la voie respiratoire et ses principaux mécanismes de défense

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Actes des 15 e JIREC : Sécurité et protection de l’environnement dans l’enseignement de la chimie
Actes en ligne des 15 e JIREC :
Gaz et particules minérales :
la voie respiratoire et ses
principaux mécanismes de défense
Claude Lesné * & André Picot **
CNRS
* Département de Santé Publique,
Faculté de médecine, Université de Rennes 1,
2 avenue du Professeur Léon Bernard, 35043 Rennes Cedex
** Institut de Chimie des Substances Naturelles (ICSN),
CNRS 91198 Gif-sur-Yvette.
"Sécurité et protection de l'environnement
dans l'enseignement de la chimie"
15 e Journées de l'innovation et de la recherche dans
l'éducation en chimie (JIREC 1998)
publication :
Besançon 26-29 mai 1998
Grimep et Équipe pédagogique
Département chimie – IUT – Besançon
contact : Michel Rebetez ou Bernard Montfort
Division Enseignement
Société Chimique de France
250 rue Saint Jacques
75005 Paris

Actes des 15 e JIREC : Sécurité et protection de l’environnement dans l’enseignement de la chimie
Parrainées par l'UNESCO, les 15 e Journées de l'Innovation et de la Recherche dans l'Éducation en
Chimie (JIREC) ont été organisées par le Groupe de Recherche et d’Innovation en Méthodologie de
l’Enseignement Professionnalisé (GRIMEP) et l'Équipe pédagogique du département chimie de l'Institut
Universitaire de Technologie de Besançon-Vesoul. Elles font parties des activités de la Division
Enseignement de Société Chimique de France (anciennement Société Française de Chimie).
Soutenues par le Ministère Affaires Étrangères, l'Union des Professeurs de Physique et de Chimie, l'Institut
National de Recherche sur la Sécurité (INRS), la Caisse Régionale d'Assurance Maladie Bourgogne
Franche-Comté, l'Agence de l'Eau Rhône Méditerranée Corse, la Fondation MAIF et la Société V33,
ellesn'auraient pu être réalisées sans le concours de la Ville de Besançon et de la Région de Franche-Comté
qui se sont pleinement associées à ce projet.
Elles se sont déroulées du mardi 26 au vendredi 29 mai 1998 à Besançon au Kursaal, avec des
délocalisations à l'IUT, à la faculté de Lettres, et pour certains ateliers, en collèges ou en école maternelle.
Une grande diversité professionnelle complétée par une diversité géographique de 14 nationalités ont
apporté une grande richesse aux débats. Plus de 200 congressistes ont été réunis, la moitié provenant de
l'enseignement supérieur et l'autre moitié venant de l'industrie, d'organismes de recherche, d'administrations
et de l'enseignement secondaire.
La thématique principale de ces 15 e JIREC est :
“Sécurité et protection de l’environnement dans l’enseignement de la Chimie”.
Les principaux thèmes abordés sont les suivants :
A - Incidence et perception des réglementations en matière de sécurité
dans l'enseignement
B - La chimie comme outil dans la formation de l'homme du XXI e siècle en matière de
sécurité et de protection de l'environnement
C - Laboratoires d'enseignement et risque chimique. Quels besoins pour les
enseignants en travaux pratiques ?
1 - Démarche pédagogique et respect des consignes de sécurité en TP
2 - Démarche pédagogique et protection de l'environnement en en TP
3 - Formation au risque chimique à destination des enseignants
D - Formation à la sécurité dans les filières professionnalisantes
E - Information scientifique et HSE à destination de l'enseignement
Ces journées, au contenu très dense ont permis de nombreux échanges individuels dans une
convivialité toujours présente. Les organisateurs profitent de l'édition de ces actes en ligne pour remercier
tous les participants qui, par leur motivation et leur intérêt, ont assuré la réussite de cette manifestation.
Bernard Montfort, Michel Rebetez
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Actes des 15 e JIREC : Sécurité et protection de l’environnement dans l’enseignement de la chimie
SCF/DEF – UFC/IUT dpt.Chimie
Besançon, 26-29 mai 1998 - BM/MR –
Gaz et particules minérales :
la voie respiratoire et ses principaux
mécanismes de défense
Claude Lesné * & André Picot **
CNRS,
* Département de Santé Publique,
Faculté de médecine, Université de Rennes 1,
2 avenue du Professeur Léon Bernard, 35043 Rennes Cedex
** Institut de Chimie des Substances Naturelles (ICSN), CNRS
91198 Gif-sur-Yvette.
Résumé
L’appareil respiratoire assure les échanges gazeux indispensables à la vie et se trouve en contact intime et
permanent avec l’air ambiant de notre environnement extérieur. Il constitue ainsi la principale porte
d’entrée dans l’organisme des polluants présents dans l’air, sous forme de gaz, de vapeurs, de fumées,
d’aérosols liquides ou particulaires...
Pour assurer son intégrité, l’appareil respiratoire met en œuvre de multiples barrières de défense qui
peuvent être très sophistiquées comme par exemple la filtration bronchique, l’épuration muco-ciliaire et
alvéolaire… Mais ces barrières peuvent être débordées, en particulier quand l’agression est importante ou
quand elle survient sur un organisme dont les moyens physiologiques de défense sont encore peu développés
ou sont déjà altérés. Elles peuvent aussi être mises en défaut : c’est le cas avec certains polluants,
notamment avec les fibres minérales - de taille microscopique - qui pénètrent facilement et souvent très
profondément dans les voies respiratoires, avec l’air inspiré.
La compréhension du mécanisme d’action toxique des gaz et des particules minérales nécessite d’analyser
leur cheminement dans la profondeur des voies respiratoires, leur traversée des parois respiratoires et leur
absorption dans l’organisme, leur rétention dans l’appareil pulmonaire ou leur migration éventuelle vers
d’autres tissus et organes. C’est le franchissement de ces différentes étapes qui permet aux gaz et aux
particules minérales d’atteindre un site d’action donné où des mécanismes cellulaires et moléculaires
déclencheront – éventuellement - un processus pathologique.
Mots clés
chimie - enseignement - sécurité - 15 e JIREC 1998 - polluants aériens - gaz toxiques - particules minérales -
fibres d’amiante - mécanismes de défense de l'appareil respiratoire - filtration bronchique - épuration mucociliaire
- épuration alvéolaire - phagocytose - macrophage - toxicologie par inhalation - voie respiratoire
Abstract
The respiratory system ensures the gas exchanges that are essential for life, so it is in permanent and
intimate contact with ambient air from the general environment. The respiratory tract is the main route
through which air pollutants enter the organism in different forms: gas, vapor, fume, liquid or solid
aerosol…
To protect its integrity, the respiratory tract uses various defense mechanisms such as bronchial filtration,
mucociliary and alveolar clearance… These barriers may be overwhelmed, especially when the pollutant
attack is too important, also when physiological defense mechanisms are not completely developed or are
already altered. These barriers may as well be in default: some pollutants, for example the microscopic
mineral fibers, enter the conducting airways very easily and often profoundly with the inhaled air. The
understanding of mechanisms of the gases and mineral particle toxic action needs an analysis of their
pathway in the depth of the respiratory airways, their crossing of the airway walls and their absorption into
the organism, their retention in the respiratory tissues or their eventual migration towards other tissues or
organs. The overstepping of these different stages permits some gases or particles to reach a site of action
where cellular and molecular mechanisms will eventually start a pathological process.
C. Lesné
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Actes des 15 e JIREC : Sécurité et protection de l’environnement dans l’enseignement de la chimie
Keywords
chemistry - education -safety - 15 e JIREC 1998 - air pollutants - toxic gases - inorganic particles - asbestos
fibers - mechanisms of the respiratory tract defense - bronchial filtration - muco-ciliary clearance - alveolar
clearance - phagocytosis - macrophage - inhalation toxicology - respiratory tract
Introduction
L’appareil respiratoire assure les échanges gazeux indispensables à la vie et se trouve ainsi
en contact intime et permanent avec l’air ambiant de notre environnement extérieur. Il est donc
susceptible d’être affecté par les nombreuses modifications de cet air ambiant qui interviennent à
l'occasion d'activités professionnelles, surtout celles de production industrielle et agricole, et aussi
à l'occasion d’activités domestiques ou encore - et de plus en plus souvent - à l’occasion
d’épisodes de pollution générale.
