Filtration Glomérulaire PDF

LE FILTRE GLOMÉRULAIRE INTRODUCTION Nous allons nous intéresser au filtre glomérulaire, à sa structure, à ses fonctions et à son implication dans le phénomène de protéinurie. I. Rappels histologiques Sur la coupe transversale d’un glomérule de rat en coloration PAS, on observe:...

LE FILTRE GLOMÉRULAIRE INTRODUCTION Nous allons nous intéresser au filtre glomérulaire, à sa structure, à ses fonctions et à son implication dans le phénomène de protéinurie. I. Rappels histologiques Sur la coupe transversale d’un glomérule de rat en coloration PAS, on observe: - le floculus (en rouge) - la chambre urinaire, située autour du floculus, elle contient l’urine primitive - le feuillet pariétal de la capsule de Bowman, en bordure Sur le glomérule en lui-même, on retrouve: - la macula densa : c’est un replis du tubule contourné distal qui se blottit le long du glomérule entre 2 artérioles. Elle se situe à la base du glomérule. - l'épine mésangiale : c’est un assemblage de cellules mésangiales autour desquelles viennent s’entourer les capillaires glomérulaires. - les podocytes : ils bordent les capillaires glomérulaires. Ils sont caractérisés par une image en croissant à l’extérieur du capillaire avec un gros noyau et une cytosol rose. Sur cette image en microscopie électronique, on observe les trois couches du filtre glomérulaire (la cellule endothéliale fenêtrée, la membrane basale, et un podocyte avec ses pédicelles). II. Structure et rôle du filtre glomérulaire A l’intérieur du capillaire glomérulaire, le sang traverse les trois couches du filtre glomérulaire, à savoir: - la cellule endothéliale largement fenêtrée (bordée par un riche et épais glycocalyx chargé électro négativement). La fenestration représente environ 25% de la surface capillaire glomérulaire. - la membrane basale, composée de laminine et de collagène IV. - les pédicelles (en vert) Environ 20% du plasma qui traverse les capillaires glomérulaires est ultrafiltré pour former l’urine primitive. Entre les pédicelles, il existe un réseau de maillage protéique longitudinal et perpendiculaire à l’axe des pédicelles constitué de protéines comme la néphrine, la podocine et Neph 1. 1 Lorsque l’une de ces protéines est mutée, la permsélectivité du filtre glomérulaire est altérée et il y a une fuite protéique importante comme notamment d’albumine. C’est le cas par exemple lors d’une mutation inactivante de la néphrine au cours du syndrome néphrotique finnois. L’ultrafiltrat du plasma donne donc naissance à l’urine primitive qui contient peu de colloïdes (< 100 mg/L). Les molécules fortement liées aux protéines seront donc peu filtrées. L’ultrafiltrat ne contient pas de cellules donc pas d’hématies. En fonction de l’équilibre de Gibbs Donnan, il y a plus de protéines dans le secteur plasmatique que dans l’urine primitive, il y aura alors une redistribution des charges électriques de part et d’autre de la membrane avec plus d’anions (x1.05) et moins de cations (x0.95) du côté de l’urine primitive. III. La perméabilité glomérulaire La perméabilité glomérulaire est avant tout définie par la porosité membranaire. Le filtre glomérulaire comporte des éléments qui déterminent largement sa perméabilité. C’est un rôle dédié à la slit membrane tendue entre les pédicelles des podocytes réalisant un effet de tamis moléculaire. La structure longitudinale des assemblages moléculaires crée une fente très fine qui détermine la sélectivité de la perméabilité moléculaire aux grosses molécules. Ces molécules sont filtrées en fonction de leur taille, leur forme (les molécules longues passent plus facilement que les rondes), leur charge électrique (comme l’assemblage est électronégatif, les molécules négatives sont mises en répulsion alors que les positives passeront plus facilement à travers ce filtre glomérulaire). Sur l’expérience de droite, on a administré chez des rats des ficolls de charges électriques et de tailles moléculaires variables. Pour un poids moléculaire donné, les ficolls cationiques ont un coefficient de tamisage plus élevé que les ficolls anioniques. Ces dernières années, une attention a été portée au rôle du glycocalyx endothéliale dans la permsélectivité. Ce glycocalyx est épais et lorsqu’il est endommagé, une protéinurie peut être déclenchée. Comme il est chargé négativement cela à abouti à une théorie : il existerait un effet de répulsion électromagnétique lié au déplacement des molécules protéiques électronégatives à la surface de l’endothélium. Plus le débit sanguin est fort, plus le frottement des charges négatives de l’albumine le long du glycocalyx électronégatif va créer une force de répulsion électromagnétique (= force de Laplace). Ce phénomène pourrait expliquer le phénomène de protéinurie orthostatique observé parfois chez le sujet sain jeune. En effet, la diminution du débit sanguin en position debout va ralentir fortement le flux de perfusion rénale, cela diminue la force de répulsion électromagnétique. Si le glycocalyx n’est pas tout à fait mature, cela pourrait expliquer le passage de quelques molécules d’albumine supplémentaires par rapport à la valeur physiologique et l’apparition temporaire d’une albuminurie en position debout qui disparaît aussitôt en position couchée. 