Structure et fonction de l’épithélium bronchique

Bronche et bronchioles

Les bronches primaires (ou souches) se divisent en bronches lobaires puis en bronches segmentaires pour finir par les bronchioles. D’architecture semblable à la trachée, les bronches primaires présentent un épithélium de type respiratoire identique avec quelques différences, comme la présence d’un réseau de fibres élastiques plus important dans le chorion, qui fait office de séparation avec la sous-muqueuse laquelle contient moins de structures glandulaires et présente une discontinuité des anneaux cartilagineux.
Les bronchioles sont très fines (0,5 à 1mm de diamètre), divisées en trois types, chacune étant progressivement de plus en plus petite : les bronchioles lobaires, les bronchioles terminales et les bronchioles respiratoires. Il n’y a pas d’échange d’air dans les bronchioles lobaires et terminales ; en revanche, il y en a au niveau des bronchioles respiratoires. La fonction primaire des bronchioles est de conduire l’air des bronches aux alvéoles et de contrôler le débit d’air distribué dans le poumon par constriction ou dilatation. La structure des bronchioles est sensiblement différente des celles des bronches.
Les bronches sont entourées d’un anneau de cartilage qui les maintient ouvertes, alors que les bronchioles sont entourées d’un mur de muscle lisse permettant de dilater et de contracter les voies respiratoires. Elles contrôlent ainsi la livraison d’air aux alvéoles. La muqueuse des bronchioles est formée d’un épithélium simple cylindrique dépourvu de cellules caliciformes et pauvre en cellules ciliées. Le chorion est réduit à une fine lame élastique et la sous-muqueuse qui se confond avec l’adventice necontient pas de glandes (Figures 1.1 et 1.3)

Alvéoles

À l’aboutissement de l’arbre bronchique, on retrouve les alvéoles regroupées en acinus pulmonaires. Un acinus est constitué de 5 à 6 alvéoles entourées d’un réseau de capillaires sanguins intimement lié à la fonction des alvéoles.
L’épithélium alvéolaire est constitué de pneumocytes de type I (membraneux) et de type II (granuleux). Alors que la proportion en pneumocytes I et II est sensiblement identique, les pneumocytes de type I, du fait de leurs structures fines (0,1 à 0,2µm d’épaisseur) et étalées, couvrent 95% de la surface alvéolaire. Ceci a pour conséquence de conférer à l’épithélium alvéolaire une caractéristique souple très étendue qui favorise les échanges gazeux, mais aussi très fragile qui le rend vulnérable auxattaques microbiennes et aux polluants.
La barrière alvéolo-capillaire, au travers de laquelle est assurée la fonction d’échanges gazeux, est formée de pneumocytes de type I des alvéoles et des cellules endothéliales des capillaires. Les pneumocytes de type II sont de forme cubique et présentent une microvillosité au niveau de leur pôle apical. Leur aspect granuleux est dû à leur cytoplasme riche en organites, dont un spécifique, les corps lamellaires, qui sécrète le surfactant pulmonaire. De plus, ils présentent un réticulum endoplasmique et un appareil de Golgi surdéveloppés, signe d’un métabolisme très actif. Le surfactant sécrété (et aussi recyclé) par les corps lamellaires des pneumocytes de type II a pour fonction de fluidifier le mucus, de faciliter les échanges gazeux et de diminuer la tension de surface des alvéoles afin qu’elles ne s’effondrent pas sur elles-mêmes pendant la respiration et qu’elles conservent leur élasticité (Figures 1.1 et 1.4).

Les épithéliums

Dans les épithéliums, tissus très organisés, les cellules ne fonctionnent pas seules : elles sont regroupées en tissus conjonctif, musculaire, nerveux et épithélial. Les cellules épithéliales forment une barrière protectrice qui recouvre tous les tissus qui sont en contact avec le monde extérieur en séparant physiquement l’organisme de celui-ci.
Plutôt que d’être une barrière statique et impénétrable, les épithéliums sont des structures dynamiques qui ajustent leurs proliférations, leurs différenciations et leurs morts cellulaire en réponse à des signaux intrinsèques et extrinsèques. Un épithélium est composé de cellules contiguës, reliées les unes aux autres par des jonctions. Les tissus épithéliaux recouvrent les organes comme la peau, les voies respiratoires et l’appareilreproducteur. Comme les structures des épithéliums sont différentes en fonction de leur localisation et de leur rôle dans l’organisme, dans la partie suivante ne seront détaillées que la structure et la fonction de l’épithélium bronchique.

