2. Le milieu intérieur : l’environnement vivant des cellules

1. Le milieu intérieur : une notion fondamentale

Au XIX^e siècle, Claude Bernard a formulé une idée fondatrice. Selon lui, les cellules vivent dans un environnement intérieur relativement stable, distinct du milieu extérieur (Bernard, 1865). Ainsi, cette notion a profondément transformé la physiologie.

En effet, l’organisme ne se contente pas de mettre ses cellules en contact avec l’environnement. Il construit et régule activement cet environnement. Concrètement, la température, le pH, les concentrations ioniques et la disponibilité de certaines substances restent dans des plages compatibles avec l’activité cellulaire.

Le « milieu intérieur » ne correspond donc pas uniquement au sang. En réalité, il désigne plus largement l’ensemble des liquides extracellulaires qui entourent les cellules et assurent leurs échanges avec l’organisme. Les principaux compartiments concernés sont les suivants :

• plasma, situé à l’intérieur des vaisseaux ;
• liquide interstitiel, présent autour des cellules ;
• lymphe, issue du liquide interstitiel recueilli par les vaisseaux lymphatiques ;
• certains liquides spécialisés, comme le liquide céphalorachidien.

Concrètement, le liquide extracellulaire constitue l’environnement immédiat de nombreuses cellules. Notamment, il leur fournit des substances nécessaires et reçoit en retour les produits de leur activité (Boron & Boulpaep, 2017).

2. Les compartiments extracellulaires

Concrètement, le plasma constitue la fraction liquide située à l’intérieur des vaisseaux sanguins. Il transporte notamment de l’eau, des ions, des nutriments, des gaz dissous, des hormones et des protéines.

Par ailleurs, une partie de l’eau et des solutés traverse les parois microvasculaires. Elle contribue ainsi à former le liquide interstitiel, qui entoure les cellules dans les tissus. Une fraction de ce liquide interstitiel, ainsi que les macromolécules qu’il contient, est recueillie par les capillaires lymphatiques. Après son entrée dans le réseau lymphatique, ce liquide est désigné comme lymphe. Elle circule ensuite dans un réseau spécialisé, avant de rejoindre la circulation sanguine (Boron & Boulpaep, 2017 ; Wiig & Swartz, 2012).

À ces compartiments s’ajoutent des liquides spécialisés, comme le liquide céphalorachidien, le liquide synovial ou certains liquides séreux. Par ailleurs, leur composition et leur renouvellement répondent à des contraintes physiologiques particulières.

Ces compartiments communiquent, mais ils ne sont pas interchangeables. En effet, leurs compositions, leurs barrières et leurs fonctions diffèrent. Ainsi, cette organisation permet à l’organisme de maintenir des environnements locaux adaptés aux besoins des différents tissus.

3. Dans la plupart des tissus, les cellules ne sont pas directement en contact avec le sang

Les cellules ne sont, dans la plupart des tissus, pas directement exposées au sang circulant. Le plasma reste à l’intérieur des vaisseaux, tandis que les cellules baignent dans le liquide interstitiel.

Concrètement, les échanges entre ces deux compartiments s’effectuent à travers la paroi des microvaisseaux. Le liquide interstitiel constitue ainsi une interface entre le compartiment vasculaire et le milieu cellulaire.

Cette organisation interpose donc, entre le plasma et les cellules, plusieurs barrières et espaces de transfert. La composition de l’environnement cellulaire dépend notamment :

• perméabilité microvasculaire ;
• propriétés de l’interstitium ;
• matrice extracellulaire ;
• activité des cellules ;
• pressions locales ;
• récupération du liquide interstitiel par le système lymphatique.

Le sang contribue donc au maintien du milieu intérieur. Néanmoins, il ne constitue pas l’environnement direct de toutes les cellules. Cette distinction est importante : elle évite de réduire la physiologie des échanges à la seule circulation sanguine. Entre le sang et la cellule existent en réalité des interfaces, des gradients et des transformations locales.

4. L’interstitium et le liquide interstitiel

Ce terme désigne l’espace extracellulaire situé entre les cellules et les microvaisseaux. Concrètement, il comprend une phase fluide — le liquide interstitiel —, une matrice extracellulaire, des solutés et différentes cellules résidentes. Le liquide interstitiel est donc une composante de l’interstitium, mais les deux termes ne sont pas synonymes.

En effet, l’interstitium ne doit pas être considéré comme un simple espace vide rempli d’eau. Il constitue au contraire un microenvironnement organisé, dont les propriétés reposent sur plusieurs facteurs :

• quantité et composition du liquide ;
• structure de la matrice extracellulaire ;
• présence de protéines et de macromolécules ;
• pression interstitielle ;
• perméabilité des microvaisseaux ;
• activité des cellules voisines.

Ainsi, Wiig et Swartz décrivent l’interstitium comme un microenvironnement composé de liquide, de protéines, de solutés et de matrice extracellulaire. Ils soulignent également que ses modifications peuvent influencer le fonctionnement des cellules et le transport des fluides dans les tissus (Wiig & Swartz, 2012).

Le liquide interstitiel est ainsi une interface dynamique entre les microvaisseaux, la matrice et les cellules.

5. Une composition continuellement régulée

Pour fonctionner correctement, une cellule doit maintenir des différences de concentration entre son intérieur et son environnement. Ces gradients concernent notamment :

• le sodium, le potassium, le calcium et le chlore ;
• les bicarbonates et le glucose ;
• l’oxygène et le dioxyde de carbone ;
• différentes protéines et molécules dissoutes.