2 Ce qui est important à retenir est que la première protéine à n’être pratiquement pas filtrée au niveau du filtre glomérulaire est l’albumine. Pour rappel, c’est une protéine de 66.5 kDa, son rayon de stock stein est de 35.5 Å et son coefficient de tamisage est de 0.001% ce qui explique que l’on en retrouve très peu dans l’urine. IV. Protéinurie 1) Devenir des protéines filtrées Finalement, très peu de ces protéines seront éliminées par les voies urinaires car la plupart seront capturées au niveau du tubule proximal par un système de récepteur membranaire scavenger (système constitué de la cubuline + mégaline). Ainsi, 6g d’albumine filtrés sont capturés par ce complexe en 24h. Les protéines captées par le système cubuline/mégaline sont ensuite internalisées à l’intérieur de la cellule tubulaire proximale puis fusionnent avec un lysosome et sont dégradées pour libérer des acides aminés qui seront réabsorbés pour éviter le gaspillage. → Finalement, sur 6g d'albumine filtrés par 24 heures dans nos urines, moins de 30 mg seront éliminés dans les urines. Dans l’insuffisance rénale chronique, avec atteinte glomérulaire et protéinurie abondante, le phénomène de réabsorption, par le système cubuline/mégaline, est de plus en plus important au fur et à mesure que la fuite protéique glomérulaire augmente. L’augmentation de production lysosomale et de dégradation des vésicules d’endocytose finit par générer un stress cellulaire épithéliale important qui va générer une dégradation progressive de l’état cellulaire tubulo-interstitiel. Cette fibrose semble contribuer à l’évolution de la maladie rénale chronique induite par la protéinurie glomérulaire. 2) Dépistage des protéinuries a) Fonctionnement de la bandelette urinaire L’outil le plus simple pour dépister une protéinurie est la bandelette urinaire. On trempe une bandelette dans l’urine, on l’égoutte délicatement et on attend le temps indiqué sur la notice d’utilisation (ce temps varie en fonction de ce que l’on souhaite étudier). Sur cet exemple, selon la quantité de protéines présentes dans l’urine, on observe un verdissement progressif de la bandelette. Il s’agit d’une réaction colorimétrique. Cette couleur peut poser problème car la dyschromatopsie au vert est assez fréquente dans la population. Aujourd’hui, il est recommandé d’utiliser les bandelettes urinaires avec des appareils de lecture qui ont l’avantage d’imprimer le résultat. Les bandelettes urinaires sont des outils de dépistage et sont susceptibles de générer des faux positifs en particulier si le recueil urinaire a été fait dans un flacon contenant un désinfectant de la famille ammonium quaternaire ou si elles 3 ont été prélevées longtemps avant et laissées à l’air en présence d’une population bactérienne urinaire. L'alcalinisation progressive des urines qui en résulte peut générer un faux positif. Inversement, il existe des faux négatifs. Le plus classique est la présence de chaînes légères dans les urines qui, si on dose les protéines, seront détectées mais si on ne fait qu’une bandelette ne sont pas bien dépistées par la réaction colorimétrique qui reconnaît essentiellement l’albumine. → les protéinuries chaînes légères peuvent échapper au dépistage d’une bandelette ! b) Interprétation Ce tableau représente la semi-quantification de la protéinurie vue par une bandelette. Dès l’instant où l’on dépiste des traces, il faut suspecter une protéinurie. Cependant, ces traces peuvent être détectées sur des urines très concentrées du matin alors qu’il n’y a pas de protéinurie pathologique (la valeur est faible mais l’effet de concentration fausse le résultat). Par contre, dès qu’il y a une croix de protéinurie, il y a de fortes chances que le patient en soit réellement porteur. Il faudra alors faire un dosage de ces protéines pour confirmer et quantifier la protéinurie. 3) Quantification des protéinuries Historiquement, on recueillait les urines des 24h puis on dosait la protéinurie. Le tout était exprimé sur 24h. Cependant, on s’est rendu compte que la fréquence des recueils urinaires incomplets posait problème. Des études épidémiologiques ont montré que pour prédire l’évolution de la maladie rénale chronique et les risques cardio-vasculaire, le recueil d’une urine spot du matin était plus fiable sous réserve que la valeur de protéinurie dosée soit corrigée pour l’effet de dilution (si le patient a bu beaucoup ou pas). Pour cela, on dose la créatininurie (produits de catabolisme de la créatinine endogène dont la production est constante chez le sujet à jeun). Si le sujet a beaucoup bu, les urines sont diluées mais la créatininurie et la protéinurie sont toutes deux également diluées. Ainsi, le ratio des deux reste valide. Aujourd’hui, on utilise la première urine du matin qui permet de s’affranchir des éventuelles protéinuries orthostatiques chez le sujet jeune. Ici, on peut retrouver l’interprétation du ratio protéinurie sur créatininurie : On parle de syndrome néphrotique au-delà de 3,5 g de protéinurie par gramme de créatininurie. Il existe une zone intermédiaire entre la valeur physiologique et pathologique (entre 200 et 300 mg/g). Une albuminurie (augmentation du passage d’albumine à travers le filtre glomérulaire) peut générer ces valeurs intermédiaires, il faut donc être prudent lorsque l’on observe ces valeurs et les revérifier. 4 Une autre mesure possible est celle de l'albuminurie seule, assez faisable aujourd’hui en routine. Ici encore, on fait un ratio albuminurie/créatininurie, la valeur physiologique est extrêmement faible (moins de 30 mg/g de créatininurie) et on parle de microalbuminurie pour une valeur compris entre 30 et 300 mg/g de créatininurie, au delà il ne s’agit pas d'une macro-albuminurie (terme un peu obsolète) mais tout simplement d’une protéinurie car c’est la définition de la protéinurie pathologique. Il existe un certain nombre de limites à cette mesure mais elle reste aujourd’hui celle recommandée et la plus facile à mettre en œuvre : - Premièrement la creatinurie est plus faible chez la femme, les personnes agées, ou les personnes qui ont une forte réduction de masse musculaire. Il convient donc de s’en méfier puisque le ratio protéinurie/créatininurie sera artificiellement majoré. Inversement, chez l’homme de forte masse musculaire et chez le mangeur de viande, le débit urinaire de créatinine tendra a augmenté et le ratio tendra artificiellement à diminuer minorant un peu la protéinurie. Ces modulations sont assez faibles et ne posent en général pas de problèmes pratiques. - Une autre particularité, c’est que doser l’albuminurie seule plutôt que la protéinurie risque de faire