Support ventilatoire et propriétés mécaniques du poumon fibrotique agissant comme une « balle squishy »

Indépendamment de la condition sous-jacente, le poumon fibrotique présente des altérations structurelles, biochimiques et anatomiques particulières entraînant des changements profonds dans la mécanique de la respiration.

La matrice extracellulaire dans le poumon fibrotique

La matrice extracellulaire (MEC) est constituée d’un réseau complexe de structures protéiques (collagène, fibronectine, élastine, glycoprotéines et protéoglycanes), qui jouent un rôle crucial dans la détermination de la stabilité mécanique et du recul élastique du poumon. L’ECM est une structure dynamique, constamment remodelée par des processus enzymatiques. Dans le poumon fibrotique, il y a un dérèglement de ce processus de remodelage, avec un déséquilibre entre la sécrétion et la dégradation des protéines, avec une augmentation du dépôt de collagène, d’élastine, de protéoglycanes et de fibronectine . Étant donné que les principaux constituants porteurs de contraintes du tissu pulmonaire sont les fibres de collagène et d’élastine, leur modification quantitative et architecturale peut influencer le recul élastique du poumon. Les propriétés mécaniques de l’élastine et du collagène sont très différentes. En fait, l’élastine est responsable de l’élasticité, en particulier à de faibles niveaux de stress, et peut être étirée de plus de 250 % de sa longueur initiale avant de se rompre, tandis que le collagène est plus rigide et nettement moins extensible, ne pouvant être étendu que de 1 à 2 % par rapport à sa longueur initiale. Les fibres de collagène, qui en position de repos sont pliées, ne sont étirées que pour des volumes pulmonaires élevés, proches de la capacité pulmonaire totale, et agissent comme un système de blocage déterminant la limitation de la distension du poumon, et l’origine de la relation contrainte-déformation curviligne (Fig. 1). Par conséquent, les fibres d’élastine sont les principaux déterminants du volume pulmonaire maximal pouvant être atteint lors de l’inflation, au-delà duquel il existe un risque de barotraumatisme et de volutraumatisme dû à la dégradation des fibres de collagène. Ce concept peut être appliqué non seulement au poumon entier, mais aussi aux différentes régions pulmonaires qui ont leur capacité régionale totale maximale . Ceci est particulièrement pertinent dans le poumon fibrotique, où la composition de l’ECM présente une grande hétérogénéité régionale. Dans la FPI, les fibres de collagène s’accumulent autour des myofibroblastes dans les foyers fibroblastiques, rigidifiant les régions correspondantes .

Relation entre la contrainte et la déformation dans les poumons sains, SDRA et fibrotiques. L’élastance spécifique (K) est la pente de la courbe dans sa partie linéaire. Bien que les poumons du SDRA soient caractérisés par une faible compliance, leurs propriétés élastiques suivent celles des poumons sains, à condition que la déformation induite par la ventilation tidale soit normalisée par rapport au volume pulmonaire en fin d’expiration. Dans le SDRA, le « bébé poumon » (zone grise) gonfle jusqu’à un certain niveau où une hyperinflation se produit et où la linéarité de la relation contrainte-déformation est perdue, approchant la limite de rupture des constituants de la matrice extracellulaire (éclair). Dans les poumons fibrotiques, l’élastance spécifique est plus élevée et la courbe contrainte-déformation est donc plus raide. Pendant le gonflement, les régions saines font saillie à travers les parois fibrotiques, comme l’illustre la main qui presse progressivement la « balle molle ». Par rapport au SDRA, la rupture est atteinte à une contrainte et une déformation plus faibles. SDRA syndrome de détresse respiratoire aiguë, VT volume courant, EELV volume pulmonaire end-expiratoire, PL pression transpulmonaire

