MD CV DFGSM V2b - UE CardioVasculaire DFGSM2
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http://pathologie-cardiovasculaire.etud.univ-montp1.fr/ Physiologie Cardio-Vasculaire DFGSM2 U.F.R. de Médecine de Montpellier – Nîmes Octobre 2013 Michel Dauzat – Antonia Pérez-Martin 1 Physiologie Cardio-Vasculaire 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 2 1 - Organisation générale de l’appareil Cardio-Vasculaire Organisation Générale Le Cœur et le cycle cardiaque Volume Sanguin, Pression Sanguine Le Cardiomyocyte Le Tissu Nodal Loi de Starling, Force Ventriculaire, Boucle Pression / Volume L’accord Cardio-Vasculaire, l’onde artérielle La Microcirculation La Cellule Musculaire Lisse Vasculaire La Fonction Endothéliale Vasomotrice Le Contrôle Vasomoteur La Circulation Lymphatique La Circulation Veineuse Fonction Cardiaque versus Fonction Vasculaire Respiration Diffusion ∼0,5 µm Veines Artères Cœur Retour Distribution Capillaires Diffusion ∼10 µm Artérioles Cellules Si les organismes vivants uni- ou pauci-cellulaires peuvent survivre en échangeant directement, par simple diffusion, oxygène et nutriments d’une part, dioxyde de carbone et déchets métaboliques d’autre part, avec leur environnement (notamment en milieu liquide), le temps nécessaire aux échanges par diffusion augmente en fonction du carré de la distance et devient donc incompatible avec un métabolisme normal chez les organismes plus volumineux. Chez les insectes, ce sont des petits tubes, les trachées, qui conduisent les gaz respiratoires à proximité des cellules. Chez les animaux de plus grande taille, un vecteur d’échanges est nécessaire : il est représenté par le sang, propulsé par le cœur, dans un réseau de distribution, constitué par les vaisseaux sanguins : l’ensemble forme l’appareil cardio-vasculaire. 3 4 1 - Organisation générale de l’appareil Cardio-Vasculaire 1 - Organisation générale de l’appareil Cardio-Vasculaire Respiration Respiration Diffusion ∼0,5 µm Cœur Cellules Cellules L’appareil cardio-vasculaire est interfacé avec l’environnement, par les poumons pour les échanges concernant les gaz respiratoires, par l’appareil digestif pour l’entrée des nutriments et l’élimination de certains produits par la bile et les sécrétions digestives, et par les reins pour l’élimination des déchets solubles. Au niveau des poumons, la distance séparant l’air contenu dans les alvéoles pulmonaires et les vaisseaux sanguins capillaires est inférieure à 1 µm, ce qui est tout à fait compatible avec des échanges rapides et efficaces par diffusion. 5 1 - Organisation générale de l’appareil Cardio-Vasculaire 6 1 - Organisation générale de l’appareil Cardio-Vasculaire Respiration Respiration Diffusion ∼0,5 µm Diffusion ∼0,5 µm Artères Artères Cœur Cœur Résistance ajustable Conduction Distribution Conduction Distribution Artérioles Cellules Cellules Le sang oxygéné lors de son passage dans les poumons est ensuite propulsé par le ventricule gauche dans un réseau ramifié de distribution constitué par les artères, conduisant le sang jusqu’aux organes et tissus. A l’extrémité de ce réseau, les petites artères approvisionnant les tissus sont remarquables par l’épaisseur relative de la musculature de leur paroi, de sorte qu’elles jouent un rôle de contrôle des conditions circulatoires locales, permettant, selon que cette musculature se contraste (vasoconstriction) ou se relâche (vasorelaxation), respectivement de réduire ou accroître le débit sanguin : ce sont les artérioles. 7 8 1 - Organisation générale de l’appareil Cardio-Vasculaire 1 - Organisation générale de l’appareil Cardio-Vasculaire Respiration Respiration Diffusion ∼0,5 µm Diffusion ∼0,5 µm Artères Veines Cœur Artères Cœur Retour Capacité Capillaires Diffusion ∼10 µm Résistance ajustable Conduction Distribution Résistance ajustable Capillaires Diffusion ∼10 µm Artérioles Cellules Conduction Distribution Artérioles Cellules Fait suite aux artérioles un fin réseau de très petits vaisseaux, richement interconnectés (« anastomosés »), les capillaires. Contrairement aux autres vaisseaux sanguins, les artérioles sont quasiment dépourvues de musculature, leur paroi, très fine, se limitant à un revêtement fait d’une couche unique de cellules (l’endothélium). A travers de cette paroi, les échanges entre le sang et liquide intercellulaire (ou liquide interstitiel) se font très facilement, par diffusion. Dans de nombreux tissus, la paroi des vaisseaux capillaires comporte en outre des orifices, ou « pores », permettant le passage de molécules non diffusibles. A l’issue du réseau capillaire, le sang est collecté par de petites veines (ou « veinules »), qui se rassemblent pour former de plus larges veines, ramenant le sang vers le cœur. D’une façon générales, les veines sont des vaisseaux sanguins de diamètre plus large que les artères, et de paroi plus fine, plus facilement déformables. Ainsi, l’ensemble des veines constitue une sorte de réservoir sanguin, contenant environ les deux tiers du volume sanguin total. 9 1 - Organisation générale de l’appareil Cardio-Vasculaire 10 1 - Organisation générale de l’appareil Cardio-Vasculaire Réseau Veineux Réseau Artériel Tête, Cou Membres supérieurs Respiration Diffusion ∼0,5 µm Bronches Poumons Veines Artères Cœur Retour Capacité Capillaires Diffusion ∼10 µm Coronair es Résistance ajustable Conduction Distribution Rate Foie Mésentère Artérioles Tubules Cellules Glomérules Tronc, Pelvis Membres inférieurs L’appareil cardio-vasculaire est donc un circuit fermé, avec un réseau de conduction et distribution formé par les artères, un site de contrôle du débit sanguin local constitué par les artérioles, un site d’échanges par diffusion représenté par les capillaires, et un circuit de retour représenté par les veines, qui jouent aussi un rôle de réservoir sanguin. L’appareil cardio-vasculaire est en réalité constitué de deux circuits : la circulation pulmonaire ou « petite circulation », et la circulation générale ou « systémique », disposées en série. 11 12 1 - Organisation générale de l’appareil CardioVasculaire 1 - Organisation générale de l’appareil Cardio-Vasculaire s on um o P eur Co Le cœur comporte en fait deux parties : le cœur droit, qui propulse le sang dans la circulation pulmonaire, et le cœur gauche, qui le propulse vers la circulation systémique. Poumons Le sang ramené au cœur droit par les veines est ainsi propulsé par le ventricule droit dans l’artère pulmonaire, qui le distribuent aux poumons, où il est débarrassé du dioxyde de carbone et saturé en dioxygène. Les veines pulmonaires amènent ensuite ce sang fraîchement oxygéné vers le cœur gauche. 13 1 - Organisation générale de l’appareil Cardio-Vasculaire au rve Ce 14 1 - Organisation générale de l’appareil Cardio-Vasculaire Tête, Cou Membres supérieurs Poumons Poumons urs , rie ou Supé C e, s Têt mbre e M Selon la même disposition, les artères subclavières approvisionnent les membres supérieurs et le cou. Le ventricule gauche propulse alors ce sang oxygéné vers les différents organe, par un gros vaisseau unique, l’aorte, qui se divise en branches approvisionnant l’ensemble de l’organisme. Vers la tête et le cerveau, ce sont les artères carotides. Les veines qui drainent ces organes convergent vers la veine cave supérieure, qui rejoint le cœur droit. 15 16 1 - Organisation générale de l’appareil Cardio-Vasculaire 1 - Organisation générale de l’appareil Cardio-Vasculaire Tête, Cou Tête, Cou Membres supérieurs Membres supérieurs Poumons Poumons Foie Rate Foie ie Fo te Ra Dans la partie inférieur du corps, l’aorte donne des branches en direction des principaux viscères de la cavité abdominale, notamment le foie par l’artère hépatique. Le sang veineux du foie rejoint, par la veine cave inférieure, le cœur droit. De la même façon, la rate est approvisionné en sang fraîchement oxygéné par l’artère splénique (ou liénale). 17 1 - Organisation générale de l’appareil Cardio-Vasculaire 18 1 - Organisation générale de l’appareil Cardio-Vasculaire Tête, Cou Tête, Cou Membres supérieurs Membres supérieurs Poumons Foie Poumons Rate Foie Rate Mésentère ine Ve r te Po te Ra t sen Mé Mais l’on constate là une première variante au schéma circulatoire général : le sang veineux provenant de la rate ne rejoint pas directement la veine cave inférieure, mais une veine intermédiaire, la veine porte, qui le conduit au foie. ère La même disposition concerne le tube digestif (estomac, duodénum, jéjunum, iléon, colon, rectum) et ses glandes : leur sang veineux rejoint aussi la veine porte, et parvient donc au foie. Celui-ci reçoit donc un double apport sanguin : du sang « artériel », par l’artère hépatique, et du sang « veineux », par la veine porte. 19 20 1 - Organisation générale de l’appareil Cardio-Vasculaire 1 - Organisation générale de l’appareil Cardio-Vasculaire Tête, Cou Tête, Cou Membres supérieurs Membres supérieurs Poumons ins Re ffé eA rio é t r :A te ren Poumons Rate Foie Mésentère Glomérules Tubules : ins Re Les reins sont aussi le siège d’une disposition circulatoire particulière : ils reçoivent du sang « artériel » par les artères rénales,, lesquelles se divisent en branches successives, pour donner finalement des artérioles qui perfusent les glomérules (à l’échelle microscopique, les glomérules représentent les sites de filtration du sang produisant l’urine « primitive »). e air pill Ca e lair éru m o Gl Rate Foie Mésentère Glomérules Tubules A l’artériole (« afférente ») parvenant au glomérule fait donc suite un capillaire (dit « glomérulaire »), puis une nouvelle artériole (« efférente »). 21 1 - Organisation générale de l’appareil Cardio-Vasculaire 22 Tête, Cou 1 - Organisation générale de l’appareil Cardio-Vasculaire Tête, Cou Membres supérieurs Membres supérieurs Poumons ins Re le E rio é t r :A te ren ffe Foie Poumons Rate s ur s, lv i férie e P n c, s I on bre r T em M Mésentère Tubules Glomérules Vient alors un nouveau capillaire, très long, qui chemine le long du tubule (site d’ajustement actif de la composition de l’urine). Il s’agit donc d’un dispositif « en série » : artériole – capillaire – artériole – capillaire – veinule. Rate Foie Mésentère Tubules Glomérules Tronc, Pelvis Membres inférieurs Par contre, la disposition circulatoire est « classique » pour le tronc, le pelvis, et les membres inférieurs : les branches de l’aorte, notamment les artères iliaques, se ramifient pour approvisionner les os, les muscles, la peau et les organes de l’appareil urogénital, dont le sang veineux est collecté par des veines rejoignant la veine cave inférieure. 23 24 1 - Organisation générale de l’appareil Cardio-Vasculaire 1 - Organisation générale de l’appareil Cardio-Vasculaire Tête, Cou Tête, Cou Membres supérieurs n atio cul hique r i C nc Bro Membres supérieurs n atio cul hique r i C nc Bro Bronches Poumons Bronches Poumons Rate Foie Rate Foie Mésentère Mésentère Glomérules Tubules Glomérules Tubules Tronc, Pelvis Tronc, Pelvis Membres inférieurs Membres inférieurs La circulation pulmonaire elle-même comporte aussi une particularité anatomique : les poumons reçoivent du sang « veineux », pauvre en oxygène et riche en dioxyde de carbone, par l’artère pulmonaire, mais aussi du sang « artériel », riche en oxygène, par les artères bronchiques, issues de l’aorte. Le sang veineux de cette circulation bronchique rejoint essentiellement les veines pulmonaires, ce qui explique que le sang parvenant au cœur gauche ne soit plus totalement saturé en oxygène, puisque mélangé à un peu de sang veineux. 25 26 2 - Le Cycle Cardiaque 1 - Organisation générale de l’appareil Cardio-Vasculaire Tête, Cou Membres supérieurs Veine Cave Supérieure Aorte Artère Pulmonaire Bronches Poumons n atio cul aire r i C on r Co Veines Pulmonaires Valve Pulmonaire Atrium Gauche Atrium Droit Coronair es Rate Foie Valve AtrioVentriculaire Mitrale Valve AtrioVentriculaire Tricuspide Valve Aortique Mésentère Tubules Veine Cave Inférieure Glomérules Ventricule Gauche Tronc, Pelvis Ventricule Droit Membres inférieurs Enfin, la circulation sanguine du cœur lui-même, ou circulation coronaire, présente aussi quelques particularités. Les artères coronaires naissent à l’origine de l’aorte, immédiatement après la valve, et le sang veineux coronaire gagne pour une part le cœur droit par le sinus veineux, mais pour une part aussi le cœur gauche, par de petites veines accessoires, ce qui contribue à « désaturer » encore un peu le sang dans le cœur gauche. Le cœur est un organe musculaire qui comporte donc deux parties : cœur droit et cœur gauche, et chacune de ces parties est elle-même subdivisée en deux cavités : l’atrium (anciennement appelé « oreillette ») et le ventricule, séparés par une valve, la valve atrio-ventriculaire. L’atrium droit reçoit le sang veineux de la circulation systémique, par la veine cave supérieure et la veine cave inférieure. 27 28 2 - Le Cycle Cardiaque 2 - Le Cycle Cardiaque Systole Ventriculaire Diastole ventriculaire Lors de la systole ventriculaire, le ventricule droit se contracte, éjectant le sang qu’il contient dans l’artère pulmonaire, tandis que le ventricule gauche éjecte le sang dans l’aorte. Le fonctionnement du cœur est cyclique, alternant diastole (phase de repos) et systole (phase de travail). Si l’on considère le fonctionnement des ventricules, la diastole est principalement représentée par leur remplissage : des veines caves supérieure et inférieure vers l’atrium droit et de l’atrium droit vers le ventricule droit d’une part, des veines pulmonaires vers l’atrium gauche et de l’atrium gauche vers le ventricule gauche d’autre part. 29 2 - Le Cycle Cardiaque : 4 étapes A D e tol ia s A V Remplissage Ventriculaire 0,500 s 3 le s to Sy V ↗ e = lum Vo ssion e r P Contraction iso-volumétrique 0,035 s Di a A Ejection Systolique 0,300 s 1 V 4 A 2 - Le Cycle Cardiaque : 4 étapes le s to Sy 2 1 30 A V le s to Remplissage Ventriculaire 0,500 s V Relaxation Iso-volumétrique 0,080 s Le cœur droit et le cœur gauche étant chacun formés de deux cavités (atrium et ventricule), le cycle cardiaque comporte en fait quatre temps : le remplissage ventriculaire (à la fin duquel se produit la contraction de l’atrium), puis la contraction ventriculaire isométrique, l’éjection systolique, et la relaxation ventriculaire isovolumétrique. La première phase est le remplissage du ventricule avec le sang provenant de l’atrium. C’est un phénomène d’abord passif, suivant le gradient de pression car le ventricule est en phase de relaxation (réalisant une aspiration), puis actif, lorsque l’atrium se contracte. 