négliger une protéinurie qui n’est pas faite d’albumine comme par exemple les protéinuries tubulaires. Et dans toutes les circonstances où on a raison de redouter une protéinurie tubulaire il faut savoir doser la protéinurie ainsi que l’albuminurie de manière à faire le ratio des deux. - Par ailleurs, il faut aussi se méfier des protéinuries orthostatiques qui sont des protéinuries de type glomérulaire avec un passage d’albumine dû à la position debout chez le sujet jeune. Elles ne sont en soit pas pathologiques, il existe des manœuvres qui permettent de s’affranchir de l’artefact de la protéinurie orthostatique. Doser une urine spot (première urine du matin) est à coup sûr (si la personne est restée couchée pendant toute la nuit) un bon moyen de s’en affranchir. - Enfin il faut tenir compte des rares protéinuries faites de chaînes légères, on la voit dans les hyperyglobuminurie au cours de syndrome inflammatoire (une réponse de type anticorps prononcée) elles n’ont pas de valeurs pathologiques quant à la filtration glomérulaire, elles ne sont que l’indicateur d’une augmentation forte de y globulines. 4) Mécanisme des protéinuries On retrouve deux mécanismes : - Soit le filtre glomérulaire devient anormalement perméable il y a alors passages de molécules qui normalement ne passent pas comme l’albumine ou d’autres molécules plus grosses. 5  - Soit le tubule contourné proximal qui normalement réabsorbe les protéines qui ont fuit à travers le glomérule ne fait plus son travail et laisse passer des petites protéines puisque la filtration glomérulaire en amont est normale. L’anomalie de permsélectivité qui définit la protéinurie glomérulaire est caractérisée par une protéinurie avant tout composée d’albumine et un débit de 300 mg/g de créatininurie ou 3,5 g/24h. C’est typiquement la protéinurie qu’on observe dans les néphropathies diabétiques ou la néphropathie hypertensive et aussi dans un nombre important de glomérulonéphrites. La protéinurie tubulaire, dûe à un défaut de réabsorption tubulaire proximale des protéines est composée de petites protéines (aussi un peu plus d’albumine que la normale mais pas beaucoup). Le débit de protéines est généralement inférieur à 2g/24h (ne fait pas la différence avec une protéinurie glomérulaire modérée. Donc on peut quand on a entre 300mg et 2g avoir aussi bien à faire à l’une qu'à l’autre). L’archétype de la protéinurie tubulaire c’est ce qu’on appelle le Syndrome de Fanconi et ses formes médicamenteuses où le tubule proximal souffre, où le débit d’énergie dans le tubule proximal diminue fortement, ne permettant plus la récupération, par le complexe megaline/tubuline, des protéines filtrées et donc génère leur fuite dans les urines. Pour distinguer les deux la méthode est simple et repose sur le dosage et de la protéinurie et de l’albuminurie et sur le rapport des deux. En fait il faut s'assurer d’abord qu’il y ait vraiment une protéinurie (c'est-à-dire un débit protéine urinaire > 300 mg/g de créatininurie) et après cette confirmation, il faut faire un ratio de l’albuminurie/protéinurie. → Si c’est supérieur à 50% on aura une anomalie de permsélectivité et donc une protéinurie glomérulaire. → Si c’est inférieur à 50% on aura un défaut de réabsorption tubulaire des petites protéines donc une protéinurie tubulaire. Cette méthode fonctionne extrêmement bien et permet de distinguer facilement, beaucoup plus plus qu’une électrophorèse des protéines urinaires (toujours difficile à interpréter) à quels mécanismes de protéinurie nous avons à faire. 6  FILTRATION GLOMÉRULAIRE Abréviations : Débit de filtration glomérulaire (DFG) Filtration glomérulaire (FG) Capillaire glomérulaire (CG) Chambre urinaire (CU) Le coefficient d'ultrafiltration (KF) Pression d’ultrafiltration (PUF) Pression hydraulique capillaire glomérulaire (PCG) Pression chambre urinaire (PCU) Pression oncotique capillaire glomérulaire (πCG) I. Filtration glomérulaire : base des fonctions rénales La filtration glomérulaire est la base des fonctions rénales. C’est l’étape tout à fait initiale et déterminante de la formation des urines : c’est la formation d’un ultrafiltrat à partir du réseau capillaire glomérulaire. Cette étape est une étape sinéquanone qui va déterminer tous les phénomènes d’aval, tels que les transferts tubulaires, la réabsorption et l’excrétion voire la sécrétion de substances supplémentaires. Elle détermine tous ces échanges. Si elle n’a pas lieu, ces échanges ne pourront pas avoir lieu, elle est donc considérée comme l’étape essentielle de la fonction rénale. En conséquence, monsieur Homer Smith, il y a plus de 60 ans, a décidé qu’il était légitime de considérer la mesure du débit de filtration glomérulaire (DFG) comme le meilleur index global de l’état de fonctionnement rénal autant chez le sujet sain que je le sujet malade. Ainsi, pour le physiologiste, le terme de fonction rénale au singulier est déroutant car il n’y a pas une, mais des dizaines de fonctions rénales mais pour le praticien, le terme de fonction rénale au singulier désigne sans ambivalence le débit de filtration glomérulaire (DFG). Et il s’y substitue comme étant le déterminant clé de l'état fonctionnel rénale comme nous avons vu puisque Homer Smith l’a défini comme la condition sinéquanone de la fonction rénale. II. Quelques chiffres… Le DFG est un phénomène massif. Chaque jour nos reins filtrent entre 140 et 180 litres d’urine primitive, ce qui est colossal car c’est 16 fois la totalité de notre volume extra cellulaire ce qui veut dire que nous filtrons le VEC 1 fois toutes les 80 minutes. De la même façon si on se réfère au secteur plasmatique nous le filtrons 1 fois toutes les 25 min soit environ 58 fois par jour. La proportion du filtrat, qui finalement va être excrétée, est extrêmement faible. Si cet ultra filtrat est excrété de façon massive nous ne pourrions pas survivre plus de quelques minutes, en réalité, nous allons réabsorber 99% voire plus de ce qui a été filtré. Et ainsi, par exemple, pour le volume d’urine, la diurèse (c’est-à-dire la quantité d’urine finale excrétée) est de l’ordre de 1,5 L soit inférieur à 1% du volume de fluide filtré. 