L’appareil respiratoire constitue de fait la principale porte d’entrée dans l’organisme de très
nombreux polluants - plus ou moins nocifs pour l’espèce humaine - présents dans l’air sous forme
de gaz, de vapeurs, fumées, aérosols liquides ou particulaires... La pénétration de produits nocifs,
dans les voies aériennes, peut déclencher des troubles ou des maladies de l’appareil respiratoire, et
aussi des atteintes à distance d’autres tissus et organes (sang et moëlle osseuse, rein, cerveau…).
Pour assurer son intégrité, face à ces polluants aériens, l’appareil respiratoire met en oeuvre
des barrières de défense, multiples et très sophistiquées. Ces barrières de défense peuvent
cependant être débordées, en particulier quand l’agression est importante ou quand elle survient
sur un organisme dont les moyens de défense physiologiques sont encore peu développés (jeunes
enfants …) ou déjà altérés (personnes âgées, asthmatiques…). Elles peuvent aussi être mises en
défaut : c’est le cas avec certains polluants, notamment avec les fibres minérales, de tailles
microscopiques, qui pénètrent facilement et souvent très profondément dans les voies
respiratoires, avec l’air inspiré.
La compréhension du mécanisme d’action toxique des gaz et des particules minérales
nécessite d’analyser
• leur cheminement dans la profondeur des voies respiratoires, à travers les processus de
filtration et d’épuration,
• leur traversée des parois respiratoires et leur absorption dans l’organisme,
• leur rétention dans l’appareil pulmonaire ou leur migration éventuelle vers d’autres
tissus et organes.
C’est le franchissement de ces différentes étapes qui permet aux gaz et aux particules
minérales d’atteindre un site d’action donné où des mécanismes cellulaires et moléculaires
déclencheront – éventuellement - un processus pathologique.
1. La Fonction Respiratoire
1.1. Fonctions pulmonaires
L’appareil respiratoire assume deux fonctions principales : une fonction d’échanges gazeux
entre l’organisme et l’air ambiant, c’est la fonction respiratoire, et une fonction de défense de
l’organisme, surtout contre les polluants présents dans l’air inhalé, susceptibles d’agresser
l’organisme et en premier l’appareil respiratoire.
La respiration consiste à absorber le dioxygène de l’air (O2) et à rejeter du dioxyde de
carbone (CO2). Chez l’Homme, cette fonction vitale est assurée par les poumons. La respiration
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C. Lesné
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est une activité automatique et ininterrompue, commandée par le système nerveux central (centre
bulbaire).
L’appareil respiratoire dispose de barrières de défense contre les divers polluants de l’air
ambiant : microorganismes, polluants biologiques végétaux (pollens…) ou animaux (poils…),
agents chimiques (organiques et minéraux) et radiations. Ces barrières de défense, bien qu’elles
soient multiples et très sophistiquées, ne sont pas infranchissables. Elles peuvent être détériorées,
débordées en cas d’agression massive, voire déjouées par de nombreux polluants aériens.
1.2. Respiration pulmonaire et respiration cellulaire
Chez l’Homme, comme chez les autres animaux munis de poumons, les mouvements
respiratoires assurent les échanges gazeux entre l’air extérieur et le flux sanguin de la circulation
pulmonaire. Les échanges gazeux, entre l’air et le sang, se font au niveau du poumon profond,
dans les alvéoles pulmonaires.
Les cellules humaines respirent, comme toutes les cellules aérobies, c’est à dire toutes les
cellules animales, végétales et les organismes unicellulaires : bactéries, algues, protozoaires
(amibes…). Le sang oxygéné dans les poumons, apporte son dioxygène à tous les tissus de
l’organisme par la circulation sanguine. Dans chaque cellule, l’oxydation des composants
biologiques (lipides, glucides, protéines et acides nucléiques…) aboutit à la production d’eau et de
dioxyde de carbone (CO2) qui est rejeté et évacué dans la circulation sanguine. L’énergie dégagée
par les réactions d’oxydation est utilisée par la cellule pour entretenir son existence, se développer,
se diviser, communiquer…
1.3. Air atmosphérique
L’air pur est un mélange de gaz qui contient (en volume) 78 % de diazote (N2), 21 % de
dioxygène (O2), 0,9 % d’argon (Ar) et 0,03 % de dioxyde de carbone (CO2). Il contient également
d’autres gaz, en quantités plus faibles (hélium, néon, krypton, xénon et dihydrogène) ou à l’état de
traces (ozone et radon). Le diazote et le dioxygène représentent donc à eux seuls 99 % des gaz
présents dans l’air “ pur ”.
Le diazote est un gaz incolore, inodore, peu réactif et peu soluble dans l’eau.
Le dioxygène est aussi un gaz incolore et inodore. Par contre il est assez réactif, et peut se
combiner avec presque tous les éléments (sauf l’hélium, le néon, l’argon et le krypton). Il est peu
soluble dans l’eau : environ 30 cm 3 par litre, à 20°C.
L’air atmosphérique n’est jamais “pur”. Il contient généralement d’autres composants, en
quantités très variables suivant les lieux : de la vapeur d’eau, (entre 40 et 50 %, dans les pays
tempérés) et divers polluants, c’est à dire d’autres gaz (dioxyde de soufre SO2, dioxyde d’azote
NO2, ozone O3 ...), des poussières, minérales ou organiques et des microorganismes.
1.4. Les échanges gazeux respiratoires
Chez l’Homme, les mouvements respiratoires sont caractérisés par deux temps.
L’inspiration est un temps actif, durant lequel l’air atmosphérique pénètre dans l’appareil
respiratoire jusqu’aux alvéoles du tissu pulmonaire et y apporte son dioxygène (O2). L’expiration
est un temps passif, où l’air alvéolaire, enrichi du dioxyde de carbone (CO2) apporté par la
circulation sanguine, est expulsé des poumons.
Les échanges gazeux, entre l’air et le sang, se réalisent par diffusion à travers la paroi
alvéolo-capillaire, formée par les parois des alvéoles pulmonaires et des capillaires sanguins.
Le dioxygène inspiré diffuse des alvéoles vers les capillaires ; il parvient au sang où il se
combine, pour l’essentiel, à l’hémoglobine des globules rouges et forme ainsi l’oxyhémoglobine,
donnant au sang une coloration rouge vif ; c’est le phénomène de l’hématose. Le sang rechargé en
dioxygène retourne au cœur par la circulation pulmonaire d’où il est distribué dans tout
l’organisme. Parvenu aux différents tissus de l’organisme, le sang abandonne son dioxygène et se
charge en dioxyde de carbone. Le dioxyde de carbone, dissous dans le sang, diffuse très
facilement à travers la paroi endothéliale des capillaires pulmonaires vers les alvéoles d’où il est
rejeté vers l’extérieur avec l’air expiré.
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C. Lesné
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air expiré
CO 2
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paroi
alvéolo-capillaire
air inspiré
C. Lesné
O 2
circulation pulmonaire
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circulation générale
Figure 1. Les échanges gazeux respiratoires
cœur
1.5. Ventilation pulmonaire
Au repos, l’air alvéolaire est renouvelé rythmiquement, de 8 à 12 fois par minute. Le
volume d’air mobilisé à chaque mouvement respiratoire est d’environ 500 mL (volume courant ou
VC). Le débit respiratoire est donc d’environ 6 litres par minute, ce qui représente environ 10 m 3
d’air par jour.
