaire peut être modifiée.

Guillerm et al ont été parmi les premiers à souligner l’importance de la température sur la fréquence du battement ciliaire : au voisinage de la température physiologique, ils ont montré qu’une variation de 1 °C est capable de modifier la fréquence de battement ciliaire de 6,5 %, ce qui se traduit par une modification de 11,5 % de la vitesse de transport du mucus.

La fréquence ciliaire est très sensible aux variations de la température.

Une diminution de la température de 40 à 20 °C entraîne une chute très marquée de la fréquence ciliaire qui passe de 17 à 7 Hz.

À l’influence de la température, s’ajoute celle de l’hygrométrie de l’air, qui peut considérablement modifier la clairance du mucus.

Chez l’animal, en particulier chez le chien, Hirsch et al ont montré que l’inhalation d’air sec à 20 °C se traduit, après 3 heures, par un arrêt total de l’épuration mucociliaire qui est complètement réversible lorsque l’air sec est remplacé par de l’air saturé en vapeur d’eau à 38 °C.

Chez le chien intubé dont la sonde d’intubation est reliée à un nez artificiel permettant de saturer l’air inhalé en vapeur d’eau, le transport du mucus recueilli au niveau trachéal est similaire au transport chez le chien non intubé, alors qu’il est ralenti en l’absence de nez artificiel.

En fait, les variations de l’hygrométrie entraînent une diminution de l’épuration en partie secondaire à des altérations des propriétés rhéologiques et physiques du mucus.

Puchelle et al ont montré, chez le chien, que la diminution de l’humidité de l’air inhalé par la sonde d’intubation s’accompagnait d’une diminution significative des propriétés de filance et d’une augmentation de la viscosité du mucus susceptibles d’expliquer le ralentissement de la clairance mucociliaire.

Chez l’homme, Andersen et al ont montré que lorsque la température de l’air inspiré est de 23 °C, le transport mucociliaire nasal n’est pas significativement modifié par le degré d’humidité relative.

À température plus faible, l’influence de l’hygrométrie est plus marquée, car la quantité d’eau nécessaire pour saturer l’air réchauffé devient beaucoup plus importante.

Ainsi, le ralentissement ou l’arrêt de l’épuration mucociliaire par diminution de la température et de l’hygrométrie peuvent, pour une grande part, être à l’origine des infections des voies aériennes supérieures en périodes hivernales, les basses températures ayant par ailleurs pour effet d’augmenter la vitalité des aérocontaminants viraux.

* Osmolarité et transport mucociliaire :

L’influence de l’osmolarité du mucus, en particulier du contenu en ions Na et Cl est capitale dans la régulation du transport mucociliaire.

On ne connaît pas de façon précise les mécanismes contrôlant l’épaisseur et la composition du mucus à la surface de l’épithélium respiratoire, ni les mécanismes intimes de régulation du transport mucociliaire.

Il a été proposé, par Winters et Yeates , que l’épithélium répond à un stimulus osmotique de façon à maintenir l’équilibre du contenu du mucus en Na et Cl.

Selon ces auteurs, l’épithélium bronchique est capable de moduler et stabiliser l’osmolarité et le volume de mucus à la surface des voies aériennes.

Ces auteurs suggèrent qu’en l’absence de toute perturbation, l’épithélium bronchique absorbe de l’eau avec une entrée de NaCl vers la muqueuse, ce qui se traduit par un transport mucociliaire à l’état basal qui est relativement bas.

Selon le type de perturbation, la réponse de l’épithélium mucociliaire peut varier.

Plusieurs cas de figures peuvent être envisagés :

– si l’environnement (créé par un aérosol) est hypotonique, l’épithélium bronchique a la capacité d’augmenter le phénomène d’absorption de l’eau afin de maintenir un transport mucociliaire efficace ;

– en réponse à un aérosol hypertonique caractérisé par un contenu en NaCl élevé, les limites de la capacité de l’épithélium à absorber l’eau peuvent être atteintes.

Dans ce cas, la sécrétion de neuromédiateurs induits par l’hypertonicité peut indirectement stimuler le transport mucociliaire.

L’épithélium respiratoire semble donc pouvoir mettre en jeu des mécanismes compensatoires transépithéliaux capables de diminuer l’impact d’une modification marquée de l’osmolarité du mucus apportée par un aérosol.

Ces mécanismes de compensation s’accompagnent généralement d’une augmentation du transport mucociliaire.

