Structure fonctionnelle de l’appareil d’échanges gazeux :
Aucun autre organe interne n’est en contact aussi intime et intense avec notre environnement que les poumons.
En charge de l’approvisionnement continu de notre organisme en oxygène, les poumons sont perfusés par plus de 6 000 L de sang et filtrent environ 12 000 L d’air par jour.
Le tissu pulmonaire doit contenir strictement le sang et l’air dans leurs compartiments respectifs, et permettre entre eux un contact si intime qu’il rend possible sur une surface de plus de 140 m2 un échange continu d’oxygène et de CO2.
Cette tâche difficile, encore compliquée par les besoins de stabilité mécanique de l’organe pendant toute la dynamique ventilatoire, est résolue de façon élégante par l’arrangement judicieux de la structure pulmonaire.
Parenchyme pulmonaire. Principes de construction :
Au microscope électronique à balayage, le poumon présente, à faible grossissement, un aspect spongieux dû à une multitude d’alvéoles d’un diamètre d’environ 250 µm.
Ces alvéoles sont le lieu des échanges gazeux.
Elles communiquent avec l’air extérieur par un système hiérarchique de canaux et de tubes (l’arbre bronchique).
Les alvéoles correspondent à de petites poches disposées autour d’un canal central, appelé canal alvéolaire.
Leur forme polygonale permet un arrangement très dense, comparable aux cellules d’un rayon de miel.
Les parois alvéolaires, appelées aussi septa interalvéolaires, sont formées par de très minces lames de tissu contenant les capillaires.
La micrographie optique d’un poumon fixé par les voies respiratoires à une pression de 25 cmH2O, nous donne une idée de la minceur de ces septa.
La fonction pulmonaire est et reste l’échange des gaz, mais ces dernières années ont souligné les fonctions de régulation de processus métaboliques et un rôle immunologique important dont la discussion dépasserait le cadre de cet article.
Les principes fondamentaux régissant la structure de cet organe consistent donc en un compromis entre, d’une part, la création d’une surface interne aussi grande et une barrière air-sang aussi mince que possible, et, d’autre part, la formation de structures tissulaires suffisamment résistantes pour garantir la stabilité de l’organe face aux forces mécaniques de la ventilation.
Septum interalvéolaire :
A – SQUELETTE FIBREUX ET ÉLASTIQUE :
Le squelette fibreux du poumon consiste en un système continu de tissu conjonctif qui s’étend du hile pulmonaire à la plèvre.
Il peut être subdivisé en trois parties pour simplifier sa compréhension :
– un système axial qui part du hile, entoure les bronches ou bronchioles ainsi que les artères et se termine dans les anneaux d’entrées des alvéoles ;
– un système périphérique formant un sac sous-pleural très élastique ;
– un système parenchymateux plus fin, qui assure la liaison entre le système axial et le système périphérique et est localisé dans les parois interalvéolaires.
Au niveau de l’appareil d’échanges gazeux, les structures les plus marquantes du système fibreux sont les anneaux fibreux alvéolaires qui délimitent les entrées des alvéoles et ressemblent fortement à de solides cordes de suspension pour le délicat tissu pulmonaire.
En microscopie électronique à transmission, ces zones renforcées contiennent d’épais cordons de fibres collagènes et élastiques, voire, dans les canaux alvéolaires proximaux, des cellules musculaires lisses.
Pendant l’inspiration, les structures élastiques subissent une tension accrue et de ce fait contribuent, pendant l’expiration, aux forces de rétraction du poumon.
Le fait que les poumons soient capables de rétraction considérable sur le hile (lors de pneumothorax par exemple) démontre que l’ensemble de la construction élastique et fibreuse est réalisé sous contrainte biomécanique, mais nos connaissances actuelles sont encore insuffisantes pour élucider les fondements cellulaires et moléculaires qui en sont responsables.
Il faut aussi préciser ici que l’interface airliquide à l’intérieur du poumon est responsable pour les deux tiers de la force de rétraction du poumon.
B – SYSTÈME CAPILLAIRE :
Le système capillaire de la paroi alvéolaire est très dense : environ 50 % du volume septal total est représenté par le sang qui y circule.
Mis à part la pression intravasculaire et l’incompressibilité du compartiment sanguin, qui certainement contribuent à la stabilité du septum interalvéolaire, l’entrelacement du système capillaire avec le système fibreux représente le principe clef de la structure septale.
C’est ainsi qu’apparaît, dans des micrographies électroniques à faible grossissement, le parcours sinueux des capillaires interalvéolaires qui serpentent le long des fibres de tissu conjonctif.
Cet arrangement a des conséquences fonctionnelles très importantes.
