Lung growth and development in the rat : effects of early protein-energy malnutrition

La malnutrition protéino-énergétique du jeune enfant est un des problèmes cruciaux de santé publique dans de nombreux pays. La carence protéique y est prédominante. La croissance et le développement postnatal du poumon humain surviennent principalement au cours des 3 premières années de vie. Chez le rat, cette période correspond aux trois premières semaines de vie, soit à la période de lactation. Elle est caractérisée par un accroissement important du volume des différentes composantes pulmonaires ainsi qu’un réarrangement structurel et fonctionnel dans le sens de la maturation du tissu du parenchyme. J’ai étudié les effets d’une déficience protéino-énergétique chez le rat en croissance intensive sur le restructuration postnatale du parenchyme pulmonaire. La restriction en protéines est instaurée soit dès la période de lactation (période néonatale) soit après le sevrage.
LE déficit en protéines entraîne toujours une diminution de la consommation de nourriture ; ce qui aboutit à une carence mixte, protéino-énergétique. Chez les rates allaitantes, cela s’accompagne d’une baisse importante de la production de lait. La croissance pondérale de la progéniture est toujours très affectée. Après réalimentation de 11 semaines, même commencée à la maturité sexuelle (j49), la reprise pondérale est spectaculaire. Cependant les rats soumis à une restriction protéique dès la première semaine de vie ne rattrapent pas complètement le poids des témoins. Dans tous les cas, le retard de croissance du poumon est manifeste ainsi qu’en témoignent la diminution du poids humide, du volume après fixation et de la quantité totale d’ADN. Cependant, lorsque la malnutrition est instaurée après le sevrage, on note une préseervation relative du poumon (poids spécifiques et concentration en ADN plus élevés que chez les rats témoins).
La baisse constante de la compliance des poumons gonflés à l’air est compatible avec des anomalies, au moins quantitatives, du surfactant pulmonaire. Avec le sérum physiologique, les poumons des rats carencés dès la période néonatale présentent une diminution de la pression rétractile, ce qui correspond à une baisse de la concentration d’élastine. Le pic d’accumulation de celle-ci qui survient normalement entre j12 et j20 est donc empêchée par une malnutrition précoce.
Sur le plan architectural, il est intéressant de constater que les petits poumons des animaux mal nourris présentent un aspect parfaitement mature au sevrage. On voit cependant apparaître un amincissement des septa inter-alvéolaires lorsque la malnutrition est prolongée jusqu’à j49. Malgré la début précoce de la malnutrition et l’important retard de croissance, il n’existe pas d’emphysème nutritionnel. Les densités volumiques et de surface calculées par morphométrie restent normales pour toutes les composantes du parenchyme pulmonaire. La moyenne arithmétique de l’épaisseur des septa est diminuée, alors que la moyenne harmonique de l’épaisseur de la barrière air-sang (tissu+plasma) est inchangée. La capacité anatomique du poumon pur la diffusion de l’oxygène qui est diminuée en termes absolus reste proportionnelle au poids corporel. Après réalimentation, la récupération est quasi compète pour tous les paramètres morphométriques. De même l’aspect morphologique est restauré. Ce rattrapage spectaculaire au delà de la période de restructuration intensive du parenchyme pulmonaire suggère une importante formation de novo des alvéoles

The striking progress in modern technology contrasts with the persistently high prevalence of manultrition over the world. In many countries, this prevalence even tends to increase because of socio-political conflicts. Obviously, children are by far the most immediate victims of this lamentable situation. Based on cross-sectional data gathered between 1980 and 1992, the World Health Organisation estimates that, in developing countries, 43 percent of children under 5 years of age are clinically undernourished (de Onis et al. 1993). About 5 percent among them suffer from advanced and life-threatening forms of malnutrition.
Chronically inadequate food consumption is by far the most common cause of nutritional disorders in childhood (i.e. primary malnutrition). Malnutrition can result from other chronic diseases (secondary malnutrition). This is the most prevalent condition for malnourished children in industrialized countries.
The analysis of acute and long term consequences of inadequate nutrition during childhood represents an important direction on the study of nutritional disorders. A dramatic observation is that about one half of deaths among children over the world is directly or indirectly related to malnutrition (Frenk 1985). It is easily imaginable that during manutritional states, structure or function of organs can undergo alterations in various ways. While less clinically spectacular, some of these abnormalities expose the subjects to severe and possibly permanent invalidity. Children in the active period of growth are likely to be most sensitive to the deleterious effects of malnutrition.
Though there is agreement on the particular susceptibility of the respiratory system during the course of childhood protein-energy deficiendies, this statement is base entirely on the almost constant and often lethal association between malnutrition and respiratory infections (Martin 1987; Rothkopf and Askanazi 1988). Except for that, and comparatively to other vital organs like liver and brain, our knowledge of the potential direct effects of protein-energy deficiency on the structure and function of the respiratory system is scant.
Using experimental animals, however, the question has been addressed in various ways from the late seventies. Despite some contradictions, no doubt exists that inadequate food supply can adversely affect the structural and functional integrity of the lung. This has been appropriately summarized in two recent reports (Gaultier 1991; Sahabjami 1993). So far, the problem has been considered most of the time on adults animals (mainly rats), that is in animals with already mature lungs growing at a low rate. In addition, information has mostly been obtained after short periods of food deprivation. This is explained by the fact that, for most investigations, the questions were not related to the specific conditions of primary malnutrition in young children as observed in developing countries.
The purpose of the present work is to review, in the light of the literature and of personal contributions, the effects of experimental protein-energy deficiency on the growing lung. Particular focus is brought to bear on prolonged nutritional deprivation with onset in early life. We first consider the general characteristics of primary malnutrition in children. Further, the critical events occurring in the lung during early growth are summarized in the rat, the model we used, and for comparison in the human. Finally, the nutrition-related alterations of the function and the structure of the lung parenchyma, which were essentially studied in excided organs, are discussed