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Troubles pré- et post-natals dudéveloppement pulmonaire

Jacques Bourbon, Inserm U841Institut Mondor de Recherche BiomédicaleUniversité Paris 12 - Faculté de MédecineCréteil

DESC de Chirurgie Pédiatrique

Le développement pulmonaire,un processus complexe

qui s’étend de la vie intra-utérineaux deux premières années.

croissance

Stades du développement pulmonaire et chronologie

4 7 10 16 20 26 34 naissance 3 6 9 1 2 3 4 5 6 7semaines (40) mois années

Stade pseudoglandulaireramification de l’arbre aérien jusqu’aux

bronchioles terminales

Stade sacculaireformation des unités fonctionnelles

Stade alvéolaireSeptation secondaire

Maturation microvasculaire(fusion des capillaires)

Stade embryonnaireformation de l’ébauche

Stade canaliculaireformation des voies aériennes distales

vascularisation

Développement, morphogenèse Croissance

Origine embryologique du poumon et processus de ramification Les cellules épithéliales du poumon dérivent de l’intestin embryonnaire primitif (endoderme)

Intestin antérieur - diverticule thyroïdien, - diverticule respiratoire (trachée, bronches, parenchyme pulmonaire), - appareil digestif (pharynx, œsophage, estomac / début du duodénum / foie, pancréas).

Le poumon est issu de l’association d’un bourgeon épithélial issu d’une évagination ventrale du tube digestif embryonnaire avec le mésenchyme environnant (mésoderme)

Bourgeon épithélial toutes les cellules épithéliales du poumon mature Mésenchyme toutes les autres cellules (fibroblastes, endothéliums vasculaires, fibres musculaires

lisses, chondrocytes, etc)

Le poumon se développe par ramifications successives du tube épithélial originel (« branching morphogenesis »)

L’arbre aérien et les générations de ramifications

Moulage polyester d’un poumonhumain adulte vu de dos

(le poumon gauche a été moinsempli que le poumon droit)

Organisation de l’arbre aérien du poumonhumain indiquant les générations (z) de

ramifications dichotomiques

Embryonnaire(4-7 semaines)

Pseudo-glandulaire(7-16 semaines)

Canaliculaire(17-26 semaines)

Sacculaire /Alvéolaire(27semaines-

postnatal)

Le processus de septation secondaire accroîtconsidérablement la surface d’échanges gazeux.

L’alvéolisation procède par un mécanisme différent : la septation secondaire

septum primaire

élastine

des dépôts d’élastine se forment dans l’épaisseur des septa primaires ; des crêtes apparaissent à leur niveau

Poumon humain de 26 j

élastine

les crêtes s’allongent pour donner naissance aux septa secondaires qui subdivisent les sacs alvéolaires

septum secondaire

Alvéole

Alvéole

septum primaire

élastine

Des mécanismes cellulaireset moléculaires d’une grandecomplexité, mais de mieux en

mieux connus.

Spécification du territoire pulmonaire :Rôle des facteurs de transcription

Bohinski et al., 1994 : le poumon se développe dans un territoire endodermiquequi exprime simultanément les facteurs de transcription TTF1, Foxa1 et Foxa2

Pax-8TTF-1 (Nkx2.1)

Fox a3 (HNF-3γ)

Fox a1 (HNF-3α)

Fox a2 (HNF-3β)

Thyroïde Poumon Tube digestifet dérivés

THYROID TRANSCRIPTION FACTOR (TTF-1) ou Titf1 ou Nkx2.1 :Facteur de transcription à domaine de liaison à l’ADN de type homéotique (homéodomaine)Exprimé dans la thyroïde, le poumon et certaines régions du cerveau

(Homéodomaine: séquence conservée de 60 acides aminés, de structure hélice-tour-hélice, codée par 180 nucléotides qui constituent l’homeobox)