31 32 2 - Le Cycle Cardiaque : 4 étapes 2 - Le Cycle Cardiaque : 4 étapes 3 2 = e lum n Vo io s s Pre ↘ = A ↑ e lum n Vo io s s Pre A V V Ejection Systolique 0,300 s Contraction iso-volumétrique 0,035 s La deuxième phase est celle de la contraction dite iso-volumétrique car le volume du ventricule ne change pas pendant cette brève période. En effet, dès que le muscle du ventricule se contracte, la pression dans la cavité augmente, refoulant la valve atrio-ventriculaire qui se ferme, alors que la valve de sortie du ventricule (donc valve aortique pour le ventricule gauche ou valve pulmonaire pour le ventricule droit) est encore fermée. Durant cette phase, la pression à l’intérieur du ventricule s’élève rapidement. Lorsque, du fait de cette contraction, la pression dans la cavité ventriculaire dépasse la pression régnant, respectivement, dans l’aorte ou dans l’artère pulmonaire, la valve correspondante s’ouvre et le sang jaillit hors du ventricule : c’est la phase d’éjection systolique, durant laquelle le volume du ventricule diminue. 33 34 2 - Le Cycle Cardiaque : 4 étapes 2 - Le Cycle Cardiaque : 4 étapes A 4 = e lum n Vo io ss Pre ↓ A Di a le s to A V Remplissage Ventriculaire 0,500 s V 3 le s to Sy Contraction iso-volumétrique 0,035 s Di a A V Ejection Systolique 0,300 s Lorsque la contraction ventriculaire se termine, la pression dans la cavité du ventricule commence à décroître et devient ainsi inférieure à la pression régnant dans l’aorte ou dans l’artère pulmonaire, de sorte que la valve correspondante se ferme, isolant à nouveau le ventricule : c’est la phase de relaxation isovolumétrique, durant laquelle le volume du ventricule ne change pas tandis que la pression diminue. Cette phase se termine lorsque la pression sanguine dans le ventricule devient inférieure à la pression dans l’atrium, de sorte que la valve atrio-ventriculaire s’ouvre, et que commence une nouvelle phase de remplissage ventriculaire. V 4 A Relaxation Iso-volumétrique 0,080 s le s to Sy 2 1 le s to V Relaxation Iso-volumétrique 0,080 s La pompe cardiaque fonctionne donc en quatre temps, dont deux (relaxation isovolumétrique et remplissage ventriculaire) constituent la diastole ventriculaire, et les deux suivants (contraction isovolumétrique et éjection systolique) constituent la systole. 35 36 3a – Grandeurs Physiques : L’activité Cardiaque dans le temps 3a – Grandeurs Physiques : L’activité Cardiaque dans le temps Pression (mm Hg) Pression (mm Hg) 100 1 2 3 4 100 Aorte e ag iss ir e pl ul a m c i Re ntr Ve Ventricule Gauche 0 0 R T P Electrocardiogramme Q S B1 Phonocardiogramme "Poum" B2 "Ta" Le cycle de fonctionnement cardiaque se traduit par des variations de grandeurs physiques mesurables : pression sanguine dans le ventricule et dans les artères, traduction électrique de l’activité du cœur (électrocardiogramme), mais aussi bruits audibles au stéthoscope. Ces manifestations tangibles de l’activité cardiaque peuvent être présentées sur un graphique, en fonction des quatre phases du cycle : le remplissage ventriculaire, 37 3a – Grandeurs Physiques : L’activité Cardiaque dans le temps Pression (mm Hg) 1 2 3 38 3a – Grandeurs Physiques : L’activité Cardiaque dans le temps Pression (mm Hg) 4 100 1 2 3 4 100 on cti t ra ue n o Co Is ét riq um Vo n ti o e ec qu Éj t ol i s Sy 0 0 La contraction isovolumétrique, L’éjection systolique, 39 40 3a – Grandeurs Physiques : L’activité Cardiaque dans le temps 3a – Grandeurs Physiques : L’activité Cardiaque dans le temps Pression (mm Hg) 1 2 3 Pression (mm Hg) 4 100 100 n io at l ax - que Re Iso ét ri ém ul Vo Ventricule Gauche 0 0 Et la relaxation isovolumétrique. Dans le ventricule gauche, la pression sanguine augmente rapidement pendant la phase de contraction isovolumétrique, continue d’augmenter puis commence à décroître pendant la phase d’éjection systolique, puis choit brusquement dans la phase de relaxation isovolumétrique pour atteindre un minimum à partir duquel s’ouvre la valve atrio-ventriculaire, et augmente modérément et progressivement pendant la phase de remplissage ventriculaire, avec un petit renforcement à la fin de cette phase lorsque survient la contraction de l’atrium. Dans le ventricule droit, la courbe d’évolution de la pression sanguine est identique, mais avec des valeurs environ 4 fois moindres. 41 3a – Grandeurs Physiques : L’activité Cardiaque dans le temps 42 3a – Grandeurs Physiques : L’activité Cardiaque dans le temps Pression (mm Hg) Pression (mm Hg) 100 100 Aorte Ventricule Gauche Aorte Ventricule Gauche 0 0 Electrocardiogramme L’électrocardiogramme est l’enregistrement des variations de potentiel électrique produites par l’activité cardiaque. Ces variations peuvent être captées à la peau, par des électrodes appliquées sur le thorax (dérivations dites « précordiales ») ou sur les membres (dérivations dites « périphériques »). Le cœur étant un muscle (le myocarde), donc constitué de cellules présentant, lors de leur contraction, une dépolarisation, la somme de ces dépolarisations et des repolarisations qui leur font suite est détectable à distance. Dans l’aorte et dans les artères principales, la pression sanguine (dite « pression artérielle ») suit le décours de la pression ventriculaire gauche durant la phase d’éjection systolique, puisque la valve aortique est ouverte. Elle atteint une valeur maximale, dite « pression artérielle systolique », au cours de cette phase. Lorsque la valve aortique se ferme, la pression artérielle se désolidarise de la pression ventriculaire, et diminue progressivement, atteignant une valeur minimale, dite « pression artérielle diastolique », à la fin de la phase de contraction isovolumétrique, immédiatement avant que la valve aortique ne s’ouvre à nouveau. Chez un sujet sain, la pression systolique est de l’ordre de 120 mm Hg, et la pression diastolique de l’ordre de 70 mm Hg. 43 44 3a – Grandeurs Physiques : L’activité Cardiaque dans le temps 3a – Grandeurs Physiques : L’activité Cardiaque dans le temps Pression (mm Hg) Pression (mm Hg) 100 100 Aorte Aorte Ventricule Gauche Ventricule Gauche 0 0 R P P Electrocardiogramme Electrocardiogramme Q S QRS : Dépolarisation Ventriculaire P : Dépolarisation Atriale Le premier événement notable sur l’électrocardiogramme est une petite onde positive, l’onde P, traduisant la dépolarisation atriale. Après un bref intervalle, survient une deuxième onde, plus ample, triphasique, le « complexe QRS », constitué d’une première onde négative (onde Q), suivie d’une grande onde positive (onde R) et d’une onde négative (onde S): ce « complexe » traduit la dépolarisation ventriculaire. 45 3a – Grandeurs Physiques : L’activité Cardiaque dans le temps 46 3a – Grandeurs Physiques : L’activité Cardiaque dans le temps Pression (mm Hg) Pression (mm Hg) 100 100 Aorte Aorte Ventricule Gauche Ventricule Gauche 0 i re u la tric V en es A v lv on cti es Va t ra on u re d C t : B1 eTr me f Et 0 R R T P Electrocardiogramme Q P Electrocardiogramme Q S B1 Phonocardiogramme R : Repolarisation Ventriculaire Enfin, plus tardivement, s’enregistre une petite onde positive, l’onde T, marquant la repolarisation ventriculaire. L’électrocardiogramme est donc un outil non vulnérant d’observation de l’activité cardiaque, permettant de diagnostiquer d’une part les troubles de l’excitation des cellules musculaires cardiaques et de la conduction de cette excitation, et d’autre part les conséquences des troubles circulatoires coronaires, notamment en cas d’obstruction conduisant à la mort cellulaire : l’infarctus du myocarde. S "Poum" B2 "Ta" Les bruits du cœur sont une autre manifestation tangible de l’activité cardiaque. En posant l’oreille sur le thorax (ou, plus facilement, avec un stéthoscope), on peut entendre principalement deux bruits, respectivement décrits par les onomatopées « Poum » (bruit sourd) et « Ta » (bruit sec, plus claquant). Le premier, dénommé « B1 », marque la contraction ventriculaire. 47 48 3a – Grandeurs Physiques : L’activité Cardiaque dans le temps Pression Sanguine Ventricule Gauche T Phonocardiogramme B1 50 0 30 15 0 1000 Aire Vasculaire 100 10 0 S "Poum" B2 Poumons "Ta" Artères Veinules Veines VOLEMIE Volume Sanguin Le second, dénommé « B2 », marque la fermeture des valves aortique et pulmonaire. Coeur Capillaires R P 100 Artérioles 0 Electrocardiogramme Q Vitesse Circulatoire es a lv sV de ai re e r n et u lmo er m Pu : F ue & 2 B rt i q Ao Vitesse moyenne (cm/s) Aorte Aire (cm2) 100 Pression (mm Hg) 3b – Grandeurs Physiques : L’activité Cardiaque dans l’espace (systémique) Pression (mm Hg) 10% 10% 10% 5% 65% Nous venons d’examiner les variations, au cours du cycle cardiaque, des principales grandeurs physiques que sont la pression sanguine, l’activité électrique, et les bruits du cœur. Il convient d’examiner aussi la répartition des grandeurs physiques dans l’appareil cardio-vasculaire : pression, vitesse circulatoire sanguine, aire de section vasculaire, et volume sanguin. 49 eu Co 0 30 15 r Vitesse Circulatoire 0 Aire Vasculaire 0 Volume Sanguin Coeur Artères Capillaires 10 15 0 10% 10% 5% Pression (mm Hg) 100 10 0 Veinules Veines Poumons VOLEMIE 10% Aire (cm2) 100 Poumons 0 30 1000 Artérioles Aire Vasculaire Aire (cm2) 1000 50 Volume Sanguin 65% Ces grandeurs physiques évoluent ainsi dans la circulation pulmonaire, Coeur Artères Capillaires Vitesse Circulatoire Pression Sanguine 50 100 Artérioles ns mo 3b – Grandeurs Physiques : L’activité Cardiaque dans l’espace (systémique) 100 Vitesse moyenne (cm/s) u Po Vitesse moyenne (cm/s) Pression Sanguine Pression (mm Hg) 3b – Grandeurs Physiques : L’activité Cardiaque dans l’espace (systémique) 50 Veinules Veines VOLEMIE 10% 10% 10% 5% 65% Les cavités cardiaques, 51 52 30 15 ri o s le Vitesse Circulatoire 0 Aire Vasculaire 0 Coeur Artères Capillaires 10 10% 15 0 10% 10% 5% Pression (mm Hg) 100 10 0 Veinules Veines Poumons VOLEMIE Volume Sanguin Aire (cm2) 100 Poumons 0 30 1000 Artérioles Aire Vasculaire Aire (cm2) 1000 50 Les artères, Coeur Artères Veinules Veines VOLEMIE Volume Sanguin 65% Capillaires Vitesse Circulatoire té Ar 0 100 Artérioles re l pa ci Pression Sanguine 50 es Vitesse moyenne (cm/s) tè Ar rin sp 3b – Grandeurs Physiques : L’activité Cardiaque dans l’espace (systémique) 100 Vitesse moyenne (cm/s) Pression Sanguine Pression (mm Hg) 3b – Grandeurs Physiques : L’activité Cardiaque dans l’espace (systémique) 10% 10% 10% 5% 65% Les artérioles, 53 in Ve 0 30 15 es ul Vitesse Circulatoire 0 Aire Vasculaire 0 Volume Sanguin Coeur Artères Capillaires 10 15 0 10% 10% 5% Pression (mm Hg) 100 10 0 Veinules Veines Poumons VOLEMIE 10% Aire (cm2) 100 Poumons 0 30 1000 Artérioles Aire Vasculaire Aire (cm2) 1000 50 Volume Sanguin 65% Les capillaires, Coeur Artères Capillaires Vitesse Circulatoire Pression Sanguine 50 100 Artérioles es ai r 3b – Grandeurs Physiques : L’activité Cardiaque dans l’espace (systémique) 100 Vitesse moyenne (cm/s) ll pi Ca Vitesse moyenne (cm/s) Pression Sanguine Pression (mm Hg) 3b – Grandeurs Physiques : L’activité Cardiaque dans l’espace (systémique) 54 Veinules Veines VOLEMIE 10% 10% 10% 5% 65% Les veinules, 55 56 Pression (mm Hg) 0 30 15 Vitesse Circulatoire 0 Aire Vasculaire Artères Capillaires Coeur Artérioles 10 0 10% 0 10% 10% 5% 100 10 0 Veinules Veines Poumons VOLEMIE Volume Sanguin 15 1000 100 Poumons 0 30 Aire (cm2) Aire (cm2) 1000 Aire Vasculaire 50 Et enfin les veines. Coeur Artères Veinules Veines VOLEMIE Volume Sanguin 65% Capillaires Vitesse Circulatoire Pression Sanguine 50 100 Artérioles es 3b – Grandeurs Physiques : L’activité Cardiaque dans l’espace (systémique) 100 Vitesse moyenne (cm/s) in Ve Vitesse moyenne (cm/s) Pression Sanguine Pression (mm Hg) 3b – Grandeurs Physiques : L’activité Cardiaque dans l’espace (systémique) 10% 10% 10% 5% 65% La pression sanguine, dont nous avons étudié les variations dans le ventricule et l’aorte, est « pulsée » dans les grosses artères, proches du cœur, variant entre un maximum (pression artérielle systolique) et un minimum (pression diastolique). L’amplitude de ces variations décroît progressivement lorsque l’on s’éloigne du cœur, tandis que la pression moyenne diminue aussi dans les artères de petit calibre, et, de façon plus marquée, dans les artérioles. Partant d’une pression moyenne d’environ 100 mm Hg à l’origine de l’aorte, il ne reste plus que 30 à 35 mm hg à la sortie des artérioles, c’est-à-dire à l’entrée des capillaires. A la sortie du réseau capillaire, la pression sanguine n’est plus que de 10 à 15 mm Hg, et elle est proche de 0 dans l’atrium droit. C’est donc de faible gradient (d’environ 15 mm Hg) qui permet, à lui seul, le retour du sang vers le cœur dans les veines. 