* Modifications du pH :

Les modifications de la concentration en ions H+, au niveau de la phase sol et/ou gel du mucus, peuvent également modifier la clairance du mucus, soit en modifiant l’activité ciliaire, soit en intervenant sur les propriétés rhéologiques du mucus.

Le mucus, dont le pH varie entre 7,4 et 7,6, représente un milieu tampon idéal pour éviter les changements de fréquence ciliaire.

En effet, l’activité ciliaire est très sensible à tout changement de pH : la fréquence ciliaire diminue dès que le pH est inférieur à 6, et elle s’annule pour un pH supérieur à 9.

En revanche, on peut noter qu’un pH légèrement alcalin est cilioaccélérateur.

Selon Holma et Hegg, les variations interindividuelles des propriétés rhéologiques du mucus seraient à relier à leur contenu protéique qui, lui-même, modulerait les propriétés tampons du mucus.

De telles variations pourraient probablement expliquer l’importante variation interindividuelle de la capacité de transport du mucus et de la clairance mucociliaire nasale, que Lioté et al ont pu observer chez un groupe de sujets sains non fumeurs.

L’équilibre hydroélectrolytique au niveau de la phase périciliaire a également un rôle important dans le mécanisme de contrôle de l’épuration des voies aériennes.

Hée a montré qu’en l’absence de potassium et de calcium, les cellules ciliées continuent à battre, mais à une fréquence significativement plus faible qu’en milieu enrichi en calcium et en potassium.

Il est possible de maintenir une activité ciliaire normale dans du sérum physiologique, mais les valeurs sont plus faibles que dans un milieu de culture contenant des sels minéraux.

* Rôle de l’oxyde nitrique :

Le rôle du NO comme régulateur de la fonction mucociliaire au niveau des voies aériennes supérieures a été décrit dans plusieurs études, in vitro et in vivo.

Ainsi, il a été montré sur le sinus maxillaire de lapin que la fréquence de battement ciliaire est reliée de façon dose-dépendante à la L-arginine qui est le substrat de l’enzyme NO-synthase nécessaire à la synthèse de NO.

Il a également été démontré chez des sujets sains que la variabilité du transport mucociliaire nasal est étroitement corrélée au taux de NO : le transport mucociliaire nasal est d’autant plus bas que le taux de NO est lui-même faible.

Il apparaît donc raisonnable de proposer que la mesure de concentration en NO soit incluse dans les analyses de la clairance mucociliaire nasale des voies aériennes supérieures, un taux normal de NO indiquant que l’épithélium cilié fonctionne correctement.

2- Âge et sexe :

L’efficacité de la clairance mucociliaire est liée à l’âge des sujets.

Bien que l’on n’observe pas de corrélation étroite entre âge et clairance mucociliaire, il a été montré que, in vivo, la vitesse de transport mucociliaire ou la clairance de particules radioactives est significativement plus rapide chez les sujets jeunes (jusqu’à 40 ans) comparativement aux sujets âgés dont la clairance est plus faible.

Cependant, il n’est pas rare d’observer des valeurs de clairance élevées chez des sujets âgés, fumeurs ou non fumeurs.

Aucune variation de la clairance n’a pu être mise en évidence en fonction du sexe.

3- Posture :

Alors que chez les sujets hypersécrétants, l’influence de la posture intervient de façon significative sur l’épuration des voies aériennes, chez les sujets sains, la posture n’a pas d’influence significative sur la clairance mucociliaire.

Plusieurs études ont, en effet, montré que quelle que soit la position du sujet, allongée ou assise, la clairance mucociliaire n’est pas modifiée.

4- Rythme circadien et sommeil :

Chez les sujets volontaires sains éveillés, Pavia et al n’ont pas pu mettre en évidence d’influence du rythme circadien.

En revanche, le sommeil s’accompagne d’un ralentissement de la clairance mucociliaire.

5- Exercice :

L’effet de l’exercice sur la clairance mucociliaire a été clairement mis en évidence.

Le simple fait de pédaler sur une bicyclette ergométrique pendant 1 heure suffit à entraîner une augmentation significative de la clairance chez des sujets sains non fumeurs.

Cette augmentation a été attribuée soit à l’effet mécanique des mouvements respiratoires, soit à la stimulation parasympathique produisant un effet sécrétagogue sur les cellules muqueuses, soit à l’effet stimulant sur l’activité ciliaire des cathécholamines libérées au cours de l’exercice.