Structure et fonction de l’épithélium bronchique

L’épithélium bronchique est à l’interface entre le système respiratoire et l’air que l’on inspire. Il repose sur un tissu conjonctif constitué d’une membrane basale, d’une lamina propria et d’une sous-muqueuse, qui contient du muscle lisse, des glandes et du cartilage [5]. L’épithélium bronchique est composé de trois types de cellules qui forment ensemble une couche ciliée pseudo-stratifiée (Figures 1.3 et Figure 2.1) :
— les cellules ciliées cylindriques dont la principale fonction est d’éliminer les particules grâce à leur capacité de clairance muco-ciliaire ;
— les cellules sécrétoires présentes sous plusieurs formes, représentent environ 20% de l’épithélium bronchique. Les cellules caliciformes sont les principaux producteurs de mucus des voies aériennes, dans lequel les particules inhalées, ainsi que les virus et les bactéries, peuvent être piégés [6]. Les cellules de Clara (ou pneumocytes de type II granulaire) produisent le surfactant. De plus, ces cellules peuvent participer à l’élimination des agents nocifs. Les cellules de Clara sont prédominantes dans les bronchioles et les cellules caliciformes dans les voies aériennes plus larges ;
— les cellules basales sont considérées comme les cellules souches de l’épithélium bronchique.

Fonction de barrière

Les cellules de l’épithélium bronchique défendent les voies aériennes contre l’entrée depathogènes. Cette défense repose à la fois sur l’intégrité de l’épithélium qui forme une barrière physique, sur la sécrétion du mucus et sur la fonction ciliaire dont l’action commune permet une clairance muco-ciliaire efficace contre différents agents extérieurs. Les cellules de l’épithélium bronchique sont aussi capables de synthétiser et de sécréter différents médiateurs dont le rôle principal est la défense de l’intégritéépithéliale.

Sécrétion de médiateurs protecteurs

Pour assurer la protection contre les pathogènes, l’épithélium bronchique sécrète un certain nombre de médiateurs comprenant des substances antibactériennes, des anti-protéases, des antioxydants (glutathion, superoxyde dismutase et catalase) et des médiateurs de l’inflammation tels que les interleukines [11–13].

Intégrité de l’épithélium

L’intégrité physique de l’épithélium est maintenue par plusieurs mécanismes d’adhérence [14]. Les jonctions serrées sont une structure étroite en forme de couronne entourant chaque cellule au pôle apical. Les desmosomes et les jonctions adhérentes sont impliquées dans le maintien d’une forte adhérence cellule-cellule. L’ensemble de ces jonctions forment une barrière physique, empêchant les «fuites» (Figure 2.2). En plus de ces jonctions, il y a les jonctions GAP de communication et les hémidesmosomes qui servent à l’ancrage des cellules épithéliales à la lame basale.

Jonctions serrées

Au niveau des jonctions serrées, les cellules sont maintenues étroitement l’une contre l’autre par des groupes de protéines appelées claudines, chacune interagissant avec un groupe partenaire au niveau de la membrane plasmique opposée. Ces groupes sont organisés en réseaux dont le degré de densité est proportionnel à l’étanchéité de l’épithélium. Le but des jonctions serrées est d’agir comme une barrière imperméable et d’empêcher les liquides de s’échapper entre les cellules. À côté des claudines, on trouve l’occludine, protéine transmembranaire dont la fonction principale est encore très étudiée et les protéines JAM (Junctional Adhesion Molecules). Claudines, occludine et JAM s’associent aux protéines intracellulaires de la membrane périphérique appelées protéines ZO-1 (Zonula occludens 1) qui s’ancrent au cytosquelette d’actine [15, 16] (Figure 2.3)

Desmoplakine

La desmoplakine est une protéine importante du desmosome qui sert à maintenir l’intégrité structurale de la jonction. La desmoplakine existe sous deux isoformes la première connue sous le nom de « DPII » de 260,0kDa et la seconde appelée « DPI » de 332,0kDa, quasiment identiques à l’exception d’un domaine plus court dans la DPII. La desmoplakine ancre les filaments intermédiaires aux plaques desmosomales[28].

