Ce qu’il faut pour qu’une toux expulse le mucus des voies respiratoires

La toux est l’un des symptômes les plus courants pour demander des soins médicaux (1, 2). Si la toux va causer autant de problèmes, il vaut mieux en valoir la peine, et la preuve clinique est que c’est effectivement le cas. Les patients présentant une toux altérée due à une maladie neuromusculaire ou à une sédation postopératoire souffrent de taux élevés d’atélectasie et de pneumonie en raison de l’incapacité de dégager les sécrétions des voies respiratoires, et il est prouvé qu’un réflexe de toux accru améliore la santé (3, 4). Le mucus est le principal des sécrétions des voies respiratoires et, dans les PNAS, Button et al. (5) analyser les exigences biophysiques d’une toux pour séparer le mucus adhérent d’une paroi des voies respiratoires. Avant de plonger dans les détails, il convient de revoir ce que l’on sait de la biochimie du mucus et des forces générées par une toux.

Le mucus est une défense importante contre les perturbations du monde extérieur au niveau des surfaces épithéliales humides dans tout le corps, y compris les yeux, les voies respiratoires, le tractus gastro-intestinal et le tractus génito-urinaire. Son importance est révélée lorsque la barrière de mucus fonctionne mal dans des troubles tels que la sécheresse oculaire ou une maladie inflammatoire de l’intestin. Le mucus est une substance remarquable et protéiforme, avec des propriétés à la frontière entre un fluide visqueux et un solide élastique doux. Ses propriétés reflètent principalement les interactions des glycoprotéines de mucine (∼0,5% de la masse) avec l’eau (998%) et les sels (∼1%). Les protéines globulaires sont également présentes dans le mucus normal (∼0,5% de la masse) mais n’ont pas d’impact majeur sur les propriétés physiques du mucus à moins qu’elles et l’ADN ne soient présents en quantités anormales au cours des processus pathologiques (3). Les mucines sont de très grandes molécules hautement glycosylées, ce qui explique leurs interactions avides avec l’eau. Les mucines sécrétées se polymérisent en chaînes et réseaux qui confèrent au mucus sa consistance semi-solide. Cependant, les propriétés physiques du mucus dépendent fortement de la concentration en mucine, le mucus dilué agissant comme un liquide et le mucus concentré comme un solide (6). De plus, le mucus dilué est un excellent lubrifiant, tandis que le mucus concentré est adhésif (7⇓⇓ -10).

Dans les poumons, une couche de mucus est continuellement propulsée des voies respiratoires périphériques aux voies respiratoires centrales par le battement des cils sur les cellules épithéliales qui sont intercalées entre les cellules sécrétrices selon un motif en mosaïque (Fig. 1, En bas à droite). Les particules inhalées et les agents pathogènes atterrissent sur la couche de mucus et sont déplacés par les cils jusqu’à la trachée, à travers les cordes vocales, puis avalés et nettoyés par le tractus gastro-intestinal (Fig. 1, En haut à droite). Topologiquement, le poumon est un sac aveugle, donc sans la clairance des particules et des agents pathogènes par une couche de mucus mobile, ces matériaux s’accumuleraient. En revanche, le tractus gastro-intestinal est un tube ouvert à travers lequel les particules et les agents pathogènes passent facilement. La couche de mucus est générée par la sécrétion de mucines par les cellules épithéliales de surface (Fig. 1, en bas à droite) et les glandes sous-muqueuses (non illustrées). Le battement ciliaire est le principal mécanisme d’élimination du mucus, la toux étant un mécanisme de secours lorsque le mucus s’accumule dans les voies respiratoires ou adhère aux parois des voies respiratoires (3, 11).

La toux a été largement étudiée, son mécanisme et les forces qu’elle génère sont donc bien connus (12). Une toux commence par une inspiration rapide pour remplir les poumons d’air, suivie de la fermeture de la glotte, de la contraction des muscles expiratoires de la poitrine et de l’abdomen pour générer une pression intrathoracique élevée et de l’ouverture soudaine de la glotte pour expulser de force l’air de la bouche. Pendant la toux, la pression intrathoracique peut atteindre 200 cmH2O, ce qui fournit à la fois la force motrice du flux d’air (jusqu’à 8 L / s) et rétrécit les voies respiratoires centrales par compression (Fig. 1, Milieu à droite) pour maximiser la vitesse (jusqu’à 28 000 cm / s ou 626 mi/ h). Cela expulse les sécrétions des voies respiratoires et dans la gorge (pharynx) (Fig. 1, à gauche), où ils peuvent être avalés ou expectorés. Ce qui était presque entièrement inconnu jusqu’à présent, c’est comment la force de cisaillement générée par la toux interagit avec le mucus adhérent dans les voies respiratoires.