Caractéristiques histopathologiques du poumon fibrotique

Plusieurs profils histopathologiques peuvent caractériser le poumon au cours de l’AE-ILD ; parmi ceux-ci, la manifestation la plus sévère et la plus fréquente est la coexistence d’un DAD superposé à un profil UIP. Les caractéristiques histopathologiques de l’UIP sont l’hétérogénéité spatiale, l’hétérogénéité temporelle avec des foyers fibroblastiques et des micro-alvéoles. L’hétérogénéité spatiale est définie par la présence de zones de tissu normal interposées à des zones présentant des altérations fibrotiques. L’hétérogénéité temporelle est la présence concomitante de zones présentant seulement de légères modifications de la structure de l’ECM et des agrégats de fibroblastes et de myofibroblastes prolifératifs, adjacentes à des zones de fibrose intense composées de collagène acellulaire dense, indiquant différents stades coexistants de la maladie. Les lésions en nid d’abeille sont des zones constituées d’espaces aériens dilatés avec des parois anélastiques de tissu fibreux recouvert d’épithélium. Compte tenu de ces prémisses, il est clair comment les propriétés mécaniques du poumon fibrotique doivent refléter cette hétérogénéité histologique.

Propriétés mécaniques du poumon fibrotique

Le poumon est communément modélisé comme un corps élastique caractérisé par des distorsions mineures pendant l’inflation. Dans le poumon non fibrotique, les propriétés du parenchyme peuvent être décrites à l’aide de deux modules élastiques indépendants, qui sont fonction de la pression transpulmonaire (PL). Le module de masse décrit le comportement du poumon pendant une expansion uniforme, tandis que le module de cisaillement (G) décrit le comportement de distorsion non uniforme. Le module de cisaillement se modifie de manière approximativement linéaire en fonction de la pression transpulmonaire selon l’équation suivante :

où α représente la constante de proportionnalité qui est variable selon les espèces de mammifères.

La relation entre la contrainte et la déformation est déterminée par la relation :

où la constante de proportionnalité Y est le module de Young. La contrainte est la force égale et opposée qui se développe dans un matériau élastique lorsqu’une force externe est appliquée, à savoir la pression transpulmonaire (PL), tandis que la déformation est la déformation résultante par rapport à la position de repos, donc le rapport entre le volume courant (VT) et le volume pulmonaire de fin d’expiration (de repos) (EELV). L’équation 2 peut donc être réécrite comme suit :

où K correspond à l’élastance spécifique (Fig. 1), un coefficient décrivant les propriétés élastiques du poumon dont la valeur chez l’homme sain est d’environ 13,5 cmH2O . Il peut être interprété comme le PL entraînant un doublement du volume pulmonaire par rapport à l’EELV. Lorsque la PL entraîne un volume pulmonaire supérieur à la capacité pulmonaire totale, un étirement des fibres de collagène se produit, provoquant une IVL. Par conséquent, le stress et la déformation sont des déterminants majeurs de l’IVL, respectivement, impliqués dans le barotraumatisme et le volutraumatisme.

Ce modèle simple n’est pas applicable en présence d’une distorsion sévère du parenchyme pulmonaire, où la PL n’est plus une fonction des modules d’élasticité linéaire, comme cela se produit dans le poumon fibrotique où les inhomogénéités anatomiques entraînent un comportement anisotrope : l’application de la PL dans un poumon présentant un patchwork de propriétés mécano-élastiques a des conséquences imprévisibles sur le couplage contrainte-déformation des différentes zones du poumon, avec une forte distorsion parenchymateuse pendant l’insufflation et un risque accru d’IVL. Dans les poumons fibrotiques, les forces de rétraction élevées dues à la rigidité accrue du parenchyme pourraient se traduire par une réduction de la contrainte globale. Néanmoins, étant donné l’hétérogénéité parenchymateuse, les zones pulmonaires non fibrosées pourraient être soumises à une déformation intense. En fait, en présence d’inhomogénéités pertinentes, les paramètres macroscopiques de la mécanique pulmonaire ne reflètent pas nécessairement ce qui se passe à la micro-échelle, où les inhomogénéités agissent comme des élévateurs de stress locaux et augmentent le PL local .