57 Pression Sanguine 50 0 30 15 Vitesse Circulatoire 0 Pression (mm Hg) 3b – Grandeurs Physiques : L’activité Cardiaque dans l’espace (systémique) 100 Vitesse moyenne (cm/s) Volume Sanguin Artères 15 0 10% 10% 5% 100 10 0 Veinules Veines Poumons VOLEMIE 10% 0 30 Volume Sanguin 65% La vitesse d’écoulement du sang dans les vaisseaux (ou « vitesse circulatoire sanguine ») est maximale au niveau de l’orifice aortique (environ 100 cm/s en moyenne), et décroît au gré des divisions successives de l’arbre artériel, pour atteindre une valeur minimale, proche de 1 mm/s, dans le réseau capillaire, et augmenter ensuite progressivement, au gré des confluences veineuses, tout en restant inférieure à ce qu’elle est au niveau artériel car les veines sont plus nombreuses et plus larges que les artères au même ordre de division. Coeur Artères Capillaires Coeur Capillaires 0 Aire (cm2) Aire Vasculaire 10 Poumons 50 1000 100 Artérioles Aire Vasculaire Aire (cm2) 1000 100 Artérioles Vitesse Circulatoire Vitesse moyenne (cm/s) Pression Sanguine Pression (mm Hg) 3b – Grandeurs Physiques : L’activité Cardiaque dans l’espace (systémique) 58 Veinules Veines VOLEMIE 10% 10% 10% 5% 65% L’aire de section vasculaire augmente au gré des divisions artérielles, et atteint une valeur maximale au niveau du réseau capillaire, pour diminuer ensuite sur le versant veinulaire et veineux, tout en restant plus large que sur le versant artériel au même ordre de division, puisque les veines sont plus nombreuses (deux veines pour une artère en périphérie) et plus large que les artères. 59 60 eur Co 100 0 Poumons Coeur Artères Capillaires 10 10% 10% 10% 5% Aire Vasculaire Pression (mm Hg) 0 1000 100 10 0 Veinules Veines Poumons VOLEMIE Volume Sanguin % : 10 15 Le volume sanguin est réparti de façon inégale : la circulation pulmonaire contient environ 10% du volume sanguin total, Coeur Artères Veinules Veines VOLEMIE Volume Sanguin 65% Capillaires 1000 30 Artérioles 0 0 Vitesse moyenne (cm/s) Vitesse Circulatoire 15 100 50 Aire (cm2) 30 Artérioles % : 10 ns o Aire Vasculaire um Po Pression Sanguine 0 Vitesse moyenne (cm/s) Vitesse Circulatoire 3b – Grandeurs Physiques : L’activité Cardiaque dans l’espace (systémique) 100 50 Aire (cm2) Pression Sanguine Pression (mm Hg) 3b – Grandeurs Physiques : L’activité Cardiaque dans l’espace (systémique) 10% 10% 10% 5% 65% Les cavités cardiaques et gros vaisseaux du coeur environ 10% aussi, 61 100 Poumons Coeur Artères Capillaires 10 0 Volume Sanguin 5% s: ire Aire Vasculaire a l l pi Ca 1000 Veinules Veines 10% 10% 5% 0 30 15 0 1000 100 10 0 Poumons VOLEMIE 10% 50 Volume Sanguin 65% De même que le réseau artériel et artériolaire Coeur Artères Capillaires 0 100 Artérioles Vitesse Circulatoire 15 Vitesse moyenne (cm/s) 0 30 Aire (cm2) Pression Sanguine 50 Pression (mm Hg) 3b – Grandeurs Physiques : L’activité Cardiaque dans l’espace (systémique) 100 Artérioles Art 10 % s: e r Aire Vasculaire è Vitesse moyenne (cm/s) Vitesse Circulatoire Aire (cm2) Pression Sanguine Pression (mm Hg) 3b – Grandeurs Physiques : L’activité Cardiaque dans l’espace (systémique) 62 Veinules Veines VOLEMIE 10% 10% 10% 5% 65% Tandis que les capillaires n’en contiennent qu’environ 5%. 63 64 Pression (mm Hg) 15 0 1000 0 Coeur Artères 10% 5% 10 0 Veinules Veines Poumons VOLEMIE 10% 100 Le reste, soit environ 2/3 du volume sanguin total, se trouve donc dans le secteur veineux. Coeur Artères Veinules Veines VOLEMIE Volume Sanguin 65% Capillaires 10 Artérioles 100 10% 0 30 Aire (cm2) 1000 Volume Sanguin 50 Vitesse moyenne (cm/s) 0 Poumons 100 toire ircula c e s c riole ési stan Arté r on : e de la i it s glag Tran e réAire Vasculaire d Site Vitesse Circulatoire 15 Capillaires Aire Vasculaire 30 Artérioles s ine Ve % : 65 Pression Sanguine 0 Vitesse moyenne (cm/s) Vitesse Circulatoire 3b – Grandeurs Physiques : L’activité Cardiaque dans l’espace (systémique) 100 50 Aire (cm2) Pression Sanguine Pression (mm Hg) 3b – Grandeurs Physiques : L’activité Cardiaque dans l’espace (systémique) 10% 10% 10% 5% 65% Au total, la transition de pression se situe au niveau des artérioles, qui constituent le site principal de résistance à l’écoulement sanguin. La pression artérielle diminue alors pour n’être plus que d’environ 32 mm Hg à l’entrée des capillaires. 65 Pression Sanguine 50 0 30 Vitesse Circulatoire 15 0 ires s apilla change C Aire Vasculaire ’é d e Sit Pression (mm Hg) 3b – Grandeurs Physiques : L’activité Cardiaque dans l’espace (systémique) 100 Volume Sanguin Veinules Veines 10% 10% 5% 0 Poumons VOLEMIE 10% ble varia 10 65% 10% Du fait de leur nombre et de la surface totale considérable qu’ils représentent, mais aussi de la lenteur de l’écoulement sanguin à leur niveau, les capillaires constituent le site privilégié des échanges entre le sang et le liquide interstitiel. Coeur Artères Capillaires Artères 0 100 Artérioles Coeur Aire (cm2) Aire Vasculaire Capillaires Poumons 15 ité es : apac Vein voir à c er Rés Volume Sanguin 10 0 0 30 1000 100 Artérioles Aire (cm2) 1000 100 50 Vitesse moyenne (cm/s) Vitesse Circulatoire Vitesse moyenne (cm/s) Pression Sanguine Pression (mm Hg) 3b – Grandeurs Physiques : L’activité Cardiaque dans l’espace (systémique) 66 Veinules Veines VOLEMIE 10% 10% 5% 65% Les veines représentent un réservoir sanguin, permettant de stocker du sang ou d’en puiser en fonction des besoins de l’organisme. 67 68 4 - Le Cardiomyocyte : Potentiels d’Action 4 - Le Cardiomyocyte : Potentiels d’Action Potentiel de membrane (mV) Potentiel de membrane (mV) Myocyte Contractile Myocyte Automatique Ca++ Ca++ 0 0 Na+ -50 -50 if -100 -100 Les Cardiomyocytes : contractiles Ou automatiques 0 500 ms 0 500 ms Les mécanismes ioniques qui sous-tendent ce fonctionnement apparaissent clairement à l’observation comparative du potentiel de membrane des myocytes automatiques et des myocytes contractiles. Le cœur est un muscle disposé sur une armature fibreuse séparant les atria des ventricules. Ce muscle se contracte non pas en réponse à une commande nerveuse, mais de façon autonome et automatique. Cet automatisme est la conséquence d’une particularité fonctionnelle de certaines cellules musculaires cardiaques (ou cardiomyocytes), capables de déclencher spontanément une dépolarisation membranaire, dont un potentiel d’action, et, par conséquent, une contraction qui se propage aux cardiomyocytes voisins. 69 70 4 – L’automatisme cardiaque 4 – L’automatisme cardiaque tie Poten Potentiel de membrane (mV) Potentiel de membrane (mV) Myocyte Contractile 0 0 -50 -50 -100 l de re table po s s Myocyte Contractile -100 0 500 ms 0 Le potentiel de membrane peut être représenté graphiquement avec le temps en abscisses et la différence de potentiel en ordonnées. 500 ms L’observation du potentiel de membrane des cardiomyocytes montre en effet deux modes de fonctionnement : pour la très grande majorité des cardiomyocytes, dits « contractiles », le potentiel de repos est stable, et le potentiel d’action (donc la contraction) ne survient qu’en réponse à une dépolarisation imposée « de l’extérieur », c’est-à-dire par une cellule voisine. 71 72 4 – L’automatisme cardiaque 4 – L’automatisme cardiaque Potentiel de membrane (mV) Potentiel de membrane (mV) Myocyte Contractile Myocyte Contractile Ca++ 0 0 Na+ Na+ -50 -50 -100 -100 0 500 ms 0 500 ms Cette phase rapide est suivie d’un plateau caractéristique (qui distingue le cardiomyocyte des myocytes du muscle strié squelettique). Ce plateau est dû à l’ouverture, plus lente et progressive, mais aussi plus durable, de canaux calciques. La dépolarisation du cardiomyocyte contractile est donc ainsi prolongée, de même que la contraction. Elle est suivie d’une repolarisation. Apparaît alors, par l’ouverture massive de canaux sodiques voltage-dépendants, une dépolarisation brutale : c’est la phase ascendante du potentiel d’action. 73 74 4 – L’automatisme cardiaque 4 – L’automatisme cardiaque tiel de Poten Potentiel de membrane (mV) Potentiel de membrane (mV) Myocyte Automatique 0 0 -50 -50 -100 -100 0 500 ms le instab Myocyte Automatique if Na+ 0 Le potentiel de membrane des cariomyocytes automatiques s’inscrit dans les même coordonnées. repo s 500 ms La première différence est que le potentiel de repos n’est pas stable : il présente une dérive progressive, la “dépolarisation diastolique spontanée”, due à un courant entrant de sodium, le courant if, qui conduit inexorablement le potentiel de membrane jusqu’à un seuil à partir duquel s’ouvrent des canaux voltagedépendants. 75 76 4 – L’automatisme cardiaque Potentiel de membrane (mV) 4 – L’automatisme cardiaque Potentiel de membrane (mV) Myocyte Automatique Ca++ 0 -50 Ca++ 0 -50 if -100 Myocyte Automatique if -100 Na+ 0 500 ms Na+ 0 Il s’agit de canaux calciques, d’ouverture progressive, donnant naissance à un potentiel d’action (de pente ascendante moins raide que pour le potentiel d’action du cardiomyocyte contractile). 500 ms Lui fait suite une repolarisation. 77 78 5 – Le Tissu Nodal : Automatisme et Conduction 4 - Le Cardiomyocyte : Potentiels d’Action Veine Cave Supérieure Potentiel de membrane (mV) Myocyte Potentiel de membrane (mV) Automatique Noeud SinoAtrial Myocyte Contractile 0 0 Na+ -50 -100 Fibres de Purkinje -100 Na+ 0 Branche Droite -50 if Branche Gauche: Ant. Post. Noeud AtrioVentriculaire Ca++ Ca++ Faisceau de His 500 ms 0 Veine Cave Inférieure 500 ms Fibres de Purkinje On appelle « tissu nodal » l’ensemble des cardiomyocytes automatiques. Il est disposé de façon précise au sein du muscle cardiaque. C’est ainsi que, en raison de l’existence du courant if, le potentiel d’action apparaît spontanément sur le cardiomyocyte automatique, qui présente des potentiels d’actions dont la fréquence dépend de la pente de dépolarisation diastolique spontanée. Le potentiel de membrane des cardiomyocytes automatiques et contractiles diffèrent donc à trois égards : -Le potentiel de repos est stable dans le cardiomyocyte contractile, alors qu’il dérive dans le cardiomyocyte automatique. -Le potentiel d’action du cardiomyocyte contractile comporte une dépolarisation très rapide due à l’ouverture de canaux sodiques voltage-dépendants (ce qui n’est pas le cas du myocyte automatique). -Le potentiel d’action du cardiomyocyte contractile comporte un plateau de dépolarisation, de longue durée (qui n’existe pas pour le cardiomyocyte automatique). 79 80 5 – Le Tissu Nodal : Automatisme et Conduction 5 – Le Tissu Nodal : Automatisme et Conduction Veine Cave Supérieure Veine Cave Inférieure Un premier contingent se trouve dans la paroi de l’atrium droit, près de l’abouchement de la veine cave supérieure. C’est le « nœud sino-atrial », dont les cardiomyocytes sont ceux qui, au sein du tissu nodal, présentent la vitesse de dépolarisation spontanée la plus rapide. Leur potentiel d’action apparaît donc en premier, et cette dépolarisation se propage, de proche en proche, dans la paroi atriale. C’est donc le nœud sino-atrial qui impose sa cadence à l’ensemble du cœur. On peut représenter la disposition du tissu nodal sur une coupe du cœur montrant atrium et ventricule à droite et à gauche, avec la cloison ou « septum » séparant le cœur droit du cœur gauche. 81 5 – Le Tissu Nodal : Automatisme et Conduction 5 – Le Tissu Nodal : Automatisme et Conduction Veine Cave Supérieure ud Nœ Noeud SinoAtrial 82 l ria -At o Si n Veine Cave Supérieure 1 m/s Noeud SinoAtrial 1 m/s Veine Cave Inférieure Veine Cave Inférieure Un premier contingent se trouve dans la paroi de l’atrium droit, près de l’abouchement de la veine cave supérieure. C’est le « nœud sino-atrial », dont les cardiomyocytes sont ceux qui, au sein du tissu nodal, présentent la vitesse de dépolarisation spontanée la plus rapide. Leur potentiel d’action apparaît donc en premier, et cette dépolarisation se propage, de proche en proche, dans la paroi atriale. C’est donc le nœud sino-atrial qui impose sa cadence à l’ensemble du cœur. A partir du nœud sino-atrial, la dépolarisation se propage d’un cardiomyocyte contractile à l’autre à l’ensemble de la paroi de l’atrium droit et de l’atrium gauche, provoquant sa contraction. Elle approche ainsi une deuxième structure appartenant au tissu nodal : le nœud atrio-ventriculaire, situé dans l’épaisseur de la cloison musculaire qui sépare le cœur droit du cœur gauche, ou septum. 83 84 5 – Le Tissu Nodal : Automatisme et Conduction 5 – Le Tissu Nodal : Automatisme et Conduction Veine Cave Supérieure Veine Cave Supérieure Noeud SinoAtrial Noeud SinoAtrial Faisceau de His 0,05 m/s Noeud AtrioVentriculaire Noeud AtrioVentriculaire Branche Gauche: Ant. His de tral u a n e iscCaveau v e FaVeine Inférieure me a R Veine Cave Inférieure Squelette fibreux isolant A l’approche du nœud atrio-ventriculaire, la dépolarisation, qui se déplaçait à une vitesse de l’ordre de 1 m/s, ralentit (comme avant un péage d’autoroute) à quelques cm/s. Il importe de noter que le nœud atrio-ventriculaire constitue le seul point possible de passage de la dépolarisation car atria et ventricules sont séparés par une cloison fibreuse encerclant les orifices cardiaques. A partir du nœud atrio-ventriculaire, la dépolarisation se propage rapidement dans un véritable réseau de conduction constitué par des cardiomyocytes automatiques disposés en un tronc principal, le faisceau de His, se divisant rapidement en branche droite et branche gauche. La branche gauche donne un rameau ventral, Le nœud atrio-ventriculaire, dont la cadence spontanée de dépolarisation est moins rapide que celle du nœud sinuso-atrial, reçoit donc la dépolarisation provenant de ce dernier avant d’avoir lui-même atteint son seuil de dépolarisation spontanée. Il se dépolarise donc à la cadence imposée par le nœud sino-atrial. 85 5 – Le Tissu Nodal : Automatisme et Conduction 86 5 – Le Tissu Nodal : Automatisme et Conduction Veine Cave Supérieure Noeud SinoAtrial Noeud AtrioVentriculaire Veine Cave Supérieure Noeud SinoAtrial Faisceau de His Branche Gauche: Ant. Post. Noeud AtrioVentriculaire Faisceau de His Branche Gauche: Ant. Post. Branche Droite he: auc l G e orsa chCave nVeine d au Bra Inférieure e m a R is au de HCave Faisce DVeine Inférieure roite e h c Bran Et un rameau dorsal. Il en est de même pour la branche droite. 