Plakoglobine (ou γ -caténine)

La plakoglobine également appelée γ -caténine, est un membre de la famille des caténines, homologue à la β -caténine puisqu’elle contient elle aussi un motif d’acides aminées répété distinctif appelé répétition Armadillo (ARM). La plakoglobine est un composant cytoplasmique des desmosomes et des jonctions adhérentes. Elle possède, en plus du domaine ARM, des domaines globulaires N-terminaux et C-terminaux de structures in- connues. Elle a été initialement identifiée comme composant des desmosomes, où elle peut se lier aux membres de la famille des cadhérines ainsi qu’aux cadhérines classiques telles que la E-cadhérine ; dans ce cas elle, est appelée γ -caténine [29]. Comme la β -caténine elle serait impliqué dans la régulation de la prolifération cellulaire [30].

Jonction adhérente

La jonction adhérente a plusieurs fonctions dont l’initiation et la stabilisation de l’adhésion cellule-cellule, la régulation du cytosquelette d’actine, la signalisation intracellulaire et la régulation de la transcription. Le cœur de la jonction adhérente est constitué d’interactions entre des glycoprotéines transmembranaires de la superfamille des cadhérines, tels que l’E-cadhérine et des protéines d’ancrage trouvées à l’intérieur de la cellule membres de la famille des caténines comme l’α-caténine, la β -caténine, la caténine p120 et la γ -caténine. Ensemble, ces protéines contrôlent la formation, la maintenance et la fonction des jonctions adhérentes [15, 16, 31]. La jonction adhérente est constituée des protéines d’ancrage trouvées à l’intérieur de la cellule telles que l’α-caténine, la β -caténine, la caténine p120 et la γ -caténine. Ces protéines d’ancrage relient les microfilaments d’actine aux cadhérines, comme la E-cadhérine, protéine d’adhérence transmembranaire localisée en grande partie dans l’espace extracellulaire. Dans l’espace interjonctionnel, l’interaction entre deux cadhérines se fait grâce au calcium via leurs extrémités extra-cellulaires. Ces deux cadhérines utilisent leurs extrémités intracellulaires pour interagir avec les protéines de caténine localisées dans lecytoplasme des deux cellules adjacentes pour former le complexe cadhérinecaténine. Ce complexe se lie à l’α-actinine et à la vinculine qui relient le complexe cadhérine-caténine au microfilament d’actine de la cellule (Figure 2.6 )

Pathologies pulmonaires

Malgré l’ensemble des éléments de protections disponibles dans l’épithélium bronchique, décrits précédemment, il peut arriver que ce ne soit pas suffisant pour lutter contre les maladies. Les maladies pulmonaires ont essentiellement des causes infectieuses (bactéries, virus ou champignons pathogènes), la plus fréquente étant le pneumocoque (Streptococcus pneumoniae) qui est aussi le plus dangereux. Parmi les pathologies pulmonaires fréquentes on trouve l’asthme, les bronchopneumopathies chroniques obstructives (BPCO) caractérisées par un rétrécissement irréversible des bronches, les cancers et la mucoviscidose, maladie génétique caractérisée par une production importante d’un mucus épais qui entraîne d’important troubles respiratoires.
On peut en citer beaucoup d’autres, mais c’est sur cette dernière pathologie que notre étude s’est concentrée.

