Master Biologie cellulaire, physiologie et et pathologie UE SAIB La réactivité des voies aériennes Etienne Roux Adaptation cardiovasculaire à l’ischémie INSERM U 1034 UFR des Sciences de la Vie Université Bordeaux Segalen contact: [email protected] rappel de physiologie respiratoire position du problème système respiratoire → réponse au problème de l’O2 et du CO2 assurer les échanges gazeux (O2 et CO2) entre le milieu extérieur et l’animal Îinterface milieu-animal : barrière alvéolo-capillaire assurer le renouvellement du milieu au niveau de la surface d’échange Î pompe : ventilation ; tuyauterie : voies aériennes assurer le transport des gaz dans l’organisme assurer la libération et la captation d’O2 et de CO2 Î circulation sanguine, pigments faire du bon travail Î ajuster les échanges en fonction des besoins : régulation Î optimiser les coûts rappel de physiologie respiratoire la mécanique ventilatoire fonctionnement de la pompe structure mécanique ventilatoire : structure qui, par ses propriétés et son fonctionnement, assure la ventilation voies aériennes paroi thoraco-abdominale alvéole pression alvéolaire pression intrapleurale → ensemble actif : muscles ventilatoires → ensemble passif : voies aériennes, poumon, paroi thoraco-abdominale rappel de physiologie respiratoire la mécanique ventilatoire pression, volume et débit pression intrapleurale volume pulmonaire (L) -5 0,4 -6 -7 0,2 -8 1 0 inspiration expiration inspiration expiration 0,5 0 0 -1 -0,5 débit pulmonaire (L.s-1) pression alvéolaire (cm H2O) débit = ΔP R ΔP = PAlv-Pext l’appareil respiratoire les voies aériennes l’arbre bronchique structure générale zone de conduction voies aériennes centrales : bronches souches, bronches lobaires, bronches segmentaires, bronches sous-segmentaires, petites bronches (G10 : ≅ 1000) voies aériennes périphériques : bronchioles, bronchioles terminales, bronchioles respiratoires, canaux alvéolaires alvéoles échanges gazeux les voies aériennes l’arbre bronchique structure générale zone de conduction zone de transition et d’échange respiratoire trachée 0 bronches extrapulmonaires 1 bronches intrapulmonaires 2 3 bronches 4… bronchioles … bronchioles terminales 16 17 bronchioles respiratoires 18 19 20 canaux alvéolaires 21 22 sacs alvéolaires 23 surface totale de section (cm2) l’appareil respiratoire 500 400 300 200 100 0 0 5 10 15 20 génération des voies aériennes rappel de physiologie respiratoire les voies aériennes l’arbre bronchique débit et résistance résistance des voies aériennes ΔP = PAlv-Pext cause des résistances : - Diamètre de débit - Types d’écoulement : laminaire ou turbulent sièges des résistances R = 8ηL r4 η: viscosité L : longueur r : rayon (flux laminaire) résistance (cmH20.L-1.s-1) débit = ΔP R 0,08 0,06 0,04 0,02 0 0 5 10 15 20 génération des voies aériennes rappel de physiologie respiratoire les voies aériennes résistance et réactivité ♦ résistance mécanismes passifs structure des voies aériennes mécanismes actifs physiologiques modulation du diamètre des voies aériennes ♦ réactivité des voies aériennes: mécanisme physiologique: propriété des voies aériennes des sujets sains à développer une obstruction bronchique modérée en réponse à une stimulation non spécifique (physique, pharmacologique, etc.) diminution du diamètre → augmentation des résistances → diminution du débit ventilatoire réactivité des voies aériennes définition physiologique réactivité bronchique (propriété physiologique) augmentation modérée des résistances des voies aériennes en réponse à un stimulus non spécifique (physique, pharmacologique) par une diminution