87 88 5 – Le Tissu Nodal : Automatisme et Conduction 5 – Le Tissu Nodal : Automatisme et Conduction Veine Cave Supérieure Veine Cave Supérieure Noeud SinoAtrial Noeud SinoAtrial Faisceau de His Noeud AtrioVentriculaire Branche Gauche: Ant. Post. 3-5 m/s Faisceau de His Branche Gauche: Ant. Post. Noeud AtrioVentriculaire Branche Droite Branche Droite Veine Cave Inférieure Fibres Dans le faisceau de His, la dépolarisation se propage à vitesse rapide, de 3 à 5 m/s. Fibres de Purkinje Veine Cave je urkin de PInférieure Fibres de Purkinje Au delà du faisceau de His, de fines ramifications du tissu nodal, les fibres de Purkinje, conduisent la dépolarisation à l’ensemble du muscle ventriculaire. 89 90 5 – Le Tissu Nodal : Automatisme et Conduction 5 – Le Tissu Nodal : Automatisme et Conduction Veine Cave Supérieure Veine Cave Supérieure Noeud SinoAtrial Noeud AtrioVentriculaire 0,5 - 1 m/s Branche Droite 0,5 - 1 m/s ~70 bpm Noeud SinoAtrial Faisceau de His Branche Gauche: Ant. Post. Branche Gauche: Ant. Post. Noeud AtrioVentriculaire Réseau de Purkinje Faisceau de His Branche Droite Réseau de Purkinje Veine Cave Inférieure Veine Cave Inférieure La pente de dépolarisation spontanée des cardiomyocytes automatiques n’est pas uniforme dans le tissu nodal: plus raide au niveau du nœud sinusal, elle aboutit au déclenchement du potentiel d’action à une cadence élevée, de l’ordre de 70 par minute Dans lesquelles la conduction est à nouveau plus lente, de 0,5 à 1 m/s. 91 92 5 – Le Tissu Nodal : Automatisme et Conduction 5 – Le Tissu Nodal : Automatisme et Conduction Veine Cave Supérieure Veine Cave Supérieure Noeud SinoAtrial Noeud SinoAtrial Faisceau de His 40- 60 bpm Noeud AtrioVentriculaire Branche Gauche: Ant. Post. Faisceau de His Branche Gauche: Ant. Post. Noeud AtrioVentriculaire Branche Droite Branche Droite 20- 40 bpm Veine Cave Inférieure 20- 40 bpm Veine Cave Inférieure Plus lente encore dans le faisceau de His, et d’autant plus lente que l’on s’éloigne du nœud atrio-ventriculaire Tandis qu’elle est plus lente au niveau du nœud atrio-ventriculaire, avec une fréquence de déclenchement spontanée du potentiel d’action de 40 à 60 par minute 93 94 5 – Le Tissu Nodal : Automatisme et Conduction 5 – Le Tissu Nodal : Automatisme et Conduction S S AV AV H H P P P P R Hiérarchie Fonctionnelle : S > AV - H > P 70 > 40-60 > 20-40 T P QS C’est ainsi que l’activité de contraction du cœur est coordonnée : la contraction atriale survient à la fin du remplissage ventriculaire, et précède immédiatement la contraction ventriculaire, laquelle s’opère de façon rapidement globale, grâce aux voies de conduction électrique constituées par le faisceau de His et les fibres de Purkinje. La succession des ondes P, puis QRS, et enfin T sur l’électrocardiogramme traduit cette séquence normale d’activation. Il existe ainsi une hiérarchie fonctionnelle au sein du tissu nodal: le potentiel d’action apparaît en premier lieu au niveau du nœud sinusal, et – si la conduction n’est pas entravée dans le myocarde atrial – la dépolarisation qui s’en suit parvient au nœud atrio-ventriculaire avant que celui-ci n’ait produit spontanéement son potentiel d’action. La dépolarisation qui lui parvient « d’en haut », c’est-à-dire du nœud sinusal, s’impose donc à lui et provoque un potentiel d’action, qui se propage vers le faisceau de His, puis dans le réseau de Purkinje. 95 96 Post-Charge 6a - La Loi de Starling La Relation Tension - Longueur Volume d’Éjection Systolique mA ms T 6 - La Force de Contraction Ventriculaire Muscle Papillaire Extrinsèque Intrinsèque (précharge) : (inotropie) : Loi de Starling S.N. Sympathique S.N. Parasympathique Pression Veineuse Centrale S (dispositif expérimental) • A : précharge • B : post-charge • C : C. isométrique • L : mesure des variations de longueur • S : stimulateur électrique • T : mesure de tension L C B A Hormones, ions, médicaments Le cœur est donc une pompe formée par un muscle dont la contraction survient de façon spontanée, automatique. Cependant, son fonctionnement doit pouvoir s’adapter en permanence pour permettre de faire face aux variations des besoins énergétiques de l’organisme. Par exemple, le débit cardiaque doit pouvoir augmenter lors de l’exercice physique, pour apporter plus d’oxygène et de nutriments aux muscles. Cette capacité d’adaptation concerne d’une part la force de contraction du muscle cardiaque (ou myocarde), d’autre part la fréquence de ces contractions. Un montage expérimental simple a permis aux pionniers de la physiologie cardiaque de mettre en évidence une caractéristique fondamentale du muscle cardiaque, en examinant la relation tension – longueur passive (muscle au repos) et active (lors de sa contraction). La force de contraction est elle-même déterminée par un mécanisme intrinsèque (propre au cœur lui-même), en fonction des conditions de remplissage ventriculaire, et par un mécanisme extrinsèque reposant sur un contrôle nerveux (par le système nerveux dit autonome ou végétatif), et sur un contrôle hormonal. 97 6a - La Loi de Starling 98 6a - La Loi de Starling La Relation Tension - Longueur La Relation Tension - Longueur Muscle Papillaire (dispositif expérimental) Le dispositif expérimental comporte une potence A laquelle est suspendu un fragment de muscle papillaire. Il s’agit d’une petite excroissance à la face interne des ventricules sur laquelle viennent s’insérer les cordages tendineux qui arriment les valves atrio-ventriculaires. Ce muscle papillaire présente un intérêt pratique : les fibres musculaires qui le composent sont disposées de façon bien parallèle, de sorte que ses propriétés mécaniques peuvent être évaluées dans de bonnes conditions. 99 100 6a - La Loi de Starling 6a - La Loi de Starling La Relation Tension - Longueur La Relation Tension - Longueur Muscle Papillaire Muscle Papillaire (dispositif expérimental) • A : précharge (dispositif expérimental) • A : précharge • B : post-charge B A A A ce muscle, est suspendue une masse A, que l’on peut varier à volonté. Cette masse est supportée par le muscle en permanence, qu’il soit au repos ou en contraction. On l’appelle donc la “précharge”, c’est-à-dire la charge préalable. Une seconde masse, B, est, par contre, posée sur le statif, de sorte que le muscle n’a pas à la supporter tant qu’il est au repos, mais doit la soulever s’il se contracte et donc se raccourcit. On l’appelle par conséquent la “post-charge”, que le muscle n’a à supporter que lors de sa contraction. 101 102 6a - La Loi de Starling La Relation Tension - Longueur La Relation Tension - Longueur Muscle Papillaire Muscle Papillaire (dispositif expérimental) • A : précharge • B : post-charge • C : C. isométrique C (dispositif expérimental) • A : précharge • B : post-charge • C : C. isométrique • L : mesure des variations de longueur B S L C B A A Une cale peut aussi être basculée pour bloquer la post-charge de sorte que le muscle ne peut alors pas se raccourcir lors de sa contraction : cela impose au muscle une contraction en conditions isométriques, c’est-à-dire sans raccourcissement. C’est donc l’équivalent d’une post-charge infinie. Un stylet attaché à l’extrémité inférieur du muscle permet d’enregistrer ses variations de longueur. 103 104 6 - La Force de Contraction Ventriculaire 6 - La Force de Contraction Ventriculaire La Relation Tension - Longueur La Relation Tension - Longueur mA ms T T Muscle Papillaire (dispositif expérimental) • A : précharge • B : post-charge • C : C. isométrique • L : mesure des variations de longueur • S : stimulateur électrique Muscle Papillaire S (dispositif expérimental) • A : précharge • B : post-charge • C : C. isométrique • L : mesure des variations de longueur • S : stimulateur électrique • T : mesure de tension L C B A Et un capteur de force permet d’enregistrer la tension du muscle, au repos comme lors de la contraction (il s’agissait autrefois d’un simple dynamomètre à ressort, aujourd’hui d’un capteur piézo-électrique). S L C B A Enfin, un stimulateur électrique permet de déclencher la contraction du muscle papillaire. 105 106 6a - La Loi de Starling 6a - La Loi de Starling Précharge et Post-charge Tension Vitesse de raccourcissement Courbe de Tension Active Vitesse de raccourcissement Muscle papillaire Effet de la Précharge : La force de contraction augmente si la tension préalable (précharge) s’accroît. Précharge A < B Muscle papillaire Pour une même postcharge, la vitesse de raccourcissement de la fibre musculaire augmente si la précharge est plus grande Courbe de Tension Passive (compliance) Longueur Ce dispositif permet d’enregistrer deux courbes tension – longueur du muscle : la courbe tension – longueur passive (le muscle étant au repos), et la courbe tension longueur active, lorsque le muscle se contracte. B A Postcharge Non seulement le muscle se contracte plus vigoureusement s’il est soumis, préalablement à sa contraction, à une précharge plus importante, mais sa contraction est aussi plus rapide. A post-charge égale, la vitesse de raccourcissement lors de la contraction est d’autant plus grande que la précharge est importante. Il apparaît ainsi que la pente de la courbe de tension active est plus forte que la pente de la courbe de tension passive. Ceci signifie que le muscle développe, lors de sa contraction, une force d’autant plus grande qu’il est préalablement étiré au repos. En d’autres termes, une augmentation de la précharge provoque une augmentation de la force de contraction. 107 108 6a - La Loi de Starling Loi du Cœur de Starling 6a - La Loi de Starling Loi du Cœur de Starling Tension Tension active PA Contraction R Tension passive Longueur PV ∆ P = R.Q ∆ P = R.Q PA-PV = RPT.Qc PA-PV = RPT.Qc Ensemble Cœur-Poumon isolé : Ensemble Cœur-Poumon isolé : L’augmentation de la pression de remplissage du ventricule provoque uneaugmentation de sa force de contraction L’augmentation de la pression de remplissage du ventricule provoque uneaugmentation de sa force de contraction Otto Frank, en 1895, montra que la force de contraction du ventricule (chez la grenouille) augmente si l’on augmente sa pression de remplissage. Ce mécanisme fut confirmé et la « Loi du cœur » formulée en 1914 par Dario Maestrini, mais c’est surtout l’hypothèse formulée par Ernest Henry Starling en 1918 qui est aujourd’hui le plus souvent mentionnée : la force de contraction des cardiomyocytes dépend de leur étirement préalable au repos. Le montage expérimental cœur-poumons isolés de Starling en a fourni l’illustration. Dans ce modèle « cœur – poumons isolés », réalisable avec un cœur de grenouille, mais aussi avec un cœur de mammifère anesthésié, le cœur est isolé de la circulation systémique et de ses connexions nerveuses, mais reste en relation avec la circulation pulmonaire pour assurer l’oxygénation du sang. 109 110 6a - La Loi de Starling 6a - La Loi de Starling Loi du Cœur de Starling Loi du Cœur de Starling R PV PV ∆ P = R.Q ∆ P = R.Q PA-PV = RPT.Qc PA-PV = RPT.Qc Ensemble Cœur-Poumon isolé : Ensemble Cœur-Poumon isolé : L’augmentation de la pression de remplissage du ventricule provoque uneaugmentation de sa force de contraction L’augmentation de la pression de remplissage du ventricule provoque uneaugmentation de sa force de contraction Sur ce conduit « artériel », est fixé une résistance réglable. L’aorte est raccordée à un conduit ramenant le sang à un réceptacle dans lequel la hauteur du niveau de sang peut être modifiée, de sorte à faire varier la pression de remplissage du cœur droit. 111 112 6a - La Loi de Starling 6a - La Loi de Starling Loi du Cœur de Starling Loi du Cœur de Starling R R PA PA PV PV ∆ P = R.Q ∆ P = R.Q PA-PV = RPT.Qc PA-PV = RPT.Qc Ensemble Cœur-Poumon isolé : Ensemble Cœur-Poumon isolé : L’augmentation de la pression de remplissage du ventricule provoque uneaugmentation de sa force de contraction L’augmentation de la pression de remplissage du ventricule provoque uneaugmentation de sa force de contraction Et un manomètre (colonne de mercure) permettant de mesurer la pression artérielle (reflétant la force de contraction ventriculaire). Le cœur est placé dans une cloche renversée, et l’étanchéité est assurée par un diaphragme de caoutchouc. La cloche est elle-même raccordée à une capsule, fermée par une membrane souple de sorte que les variations de volume du cœur provoquent des déformation de la membrane, lesquelles sont enregistrées sous forme d’une courbe en fonction du temps. 113 Système Nerveux 6a - La Loi de Starling Loi du Cœur de Starling 114 Hormones 6b – Force Ventriculaire Médicaments Tension Pression (mm Hg) Tension active PA Contrôle Extrinsèque INOTROPIE Contraction R Tension passive Ejection Systolique 100 Force d’Ejection Systolique Longueur PV 50 ∆ P = R.Q Contrôle Intrinsèque Loi de STARLING PA-PV = RPT.Qc Ventricule Gauche Relaxation isovolumétrique Tension Active Contraction isovolumétrique Tension Passive Remplissage Ventriculaire Ensemble Cœur-Poumon isolé : Pression Veineuse Centrale L’augmentation de la pression de remplissage du ventricule provoque uneaugmentation de sa force de contraction Ce modèle a permis à Frank et à Starling de montrer que la propriété mise en évidence sur le muscle papillaire cardiaque se vérifie sur le cœur entier : une augmentation de la précharge (dans ce modèle, une augmentation de la pression de remplissage du cœur droit) provoque une augmentation de la force de contraction ventriculaire (donc une augmentation du volume d’éjection systolique et de la pression « artérielle ». Ce mécanisme fondamental de réglage intrinsèque de la force d’éjection systolique porte aujourd’hui le nom de « Loi du Cœur » ou « Loi de Frank-Starling ». Volémie 0 40 Volume (ml) 120 La force d’éjection systolique est donc réglée par un mécanisme intrinsèque, selon la loi de Starling. Celle-ci est mise en jeu, notamment, par les variations de la pression veineuse centrale (c’est-à-dire la pression régnant dans la veine cave supérieure et inférieure). La pression veineuse centrale dépend quant à elle du volume sanguin total ou volémie, mais aussi de sa répartition, qui dépend de la posture. La force d’éjection systolique dépend aussi de facteurs extrinsèques, que l’on regroupe sous le terme de facteurs inotropes. Par définition, ce sont des facteurs qui règlent la force de contraction ventriculaire indépendamment de la loi de Starling. Parmi ces facteurs, figurent le système nerveux autonome, plusieurs systèmes hormonaux, mais aussi divers médicaments. C’est du reste par ce mécanisme que le débit du cœur gauche et du cœur droit restent identiques. Si, par exemple, la pression veineuse centrale augmente (ce qui peut être dû au passage de la position debout immobile à la position allongée), le remplissage ventriculaire droit augmente et, par la Loi de Starling, la force d’éjection systolique du ventricule droit augmente. Ceci à pour conséquence d’augmenter le débit du cœur droit, donc le débit de la circulation pulmonaire et, de ce fait, le débit des veines pulmonaires qui remplissent le cœur gauche. Cette augmentation de remplissage du cœur gauche entraîne à son tour, par le jeu de la Loi de Starling, une augmentation de la force de contraction du ventricule gauche, dont du débit du cœur gauche qui devient ainsi identique à celui du cœur droit. 