Caractéristiques anatomiques et fonctionnelles

jusqu’aux alvéoles.  

Figure 29 : Dépôt des particules dans les voies respiratoires en fonction de leur diamètre (selon l’ihest : http://www.ihest.fr/focus-mediatheque)

3.2. Caractéristiques anatomiques, fonctionnelles et immunologiques de la muqueuse respiratoire

L’utilisation d’une muqueuse pour la délivrance de principes actifs, et notamment de vaccins, nécessite de prendre en compte les caractéristiques anatomiques, physiologiques et immunologiques de cette muqueuse. Dans ce domaine, la particularité majeure de la muqueuse respiratoire est que son anatomie et son histologie varient au fur et à mesure que l’on progresse dans l’arbre respiratoire, afin d’assurer des fonctions ou des défenses spécifiques à chaque région.

3.2.1. Caractéristiques anatomiques et fonctionnelles  

Dans la cavité nasale, le vestibule est recouvert d’un épithélium squameux et

kératinisé de type cutané contenant des glandes sébacées et portant des poils, les vibrisses. Cet épithélium est peu propice à l’absorption des substances, mais ses poils permettent de retenir les grosses particules éventuellement présentes dans l’air (particules de diamètre supérieur à 10 µm). L’atrium, recouvert d’un épithélium stratifié squameux ou pseudostratifié, est également une région peu propice à l’absorption des substances. La muqueuse de la région respiratoire, considérée comme la plus importante pour la délivrance systémique de substances actives, est constituée de cellules épithéliales cylindriques ciliées

ou non ciliées, ainsi que de cellules caliciformes et de glandes muqueuses et séreuses productrices de mucus (figure 30). Cette muqueuse est riche en éléments vasculaires fenêtrés et en microvillosités favorables à l’absorption des substances. Elle est également recouverte d’une couche de mucus d’environ 5 µm d’épaisseur. Ce mucus est indispensable à l’humidification et au réchauffement de l’air inhalé, mais offre aussi une protection enzymatique et physique vis-à-vis des substances ou des organismes étrangers à l’organisme (cf la suite de ce paragraphe). L’épithélium de la région olfactive est un épithélium pseudostratifié contenant des neurones récepteurs du système olfactif. Ce neuroépithélium permet un accès direct au système nerveux central. Dans cette région, on trouve également des glandes séreuses produisant une sécrétion agissant comme un solvant des substances odorantes (Pires et al., 2009).

Figure 30 : Localisation et histologie de la muqueuse nasale respiratoire (http://www.emptynosesyndrome.org).

Dans les voies aériennes inférieures, l’épithélium bronchique est constitué de cellules

basales, de cellules ciliées, et de cellules caliciformes qui sécrètent du mucus. Sa sous-muqueuse renferme également des glandes mucipares (figure 31).Au niveau des bronchioles, l’épithélium évolue progressivement vers un épithélium simple cuboïde. Les cellules basales, ciliées et caliciformes disparaissent progressivement au profit des cellules de Clara capables de produire des protéines à activité anti-oxydante et antibactérienne, ainsi que des protéines associées au surfactant. L’épithélium alvéolaire est composé de deux types cellulaires : les pneumocytes de type I, qui assurent les échanges gazeux avec le sang, et les pneumocytes de

Epithélium prismatique pseudostratifié Membrane basale Lamina propria Cellule calciforme Glande Vaisseaux sanguins Flux d’air

Coupe sagittale médiane ^{Coupe coronale}

Muqueuse respiratoire

type II, qui sécrètent le surfactant pulmonaire. Des macrophages sont présents dans la lumière alvéolaire.

Figure 31 : Représentation schématique de l’épithélium tapissant les voies respiratoires inférieures : 1 : épithélium ; 2 : membrane basale ; 3 : sous-muqueuse ; CC : cellule ciliée ; CM : cellule à mucus ; CB : cellule basale ; C Cl : cellule de Clara ; P1 : Pneumocyte I ; P2 : Pneumocyte II (Huchon, 2001).

La paroi des alvéoles, qui constitue la frontière entre l’air et le sang, est d’une extrême finesse (environ 0,5 µm), afin de favoriser l’échange des gaz (figure 32). Elle est donc le siège d'échanges facilités entre le milieu extérieur et l’organisme. De plus, les poumons sont fortement irrigués. La circulation pulmonaire reçoit en effet 100% du débit cardiaque, ce qui est en faveur d’une absorption rapide des xénobiotiques. De par ces caractéristiques anatomo-physiologiques, le poumon est une surface d’échange qui peut être mise à profit dans la délivrance systémique de médicaments.

Figure 32 : Image en microscopie électronique ou microscopie optique des alvéoles pulmonaires (http://www.isto.ucl.ac.be ; http://jeanvilarsciences.free.fr).