modérée du diamètre des voies aériennes résistance 500 450 Penh (% Penh S. p.) 400 350 300 250 200 150 rat brown Norway 100 S. p. -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 Log [MCh] signification physiologique ? protection des voies aériennes ? modulation locale du V°A/Q? rôle dans la morphogenèse pulmonaire ? vestige phylogénétique? réactivité des voies aériennes Force (mg/mg poids sec) 2500 rat asthmatique 2000 hyperréactivité pathologie : hyperréactivité ex: asthme pollution atmosphérique bronchopathie obstructive chronique (BPCO) 1500 1000 rat normal 500 0 -8 -7 -6 -5 -4 Log [CCh] mesure de la contraction isométrique de bronche intrapulpmonaire de rat brown Norway -3 conséquence sur la ventilation: augmentation pathologique de la contraction des voies aériennes → diminution l’efficacité de la ventilation → détresse respiratoire structure et histologie réactivité des voies aériennes trachée, bronches extrapulmonaires armature cartilagineuse en fer à cheval fermée par une membrane musculaire cartilage sous-muqueuse lumen muscle lisse adventice epithélium muscle lisse cartilage coupe de trachée de rat brown Norway réactivité des voies aériennes structure et histologie bronches intrapulmonaires grosses bronches: cartilage irrégulier et couche musculaire importante bronches périphériques: cartilage absent, couche musculaire présente muscle lisse muscle lisse réactivité des voies aériennes structure et histologie conséquences mécaniques variation du diamètre: élément actif : muscle lisse éléments passifs: paroi bronchique (cartilage, épithélium, muscle lisse, adventice) parenchyme pulmonaire (étirement à l’inspiration) → les résistances sont plus importantes à l’expiration réactivité des voies aériennes mesures in vivo les volumes et débits ventilatoires capacité vitale capacité pulmonaire totale inspiration forcée volume courant 500 mL capacité résiduelle fonctionnelle inspiration normale expiration passive expiration forcée active volume résiduel espace mort anatomique réactivité des voies aériennes mesures in vivo estimation par spirométrie VEMS : volume expiratoire maximale en 1 seconde inspiration forcée puis expiration forcée mesure du volume expiré rapport de Tiffeneau : VEMS/CV 1 sec débit de pointe: débit expiratoire maximal lors d’une expiration forcée mesures in vivo réactivité des voies aériennes mesure par pléthysmographie pléthysmographie individu dans une chambre à volume constant mesure du volume inspiré-expiré ( ΔV) mesure des variations de pression dans le pléthysmographe (ΔP) inspiration ΔV expiration pente de la relation pressionvolume inversement proportionnelle à la résistance ΔP contrôle de la réactivité cellules de la paroi bronchique épithélium cellules inflammatoires cellules musculaires lisses effecteur de la réactivité bronchique : la cellule musculaire lisse fibres nerveuses système cholinergique système adrénergique système NANC contrôle : S. N . autonome, médiateurs endocrines, paracrines, autocrines contrôle de la réactivité schéma général ventilation variation de volume de la cavité thoracique amplitude fréquence réactivité bronchique variation de diamètre des voies aériennes résistance interface avec d’autres systèmes pH déglutition phonation locomotion rapport ventilation-perfusion général local réactivité vasculaire contrôle de la réactivité schéma général ventilation variation de volume de la cavité thoracique amplitude fréquence réactivité bronchique variation de diamètre des voies aériennes résistance interface avec d’autres systèmes pH déglutition phonation locomotion rapport ventilation-perfusion