Pour résoudre ce problème, Button et coll. (5) a d’abord développé un modèle conceptuel selon lequel le mucus adhérent pouvait être séparé de la paroi des voies respiratoires soit par une défaillance cohésive ou adhésive. L’échec cohésif implique une fracture du mucus adhérent en cassant physiquement les mucines et d’autres polymères à l’intérieur du mucus, tandis que l’échec adhésif implique la séparation du mucus adhérent du glycocalyx des surfaces cellulaires sous-jacentes (voir figure 1 de la réf. 5). Ensuite, ils ont mis en place un dispositif de test de pelage pour mesurer la force nécessaire pour décoller une couche de mucus adhérente d’une couche de cellules épithéliales des voies respiratoires afin de tester leur modèle. Ce système a également été utilisé pour évaluer les rôles de la concentration de mucine et du pH dans la détermination de la force de cohésion et d’adhésion du mucus, constatant que les effets de la concentration de mucine dominaient sur le pH dans les plages physiologiques de ces deux paramètres. Enfin, ils ont évalué les effets de modalités thérapeutiques telles que l’hydratation du mucus avec une solution saline, la lyse du polymère de mucine avec un agent réducteur pour rompre les liaisons disulfures et la diminution de la cohésion et de l’adhérence avec un tensioactif. Chacune de ces modalités apportait des avantages lorsqu’elle était utilisée seule, et la combinaison d’hydratation et de lyse de la mucine était particulièrement efficace.

La couche de mucus mobile est une défense essentielle des poumons des mammifères, comme le montre la mort de souris par infection, inflammation et obstruction lorsque la mucine principale sécrétée des voies respiratoires, Muc5b, est supprimée (13). L’importance de cette défense pour la santé humaine est mise en évidence par le fait qu’un allèle surexprimant de MUC5B a été si fortement sélectionné qu’il est présent chez 20% des blancs (14), similaire à la fréquence d’allèle de l’hémoglobine drépanocytaire dans les zones de paludisme hyperendémique. Également similaire à l’hémoglobine faucille, la protection a un prix car l’allèle surexprimant MUC5B est le principal facteur de risque de fibrose pulmonaire idiopathique en fin de vie, probablement en raison de l’épuisement des progéniteurs épithéliaux causé par le stress de protéostase lié à la production de niveaux élevés de cette molécule importante et complexe (14, 15).

Bien plus fréquents que les problèmes que l’hyperexpression MUC5B provoque dans la fibrose pulmonaire, les rôles centraux que joue le dysfonctionnement du mucus dans les maladies obstructives des voies respiratoires telles que l’asthme, la bronchopneumopathie chronique obstructive (BPCO) et la fibrose kystique (CF). Dans l’asthme, le dysfonctionnement du mucus est principalement dû à l’hyperproduction de l’autre mucine des voies respiratoires sécrétée, MUC5AC, ainsi qu’à la présence anormale de protéines plasmatiques, toutes deux résultant d’une inflammation faisant partie des défenses aberrantes des agents pathogènes (16). Dans la FC, le dysfonctionnement du mucus est dû à un transport insuffisant du chlorure et du bicarbonate dans la lumière des voies respiratoires pour permettre une hydratation et une expansion adéquates de la mucine (17). Dans la BPCO, le dysfonctionnement du mucus est dû à une combinaison des mécanismes opérant dans l’asthme et la mucoviscidose, ainsi qu’à un dysfonctionnement ciliaire, tous induits par la fumée de cigarette (3). Dans ces troubles, le mucus s’accumule à la fois dans les grandes voies respiratoires centrales et obstrue les petites voies respiratoires périphériques. Le mucus accumulé dans les voies respiratoires centrales est éliminé relativement efficacement par la toux car, à ce niveau, le flux d’air est élevé et le mucus n’est pas aussi concentré que dans les bouchons des voies respiratoires périphériques. Cependant, dans les petites voies respiratoires, le flux d’air pendant la toux diminue de manière périphérique et le mucus concentré devient impacté. Une étude d’imagerie radiographique chez des sujets asthmatiques a montré que les bouchons de mucus des voies respiratoires périphériques persistent pendant des années (18). Les voies respiratoires de taille et de distance intermédiaires de la trachée fonctionnent comme celles de Button et al. (5) est susceptible d’avoir l’impact le plus important. La définition minutieuse des forces impliquées dans l’élimination du mucus adhérant aux parois des voies respiratoires par la toux, combinée à l’analyse des interactions des nouvelles thérapies du mucus avec ces forces, nous permettra de tirer les avantages du mécanisme de défense biologique complexe qu’est la clairance du mucus, tout en minimisant les effets indésirables du dysfonctionnement du mucus (19).