Mécanisme de l'adaptation de l'organisme aux variations d'apports d'eau PDF

Physiologie - JP Haymann 2021 Bilan de l’eau & Mécanisme de l’adaptation de l’organisme aux variations d’apports d’eau A. Répartition de l’eau dans l’organisme et bilan de l’eau a) Entrées d’eau dans l’organisme: Les entrées d’eau sont variables. Les apports endogènes dont constitués par l’eau d’oxy...

Physiologie - JP Haymann 2021 Bilan de l’eau & Mécanisme de l’adaptation de l’organisme aux variations d’apports d’eau A. Répartition de l’eau dans l’organisme et bilan de l’eau a) Entrées d’eau dans l’organisme: Les entrées d’eau sont variables. Les apports endogènes dont constitués par l’eau d’oxydation formée à partir du métabolisme des protides, des glucides et des lipides. La quantité d’eau produite est relativement constante et évaluée à environ 500 ml/jour. Les apports exogènes d’eau sont variables d’un jour à l’autre compris habituellement entre 1 et 3 litres/jour et constitués par l’eau de boisson et l’eau contenue dans les aliments. L’absorption digestive est rapide en moins de 30 minutes au niveau de l’estomac et du duodénum principalement via des canaux à eau (non détaillés dans ce cours). L’entrée d’eau est soumise à une régulation par sensation de soif. b) Sorties d’eau de l’organisme : Les sorties d’eau extrarénales sont cutanées, respiratoires ou digestives et habituellement faibles chez le sujet normal (environ 500 ml/jour). Les pertes cutanées et respiratoires sont fonction de la température extérieure, du degré d’hygrométrie et de l’activité physique. Seules les sorties rénales d’eau sont soumises à une régulation. Sur les 180 litres d’eau filtrés par jour par les glomérules, 70% sont réabsorbés dans le tube contourné proximal, 20% dans l’anse de Henle (branche descendante, car la branche ascendante est imperméable à l’eau) et 5-10% environ dans le canal collecteur (segment où un ajustement de la réabsorption a lieu cf. infra). Habituellement, environ 1% de la charge filtrée en eau constitue l’urine définitive (la diurèse habituelle est comprise entre 1 et 2 litres/jour). c) Stock hydrique et sa répartition (Figure n°1) Le contenu en eau de l’organisme représente entre 50 et 70% du poids du corps. Le pourcentage d’eau contenu dans la masse maigre (notamment les muscles) est d’environ 70%. La masse grasse étant pauvre en eau (10%), un sujet obèse a donc un contenu en eau plus faible qu’un sujet musclé. L’eau totale se répartit en fonction du contenu en osmoles de chaque compartiment, environ pour deux tiers dans le secteur intracellulaire et pour un tiers dans le compartiment extracellulaire. Figure n°1 : Répartition de l’eau dans l’organisme et mouvements internes et externes d’eau chez un homme adulte pesant 70 kg. La quantité d’eau total contenue dans l’organisme est d’environ 60% (soit 42 litres) répartie dans le compartiment cellulaire pour 40% (dont 26 litres (37%) dans les cellules qui sont entourées de liquide interstitiel + 2 litres (3%) dans les globules rouges qui sont localisées dans le secteur vasculaire donc entourés de plasma) et dans le secteur extracellulaire pour 20% (soit 11,2 litres (16%) dans le liquide interstitiel et 2,8 litres (4%) dans le plasma. d) Contenu intracellulaire en osmoles et Osmolalité efficace Le contenu en osmoles dans chaque cellule est finement régulé pour la majorité des solutés (ions et substances neutres), l’urée étant le seul soluté endogène quantitativement important ayant une grande perméabilité membranaire (comparable à l’eau). La quantité d’osmoles efficaces (i.e. ne prenant pas en compte l’urée) intracellulaire est donc généralement considérée chez le sujet normal comme constante. Ainsi, bien que la concentration des solutés (Na+, K+, Ca++, HCO3-, Cl-…) soit différente entre les compartiments cellulaires et extracellulaires (cf. Tableau 1), les osmolalités efficaces extra- et intracellulaires qui sont des concentrations osmolales des solutés osmotiquement efficaces (exprimées en osmoles/kg d’eau) sont égales du fait des transferts d’eau très