Famille FORKHEAD BOX (Fox) [antérieurement Hepatocyte Nuclear Factors 3 (HNF-3) et HNF-3/Forkhead homologues (HFH)] :Facteurs de transcription à domaine de liaison à l’ADN de type "winged helix" exprimés dansdivers tissus, notamment ceux issus de l’endoderme

(Winged helix: séquence conservée d’une centaine d’acides aminés dérivée du motif homéotique)

Le territoire pulmonaire est induit par le mésenchyme cardiaquevia une signalisation Fibroblast Growth Factor (FGF)

Interprétation : il existe un seuil designalisation FGF tel que : - [ ] élevée différenciation pulmonaire

- [ ] faible différenciation hépatique

L’induction de TTF-1 (Nkx2.1) se fait à proximité du mésenchyme cardiaque (marquage actine=msa) et du futur territoire hépatique (marquage albumine)

Explants endoderme + mésenchyme cardiaquemés. cardiaque

intestinantérieurventral

intestinantérieurdorsal

Intestin moyen

Explants endoderme seul

FGF-1 et FGF-2 peuvent se substituer in vitro au mésenchyme cardiaque pour induire l’expression de TTF-1 et de l’albumine

+ FGF-25 50 1000 ng/ml

Épithélium distal seul

Épithélium trachéal seul

Épithélium distal +Mésenchyme distal

Épithélium trachéal +Mésenchyme distal

Épithélium distal +Mésenchyme trachéal

Épithélium trachéal +Mésenchyme trachéal

Ramification

Épithélium distal seul

Épithélium trachéal seul




Épithélium trachéal +Mésenchyme trachéal

Ramification Expression de marqueurs



HIS SP-C HIS SP-C

HIS SP-C Marquage mucine



Le mésenchyme pulmonaire est régionalisé,il contrôle à la fois la ramification et la différenciation épithéliales

Culture d’épithélium et de mésenchyme séparés par un filtre (JM Shannon)

L’épithélium est multipotent et inductible. La ramification et la différenciation proximo-distalesont sous le contrôle du mésenchyme par l’intermédiaire de médiateurs diffusibles.

Modélisation des mécanismes de la ramification bronchique :Le mésenchyme exerce son contrôle via le FGF10

Étape 1

Un foyer de FGF-10exerce une attraction

chimiotactiquesur le tube épithélial.

La croissanceépithéliale est stimulée.

Étape 2

Des contre-mécanismes(inhibition de la chimio-attraction,

inhibition de la prolifération)inhibent la production

de FGF-10 et la progressionde l’épithélium

Étape 3

De nouveaux foyersde FGF-10 et la nucléation

de la matrice font naîtreune ramification

L’administration d’un glucocorticoïde pendant la période postnatale chez les rongeurs inhibe la septation, stimule la fusion capillaire et induit l’amincissement des septa

L’alvéolisation est contrôlée par des effetsantagonistes des corticostéroïdes et des rétinoïdes

La signalisation par l’acide rétinoïque (AR) est cruciale pour le processus de septation - Des fibroblastes pulmonaires stockent de la vitamine A et libèrent de l’AR- La délétion du gène des RARα et γ réduit la septation alvéolaire- L’AR exogène augmente la synthèse d’élastine et la septation alvéolaire,

il s’oppose aux effets des glucocorticoïdes

⇒ Les Corticostéroïdes contrôlent la fin du processus de septation

⇒ Les Rétinoides agissent avant les corticostéroïdes au cours du processus de septation

Témoin

AR500 µg/kg/jour

Dex0,25 µg/jour

Dex+ AR

(Massaro & Massaro,AJP Lung, 1996)

L’alvéolisation nécessite des interactions entretypes cellulaires et entre cellules et matrice

(Bourbon et al., Pediatr. Res, 2005)

Les troubles dudéveloppement pulmonaire

Pathologies associées à un développementpulmonaire anormal et stade d’origine

EmbryonnaireAgénésies pulmonairesAgénésies et sténoses trachéales et laryngéesTrachéo- ou bronchomalaciesMalformations bronchiquesLobes ectopiquesKystes lobaires congénitaux

