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Biologie et hémodynamique vasculaire rénale

Mise à jour le : 22 juillet 2021, par Thierry HANNEDOUCHE, Temps de lecture estimé : 14 min.
 
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Le rein est un organe très vascularisé qui reçoit chaque minute un quart du débit cardiaque total. La circulation rénale présente quelques singularités qui sont liées à la fonction excrétoire du rein et à sa fonction endocrine-paracrine.

1. Anatomie de la microcirculation rénale

Chaque rein est alimenté par une artère rénale provenant de l’aorte. A l’intérieur des reins, l’artère rénale se divise en 2 ou 3 artères segmentaires qui elles-mêmes se divisent en artères inter-lobaires, puis en artères arquées. Les artères arquées ont une course parallèle à la surface externe du rein et donnent naissance aux artères inter-lobulaires qui montent à travers le cortex et donnent naissance aux artérioles afférentes qui alimentent le lit capillaire glomérulaire (Figure 1).

Au-delà du glomérule, les capillaires glomérulaires se regroupent en artérioles efférentes. Dans le cortex externe, celles-ci donnent naissance aux capillaires péri-tubulaires qui entourent le tubule (Figure 1). Les artérioles efférentes provenant des néphrons juxta-médullaires descendent dans la médullaire et donnent naissance aux vasa recta qui descendent et remontent à toute proximité des anses de Henle [2]. Le sang quitte le rein par des veines qui circulent adjacentes aux artères correspondantes, et se rejoignent pour former une seule veine rénale qui se jette dans la veine cave inférieure.

Figure 1 : Vascularisation des néphrons corticaux et juxtamédullaires

2. Circulations rénale et glomérulaire

Les conditions de pressions observées dans le système vasculaire rénal sont très particulières. La pression régnant dans ces structures vasculaires varie de 100 mmHg dans l’artère rénale à 50 mmHg dans le capillaire glomérulaire, une valeur cinq fois plus élevée que dans les autres capillaires de l’organisme.
Le site principal de résistance vasculaire responsable de la chute de pression entre l’aorte et le glomérule est représenté par l’artériole afférente (AA?), qui joue donc un rôle capital dans la régulation de la perfusion glomérulaire.

Figure 2 : Profil de pression artérielle dans les vaisseaux rénaux (BP = pression aortique

Chaque rein comporte environ un million de néphrons et donc de glomérules. Ce nombre est en réalité très variable d’un individu à l’autre (400 000 à 1 300 000), est déterminé génétiquement et porte en partie la susceptibilité aux maladies rénales (y compris la néphroangiosclérose).
Le débit de filtration d’un glomérule individuel (dfgi) est déterminé par 3 éléments principaux :

  • la surface de filtration (S) qui varie assez peu en physiologie,
  • le débit sanguin glomérulaire (QA) principalement régulé par les variations de tonus de l’artériole afférente (AA) qui détermine une résistance artériolaire afférente RA?.
  • la pression nette d’ultrafiltration (Puf, valeur moyenne environ 10 mmHg) qui correspond à la pression capillaire glomérulaire (Pcg, environ 50 mmHg) à laquelle il faut retrancher la pression hydrostatique de la chambre urinaire (Pt) et la pression oncotique du capillaire glomérulaire.
  • La Pcg dépend elle-même de QA et surtout du rapport entre la résistance de l’artériole efférente (RE) sur la résistance afférente RA. Plus ce rapport RE/RA s’élève, plus la Pcg augmente, ceci pour un QA constant.

Figure 3 : Influence des variations des résistances vasculaires rénales segmentaires sur la filtration glomérulaire

La résistance préglomérulaire est régulée par plusieurs mécanismes : la pression de perfusion rénale (autorégulation) ; le rétrocontrôle tubulo-glomérulaire ; et modulé par de nombreux systèmes hormonaux ou autacoïdes (médiateurs locaux).

2. Débit sanguin rénal.

Les deux reins reçoivent ensemble un débit sanguin rénal de 1000 ml/min, c’est-à-dire environ 20 % du débit cardiaque. L’hématocrite normale est de 45 %, les érythrocytes sont donc responsables de 45 % du débit sanguin rénal et le débit plasmatique rénal est de 550 ml/min.

Le débit de filtration glomérulaire (DFG?) est d’environ 120 ml/min et la fraction de filtration rapport de la filtration glomérulaire sur le débit plasmatique rénal qui est la proportion de plasma filtré est donc d’environ 20 %.