rapides : on considère que l’équilibre de diffusion est toujours atteint quel que soit les variations d’osmolalité efficace extracellulaire survenant du fait des échanges avec le milieu extérieur (apports alimentaires, pertes digestives…etc.). Concentration Na+ K+ Ca++ Mg++ Total cation (mEq/L) ClHCO3PO4Protéines Autres Total Anions (mEq/L) Total (mosm/L d'eau) Compartiment cellulaire mEq/L d'eau mmol/L d'eau 10 10 160 160 4 2 38 19 212 6 6 8 8 140 87,5 55 3,5 3 2 212 298 Compartiment interstitiel mEq/L mmol/L 144 144 4 4 3 1,5 2 1 153 114 114 29 29 2 1,25 4 0,25 4 3 153 298 Tableau 1 : Concentration des ions quantitativement importants dans les compartiments cellulaires et interstitiels. (Données fournies à titre indicatif - valeurs à ne pas retenir…). On constate ici une osmolalité efficace totale de 298 mosm/kg d’eau avec le sodium (Na+) cation le plus abondant extracellulaire et le potassium (K+) cation le plus abondant intracellulaire. De même le chlore (Cl-) est l’anion le plus abondant en extracellulaire et le phosphate (HPO42- et H2PO4-) anion le plus abondant en intracellulaire. Une augmentation du contenu en osmoles extracellulaire sans apport d’eau (cf. cours sur le sodium), est donc en théorie susceptible d’augmenter la valeur d’osmolalité efficace extracellulaire d’où, le contenu cellulaire en osmoles étant constant, une diffusion d’eau entre les compartiments jusqu’à équilibration des osmolalités efficaces extra et intracellulaires (flux d’eau vers le compartiment ayant l’osmolalité efficace la plus élevée donc ici le compartiment extracellulaire). Chez le sujet normal, la déshydratation intracellulaire du fait de l’augmentation de l’osmolalité efficace est prévenue par le déclenchement précoce d’une sensation de soif (cf. paragraphe ci-dessous), les apports en eau permettant de maintenir à peu près constant l’osmolalité efficace : le contenu en eau des cellules est donc régulé avec de très minimes variations. Ce mécanisme de la soif permet ainsi de minimiser les variations du volume des cellules au détriment d’une augmentation du volume extracellulaire (accumulation extracellulaire d’osmoles et d’eau - cf. cours sur le sodium). A l’inverse, la prise d’eau isolée (sans osmoles) est susceptible de diminuer la valeur d’osmolalité efficace extracellulaire d’où une diffusion d’eau vers le compartiment ayant l’osmolalité efficace la plus élevée donc ici le compartiment intracellulaire jusqu’à équilibration de l’osmolalité efficace des deux compartiments). Chez le sujet normal, l’hyperhydratation intracellulaire du fait de la diminution de l’osmolalité efficace est corrigée par une réponse rénale appropriée que nous allons détailler ci-dessous, permettant d’éliminer cet excès d’eau par un mécanisme de dilution des urines. L’osmolalité efficace est donc une variable régulée contrôlant l’hydratation (i.e. le volume) des cellules. Illustration : on considère que l’osmolarité efficace plasmatique est d’environ 290+/-5 mosm/L de plasma et correspond à la pression qu’exerce les substances dissoutes dans le plasma (molécules chargées électriquement ou neutres exerçant une force d’attraction dans leur environnement proche des molécules d’eau). L’osmolarité efficace correspond donc à la valeur d’osmolarité plasmatique diminuée de l’osmolalité liée à l’urée (5 mosm/kg d’eau) qui, diffusant librement dans les cellules n’exerce donc pas de force de pression au niveau des membranes cellulaires. L’osmolarité efficace plasmatique chez le sujet normal a donc une valeur proche de 285+/-5 mosm/L de plasma. B. Déterminants des entrées d’eau chez le sujet normal Les entrées d’eau sont déterminées par la sensation de soif, qui se définit comme un besoin impérieux de boire. Il existe plusieurs centres de la soif dans le cerveau, certains corticaux expliquant la conscience d’avoir soif et la volonté de boire, d’autres localisés au niveau de l’hypothalamus à proximité de groupes de neurones appelés « osmorécepteurs ». La soif est stimulée par l’augmentation de l’osmolalité plasmatique efficace (cf. supra), qui dans les conditions physiologique (sujet normal), est liée à une élévation de la concentration plasmatique du sodium (appelée « natrémie » cf. cours sur le sodium). Le seuil osmotique de la soif est défini par la valeur d’osmolarité plasmatique qui déclenche le désir de boire. La valeur moyenne est de 295-300 mosm/L de plasma, donc très supérieure aux valeurs normales de 285+/-5 mosm/L de plasma (Figure 2). La soif osmotique est donc un mécanisme de sauvegarde de l’organisme en situation de bilan hydrique négatif conséquent. Dans les conditions habituelles, les apports en eau dépendent plus des habitudes que d’une sensation de soif osmotique. Figure 2 : Relations entre l’ADH et l’osmolalité plasmatique chez le sujet « normal ». La flèche indique la valeur d’osmolalité déclenchant la sensation de soif. La valeur d’ADH est proche de la limite de détection en dessous de 280 mosm/L de plasma et correspond à une dilution maximale des urines. C. Déterminants des sorties rénales d’eau chez le sujet normal (Figure 3) Le volume des cellules appelées « osmorécepteurs » (faisceaux de neurones situés dans l’hypothalamus), déterminé par l’osmolalité efficace (cf. supra) est régulé. Les variations de volume liées à leur état d’hydratation (détectées par des récepteurs membranaires sensibles à l’étirement) mettent en jeu une boucle de régulation contribuant à ajuster le contenu en eau de l’organisme tout entier. Lors d’une augmentation de l’osmolalité efficace ayant pour conséquence un flux d’eau intracellulaire sortant, i.e. une déshydratation intracellulaire (cf. supra), les neurones « osmorécepteurs » libèrent l’hormone antidiurétique (ADH) dans la circulation systémique (système porte). Cette hormone de huit acides aminés est synthétisée dans les corps cellulaires situés dans l’hypothalamus, transportée le long des axones dans la tige pituitaire et stockée dans la post hypophyse (neurosécrétion hypothalamo-hypophysaire). L’ADH joue en effet un rôle majeur dans l’ajustement rapide des sorties rénales d’eau aux entrées (action rapide avec une demi vie de l’ordre de 15 minutes). Son rôle est de rendre perméable à l’eau les canaux collecteurs corticaux et médullaires (parties distales du néphron) où sont localisés ses récepteurs spécifiques appelés V2R permettant une concentration des urines maximales aux alentours de 1000 à 1200 mosm/kg d’eau (rôle de concentration donc d’anti-diurèse). L’activation de ses récepteurs augmente en effet l’expression membranaires apicale (lumière tubulaire) des transporteurs à l’eau appelés aquaporine 2 (AQP2) permettant une réabsorption passive d’eau vers le secteur interstitiel du cortex et de la médullaire rénale (Figure 3) qui sont plus hypertoniques que l’urine tubulaire (justification hors programme). Figure 3 : Représentation d’un néphron et grossissement schématisé d’une cellule du canal collecteur (cellule principale) exprimant au pôle baso-latéral les récepteurs de l’ADH appelés V2R et au pôle apical des canaux à eau appelés aquaporine 2 (AQP2) permettant la réabsorption d’eau de la lumière tubulaire vers l’intérieur de la cellule. L’eau est sécrétée au pôle baso-latéral du fait de l’expression constitutive d’autres canaux à eau (AQP3 et AQP4 – hors programme…). Inversement, lors d’une diminution de l’osmolalité efficace ayant pour conséquence un flux d’eau intracellulaire entrant, i.e. une hyperhydratation intracellulaire (cf. supra), l’augmentation du volume des neurones « osmorécepteurs » diminue le nombre de leurs potentiels d’action avec pour conséquence une inhibition de la libération d’ADH systémique, une diminution de la fixation de l’ADH à V2R, une diminution de l’exportation à la membrane apicale des AQP2 et une diminution de la réabsorption d’eau in fine avec une dilution des urines pouvant atteindre une valeur minimale de 60 mosm/kg d’eau (figure 4). Figure 4 : Relations entre l’ADH et l’osmolalité urinaire chez le sujet « normal ». Comme indiqué, une valeur d’ADH basse permet une dilution maximale des urines autour de 60 mosm/kg d’eau