1 De même le tri sélectif effectué à l'échelon tubulaire est quelque chose d’important et de massif avec en particulier une réabsorption tubulaire de sodium qui est colossale puisque elle représente presque 10% de la consommation d'énergie chez un sujet en état basal. Cette réabsorption de Na+ correspond à la réabsorption d’1,1 kg de NaCl par jour, d’environ 410 g de bicarbonate (qui ont été filtrés et qui vont être réabsorbés, on ne les retrouvera donc pas dans les urines) et enfin d’environ 150g de glucose, qui profitant de la réabsorption concomitante du sodium, seront réabsorbés au niveau du tubule proximal. III. Principes du débit de filtration glomérulaire On retrouve dans ce schéma de base, l'artériole afférente en haut qui représente les entrées. Il y a un capillaire glomérulaire, simplifié, car il s’agit en réalité d’une distribution hélicoïdale entouré sur les épines mésangiales. Enfin, l'artériole efférente en bas qui représente les sorties. On retrouve la chambre urinaire et le début du tubule proximal. Ce qui va déterminer la filtration glomérulaire (FG) c’est la pression résiduelle, la pression nette qui s’exerce dans le capillaire glomérulaire (CG) et qui tend à faire sortir le fluide vers la chambre urinaire (CU). C'est la pression d'ultrafiltration. C’est un phénomène passif qui dépend en fait des mêmes déterminants de la filtration transcapillaire c’est-à-dire des forces de Starling. Si l’on regarde d’un peu plus près les déterminants physiques du DFG : DFG = coefficient de filtration (KF) x pression d’ultrafiltration (PUF) PUF = différence entre le delta des pressions hydrostatique et delta des pressions oncotiques de part et d’autre du FG. Rappel et remarque : Les pressions oncotiques s'opposent au phénomène de filtration contrairement aux pressions hydrauliques qui tendent à favoriser ce phénomène. Ici la pression oncotique de la chambre urinaire (CU) peut être considérée sensiblement proche de 0 car la quantité de colloïde présente dans l’urine ultra filtrée est tout à fait négligeable par rapport à la quantité plasmatique. 2 Le coefficient d'ultrafiltration (Kf) dépend à la fois de la perméabilité hydraulique du FG (100 fois plus élevée que celle des autres capillaires) et de la surface de filtration membranaire (représente plusieurs m2). Les propriétés de la membrane de FG et le tonus des cellules mésangiales, qui peut faire varier la surface de filtration, sont un déterminant régulateur du coefficient de filtration. Cependant Kf n’est pas le principal déterminant de la régulation du DFG mais il peut contribuer à en moduler l’amplitude. Puf est le déterminant principal du DFG dont le principal acteur (c’est à dire que sa régulation hémodynamique est cruciale) est en fait la Pcg. Cette pression est fortement régulée par les variations de tonus artériolaire afférentes et efférentes qui déterminent l’hémodynamique rénale. Pcu peut en situation pathologique augmenter lorsqu'il y a un obstacle sur les voies urinaires hautes ou basses générant ainsi une forte opposition à la Pcg. Celle-ci peut réduire à néant la filtration voire un arrêt total lorsque l’obstacle est complet. Le coefficient d'ultrafiltration (Kf) dépend de la surface du filtre glomérulaire et cette surface peut varier en fonction de l’état de relaxation ou de contraction des cellules mésangiales. Avec une relaxation, Kf va tendre à augmenter car la surface augmente et donc le DFG augmente, inversement si les cellules mésangiales se contractent. La pression hydraulique capillaire glomérulaire (Pcg) dépend du jeu des résistances artériolaires efférentes et afférentes. Lorsque les résistances artériolaires afférentes diminuent seules et les efférentes ne changent pas, il y aura une augmentation de la pression au niveau de la CU donc augmentation du DFG. De la même façon, si 3 les résistances artériolaire efférentes augmentent seules et les afférentes ne changent pas alors il y aura une augmentation de Puf donc une augmentation de DFG. La pression chambre urinaire (Pcu) peut varier si une obstruction empêche l'écoulement. Normalement elle a une valeur assez stable mais si il y a le moindre obstacle, comme un cristal intratubulaire ou une lithiase qui s’est bloquée à la jonction pyélo-calicielle provoquant une obstruction des voies urinaires haute ou encore un adénome de la prostate qui crée un globe urinaire puis un blocage qui va remonter en amont dans les voies urinaires bassses, elle va alors augmenter. Lorsque Pcu augmente alors DFG diminue. La pression oncotique capillaire glomérulaire (πcg) joue un rôle normalement assez marginal mais qui peut, en situation particulière, déterminer des variations sensibles du DFG. Première circonstance quand la protidémie augmente fortement alors πcg augmente fortement dès l'entrée du CG, et la filtration s'arrêtera plus vite donc DFG tendra à diminuer. Autre exemple, fonctionnel celui-ci, lorsque le débit sanguin rénal diminue, l'ultrafiltrat va atteindre plus vite l'équilibre entre pression hydraulique et oncotique. Cette augmentation artéfactuelle de la pression oncotique générera de la même façon une atteinte de la pression d'équilibre et donc l'arrêt de la FG avant la fin du trajet CG (donc une diminution proportionnelle du DFG). 