DÉBIT RESPIRATOIRE, EN LITRES par mn pour 8 h
(x 480 mn)
pour 24 h
(x 1 440 mn)
au repos ( f. respiratoire : 12 / mn) 6 2 880 8 640
effort moyen : x 3 à 5 18 - 30 8 640 - 14 400 ——
effort intense : x 10 60 —— ——
Tableau 2. Variations du débit respiratoire, au repos et à l’effort
Le débit respiratoire augmente considérablement à l’effort, à la fois par augmentation du
volume mobilisé à chaque mouvement respiratoire et par augmentation de la fréquence des
mouvements. A l’occasion d’un effort d’intensité moyenne, il est multiplié par 3 à 5, ce qui
représente un débit d’environ 10 m 3 , pour une journée de travail de 8 heures. Lorsque l’effort est
plus intense, la fréquence des mouvements respiratoires peut atteindre 40/mn et le débit
respiratoire peut être multiplié par un facteur supérieur à 10, pendant une durée limitée à quelques
minutes.
1.6. Surface d'échanges alvéolaires
La surface des alvéoles pulmonaires a été estimée à 140 m 2 , en moyenne [1]. Elle peut
augmenter de près de 50 %, à l’inspiration forcée.
Au repos, la surface développée par les alvéoles pour réaliser les échanges gazeux peut être
évaluée à 1680 m 2 par minute, ce qui représente, pour reprendre une comparaison souvent utilisée,
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la surface de près d’une dizaine de terrains de tennis. En une journée, la surface d’échanges
développée est énorme et correspond donc à 2,5.10 6 m 2 (14 400 terrains de tennis).
SURFACE D'ÉCHANGES ALVÉOLAIRES pour 1 mn pour 8 H pour 24 H
au repos (fréq. respiratoire = 12 / mn) 1 680 m2 806 400 m2 2 419 200 m2
à l’effort (x 3 à 5)
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C. Lesné
5 à 8 000 m2 2 500 000 m2
à 4 000 000 m2
Tableau 3. Estimation de la surface d’échanges développée par les alvéoles
pulmonaires, en fonction de l’activité physique.
À l’effort, la surface d'échanges développée par les alvéoles augmente et peut être
multipliée par un coefficient de 3 à 5, résultant de l’augmentation de la surface alvéolaire et de
l’augmentation de la fréquence ventilatoire.
1.7. comparaison des surfaces d’échanges
de l’organisme humain avec le milieu extérieur
La comparaison des différentes surfaces d’échanges de l’organisme humain montre que la
surface alvéolaire (140 - 210 m 2 ) est environ cent fois supérieure à la surface de la peau (1,75 m 2 ).
Elle l’est davantage encore, dans les situations les plus courantes où l’exposition au milieu
extérieur concerne habituellement une faible partie du corps, le plus souvent la tête et les mains
seulement. En outre la peau fonctionne davantage comme une barrière de protection contre le
milieu externe que comme une surface d’échange. La peau peut cependant devenir une voie de
pénétration dans l’organisme très importante dans certaines conditions, en particulier lors de la
manipulation des produits lipophiles qui traversent très facilement le revêtement cutané.
Surface cutanée 1,75
Surface intestinale 250
Surface alvéolaire
copyright
en m 2
140 - 210
Tableau 4. Les dimensions des principales surfaces d’échanges
de l’organisme humain (d’après [1]).
La surface alvéolaire est un peu inférieure à la surface intestinale (250 m 2 ) mais
l’exposition de l’organisme par cette voie est plus intermittente et concerne beaucoup moins les
polluants aériens.
Le poumon est ainsi l’organe interne qui a le contact le plus intime et le plus intense avec le
milieu environnant et qui a donc une exposition très directe avec ses polluants aériens éventuels.
——
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1.8. Perfusion du tissu pulmonaire
Le poumon est extrêmement vascularisé. Le réseau des capillaires pulmonaires est le plus
vaste des réseaux capillaires de l’organisme humain. Sa longueur a été évaluée à environ 2 000 km
et sa surface à environ 126 m 2 , soit à peu près 90% de la surface alvéolaire.
Ce réseau capillaire est parcouru habituellement environ 70 fois par minute, par le volume
sanguin, émis par chaque battement cardiaque : 70-80 cc [1]. Le débit sanguin dans les poumons
est d’environ 5 litres par minute, soit à peu près la totalité du volume sanguin, chez l’Homme
(4 - 5 l ).
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BATTEMENTS CARDIAQUES PERFUSION PULMONAIRE
Volume sanguin Fréquence : nombre / mn Débit en l / mn
70-80 cc 70 # 5 l
Tableau 5. Perfusion sanguine des poumons, par minute
Ainsi, dans un temps extrêmement bref, la totalité du sang circulant peut être mis en
contact avec un polluant de l’air ambiant qui a pénétré dans la profondeur de l’appareil
respiratoire et diffusé à travers la paroi alvéolo-capillaire. La circulation sanguine distribue ensuite
immédiatement ce xénobiotique à tous les organes.
1.9. L’interface alvéolo-capillaire
La paroi alvéolo-capillaire est la structure d’interface, au niveau des alvéoles pulmonaires,
entre l’air ambiant qui a été inhalé et le tissu sanguin. Elle assure les échanges entre les deux
grands ensembles alvéolaires et capillaires, dont la surface est à peu près équivalente : le réseau
des capillaires pulmonaires est en contact étroit avec la quasi totalité de la surface alvéolaire
(90 %).
ALVEOLES CAPILLAIRES PULMONAIRES
300 millions d’alvéoles 2 000 Km de capillaires.
S = 140 m 2 Surface = 126 m 2
débit au repos :
6 l air / mn
PAROI
ALVEOLO-CAPILLAIRE
paroi mince:
0,3 à 0,6 µm
paroi épaisse:15 µm
C. Lesné
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débit au repos :
5 l sang / mn
Figure 2. L’interface alvéolo-capillaire, chez l’Homme adulte.
Dans cette zone, la paroi alvéolo-capillaire, particulièrement mince, ne mesure que
quelques dixièmes de micromètre : 0,3 à 0,6 µm [2]. Elle ne comporte plus que deux couches
cellulaires, séparées par une seule membrane basale.
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1.10. Distribution par la circulation sanguine
des polluants absorbés par la voie pulmonaire
Les polluants inhalés qui ont traversé la paroi alvéolo-capillaire diffusent immédiatement
dans tout l’organisme, d’abord dans la circulation pulmonaire, puis dans le cœur gauche et la
circulation générale. Ils sont ainsi distribués directement à tous les organes et tissus, sans passer au
préalable par le foie, principal centre de détoxication de l’organisme.
C’est là une des différences fondamentales avec la voie digestive de pénétration dans
l’organisme : dans ce cas, les xénobiotiques, après leur absorption, gagnent immédiatement le foie
et sont en général soumis à une métabolisation, préalable à leur distribution dans le reste de
l’organisme.
VOIE RESPIRATOIRE VOIE DIGESTIVE
INTESTIN
V. porte
FOIE V. cave
COEUR DROIT
A. pulmonaire
POUMON POUMON V. pulmonaire V. pulmonaire
COEUR GAUCHE COEUR GAUCHE
A. aorte A. aorte
distribution DIRECTE
aux ORGANES ET TISSUS,
dont FOIE et à nouveau POUMON
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distribution aux
ORGANES ET TISSUS,
dont à nouveau FOIE et POUMON
Figure 3. Distribution des xénobiotiques par la circulation sanguine,
selon la voie de pénétration dans l’organisme
2. Les COMPARTIMENTS RESPIRATOIRES
2.1. les différents compartiments
L’appareil respiratoire comporte deux grands compartiments : les voies de conduction
aériennes et la zone d'échanges gazeux.
Les voies de conduction aériennes comportent schématiquement deux segments : les voies
aériennes supérieures (naso et oropharynx, larynx) et l'arbre trachéobronchique (trachée, bronches
et bronchioles). Elles permettent la pénétration et la diffusion de l’air inhalé jusqu’aux alvéoles
pulmonaires.
La zone d'échanges gazeux est la zone ultime de pénétration de l’air dans l’appareil
respiratoire, c’est celle des alvéoles pulmonaires. Le tissu pulmonaire y est organisé
physiologiquement pour faciliter les échanges gazeux de l’organisme avec le milieu extérieur (O2,
CO2). C’est ici que s’effectue la respiration pulmonaire proprement dite. Elle représente une zone
très étendue de contact avec les toxiques de l’air ambiant, lorsqu’ils ont pu parcourir l’intégralité
des voies de conduction.