Cet arrangement résulte d’une restructuration capillaire postnatale.
En effet, le poumon humain, ainsi que celui de nombreuses espèces mammifères, contient pendant le développement et jusque après la naissance, des septa intersacculaires à système capillaire double, disposés de chaque côté d’une couche centrale de tissu conjonctif.
C – SURFACE ALVÉOLAIRE :
Selon les lois de la physique, toute interface air-liquide engendre une tension de surface.
La loi de Laplace, qui stipule qu’à pression constante la tension de surface à l’intérieur d’une sphère est inversement proportionnelle à son rayon, a pour conséquence, lorsque des sphères de tailles diverses communiquent, que les plus petites se vident dans les grandes.
Les choses se compliquent encore lorsque la surface n’est pas régulière, mais présente des courbures de rayons différents.
La surface alvéolaire largement modelée par les capillaires sous-jacents, n’échappe pas à cette loi.
De plus, pendant la respiration, la configuration et les dimensions des alvéoles changent continuellement.
Avec une interface air/liquide conventionnelle, les petites alvéoles seraient condamnées à collaber : une atélectasie pulmonaire en serait la conséquence.
La substance qui empêche cette catastrophe est le surfactant alvéolaire, dont l’existence a été postulée en 1929 déjà par von Neergaard mais démontrée seulement en 1968 in situ par la fixation du poumon par voie vasculaire.
Le surfactant confère donc au poumon, pour une large part, la stabilité mécanique nécessaire et représente un acteur majeur pour le bon fonctionnement de la respiration.
Dans les micrographies électroniques, le surfactant apparaît comme une couche de liquide qui égalise toutes les dépressions, crevasses et aspérités de la surface alvéolaire.
In vivo, la surface interne du poumon est donc régulière et lisse, et ceci à tous les degrés d’inflation.
Morphologiquement, le surfactant comprend deux composantes distinctes : une couche superficielle, l’interface air-liquide proprement dite, qui se présente sous la forme d’une fine lamelle de matériel osmiophilique, et une zone basale représentant un pool de fluide, dans lequel on trouve les figures myéliniques très caractéristiques, décrites en 1963 par Campiche et al.
Ces dernières semblent correspondre à une réserve de matériel osmiophilique de surface.
Le surfactant consiste en un complexe macromoléculaire de lipides et de protéines, avec forte prédominance de lécithines saturées, plus particulièrement de la dipalmitoyle lécithine.
Le surfactant est sécrété par les cellules épithéliales alvéolaires de type II qui contiennent de nombreux corps lamellaires, précurseurs intracellulaires du surfactant.
Barrière air-sang et composantes cellulaires du parenchyme pulmonaire :
Le poumon humain contient dans ses tissus et dans le compartiment sanguin plus de 40 types de cellules différentes, dont un grand nombre est localisé dans la zone de conduction des voies respiratoires.
Il semble que certaines cellules de la barrière air-sang puissent provenir de cellules souches de la moelle osseuse.
Cette origine permettrait de comprendre les mécanismes de reconstruction observés après lésion du parenchyme pulmonaire et de comprendre les observations pathologiques au niveau des poumons lors de transplantations de moelle osseuse.
Enfin, cette origine souligne le rôle et les compétences immunologiques des poumons.
Structure de la barrière air-sang :
Sur environ 50 % de sa surface, la barrière air-sang est extrêmement mince, ne mesurant pas plus de 0,2 à 0,5 µm, ce qui est environ 50 fois plus mince qu’une feuille de papier à lettre.
Cette barrière minimale est composée de trois couches :
– une couche externe, représentée par des extensions cytoplasmiques très minces de cellules épithéliales alvéolaires dites de type I ;
– une membrane basale ;
– une couche interne, formée par les extensions cytoplasmiques des cellules endothéliales des capillaires.
Aux endroits plus épais, nous trouvons d’une part les noyaux et régions périnucléaires des cellules formant la barrière, et d’autre part, dans l’interstice élargi (délimité par les membranes basales de l’épithélium et de l’endothélium), une masse de tissu conjonctif comprenant des fibres élastiques et collagènes et des extensions cytoplasmiques de cellules interstitielles.
Ultrastructure des composantes cellulaires du parenchyme :
A – PNEUMOCYTES DE TYPE I :
Les cellules épithéliales alvéolaires de type I, ou pneumocytes I, sont considérées comme les cellules structurales de la barrière air-sang.
Grâce à leur spécialisation, en effet, elles recouvrent environ 93 % de la surface alvéolaire, alors que, comme nous le verrons plus loin, elles sont bien moins nombreuses que les cellules de type II.