Techniques de mesure de l’épuration du mucus :

Les techniques de mesure de l’épuration du mucus des voies respiratoires peuvent être divisées en deux principaux groupes :

– les techniques in vivo, qui permettent d’apprécier de façon globale chez l’homme le transport du mucus et la clairance mucociliaire ;

– les techniques plus spécifiques, ex vivo et in vitro, qui permettent d’apprécier les différents facteurs mucus et/ou activité ciliaire responsables des modifications de l’épuration du mucus.

A - Techniques d’analyse globale in vivo de l’épuration du mucus :

1- Mesure de la vitesse de transport du mucus :

* Au niveau des voies aériennes supérieures :

La vitesse de transport mucociliaire peut être mesurée à l’aide de traceurs déposés sur la muqueuse nasale.

Différents types de traceurs sont utilisés : particules de métal, saccharine, ou particules radioactives, la plupart étant détectées par des sondes externes.

Des variations importantes de la vitesse de transport nasal (0,5 à 24 mm/min) sont observées chez les sujets sains.

Une méthode très simple consiste à déposer sur la muqueuse nasale une faible quantité de saccharine et à mesurer le temps écoulé entre le dépôt et l’apparition du goût sucré au niveau de l’oropharynx.

Cette technique très simple fournit des résultats qui sont corrélés à ceux obtenus à partir de traceurs radioactifs.

Cependant, compte tenu de l’importance des facteurs subjectifs liés à cette méthode, il est nécessaire d’effectuer au minimum trois mesures avant de conclure à une absence de transport mucociliaire nasal.

Un ralentissement du transport nasal ne permet cependant pas de prédire avec certitude l’existence d’une telle anomalie au niveau bronchique.

Cette technique permet d’orienter et d’encourager le clinicien à explorer plus avant l’activité fonctionnelle des cellules ciliées nasales et bronchiques, si le syndrome clinique évoque une dyskinésie ciliaire primitive.

* Au niveau des voies aériennes inférieures :

La mesure de la vitesse de transport du mucus peut s’effectuer soit à l’aide de traceurs radio-opaques ou de microsphères d’albumine marquées, soit à l’aide d’un aérosol pulsé délivrant un bolus de particules radioactives.

La technique de ciné-broncho-fibroscopie, initialement développée chez l’animal, a été appliquée à l’homme en utilisant des disques de Téflont radio-opaques qui sont insufflés dans la trachée par le canal du fibroscope.

Une caméra vidéoscopique, couplée à un amplificateur, permet de mesurer la vitesse de transport des particules.

Cette technique présente l’avantage d’être non traumatisante et de ne pas nécessiter d’anesthésie générale.

La vitesse de transport du mucus peut également être étudiée par technique radioisotopique, en utilisant comme marqueurs des microsphères d’albumine ou d’oxyde de fer marquées au technétium 99mTc et déposées par inhalation d’un aérosol au niveau de la muqueuse trachéale.

Cette technique de mesure in vivo de la vitesse de transport mucociliaire a l’avantage d’éviter l’introduction du fibroscope.

Elle élimine donc tout risque de stimulation secondaire de l’activité ciliaire.

En effet, lorsque le dépôt du traceur s’effectue par fibroscopie, la vitesse de transport est souvent beaucoup plus élevée que lorsque le traceur est déposé par simple inhalation.

2- Mesure de la clairance mucociliaire :

* Généralités :

La mesure de la clairance mucociliaire est généralement réalisée après inhalation d’un aérosol radioactif qui se dépose le long de l’arbre trachéobronchique.

La radioactivité est mesurée à l’aide de détecteurs externes.

L’étude de la décroissance de la radioactivité permet d’évaluer l’efficacité du système mucociliaire.

La clairance mucociliaire est exprimée en pourcentage de radioactivité résiduelle ou en pourcentage de radioactivité éliminée.

La courbe de clairance pulmonaire totale met en évidence deux phases :

– une phase dite « rapide » (inférieure à 24 heures, demi-vie de 8 à 9 heures), qui correspond à la clairance par le système mucociliaire des particules déposées au niveau de l’épithélium cilié ;

– une phase « lente » (demi-vie 60 à 100 jours), qui représente la clairance alvéolaire.

La soustraction de cette fraction alvéolaire est indispensable pour estimer valablement l’efficacité du système mucociliaire.

* Différents facteurs influençant les résultats :

Parmi les facteurs susceptibles d’entraîner une dispersion considérable des résultats, intervient en premier lieu le site de dépôt de l’aérosol.