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VOIES DE CONDUCTION AÉRIENNES
1. voies aériennes supérieures
2. Arbre trachéo-bronchique
ZONE D’ÉCHANGES GAZEUX
1. Bronchioles respiratoires
2. Alvéoles pulmonaires
Figure 4. Les compartiments respiratoires
2.2. les voies de conduction aériennes
2.2.1. Les voies aériennes supérieures
La respiration, dans l’espèce humaine, s’effectue habituellement par la voie nasale. L’air
inhalé pénètre par les orifices narinaires qui constituent, par leur diamètre et leur orientation, un
premier élément de filtration des polluants particulaires en suspension dans leur proximité
immédiate, filtration surtout efficace pour les particules de grandes dimensions.
Cavité
nasale
orifice
narinaire
épithélium olfactif : les fibres des cellules nerveuses
se rassemblent dans les bulbes olfactifs
Figure 5. Cavité nasale et zone olfactive
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Nerf olfactif :
Transmet les sensations
Olfactives au cerveau
Dans les cavités nasales, l’air inhalé subit des changements de direction et impacte ainsi les
parois. Cette impaction favorise la déposition des particules, surtout celle des plus volumineuses.
En outre l’air se réchauffe pour se rapprocher de 37°C et commence à être humidifié. Les
polluants hydrosolubles - gaz, vapeurs et particules - interagissent alors avec la muqueuse
respiratoire qui recouvre la majeure partie de la paroi des cavités nasales. Les plus hydrosolubles
d’entre eux peuvent être immédiatement absorbés. Les cavités nasales sont en outre en
communication directe avec les sinus, ce qui peut permettre une large diffusion des polluants dans
la sphère ORL (nez, gorge, oreilles). Une fraction de l’air inhalé entre en contact avec une zone
- 10-

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particulière des cavités nasales, située à leur partie supérieure et tapissée des cellules nerveuses de
l’odorat : l’épithélium olfactif.
Chez l’Homme, contrairement à d’autres espèces animales, en particulier les rongeurs très
utilisés en expérimentation animale, la respiration peut également s’effectuer en utilisant la voie
orale. C’est généralement le cas à l’occasion d’un effort physique, surtout lorsqu’il est intense ;
les systèmes de défense de la cavité nasale sont alors littéralement court-circuités.
2.2.2. L’ARBRE TRACHÉO-BRONCHIQUE
La trachée se divise en deux bronches souches ; puis les voies bronchiques se divisent
systématiquement par deux (dichotomie), formant des ramifications arborescentes de plus en plus
fines qui lui ont valu le nom d’arbre bronchique. Cette division dichotomique est symétrique, chez
l’Homme. Chez les rongeurs, elle est par contre asymétrique et les conditions de pénétration du
flux aérien et de déposition des particules dans l’arbre bronchique se trouvent modifiées.
Le plus court chemin qui mène de la carène – située à la naissance des deux bronches
souches – à la zone alvéolaire est de 7 ordres de division bronchique (7,7 cm), alors que le plus
long est de 25 ordres de division (23 cm). Les bronchioles terminales sont en moyenne placées au
16ème ordre de division (2 16 = 65 536) [2]. Au fur et à mesure de cette division, le calibre des
voies de conduction diminue. Le diamètre des dernières bronchioles lobulaires est de 1 mm. Celui
des bronchiole terminales est voisin de 0,6 mm [2]. Ces bifurcations et le calibre de plus en plus
fin des voies de conduction jouent un rôle mécanique de filtre, surtout pour les particules solides
insolubles qui ont atteint l’arbre bronchique. Cet énorme appareil de filtration peut encore être
renforcé lorsque l’organisme met en jeu ses moyens de défense, par exemple sa capacité réflexe à
réduire le calibre des bronches et des bronchioles et à augmenter la production du mucus -
visqueux - qui recouvre les parois des voies respiratoires.
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trachée
bronches
bronchioles
bronchioles
terminales
bronchioles
respiratoires
canaux
alvéolaires
sacs
alvéolaires
Figure 6. Schéma du mode de division des voies aériennes de l’appareil
respiratoire humain (d’après [3]).
Voies de conduction aérienne
Zone d’échanges gazeux gazeux
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2.3. la zone d'échanges gazeux (zone alvéolaire)
Les voies de conduction aboutissent aux acinus pulmonaires qui constituent les unités
terminales de l’appareil respiratoire.
L’acinus est desservi par une bronchiole terminale qui se divise en 2 à 5 bronchioles
respiratoires, voies aériennes dont la paroi est parsemée d’alvéoles. Ces bronchioles respiratoires
donnent naissance à des canaux alvéolaires situés au cœur de véritables “ grappes ” de 10 à 16
alvéoles, les sacs alvéolaires. Le nombre total des alvéoles est estimé à 300 millions, chez
l’Homme à l’âge adulte.
Ce nombre est beaucoup plus faible chez le jeune enfant. De 30 millions au moment de la
naissance, il va croître rapidement, jusque vers l’âge de dix ans, accompagnant le développement
de l’appareil respiratoire. Ce développement nécessaire de l’appareil respiratoire explique la
vulnérabilité particulière des jeunes enfants aux agressions aériennes. Les expositions nocives à
des polluants aériens, à cette période critique de leur vie, ont des conséquences définitives sur leur
fonction respiratoire.
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Figure 7. La zone d’échanges gazeux [4]
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3. Les Parois des Voies de Conduction
Les parois des voies aériennes de l’appareil respiratoire présentent des caractéristiques
différentes au niveau des voies de conduction et de la zone alvéolaire.
La paroi des voies de conduction est essentiellement organisée pour canaliser le
cheminement de l’air inhalé vers la partie « profonde » du poumon et le débarrasser des polluants
dont il pouvait être vecteur, constituant ainsi une barrière de protection contre les agressions,
provenant de l’air ambiant, susceptibles d’altérer l’appareil respiratoire et spécialement les
cellules alvéolaires du tissu pulmonaire.
Au contraire, la paroi de la zone alvéolaire d’échanges gazeux, dans la partie « profonde »
du poumon, est très perméable et organisée pour faciliter au maximum les échanges de
l’organisme avec l’air parvenant dans les alvéoles.
Depuis les fosses nasales jusqu’aux bronchioles terminales, les parois des voies de
conduction aérienne sont constituées, pour l’essentiel, d’une muqueuse dite “ respiratoire ” dont
les principales caractéristiques varient peu ; elle est composée d’une seule couche de cellules
épithéliales, recouvertes d’un fluide visqueux et élastique, le mucus. Ces cellules épithéliales sont
des cellules dites “ ciliées ”- cellules bordées de nombreux cils du côté de la lumière des voies
aériennes - dans leur grande majorité et aussi de nombreuses cellules sécrétrices du mucus. La
sécrétion de mucus est surtout abondante dans les voies de conduction de gros calibre et assure un
recouvrement intégral de la paroi exposée à l’air.
Les parois des voies de conduction présentent néanmoins quelques particularités, propres à
leurs différents segments, tant dans les voies aériennes supérieures que dans l’arbre trachéobronchique.
3.1. La paroi des voies aériennes supérieures
Lorsqu’il pénètre par les narines, l’air entre en contact avec les trois types différents
d’épithélium de la parois des cavités nasales :
• l’épithélium de type épidermique qui tapisse la partie antérieure des cavités nasales,
• l’épithélium muco-cilié, commun à l’ensemble des voies de conduction respiratoire,
• l’épithélium olfactif, composé des cellules neuro-sensorielles de l’odorat.
Les cavités sinusiennes communiquent directement avec les cavités nasales et sont
tapissées d’un muqueuse de type respiratoire.
Lors des situations particulières où la respiration s’effectue par la bouche - le plus souvent
lors d’un effort physique intense -, l’air est au contact d’une paroi très différente, ayant
principalement des fonctions digestives et gustatives, tapissée par la muqueuse buccale, lubrifiée
par les secrétions salivaires.