général local réactivité vasculaire boucles de contrôle contrôle de la réactivité bulbe rachidien contrôle central nerveux contrôleur central voie afférente: nerf vague capteurs voies efférentes: n. vague n. sympathiques paramètres mécanorécepteurs récepteurs multimodaux effecteurs muscle lisse trachéobronchique stimulus mécaniques stimulus chimiques contrôle local paracrine contrôle de la réactivité voies nerveuses voies efférentes et afférentes: schéma général voies efférentes ♦ voie cholinergique bronchoconstriction ♦ voie adrénergique bronchorelaxation ♦ voie non adrénergique non cholinergique (NANC) NANC excitateur : bronchoconstriction NANC inhibiteur : bronchorelaxation voies afférentes sensitives pas de structure histologique spécifique. Fibres sensitives disséminées dans la paroi des voies aériennes ♦ mécanorécepteurs muscle lisse bronchique ♦ récepteurs polymodaux épithélium voies nerveuses contrôle de la réactivité récepteurs mécanorécepteurs musculaires ♦ localisation muscle lisse bronchique ♦ sensibilité étirement des voies aériennes et distension pulmonaire ↑tensiorécepteurs à activation lente ♦ afférences et effets afférence : nerf vague → tronc cérébral effets sur la réactivité des voies aériennes: inhibition de la contraction (inhibition de la voie cholinergique) contrôle de la réactivité récepteurs voies nerveuses récepteurs multimodaux ♦ localisation épithélium bronchique et alvéolaire (du larynx aux alvéoles) ♦ sensibilité fibres B: sensibles à l’irritation mécanique ou chimique fibres C: sensibles à la température; la PCO2 ♦ afférences et effets afférence : nerf vague → tronc cérébral bronchoconstriction contrôle de la réactivité voies nerveuses système cholinergique système parasympathique; nerf vague ♦ fibres pré-ganglionnaires ganglions parasympathiques : surtout voies aériennes extrapulmonaires quelques ganglions de faible taille (1 à 3 neurones) aux bifurcations des bronches intrapulmonaires ♦ ganglions : lieux d’intégration: tonus des voies aériennes (y compris tonus basal) épithélium et glandes sous-muqueuses vascularisation pulmonaire ♦ fibres post-ganglionnaires : innervation du muscle lisse bronchique densité maximale chez l’homme : 4e à 7e générations voies nerveuses contrôle de la réactivité système cholinergique neuromédiateur : acétylcholine ♦ libération pré-ganglionnaire → récepteurs nicotiniques conduction nerveuse Nerf vague fibre préganglionnaire ACh ganglion parasympathique M1 → récepteurs muscariniques rétrocontrôle ♦ libération post-ganglionnaire (jonction neuromusculaire) →récepteurs muscariniques post-jonctionnels : contraction pré-jonctionnels : rétrocontrôle N fibre postganglionnaire ACh M2 M2 M3 myocyte des voies aériennes contrôle de la réactivité voies nerveuses système adrénergique système sympathique; nerf vague ♦ fibres pré-ganglionnaires cholinergique adrénergique ♦ ganglions : ganglions sympathiques cervicaux et paravertébraux thoraciques ♦ fibres post-ganglionnaires : épithélium et glandes sous-muqueuses vascularisation pulmonaire muscle lisse des des voies aériennes centrales (trachée) ganglions parasympathiques innervation adrénergique du muscle lisse des VA faible ou nulle NAdr NAdr CML Adr hormone: adrénaline (corticosurrénales) contrôle de la réactivité voies nerveuses système non adrénergique non cholinergique système NANC : composant du système nerveux autonome agonistes : ni ACh ni noradrénaline (surtout peptides): neuropeptide Y substance P calcitonin gene related peptide (CGRP) neurokinines A, B, P, γ neuropeptide Y vasoactive intestinal peptide (VIP) peptide histidine