La théorie du poumon boule squishy

Dans les poumons fibrotiques, l’effet de la PEEP peut déterminer la protrusion des zones pulmonaires les plus distensibles à travers des cercles de tissu fibrotique anélastique dense, provoquant une rigidité accrue et facilitant la rupture du tissu. L’effet déterminé dans certaines zones du poumon est similaire à celui des balles de stress appelées « balles molles » (figures 1 et 2). Lorsque la balle squishy est comprimée, l’augmentation de la pression à l’intérieur de l’objet provoque l’étranglement de la partie élastique du corps à travers le filet inélastique qui enveloppe la balle. Le résultat est la formation de vésicules qui dépassent les mailles du filet, jusqu’à atteindre la limite élastique. L’effet « balle squishy » dans certaines zones du poumon pourrait être la cause des désavantages mécaniques obtenus en utilisant un Pairway et un PL élevés dans les poumons atteints de fibrose et pourrait confirmer le rôle de la contrainte statique dans la génération de l’IVL. De plus, lorsque les zones les plus recrutables sont soumises à un PL élevé, le surgonflage qui s’ensuit est exacerbé par la géométrie mécanique du poumon fibrotique car les zones anélastiques agissent comme des élévateurs de contraintes.

a Preuve histologique de l’hétérogénéité spatiale avec des espaces alvéolaires relativement épargnés entourés de zones de fibrose parcellaires avec de multiples foyers fibroblastiques chez un patient atteint de FPI. b Aspect tomodensitométrique du motif UIP chez un patient atteint de FPI. c Aspect graphique d’une « balle squishy » représentant les caractéristiques élastiques du poumon fibrotique en position de repos. d Boule squishy soumise à l’application d’une pression interne : l’augmentation de la pression à l’intérieur de l’objet provoque l’étranglement de la partie élastique du corps à travers le filet inélastique qui enveloppe la boule déterminant un désavantage mécanique pendant l’expansion

Implications cliniques

Les caractéristiques physiopathologiques et histologiques mentionnées de l’AE-ILD ont des implications pour l’application de la MV, la titration de la PEEP et la surveillance respiratoire.

Ventilation mécanique et résultat clinique chez les patients atteints d’AE-ILD

La MV protectrice à faible volume courant est largement reconnue comme la pierre angulaire du traitement des patients atteints de SDRA, alors que chez les patients atteints d’AE-ILD admis aux soins intensifs, les études n’ont pas encore établi la meilleure stratégie ventilatoire. Comme illustré ci-dessus, les patients recevant un VM pour une FPI-AE présentent de graves altérations de la mécanique respiratoire avec une augmentation de l’élastance du système respiratoire, principalement due à une élastance pulmonaire anormale alors que l’élastance de la paroi thoracique peut être normale (Tableau 1) . Sur la base des concepts dérivés des études physiologiques, les experts recommandent de maintenir la PL statique en fin d’inspiration en dessous de 15-20 cmH2O en cas de parenchyme pulmonaire homogène et en dessous de 10-12 cmH2O en cas de parenchyme pulmonaire inhomogène, comme dans le cas du SDRA.

Alors que plusieurs études montrent que chez les patients atteints de FPI, la nécessité d’une MV est associée à une mortalité élevée, on sait peu de choses sur l’impact pronostique de la MV dans les ILD autres que la FPI . Dans une récente étude de cohorte portant sur des patients atteints d’une ILD d’étiologie différente et hospitalisés pour une insuffisance respiratoire aiguë, la survie à 60 mois était comparable chez les patients atteints de FPI et les autres, et l’admission en soins intensifs ainsi que l’utilisation d’un MV étaient les seuls facteurs prédictifs indépendants de décès à l’hôpital. Néanmoins, lorsque des patients atteints d’AE-ILD d’étiologie différente reçoivent une MV, la présence d’une hypertension pulmonaire et la mise en évidence d’une fibrose diffuse au scanner sont associées à un pronostic plus défavorable, tandis que l’extension radiologique de la fibrose pulmonaire est directement corrélée à une dégradation de la mécanique respiratoire et à une augmentation de la mortalité .