3.2. l’épithélium olfactif
L’épithélium olfactif comprend trois types de cellules : les neurones olfactifs, les cellules
de soutien et les cellules basales.
Les cellules basales sont des cellules souches ; elles se divisent et se différencient en
neurones olfactifs qui remplacent les neurones en place, après environ un mois chez les
mammifères. Cette propriété est spécifique des neurones olfactifs qui ont une durée de vie limitée
et ne sont donc pas, comme les autres neurones, des cellules permanentes.
Les neurones olfactifs sont les récepteurs de l’odorat. Ce sont des cellules ciliées, ayant six
à huit cils, du coté de la cavité nasale. À l’autre extrémité de ces neurones, les fibres nerveuses -
les axones - traversent l’os ethmoïde, à la base du crâne, et se rassemblent dans les bulbes
olfactifs. Ceux-ci vont former les nerfs olfactifs qui conduisent les sensations jusqu’aux centres
cérébraux de l’olfaction.
Cet épithélium olfactif est ainsi en communication directe avec le système nerveux central,
par l’intermédiaire des bulbes olfactifs. Plusieurs études expérimentales, chez l’animal, montrent
que la cavité nasale peut ainsi constituer, pour certains métaux, toxiques pour le système nerveux
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central (Cd, Mn, Al, Hg), une porte d’entrée directe vers le cerveau, “ shuntant ” les barrières de
défense habituelles et en particulier la barrière hémato-encéphalique [5-6].
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cil olfactif
cellule cellule de soutien
neurone olfactif
cellule basale
axone
(vers les bulbes olfactifs olfactifs
et le cerveau) cerveau)
Figure 8. Schéma de l’épithélium olfactif
L’odorat peut être l’objet de troubles divers, en particulier à l’occasion de l’inhalation de
produits toxiques, surtout gazeux. L’anosmie est la perte de l’odorat, elle peut être totale ou
partielle, temporaire ou non, et survient très facilement à l’occasion d’un état inflammatoire de la
muqueuse nasale. Les dysosmies sont des sensations anormales de l’odorat. Des hallucinations
olfactives sont également possibles.
3.3. La paroi des bronches et des bronchioles
Elle se compose d’une muqueuse ciliée qui repose sur un chorion dont la constitution est
différente. On distingue schématiquement deux étages : celui des bronches cartilagineuses et celui
des bronchioles lobulaires et autres bronchioles.
Les bronches cartilagineuses, comportent une armature semi-rigide de pièces de cartilage et
de nombreuses glandes sécrétrices du mucus. La muqueuse ciliée est un épithélium cylindrique,
cilié, mucipare, pseudostratifié, reposant sur une membrane basale régulière. Le chorion
bronchique comprend des lames élastiques, une musculeuse circulaire, des glandes bronchiques,
des terminaisons nerveuses, au sein d'un tissu conjonctif (collagène, élastine, matrice
mucopolysaccharique et microfibrillaire).
Les bronchioles lobulaires et autres bronchioles (à l’exception des bronchioles
respiratoires) sont caractérisées principalement par la disparition des pièces cartilagineuses et des
glandes bronchiques. Les cellules à mucus se raréfient dans les bronchioles lobulaires, sauf en cas
de stimulus irritatif chronique (par ex : la fumée de tabac). Les fibres élastiques hélicoïdales, sont
en continuité avec celles de l'alvéole.
3.4. L’épithélium bronchique
L’épithélium bronchique comporte au moins 8 types de cellules différentes, toutes
originaires d’une cellule souche de réserve : la cellule basale [7].
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Parmi les principales, on peut relever les suivantes :
• les cellules ciliées, ce sont les plus fréquentes. Leur pôle apical est bordé par des cils (40 à
50 cils par cellule). Elles sont présentes jusqu’aux bronchioles terminales. Ces cellules sont
particulièrement sensibles aux agressions toxiques.
• les cellules à mucus sont les cellules sécrétrices du mucus (avec les glandes bronchiques).
Leur nombre diminue progressivement jusqu’aux bronchioles.
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Figure 9 non diffusable en ligne,
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Figure 9. Les principales cellules de l’épithélium de
l’arbre trachéo-bronchique [4]
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• les cellules basales sont les cellules souches de réserve de l’épithélium bronchique. Elles
régénèrent normalement le tissu épithélial et le reconstituent lorsqu’il a été lésé. Ces cellules
pluripotentes se multiplient et se différencient pour donner naissance aux autres cellules de
l’épithélium bronchique, en particulier les cellules ciliées et les cellules à mucus.
• les cellules de Clara apparaissent au niveau des bronchioles et sont surtout présentes dans les
bronchioles terminales et respiratoires, au niveau de la zone de transition entre les voies de
conduction et la zone alvéolaire où elles remplacent les cellules à mucus. Elles ont pour
fonctions principales la métabolisation des xénobiotiques, en particulier grâce à leur richesse
en enzymes (monooxygénases à cytochromes P 450, catalases…), et la sécrétion de protéines
du surfactant (SP-A et SP-B). En outre elles sont capables de division et peuvent ainsi
participer à la régénération de l’épithélium.
3.5. Le mucus respiratoire
Le mucus couvre la surface de l’épithélium respiratoire et englobe les cils.
C’est un gel, essentiellement composé d’eau (95 à 97 %). Il contient aussi des
glycoprotéines, les mucines (1 %) et des lipides [8-9].
Les mucines sont de volumineuses glycoprotéines, de très haut poids moléculaire (de
l’ordre de 106 daltons), composées d’un squelette polypeptidique sur lequel sont embranchés de
nombreuses chaînes glucidiques (glycanes). Ce sont les mucines qui confèrent au mucus ses
propriétés rhéologiques : viscoélasticité et filance.
Schématiquement, le mucus a une composition biphasique complexe, formée d’un
gradient de glycoprotéines :
• phase sol : très fluide, contenant peu de glycoprotéines, à la base des cils, au contact des
cellules épithéliales.
• phase gel : dense, viscoélastique, riche en glycoprotéines, prédominant vers la lumière des
voies respiratoires.
Sa synthèse est effectuée par les cellules caliciformes de la muqueuse des voies
respiratoires supérieures et trachéobronchiques, et surtout par les glandes péribronchiques dont
les canaux "débouchent" sur la paroi bronchique, entre les cellules épithéliales.
Des mécanismes humoraux et neurovégétatifs complexes, très sensibles aux agressions
environnementales, régulent la quantité et la fluidité du mucus secrété. À l’état normal, le mucus
forme un tapis continu à la surface de l’épithélium respiratoire. Il constitue ainsi une barrière entre
l’air inhalé et les cellules du tissu épithélial des voies de conduction. Le rôle protecteur de ce film
de mucus, notamment contre l'agression des aérocontaminants insolubles, peut être rapporté à
trois mécanismes principaux :
• purement mécanique : revêtement de l'épithélium respiratoire et élément essentiel de
l'évacuation des particules par l'escalator mucociliaire ;
• chimique et biochimique, notamment par l'action des protéases, de la transferrine et du
lysozyme ;
• immunologique par l'action des immunoglobulines Ig A et aussi par la présence en son
sein de cellules effectrices de l'immunité, telles que les mastocytes.
3.6. le système mucociliaire respiratoire
Le film de mucus est propulsé par le battement des cellules ciliées et par la toux.
Les cils battent les uns après les autres, de manière coordonnée. Ils forment des vagues
(ondes métachrones) à la surface de l’épithélium respiratoire et propulsent ainsi le mucus. Le
battement des cellules ciliées est de 10 à 20 cycles par seconde. Il propulse le film de mucus à une
vitesse croissante depuis les petites bronches (2 à 5 mm/mn) jusqu’à la trachée (10-15 mm/mn) ; il
remonte les particules déposées en quelques dizaines de minutes Une particule déposée dans les
gros troncs bronchiques mettra en moyenne 30 mn pour être rejetée [8-9]. Le tapis mucociliaire
bronchique est ainsi un véritable tapis mécanique, l'"escalator mucociliaire" qui permet
normalement, d'évacuer des voies respiratoires la majeure partie des particules solides insolubles,
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inhalées en permanence. Cette évacuation est réalisée par expectoration avec la toux ou plus
habituellement par déglutition ; dans ce cas, les particules ne sont pas immédiatement éliminées de
l’organisme : elles sont transférées dans le système digestif où elles sont à nouveau susceptibles
d’être absorbées et d’exercer sur l’organisme d’éventuels effets nocifs (ex : les particules de
plomb).
