La cornée, principal élément réfractif de l'œil, doit maintenir une hydratation et une transparence optimales pour assurer une vision claire. Ce maintien repose sur un équilibre délicat entre la fuite d'eau vers la cornée, due aux glycosaminoglycanes (GAG) stromaux, et le transport actif de l'eau hors de la cornée par l'endothélium cornéen, un processus communément appelé la pompe endothéliale cornéenne.
La Physiologie de la Pompe Endothéliale
La pompe endothéliale compense précisément la fuite d'eau vers la cornée. À l'état d'équilibre, la pompe et la fuite s'équilibrent. Dans des conditions normales, le flux d'eau à travers le stroma est d'environ 7 µl/cm²/h. La pompe endothéliale contrebalance ce flux, maintenant une hydratation normale et assurant ainsi la transparence de la cornée.
Cependant, lorsque des troubles affectent l'endothélium cornéen, la fonction de la pompe diminue. Si la pompe ne parvient plus à compenser la fuite, l'eau s'accumule dans la cornée, entraînant une augmentation de l'hydratation cornéenne. Cette augmentation de l'hydratation stromale provoque une dispersion accrue de la lumière, ce qui détériore la vision. À mesure que l'hydratation stromale augmente, la pression de gonflement du stroma diminue, établissant un nouvel état d'équilibre où la fuite est égale à la pompe, mais à un niveau d'hydratation plus élevé.
Le Déclin de la Fonction Endothéliale avec l'Âge et la Maladie
L'endothélium cornéen ne prolifère pas in vivo, et la densité cellulaire diminue continuellement avec l'âge. Une densité minimale d'environ 400 à 700 cellules/mm² est nécessaire pour maintenir la transparence cornéenne. Bien que ce seuil ne soit généralement pas atteint au cours de la vie de la plupart des individus, l'allongement de l'espérance de vie augmente la probabilité de l'atteindre.
La perte de cellules endothéliales peut être accélérée par des affections telles que la dystrophie de Fuchs, l'uvéite antérieure chronique ou un traumatisme, comme la kératopathie bulleuse consécutive à une chirurgie intraoculaire. Environ 5 % de la population de plus de 40 ans souffre de dystrophie de Fuchs.
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Les traitements médicaux disponibles sont principalement palliatifs, et une greffe d'endothélium cornéen est souvent nécessaire en dernier recours. La kératoplastie transfixiante a été largement remplacée par la kératoplastie endothéliale de la membrane de Descemet (DMEK), avec ou sans stroma, améliorant ainsi les résultats en termes de réfraction. Bien que les greffes soient initialement efficaces, elles peuvent entraîner une altération de la vision, un rejet ou une défaillance du greffon dans les 5 ans. De plus, le vieillissement de la population accroît la demande en tissu de donneur de cornée. Dans ce contexte, des traitements médicaux capables de retarder ou de remplacer la nécessité d'une greffe seraient d'une grande valeur.
La Transparence Cornéenne : Un Équilibre Délicat
Environ 95 % de la lumière incidente atteignant la cornée est transmise. La petite quantité non transmise est soit absorbée, soit dispersée. La lumière dispersée permet de visualiser la structure de la cornée au biomicroscope à la lampe à fente. La dispersion maximale se produit au niveau des discontinuités de l'indice de réfraction, notamment à l'interface air-larmes, la membrane basale de l'épithélium, les kératocytes du stroma et la membrane basale endothéliale.
Au sein du stroma, l'indice de réfraction des fibres de collagène est beaucoup plus élevé que celui de la « structure fondamentale » de GAG. Une disposition aléatoire du collagène produirait un matériau opaque, comme dans la sclère. La disposition régulière des fibres du stroma cornéen et un processus d'interférence destructrice permettent une très faible dispersion de la lumière à travers le stroma.
Le Rôle de l'Épithélium et de l'Endothélium dans la Fonction de Pompe
Bien que l'on considère généralement que la pompe se situe au niveau de l'endothélium cornéen, des défauts de l'épithélium cornéen peuvent également entraîner un œdème cornéen, suggérant une contribution potentielle de l'épithélium à la fonction de pompe. Les études de David Maurice ont démontré que l'endothélium est principalement responsable de la fonction de pompe.