isoleucine (PHI) ATP libération : fibres efférentes cholinergique (adrénergique) fibres afférentes sensibles (libération antidromique) effet : NANC excitateur → contraction NANC inhibiteur → relaxation contrôle de la réactivité voies nerveuses système non adrénergique non cholinergique excitateur principaux médiateurs fibres C amyéliniques (fibres afférentes) neuropeptide Y substance P CGRP NKA, NKB, NKP, NKγ neuropeptide Y fibres efférentes parasympathiques (colibération avec ACh) ATP (effet contractant) contrôle de la réactivité voies nerveuses système non adrénergique non cholinergique inhibiteur principaux médiateurs vasoactive intestinal peptide (VIP) peptide histidine isoleucine (PHI) peptide histidine méthionine (PHM) ATP (effet relaxant) NO? libération fibres efférentes parasympathiques colibération avec ACh (ACh/VIP) (ACH/ATP) fibres post-ganglionnaires spécifiques (VIP) fibres efférentes adrénergiques? colocalisation avec NAdr (NAdr/VIP) fibres C afférentes? (SP/VIP) contrôle de la réactivité cellules cellules inflammatoires: mastocytes, éosinophiles cellules épithéliales CML agonistes histamine (effet direct/indirect) sérotonine (effet direct/indirect) métabolites de l’acide arachidonique prostaglandines (PGD2, PGE2) leucotriènes (LTC4, LTB4) agonistes purinergiques EP, ADP, UTP endothéline médiateurs paracrines synthèse contrôle de la réactivité contrôle neurohormonal : neurotransmetteurs et hormone ♦ cholinergique ♦ Non adrénergique non cholinergique (NANC) nerf vague : acétylcholine excitateur : fibres C amyéliniques ♦ adrénergique SP NK nerfs sympathiques thoraciques: noradrénaline inhibiteur : nerf vague médullosurrénale : adrénaline VIP ATP (excitateur/inhibiteur) Médiateurs paracrines éicosanoïdes (leucotriènes, prostaglandines) histamine sérotonine (5-HT) endothéline purinergiques (ATP, UTP, ADP, AMP, ADO) synthèse contrôle de la réactivité Neurotransmetteurs médullosurrénale ACh : acétylcholine AD : adrénaline nAD : noradrénaline VIP : peptide intestinal vasoactif SP : substance P NKA : neurokinine A CGRP : calcitonine gene related peptide ATP : purinergique nAD NKA SP CGRP ACh VIP ATP AD β2 NK NK M3 myocyte des voies aériennes P2 H1 ET ATP ATP : purinergique LT PG HIST 5-HT éicosanoïdes LT : leucotriène PG : prostaglandine HIST : histamine 5-HT : sérotonine ET : endothéline EpDRF : facteur relaxant dérivé de l'épithélium Médiateurs paracrines mécanismes cellulaires l’appareil contractile myofilaments ♦filament épais 2 chaînes lourdes MHC 4 chaînes légères (MLC17; MLC20) polymérisation: dépend de l’état de stimulation ♦filament fin actine tropomyosine un filament épais pour 20-30 filaments fins caldesmone calponine mécanismes cellulaires l’appareil contractile architecture cellulaire filament intermédiaire myofilament jonction mécanique jonction « gap » corps dense schéma de l’organisation du muscle lisse « side-polar » organization mécanismes cellulaires l’appareil contractile formation des ponts actomyosiques ♦ régulation du filament épais formation du pont AM : nécessite la phosphorylation de la MLC20 une fois formé, le pont AM peut se maintenir si MLC20 déphosphorylée →cycle phosphorylé rapide → cycle partiellement déphosphorylé lent relaxation A+M A + Mp AM AMp ♦régulation du filament fin protéines régulatrices: caldesmone, calponine liaison à l’actine, la tropomyosine, la calmoduline inhibent la liaison de l’actine à la myosine inhibition levée si phosphorylation contraction mécanismes cellulaires couplage excitation-contraction schéma général excitation pharmacorécepteurs R canaux ioniques R IP3 SERCA codage du signal