115 116 6b – Force Ventriculaire 6b – Force Ventriculaire Pression (mm Hg) Pression (mm Hg) 100 100 Force d’Ejection Systolique Force d’Ejection Systolique 50 50 0 0 40 Volume (ml) 120 40 L’effet des facteurs qui influencent la force de contraction systolique peut-être représenter graphiquement sous la forme d’une boucle « pression-volume ». Le volume figure alors en abscisse. Pour le cœur d’un adulte en bonne santé, au repos, ce volume du ventricule gauche (il en est de même pour le ventricule droit) varie entre 120 ml en fin de remplissage et 40 ml en fin d’éjection systolique. Le volume d’éjection systolique, chez un adulte sain au repos, est en effet de l’ordre de 80 ml. La pression ventriculaire gauche figure en ordonnée. Elle peut s’élever, chez un adulte sain au repos, jusqu’à environ 120 mm de mercure (et jusqu’à environ 20 ou 25 mm Hg seulement pour ce qui est du ventricule droit). Volume (ml) 120 Le remplissage du ventricule gauche se traduit sur ce graphique par une courbe qui représente en fait la complaisance du ventricule. 117 118 6b – Force Ventriculaire 6b – Force Ventriculaire Pression (mm Hg) Pression (mm Hg) 100 100 Force d’Ejection Systolique Force d’Ejection Systolique 50 50 Contrôle Intrinsèque Loi de STARLING Tension Passive Tension Passive Remplissage Ventriculaire Remplissage Ventriculaire 0 0 40 Volume (ml) 120 40 La pression ventriculaire s’élève progressivement lors de ce remplissage, et la courbe correspondante, comparable à la courbe de tension passive obtenue sur le muscle papillaire, montre une pente progressivement croissante lorsque le le volume ventriculaire augmente. Volume (ml) 120 La force développée lors de la contraction, se traduisant par la pression régnant dans le ventricule, est d’autant plus grande que le remplissage ventriculaire est important (et donc que la pression télédiastolique du ventricule est élevée). 119 120 6b – Force Ventriculaire 6b – Force Ventriculaire Pression (mm Hg) Pression (mm Hg) 100 100 Force d’Ejection Systolique Force d’Ejection Systolique 50 50 Contrôle Intrinsèque Loi de STARLING Contrôle Intrinsèque Loi de STARLING Tension Passive Tension Passive 0 0 40 Volume (ml) 120 40 La pente de la courbe décrivant l’évolution de la pression ventriculaire lors de la contraction est donc plus forte que la pente de la courbe de complaisance ventriculaire, ce qui illustre la loi de star : la force d’éjection systolique augmente lorsque le volume télédiastolique du ventricule augmente. Volume (ml) 120 Les différents niveaux de pression mesurés lors de la contraction ventriculaire pour différents niveaux de remplissage décrivent donc une courbe comparable à la courbe de tension active du muscle papillaire. 121 122 6b – Force Ventriculaire 6b – Force Ventriculaire Pression (mm Hg) Pression (mm Hg) Ejection Systolique 100 Tension Active Ejection Systolique 100 Force d’Ejection Systolique Force d’Ejection Systolique 50 Ventricule Gauche 50 Contrôle Intrinsèque Loi de STARLING Relaxation isovolumétrique Contrôle Intrinsèque Loi de STARLING Tension Passive Remplissage Ventriculaire Volume (ml) Contraction isovolumétrique Tension Passive Remplissage Ventriculaire Pression Veineuse Centrale 0 40 Tension Active 120 Cela illustre la loi de Starling, et les deux courbes ainsi déterminaient constituent les limites inférieure et supérieure du cadre dans lequel s’inscrit la boucle pression-volume ventriculaire. Volémie 0 40 Volume (ml) 120 Le principal déterminant du remplissage ventriculaire diastolique étant la pression veineuse centrale, la volémie et la posture influence le remplissage ventriculaire et mettent donc en jeu la loi de Starling pour régler la force d’éjection systolique. 123 124 6b – Force Ventriculaire 6b – Force Ventriculaire Pression (mm Hg) Pression (mm Hg) Ejection Systolique 100 Tension Active Ejection Systolique 100 Force d’Ejection Systolique Force d’Ejection Systolique 50 Ventricule Gauche 50 Contrôle Intrinsèque Loi de STARLING Relaxation isovolumétrique Contrôle Intrinsèque Loi de STARLING Tension Passive Remplissage Ventriculaire Tension Active Contraction isovolumétrique Tension Passive Remplissage Ventriculaire 0 0 40 Volume (ml) 120 40 La force d’éjection systolique est donc un déterminant majeur du volume d’éjection systolique, lequel dépend aussi, naturellement, des forces qui s’opposent à l’éjection, c’est-à-dire de la post-charge. Volume (ml) 120 Le cycle cardiaque s’inscrit ainsi dans un cadre délimité en bas par la courbe de compliance ventriculaire, et limitée en haut par la courbe correspondant à la pression ventriculaire maximale obtenue en contraction isovolumétrique. Dans les conditions physiologiques, l’éjection systolique commence lorsque la pression ventriculaire dépasse la pression aortique et la pression ventriculaire maximale rejoint cette courbe. Dans la phase de contraction isovolumétrique comme dans la phase de relaxation isovolumétrique, le volume ventriculaire ne change pas, et la boucle-volume suit un segment vertical. 125 126 6b – Force Ventriculaire 6b – Force Ventriculaire Pression (mm Hg) Contrôle Extrinsèque INOTROPIE Ejection Systolique 100 Force d’Ejection Systolique Ventricule Gauche 50 Relaxation isovolumétrique Contrôle Intrinsèque Loi de STARLING Système Sympathique Tension Active Noradrénaline Volémie Rehaussement du plateau Ca++ 0 Na+ Effets : Tension Passive Volume (ml) -50 – Inotrope + -100 – Chronotrope + 0 – Dromotrope + (augmentation d’ouverture des canaux Ca++) 0 40 Potentiel de membrane (mV) Récepteurs β1 Contraction isovolumétrique Remplissage Ventriculaire Pression Veineuse Centrale INOTROPIE 120 L’inotropie, modalité extrinsèque de réglage de la forte contraction ventriculaire, fait intervenir plusieurs facteurs extrinsèques. 500 ms Le système nerveux sympathique fait partie des facteurs inotropes positifs. Les terminaisons du système nerveux sympathique sur le muscle cardiaque libèrent en effet, pour médiateur, la noradrénaline. Celle-ci se fixe sur les récepteurs de type bêta 1 de la membrane des cardiomyocytes. La noradrénaline détermine ainsi un effet inotrope, chronotrope, et dromotrope positif. L’effet inotrope positif, c’est-à-dire l’augmentation de la force de contraction systolique, résulte de l’augmentation du courant entrant de calcium dans le cardiomyocyte contractile, se traduisant par un rehaussement du plateau du potentiel d’action. L’effet chronotrope positif, c’est-à-dire l’accélération de la fréquence des battements cardiaques, résulte de l’augmentation du courant entrant de sodium if dans le cardiomyocyte automatique, accélérant la dépolarisation diastolique spontanée de sorte que le potentiel d’action survient plus tôt. L’effet dromotrope positif est constitué par l’accélération de la vitesse de propagation de la dépolarisation dans le myocarde. 127 128 6b – Force Ventriculaire 6b – Force Ventriculaire Pression (mm Hg) Pression (mm Hg) Active Contrôle Extrinsèque INOTROPIE Contrôle Extrinsèque INOTROPIE Ejection Systolique 100 Force d’Ejection Systolique 50 Contrôle Intrinsèque Loi de STARLING Ventricule Gauche Relaxation isovolumétrique Active Ejection Systolique 100 Force d’Ejection Systolique Contraction isovolumétrique Ventricule Gauche 50 Relaxation isovolumétrique Contrôle Intrinsèque Loi de STARLING Tension Passive Volémie Pression Veineuse Centrale 0 40 Volume (ml) Tension Passive Remplissage Ventriculaire Remplissage Ventriculaire Pression Veineuse Centrale Contraction isovolumétrique 120 L’effet inotrope positif se traduit par le rehaussement de la pente de la courbe de tension active, ce qui signifie que, pour une même valeur de remplissage ventriculaire télédiastolique, on constate une plus grande force de contraction ventriculaire. Volémie 0 40 Volume (ml) 120 La boucle pression-volume s’inscrit alors dans un cadre étendu en hauteur 129 Système Nerveux Hormones 130 6b – Force Ventriculaire 6b – Force Ventriculaire Médicaments Pression (mm Hg) Contrôle Extrinsèque INOTROPIE Ejection Systolique 100 Système Para-Sympathique Tension Active Acétylcholine Force d’Ejection Systolique Ventricule Gauche 50 Relaxation isovolumétrique Contrôle Intrinsèque Loi de STARLING Récepteurs muscariniques Innervation limitée à l’atrium et au tissu nodal Effets : Contraction isovolumétrique – (Inotrope -) – Chronotrope – (Dromotrope -) Tension Passive Ralentissement de la dépolarisation spontanée Remplissage Ventriculaire Pression Veineuse Centrale Volémie 0 40 Volume (ml) 120 Auront en effet inotrope positif le système nerveux sympathique, mais aussi plusieurs systèmes hormonaux (adrénaline, angiotensine), ainsi que divers médicaments. Le système parasympathique exerce sur le cœur un effet inotrope, chronotrope, et dromotrope négatif. Cependant, alors que le système sympathique innerve l’ensemble du cœur (atrium droit et atrium gauche, ventricule droit et ventricule gauche, cardiomyocytes automatiques et cardiomyocytes contractiles), le système parasympathique, quant à lui, ne se distribue qu’à l’atrium droit et gauche et au tissu nodal. Par conséquent, son effet inotrope négatif est peu apparent. Son effet le plus évident est donc l’effet chronotrope positif, se traduisant par un ralentissement des battements cardiaques. Il existe un tonus parasympathique permanent normal, expliquant pourquoi le cœur d’un adulte sain bat, dans les conditions physiologiques, à une fréquence de 60 à 70 battements par minute alors que le même cœur, privé de ses connexions nerveuses, bat à environ 100 battements par minute. L’effet du système parasympathique, par l’adrénaline libérée par les terminaisons nerveuses, est un ralentissement du courant entrant sodique if des cardiomyocytes automatiques. En pratique, système sympathique et parasympathique peuvent être comparés aux deux plateaux d’une balance : toute situation comportant une augmentation d’activité parasympathique s’accompagne d’une diminution de l’activité sympathique et inversement. Ainsi peut-on constater, lors d’une activation parasympathique, une diminution de la force de contraction ventriculaire, mais celle-ci est en réalité due à la réduction de l’activité sympathique. 131 132 Pression (mm Hg) 6c -Boucle Pression Volume 120 6c -Boucle Pression - Volume Fermeture V.Aortique Ejection Conditions de base 100 60 40 Les 4 phases du cycle cardiaque 20 Ouverture V. Mitrale Fermeture V. Mitrale Remplissage Volume (ml) Résultat Final Pression (mm Hg) 140 140 140 120 120 120 100 100 100 80 80 80 60 60 60 40 40 40 20 20 20 0 0 40 Volume (ml) 120 40 Volume (ml) 0 120 40 Volume (ml) 120 Effet du remplissage diastolique ventriculaire : 0 40 Pression (mm Hg) Pression (mm Hg) Contraction Isovolumétrique Relaxation Isovolumétrique 80 Augmentation du Remplissage Diastolique Résultat Intermédiaire Ouverture V.Aortique La PVC conditionne l’éjection systolique 120 Les quatre phases du cycle cardiaque peuvent donc être représentées sur la boucle pression volume, et celle-ci peut être modifiée par des facteurs et des mécanismes intrinsèques et extrinsèques. Les segments latéraux de cette boucle sont rectilignes tendis que les segments supérieurs et inférieurs sont convexes. Les angles correspondent aux changements de fermeture valvulaire : ouverture de la valve mitrale inaugurant le remplissage ventriculaire, puis fermeture de la valve mitrale inaugurant la contraction isovolumétrique, ouverture de Laval va aortique inaugurant l’éjection systolique, et fermeture de Laval va aortique inaugurant la relaxation isovolumétrique. Une augmentation du remplissage diastolique ventriculaire a donc pour conséquence d’élargir la boucle pression volume, avec un volume télédiastolique ventriculaire plus grand. En vertu de la loi de Starling, la force d’éjection systolique augmente donc, ce qui a pour première conséquence une augmentation du volume d’éjection systolique et donc du débit cardiaque. Toutes choses étant égales par ailleurs, une augmentation du débit cardiaque aboutit rapidement à une augmentation de la pression artérielle systémique, et donc de la post-charge. Après quelques battements cardiaques, un nouvel équilibre s’établit avec une pression ventriculaire maximale et une pression artérielle plus élevées, et une boucle pression volume un peu moins large qu’à l’étape intermédiaire. La surface délimitée par la boucle représente le travail cardiaque, donc la dépense énergétique du cœur. Cependant, si la cause première de l’augmentation du remplissage ventriculaire diastolique est un exercice physique, s’accompagnant donc d’une diminution de la résistance circulatoire dans une masse musculaire totale importante, l’augmentation de débit cardiaque résultant de l’augmentation de force de contraction ventriculaire ne s’accompagne pas d’une augmentation de pression artérielle. La pression artérielle est en effet le résultat du produit du débit cardiaque par la résistance circulatoire périphérique totale. Si cette résistance diminue tandis que le débit cardiaque augmente, la pression artérielle peut rester stable. 