Le pH et la température doivent également rester dans des plages compatibles avec l’activité enzymatique et les réactions métaboliques.

Cependant, la stabilité du milieu intérieur ne signifie pas que ces paramètres restent parfaitement constants. En réalité, ils fluctuent selon l’activité physique, l’alimentation, la respiration, la température et l’état physiologique. Certaines variations peuvent également être locales et dépendre de l’activité propre d’un tissu.

Par exemple, l’équilibre acido-basique constitue un cas de régulation complexe. Le pH extracellulaire dépend des systèmes tampons, des échanges d’ions, de la respiration et de la fonction rénale (Boron & Boulpaep, 2017 ; Kraut & Madias, 2010).

Il faut donc comprendre le milieu intérieur comme une composition régulée. Autrement dit, ce n’est pas un liquide uniforme, aux propriétés identiques dans tout le corps.

6. Des microenvironnements tissulaires différents

La stabilité globale du milieu intérieur n’implique pas une homogénéité parfaite dans tout l’organisme. En effet, les cellules d’un muscle actif, d’un tissu nerveux, d’un cartilage ou d’un épithélium ne se trouvent pas dans les mêmes conditions locales. Leur environnement dépend de leur activité métabolique, de leur vascularisation, de la matrice extracellulaire, de la température et des voies de récupération.

Par exemple, un muscle qui se contracte augmente localement ses besoins en oxygène et en énergie. Un tissu nerveux dépend, quant à lui, de gradients ioniques particulièrement précis. Enfin, un cartilage, dont la vascularisation est limitée, dépend de mécanismes d’échange différents de ceux d’un tissu richement vascularisé.

Le milieu intérieur doit donc être compris comme une organisation emboîtée :

• régulation générale à l’échelle de l’organisme ;
• régulations spécifiques à l’échelle des organes ;
• variations locales autour des cellules.

Cette hétérogénéité n’est pas nécessairement un défaut. Au contraire, elle permet aux tissus de répondre à des besoins différents. Elle signifie toutefois qu’une mesure réalisée dans un compartiment ne permet pas d’en déduire automatiquement l’état d’un autre.

7. Les échanges entre plusieurs compartiments

Concrètement, le maintien du milieu intérieur repose sur des échanges constants entre le plasma, l’interstitium et les cellules. Ces échanges concernent l’eau, les ions, les nutriments, les gaz respiratoires, les hormones, les protéines et les produits du métabolisme.

Ils ne reposent cependant pas sur un mécanisme unique. Selon la substance et le tissu concernés, ils peuvent impliquer la filtration, la diffusion, le transport convectif ou le transport membranaire. Par ailleurs, ces mécanismes seront détaillés dans un chapitre ultérieur consacré aux échanges tissulaires.

Pour l’instant, il suffit de retenir l’essentiel. Concrètement, les cellules dépendent d’un équilibre permanent entre l’apport de substances nécessaires et l’évacuation des produits dont elles n’ont plus besoin. Ainsi, un tissu dont l’environnement extracellulaire est modifié n’est pas nécessairement privé immédiatement d’échanges. En revanche, la composition locale, les gradients et les conditions de transfert peuvent, eux, être modifiés.

8. Pressions et équilibre des fluides

Les mouvements d’eau entre les microvaisseaux et l’interstitium dépendent de plusieurs facteurs :

• les pressions hydrostatiques et les pressions oncotiques ;
• la perméabilité de la paroi vasculaire ;
• les propriétés de l’interstitium et de la matrice extracellulaire ;
• la récupération lymphatique.

Notamment, la compréhension actuelle de ces échanges a conduit à réviser la formulation classique du principe de Starling. En effet, les échanges microvasculaires ne peuvent plus être décrits comme un simple équilibre entre deux forces qui s’annuleraient mécaniquement. Le glycocalyx endothélial et les caractéristiques locales de la paroi vasculaire y jouent notamment un rôle important (Levick & Michel, 2010).

Ainsi, dans de nombreux tissus à l’état stationnaire, les capillaires produisent une faible filtration nette vers l’interstitium. Par ailleurs, l’excédent de liquide et de macromolécules est principalement récupéré par le système lymphatique. Une réabsorption capillaire peut néanmoins survenir transitoirement, ou dans certains territoires spécialisés (Levick & Michel, 2010 ; Reed & Rubin, 2010).

La pression interstitielle et les propriétés de la matrice participent également aux conditions de transfert entre les microvaisseaux et les tissus (Reed & Rubin, 2010). Cette précision est importante. L’équilibre du milieu intérieur ne dépend pas seulement de la quantité de liquide présente. Il dépend aussi des propriétés des barrières, des gradients et des voies de récupération.

9. Ce que cela change pour la position assise

Toutefois, cela ne signifie pas qu’une zone comprimée devienne immédiatement un espace fermé, ni que les échanges y cessent complètement. Les conséquences dépendent en réalité de nombreux facteurs :

• l’intensité de la charge et la durée d’exposition ;
• la surface de contact et la nature des tissus ;
• la capacité de repositionnement ;
• l’état vasculaire et métabolique ;
• la sensibilité individuelle.

Ainsi, cet article ne permet pas encore de conclure qu’une assise dynamique améliore les échanges. Il permet seulement de comprendre pourquoi l’environnement local des cellules dépend de conditions mécaniques, hydriques et biologiques régulées. Les articles suivants de ce dossier détailleront la matrice extracellulaire, puis les mécanismes physiques — diffusion, osmose, filtration — qui permettent ces échanges.