Il est intéressant de noter que dans une série de cas de patients sous ventilation mécanique atteints de pneumonie interstitielle avec des caractéristiques auto-immunes, la mortalité était inférieure à celle des patients atteints de SDRA de cause connue . Ces données peuvent paraître surprenantes mais peuvent être liées aux schémas radiologiques particuliers rapportés dans la série, car aucun des patients ne présentait un schéma UIP au scanner, alors que les signes de maladie alvéolaire inflammatoire et les opacités en verre dépoli étaient prédominants. Ces observations suggèrent que le pronostic des patients atteints d’ILD dans la MV est lié à l’extension de la fibrose pulmonaire et à la présence d’un motif UIP au scanner plutôt qu’à l’étiologie de l’ILD.

Effets de la PEEP dans l’AE-ILD

Dans le SDRA, la protection pulmonaire est assurée par de faibles volumes courants, de faibles pressions transpulmonaires et motrices en plateau, mais aussi par un niveau de pression positive en fin d’expiration (PEEP) suffisant pour maintenir l’oxygénation tout en empêchant l’ouverture-fermeture des unités alvéolaires provoquant un stress de cisaillement tout au long du cycle respiratoire . Des essais cliniques sur le SDRA ont étudié l’effet d’une stratégie à poumons ouverts, impliquant l’utilisation de niveaux de PEEP supérieurs à ceux strictement nécessaires pour maintenir une oxygénation acceptable, souvent en conjonction avec des manœuvres de recrutement pour maximiser l’aération pulmonaire. Ces études n’ont pas permis de démontrer des avantages clairs en termes de résultats par rapport à la ventilation avec des niveaux de PEEP plus faibles. En outre, une stratégie de recrutement agressive utilisée dans une étude a même entraîné une augmentation de la mortalité. Certains auteurs ont commencé à suggérer que les pressions pulmonaires, y compris la PEEP, devraient être minimisées pour réduire l’IVL chez les patients ayant des poumons blessés et non blessés ; ces concepts semblent être prometteurs également pour les poumons fibrotiques où la susceptibilité à l’IVL est particulièrement élevée.

Intéressant, chez les patients ayant un poumon fibrotique et un DAD superposé, les données rétrospectives ont montré une association entre des niveaux de PEEP plus élevés et la mortalité . Par rapport au SDRA, la physiologie de la MV chez les patients atteints de FPI est beaucoup moins connue, et on ne sait pas si l’ouverture et la fermeture des unités alvéolaires se produisent pendant la respiration par courants, ni quel est le rôle exact de la PEEP sur le recrutement alvéolaire.

La surveillance de la PL par l’évaluation de la pression œsophagienne a été proposée pour identifier les patients présentant un collapsus alvéolaire régional à la fin de l’expiration, suggéré par une PL négative en fin d’expiration. Des études physiologiques ont confirmé que la PL estimée par manométrie œsophagienne reflète la PL régionale des zones pulmonaires dépendantes où prédominent les atélectasies. La titration de la PEP pour cibler une PL positive en fin d’expiration maximise le recrutement pulmonaire et améliore la mécanique respiratoire et l’oxygénation dans le SDRA, mais n’a pas amélioré la survie dans le SDRA par rapport à une PEP élevée empirique. Cette technique particulière est l’une des méthodes proposées pour réaliser une « approche à poumons ouverts ». Cependant, malgré des décennies de recherche clinique intense sur le SDRA, les stratégies ventilatoires visant à obtenir un « poumon ouvert » (ouvrir le poumon et le garder ouvert) avec l’utilisation de la PEP n’ont pas réussi à transposer ces résultats dans le contexte clinique, et certains auteurs ont proposé la stratégie du « repos pulmonaire » (fermer le poumon et le garder au repos).

Malgré le manque de données physiologiques chez les patients AE-ILD, on pourrait supposer que le dérecrutement expiratoire se produit dans les zones parenchymateuses épargnées par la fibrose avec une élasticité préservée. Malgré un rôle possible de la PEEP incrémentale dans le recrutement de ces zones, l’association rapportée entre des niveaux de PEEP plus élevés et la mortalité dans l’AE-ILD , indique un rôle critique de la déformation statique dans la détermination de l’IVL chez les patients ayant des poumons fibrotiques, et pourrait suggérer que la limitation des pressions des voies aériennes, y compris la PEEP, pourrait être préférable.