Le battement ciliaire comprend une
phase efficace (a) puis une phase de
retour (b). Les pointillés montrent le
trajet de la pointe ciliaire.
Figure 10. Le battement ciliaire et la propulsion du mucus [10]
Le système mucociliaire constitue l’une des principales barrières physiologiques de défense
des voies respiratoires contre les agressions des contaminants aériens.
L’épuration mucociliaire est altérée dans de nombreuses affections, acquises ou
héréditaires (bronchite chronique, mucoviscidose…). L’agression aiguë ou chronique de la
muqueuse respiratoire par des agents toxiques, infectieux ou allergiques, entraîne des
modifications structurelles et fonctionnelles des cils (paralysie ou destruction, par exemple) et/ou
de la sécrétion de mucus (augmentation de la production, modification de la viscosité…).
L’altération de ces mécanismes de défense et la stase des secrétions participent à l’apparition des
signes cliniques (toux, crachats, dyspnée…).
L’exposition chronique à la fumée de tabac déprime la clearance mucociliaire. Cette
dépression est réversible, après plusieurs mois d’arrêt du tabagisme, au moins si une bronchite
chronique ne s’est pas installée.
Les polluants gazeux de l’air environnant - SO2, NO2, O3 – ont également des effets sur
l’épuration mucociliaire, effets variables et contradictoires selon leur concentration et la durée de
l’exposition : transitoirement, un effet simulant si l’exposition n’est pas très intense ; à terme,
dysfonctionnement mucociliaire à l’origine d’affections bronchopulmonaires chroniques.
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Schéma montrant la propulsion du mucus
(m) sur des zones d’épithélium cilié (e).
Durant la phase efficace de leur battement,
les cils (c) soulèvent un peu le mucus,
faisant apparaître des zones séparées de
propulsion (p) du mucus. Sur cette figure, le
mucus avance dans la direction des flèches
continues grâce à la phase efficace des
battements. Les ondes métachrones dues à
la coordination ciliaire se déplacent dans la
direction des flèches en pointillé.
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4. Les Unités Respiratoires : Les Acinus Pulmonaires
4.1. Les principaux composants de l’alvéole pulmonaire
Au terme de son cheminement dans les voies de conduction, l’air pénètre dans la zone
alvéolaire, fonctionnellement organisée pour faciliter les échanges gazeux entre l’organisme et le
milieu extérieur.
L’alvéole est une cavité aérienne, tapissée par une paroi épithéliale mince et perméable,
très différente de la paroi des voies de conduction. Cette cavité est maintenue “ouverte” par
l’action d’un film lipidique tensioactif, le surfactant, qui lui sert d’armature et en comble les pores.
L’épithélium alvéolaire est au contact des capillaires pulmonaires, sur la majeure partie de
sa surface. Ailleurs il repose sur un tissu interstitiel, composé de collagène, de fines fibres
élastiques et de diverses cellules, surtout conjonctives (fibroblastes, myofibroblastes,
lymphocytes…)
La paroi alvéolo-capillaire comporte le plus souvent une cellule alvéolaire mince et une
cellule endothéliale, reposant toutes deux sur une membrane basale qui leur est commune. Cette
paroi, d’une extrême minceur, ne dépasse pas quelques dixièmes de micromètres et permet une
diffusion extrêmement rapide des gaz.
Sur la face externe de la paroi de chaque alvéole, une volumineuse cellule est postée - le
macrophage alvéolaire - assumant des fonctions de défense immédiate et d’alerte par rapport à
l’irruption de corps étrangers indésirables, particules diverses, vivantes ou non, organiques ou
minérales.
4.2. l’épithélium alvéolaire
Cet épithélium est très différent de l’épithélium bronchique : il est mince, ne porte pas de
cil et secrète un fluide lipidique principal constituant du surfactant.
L’épithélium alvéolaire est constitué de deux types cellulaires : cellules de type I et de
type II, aussi appelés pneumocytes I et II [7].
Les pneumocytes I sont des cellules larges, très aplaties, endothéliformes, dont le diamètre
est d’environ 50 µm et l’épaisseur de 0,1 à 0,3 µm ; Elles couvrent plus de 90 % de la surface
alvéolaire. Ce sont des cellules terminales, incapables de se diviser. Elles sont très sensibles aux
agressions et aux toxiques qui provoquent leur destruction. Elles représentent environ 40% des
cellules alvéolaires.
Les pneumocytes II sont des cellules cuboïdales, plus petites, dont le diamètre est d’environ
15 µm. Elles couvrent seulement quelques % de la surface alvéolaire mais représentent la majorité
de ses cellules, environ 60%. Elles sont capables de se diviser et de se différencier pour former des
cellules de type I, jouant ainsi un rôle essentiel dans la régénération de l’épithélium alvéolaire
lorsqu‘il a été lésé. Elles ont une fonction sécrétoire importante et produisent la dipalmitoyllecithine,
composant principal du surfactant. Elles sont également dotées de propriétés
métaboliques importantes qui jouent un rôle dans la biotransformation des substances étrangères.
Enfin elles participent au transport d’électrolytes et à l’évacuation de l’eau des alvéoles.
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Figure 11. Le tissu alvéolaire pulmonaire [4]
Les cellules cibles
des cancers broncho-pulmonaires
L’arbre respiratoire, depuis les bronches jusqu’aux alvéoles, ne
comporte que trois types de cellules capables de division et donc
susceptibles d’être à l’origine du développement d’un clone de
cellules cancéreuses :
• les cellules basales de l’épithélium bronchique ;
• les cellules de Clara de l’épithélium bronchiolaire ;
• les pneumocytes de type II de l’épithélium alvéolaire.
En pratique, les cancers bronchiolo-alvéolaires, développés à partir
des pneumocytes alvéolaires sont rares chez l’Homme.
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4.3. le surfactant
Le surfactant est un film “lipidique” qui recouvre la paroi des alvéoles. Il est composé
principalement de lipides, environ 90 %, dont la majorité sont des phospholipides. Une fraction
importante est représentée par des phosphatidylcholine à acides gras insaturés (25 %). Les autres
constituants sont des protéines (environ 8 %), dont on a individualisé quatre composants
spécifiques (SP- A, SP- B , SP- C, SP- D ), et des glucides (environ 2%) [11].
Lipides 90 % dont - phosphatidylcholine (saturée) 45 %
- phosphatidylcholine (insaturée) 25 %
Protéines 8 %
Glucides 2 %
Tableau 6. Composition du surfactant pulmonaire (d’après [11]).
La sécrétion du surfactant est assurée essentiellement par les pneumocytes II. Les cellules
de Clara y participent aussi, en produisant également quelques composants protéiques (SP-A,
SP-B). Le surfactant se renouvelle rapidement, en quelques heures (3 à 11 h), principalement par
l’intermédiaire des pneumocytes II.
La fonction principale du surfactant est d’assurer le maintien de la tension de surface
alvéolaire, empêchant l’effondrement de l’alvéole à l’expiration. Sa dégradation
lipoperoxydasique, par l’agression oxydante due par exemple à NO2 et O3, entraîne un collapsus
alvéolaire. Le surfactant intervient aussi dans les fonctions de défense pulmonaire en favorisant la
fonction phagocytaire des macrophages. Il semble également que le surfactant puisse avoir une
action antibactérienne directe.