Même si le dépôt est limité à l’épithélium cilié, la clairance mucociliaire sera différente selon que le dépôt d’aérosol est proximal ou distal.

Ceci est essentiellement lié aux variations de la vitesse de transport du mucus le long de l’arbre trachéobronchique.

Pour interpréter valablement les courbes de clairance mucociliaire, il est donc indispensable de standardiser et de contrôler les conditions de dépôt de l’aérosol.

Les principaux mécanismes conditionnant la pénétration et le dépôt des aérosols dans les voies aériennes sont : l’impaction inertielle (fonction croissante de la taille et de la vitesse des particules), l’interception (fonction de la longueur des particules), la sédimentation gravitationnelle (fonction croissante de la taille et décroissante de la vitesse des particules), et la diffusion brownienne (pour des particules inférieures à 0,5 µm).

La pénétration des aérosols est également fonction de la géométrie des voies aériennes : l’obstruction bronchique entraîne, par exemple, un dépôt plus marqué au niveau des voies aériennes proximales, par augmentation du phénomène d’impaction.

La taille et la densité des particules sont donc deux paramètres essentiels à contrôler lors des mesures de clairance mucociliaire.

L’hygroscopie est également à prendre en compte, mais uniquement si le traceur utilisé est capable d’absorber de l’eau.

Les particules de faible diamètre et de densité élevée se déposent de la même façon que les particules de diamètre plus élevé et de densité plus faible.

Ceci explique que la taille des particules est généralement représentée par le diamètre aérodynamique : diamètre équivalent d’une particule de densité 1 qui sédimente à la même vitesse que la particule utilisée.

En pratique, les particules de diamètre aérodynamique, compris entre 5 et 10 µm, se déposent par impaction au niveau des voies aériennes supérieures et des cinq à six premières générations bronchiques.

Des particules de diamètre compris entre 0,5 et 5 µm se déposent au niveau des voies aériennes distales par sédimentation.

* Qualités de l’aérosol et de son inhalation :

Pour obtenir un dépôt aussi localisé que possible, l’aérosol doit être monodispersé.

Cette monodispersion peut être facilement obtenue à l’aide d’aérosoliseurs à disque, à jet rotatif. Les conditions d’inhalation sont souvent importantes à contrôler.

Un volume courant élevé, associé à une apnée postinspiratoire, favorise le dépôt des particules au niveau des voies aériennes périphériques.

En revanche, pour obtenir un dépôt au niveau des voies aériennes centrales, le débit d’inhalation doit être élevé (de l’ordre de 1 L/s).

L’inhalation de l’aérosol s’effectue pendant toute la durée de l’inspiration, ou uniquement en fin d’inspiration.

La pénétration initiale de l’aérosol varie d’un sujet à l’autre, en particulier chez les malades obstructifs.

Le contrôle du degré de pénétration des aérosols représente donc une étape préliminaire à toute analyse de la clairance mucociliaire.

Trois principales méthodes sont classiquement utilisées.

La détermination du pourcentage de rétention, 24 heures après l’inhalation, permet de quantifier le pourcentage d’aérosol parvenu au niveau des voies aériennes périphériques.

Ce pourcentage est d’autant plus élevé que la pénétration des particules est profonde.

Comme l’ont décrit Foster et al et Agnew et al, l’« index de pénétration » permet d’analyser la répartition de l’aérosol au niveau de chaque champ pulmonaire, droit et gauche, dont le contour est préalablement défini par une scintigraphie au 133Xe.

L’image du champ pulmonaire est découpée en cinq bandes verticales de largeur identique : les trois bandes les plus internes correspondent aux régions centrales, et les deux bandes externes aux régions périphériques.

La méthode d’analyse la plus précise de l’indice de pénétration d’un aérosol consiste, comme l’ont proposé Gerrard et al, à effectuer une analyse statistique de la répartition, point par point, des activités contenues dans l’image du champ pulmonaire, et à calculer le troisième moment de la distribution.

Cet index a l’avantage d’être indépendant de la taille du poumon et de l’activité totale déposée.

Le choix du dépôt de l’aérosol varie selon les auteurs.

Certains préfèrent choisir des conditions d’inhalation permettant d’obtenir un dépôt au niveau proximal ou central.

Ceci présente le double avantage de réduire l’influence de l’obstruction bronchique sur le site du dépôt et de raccourcir la durée d’analyse sous la caméra, limitant ainsi les effets de la toux sur la mesure.