Si l'épithélium de cornées de lapin montées et perfusées est retiré et exposé à une solution saline, le stroma gonfle. Le remplacement de la solution saline par de l'huile de silicone permet à l'endothélium d'éliminer l'excès d'eau du stroma. En revanche, si l'endothélium est retiré en premier et que la membrane de Descemet est exposée à une solution saline pour provoquer un gonflement du stroma, l'épithélium ne peut pas éliminer l'excès d'eau.
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Il est important de noter que l'épithélium possède un mécanisme de transport ionique bien défini, transportant le NaCl du stroma vers les larmes. Ce transport peut être stimulé par l'activité nerveuse sympathique ou par l'administration d'agonistes adrénergiques. Cependant, des études détaillées ont montré que l'épithélium, même stimulé de manière maximale, ne représente qu'environ 10 % du flux global d'eau depuis le stroma.
La sécrétion (ou l'absorption) de liquides nécessite qu'une couche cellulaire produise un léger gradient osmotique à travers la couche cellulaire. Ce gradient osmotique est la force motrice du mouvement de l'eau. Par exemple, dans l'endothélium cornéen, la surface de la membrane apicale (côté chambre antérieure) doit être hypertonique par rapport à la surface de la membrane basolatérale (côté stroma). L'humeur aqueuse et le stroma peuvent avoir des osmolarités identiques ou très différentes ; toutefois, tant que les cellules endothéliales peuvent maintenir le gradient d'osmolarité microscopique local à travers la couche cellulaire, le liquide est « pompé » du stroma vers la chambre antérieure. Pour la pompe endothéliale, le gradient osmotique nécessaire est très faible, pas plus de 4 milliOsmoles.
Une autre condition nécessaire à la fonction de pompe est une couche de cellules endothéliales intacte, assurant une fonction « barrière ». Si la barrière est compromise par un traumatisme ou une rétraction des cellules endothéliales (par exemple, par perfusion de solutions sans calcium), le gradient osmotique disparaît et la pompe ne fonctionne plus.
Le Modèle de Sécrétion du Bicarbonate : Une Théorie Dominante Remise en Question
Les premières études ont suggéré que la pompe endothéliale cornéenne dépend du transport actif du bicarbonate. Si la solution de Ringer lactate utilisée pour la perfusion ne contenait pas de bicarbonate, la cornée devenait œdémateuse. Ces observations, combinées à des études montrant qu'un œdème cornéen est induit par l'ouabaïne, un inhibiteur de la Na+/K+-ATPase, indiquaient la nécessité d'un transport actif primaire. De plus, les inhibiteurs de l'anhydrase carbonique ralentissaient également la pompe, ce qui semblait indiquer que le bicarbonate était impliqué dans un mécanisme de transport actif secondaire.
Le modèle de sécrétion du bicarbonate impliquait que la Na+/K+-ATPase sur la membrane basolatérale crée un gradient de [Na+] vers l'intérieur, utilisé comme moteur pour les transporteurs secondaires comme le cotransporteur du Na-bicarbonate. Le bicarbonate quitterait ensuite la membrane apicale via des canaux anioniques ou d'autres transporteurs du bicarbonate hypothétiques. Le mouvement du bicarbonate à travers l'endothélium créerait des différences osmotiques locales entre le côté stroma et le côté chambre antérieure de l'endothélium, déplaçant l'eau du stroma vers la chambre antérieure.
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Cependant, ce modèle a été remis en question par des études montrant que des solutions sans bicarbonate pouvaient soutenir au moins en partie la fonction de l'endothélium cornéen, à condition qu'elles contiennent des concentrations élevées de tampons de Good, tels que les tampons HEPES et MES. Bien que de nombreuses contre-études aient été réalisées, aucune n'utilisait les fortes concentrations de tampons utilisées par Doughty.
La lacune majeure du modèle de sécrétion du bicarbonate résidait dans l'identification du mécanisme de transport du bicarbonate dans la membrane apicale. De plus, des preuves de flux nets de bicarbonate du stroma vers la chambre antérieure n'ont jamais été mesurées sans équivoque.