PseudoglandulaireMalformations adénomatoïdes kystiquesSéquestrations pulmonairesHypoplasies pulmonairesLymphangiectasie pulmonaire congénitale

CanaliculaireHypoplasies pulmonairesDysplasie acinaireDétresse respiratoire néonatale (MMH) et Dysplasie bronchopulmonaire du prématuré

Sacculaire / AlvéolaireHypoplasies pulmonairesDysplasie acinaire et dysplasie capillaire alvéolaireEmphysème lobaire congénitalDétresse respiratoire néonatale (MMH) et Dysplasie bronchopulmonaire du prématuré

(Voir site : http://www.sfip-radiopediatrie.org)

Troubles du développementpulmonaire prénatal

Les causes d’hypoplasie pulmonaire

Compression du thorax Agénésie rénale (Potter's syndrome) Oligoamnios avant 28 SA

Diminution de l’espace thoracique Hernie de coupole diaphragmatique Effusions pleurales Distension abdominale Dystrophies thoraciques, dysplasies du squelette Masses intra thoraciques

Diminution des mouvements respiratoires intra-utérins Lésions nerveuses centrales intra-utérines Syndrome de Werdnig–Hoffman fœtal Autres neuropathies et myopathies Hypoxie, hypoglycémie, tabagisme et alcoolisme, morphine Infection intra utérine

Autres associations Trisomie 21 Anomalies congénitales multiples Erythroblastose fœtale Nanisme thanatophorique …

Un dénominateur commun aux hypoplasies :le défaut de tension du tissu par le liquide intra pulmonaire

Sécrétion : ions Cl-(période fœtale)

Réabsorption : ions Na+ (période périnatale) - rôle des catécholamines et de la vasopressine- rôle du travail (stress fœtal)

Pendant toute la vie intra-utérine, le poumon sécrète un liquide dont la pression s’équilibreavec celle du liquide amniotique grâce aux mouvements respiratoires fœtaux. À la naissance, la sécrétion s’arrête et le liquide est réabsorbé.

La tension exercée par le liquide pulmonaire est indispensable à la croissance pulmonaire :

Drainage ou compression hypoplasie

Ligature trachéale hyperplasie⇒⇒

La Hernie de Coupole Diaphragmatique congénitale (HCD)une cause (relativement) fréquente d’hypoplasie pulmonaire

- Défaut de fermeture du diaphragme (étiologie inconnue)- 1/3000 naissances vivantes- Remontée des viscères et compression pulmonaire- Hypoplasie pulmonaire sévère, division bronchique anormale- Immaturité histologique- Surface vasculaire totale réduite, hyperplasie de la média, ⇒ hypertension hyper-muscularisation des artérioles- Large spectre de gravité- ≈50% de mortalité

Poumons hypoplasiques

Foie ascensionné

Tube digestifascensionné

Diaphragme

Témoin

HCD

La Technique P.L.U.G.La Technique P.L.U.G. ((Plug the Lung Until it GrowsPlug the Lung Until it Grows) :) :une approche de lune approche de l’’hypoplasie pulmonaire en cours de développementhypoplasie pulmonaire en cours de développement

Principe : l’occlusion trachéale provoque une rétention du liquide sécrété par le poumon ;la tension exercée par le liquide force la croissance du poumon.

Liquide pulmonaire

Permet un traitement peu invasif de la HCD (occlusion par voie endoscopique).Toutefois, un effet secondaire néfaste : différenciation excessive des pneumocytes I audétriment des pneumocytes II.

Séquestrations pulmonaires etmalformations adénomatoïdes kystiques

La séquestration pulmonaire :

Tissu pulmonaire non fonctionnel ayant perdu ses rapports normaux avec l'arbre trachéo-bronchique et dont la vascularisation artérielle est de type systémique (aorte thoracique ou abdominale).