et une ADH élevée (situation d’osmolalité efficace augmentée) permet une concentration maximale des urines autour de 1000-1200 mosm/kg d’eau. Le seuil osmotique de sécrétion de l’ADH correspond en moyenne à une osmolarité de 280 mosm/L de plasma, seuil au-dessous duquel la concentration en ADH est indétectable (Figure 2). Au-dessus de ce seuil, toute augmentation de l’osmolalité plasmatique efficace entraine une stimulation de la sécrétion d’ADH de manière linéaire. L’osmolarité efficace chez le sujet normal étant proche de 285 mosm/L de plasma, cette valeur correspond à une situation où la sensation de soif n’est pas déclenchée et la concentration plasmatique d’ADH est modérée : l’osmolalité urinaire est alors comprise entre 300 et 600 mosm/kg d’eau (situation d’anti diurèse). III) Adaptation du rein aux variations d’apports d’eau a) Epreuve de restriction hydrique Considérons un sujet à jeun le matin n’ayant donc eu aucune prise alimentaire ni boisson depuis la veille. Il ressent une sensation de soif variable généralement discrète. Dans les heures de la matinée qui suivent le début de l’épreuve de restriction hydrique, cette sensation de soif augmente un peu en rapport avec une perte d’eau : les reins éliminent une quantité d’eau supérieure aux apports (qui sont ici nuls) ce qui élève l’osmolalité efficace, stimule la sécrétion d’ADH permettant une réabsorption d’eau progressive par le tubule collecteur jusqu’à atteindre la valeur maximale théorique de 1200 mosmol/kg d’eau permettant de limiter de façon significative les pertes en eau supplémentaires (la sensation de soif aura tendance à augmenter progressivement). En effet, les apports en osmoles étant également nuls depuis la veille, l’excrétion urinaire en osmoles diminuera sans pour autant s’annuler (la régulation du bilan du sodium a une cinétique plus lente- cf. cours sur le sodium). Illustration : Si l’on considère une excrétion urinaire de 120 mosmoles dans la matinée (du fait du retard d’ajustement des reins au bilan du sodium) et une concentration maximale des urines à 1200 mosm/kg d’eau, la perte rénale en eau sera alors de 120/1200=0,1 litre d’eau. La perte de poids lors d’une restriction hydrique chez un sujet normale est donc limitée du fait d’une réponse rénale rapide permettant une concentration maximale des urines en 4 à 6 heures. b) Epreuve de surcharge hydrique (figure 5) La prise chez un sujet sain à jeun d’environ 1,5 litre d’eau en 15 minutes aura pour conséquence une diminution de l’osmolalité efficace du fait d’une absorption digestive rapide de l’eau ingérée responsable d’une inhibition complète de la sécrétion d’ADH. L’absence d’ADH circulante rend le tubule collecteur cortical et médullaire imperméable à l’eau (l’urine qui est hypo-osmotique à l’entrée du tubule distal le reste le long du collecteur). L’osmolalité urinaire atteindra alors la valeur la plus basse possible de l’ordre de 60 mosmol/kg d’eau permettant ainsi de normaliser progressivement l’osmolalité efficace par excrétion des 1,5 litres d’eau en excès. Cette normalisation du bilan hydrique est habituellement réalisée en 4 à 6 heures et nécessite l’excrétion concomitante d’osmoles par les reins : pour 1,5 litre d’eau excrétés, le pouvoir de dilution maximum étant de 60 mosmol/kg d’eau, 1,5 x 60 = 90 mosmoles en théorie seront donc excrétés (davantage en réalité car la correction progressive de l’hypo-osmolalité aura pour conséquence une élévation progressive de la sécrétion d’ADH d’où une augmentation progressive de l’osmolalité urinaire). Cette excrétion d’osmoles en pratique n’est pas un facteur limitant du fait de la cinétique plus lente de régulation du bilan du sodium expliquant l’excrétion urinaire d’osmoles, même en situation de jeûne (cf. cours sur le sodium). Figure 5 : L’épreuve de charge en eau consiste à boire 20 ml/kg de poids corporel en 15 minutes (soit 1.4 litre pour un sujet de 70 kg). On observe chez de patient dans l’heure qui suit (T2) une diminution de l’osmolalité plasmatique responsable d’une inhibition de la libération