L'Électro-Osmose : Une Théorie Alternative
Jorge Fischbarg a avancé la théorie de l'électro-osmose pour l'endothélium cornéen, selon laquelle les cellules génèrent une tension transendothéliale attirant des contre-ions, par exemple le Na+, à travers une voie paracellulaire spécifique d'ions, créant un couplage électro-osmotique à travers la jonction serrée. Bien que plusieurs études aient suggéré cette possibilité, aucune preuve concluante de l'électro-osmose n'a été obtenue.
Le Lactate : Un Acteur Clé dans la Pompe Endothéliale
Face à l'échec de l'identification des composantes manquantes du modèle sécrétoire du bicarbonate, des recherches ont été menées sur le rôle du lactate. La cornée est très glycolytique et produit de grandes quantités d'acide lactique. Lorsque la cornée est rendue hypoxique, la quantité de lactate produite augmente. Cette augmentation de la production de lactate peut expliquer l'influx net d'eau, c'est-à-dire l'œdème, qui survient pendant l'hypoxie cornéenne, indiquant que le lactate est une bonne molécule osmotique pour l'endothélium cornéen. De plus, la cornée contient près de deux fois plus de lactate que l'humeur aqueuse, ce qui montre l'existence d'un gradient chimique pour la diffusion du lactate depuis le stroma vers la chambre antérieure, à travers l'endothélium.
Des études ont montré que le transport du lactate dans l'endothélium est soutenu par la présence de bicarbonate, l'activité de l'anhydrase carbonique et la Na+/K+-ATPase. L'endothélium exprime trois cotransporteurs lactate:H+, MCT1, 2 et 4 (MCT pour monocarboxylate transporter). MCT1 et 4 sont présents sur la membrane basolatérale et MCT2 sur la membrane apicale. L'inhibition simultanée de MCT1 et 4 chez des lapins a entraîné in vivo l'apparition d'œdèmes de la cornée.
La fonction de pompe est soutenue en l'absence de bicarbonate par des concentrations élevées de tampon HEPES. L'efflux de lactate depuis la cornée augmente parallèlement à la quantité de tampon [HEPES] ou de [bicarbonate] dans la solution de perfusion. L'efflux de lactate est ralenti par l'ouabaïne, l'inhibition de l'anhydrase carbonique ou par des inhibiteurs spécifiques de MCT, entraînant simultanément la rétention du lactate dans la cornée. L'efflux de lactate et d'eau est une fonction du pouvoir de tampon des solutions de perfusion, qu'il s'agisse de bicarbonate ou de tampon HEPES.
Un Modèle Actualisé de la Pompe Endothéliale
Ces observations ont conduit à un modèle dans lequel la pompe endothéliale génère un gradient de lactate maintenu par transport actif primaire et secondaire, et facilité par le pouvoir de tampon du bicarbonate. Le lactate:H+ est capturé par MCT1 et 4 au niveau de la membrane basolatérale des cellules endothéliales. Le CO2 et l'H2O sont convertis en H+ et en bicarbonate, facilitée par l'anhydrase carbonique membranaire (CA12). Le H+ produit contribue à alimenter le cotransport du lactate:H+ vers l'intérieur de la cellule. Le Na+ est ensuite transporté par le cotransporteur Na+ :bicarbonate - (NBC). Le H+ capturé est ensuite tamponné à l'intérieur de la cellule par le bicarbonate, avec l'aide de l'anhydrase carbonique cytosolique (CA2). Le Na+ est déplacé par le gradient extérieur-intérieur de [Na+] produit par la Na+/K+-ATPase. L'effet de tampon du bicarbonate maintient le [H+] cytosolique à un faible niveau, maintenant ainsi un gradient vers l'intérieur de H+ du stroma vers le cytosol de sorte que le cotransport du lactate:H+ puisse continuer. Sans l'effet de tampon, le [H+] dans la cellule augmenterait fortement, ce qui stopperait l'influx de lactate:H+. Ensuite le lactate:H+ cytosolique quitte la membrane apicale via MCT2.
Ce modèle prédit que la dystrophie endothéliale entraînera la rétention de lactate dans le stroma. Les cornées de souris Slc4a11 knock-out, un modèle de la dystrophie endothéliale congénitale héréditaire (CHED), contiennent environ deux fois plus de lactate que celles des souris sauvages.
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