2 formes : - Séquestration intra lobaire : partage avec le poumon où elle siège l'enveloppe pleurale et le retour veineux (75% des séquestrations, malformation assez précoce). - Séquestration extra lobaire : possède une enveloppe pleurale propre et un retour veineux vers le réseau systémique (25 % des séquestrations, partie inférieure et postérieure du thorax, le plus souvent à gauche, malformation plus tardive).

La malformation adénomatoïde kystique :

Anomalie sporadique consistant en une croissance anormale des bronchioles terminales sans glande bronchique ni différenciation alvéolaire, et qui augmente le volume du lobe affecté. Communique avec l'arbre respiratoire par des canaux anormaux, d’où aération progressive après la naissance.

3 types :-Type 1 (50 % des cas) : kystes multiples de 2 à 10 cm, souvent avec un kyste prédominant ; à l’échographie, un kyste principal entouré d'autres kystes plus petits.-Type 2 (40 % des cas) : kystes multiples de 0,5 à 2 cm; à l’échographie, forme mixte de multiples petits kystes et de tissu échogène.-Type 3 (10% des cas: lésion faite de microkystes se traduisant à l’échographie par une masse solide hyperéchogène, souvent de grande taille.

Troubles du développementpulmonaire postnatal

Naissance prématuréeet syndrome de détresse respiratoire aiguë ou

idiopathique (maladie des membranes hyalines)

• Insuffisance respiratoire à début immédiat • Pathologie de l'immaturité pulmonaire (< 32 SA) : déficit primitif en surfactant • Traitement "symptomatique" par la ventilation mécanique avec PEP • Traitement étiologique : surfactant exogène • Traitement préventif : corticostéroïdes à la mère

25 30 35 >37 SA

100

60

40

20

0

80

Incidence

Séquelles Respiratoires Néonatales =

la Dysplasie Bronchopulmonaire (DBP)

Maladie "récente" et "iatrogénique"

Premières descriptions : 1960-65

= débuts de réanimation néonatale

Série de Northway (66-67) :moyenne des enfants :

2,2 kgs et 34 SA19 décès sur 32

2000 : Observatoire PrimeVeReS(Corticoïdes anténatals + surfactant +

modes ventilatoires)

≤ 25 26 27 28 29 30 31 32Terme (SA)

Enf

ants

ave

c D

BP

(%)

3043 prématurés < 33 SA11% décès dont 75% < J28

Termethéorique

36 semaines24 semaines

sacculaire

Naissance prématurée(50 000 naissances / an)

canaliculaire

alvéolaire

Stade

La DBP, une pathologie du développement alvéolaire

Incidence de la DBP

DBP+ DBP-

Avant l’ère "surfactant"

Poumon du prématuré Évolution favorable sans DBP

"ancienne" DBP

surfactant exogène + corticostéroïdes +progrès des méthodes de ventilation

"nouvelle" DBP

La “nouvelle” DBP, une maladie principalement caractérisée par un déficit de septation

Progrès dans la prise en charge

Lésions bronchiques

Réparation anormale : Fibrose

Développement alvéolaire anormal

Modèles expérimentaux de DBPet d’arrêt de la septation alvéolaire

Animaux prématurés ventilés babouin, agneau, lapin…

Exposition chronique du nouveau-né à l’hyperoxie (60% à 100% O2) rat, souris

Injections quotidiennes de dexaméthasone au nouveau-né rat, souris

Injections intra-amniotiques ou intratrachéales d’endotoxine(lipopolysaccharide) rat

Air O2

Rat, exposition à l’hyperoxie(>95% O2 de 0 à 6 jours )

Remodelage matriciel

Proliferation cell. /différenciation Angiogenèse

OxygèneVentilation

mécanique

Infection/Inflammation

Fibroblaste

Cellule

épithéliale

Cellule

endothéliale

Facteurs de croiss.