133 134 6c -Boucle Pression - Volume 7 – L’Accord Cardio-Vasculaire Contrôle de la force de contraction ventriculaire Énergétique myocardique Facteurs Inotropes Positifs • • • Catécholamines circulantes (adrénaline) Angiotensine Ca++ Négatifs • • • • • Hyperkaliémie Acidose Hypoxie Acétylcholine Bêtabloqueurs Travail cardiaque : W = ∆P . ∆V ∆P = PA – PV ≈ PA ∆V = Débit cardiaque Qc = VS x Fc Le travail augmente si la PA augmente et/ou si le débit augmente Parmi les facteurs inotrope positifs, on peut citer les catécholamines circulantes, notamment l’adrénaline, mais aussi l’angiotensine. Le travail cardiaque donc la dépense énergétique du muscle cardiaque, est égal au produit du gradient de pression et du gradient de volume créés par les contractions cardiaques. Le gradient de pression peut-être assimilé à la pression artérielle en regard de laquelle la pression veineuse est faible. Le gradient de volume correspond au débit cardiaque. Celui-ci est le produit du volume d’éjection systolique par la fréquence des battements cardiaques. Par exemple, pour un cœur battant à 70 battements par minute avec un volume d’éjection systolique de 80 ml de sang, le débit cardiaque est égal à 5,6 l par minute. Parmi les facteurs inotrope négatifs, on note l’hyperglycémie et l’hypoxie ainsi que l’acétylcholine et une famille de médicaments très largement utilisés en pathologie cardio-vasculaire, les bêta-bloqueurs. Le travail cardiaque augmente donc si la pression artérielle augmente et/ou si le débit cardiaque augmente. Dans les deux cas, la surface de la boucle pressionvolume ventriculaire augmente. Néanmoins, l’augmentation de débit cardiaque est une situation favorable puisque l’ensemble des tissus et organes en profite alors que l’augmentation de pression artérielle représente un gaspillage d’énergie. 135 136 7 – L’Accord CardioVasculaire 7 – L’Accord Cardio-Vasculaire La Post-Charge Résistance Circulatoire Périphérique Totale (RPT) Éjection systolique Pression artérielle Impédance Circulatoire The Windkessel model of the reverend Stephen Hales (1677-1761) Distensibilité pariétale artérielle La pression artérielle est une grandeur essentielle, déterminant les conditions de perfusion des organes et tissus. Sa valeur est le résultats de forces contradictoires : elle s’accroît si le débit cardiaque augmente (par augmentation de la fréquence et/ou de la force des contractions ventriculaires), mais aussi si la résistance circulatoire à l’écoulement sanguin augmente, ce qui est généralement le cas d’une vasoconstriction (contraction de la couche musculaire de la paroi des artères, réduisant leur diamètre et augmentant donc la résistance à l’écoulement sanguin). En outre, l’élasticité de la paroi artérielle (notamment aortique) joue un rôle déterminant, une augmentation de rigidité de cette paroi ayant pour conséquence une augmentation de la pression artérielle, notamment systolique (c’est ce qui ce passe, par exemple, dans l’artériosclérose). L’importance physiopathologique de l’élasticité de la paroi artérielle a été mise en exergue par Stephen Hales en 1773, par analogie avec la « caisse à air » des pompes utilisées autrefois pour éteindre les incendies. 137 138 7 – L’Accord Cardio-Vasculaire L 7 – L’Accord Cardio-Vasculaire L’onde artérielle Pompe à fonctionnement intermittent (remplissage / vidange) avec jeu de valves L D D W W P V P V V R V R Le mécanisme du « windkessel » Le mécanisme du « windkessel » (selon Stephen Hales, 1733) (selon Stephen Hales, 1733) Stephen Hales expliquait en effet que l’obtention d’un jet d’eau puissant et continu nécessitait un dispositif analogue à l’appareil cardio-vasculaire : un réservoir dans lequel peut être puisé le liquide. Dans l’organisme, il s’agit des veines qui contiennent environ 2/3 du volume sanguin total Une pompe, en l’occurrence intermittente puisque actionnée par les bras des pompiers, et représentée dans l’organisme par le cœur, avec ses valves à l’entrée et à la sortie des ventricules, empêchant le retour du liquide en arrière 139 140 7 – L’Accord Cardio-Vasculaire 7 – L’Accord Cardio-Vasculaire Stockage provisoire d’énergie grâce à l’élasticité de la paroi L L’onde artérielle D W P V V Bifurcation carotidienne normale R Le mécanisme du « windkessel » (selon Stephen Hales, 1733) Naissance et propagation temps Ainsi qu’un réseau de distribution, représenté dans l’organisme par les artères, avec une résistance réglable à l’extrémité (la lance), représentée dans l’organisme par la vasomotricité des artérioles. Lors de chaque éjection systolique, le ventricule gauche injecte dans l’aorte (chez un adulte au repos) environ 80 ml de sang, mais ce volume ne peut s’écouler dans les tissus pendant le temps de la systole, et il est donc, en grande partie, stocké temporairement grâce à la dilatation de l’aorte et des grosses artères, pour être restitué en diastole. Cette déformation de la paroi artérielle se propage le long de l’arbre artériel comme un onde, que l’on peut détecter en périphérie : c’est le pouls, parfaitement palpable sur les artères superficielles comme l’artère radiale. Cette onde de pouls se propage à une vitesse de quelques mètres par seconde, d’abord lentement sur l’aorte (2 à 4 m/s), plus rapidement sur les artères des membres supérieurs (6 à 8 m/s), et plus encore sur les artères des membres inférieurs (8 à 10 m/s), et d’autant plus vite que l’on s’éloigne du cœur, par la paroi artérielle est alors proportionnellement plus épaisse et plus rigide, comportant une couche musculaire plus importante. Cependant, un dispositif est encore nécessaire, sans quoi le jet obtenu à la sortie de la lance serait discontinu : il s’agit, pour les pompiers de jadis, de la caisse-àair (« windkessel ») dans laquelle de l’air se trouve emprisonné et comprimé lorsque, sous l’effet du fonctionnement de la pompe, le niveau de liquide s’élève, stockant ainsi de l’énergie, sous forme de pression, restituée entre deux coups de pompe et assurant ainsi un écoulement continu. Dans l’organisme, cette réserve d’énergie est assurée par la souplesse (ou compliance, ou distensibilité) de la paroi de l’aorte et des grosses artères proches du cœur, dont la paroi est riche en fibres élastiques, et donc très distensible. 141 distance (m) 0 1 Ventricule gauche Aorte 0.0 A distance (m) 7 – L’Accord CardioVasculaire 0 Ventricule gauche 0.0 L’onde Artérielle B 0.1 7 – L’Accord CardioVasculaire L’onde Artérielle B Contenant / Contenu Paroi artérielle / Sang 0.2 A B 0.2 0.3 Contenant / Contenu Paroi artérielle / Sang 0.3 A B "Distance d'éjection" temps (s) 1 Aorte 0.1 A 0.99 142 A B • Vitesse de propagation de l’onde artérielle : m/s • Vitesse d’écoulement du sang : cm/s 0.99 temps (s) La souplesse de la paroi artérielle, notamment aortique, est mise à contribution lors de l’éjection systolique du ventricule gauche. En effet, le volume d’éjection systolique ne peut, pendant que dure cette éjection (c’est-à-dire, chez un sujet adulte sain au repos, environ 300 ms), s’écouler entièrement à travers les artérioles déterminant la résistance circulatoire périphérique totale. L’excédent de volume, représentant près des deux tiers du volume d’éjection systolique, est donc temporairement stocké grâce à la dilatation de l’aorte initiale. Cette dilatation n’est que transitoire. Aussitôt que la force d’éjection systolique décroît, la paroi aortique revient à sa position de repos, restituant le volume sanguin emmagasiné pour le propulser dans la lumière artérielle. Ce phénomène se reproduit de proche en proche, constituant une onde qui se propage le long de la paroi aortique et sur l’ensemble des artères : Il s’agit de l’onde artérielle ou ondes de pouls. • Vitesse de propagation de l’onde artérielle : m/s • Vitesse d’écoulement du sang : cm/s Ce mécanisme peut être modélisé en représentant schématiquement le ventricule par une sphère et le réseau artériel par un conduit rectiligne. 143 144 distance (m) 0 1 Ventricule gauche Aorte 0.0 A B distance (m) 7 – L’Accord CardioVasculaire 0 1 Ventricule gauche Aorte 0.0 L’onde Artérielle A 0.1 7 – L’Accord CardioVasculaire L’onde Artérielle B 0.1 B A Contenant / Contenu Paroi artérielle / Sang 0.2 Contenant / Contenu Paroi artérielle / Sang 0.2 0.3 0.3 • Vitesse de propagation de l’onde artérielle : m/s • Vitesse d’écoulement du sang : cm/s 0.99 temps (s) • Vitesse de propagation de l’onde artérielle : m/s • Vitesse d’écoulement du sang : cm/s 0.99 temps (s) Si l’on considère le déplacement, dans ce conduit, de de globules rouges, l’un situé immédiatement après l’orifice aortique, l’autre situé environ 1 m plus loin, on constate que leur mouvement n’est pas synchrone. En effet, lorsque débute l’éjection systolique, le premier globule, situé dans la partie initiale de l’aorte, se trouve immédiatement propulsé et sa vitesse de déplacement s’accélère. Dans le même temps, le second globule, situé environ 1 m plus loin, ne présente aucun changement de sa vitesse d’écoulement. 145 distance (m) 0 1 Ventricule gauche Aorte 0.0 A B 146 distance (m) 7 – L’Accord CardioVasculaire 0 1 Ventricule gauche Aorte 0.0 L’onde Artérielle A 0.1 B 0.2 A B B A Contenant / Contenu Paroi artérielle / Sang Contenant / Contenu Paroi artérielle / Sang 0.2 A 0.3 B 0.3 A temps (s) L’onde Artérielle B 0.1 A 0.99 7 – L’Accord CardioVasculaire • Vitesse de propagation de l’onde artérielle : m/s • Vitesse d’écoulement du sang : cm/s "Distance d'éjection" 0.99 temps (s) Tandis que l’éjection systolique se poursuit, le premier globule circule toujours à vitesse accélérée tandis que le second n’est encore pas concerné. B • Vitesse de propagation de l’onde artérielle : m/s • Vitesse d’écoulement du sang : cm/s Ce n’est que plus tard que, l’éjection systolique étant terminée, la vitesse de déplacement du premier globule ralentit tandis que l’onde artérielle produite par l’éjection systolique arrive enfin au niveau du second globule qui voit alors sa vitesse d’écoulement s’accélérer à son tour. 147 148 distance (m) 0 1 Ventricule gauche Aorte 7 – L’Accord Cardio-Vasculaire 7 – L’Accord CardioVasculaire 0.0 A Pléthysmo L’onde Artérielle B convertisseur analogique / numérique Pléthysmo. Digitale 0.1 B A Contenant / Contenu Paroi artérielle / Sang 0.2 B A Doppler Photopléthysmographie 2: Doppler A. Brachiale au coude 0.3 1 A A 2 B "Distance d'éjection" 0.99 Intercorrélation des signaux Doppler 1: Doppler A. Subclavière B temps (s) • Vitesse de propagation de l’onde artérielle : m/s • Vitesse d’écoulement du sang : cm/s Résultat: Vitesse de l'onde artérielle calculée de l'artère brachiale: Longeur = 0,285 m Temps = 0,043 s Vitesse = 6,74 m/s Pléthysmo. Digitale Mesure de Vitesse de l’Onde Artérielle Il existe donc un décalage temporel de la modulation de vitesse circulatoire du sang le long de l’arbre artériel. Ce décalage est fonction de la vitesse de propagation de l’onde artérielle le long de la paroi de l’aorte et des artères principales. Cette vitesse de propagation de l’onde artérielle ou onde de pouls peut être mesurée assez aisément, par exemple en utilisant un enregistrement de vitesse circulatoire en différents sites le long de l’arbre artériel par effet Doppler ultrasonore, ou par une combinaison de l’effet Doppler et de la photopléthysmographie. Le décalage des courbes enregistrées représente le temps mis par l’onde artérielle pour cheminer d’un site d’enregistrement à l’autre. La distance séparant les deux sites d’enregistrement divisée par ce délai correspond à la vitesse de propagation de l’onde artérielle. 149 La Pression « Centrale » 150 7 – L’Accord Cardio-Vasculaire Aorte 2/25 mm La paroi vasculaire Artère 1/4 mm Artériole 20/30 µm Capillaire 1/8 µm Veinule 2/20 µm Veine 0,5/5 mm Veine Cave 1,5/30 mm Mesure tonométrique de la vitesse de l’onde de pouls et de la pression centrale (système Complior®) Légende Epaisseur de paroi / Diamètre Fibres Elastiques Musculaires de Collagène Proportions variables en fibres élastiques, fibres musculaires, collagène Ces différences de vitesse de propagation de l’onde artérielle reflètent des différences de souplesse de la paroi artérielle, celle-ci résultant de différences de composition histologique. En effet, l’aorte est une artère de large diamètre avec une paroi proportionnellement peu épaisse, comportant une forte proportion de fibres élastiques. Inversement, les artères distales présentent une paroi proportionnellement plus épaisse avec une composition comportant une plus forte proportion de fibres musculaires. L’aorte et les artères proches du cœur sont donc classées dans les artères « élastiques », tandis que les artères plus distales sont qualifiées d’artères « musculaires ». Les premières ont une paroi souple tandis que les dernières ont une paroi beaucoup plus rigide. La vitesse de propagation de l’onde artérielle est donc plus lente sur les artères élastiques que sur les artères musculaires. La mesure de la vitesse de propagation de l’onde artérielle peut être aussi effectuée à l’aide de capteurs de pression (ici un dispositif permettant, à partir de capteurs placés sur la carotide commune à la base du cou et sur l’artère fémorale commune à l’aine d’évaluer la vitesse de propagation de l’onde artérielle sur l’aorte). Chez un sujet adulte normal, la vitesse de propagation de l’onde artérielle est de l’ordre de 2 à 4 m/s sur l’aorte, 6 à 8 m/s sur les axes artériels principaux du membre supérieur, et 8 à 10 m/s sur les axes artériels principaux des membres inférieurs. 