calcique Ca2+ réticulum sarcoplasmique couplage excitation- contraction + Ca2+-CaM + décodage du signal calcique MLCK relaxation A+M A + Mp AM AMp MLCP contraction contraction couplage excitation-contraction mécanismes cellulaires schéma général Ca2+ = signal agonistes contractants + + - ON ON excitation Ca2+ - - OFF OFF agonistes relaxants contraction + encodage + decodage mécanismes cellulaires couplage excitation-contraction codage du signal calcique mécanismes « ON » libération de Ca2+ du RS récepteurs à l’IP3 récepteurs à la ryanodine influx de Ca2+ extracellulaire canaux calciques L dépendants du potentiel modulation du potentiel de membrane dépolarisation : influx Ca2+, Na+, Clhyperpolarisation : canaux K+ récepteurs canaux dépendants de l’action d’un agoniste « receptor-operated channels » (ROC) cationiques non spécifiques canaux activés par la vidange du RS « store-operated channels » (SOC) mécanismes cellulaires couplage excitation-contraction codage du signal calcique mécanismes « OFF » extrusion du Ca2+ PMCA échangeur Na+-Ca2+ (NCX) captation du Ca2+ dans les réservoirs calciques intracellulaires RS : SERCA mitochondries: uniport calcique liaison aux protéines cytosoliques fixant le Ca2+ Protéines tampons (buffering proteins) cinétique lente forte affinité Protéines signal (signalling proteins) cinétique rapide faible affinité couplage excitation-contraction mécanismes cellulaires codage du signal calcique A A R schéma global canaux ioniques PMCA IP3 Ca2+ SR SERCA RyR NCX CaPr uniport Ca2+ mitochondrie fuite profil calcique : résultante de l’interaction des mécanismes de l’homéostasie calcique couplage excitation-contraction mécanismes cellulaires décodage du signal calcique voie MLCK MLCK (kinase de la chaine légère de la myosine) activée : phosphoryle la MLC20 MLC20 phosphorylée → formation du pont actomyosique Ca2+ % MLC phosphorylée la voie Ca2+- calmoduline – MLCK 55 50 45 40 35 30 MLCK 80 A + Mp AM AMp MLCP contraction force (% max) Ca2+-CaM + relaxation A + M phosphorylation de la MLC 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 temps (sec) contraction 60 40 20 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 temps (sec) couplage excitation-contraction mécanismes cellulaires décodage du signal calcique voie MLCK ♦ activation de la MLCK (« ON ») MLCK k2 MLCK* k1 2Ca k­1 k­4 CaM_cm 2Ca k12 2Ca2+ 2+ 2+ CaM_c_ MLCK k11 k­12 k10 k­6 k­9 k9 k­11 CaMn__ k­10 CaM__m 2+ k­7 k6 2Ca2+ 2Ca2+ différents états possibles du systèmes k7 k­3 2Ca k­8 CaMn_m k5 k­5 2Ca 2Ca2+ k4 CaMnc_ k3 k8 2+ k­2 calmoduline : 4 sites de fixation au Ca2+ (2 C-terminaux + 2 N-terminaux) MLCK activée : complexe MLCK-Ca-CaM → phosphoryle la ser19 (et la thr18) de la MLC20 2Ca2+ CaM___ MLCK ♦ inactivation de la MLCK (« OFF ») phosphorylation sur ser512 : diminution par 10 de l’affinité pour CaM couplage excitation-contraction mécanismes cellulaires décodage du signal calcique voie MLCK inhibition de la MLCK : wortmaninn (WT) stimulation cholinergique tension de repos Force (%AChFmax) 120 Force (%AChFmax) 10 8 6 4 2 0 -2 -4 -6 -8 WT 5 µM -10 0 contrôle 100 contrôle 80 60 40 20 WT 5 µM 0 10 temps (min) 20 0 10 20 temps (min) • la MLCK est modérément active au repos • la contraction dépend fondamentalement de l’activation de la MLCK 30 mécanismes cellulaires couplage excitation-contraction décodage du signal calcique voie MLCP MLCP (phosphatase de la chaine légère de la myosine) activée : déphosphoryle la MLC20 MLCK 3 sous-unités : sous-unité catalytique PP1c A + Mp relaxation A + M sous-unité régulatrice MYPT1 sous-unité M-20 AM AMp contraction MLCP ♦régulation négative de la MLCP (« ON ») phosphorylation de PP1c par PKC phosphorylation de MYPT1 (ser696 et ser853) par Rho kinase ♦régulation positive de la MLCP (« OFF ») phosphorylation de MYPT1 (ser692, ser695 et ser852) par PKG et PKA (empêche la phosphorylation par la RhoK) couplage excitation-contraction mécanismes cellulaires décodage du signal calcique voie MLCP inhibition de la MLCP : acid okadaique (5 µM), calyculine A stimulation cholinergique 8 6 4 OA 2 0 0 60 120 temps (sec) 180 35 30 25 20 15 10 5 0 -5 * cal contrôle 100 contraction (% ref. ACh) 10 contraction (% ref. ACh) force (%AChFmax) tension de repos 80 calyculine A 60 40 20 0 0 10 • la MLCP est active au repos • la MLCP est inhibée lors de la stimulation cholinergique 20 30 40 temps (sec) 50 60 mécanismes cellulaires le signal calcique [Ca2+]i (nM) 800 600 profil du signal CML de trachée de rat 400 200 0 10 µM ACh 10 s [Ca2+]i (nM) 800 CML de bronche humaine 600 400 200 0 stimulation cholinergique 10 µM ACh réponse à la stimulation : •pic calcique •plateau •oscillations calciques (occurence variable selon les espèces et les agonistes) stimulation cholinergique mécanismes cellulaires le signal calcique profil du signal les paramètres de la réponse calcique dépendent de l’intensité de la stimulation 500 pic 400 fréquence des oscillations oscillations / min 12 10 8 6 4 2 0 0,01 0,1 1 10 Acétylcholine (µM) 100 Elévation de [Ca2+]i (nM) 300 200 100 0 70 60 50 40 30 20 10 0 plateau 0,01 0,1 1 10 100 Acétylcholine (µM) mécanismes cellulaires stimulation cholinergique le signal calcique mécanismes de mobilisation du Ca2+ effet de la vidange du RS effet de la suppression du Ca2+ externe 800 10 s 600 500 2mM Ca2+ 400 200 0 [Ca2+]i (nM) 1000 ACh 10 µM 800 600 400 0 Ca2+ 300 200 100 0 Pic Plateau ACh 10 1µM 400 source : réticulum sarcoplasmique 200 0 Elévation de [Ca2+]i (nM) [Ca2+]i (nM) 1000 ACh 10 µM +TG (12 min ) stimulation cholinergique mécanismes cellulaires le signal calcique mécanismes de mobilisation du Ca2+ 400 [Ca2+]i (nM) 600 trachée de rat 400 300 200 100 200 0 0 10 µM ACh InsP3 0.3 µM InsP3 10 µM 10 s immunomarquage des RIP3 type 1 ACh Î production d’IP3 ouverture des RIP3 pic [Ca2+]i initial (nM) [Ca2+]i (nM) 800 stimulation par InsP3 500 300 200 100 0 -7 -6 -5 log [InsP3] M frequence d oscillations (min-1) stimulation par l’ACh 6 4 2 0 -7 -6 -5 log [InsP3] M mécanismes cellulaires stimulation cholinergique le signal calcique mécanismes de mobilisation du Ca2+ ACh → production d’IP3 → libération du calcium intracellulaire du RS pas d’influx significatif de Ca2+ extracellulaire récepteur muscarinique M3 PLC IP3 Ca2+ RIP3 Ca2+ RS stimulation cholinergique mécanismes cellulaires la réponse contractile relation concentration-réponse intensité de la stimulation 4,0 3,5 CCh 10-5 M 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 CCh 3.10-7 M 0,5 0 0 20 40 60 80 100 temps (min) 120 force (g.mm-2SMA) contraction (g) 4,5 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Fmax EC50 -8 -7 -6 -5 log carbachol (M) Fmax : « potency » EC50 : sensibilité augmentation Fmax : hyperréactivité (hyperpotency) diminution EC50 : hypersensibilité (hypersensitivity) -4 stimulation cholinergique mécanismes cellulaires contraction (% Fmax) la réponse contractile aspect temporel de la réponse contraction lente 100 80 contraction aditionnelle retardée 60 40 20 0 0 5 10 15 20 25 temps (min) 30 contraction rapide force (% max) 80 stFmax 60 40 20 0 ajustée par une équation de Hill : TFmax50 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 temps (sec) contraction rapide mécanismes