La résistance vasculaire rénale provient principalement des artérioles afférentes et efférentes. Le niveau de pression élevé dans le capillaire glomérulaire force la filtration à travers la barrière de filtration glomérulaire. Cette pression capillaire glomérulaire (et donc de filtration) est réduite par la constriction de l’artériole afférente et augmenté par la constriction de l’artériole efférente.

3. Régulation du débit sanguin rénal.

Le débit sanguin rénal est maintenu dans des limites relativement constantes sur une plage de pression artérielle moyenne allant de 60 à 110 mmHg (phénomène appelé “autorégulation”). En deçà et au delà de ces valeurs, le débit sanguin rénal est très dépendant du niveau de pression artérielle perfusant les reins.

Figure 4 : Autorégulation circulatoire rénale au cours des variations de la pression de perfusion.
Le débit de filtration glomérulaire (DFG) et le débit sanguin rénal restent stables pour des variations de la pression artérielle de 80 à 160 mmHg. En dessous de 80 mm Hg, le DFG et le débit sanguin rénal diminue de façon monotone en proportion avec la diminution de la pression de perfusion rénale. A noter que la résistance artériolaire afférente (Ra) augmente proportionnellement avec la pression de perfusion rénale ; ce processus traduit l’autorégulation myogénique.

L’auto-régulation du débit sanguin rénal est sous la dépendance de 2 mécanismes : un réflexe myogénique et le rétrocontrôle tubulo-glomérulaire.

  • Le réflexe myogénique est une vasoconsriction réflexe des artères préglomérulaires, principalement de l’AA, qui réduit le débit sanguin en réponse à une augmentation de l’étirement pariétal parallèle à l’augmentation de pression. Ce reflexe est une réponse myogénique à l’étirement des fibres musculaires ; il persiste après dénervation du rein ou sur le rein isolé perfusé.
    La réponse est calcium-dépendante et abolie par la papavérine.
  • Le rétrocontrôle tubuloglomérulaire est un mécanisme de couplage entre la fonction tubulaire et l’hémodynamique rénale.
    Lorsque le débit de NaCl augmente à la fin de l’anse de Henle, l’artériole afférente et le mésangium se contractent pour diminuer le dfgi.
    Ce système de couplage est rendu possible par la proximité anatomique entre les cellules épithéliales spécialisées de la fin de la branche large ascendante de l’anse de Henle (constituant la macula densa), les cellules myoépithéliales de la paroi artériolaire afférente capables de synthétiser et de sécréter la rénine active ; et enfin les cellules périmésangiales. L’ensemble de ces 3 structures constitue l’appareil juxta-glomérulaire.

La réabsorption active de sodium se fait dans les cellules de la macula densa par un transporteur apical Na-K-2Cl. Ce processus actif nécessite la consommation d’O2 et d’ATP qui est dégradé en métabolites dont l’adénosine. Lorsque le débit et/ou la concentration de chlore (= signal) augmente au niveau de la macula densa, le transporteur Na-K-2Cl est activé et le métabolisme cellulaire aboutit à la production d’adénosine (= médiateur) qui déclenche la contraction (= effecteur) de l’AA et du mésangium (réduction de la surface de filtration). L’ensemble de ces phénomènes aboutit à la diminution du dfgi et donc finalement du débit de NaCl à la macula densa.

Notons que ce mécanisme de régulation homéostatique est couplé à la régulation de la sécrétion de rénine : l’augmentation du débit de NaCl à la macula densa stimule la contraction de l’AA mais freine la sécrétion de rénine.

Le rôle important du rétro-contrôle tubulo-glomérulaire dans la régulation de la pression capillaire glomérulaire et la correction de l’hyperfiltration/hypertension glomérulaire a été remis à l’ordre du jour avec la disponibilité des nouveaux antidiabétiques oraux, les inhibiteurs de SGLT2 ou gliflozines (voir aussi le cours consacré aux gliflozines).

Figure 5 : Effet des gliflozines sur l’hémodynamique intra-rénale chez le patient diabétique. Dans le diabète, l’augmentation de la charge filtrée en glucose induit une augmentation de la réabsorption tubulaire proximale de glucose couplée à celle de sodium via SGLT2. La baisse de l’apport distal en sodium désactive le rétrocontrôle tubulo-glomérulaire, avec une vasodilatation de l’artériole afférente préglomérulaire et une hyperfiltration/hypertension glomérulaire. L’administration d’un iSGLT2 réverse ces anomalies en réduisant la réabsorption de glucose et de Na dans le tube proximal, en réactivant le rétrocontrôle tubuloglomérulaire et la vasoconstriction artériolaire afférente, et corrige l’hypertension intraglomérulaire.