151 152 Pression (mm Hg) Dysfonction Endothéliale Altération de Vasorelaxation Perte de Compliance Artérielle Pariétale 7 – L’Accord Cardio-Vasculaire 150 Retour prématuré de l’onde réfléchie Artère fémorale t Aorte abdominale basse Vitesse (cm/s) Aorte abdominale moyenne Aorte thoracique Aorte ascendante 100 Remodelage de la paroi Pression et vitesse circulatoire le long de l’arbre artériel : 50 0 t Augmentation de la Précharge Perte de Compliance Artérielle Pariétale Augmentation de la Pression Pulsée La vitesse circulatoire décroît, La pression pulsatile augmente Athérosclérose Altération de la Perfusion Coronaire Désaccord Cardio-Vasculaire Atherosclerosis = The Vicous Circle! Dart AM – JACC 2001 Ter Avest E et al. Clinical Science 2007;112:507-516 Les différences de composition et de souplesse de la paroi le long de l’arbre artériel expliquent aussi la forme de la courbe de pression sanguine ainsi que la forme, différente, de la courbe de vitesse circulatoire aux différents étages. Lorsque la paroi artérielle devient anormalement rigide, plusieurs conséquences délétères s’enchaînent : -La compliance artérielle diminue, et le cœur doit donc fournir un travail plus important (et dépenser plus d’énergie) pour maintenir son débit, puisque le mécanisme du « windekessel » est altéré. On constate ainsi que, lorsque l’on s’éloigne du cœur, la courbe de pression artérielle voit son amplitude augmenter. Ainsi, chez un sujet sain allongé à l’horizontale, on constate que la pression artérielle systolique est plus élevée sur les artères distales, par exemple sur l’artère tibiale postérieure, que sur les artères proximales, par exemple l’artère brachiale. Ceci est dû au fait que la paroi des artères distales est moins souple, donc moins compliante. Lorsque l’onde artérielle chemine sur une artère de paroi souple, distensible, le volume augmente plus que la pression. Par contre, lorsque l’onde artérielle arrive sur une artère musculaire, de paroi moins distensible, le volume augmente peu et la pression s’élève. En outre, l’onde artérielle se réfléchit sur les bifurcations et embranchements mais aussi et surtout sur les résistances artériolaire périphériques. En distalité de l’arbre artériel, l’onde réfléchie vient donc s’additionner à l’onde incidente, augmentant l’amplitude du pic systolique. Sur les artères proximales, l’onde réfléchie arrive par contre plus tard. Elle est alors responsable d’un rehaussement secondaire de la courbe de pression, se traduisant par un second pic, de moindre amplitude que le pic systolique luimême. -La pression artérielle, principalement systolique, augmente, de sorte que la différence entre pression systolique et diastolique s’accroît, ce qui soumet les artères, notamment en périphérie, à un régime de variations de pression accentuées, provoquant un vieillissement accéléré de leur paroi, et augmentant le risque de rupture (par exemple, d’accident vasculaire cérébral hémorragique). -La vitesse de propagation de l’onde artérielle augmente, et l’onde réfléchie revient donc trop tôt au niveau de l’orifice aortique. Au lieu de contribuer à la fermeture, au bon moment, de la valve aortique et favoriser la perfusion du myocarde (puisque la perfusion du muscle cardiaque se fait surtout en diastole, lorsqu’il est relaxé), l’onde réfléchie arrive avant la fin de l’éjection systolique, à laquelle elle s’oppose, augmentant encore la charge de travail du myocarde, et n’est plus présente en début de diastole pour assurer une bonne perfusion myocardique. Ces altérations participent au véritable cercle vicieux du désaccord cardiovasculaire consécutif à l’augmentation de la rigidité artérielle pariétale. En revanche, la courbe de vitesse circulatoire, telle qu’elle peut être enregistrée par effet Doppler ultrasonore, montre une diminution progressive de vitesse circulatoire en distalité, comme nous l’avons vu au début de ce cours. L’onde réfléchie étant alors une onde de vitesses, de sens inverse de l’onde incidente, elle se soustrait de la courbe de vitesse qui présente dès lors une inversion circulatoire ou reflux en début de diastole. 153 A Pression (mm Hg) 200 100 A 7 – L’Accord CardioVasculaire 200 100 Débit (ml/s) 7 – L’Accord CardioVasculaire Débit (ml/s) 200 200 100 100 W = Pression x Débit = P x Q Compliance artérielle B Pression (mm Hg) W = Pression x Débit = P x Q Compliance artérielle nulle Cycle 1 Résistance = (mm Hg/ml/s) 1 W= PxQ 100x100x1 W (mm Hg.ml) = 10 000 Pompe à fonctionnement continu, Paroi artérielle rigide Si, dans ce modèle, le cœur est représenté par une pompe à fonctionnement continu (par exemple une pompe électrique centrifuge), assurant un débit continu, et le réseau vasculaire par une tuyauterie rigide sur lequel est installée une vanne représentant la résistance circulatoire périphérique totale, le coût énergétique du travail nécessaire pour assurer un débit donné, contre une résistance déterminée, est égal au produit du débit par la pression nécessaire pour l’assurer. Sur cet exemple, la pression nécessaire pour assurer un débit moyen de 100 ml/s contre une résistance de 1 mm Hg/ml/s serait égale à 100 mm Hg, pour un coût énergétique de 10 000 mm Hg.ml nulle nulle Cycle 1 0.5 Résistance = (mm Hg/ml/s) 1 1 W= PxQ 100x100x1 2 00x200x0.5 W (mm Hg.ml) = 10 000 20 000 Pompe à fonctionnement alternatif, Paroi artérielle rigide Si la pompe électrique centrifuge est remplacée par une pompe à fonctionnement cyclique, comme une pompe à piston, de façon à “mimer” le fonctionnement du cœur (alternance de remplissage et vidange), avec des valves assurant l’écoulement unidirectionnel, la pression nécessaire pour assurer le même débit moyen de 100 ml/s contre une résistance de 1 mm Hg/ml/s serait égale à 200 mm Hg, le débit instantané devant atteindre 200 ml/s pendant la phase d’éjection si le cycle de la pompe est de 0,5 (temps d’éjection égal au temps de remplissage). Le coût énergétique serait alors de 200 ml/s x 200 mm Hg x 0,5 = 20 000 mm Hg.ml, donc double de celui du modèle précédent. 155 156 A B C Pression (mm Hg) 200 100 8 - La Microcirculation 7 – L’Accord CardioVasculaire Artérioles terminales Débit (ml/s) Artérioles 200 100 Capillaires Artères W = Pression x Débit = P x Q Compliance artérielle nulle infinie Cycle nulle 1 0.5 0.5 Résistance = (mm Hg/ml/s) 1 1 1 W= PxQ 100x100x1 2 00x200x0.5 2 00x100x0.5 W (mm Hg.ml) = 10 000 20 000 10 000 Innervation Sympathique Pompe à fonctionnement alternatif, Paroi artérielle souple Veinules Veines Au-delà des artérioles, le sang parvient au réseau constitué par les vaisseaux capillaires, dont la densité est d’autant plus grande que l’activité métabolique (dont le besoin énergétique) des tissus est importante. Le réseau capillaire débouche sur des veinules, qui convergent pour former des veines. Notons que l’innervation sympathique des abondante sur les artérioles, mais épargne leur partie terminale, et existe aussi sur les veinules et les veines. Les vaisseaux capillaires, dont la paroi est dépourvue de couche musculaire, ne reçoivent pas d’innervation vasomotrice. Les vaisseaux capillaires ont un diamètre moyen voisin de celui des globules rouges (7µm) voire inférieur, avec une longueur de l’ordre du mm, et une paroi très fine, faite d’une seule couche de cellules endothéliales. Dans certains capillaires (foie, rein, par exemple), des espaces ou « pores » sont aménagés entre les cellules endothéliales. Dans d’autres tissus comme le cerveau, le revêtement endothélial capillaire est étanche. Si, dans ce modèle équipé d’une pompe à fonctionnement cyclique, un segment compliant (par exemple un tuyau de caoutchouc, bien distensible) est installé sur le versant artériel du circuit, sa dilatation pendant l’éjection permet de stocker temporairement le surcroît de volume pour le restituer ensuite. La pression moyenne pour assurer un débit moyen de 100 ml/s contre une résistance de 1 mm Hg/ml/s est alors égale à 100 mm Hg. Le coût énergétique est alors égal à 200 ml/s (débit instantané de la pompe en phase d’éjection) x 100 mm Hg = 10 000 mm Hg.ml, donc le même coût que pour le premier modèle. Ainsi, la souplesse de la paroi artérielle permet-elle une épargne d’énergie compensant les conséquences du mode intermittent de l’éjection systolique. A contrario, une perte de souplesse de la paroi artérielle (avec l’âge, l’artériosclérose, le diabète, l’insuffisance rénale chronique…) a pour conséquence une augmentation de la dépense énergétique cardiaque pour un même débit cardiaque, et avec une augmentation de la pression artérielle pulsatile (différence entre pression systolique et pression diastolique). 157 158 8 - La Microcirculation 8 - La Microcirculation Les Artérioles Les Capillaires • • • • • • • Diamètre : 5 – 100 µm • Couche musculaire proportionnellement importante • Forte innervation… • sauf pour l’artériole terminale • Cas particuliers : Diamètre : 5 – 8 µm Longueur : 0,5 – 1 mm Couche unique de cellules endothéliales Densité variable selon les tissus Recrutement capillaire – Vasomotion Pores – Nombre et dimensions variables – Ex : foie (très larges) – Ex : cerveau (barrière hémato-encéphalique) – métartériole – sphincter pré-capillaire – Anastomoses artério-veineuses Les artérioles sont remarquables par l’épaisseur relativement très importante de leur paroi musculaire, leur conférant une capacité de vasomotricité puissante. Elles reçoivent une abondante innervation sympathique, qui épargne cependant l’artériole terminale (partie ultime de l’artériole précédent le capillaire). Les vaisseaux capillaires ont une paroi constituée d’une simple couche de cellules endothéliales. Leur diamètre est faible, parfois même inférieur au diamètre des globules rouges, lesquels doivent donc pouvoir se déformer pour parvenir à y circuler. Certaines pathologies héréditaires de l’hémoglobine ont pour effet, notamment en cas d’hypoxie (par exemple en altitude) d’altérer la déformabilité des globules rouges, et de créer ainsi des désordres microcirculatoires. Dans certains territoires (mésentérique, notamment) on décrit un renforcement localisé de la média (couche musculaire) des artérioles dans leur partie terminale, précédent les capillaires, formant une sorte de sphincter, mais cela ne semble pas significatif chez l’homme. La densité de capillaires est variable selon les tissus, où elle est proportionnelle à l’activité métabolique. Ainsi, les tissus à forte activité métabolique (comme les parenchymes glandulaires) bénéficient d’une forte densité de vaisseaux capillaires, tandis que cette densité est beaucoup plus faible dans les tissus d’activité métabolique moindre (par exemple le tissu osseux). Par contre, les anastomoses artérioveineuses jouent un rôle important, chez l’homme, dans la thermorégulation. Il s’agit de véritables « courts-circuits » entre artérioles et veinules, permettant, lorsqu’elles sont ouvertes, le passage d’un débit sanguin important des artères aux veines sans emprunter le réseau capillaire. Ces anastomoses, situées principalement au niveau de la circulation cutanée de la face palmaire des mains et des doigts, de la face plantaire des pieds et des orteils, ainsi que sur la face, le nez et les oreilles, s’ouvrent donc dans la lutte contre la chaleur, permettant, par cette vasodilatation cutanée, de disperser des calories dans l’environnement. Les cellules endothéliales qui forment la paroi des vaisseaux capillaires ménagent parfois entre elles des interstices réalisant de petits orifices, les pores, par lesquelles peuvent passer certaines grosses molécules. Ces pores sont absents dans la circulation cérébrale, où le revêtement endothélial vasculaire est étanche (on parle de « barrière hémato-encéphalique », qui protège le cerveau de certaines grosses molécules mais aussi, normalement, des bactéries). Dans le foie, les pores sont nombreux et larges dans les capillaires sinusoïdes, permettant la captation par les hépatocytes des grosses molécules issues de l’absorption intestinale. Dans le rein, le capillaire glomérulaire porte aussi de nombreux pores, déterminant les conditions de filtrage du sang produisant l’urine primitive. Cependant, ces pores ne laissent normalement pas passer les très grosses molécules comme l’albumine, dont la présence dans l’urine est donc pathologique, traduisant une détérioration des capillaires glomérulaires. 159 160 8 - La Microcirculation 8 - La Microcirculation Les échanges capillaires : diffusion Les échanges capillaires (Starling) Pression (mm Hg) Filtration Réabsorption 32 Pression oncotique 25 15 Limitation : • par le débit sanguin (ex: mol. Liposolubles) • par la diffusibilité (grosses molécules) Pression hydrostatique sanguine Versant artériolaire En fonction de la présence, de la taille, et du nombre de pores aménagés dans la paroi capillaire, les échanges de « grosses molécules » avec les tissus irrigués est plus ou moins limitée : la taille et le nombre des pores en regard de la taille de la molécule considérée définissent sa diffusibilité. Pour les molécules solubles dans les lipides (liposolubles) comme les gaz respiratoires, les échanges se font très facilement à travers la paroi capillaire, indépendamment de la présence de pores. Capillaire Versant veinulaire Les échanges d’eau entre le sang, dans la microcirculation, et le liquide interstitiel, dépendent de la différence de pression hydrostatique entre la lumière vasculaire et le liquide interstitiel, mais aussi de la pression osmotique exercée par les grosses molécules protéiques présentes dans le sang et qui, de par leur taille, ne franchissent pas la barrière de la paroi vasculaire. Ces molécules (principalement l’albumine), « emprisonnées » dans le sang, exercent une force, dite « pression oncotique », qui tend à retenir l’eau dans le sang. La pression hydrostatique intra-vasculaire étant plus grande que la pression interstitielle + la pression oncotique sur le versant artériolaire, le résultat est une sortie d’eau vers le secteur interstitiel ou filtration. Au contraire, sur le versant veinulaire, la pression intra-vasculaire est plus faible, et la pression oncotique rappelle l’eau vers la lumière vasculaire : c’est la réabsorption. 