cellulaires stimulation cholinergique la réponse contractile mécanisme de la contraction rapide phosphorylation de la MLC 50 45 rôle de la RhoK 40 Y27632 : inhibiteur de RhoK pas d’effet au repos 35 30 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 time (sec) 80 force (% max) contrôle 80 force (%Ach) % phosphorylated MLC 55 rôle de la MLCK inhibition de la MLCK= pas de réponse 60 20 0 60 Y27632 40 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 temps (s) 40 contraction 20 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 temps (sec) • la RhoK est inactive au repos • la RhoK est activée lors de la stimulation •La RhoK augmente la contraction rapide stimulation cholinergique la réponse contractile mécanisme de la contraction rapide signal Ca2+ 55 0.5 50 % phosphorylated MLC [Ca2+]i (µM) mécanismes cellulaires 0.4 0.3 0.2 0.1 CCh 10-3 M 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 temps (sec) A+M A + Mp AM AMp 2 1 45 40 35 30 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 time (sec) 1 2 80 force (% max) activation de la MLCK par le Ca2+ inhibition de la MLCP par la RhoK phosphorylation de la MLC 60 40 contraction 20 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 temps (sec) mécanismes cellulaires stimulation cholinergique la réponse contractile mécanisme de la contraction retardée NS 5 min 15 min 30 min % phosphorylated MLC NP P PP 70 60 50 chélérythrine : inhibiteur de PKC contrôle 120 100 50 µM 80 60 40 20 0 0 40 30 20 rôle de la PKC Force (%AChFmax) phosphorylation de la MLC 10 20 temps (min) 30 •La PKC augmente la contraction retardée 0 5 10 15 20 temps (min) 25 30 •La phosphorylation de la MLC20 augmente lors de la contraction retardée activation de la PKC → inhibition aditionnelle de la MLCP → phosphorylation de la MLC20 mécanismes cellulaires stimulation cholinergique la réponse contractile schéma explicatif global ACh R IP3 Ca2+ SR SERCA Ca2+-CaM + MLCK PKC - Rho Kinase A+M A + Mp AM AMp MLCP - stimulation purinergique mécanismes cellulaires profil de la réponse ♦réponse contractile bronche humaine bronche de rat 2.5 60 0.8 2 50 Fmax (% reference ACh) 1 tension (g) tension (g) 40 0.6 1.5 IPB 0.4 30 20 1 10 0.5 0.2 ATP 10-3 M ATP 10-3 M 0 0 5 10 time (min) 15 20 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 time (min) 2+ [Ca ]i (nM) ♦réponse calcique 700 600 500 400 300 200 100 0 30 s ATP 10-6 M ATP 10-5 M ATP 10-4 M ATP 10-3 M 0 -6 -5 -4 log [ATP] (M) -3 mécanismes cellulaires stimulation purinergique types de récepteurs impliqués différents types de récepteurs P2 P2X : récepteurs canaux cationiques non spécifiques P2Y: récepteurs à 7 DTM couplés aux protéines Gq 40 * 30 20 F 10 0 BIP inhibition P2Y (RB2) Fmax (% reference ACh) 50 max (% reference ACh) 25 20 15 * P2X et P2Y interviennent dans la réponse 10 5 0 IPB stimulation P2X (α−β methylène ATP) stimulation purinergique mécanismes cellulaires mécanismes de mobilisation du Ca2+ 50 40 30 20 * 10 0 IPB inhibition des canaux L (D600) Fmax (% reference ACh) Fmax (% reference ACh) ♦couplage P2X 50 40 30 * 20 10 0 IPB suppression du Na+ ♦couplage P2Y → production d’IP3 → ouverture des RIP3 → libération du Ca2+ du RS P2X : canal cationique non spécifique →influx de Ca2+ et Na+ → dépolarisation → activation canaux L →influx de Ca2+ stimulation purinergique mécanismes cellulaires schéma explicatif global stimulation P2X→ •ouverture P2X •influx Na+ •dépolarisation •ouverture canaux L •influx Ca2+ ATP canaux Ca2+ voltagedépendants P2X V P2Y PLC Em IP3 Na+ Ca2+ Ca2+ RS stimulation P2Y → production d’IP3 ouverture des RIP3 libération du Ca2+ du RS stimulation