Comme toute autre muqueuse, la muqueuse respiratoire participe activement à la

défense de l’organisme (Vareille et al., 2011). Cette fonction fait intervenir plusieurs

mécanismes. Tout d’abord, ses cellules épithéliales forment une barrière physique

les unes aux autres par des complexes jonctionnels, dont des jonctions serrées, des jonctions

zonula adherens et des desmosomes, qui contrôlent le passage paracellulaire des ions et des

solutés, mais également des pathogènes et des particules (figure 33) (Berube et al., 2010).

Figure 33 : Représentation schématique des jonctions intercellulaires assurant l’imperméabilité de l’épithélium respiratoire (Berube et al., 2010).

La clairance muco-ciliaire est un autre mécanisme de défense du tractus respiratoire,

que ce soit dans la cavité nasale ou au niveau bronchique. Elle est assurée par l’action coordonnée du mucus produit par les cellules caliciformes, les glandes séromuqueuses ou les cellules de Clara, et le battement rétrograde des cils des cellules épithéliales propulsant le mucus vers l’oropharynx où il sera dégluti. Le mucus est un gel possédant à la fois les propriétés élastiques d’un solide et les propriétés visqueuses d’un liquide. En conditions physiologiques, il est composé d’environ 95% d’eau, 2% de glycoprotéines, 1% de protéines, 1% de lipides et 1% de sels inorganiques, et forme une barrière de 5 à 10 µm d’épaisseur (Samet and Cheng, 1994; Smith et al., 2008). Dans sa portion en contact avec l’air, il est visqueux, ce qui permet de piéger les particules inhalées, et dans sa portion en contact avec l’épithélium, il est fluide afin de suivre les mouvements des cils   (Kim, 1997; Rackley and Stripp, 2012; Randell et al., 2006). Le mucus doit ses propriétés rhéologiques aux mucines.

Les mucines sont des glycoprotéines de haut poids moléculaire (>100 kDa) composées d’un

squelette peptidique riche en serine et thréonine portant des groupements sucres (Voynow and Rubin, 2009). L'efficacité de l'épuration mucociliaire dépend de l'intégrité de l'épithélium respiratoire, de la quantité et des propriétés rhéologiques du mucus, et de l'efficacité du battement ciliaire. La fréquence de battement d’un cil normal est de 12-15 battements par

seconde permettant le déplacement du mucus à raison de 1 mm/minute (Fahy and Dickey, 2010).

La muqueuse respiratoire agit également comme une barrière biochimique. Les cellules épithéliales sécrètent en effet une grande variété de substances antimicrobiennes,

antivirales ou antifongiques telles que des enzymes, des inhibiteurs de protéases, des

oxydants, et des peptides antimicrobiens, qui s'accumulent dans le mucus (figure 34) (Ganesan et al., 2013). En réponse à une agression, elles contribuent également aux réponses

immunitaires innées et adaptatives en produisant tout un arsenal de cytokines et de chimiokines (figure 34) (Vareille et al., 2011). Elles expriment en effet des PRR leur

permettant de détecter les pathogènes, dont des TLR, parmi lesquels TLR2, TLR3, TLR4 et TLR5.

Figure 34 : Rôle des cellules épithéliales dans la réponse immunitaire innée et adaptative (Kato and Schleimer, 2007).

Enfin, au niveau alvéolaire, les pneumocytes de type II sont en charge de la synthèse du

surfactant pulmonaire (SP), qui outre son rôle dans la respiration, intervient dans la défense

des poumons. Le surfactant pulmonaire est composé de lipides (90%), dont des phospholipides (80-85%) et du cholestérol (8-10%), et de protéines (10%)  (Chroneos et al.,

2010). Les propriétés amphiphiles des phospholipides permettent au surfactant de parfaitement couvrir la surface des alvéoles, et ainsi de former une barrière cytoprotectrice. Les protéines du surfactant identifiées à ce jour sont au nombre de quatre : SP-A, SP-B, SP-C et SP-D (Nardelli-Haefliger et al., 2005). Alors que SP-B et SP-C facilitent l’étalement des phospholipides pour assurer la formation et la stabilité d’un film fin interfacial entre l’air et les poumons, SP-A et SP-D semblent jouer un rôle prépondérant dans l’immunité innée et adaptative des poumons (Agassandian and Mallampalli, 2013). Les protéines SP-A et SP-D renferment en effet dans leur structure un domaine N-terminal « collagen-like » et un domaine C-terminal de type lectine ou domaine CRD (en anglais, Carbohydrate recognition domain), et font donc partie de la famille des collectines (Pastva et al., 2007). Grâce à leur domaine CRD, les collectines fonctionnent comme des molécules de reconnaissance de motifs moléculaires. De la même manière que les PRR, SP-A et SP-D reconnaissent les carbohydrates présents à la surface des micro-organismes. Cette reconnaissance permet une opsonisation des micro-organismes par les protéines SP-A et SP-D aboutissant à leur phagocytose par les macrophages ou les neutrophiles (Glasser and Mallampalli, 2012). Ainsi, ces protéines contribuent à une réponse immunitaire innée inflammatoire contre les bactéries, virus et fongi. Ces protéines joueraient également un rôle dans l’immunité adaptative (Nayak et al., 2012).