Les caractéristiques structurales des pneumocytes I sont leurs extensions cytoplasmiques très minces qui peuvent s’étendre à plus de 50 µm du péricaryon. Sur de larges surfaces, les lamelles cytoplasmiques ne dépassent pas 0,1-0,2 µm en épaisseur.
Cette spécialisation morphologique permet d’assurer un transport efficient des gaz entre l’air et le sang, en maintenant l’épaisseur de la barrière à un minimum.
Toutefois, le pneumocyte I n’est pas simplement une cellule très étendue dans un seul plan, mais représente souvent un système complexe possédant des extensions cytoplasmiques dans différentes directions.
Il n’est pas rare qu’une cellule contribue à la couverture des deux faces d’un septum interalvéolaire en projetant ses extensions à travers un pore de Kohn.
Il semble que le plus haut niveau de spécialisation de ce genre soit atteint chez la souris étrusque, le plus petit mammifère avec un poids moyen adulte d’environ 2,5 g.
Cette espèce, dont les besoins énergétiques sont proportionnellement considérables, possède les pneumocytes I les plus complexes avec de multiples lamelles cytoplasmiques s’étendant dans plusieurs directions.
Cet arrangement équivaut à une mesure d’optimisation de la structure à la fonction ; une seule cellule, avec un seul péricaryon (région peu favorable à la diffusion des gaz), est en mesure de couvrir une grande surface, tout en limitant les distances entre le noyau et la périphérie cellulaire.
Toutes les données expérimentales démontrent que les pneumocytes I sont une population de cellules terminales, incapables de divisions mitotiques.
Après une lésion et desquamation des pneumocytes I, ceux-ci sont remplacés par des cellules cuboïdales contenant quelques corps lamellaires.
Ces dernières cellules, que l’on apparente ou identifie aux pneumocytes de type II, perdent par la suite les corps lamellaires et se différencient en cellules plates de type I.
Un mécanisme analogue est postulé pendant le développement et la croissance du poumon, où la population de pneumocytes I semble être formée par prolifération et différenciation de pneumocytes II et par la participation de collagénases de type métalloprotéinases (MMP 1 et 13).
T1alpha et l’aquaporine-5 sont les marqueurs de surfaces des pneumocytes de type I.
B – PNEUMOCYTES DE TYPE II :
Le pneumocyte II, relativement aisément reconnu en microscopie optique, a souvent été nommé la grande cellule alvéolaire, mais les analyses quantitatives démontrent en fait un volume cellulaire qui atteint à peine la moitié de celui des pneumocytes I.
Le pneumocyte de type II est une cellule épithéliale alvéolaire arrondie, sans extension cytoplasmique, et souvent tapie à l’intersection des capillaires.
En microscopie électronique à balayage, les cellules épithéliales de type II présentent un aspect très caractéristique, une aire centrale lisse, entourée d’une couronne de petites microvillosités, rappelant la tonsure d’un moine.
Le cytoplasme est riche en organelles : les mitochondries sont nombreuses, le réticulum endoplasmique et l’appareil de Golgi sont bien développés.
Le composant SP-A du surfactant a pu être détecté dans les corps multivésiculaires, et le mode d’exocytose dans l’alvéole à travers des pores membranaires ainsi que certains mécanismes régulateurs ont été démontrés.
De nombreux corps lamellaires très caractéristiques, osmiophiliques, représentent les dépôts intracellulaires de surfactant.
En revanche, le mode de production et de formation des corps lamellaires est loin d’être résolu.
Il apparaît cependant clairement que les pneumocytes de type II sont responsables de l’équilibre de la phase liquidienne dans les alvéoles par la régulation des pompes à sodium au niveau apical de la cellule et l’expulsion au niveau basolatéral par une pompe Na-K-ATPase.
L’équilibre hydrique alvéolaire est donc sous contrôle du système non neuronal cholinergique par l’intermédiaire de ces pompes à ions. Les antigènes de surface des pneumocytes de type II sont principalement alpha(v)bêta3, alpha(v)bêta5, CD36, et le récepteur de la phosphatidylsérine, mais ne sont pas spécifiques à ces cellules.
Il a de plus été démontré que le pneumocyte de type II est une cellule capable de présentation antigénique et de sécrétions de cytokines qui lui confèrent un rôle important dans les processus inflammatoires pulmonaires.
Son rôle pathogénique dans des atteintes allergiques est maintenant établi, et son rôle chémoattractif et activateur des monocytes est aussi clairement établi, sans que les conséquences en soient encore toutes éclaircies.