4  FILTRATION GLOMÉRULAIRE : UNE RÉGULATION PRINCIPALEMENT HÉMODYNAMIQUE Abréviations DFG : Débit de Filtration Glomérulaire DSR : Débit Sanguin Rénal FF : Fraction de Filtration mmHg : millimètres de mercure PUF : Pression d’ultrafiltration PSA : Pression sanguine artérielle I. Le Débit Sanguin Rénal (DSR) 1) Définition et variations du DSR Le débit sanguin rénal est quelque chose d’impressionnant : chez un sujet au repos, il représente 1 L/min, soit 20% du débit cardiaque pour une masse tissulaire qui représente seulement 0,5% du poids du corps. Cela représente une vascularisation colossale (c’est ⅓ de plus que la vascularisation du cerveau et le débit sanguin rénal est 4 fois plus important que le débit sanguin cardiaque). Avec un tel débit, il ne s’agit pas simplement d’apporter de l’oxygène à l’organe mais également de lui permettre de fonctionner. En effet, le débit sanguin rénal est beaucoup plus fonctionnel que nourricier, les réserves étant très largement suffisantes pour oxygéner le rein même lorsque le débit a sensiblement diminué. Le rein est un organe qui consomme énormément : environ 10% du métabolisme basal est consommé par le rein. C’est un métabolisme oxydatif non négligeable qui est destiné essentiellement à faire fonctionner les pompes Na/K ATPases tout au long du tubule rénal afin de réabsorber le sodium (principale “molécule” filtrée). La désaturation artério-veineuse du rein est faible, elle ne représente que 1,7%, ce qui est inférieur à la plupart des autres tissus mais lorsque le débit sanguin rénal diminue, au cours de circonstances physiologiques ou pathologiques, la désaturation et le débit de filtration glomérulaire (qui est directement déterminé par l’importance du débit sanguin rénal) vont évoluer en parallèle. Lorsque le débit sanguin rénal est compris entre : - 500 et 1000 mL/min, la désaturation artérioveineuse reste stable mais le débit de filtration glomérulaire diminue progressivement, diminuant ainsi les contraintes de fonctionnement du rein. - 200 et 500 mL/min, la désaturation artério veineuse augmente progressivement, le débit de filtration glomérulaire a quasiment cessé d’exister et le rein est en état d’équilibre mais n’assure plus sa fonction de filtration. - est en-dessous de 200 mL/min, c’est à dire ⅕ du débit sanguin rénal, la désaturation artérioveineuse atteint son maximum, il n’y a plus assez d’oxygène pour assurer le fonctionnement minimal du rein et préserver les cellules, des signes d’ischémie apparaissent. 2) Une distribution hétérogène du DSR La caractéristique la plus marquante du débit sanguin rénal est sa distribution hétérogène. Pratiquement 100% (plutôt 95%) du sang se distribue dans le cortex. Dans cette zone, le sang assure l’apport en oxygène et le débit de fluide nécessaires à la filtration glomérulaire. 90% du sang arrivé dans le cortex rénal repart vers les efférences veineuses et 10% vascularise la médullaire. 1 La distribution médullaire est elle-même hétérogène. 8% du débit sanguin initial est destiné à la médullaire externe, fortement consommatrice d’oxygène en raison de la présence des branches de Henlé, avec une forte activité Na/K ATPase et 2% est destiné à la papille. La zone médullaire est donc particulièrement fragile, car à bas débit, avec un risque d'hypoxie important. Le débit sanguin rénal étant initialement fonctionnel, lorsqu’il diminue brutalement, le cortex est relativement bien protégé des dommages ischémiques. Seule la médullaire (externe ++) est relativement fragilisée. Pour donner un ordre d’idée, le débit sanguin rénal dans le cortex rénal représente pratiquement cent fois celui mesuré dans un muscle strié au repos. C’est donc un débit colossal qui rend le rein relativement résistant aux circonstances hémodynamiques instables. II. Pressions hydrostatiques vasculaires rénales Si on représente les pressions hydrostatiques vasculaires au niveau du rein (chez le chien), la pression sanguine artérielle moyenne à l’arrivée au niveau de l’ostium de l’artère rénale est de l’ordre de 100 mmHg. Le sang rencontre une première zone de forte résistance à l'écoulement, représentée par les artérioles musculeuses des artérioles afférentes. Ces artérioles provoquent une diminution sensible de la pression : à leur sortie, la pression moyenne est de l’ordre de 60 mmHg. Cette pression irriguant le réseau capillaire glomérulaire est environ 3 fois plus importante que la pression régnant dans les autres capillaires. A la sortie du capillaire glomérulaire, le sang rejoint l'artériole efférente et retrouve à nouveau une zone de résistance à l'écoulement avec une baisse au niveau d'une quarantaine de mmHg, ramenant la pression hydraulique finale au niveau du capillaire péritubulaire aux valeurs classiques qu'on retrouve dans l’organisme, soit à peine 20 mmHg. Le capillaire glomérulaire est un capillaire de très haute pression, presque trois fois plus que partout ailleurs dans l'organisme. Il est donc à la fois zone de fragilité en cas d'agression vasculaire, mais aussi une zone témoin très précoce. En d'autres termes, toutes les agressions vasculaires importantes comme l’atteinte rénovasculaire du diabète ou l'hypertension artérielle, vont endommager très rapidement le capillaire glomérulaire, entraînant un dommage du filtre glomérulaire et une apparition précoce d'une protéinurie. L’apparition d'une souffrance rénale sous forme d’une protéinurie glomérulaire est souvent un marqueur de dommages vasculaires en cours, quand ne se manifeste pas, bien sûr, une inflammation du glomérule (=glomérulonéphrite). 2 III. Déterminants de la Pression de Filtration A gauche, on voit le régime de pression en fonction des différents déterminants physiques de l’équation de Starling. A droite, figurent les pressions mesurées dans les différents segments pour chacun de ces paramètres. /!