4.4. Les macrophages alvéolaires
Les macrophages sont de grandes cellules (12 à 40 µm), mobiles, postées sur la paroi
alvéolaire et qui “ rôdent ” à sa surface, phagocytant tous les corps étrangers qui se présentent :
microorganismes et débris organiques, particules minérales solides, granuleuses ou fibreuses… Ce
sont des cellules d’origine médullaire, dérivées des monocytes sanguins circulants, qui migrent
dans le tissu pulmonaire. Les macrophages ont un large cytoplasme, riche en lysosomes, contenant
de nombreuses et puissantes enzymes protéolytiques, essentielles pour dégrader normalement le
matériel étranger qu’ils incorporent.
Le macrophage est par excellence la cellule de défense du tissu pulmonaire. Il joue un rôle
essentiel dans le maintien de la stérilité des voies respiratoires, en phagocytant et en détruisant les
microorganismes infectieux, tels que les bactéries. Il épure aussi les particules étrangères, les
débris cellulaires qui se déposent dans le poumon profond et s’efforce de les dégrader à l’aide de
ses enzymes et en produisant des espèces réactives du dioxygène.
Les macrophages sont capables de générer et de libérer un nombre important de substances
chimiques susceptibles de moduler les réactions de défense de l’appareil respiratoire et aussi de
produire des effets nocifs en perpétuant les phénomènes inflammatoires [12] :
• cytokines pro-inflammatoires (TNF α, IL –1, IL- 6 …),
• médiateurs vasoactifs, dérivés du métabolisme de l’acide arachidonique (PGE-1, PGE-2… ),
• enzymes protéolytiques et espèces réactives du dioxygène, à l’origine directe de lésions
tissulaires.
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membrane cellulaire
au contact des fibres
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formation du
phagolysosome
réingestion de la fibre
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rupture de la membrane
du phagolysosome
lente dissolution
mort cellulaire et
libération de la fibre
épuration
Figure 12. Les différentes étapes de la phagocytose des fibres minérales,
par les macrophages alvéolaires.
Les macrophages participent aussi à la fonction de défense immunitaire, en agissant comme
des cellules présentatrices de l’antigène aux lymphocytes T.
Phagocytose, pinocytose et endocytose
Ce sont trois termes qui permettent de désigner les modalités d’internalisation par
les cellules, le plus souvent des macrophages, des matériaux étrangers, présents
dans l’organisme.
Phagocytose désigne l’incorporation de particules solides.
Pinocytose désigne l’incorporation de gouttelettes liquides.
Endocytose s’emploie pour l’ensemble de ces deux phénomènes.
4.5. Épuration muco-ciliaire et épuration alvéolaire
L’épuration des particules inhalées qui se déposent dans l’appareil respiratoire s’effectue
donc selon deux modes principaux : l’un, au niveau des voies de conduction, repose
principalement sur le système muco-ciliaire, l’autre, au niveau de la zone d’échanges gazeux, est
réalisé principalement par les macrophages alvéolaires.
Les courbes d’épuration, réalisées à l’aide d’aérosols marqués, montrent deux phases dans
ce processus [9]. La première, rapide, en quelques heures (demi-vie de 8 - 9 heures) correspond à
l’épuration muco-ciliaire des particules déposées sur l’épithélium cilié. Elle est d’autant plus
rapide que les particules se déposent au niveau des voies aériennes de plus gros calibre où la
distance à parcourir est plus courte et la vitesse du transport plus rapide. La seconde est lente, sa
durée se compte en jours (demi-vie de 60 à 100 jours). Elle correspond à l’épuration alvéolaire.
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pourcentage du dépôt
radioactif pulmonaire initial
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100
0
phase
rapide
24e 24 heure e 24 heure e heure
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phase lente
dépôt
trachéobronchique
dépôt alvéolaire
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Clairance mucociliaire (%)
A B
100
75
50
25
copyright
site dépôt aérosol
Proximal
Distal
0
0 1 2 3 4 5 6
temps après inhalation (heure)
Figure 13. Épuration muco-ciliaire et épuration alvéolaire.
A. Courbe de clairance pulmonaire avec sa phase initiale, trachéobronchique et sa phase
lente alvéolaire. B. Exemples de courbes de clairance mucociliaire après inhalation d’un
aérosol radiomarqué. La clairance mucociliaire est plus rapide lorsque le dépôt est proximal
(d’après [13]).
5. La Plèvre
La plèvre est une fine membrane qui enveloppe les poumons et tapisse l’intérieur de la
paroi thoracique. Elle comporte deux feuillets : le feuillet qui recouvre la surface des poumons,
appelé plèvre viscérale, et celui qui tapisse la face interne de la paroi thoracique, appelé plèvre
pariétale. Entre ces deux feuillets se trouve un espace quasi virtuel, occupé par une mince couche
de liquide, de dix à vingt microns d’épaisseur [14] et espace pleural est, chez l’Homme, scindé en
deux cavités, non communicantes, correspondant aux poumons droit et gauche ; il est unique au
contraire dans certaines espèces animales très utilisées en expérimentation, comme le Rat.
La plèvre est une membrane séreuse, constituée d’un épithélium simple, c’est à dire d’une
seule couche de cellules jointives, les cellules mésothéliales, implantées sur une membrane basale.
On connaît ainsi aujourd’hui deux fonctions principales de la plèvre :
• une fonction mécanique : les deux feuillets pleuraux facilitent le glissement des poumons
contre la paroi thoracique, lors des mouvements respiratoires ;
• une fonction d’échanges et de transport de liquides, de cellules et de particules. Chez les
grands mammifères, à plèvre épaisse, les grosses molécules protéiques et les particules solides
(cellules, particules minérales…), présentes dans la cavité pleurale, sont aspirées par les pores
lymphatiques de la plèvre pariétale et sont épurées par les vaisseaux lymphatiques.
La plèvre peut être le siège de manifestations pathologiques, dont les plus sévères, en
particulier les cancers (mésothéliomes), étaient extrêmement rares jusqu’à une époque récente
(années 60). Elle demeure jusqu’à aujourd’hui une structure relativement peu étudiée, connue
surtout par des études expérimentales chez l’animal et des études in vitro sur des cultures de
cellules mésothéliales. Chez l’Homme, le mésothéliome pleural débute le plus souvent au niveau
de la plèvre pariétale [14].
Les cellules mésothéliales sont des cellules grossièrement cubiques dont le diamètre varie
entre 16 et 40 µm, et l’épaisseur entre 1 et 4 µm.
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Les cellules mésothéliales peuvent être altérées à l’occasion de tous types d’agression.
Elles desquament facilement dans la cavité pleurale. Leur renouvellement est estimé à 33 jours
chez le Rat. On observe seulement une mitose sur 10 000 cellules au niveau de la plèvre humaine.
Les cellules mésothéliales sont capables d’internaliser des particules de diamètre inférieur à
1 µm. La phagocytose des plus grosses particules, observée avec les cellules mésothéliales en
culture, n’a pratiquement pas été mise en évidence chez l’Homme in situ [14]. Les cellules
mésothéliales, en culture, peuvent internaliser les fibres minérales dans des vacuoles d’endocytose
qui fusionnent ensuite avec les lysosomes. Cette phagocytose s’accompagne à court terme de
l’apparition d’anomalies chromosomiques, puis à long terme de transformation néoplasique [14].
Les fibres d’amiante sont également responsables de la production d’espèces activées de
l’oxygène et de cytokines (IL4, IL8) par les cellules mésothéliales [14].
Les cellules mésothéliales jouent un rôle important dans les processus inflammatoires de la
plèvre, en particulier par leur capacité à recruter des cellules compétentes et à produire des
facteurs favorisant la cicatrisation. Le processus de réparation peut conduire à une réparation
complète sans séquelle ou à un remodelage comme il est observé dans certaines pathologies
pleurales. Les cellules mésothéliales ont la capacité “ in vitro ” de secréter les éléments du tissu
conjonctif pleural : fibres de collagène et fibres élastiques.