Recepteurs

La septation alvéolaire implique des interactions multiples altérées dans la DBP

Migration

Synthèseélastine

Assemblageélastine

Myofibroblastes

Lysyl-oxidasedéveloppement sacculaire

perturbéMäki, Am J Pathol 2005

Importance de l’Élastogenèse

PDGFA

Hoxa5plus de migration des myofib.

plus de septation secondaireBoström, Cell 1996

Septation

+/+ -/-

Élastinemoins de septa, espaces élargis,mais souris meurent avant début

septation secondaire Wendel, Am JRespir CellMol Biol 2000

FGF-18pic d’expression pendant

alvéolisation

stimulus de l’élastogenèseChailley-Heu, AJP2005

Fibulin-1

Elastin

Control 10 25 50 100 ng/ml

Fibulin-5

FGF18

Lysyl ox

Importance de la signalisation FGF - FGFR3/4

Les FGFR 3 and 4 sont augmentés pendant la septation (Powell et al., AJRCMB 1998)

Les souris double-KO Fgfr3-/-/Fgfr4-/-

n’ont plus de septation (Weinstein et al., Development 1998)

Wild type fgfr3-/- fgfr4-/-

21 j

9 j

ARNm FGFR3(% du témoin)

Air O2

0

20

40

60

80

100

120

* *

0

20

40

60

80

100

120

140

Air O2

ARNm FGFR4(% du témoin)

*

0

20

40

60

80

100

120

Air O2

ARNm FGF18(% du témoin)

L’hyperoxie diminue l’expression des FGFR 3 et 4, et du FGF18 chez le rat nouveau-né de 6 j (Lopez / Boucherat et al., AJRCMB 2006)

Importance des remaniements matriciels : métalloprotéases (MMP

L’absence de MMP-2 perturbe temporairement l’alvéolisation (Atkinson et al., Dev Dyn 2005)

La voie de signalisation EGF module l’expression de MT1-MMP (=MM14), responsable de l’activation de MMP-2 (Kheradmand et al., J Cell Sci 2005)

L’expression de MT1-MMP augmente pendant l’alvéolisation et est indispensable au processus

dpc dpp17 19 21 1 3 5 8 16

0

100

200

300

400

500

600

700 mRNA (% of 17 dpc level)

***

*

##

(Boucherat et al.,Pediatr Res 2007)

Morphologie pulmonaire à 1 mois

MT1-MMP +/+ MT1-MMP -/-

(Atkinson et al., Dev Dyn 2005)

DBP et métalloprotéases

0123456789

DBP - DBP +M

MP-

2 (1

05 U

A/m

l)

P = 0,0004

Faible activité MMP-2 à J0 significativement associé à risque de DBP(oxygéno-dépendance à 36 SA)

(Danan et al., Am J Physiol 2002)(Schulz et al., Pediatr Res 2004)

Effluents trachéaux à J1Plasma à J1

Mais pas de données sur MT1-MMP …

L’angiogenèse est indispensable à l’alvéolisation : rôle du VEGF

Un inhibiteur des récepteurs du VEGF et un anticorps anti-VEGFR2 inhibent non seulement l’angiogenèse, mais aussi la septation alvéolaire

Témoin – J14 Inhibiteur – J14

Rats nouveau-nés

Traités par Su-5416(J1-14)

(Jakkula et al., Am J Physiol 2000)

Souris nouveau-nées traités 3 fois par unanticorps neutralisant anti-VEGFR2

(McGrath-Morrow et al., AJRCMB 2005)

VEGF et Dysplasie Broncho-Pulmonaire

DBP - DBP +

Diminution marquage VEGF

(Bhatt et al., AJRCCM 2001)

Etude post-autopsie

Naissance : 39 SADécès : 39 SA

Naissance : 27 SADécès : 36 SA

DBP

Capillaires dystrophiques marquagePECAM-1 (cellules endothéliales)Homogénat : protéine et mARN PECAM-1

Diminution ARNm VEGF (hybridation in situ)

Homogénat : ARNm VEGF et VEGFR-1

Olivier BOUCHERATAlexandra BENACHIBernadette CHAILLEY-HEUClaude DANAN Christophe DELACOURTMarie-Laure FRANCO-MONTOYA

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