d’ADH par la post hypophyse et d’une dilution des urines autour de 100 mosm/kg (dilution maximale chez ce patient à T3). Quatre heures après l’administration d’eau (T5), l’osmolalité est presque revenue à sa valeur initiale avec des urines encore diluées par rapport au plasma, permettant ainsi l’excrétion de l’eau en excès dans l’organisme. c) Illustration d’une diminution des apports quotidiens en eau sans modification du régime alimentaire Considérons un sujet qui mange tous les jours 600 mosmoles et boit deux litres d’eau. Si l’on suppose que les pertes insensibles (eau contenue dans la sueur, les fèces et la vapeur d’eau expirée) sont compensées par l’eau contenue dans les aliments, ce sujet à l’équilibre excrète dans les urines 2 litres/jour et 600 mosm/jour. La concentration moyenne des urines est donc de 600/2 = 300 mosm/jour. Une diminution brutale des apports en eau à 1 litre/jour entrainera un ajustement rénal en quelques heures : une excrétion en eau initialement supérieure aux apports aura pour conséquence une augmentation transitoire de l’osmolalité efficace d’où stimulation de l’ADH et augmentation de l’osmolalité urinaire donc augmentation de la concentration des urines et ajustement des sorties aux entrées dans un délai d’environ 6 heures. Dans notre exemple, la concentration moyenne des urines du sujet augmentera de 300 mosm/litre à une valeur proche de 600/1= 600 mosm/litre, valeur inférieure au maximum théorique de concentration des urines (1200 mosm/l). Le sujet dans ce nouvel équilibre aura augmenté de 1 ou 2 mosm/kg la valeur d’osmolalité efficace. La perte de poids sera d’environ 100 grammes et le bilan d’osmoles (en particulier le bilan du sodium) ne sera pas modifié. d) Illustration d’une augmentation des apports quotidiens en eau sans modification du régime alimentaire Reprenons notre sujet qui mange tous les jours 600 mosmoles et boit deux litres d’eau et qui à l’équilibre excrète donc dans les urines 2 litres/jour et 600 mosm/jour à une concentration moyenne de 300 mosmoles/jour. La majoration brutale des apports en eau à 3 litres/jour entrainera un ajustement rénal en quelques heures du fait d’une diminution de l’osmolalité efficace initiale qui aura pour effet une inhibition de la sécrétion d’ADH et une dilution des urines. L’osmolalité des urines se stabilisera (si les apports en osmoles et en eau sont répartis dans la journée) à une valeur qui oscillera autour de 600/3=200 mosm/litre, valeur supérieure au maximum théorique de dilution des urines (60 mosm/l). Le sujet restera donc en équilibre en ce qui concerne son bilan hydrique, l’osmolalité efficace sera discrètement diminuée de 1 ou 2 mosm/kg avec un gain de poids d’environ 100 grammes et le bilan d’osmoles (en particulier le bilan du sodium) ne sera pas modifié. Conclusion Le contenu en eau de l’organisme n’est pas directement régulé. La variable régulée est l’osmolalité efficace qui détermine le volume en eau des cellules et tout particulièrement de différents groupes de neurones hypothalamiques impliqués dans la sensation de soif et dans la sécrétion d’ADH. La variation de volume de ces différents neurones permet ainsi 1) d’ajuster les apports en eau 2) de contrôler la libération d’ADH dans le courant circulatoire permettant ainsi d’ajuster l’excrétion d’eau par une concentration-dilution appropriée des urines: l’hydratation des neurones « osmorecepteurs » et plus généralement de toutes les cellules de l’organisme est ainsi finement régulée. Chez le sujet normal ayant un contenu osmotique constant (i.e. volume extracellulaire constant - cf. cours sodium), l’osmolalité efficace tient donc sous sa dépendance le contenu en eau de l’organisme. Il convient néanmoins de souligner que le contenu en eau de l’organisme dépend également du nombre de cellules : une dénutrition provoque une diminution du nombre des cellules de l’organisme et par conséquent une diminution de l’hydratation du compartiment cellulaire (i.e. contenu en eau de ce compartiment) mais pas du volume cellulaire (hydratation cellulaire).