D’autres auteurs préfèrent utiliser des conditions d’inhalation favorables à un dépôt plus diffus, permettant d’étudier la clairance mucociliaire sur l’ensemble des voies aériennes.

L’interprétation de ces résultats est cependant plus difficile, la durée de l’examen (supérieure à 6 heures) ne permet pas d’éviter la toux qui doit alors être prise en compte dans les résultats.

En effet, chez les malades hypersécrétants, une simple secousse de toux peut éliminer un pourcentage de radioactivité supérieur à celui éliminé pendant plusieurs heures par l’activité ciliaire.

Certains auteurs ont proposé d’introduire un facteur correctif pour la toux en évaluant la quantité de radioactivité éliminée par la toux.

En fait, ces corrections sont souvent imprécises et il est préférable, pour les éviter, de limiter l’analyse de la clairance mucociliaire à des périodes de temps aussi courtes que possible, de l’ordre de 1 heure.

* Différents aérosols :

Différents types d’aérosols peuvent être utilisés pour analyser la clairance mucociliaire.

Parmi les plus couramment utilisés, on peut citer : le polystyrène, le Téflont, l’oxyde de fer, l’amberlite, l’albumine.

Certains auteurs utilisent des traceurs biologiques comme les hématies marquées.

La plupart des aérosols marqués utilisés pour étudier la clairance mucociliaire ont un diamètre aérodynamique compris entre 4 et 8 µm, ce qui évite le marquage des voies aériennes distales non ciliées.

L’analyse des courbes de radioactivité s’effectue après correction de la décroissance naturelle du radioisotope.

Les résultats peuvent être exprimés en pourcentage de radioactivité retenue ou, au contraire, éliminée 1 heure, 2 heures et/ou 6 heures après l’inhalation d’aérosols.

Certains auteurs calculent sur la base d’une courbe de clairance de type exponentiel la demi-vie (T 50).

S’il est indispensable d’éviter au maximum l’interférence de la toux au cours de la mesure de la clairance mucociliaire, en revanche le contrôle de son efficacité à la fin de l’analyse est un test intéressant car il permet de renseigner sur la capacité respective de l’activité ciliaire et de la toux à assurer l’épuration du mucus.

Par ailleurs, il est possible, par traitement informatique des données, d’effectuer une analyse séparée de la clairance mucociliaire au niveau du poumon droit ou gauche, ou dans différentes zones pulmonaires (proximale et périphérique), délimitées après mesure de l’index de pénétration.

Quelle que soit la technique d’analyse de la clairance, il est indispensable, pour évaluer valablement l’effet d’une thérapeutique, de calculer le nombre minimal de malades à inclure dans l’étude en se référant à la reproductibilité de la technique utilisée.

B - Méthodes d’analyse in vitro :

1- Capacité de transport mucociliaire ex vivo et rhéologie du mucus :

Un simple test, permettant d’évaluer l’aptitude du mucus à être transporté par le système ciliaire, consiste à mesurer sa vitesse de transport sur la muqueuse du palais de grenouille.

Le palais de grenouille est, en effet, doté d’un épithélium de type respiratoire, dont la morphologie à l’échelle ultrastructurale est très similaire à celle de l’épithélium respiratoire humain.

Après excision, le palais de grenouille est placé dans une enceinte thermostatée (30 °C) et saturée en vapeur d’eau.

Dans ces conditions expérimentales, après environ 24 heures, la phase gel du mucus est éliminée, mais l’activité ciliaire est maintenue.

Il suffit alors de déposer une goutte de mucus sur la muqueuse ciliée du palais et de mesurer sa vitesse de transport qui est ensuite rapportée à celle du mucus témoin de grenouille.

Cette technique a largement été décrite comme une méthode permettant de définir la « transportabilité » du mucus indépendamment de l’activité ciliaire.

Néanmoins, selon King, ce test qui ne requiert que quelques microlitres de mucus, doit être interprété avec prudence, car il est possible que le mucus analysé contienne des médiateurs cilioactifs qui peuvent moduler l’activité ciliaire de l’épithélium de la grenouille.

King propose d’utiliser le modèle de l’épithélium frais de grenouille avant déplétion de mucus comme un système intégré permettant d’analyser l’action de molécules capables de modifier l’hydratation du mucus telles que l’uridine triphosphate (UTP) ou de modifier les propriétés de surface du mucus par addition de surfactant.

Le transport mucociliaire peut également être étudié dans des modèles animaux comme la souris.

Wills et al ont récemment proposé le modèle de la trachée bovine déplétée de son mucus comme modèle plus représentatif du système mucociliaire que celui observé chez les amphibiens.