Les études du caryotype des lignées de cellules mésothéliales tumorales montrent une
hétérogénéité : certaines lignées étant proches de la diploïdie, d’autres allant jusqu’à une
hyperploïdie très marquée. Des anomalies chromosomiques variées ont été décrites dans les
mésothéliomes malins, Les études de biologie moléculaire n’ont pas montré à ce jour de relation
entre la transformation maligne des cellules mésothéliales et l’activation d’un oncogène spécifique
ou la mutation d’un gène suppresseur de tumeur [14].
6. Conclusion : Les principaux Mécanismes de Défense et leurs
variations
6.1. Les différents moyens de défense
L’organisme dispose donc, au niveau de l’appareil respiratoire, de moyens de défense très
diversifiés contre les agressions des gaz et des particules minérales de l’air ambiant. Pour résumer,
schématiquement, ces moyens peuvent être regroupés en trois grandes catégories :
1. Moyens mécaniques qui concernent surtout les voies de conduction aériennes :
• Disposition anatomique des voies aériennes et de l’arbre trachéobronchique qui favorise la
déposition des particules,
• Filtration aérodynamique nasopharyngée et trachéobronchique,
• Evacuation mécanique par le tapis mucociliaire ;
2. Moyens physico-chimiques qui concernent toutes les surfaces de contact avec l’air inhalé :
• Revêtements de protection des parois (mucus des voies de conduction, surfactant alvéolaire),
• Membranes cellulaires lipidiques ;
3. Moyens cellulaires qui jouent un rôle majeur dans la zone alvéolaire :
• Phagocytose, surtout par les macrophages alvéolaires (cellules à “poussières”),
• Défense immunitaire par les lymphocytes et les macrophages
Ces différents moyens constituent un ensemble de barrières de défense très sophistiqué, et
d’autant plus complexe qu’il est largement modulable.
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6.2. Les modulations physiologiques
Les modulations physiologiques des réactions de défense de l’appareil respiratoire en
réponse aux agressions des polluants aériens sont extrêmement nombreuses et portent sur la
majorité des moyens de défense, par exemple :
• variations de diamètre des voies de conduction : il peut être diminué (bronchoconstriction) ou
augmenté (broncho-dilatation). La bronchoconstriction, par exemple, augmente l’impaction
des particules sur les éperons bronchiques et l’interception des particules fibreuses ;
• variations de la fréquence respiratoire ;
• variation des secrétions de mucus et de surfactant. L’augmentation de la sécrétion de mucus ,
généralement accompagnée d’une broncho-dilatation, favorise l’épuration muco-ciliaire des
particules ;
• expulsions réflexes : toux et éternuement ;
• activation des moyens cellulaires : phagocytose par les macrophages, réaction immune
(lymphocytes, mastocytes et cellules présentatrices de l’antigène).
En règle générale, ces réactions défensives tendent :
• à empêcher la pénétration d’un polluant dans la profondeur des voies de conduction aérienne
(par exemple pour les gaz irritants, les poussières…) ;
• à accélérer l’épuration des polluants particulaires déposés sur les parois des voies de
conduction.
Dans certains cas, les réactions de l’appareil respiratoire sont beaucoup moins favorables.
C’est le cas en particulier lorsque l’agression est importante ou lorsqu’elle est prolongée : une
hypersécrétion de mucus peut encombrer les voies respiratoires, une inflammation chronique peut
déclencher un processus de fibrose … Ces réactions défensives peuvent aussi être débordées par
l’ampleur de l’agression, par exemple en cas d’exposition massive à des poussières.
Enfin, il faut garder présent à l’esprit que certains polluants peuvent déjouer les systèmes
de défense en pénétrant l’appareil respiratoire sans y provoquer la moindre réaction. C’est par
exemple le cas habituel des vapeurs de mercure et aussi de certains gaz asphyxiants,
particulièrement traîtres, comme le monoxyde de carbone.
6.3. Variations des caractéristiques des populations exposées
Les variations des réactions de défense de l’appareil respiratoire ne tiennent pas seulement
aux modulations physiologiques que l’on peut observer chez l’adulte en pleine santé. Elles
dépendent aussi des caractéristiques des populations exposées, au moment particulier où cette
exposition intervient.
Les réactions de défense vont dépendre également, et souvent de façon primordiale :
• des variations entre les individus, qu’elles tiennent par exemple au sexe ou à leur susceptibilité
génétique ;
• des différents niveaux d’activité ; lors d’un effort intense par exemple, la ventilation et la
perfusion pulmonaire seront considérablement augmentées et peuvent multiplier par 10 le
niveau d’exposition du sujet ;
• des variations des caractéristiques de l’individu exposé, qu’elles soient physiologiques ou liées
à une modification de son état de santé .
6.4. Variations des caractéristiques individuelles des sujets exposés
Des variations importantes et physiologiques des réactions de défense sont observées, chez
le sujet en bonne santé, en fonction de son âge (enfant, adulte, vieillard), des différents rythmes
biologiques, de l’activité reproductrice chez la femme …
Des variations également importantes peuvent intervenir à l’occasion de modifications de
l’état général ou de l’appareil respiratoire, qu’elles soient liées à la fatigue, au surmenage, au
vieillissement, à des déficiences (par ex : malnutrition ou dénutrition), à des altérations
fonctionnelles ou à des pathologies déjà installées.
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Acknowledgements
Nous tenons à remercier Demetri PAVIA pour l’autorisation de publication de la figure 13,
ainsi que Michael A. SLEIGH pour celle de la figure 10.
Bibliographie
[1] WITSCHI H.P. & LAST J.A.., Toxic responses of the respiratory system., in Casarett & Doull’s
Toxicology, Klaassen C D Editor, Mc Graw Hill, 1996., pp 443-462.
[2] PHALEN R. F., YEH H.-C. & PRASAD S. B., Morphology of the respiratory tract., in Mc Clellan R.O.,
Henderson RF., Concepts in inhalation toxicology, Taylor & Francis, New York, 1995.,
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[3] WEIBEL E.R., Morphometry of the human lung, New York, Academic Press, 1963.
[4] The Netter collection of medical illustrations, volume 7, Respiratory system, edited by Frank H. Netter
M.D., Matthew B. Divertie and Alister Brass, second edition, 1980, ISBN 0914168096:
Intrapulmonary airways. Section I, plate 22, page 24.
Ultra-structure of tracheal, bronchial, and bronchiolar epithelium. Section I, plate 24, page 26.
Fine structure of alveolar capillary unit. Section I, plate 27, page 29.
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cns., Neurotoxicology : (Park Forest South), vol. 12 , no 4 , 1991, pp. 707 - 714
[6] HENRIKSSON J. & TJÄLVE H., Uptake of inorganic mercury in the olfactory bulbs via olfactory
pathways in rats, Environ. res. : (NY NY)., vol. 77 , no 2 , 1998 , pp. 130 – 140.
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Maladies respiratoires, Masson, Paris, 1993, pp 67-78.
[8] PUCHELLE E., & LIOTÉ H., Physiologie et physiopathologie de l’épuration du mucus des voies
aériennes, Encycl. Med. Chir., Editions Techniques, 6000-A-67, 1991, 14 p.
[9] LIOTÉ H.. & PUCHELLE E., Transport mucociliaire, méthodes d’investigation, in Godard Ph.,
Bousquet J., Michel F.B., Maladies respiratoires, Masson, Paris, 1993., pp 114-117.
[10] SLEIGH M.A., Ciliary function in mucus transport, Chest, vol. 80-6, December, 1981 supplement, pp
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[11] CLÉMENT A., Activité métabolique du tissu pulmonaire, Encycl. Med. Chir., Pneumologie, 6000-A-61,
Editions Techniques, Paris, 1994, 3 p.
[12] CHANEZ P. & VAN-VYVE T., Moyens de défense de l’appareil respiratoire, in Godard Ph., Bousquet
J., Michel F.B., Maladies respiratoires, Masson, Paris, 1993, pp 197-201.
[13] PAVIA D., communication personnelle, 2000.
[14] FLEURY-FEITH J., JAURAND M. C. & BIGNON J., Anatomie et biopathologie de la plèvre, in
Aubier M., Pneumologie, Médecine-Sciences- Flammarion, 1996, pp 83-99.
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