4. Régulation neuro-hormonale du débit sanguin rénal

Ces mécanismes de régulation de la microcirculation glomérulaire sont modulés par de nombreux systèmes hormonaux ou neuro-hormonaux.

Le système rénine-angiotensine est un système essentiel à la régulation de la microcirculation glomérulaire.

  • L’appareil juxta-glomérulaire fabrique et relargue la rénine en réponse à une diminution de la pression artériolaire afférente, une diminution du débit tubulaire ou encore une diminution de la concentration tubulaire de sodium et de chlore à la macula densa. Les autres stimuli comprennent la stimulation nerveuse sympathique via les récepteurs béta-1 adrénergiques sur les cellules granulaires de l’appareil juxta-glomérulaire et la chute des concentrations locales d’angiotensine II.
  • La rénine stimule la production d’angiotensine II en clivant l’angiotensinogène circulant d’origine hépatique en angiotensine I lui même transformé en angiotensine II par l’intermédiaire de l’enzyme de conversion de l’angiotensine.
  • L’angiotensine II agit sur les récepteurs essentiellement AT1 pour induire une vasoconstriction artériolaire afférente et efférente. L’effet prédomine sur l’artériole efférente si bien que la pression capillaire glomérulaire et donc la filtration glomérulaire augmentent.
    Il existe aussi des récepteurs AT1 dans le tube rénal (tube proximal en particulier) par lesquels l’angiotensine II stimule directement la réabsorption de sodium (en plus de son effet indirect via l’aldostérone).

Les effets de l’angiotensine II sur l’hémodynamique rénale et glomérulaire ont été largement étudiés :

  • L’angiotensine II contracte l’AA, le mésangium, l’AE ce qui aboutit à la diminution de QA et de le surface de filtration efficace.
    Cependant, le dfgi est maintenu en raison de l’augmentation de la Pcg liée à une augmentation plus importante de RE que de RA (le rapport RE/RA augmente).
  • Inversement, lorsque l’on administre un bloqueur des récepteurs AT1 de l’angiotensine II, la RE diminue davantage que RA, si bien que la Pcg chute.
    Le dfgi est cependant maintenu en raison de l’augmentation de QA et probablement de la relaxation mésangiale (augmentation de S).
    Par contre, dans certaines situations où QA ne peut augmenter, en raison par exemple d’une sténose de l’artère rénale ipsilatérale, ou d’une insuffisance cardiaque, le blocage de l’action de l’angiotensine II ne se traduit que par la chute de Puf et de dfgi et donc une insuffisance rénale fonctionnelle.

Figure 6 : Synthèse et sécrétion de rénine au niveau de l’appareil juxtaglomérulaire

La microcirculation rénale est sous l’influence de nombreux peptides vaso-actifs.

  • La bradykinine qui agit sur les récepteurs B1 et B2, stimule la synthèse de prostaglandine et la vasodilatation.
  • Le peptide atrial natriurétique (ANP) est relargué par les cellules cardiaques et peut induire une vasodilatation systémique et rénale.
  • L’endothéline (ET) est un peptide 21 acide aminés fabriqué par l’endothélium vasculaire rénal et les tubules. C’est un vasoconstricteur puissant qui agit au niveau du rein principalement via des récepteurs ETB.
  • La vasopressine ou hormone antidiurétique stimule la vasoconstriction via des récepteurs V1 et des effets anti-diurétiques via des récepteurs V2.
  • Enfin d’autres neuro-hormones ou autacoïdes peuvent agir sur la microcirculation rénale :
  • La stimulation du nerf rénal sympathique libère de la noradrénaline. Comme l’adrénaline circulante, la noradrénaline fabriquée localement agit sur des récepteurs alpha couplés à des protéines G et elle est responsable d’une vasoconstriction de l’artériole afférente et efférente. La stimulation de rénine est également induite par la noradrénaline.
  • La dopamine exerce des effets vaso-dilatateurs à très faible concentration via des récepteurs DA1. A plus forte concentration, la dopamine cause surtout une vasoconstriction rénale en stimulant des récepteurs alpha 1 et en stimulant la libération de rénine via les récepteurs béta 1.
  • L’oxyde nitrique (NO) est un vasodilatateur puissant qui agit via le GMP cyclique et régule le tonus des muscles vasculaires lisses rénaux. Il est fabriqué à partir de la L-arginine par des NO-synthases présentes dans la macula densa, l’endothélium et les cellules mésangiales. Il a une durée d’action courte de quelques secondes et sa production est stimulée en réponse aux contraintes d’étirement mécanique pariétal.
  • L’adénosine produit une vasoconstriction médiée par des récepteurs A1 et une vasodilatation via des récepteurs A2.