Selon ces auteurs, le modèle de la trachée bovine serait sensible à l’ajout de NaCl dans le mucus, donc à l’augmentation de l’osmolarité qui s’accompagne d’une augmentation du transport mucociliaire, alors que le palais de grenouille apparaît insensible aux variations de l’osmolarité.

En fait, il semble que ces deux modèles animaux soient complémentaires.

Le modèle du palais de grenouille est parfaitement adéquat pour analyser l’influence des propriétés rhéologiques du mucus sur le transport mucociliaire.

Il semble que le modèle de la trachée bovine permet de mieux définir que le palais de grenouille, l’influence de l’osmolarité sur la capacité de transport du mucus.

Un modèle intégré de muqueuse respiratoire humaine ex vivo représenterait probablement une alternative intéressante aux deux précédents modèles.

2- Activité ciliaire :

L’étude de la fonction ciliaire et de ses anomalies fait appel à des techniques spécifiques visant à mesurer in vitro l’activité des cils vibratiles maintenus en survie ou à mettre en évidence, sur des cellules ciliées préalablement fixées, des anomalies de l’ultrastructure ciliaire.

L’activité fonctionnelle des cils vibratiles peut être facilement étudiée in vitro à partir des prélèvements de cellules ciliées obtenus par brossage ou biopsie, bronchique ou nasale.

3- Brossage :

Le brossage nasal, moins traumatisant que le brossage bronchique, est fréquemment réalisé, en particulier en pneumologie infantile, pour la mise en évidence d’anomalies ciliaires primitives.

Ce brossage doit être effectué dans la partie postérieure du cornet inférieur ou moyen.

Au niveau bronchique, il est indispensable d’effectuer ce brossage dans les zones macroscopiquement saines.

Une légère anesthésie locale peut être utilisée ; il semble que la lidocaïne utilisée aux doses habituelles n’entraîne pas d’inhibition de l’activité ciliaire.

Le brossage de la muqueuse respiratoire (bronchique ou nasale) permet de recueillir des lambeaux d’épithélium contenant plusieurs centaines de cellules ciliées.

Après le brossage, la brosse est immédiatement introduite dans un milieu de culture cellulaire qui permet de maintenir l’activité ciliaire à l’état normal pendant plusieurs heures.

4- Examen en microscopie optique :

Après agitation vigoureuse nécessaire à la mise en suspension des cellules ciliées, une goutte de milieu de culture, préalablement thermostatée à 37 °C, est observée entre lame et lamelle, à l’aide d’un simple microscope optique.

Un premier test simple permet de quantifier le pourcentage de cellules ciliées vivantes et mortes, à l’aide d’un colorant vital tel que le bleu Trypan, et également d’évaluer le pourcentage de cellules ciliées vivantes dont le battement apparaît macroscopiquement normal.

L’examen direct des prélèvements en microscopie optique est donc un examen simple permettant d’apprécier la richesse du prélèvement en cellules ciliées et leur mobilité.

Ce simple test effectué en routine peut être complété, s’il apparaît anormal, par l’étude de la fréquence de battement ciliaire.

L’utilisation d’un photomètre, couplé au microscope, permet d’enregistrer, sous forme de variations électriques, les variations d’intensité lumineuse transmises et modulées par le battement ciliaire.

Applicable à des cellules ciliées isolées par brossage ou biopsie bronchique, cette technique est actuellement la plus fréquemment utilisée pour analyser de façon quantitative la fréquence de battement ciliaire.

5- Étude ultrastructurale ciliaire :

C’est un examen long, difficile, qui ne devrait être effectué que si la symptomatologie clinique (infection oto-rhino-laryngologique et bronchique, dilatations bronchiques associées ou situs inversus) est suffisamment évocatrice d’une anomalie ciliaire et si la mobilité ciliaire nasale et bronchique, après examen direct, apparaît anormale.

Les anomalies ultrastructurales ciliaires peuvent varier non seulement selon le site de prélèvement, mais également au sein d’un même groupe de cellules ciliées.

La mise en évidence, au niveau de quelques cils, d’anomalies du cytosquelette, ne s’accompagne pas nécessairement d’un effondrement de l’épuration mucociliaire.

La quantification en microscopie optique du pourcentage de cellules ciliées mobiles apparaît donc comme une méthode beaucoup plus simple et plus fiable pour évaluer en routine les anomalies fonctionnelles du système ciliaire.

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