adrénergique mécanismes cellulaires récepteurs β2 adrénergiques: couplés à une protéine Gs Rβ2 β2-mimétiques : anti-asthmatiques récepteur muscarinique M3 AC PLC IP3 ATP AMPc Ca2+ Ca2+ RS PKA CaM Ca2+-CaM + - relaxation MLCK MLC20 MLC20 - P MLCP - contraction PKC; RhoK mécanismes cellulaires modélisation mathématique relation dynamique stimulation-réponse relation intensité de la stimulation ↔ intensité de la réponse corrélation entre paramètres calciques et intensité de la réponse (vitesse, amplitude) ↑ stimulation → ↑ pic, plateau, oscillations → ↑ vitesse, amplitude contraction comment l’appareil contractile décode-t-il le signal calcique ? sensibilité aux différents paramètres intégration du signal oscillant au niveau cellulaire? au niveau tissulaire? modélisation mathématique mécanismes cellulaires schéma du modèle mathématique modèle mathématique Ca2+ Ca2+-CaM + MLCK relaxation A + M A + Mp AM AMp contraction MLCP PKC RhoK biologie des systèmes modélisation mathématique mécanismes cellulaires schéma du modèle mathématique Ca2+ Calmoduline (CaM) k+RK RhoKi 0.1 µM k +RhoK* MLCPi catP 0.1 µM k+P k­P site de liaison MLCK +MLCP phosphorylation MLC k1 k­1 k­4 CaM_cm CaMn_m k5 k12 2Ca2+ k­5 CaM_c_ MLCK k­12 k10 k­6 k­9 k9 MLCK k­11 k6 k­10 CaM__m k­7 CaMn__ 2Ca2+ 2Ca2+ CaM___ k+D +MLCP A+Mp k4* k7 k11 k-D k8* 2Ca2+ voie CaM-MLCK k3* k5* k­3 2Ca2+ k­8 MLCPMp CaMnc_ k7* 2Ca2+ 2Ca2+ 2Ca2+ k­2 k3 k8 k4 ponts AM contraction isometrique k2 k2* k1* MLCK 2Ca2+ AMp AM kcatD A+M MLCK* +RhoK* MLCP* MLCPRhoK* 10 s activité MLCK activité MLCP activité RhoK RhoK* k­RK 10 s sites de liaison Ca2+ C-terminale N-terminale voie RhoK/MLCP +MLCP AM kcatD MLCPAMp k-D k+D +MLCP AMp k6* appareil contractile mécanismes cellulaires modélisation mathématique décodage du signal calcique intégration du signal oscillant prédictions du modèle mathématique signal calcique forcé 0.4 0.3 45 40 35 0.2 30 0.1 20 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 temps (sec) prédiction du modèle: intégration du signal oscillant au niveau cellulaire (phosphorylation de la MLC20) F (% max. possible) [Ca2+]i (µM) 0.5 MLC phos. [% maximum] 0.6 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 15 10 5 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 temps (sec) activité MLCK (% maximum) 50 mécanismes cellulaires modélisation mathématique décodage du signal calcique codage lié au pic calcique 30 1.2 25 1.0 0.9 20 [Ca2+]i (µM) 0.8 0.7 15 0.6 0.5 10 0.4 0.3 05 0.2 0.1 00 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 10 20 30 temps (sec) l’amplitude du pic code : Î pour la vitesse de développement de la force Î pour l’apparition et l’amplitude d’un pic contractile transitoire 40 50 temps (sec) 60 70 80 90 F (% max. possible) 1.1 mécanismes cellulaires modélisation mathématique décodage du signal calcique codage lié au plateau calcique 45 0.6 35 [Ca2+]i (µM) 0.5 30 0.4 25 20 0.3 15 10 0.2 05 0.1 00 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 temps (sec) l’amplitude du plateau code : Î pour l’amplitude de la force maintenue 0 10 20 30 40 50 temps (sec) 60 70 80 90 F (% max. possible) 40 mécanismes cellulaires modélisation mathématique décodage du signal calcique codage lié aux oscillations calciques gamme physiopathologique de la fréquence des oscillations calciques des myocytes des voies aériennes 5-30 oscillations/min 15 min-1 10 min-1 5 min-1 20 5 oscillations /min 10 oscillations /min 15 oscillations /min F (% max. possible) 15 10 05 00 0 10 20 30 40 50 temps (sec) l’amplitude des oscillations code : Î pour l’amplitude de la force maintenue 60 70 80 90