\ Il s’agit d’observations faites chez le chien et secondairement extrapolées chez l'humain. Cela a son importance car il semble que chez l'humain ce n’est pas tout à fait comme chez le chien concernant l’évolution de pression d’ultrafiltration. Dans cette circonstance, on a une pression qui tend à faire sortir le fluide hors du capillaire glomérulaire, c’est la pression hydraulique capillaire glomérulaire (pCG, grande flèche rouge). Elle diminue très progressivement tout le long du trajet capillaire (représenté en bas du diagramme, avec l’entrée à la partie gauche et sortie à la partie droite indiquée comme “fin”). Au fur et à mesure que le fluide sort du capillaire glomérulaire, la concentration protéique augmente et la pression oncotique capillaire glomérulaire augmente, c’est la grosse flèche bleue dont la partie supérieure augmente pour rejoindre la pression capillaire glomérulaire. Il s’ajoute à cette pression oncotique glomérulaire, qui s'oppose à la filtration glomérulaire, la pression hydraulique de la chambre urinaire (pCU). Elle est constante, d’environ 10 mmHg, et ne joue pas de rôle dans la régulation de la filtration glomérulaire. C'est l’augmentation progressive de la pression oncotique et la baisse progressive de la pression capillaire glomérulaire qui jouent un rôle dans la régulation de la filtration. L’aire sous la courbe (partie hachurée du diagramme), représentée par la différence entre la somme pCU et pCG d’un côté et la pression capillaire glomérulaire de l’autre, définit la pression d’ultrafiltration (PUF). Chez le chien, la filtration glomérulaire semble s'arrêter avant la fin du capillaire glomérulaire parce que la pression oncotique glomérulaire augmente assez rapidement et rejoint la pression hydraulique capillaire glomérulaire mais en s’y opposant, générant un arrêt de la filtration (PUF devient égale à 0). Chez l’humain ça ne paraît pas être le cas car il semble que jusqu'au bout du capillaire glomérulaire, la pression d’ultrafiltration reste positive, favorisant les flux de plasma hors du capillaire glomérulaire. Le chien a donc une certaine réserve fonctionnelle que l’homme n’a pas. IV. Variations de pressions capillaires et DFG Ce schéma est une représentation simplifiée des déterminants de la régulation hémodynamique de la filtration glomérulaire. A la partie gauche il y a la pompe cardiaque, ensuite il y a les vaisseaux résistants et en particulier l’artériole afférente, puis le réseau capillaire glomérulaire perméable et enfin l’artériole efférente, les vaisseaux en aval étant de faible résistance et jouant un rôle mineur. Ce sont les variations de résistances artériolaires afférentes et efférentes qui déterminent les variations de pression d’ultrafiltration et de débit sanguin rénal. 3 Pour résumer de façon schématique, la somme des résistances artériolaires afférentes et efférentes détermine la résistance à l’écoulement au niveau du rein et donc le débit sanguin rénal et le débit plasmatique rénal. Inversement, à l’échelle de chaque glomérule, le différentiel entre les résistances efférentes et afférentes déterminera l’état de la pression hydraulique capillaire glomérulaire donc de l’état de la pression d’ultrafiltration et donc de l’état du débit de filtration glomérulaire. Lorsque l’artériole afférente se vasodilate, la résistance diminue, augmentant le delta résistance et augmentant la pression d’ultrafiltration et le débit de filtration glomérulaire. V. Variations de résistances artériolaires périglomérulaires Ce grand tableau résume l’ensemble des informations énoncées précédemment. La somme des résistances détermine le Débit Sanguin Rénal (DSR) Le delta des résistances (efférentes-afférentes) détermine la pression d’ultrafiltration (PUF) qui elle-même détermine le DFG La fraction de plasma filtrée peut varier lorsque la pression d’ultrafiltration et le DSR varient, c’est calculable en faisant le ratio du débit de filtration glomérulaire sur le débit plasmatique rénal. A l'état normal, il y a donc des résistances artériolaires afférentes et efférentes. La somme des résistances, le DSR et la PUF sont stables. La fraction de filtration (FF) représente environ 20% du plasma qui traverse les capillaires glomérulaires. En cas de relaxation afférente, c’est à dire que l’état des résistances afférentes est diminué, la somme des résistances diminue, le DSR tend à augmenter, la pression d’ultrafiltration augmente, le DFG augmente et comme ces augmentations seront en proportions équivalente, la fraction filtrée reste stable. En cas de contraction efférente, la somme des résistances est augmentée, donc le DSR diminue. Comme la résistance à l’écoulement augmente, le différentiel de résistance augmente, donc le DFG augmente. La fraction de filtration est également augmentée puisque DFG augmente, mais pas DPR. On observe cette situation dans le cas de défaillance de perfusion rénale. (les autres lignes du tableau ne sont pas expliquées en détail mais elles sont à savoir/comprendre) 4 VI. L’hémodynamique rénale 1) Actions des facteurs vasoactifs sur le tonus péri-glomérulaire Dans ce tableau sont représentés les principaux médiateurs qui sont impliqués dans la régulation du tonus artériolaire afférent et efférent. 2) Conditions altérant l’hémodynamique rénale Dans ce premier tableau, sont indiqués les médicaments modulant le DSR et le DFG. IEC : Inhibiteurs de l’Enzyme de Conversion, bloquent donc la synthèse de l’angiotensine II. L’artériole efférente se relaxe plus que l’artériole afférente. Ce qui entraîne la diminution de PUF et donc du DFG. Les AINS (anti-inflammatoires non stéroïdiens) sont redoutables en termes d’impact rénal car ils inhibent la synthèse de PGI2 et PGE2, diminuant l’effet relaxant de ces 2 médiateurs paracrines aux niveaux artériolaires afférent et efférent. La conséquence est une diminution du DSR par augmentation de la somme des résistances. On observe également un effondrement du DFG et une PUF qui tend à chuter. CsA (Ciclosporine A) et FK506 : inhibiteurs de calcineurine utilisés dans la transplantation rénale. Ils recrutent des systèmes comme les endothélines, modulant les prostaglandines (vasoconstrictives). Ils conduisent à une baisse du DSR, DFG et FF (Fraction de Filtration). Pour les produits de contraste iodés, la FF reste stable car le DSR et le DFG diminuent en parallèle. Dans le tableau suivant, sont figurés les circonstances médicales physiopathologiques altérant l’hémodynamique rénale. 