C – PNEUMOCYTES DE TYPE III :
Chez le rat, un troisième type de cellule épithéliale alvéolaire a été décrit en 1968 par Meyrick et Reid, le pneumocyte III ou cellule alvéolaire en « brosse ».
Cette cellule se différencie clairement des cellules de type II par le fait qu’elle ne contient pas de corps lamellaire.
Sa forme est pyramidale et, sur les côtés, elle est recouverte par des extensions cytoplasmiques de pneumocytes I.
L’étroite surface libre est garnie de microvillosités de forme particulière, relativement courtes et à bouts carrés.
Le cytoplasme est parcouru de microfilaments et contient du glycogène.
Chez le rat, cette cellule se rencontre très fréquemment dans les parties distales des bronchioles terminales.
Chez l’homme, elle a été décrite dans les voies respiratoires, mais non encore au niveau des alvéoles.
La fonction du pneumocyte III reste mystérieuse.
Comme des fibres nerveuses ont quelquefois pu être observées à proximité, l’on en a déduit que le pneumocyte III pourrait remplir une quelconque fonction réceptrice.
Il est important de mentionner ici que des cellules similaires ont été observées dans d’autres organes, tels que les glandes salivaires, la vésicule biliaire et le rectum.
Rien depuis plusieurs années n’a été entrepris pour clarifier le rôle de ces cellules.
L’origine des cellules épithéliales pulmonaires est liée aux cellules souches de la moelle osseuse et les réactions pulmonaires observées lors de transplantation de moelle pourraient être en liaison avec cette origine, mais il n’apparaît pas encore clairement quel mécanisme préside à cette repopulation.
D – CELLULES DE L’INTERSTICE PULMONAIRE :
Environ 50 % du volume de l’interstice du septum alvéolaire est de nature cellulaire.
La cellule représentative de l’interstice, le myofibroblaste, est une cellule de forme complexe qui, comme son nom l’indique, contient des filaments contractiles intracytoplasmiques.
Ces filaments d’actine ont été découverts par Kapanci et al en 1974.
Les recherches ont permis de démontrer la filiation entre les fibroblastes et les myofibroblastes (pour revue).
C’est sous l’effet, entre autres, de tumour growth factor (TGF) b1 ou de la thrombine que les fibroblastes, en produisant des filaments d’a-actine, se transforment en myofibroblastes.
Les mécanismes d’induction phénotypique ne sont pas encore suffisamment explorés et les études en cours suggèrent d’autres voies de stimulation et de régulation.
L’interleukine (IL)1 par exemple, empêcherait cette transformation en réduisant indirectement la transcription d’a-actine.
Le myofibroblaste reste toujours une cellule remarquable dont les rôles physiologiques et pathologiques ne sont pas encore complètement explorés.
Grâce à leur faculté contractile, les myofibroblastes pourraient contrôler activement le flux sanguin à travers le septum interalvéolaire.
Weibel et Bachofen ont proposé que ces cellules règlent la compliance de l’interstice du septum interalvéolaire.
Ils ont observé que très souvent les microfilaments étaient orientés perpendiculairement aux membranes basales épithéliales et semblaient former avec celles-ci des points d’attache.
Parmi les nombreuses fonctions physiologiques et pathologiques qui lui sont prêtées, le myofibroblaste joue un rôle prépondérant dans les processus de réparation après inflammation ou lésion, et dans la sclérose pulmonaire.
E – MEMBRANE BASALE :
Les capillaires pulmonaires sont entourés d’une membrane basale à l’intérieur de laquelle on trouve fréquemment des processus cellulaires de péricytes, cellules dont la fonction reste hypothétique.
La production de cette membrane basale semble provenir des pneumocytes de type I qui sont en mesure de produire une part importante des molécules qui la composent.
L’épaississement de la membrane basale est observé au microscope électronique dans de nombreux cas pathologiques, en particulier lors d’asthme, de fibrose et de tumeurs.
Des changements de composition semblent tenir un rôle dans la dispersion métastatique de certains cancers bronchoalvéolaires.
Des pores ovales importants ont été décrits ; ils faciliteraient le passage des cellules immunocompétentes.
F – CELLULES ENDOTHÉLIALES :
Les parois capillaires présentent un revêtement continu de cellules endothéliales de forme simple, très plates avec un épaississement au niveau de la région nucléaire.
Le péricaryon n’est entouré que de peu de cytoplasme.
Malgré sa relative pauvreté en organelles les cellules endothéliales contiennent quelques petites mitochondries, peu de réticulum endoplasmique lisse et rugueux, ainsi qu’un petit appareil de Golgi l’endothélium pulmonaire a d’importantes fonctions métaboliques.