L’inflammation

Généralités

La réaction inflammatoire ou inflammation est définie comme la réponse locale à toutes sortes d’agressions des tissus vascularisés et vivants. Habituellement bénéfique pour l’organisme, ceprocessus a pour but de réparer les lésions et d’éliminer l’agent pathogène, mais peut conduire dans certains cas à une inflammation néfaste pour l’organisme en raison de l’agressivité ou de la persistance de cet agent. D’autres causes, comme des anomalies dans la régulation du processus inflammatoire ou lorsque la quantité ou la qualité des éléments intervenant dans l’inflammation sont altérées, peuvent aussi conduire à une inflammation néfaste. C’est le cas de la mucoviscidose, maladie caractérisée par des atteintes pulmonaires progressives graves qui sont la cause principale de morbidité et de mortalité chez les patients. Il existe de multiples causes à l’origine de l’inflammation, comme les agressions de type physique (trau matisme, chaleur/froid, radiations) ou chimique (agents caustiques, toxines, venins), l’infection par des micro-organismes comme les bactéries, virus, parasites et cham pignons ou une agression dys-immunitaire (anomalie de la réponse immunitaire,allergies. . . ) qui sont capable de déclencher une inflammation.
Dans tous les cas, l’agent pathogène peut être soit endogène soit exogène. Plusieurs causes peuvent être responsables du déclenchement de l’inflammation et, pour un même agent pathogène, on assiste à des réactions inflammatoires différentes selon l’hôte et l’état de ses défenses immunitaires. Les acteurs de l’inflammation qui l’entre tiennent ou la modifient sont divers et variés. Parmi ces acteurs, il y a les médiateurs pro et anti-inflammatoires. Même si les réactions inflammatoires peuvent être diffé rentes d’un patient à l’autre, l’inflammation présente des mécanismes communs dont les étapes varient en fonction de l’organe et de l’agent pathogène responsables. La réaction inflammatoire comporte plusieurs étapes successives.

Les cellules de l’inflammation

Appartenant au système immunitaire certaines de ces cellules sont particulièrement agressives et tuent (par phagocytose) tous les éléments reconnus comme étrangers et les virus afin de les éliminer. Les cellules résidentes des tissus comprennent les phagocytes mononuclés résidents (cellules dendritiques et macrophages) ainsi que les mastocytes [73]. Si cette première ligne de défense est franchie, l’organisme réagit en organisant une contre-attaque cellulaire capable de tuer l’élément étranger. Ce moyen de défense entre en action très rapidement après le début de l’infection. Les cellules sont activées par le contact avec les éléments étrangers. En réponse, elles libèrent des médiateurs de l’inflammation notamment des cytokines pro-inflammatoires et de l’histamine, un vasodilatateur qui va favoriser le recrutement des cellules qui circulent via le sang dans l’ensemble de l’organisme tels que les lymphocytes T et B, les cellules NK (Natural Killer), les monocytes qui se différencient en macrophages en gagnant le tissu où ils seront qualifiés de résidents [73].
Les granulocytes sont les leucocytes les plus nombreux dans la circulation périphérique.
La famille des granulocytes regroupe les polynucléaires basophiles, éosinophiles et neutrophiles. Entre les divers types de granulocytes d’importantes différences fonctionnelles existent. Ces cellules ont en commun un noyau multilobé, la présence dans leur cytoplasme de nombreuses granules et le fait que leur activité biologique s’exerce au niveau des tissus [74] (Figure 4.1). Les fonctions des neutrophiles sont la défense de l’hôte, la phagocytose et la destruction de pathogènes invasifs [75]. En réponse à une infection, les neutrophiles génèrent des espèces réactives de l’oxygène (ROS) via la NADPH oxydase et secrètent pour protéger l’organisme des protéines granulaires anti microbiennes comprenant entre autres l’élastase, la collagénase, les cathepsines et la myéloperoxidase. De l’ADN peut être libéré par les neutrophiles pour former des NETS (neutrophil extracellular traps) qui vont piègent les bactéries afin de les éliminer [76, 77]. Si cette réponse n’est pas contrôlée, des lésions tissulaires excessives et graves peuvent en résulter. Ces lésions représentent la majorité des atteintes pulmonaires observées chez les patients atteints de mucoviscidose.