5. Exploration de l’hémodynamique rénale

La compréhension de l’hémodynamique glomérulaire a été fortement améliorée par les études de microponction chez l’animal, en particulier chez le rat Wistar-Munich qui possède la particularité anatomique d’avoir des glomérules situés immédiatement sous la capsule corticale et donc plus facilement accessibles à l’exploration.
Il y a plusieurs limitations inhérentes à ces techniques : animal anesthésié, ce qui modifie le tonus vasculaire de base et la réactivité vasculaire ; exploration limitée aux seuls néphrons sous-capsulaires dont le fonctionnement est différent des néphrons juxta-médullaires.
De plus, de nombreuses études chez cet animal ont été menées dans des conditions d’hypovolémie induites par l’anesthésie, et les prélèvements.
Dans cette situation expérimentale, la Puf s’annule avant la fin du capillaire glomérulaire en raison d’un QA diminué et d’une augmentation rapide de la pression oncotique. Dans cette situation expérimentale précise, la Puf et donc le dfgi deviennent extrêmement dépendants de QA et sont fortement influencés par les variations de celui-ci.
Au contraire, chez le chien et très probablement chez l’homme, la Puf ne s’annule pas avant la fin du capillaire (situation appelée déséquilibre de filtration), si bien que la dépendance de dfgi vis-à-vis de QA est beaucoup moins marquée).

Chez l’homme, certains paramètres de l’hémodynamique rénale peuvent être appréciés indirectement par les méthodes de clairances globales. La clairance d’un marqueur librement filtré, ne subissant pas de modification tubulaire (inuline, chrome EDTA, iohexol, etc.) mesure le débit de filtration glomérulaire (DFGm). La clairance d’une substance, telle que l’acide para-amino-hippurique (PAH), éliminé en un seul passage dans le rein mesure le débit plasmatique rénal (DPR). Cette mesure est encore optimisée si l’on connaît le coefficient d’extraction réel du PAH, celui-ci n’étant jamais tout à fait égal à l’unité, même chez le sujet normal indemne de maladie rénale.

Le rapport DFG/DPR représente la fraction filtrée (FF). L’hématocrite et le DPR permettent de calculer le débit sanguin rénal. Le rapport pression de perfusion du rein sur débit sanguin rénal mesure la résistance vasculaire rénale globale (RVR). La pression de perfusion rénale est généralement assimilée à la pression aortique moyenne mais il faut lui retrancher la pression veineuse rénale lorsque celle-ci est élevée comme c’est le cas au cours de l’insuffisance cardiaque globale ou droite. Il est souvent admis que les variations de la fraction filtrée permettent d’apprécier indirectement celle de la Pcg. Cette notion simplificatrice est cependant erronée car une diminution proportionnelle de RA et de RE peut abaisser la fraction filtrée.

Rappelons enfin que la notion de résistance vasculaire rénale et de fraction filtrée perd beaucoup de sa signification en cas de réduction du nombre de néphrons fonctionnels.

6. Conclusions

En conclusion, l’étude de l’hémodynamique rénale et de ses déterminants à l’échelon du glomérule permet de mieux caractériser les mécanismes pathologiques de maladies rénales ou de maladies systémiques à expression rénale. L’étude hémodynamique rénale permet également de mieux définir l’effet des médicaments sur la fonction rénale afin d’optimiser l’approche thérapeutique.

 

Notes

[1Friedrich Henle était un physiologiste allemand, son nom s’orthographie sans accent !

[2Friedrich Henle était un physiologiste allemand, son nom s’orthographie sans accent !

 

Références

** Maddox DA?, Deen WM and Brenner BM. Glomerular filtration. In : Windhager EE eds. Handbook of Physiology. Section 8. Renal Physiology. New York : American Physiological Society - Oxford University Press,1992 : 545-638

Ichikawa I and Harris RC. Angiotensin actions in the kidney : Renewed insight into the old hormone. Kidney International 1991 ; 40:583-596 1745006

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** Pollak MR, Quaggin SE, Hoenig MP, Dworkin LD. The glomerulus : the sphere of influence. Clin J Am Soc Nephrol. 2014 ;9(8):1461–1469. 24875196 free

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