5 L’exemple le plus classique est le choc hémorragique à sa phase initiale : la principale conséquence est une redistribution du débit sanguin du cortex vers la médullaire avec un ajustement des résistances, habituellement la médullaire possède un débit moindre et est particulièrement fragilisée dans ce cas. L’atteinte rénale du diabète (=néphropathie diabétique) au stade initial génère une relaxation artériolaire afférente prédominante, avec une augmentation du DSR, DFG et FF. L’obésité génère sensiblement les mêmes effets. Dans l’insuffisance rénale sévère, on observe une diminution du DSR, de plus en plus importante au fur et à mesure que la masse rénale diminue. Les résistances vasculaires commencent à augmenter. Le DFG diminue globalement un peu moins vite que diminue le DSR, donc la FF tend à augmenter. Lorsque la FF devient importante, elle exerce des contraintes mécaniques très importantes sur les capillaires glomérulaires restants, ce qui est considéré comme un des mécanismes d'auto aggravation de la maladie rénale chronique au stade d’insuffisance rénale avancée. 6  AUTORÉGULATION DE LA FILTRATION GLOMÉRULAIRE Dans cette leçon, nous allons parler de l'autorégulation du débit sanguin rénal et du débit de filtration glomérulaire qui réalise un système de protection hémodynamique et un contrôle-qualité du travail de filtration glomérulaire. Cette autorégulation a été découverte lorsque des chercheurs ont travaillé sur des reins isolés, soit à partir d’isolation in vivo (en dénervant le rein), soit à partir d’extraction du bloc rénal et de la perfusion hors du rein avec des liquides physiologiques de manière à étudier le fonctionnement du rein une fois déconnecté de toutes influences circulante et neurovégétative. Ces travaux ont très vite montré que lorsqu'on fait varier la pression de perfusion d’un rein isolé, le débit de filtration glomérulaire varie et s'adapte et les résistances vasculaires s'adaptent, réalisant une autorégulation indépendante de toute autre influence. Il ne faut pas imaginer à partir de ça que le rein fonctionne indépendamment du reste de l’organisme, sur cette autorégulation vont se superposer des influences extérieures qui vont moduler l’efficience de l’autorégulation et qui assurent le maintien d’un fonctionnement en conditions optimales même lorsque l’environnement biologique n’est pas optimal, ce qui peut survenir physiologiquement par exemple lors de l’exercice physique. I. Autorégulation du DSR et du DFG Sur cette diapo est représentée la relation qu’il y a entre les variations de pressions sanguines artérielles (donc théoriquement du débit sanguin rénal), l’ajustement de ce DSR et du DFG. C'est ce qui permet de comprendre les mécanismes d'autorégulation et l’efficience de ce phénomène qui est protecteur de la perfusion rénale et de la fonction de filtration glomérulaire. Légende : - en haut : débit sanguin rénal (DSR) - au milieu : débit de filtration glomérulaire (DFG) - en bas : état des résistances artériolaires afférentes (RA) et efférentes (RE) - axe des abscisses : variations de pression sanguine artérielle On va distinguer deux grandes possibilités de variations : augmentation de la PSA au-delà des valeurs habituelles, ou diminution au-dessous. ❖ Lorsque la PSA dépasse 90 mmHg, jusqu'à 180 mmHg (= bande bleue) : Au fur et à mesure que la PSA augmente et que le débit sanguin qui arrive au niveau du rein tend à augmenter, la résistance artériolaire afférente augmente, s’opposant à l’écoulement du sang et empêchant l'augmentation importante du débit sanguin rénal qui ne fait qu'augmenter très progressivement. Parallèlement, cette augmentation de résistance va générer le maintien quasiment à l’état stable du DFG. ❖ Lorsqu’on a une baisse modérée de la PSA, entre 50 mmHg et 90 mmHg (= bande jaune) : On observe une relaxation progressive de l’artériole afférente au fur et à mesure que la PSA diminue et que le débit sanguin rénal tend à diminuer, et cet ajustement afférent (très peu de modifications efférentes) va augmenter la 7 fraction filtrée et permettre le maintien, pendant un temps relativement prolongé, du DFG qui reste sensiblement stable. ❖ Lorsqu’on a une baisse extrême de la PSA, au-dessous de 50 mmHg (= bande rouge) : Le débit sanguin rénal s’effondre, les résistances artériolaires afférentes sont au minimum et les efférentes à leur maximum mais malgré cet ajustement, il n’y a plus assez de débit sanguin pour permettre une filtration glomérulaire (on parle ici de bas débit rénal). Cet effondrement du débit sanguin glomérulaire (alors que le rein n’a plus assez de débit sanguin rénal pour apporter une quantité d’oxygène suffisante et que la désaturation artérioveineuse atteint son maximum) réalise un phénomène protecteur. En effet, s’il n’y a plus de filtration glomérulaire, il n’y a plus de sodium réabsorbé donc la grosse partie de consommation d’oxygène du cortex rénal va être supprimé, et c’est cet effet qui est intéressant car il va permettre de prolonger l'état fonctionnel rénal en cas de diminution de la PSA, du moins préserver pendant longtemps les capacités de redémarrage rénal. On constate que l’artériole semble s’opposer aux variations de la PSA : - plus la pression artérielle augmente, plus la résistance artériolaire afférente augmente - plus la pression artérielle moyenne diminue, plus l’artériole afférente se relaxe II. Impact du phénomène d’autorégulation sur le DSR S'il n’y avait pas d’autorégulation : - Quand la pression sanguine artérielle augmente, le gradient de pression artériolo-afférent augmenterait, les résistances tendraient à ne pas s’ajuster et on aurait une augmentation du débit sanguin rénal et du débit de filtration glomérulaire. - Quand on a une baisse de pression sanguine artérielle, on aurait une baisse de débit sanguin rénal et une baisse de filtration glomérulaire. Le rein se retrouverait soumis aux moindres variations hémodynamiques systémiques avec des conséquences de fonctionnement qui ne seraient pas favorables. Ce que fait