Fonctions des ROS

La production de ROS est un processus physiologique nécessaire dans de nombreuses fonctions cellulaires. Plusieurs voies de signalisations, (MAPK, JNK…) sont régulées par les ROS [162, 163]. Une signalisation efficace et normale nécessite un court déséquilibre de la balance redox. Pourtant, un stress oxydatif peut survenir lorsqu’une augmentation de la production de ROS n’est pas finement régulée par les antioxydants et que celle-ci devient chronique. Le stress oxydant induit par les ROS a été longtemps considéré comme étant à l’origine de dommages associés à plusieurs pathologies humaines. Néanmoins lorsqu’ils sont produits en quantité modérée et contrôlée, les ROS interviennent dans la signalisation intracellulaire qui régule la vie de la cellule (croissance, prolifération, différentiation), permettant ainsi aux cellules de s’adapter en mettant en place des réponses antioxydantes associées à un effet mémoire. Ce processus permet ultérieurement à la cellule, ultérieurement, de faire face à un stress oxydant de niveau supérieur. Afin de minimiser l’impact des fluctuations de la production des ROS et de se protéger contre leurs effets néfastes, la cellule dispose de plusieurs moyens de lutte dits «antioxydants» [152].

Table des matières

Table des figures 
Abbréviations 
I Introduction 
1 Le système respiratoire
1.1 Trachée
1.2 Bronche et bronchioles
1.3 Alvéoles
2 Les épithéliums 
2.1 Structure et fonction de l’épithélium bronchique
2.2 Fonction de barrière
2.2.1 Clairance muco-ciliaire (CM)
2.2.2 Sécrétion de médiateurs protecteurs
2.2.3 Intégrité de l’épithélium
2.2.4 Jonctions serrées
i Claudines et occludine
ii JAM
iii ZO-1
2.2.5 Desmosomes
i Desmogléines et desmocollines
ii Desmoplakine
iii Plakoglobine (ou γ -caténine)
2.2.6 Jonction adhérente
i Caténines
i.1 α-caténine
i.2 β -caténine
i.3 γ -caténine
i.4 Caténine p120
ii E-cadhérine
2.3 Pathologies pulmonaires
3 La mucoviscidose 
3.1 Généralités
3.2 La protéine CFTR
3.2.1 Structure
3.2.2 Fonction de la protéine CFTR
3.2.3 Mutations au niveau du gène CFTR
3.2.4 Approches thérapeutiques fondamentales
3.3 Données cliniques
4 L’inflammation 
4.1 Généralités
4.2 Les cellules de l’inflammation
4.3 Étapes de l’inflammation
4.3.1 Les cytokines
i Cytokines de l’hématopoïèse
ii Cytokines de la réponse immunitaire
iii Cytokines de l’inflammation
4.4 Cas de la mucoviscidose
4.4.1 Présence du processus inflammatoire
i Les neutrophiles
ii Les macrophages
iii Les cellules épithéliales
4.4.2 L’inflammation précoce
5 Le stress oxydatif 
5.1 Production et fonctions des radicaux libres oxygénés (ROS)
5.1.1 Production des ROS (Reactive Oxygen Species)
5.1.2 Fonctions des ROS
5.2 Protection contre les ROS
5.3 Stress oxydant et mucoviscidose
5.3.1 Au niveau urinaire
5.3.2 Compartiment intracellulaire
i Au niveau cytoplasmique
ii Au niveau mitochondrial
iii Au niveau du réticulum endoplasmique (RE)
iii.1 PERK
iii.2 ATF6
iii.3 IRE-1
5.3.3 Au niveau du plasma
6 La protéine prion cellulaire 
6.1 La découverte du Prion
6.2 La protéine prion cellulaire (PrP c )
6.2.1 Structure de la protéine PrPc
6.2.2 Voie de synthèse, maturation et dégradation
6.2.3 Rôles du Prion cellulaire
i Prion et jonction cellulaire
ii Activité cytoprotectrice du Prion
iii Prion et inflammation
iv Prion et cuivre
II Objectifs
III Résultats
1 Homéostasie du cuivre et stress oxydant dans l’épithélium bronchique humain mucoviscidosique : rôle dans les réponses inflammatoires
1.1 Introduction
1.2 Discussion et perspective
2 Effet de la correction pharmacologique versus la correction génétique sur le profile inflammatoire des cellules épithéliales bronchiques homozygotes pour la mutation delF508
2.1 Introduction
2.2 Discussion et perspective
3 L’expression de la protéine cellulaire (PrP c ) et son importance fonctionnelle dans l’épithélium bronchique : rôle dans la protection de la barrière jonctionnelle contre le stress oxydatif
3.1 Introduction
3.2 Discussion et perspective
IV Conclusions et Perspectives
V Annexes
Bibliographie

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