Ces fonctions ne sont pas spécifiques à l’endothélium pulmonaire, mais représentent des fonctions communes aux endothélia en général.
Les extensions cytoplasmiques des cellules endothéliales contiennent une multitude de vésicules de micropinocytose, signe d’un intense transport transendothélial.
La membrane cellulaire luminale est pourvue d’une machinerie enzymatique très puissante qui lui permet d’exercer une fonction métabolique sur de nombreuses substances telles que l’angiotensine, les prostaglandines, la bradykinine et la sérotonine.
L’endothélium est en mesure d’activer ou d’inactiver ces substances, voire dans certains cas, comme pour la sérotonine, de purifier complètement le sang de cette substance lors de son passage dans les vaisseaux pulmonaires.
L’importance métabolique des vaisseaux pulmonaires réside dans leur position centrale dans le système vasculaire : à chaque cycle complet, l’endothélium pulmonaire voit défiler pratiquement le volume sanguin global, ce qui lui permet de remplir une fonction de contrôle éminente sur les substances véhiculées par le sang.
À cette fonction s’ajoute la réalité d’une régulation de la distribution du flux sanguin liée à la structure vasculaire sur laquelle nous reviendrons plus loin.
Il faut aussi noter que l’endothélium est morphologiquement altéré et devient fenêtré sous l’action de tumeurs et de stimulation par vascular endothelium growth factor (VEGF).
À l’encontre des pneumocytes I, les cellules endothéliales sont, elles, capables de divisions mitotiques, leur différenciation morphologique étant moins poussée.
En cas de lésion vasculaire, l’endothélium est donc capable de régénération.
En cas de diabète, les anomalies observées ont des conséquences importantes sur le transport et la régulation des flux liquidiens et, bien que ce phénomène ne soit probablement pas spécifique au poumon, il peut perturber sensiblement la fonction pulmonaire.
G – MACROPHAGES ALVÉOLAIRES :
À proprement parler, les macrophages ne font pas partie des cellules du septum alvéolaire.
Ils sont apposés à la paroi alvéolaire sur laquelle ils se déplacent, immergés dans le surfactant.
Aujourd’hui, nous savons qu’ils jouent un rôle extrêmement important et que leurs fonctions sont bien plus complexes, non seulement dans les réactions immunologiques, mais aussi dans certains mécanismes d’homéostasie tissulaire dont la discussion dépasserait le cadre de cet article.
Citons simplement les interactions cytokines complexes entre les macrophages et les cellules de l’épithélium alvéolaire qui ont pour conséquence de transformer considérablement la morphologie des cellules au niveau alvéolaire et au niveau de la paroi interstitielle.
Il est bien établi que les macrophages sont dérivés du compartiment monocytaire de la moelle osseuse et arrivent dans le poumon par le sang.
Il semble en effet que les monocytes sanguins quittent les capillaires alvéolaires, entrent dans l’interstice où ils se multiplient pour ensuite émigrer dans les alvéoles.
Dans certaines conditions expérimentales, il semblerait que des divisions cellulaires puissent avoir lieu aussi bien dans l’interstice qu’à l’intérieur des alvéoles.
L’interstice alvéolaire contient quelques autres types de cellules, plus particulièrement les péricytes accolés à la paroi capillaire, des cellules musculaires lisses, situées dans les anneaux de renforcement à l’entrée des alvéoles, et, quelques cellules libres, les plus fréquentes étant les cellules mastocytaires.
Ultrastructure des composants acellulaires :
A – COLLAGÈNES ET ÉLASTINE :
Des études ultrastructurales des composants du septum alvéolaire ont été menées pour mettre en évidence les déformations en cas d’emphysème et les capacités de correction offertes par certains fibroblastes, aussi bien au niveau du collagène que des fibres d’élastine.
Un déséquilibre de l’activité des protéases et des antiprotéases semble être à la base de la disparition de l’élastine ; son remplacement par du collagène ne permet pas à la structure alvéolaire de maintenir un équilibre fonctionnel et entraîne une rupture des parois alvéolaires et une destruction tissulaire.
B – MATRICE EXTRACELLULAIRE :
La matrice extracellulaire a fait l’objet ces dernières années de nombreuses études microscopiques et ultrastructurales démontrant la présence et la répartition de l’ensemble des composants connus à ce jour.
Il est important de noter que ces études permettent de mettre en évidence le rôle prépondérant des cellules épithéliales de type I et II ainsi que des fibroblastes du septum alvéolaire dans la composition de la membrane basale.
Cette composition peut varier en fonction des états pathologiques et entraîner des conséquences aussi bien sur la structure pulmonaire que sur les phénomènes cellulaires locaux.