l’autorégulation, c’est diminuer l’impact des variations hémodynamiques systémiques, permettant un maintien des débits sanguin rénal et de filtration glomérulaire stables. C’est donc un phénomène de stabilisation des fonctions de perfusions rénales et de filtration glomérulaire aussi longtemps que l'équilibre hémodynamique le permet. III. Déterminants du phénomène d’autorégulation Il y a globalement deux grands déterminants, qui représentent à eux deux plus de 75% du phénomène d’autorégulation. Le premier phénomène est un mécanisme de type réflexe myogène, également appelé réflexe de Bayliss. Lorsque la pression dans la paroi des artérioles afférentes tend à augmenter, l'étirement de ces parois génère une réponse contractile réflexe, l’étirement des fibres 8 musculaires lisses de cette zone génère l'ouverture de canaux calciques qui dans les cellules musculaires lisses provoque une contraction. On a le phénomène inverse si la pression sanguine diminue. Le deuxième mécanisme de régulation est ce que l’on appelle le rétrocontrôle tubulo-glomérulaire (FBTG), il correspond à la détection par l'appareil juxta glomérulaire de la qualité de l’ultrafiltrat dans la partie distale du néphron au niveau du tubule contourné distal qui renvoie une de ses circonvolutions se blottir entre l’artériole afférente et l’artériole efférente, avec un contact particulier sur l’artériole afférente dans la zone de la macula densa. Ce qui va être perçu c’est que le flux de chlorure de sodium et tout particulièrement de chlore qui va déclencher une signalisation du tubule vers les vaisseaux artériolaires et en particulier l’afférente. Au-delà de ce phénomène d’autorégulation qui est observé sur un rein isolé donc indépendamment de toute interférence avec les systèmes endocrines et nerveux, s'ajoutent des facteurs d’ajustement endocrines et neurovégétatifs. Ces facteurs d’ajustement sont : - le niveau d’activité du SN orthosympatique (qui innerve richement le rein), - le système rénine-angiotensine 2, - la production intra-rénale de monoxyde d’azote qui est à la fois un médiateur au niveau du rétrocontrôle tubulo-glomérulaire, mais aussi globalement un modulateur de l’intensité de ces deux réponses aux variations de débit sanguin et de pression artérielle. IV. Exemple : Mise en jeu du FBTG par une augmentation du DSR Sur cette image, on voit la séquence fonctionnelle qui va provoquer un ajustement du DFG en fonction des variations de DSR. Ce phénomène a lieu à l'échelon de chaque néphron, c’est un ajustement néphron par néphron même si le recrutement d'un grand nombre de néphrons va générer un signal modulateur qui va diffuser dans son environnement et qui va tendre à étendre l'amplitude de la réponse vasculaire rénale aux messagers qui sont émis. 9 Le phénomène initial (n°1) c’est l’augmentation du débit sanguin rénal dans l’artériole afférente. La conséquence de ce phénomène initial (n°2) est que ça tend à augmenter le DFG du néphron, ce qu’on appelle le DFG-NS (SNGFR en anglais). Cette augmentation de DFG va produire une augmentation de la quantité de chlorure de sodium filtré. Au niveau du tubule contourné distal (n°3), le débit de fluide en particulier le débit de chlorure de sodium sera plus important. Comme le débit sera plus important, les cellules de la macula densa vont capter les chlorures de sodium et rendre à l’environnement, c’est à dire la lumière du tubule, une partie de sodium mais vont garder une concentration de chlore, qui va augmenter au prorata de la quantité de chlorure de sodium présente dans la lumière tubulaire. Cette augmentation de chlore va générer une dépolarisation membranaire et une signalisation (n°4) dont on ne connaît pas le détail des mécanismes mais qui semble recruter un système de type adénosine triphosphate et/ou adénosine simple avec recrutement des récepteurs pour ces deux molécules, et un effet de modulation sur la relaxation et/ou sur la contraction artériolaire afférente. Dans notre cas, la conséquence serait une vasoconstriction partielle de l’artériole afférente (n°5) qui va permettre d’ajuster et de ramener à sa valeur initiale optimale, la quantité de filtrat produite et donc de diminuer la quantité de chlorure de sodium filtrée. Des deux mécanismes, c’est le plus finement régulable mais aussi le plus complexe, et aujourd’hui le moins bien compris. 10  STANDARDISATION Pourquoi standardise-t-on le DFG par 1,73m² ? Le DFG chez l'homme et la femme entre 20 et 30 ans est entre 90 et 140, mais en quelle unité ? I. En mL/min Jean : 25 ans, 95kg, 1,95m donc la surface corporelle SC = 2,25m² et le DFG = 170mL/min → il est théoriquement en hyperfiltration. Mais en réalité ses reins fonctionnent normalement. Lucie : 25 ans, 45kg, 1,48m dont la SC = 1,36m² et le DFG = 75mL/min → elle est théoriquement en hypofiltration. Mais en réalité sa filtration rénale est normale. Si on considère le DFG en mL/min, la valeur normale est en réalité comprise entre 60 et 180 mL/min. Leurs valeurs sont donc normales. Fred : 25 ans, 100kg, 1,85m, SC = 2,25m², DFG = 80mL/min → valeur normale. II. En mL/min/1,73m² On fait la conversion pour les trois patients (cf formule): - Jean : DFG = 130 mL/min/1,73m² → fonction rénale normale. - Lucie : DFG = 95 mL/min/1,73m² → fonction rénale normale. - Fred : DFG = 60 mL/min/1,73m² → altération de fonction rénale aux limites de l'insuffisance rénale (selon les normes). Standardiser la fonction rénale évite de commettre des erreurs de normation : surévaluer ou sous-évaluer par rapport à une norme. Avec la standardisation à la surface corporelle : l'intervalle de confiance des normales est plus étroit, on identifie donc plus facilement des sujets qui s’éloignent de la normale vers le haut ou vers le bas. Cette façon de faire permet en particulier de ne pas sous-estimer la fonction rénale de sujets de petit gabarit et de ne pas mésestimer une altération de la fonction rénale chez un sujet de grand gabarit. 11