161 8 - La Microcirculation 8 - La Microcirculation Les échanges capillaires Les échanges capillaires Pression (mm Hg) Filtration Pression (mm Hg) Réabsorption Filtration 32 Effet de l’augmentation de pression veineuse 162 Effet de la baisse De pression oncotique 25 20 15 Œdème, Congestion hépatique, turgescence veineuse Réabsorption 32 25 20 15 Œdème, Ascite, Epanchement pleural Versant artériolaire Capillaire Versant veinulaire Versant artériolaire Ex: Augmentation de la pression veineuse centrale (insuffisance cardiaque droite) Capillaire Versant veinulaire Ex: Insuffisance Hépatique, Albuminurie, Malnutrition En cas d’augmentation de la pression veineuse centrale, par exemple dans un contexte d’insuffisance cardiaque droite, la pression hydrostatique est anormalement élevée sur le versant veinulaire, de sorte que les échanges capillaires sont altérés, avec un excès de filtration ayant pour conséquence l’accumulation d’eau dans le secteur interstitiel, se manifestant par un gonflement des tissus (notamment aux membres inférieurs, effaçant le galbe de la jambe et les reliefs de la cheville), une augmentation de volume du foie (hépatomégalie), et une dilatation des veines superficielles (turgescence) notamment au niveau du cou. Si le taux d’albumine ou de grosses protéines dans le sang diminue (insuffisance hépatique consécutive à une cirrhose, malnutrition, suite rénale d’albumine), la pression oncotique diminue, et il en résulte un excédent de filtration et un défaut de réabsorption ayant pour conséquence une accumulation d’eau dans les tissus, avec un gonflement apparent : l’œdème. 163 164 9 – La Cellule Musculaire Lisse Vasculaire 9 – La Cellule Musculaire Lisse Vasculaire : re e lai cu Liss s Va ire yte ula oc usc y M M Le l l ul e Ce Contrôle de la Vasomotricité ∆ P = R.Q Q = ∆P/R Tonus basal Du point de vue local, ∆ P = PA-PV ≈ stable R change par la vasomotricité Q varie donc en fonction de R Vaso-constriction Vaso-relaxation En effet, selon que le territoire concerné par un changement vasomoteur est restreint ou large, une vasoconstriction, par exemple, peut n’avoir pour conséquence qu’une réduction du débit sanguin local, ou entraîner une augmentation notable de la résistance circulatoire périphérique totale et entraîner donc une augmentation de la pression artérielle systémique (à débit cardiaque égal). Sur les veines comme sur les artères, la régulation de la circulation sanguine repose sur la vasomotricité, c’est-à-dire la variation du taux de contraction basal des vaisseaux : une augmentation de ce tonus entraîne une diminution du diamètre (vasoconstriction), tandis qu’une diminution du tonus entraîne une vasorelaxation (ou vasodilatation). La résistance à l’écoulement sanguin dépendant principalement du diamètre, la vasomotricité constitue le moyen de réglage du débit sanguin local mais aussi, lorsque la vasomotricité implique de larges territoires vasculaires, de la pression artérielle. 165 166 9 – La Cellule Musculaire Lisse Vasculaire 9 – La Cellule Musculaire Lisse Vasculaire Morphologie Contrôle de la Vasomotricité Local Nerveux et Humoral = = Corps Dense Gap Junctions Actine Bande Dense Besoins métaboliques Arbitrage systémique Cavéoles Myosin e Filaments Intermédiaires Réticulum Sarcoplasmique D’après R Levick – Introduction to Cardiovascular Physiology – Arnold, London, 2003 Le contrôle de la vasomotricité repose sur deux mécanismes : A la base de cet ajustement vasomoteur, se trouve le myocyte vasculaire, qui se distingue du myocyte strié (squelletique ou cardiaque) à plusieurs égards, avec en outre une grande variabilité selon les territoires. Il s’agit d’une cellule musculaire de dimensions modestes, avec des sarcomères ne présentant pas, contrairement au muscle strié, un arrangement parallèle et régulier. Les sarcomères ne sont en effet pas insérés sur des stries Z, mais sur des « corps denses » répartis dans la cellule et à ses extrémités, ce sorte que la cellule paraît lisse. A noter la présence, entre cellules voisines, de communications intercellulaires, les « gapjunctions », permettant la transmission par contiguïté des perturbations électriques et ioniques, et notamment la propagation des dépolarisations. -Un mécanisme local, par lequel chaque tissu de l’organisme adapte son débit sanguin à son besoin métabolique. -Un mécanisme général, nerveux et hormonal, effectuant un arbitrage systémique ayant pour effet de maintenir stable la pression artérielle. 167 168 9 – La Cellule Musculaire Lisse Vasculaire 9 – La Cellule Musculaire Lisse Vasculaire Potentiel de membrane (mV) • Petite taille, pas de striation visible (pas d’organisation parallèle des sarcomères) • Très longs filaments d’actine (fort taux de raccourcissement) 0 • Pas de protéines régulatrices (troponine et tropomyosine) mais phosphorylation de la myosine sous l’effet du Ca++ cytosolique, permettant l’interaction actine / myosine Potentiel d’Action noradrénaline iCa iK • Syncitium fonctionnel seuil -50 • Autoexcitabilité (pour certains vaisseaux : tonus de base) iCl Slow EJP • Contraction graduelle -100 • Verrouillage de la liaison (durée : jusqu’à 3 s) • Couplage électro-mécanique et chimio-mécanique temps (s) Principaux Mécanismes Ioniques du Potentiel d’Action Les sarcomères dont est équipé le myocyte lisse vasculaire comportent des filaments d’actine particulièrement long, ce qui lui confère un taux de raccourcissement très important. C’est ainsi que, lors d’une plaie, les petites artères et artérioles sont capables de s’occlure totalement par vasoconstriction. Les mécanismes ioniques de son potentiel d’action du myocyte vasculaire sont particuliers. Ainsi, la stimulation sympathique provoque, par ouverture de canaux Chlore, une dépolarisation qui, même si elle n’atteint pas le seuil de déclenchement du potentiel d’action, s’accompagne d’une augmentation du taux de contraction. Le myocyte lisse vasculaire se distingue aussi des myocytes striés par l’absence de protéines régulatrices mais l’existence, en revanche, d’une étape biochimique supplémentaire, préalable à la contraction : la phosphorylation des chaînes légères de myosine. Si le seuil de déclenchement du potentiel d’action est atteint, celui-ci résulte de l’ouverture de canaux Calcium voltage-dépendants. Les potentiels d’action sont rares ou absents dans certains territoires vasculaires, mais peuvent survenir spontanément dans d’autres (par un mécanisme ionique comparable à la dépolarisation de repos des cardiomyocytes automatiques). Il est possible de voir se succéder rapidement plusieurs potentiels d’action sur la base d’une dépolarisation prolongée. Du point de vue fonctionnel, le myocyte vasculaire ne fonctionne pas, contrairement au myocyte strié, sur le mode du « tout ou rien ». Sa contraction est graduelle, pouvant varier de façon continue entre relaxation totale et contraction maximale. En outre, les ponts actine – myosine ne sont pas détruits aussitôt constitués, mais sont durables, ce qui assure une contraction de longue durée peu coûteuse sur le plan énergétique. La diversité est donc une caractéristique essentielle des myocytes lisses vasculaires : les différents mécanismes modulant la contraction sont en effet présents dans les différents territoires vasculaires, mais à des niveaux et dans des proportions différentes, ces différences sous-tendant les particularités des adaptations circulatoires locales ou régionales (la circulation cérébrale ne réagit pas comme la circulation rénale, laquelle se règle différemment de la circulation dans les muscles striés squelettiques etc.). Le myocyte lisse vasculaire est capable de moduler son niveau de contraction avec ou sans potentiel d’action et même avec ou sans variation de son potentiel de membrane. 169 9 – La Cellule Musculaire Lisse Vasculaire COUPLAGE Pharmaco-Mécanique Electro-Mécanique Potentiel Synaptique Excitateur N Adr Ca ++ IP3 Ca++i Cl- Ca ++i DAG Ca ++i Protéine kinase C Ca++ Réticulum Sarcoplasmique 9 – La Cellule Musculaire Lisse Vasculaire COUPLAGE Pharmaco-Mécanique Electro-Mécanique Mécanismes de la Contraction Mécanismes de la Contraction Ca++ VOC ROC Phosphoα lipase C G PIP2 170 • Dualité des mécanismes de couplage (par l’intermédiaire de récepteurs membranaires ou par dépolarisation) • Dualité des mécanismes de couplage (par l’intermédiaire de récepteurs membranaires ou par dépolarisation) • Force de contraction variable • Force de contraction variable Ca++ - Calmoduline kinase des chaînes légères de Myosine Phosporylation de la Myosine CONTRACTION Deux modalités distinctes peuvent conduire à la contraction (ou accroître le taux de contraction) du myocyte lisse vasculaire : avec ou sans variation du potentiel de membrane. La force de contraction du myocyte vasculaire peut donc être réglée par couplage électro-mécanique et/ou par couplage pharmaco-mécanique. L’augmentation du taux de contraction peut résulter, comme dans les autres myocytes, d’une dépolarisation avec potentiel d’action, mais aussi sans potentiel d’action. Toute dépolarisation s’accompagne d’une augmentation de la contraction. C’est ce que l’on appelle « le couplage électro-mécanique ». Cependant, l’augmentation du taux de contraction est possible aussi sans variation du potentiel de membrane, par des mécanismes chimiques déclenchés par la fixation de diverses substances sur des récepteurs de membranes. On parle alors de « couplage pharmaco-mécanique » ou « récepteur-dépendant ». 171 172 9 – La Cellule Musculaire Lisse Vasculaire COUPLAGE Pharmaco-Mécanique Electro-Mécanique Potentiel Synaptique Excitateur 9 – La Cellule Musculaire Lisse Vasculaire COUPLAGE Pharmaco-Mécanique Electro-Mécanique Mécanismes de la Contraction Potentiel Synaptique Excitateur Mécanismes de la Contraction Ca++ VOC • Dualité des mécanismes de couplage (par l’intermédiaire de récepteurs membranaires ou par dépolarisation) Cl- Ca ++i Ca ++i • Force de contraction variable • Dualité des mécanismes de couplage (par l’intermédiaire de récepteurs membranaires ou par dépolarisation) • Force de contraction variable Le couplage électromécanique est une modalité comparable à ce que l’on observe dans les myocytes striés, et peut être mis en jeu, notamment, par l’activation de la synapse du système nerveux sympathique, ou par une dépolarisation transmise d’une cellule musculaire voisine. Cependant, une particularité est la mise en jeu, par cette modalité, de canaux membranaire laissant entrer des ions Chlore, générant ainsi une dépolarisation qui, si elle atteint leur seuil d’ouverture, provoque l’entrée de Calcium Ca++ dans la cellule par des canaux calciques voltage-dépendants. 173 9 – La Cellule Musculaire Lisse Vasculaire COUPLAGE Pharmaco-Mécanique Electro-Mécanique Potentiel Synaptique Excitateur N Adr 9 – La Cellule Musculaire Lisse Vasculaire COUPLAGE Pharmaco-Mécanique Electro-Mécanique Mécanismes de la Contraction Potentiel Synaptique Excitateur N Adr Ca++ VOC Phosphoα lipase C G Cl- Ca ++i Ca ++i 174 Ca ++ Ca++ VOC ROC Phosphoα lipase C G • Dualité des mécanismes de couplage (par l’intermédiaire de récepteurs membranaires ou par dépolarisation) Ca++i Cl- Ca ++i • Force de contraction variable Mécanismes de la Contraction Ca ++i • Dualité des mécanismes de couplage (par l’intermédiaire de récepteurs membranaires ou par dépolarisation) • Force de contraction variable L’autre modalité de couplage fait intervenir des récepteurs membranaires à différentes substances. Tel est le cas, par exemple, de la noradrénaline. La fixation de la noradrénaline sur son récepteur membranaire provoque d’une part, via une protéine de membrane G, l’ouverture de canaux calciques, 175 176 9 – La Cellule Musculaire Lisse Vasculaire COUPLAGE Pharmaco-Mécanique Electro-Mécanique Potentiel Synaptique Excitateur N Adr Ca ++ IP3 Ca++i COUPLAGE Pharmaco-Mécanique Electro-Mécanique Mécanismes de la Contraction Potentiel Synaptique Excitateur N Adr Ca++ VOC ROC Phosphoα lipase C G PIP2 9 – La Cellule Musculaire Lisse Vasculaire Cl- Ca ++i DAG Ca ++i Ca ++ Ca++ VOC ROC Phosphoα lipase C G • Dualité des mécanismes de couplage (par l’intermédiaire de récepteurs membranaires ou par dépolarisation) PIP2 IP3 Ca++i Cl- Ca ++i DAG Ca ++i Protéine kinase C Ca++ • Force de contraction variable • Dualité des mécanismes de couplage (par l’intermédiaire de récepteurs membranaires ou par dépolarisation) • Force de contraction variable Réticulum Sarcoplasmique Et d’autre part l’activation de la phospholipase C, sous l’action de laquelle le phospho-inositol diphosphate est clivé en diacylglycérol et phospho-inositol triphosphate. Mécanismes de la Contraction Le diacylglycerol active à son tour la Protéine Kinase C qui, avec la RhoA kinase, contribue à la sensibilité de l’appareil contractile au Ca++ (en inhibant la phosphatase des chaînes légères de myosine), tandis que le phospho-inositol triphosphate provoque le relargage de Ca++ par le réticulum sarcoplasmique. Ces différentes actions concourent à augmenter le taux de Ca++ cytoplasmique. 177 178 9 – La Cellule Musculaire Lisse Vasculaire COUPLAGE Pharmaco-Mécanique Electro-Mécanique Potentiel Synaptique Excitateur N Adr Ca ++ IP3 Ca++i Cl- Ca ++i DAG Ca ++i Protéine kinase C Ca++ Réticulum Sarcoplasmique COUPLAGE Pharmaco-Mécanique Electro-Mécanique Mécanismes de la Contraction Potentiel Synaptique Excitateur N Adr Ca++ VOC ROC Phosphoα lipase C G PIP2 9 – La Cellule Musculaire Lisse Vasculaire Ca ++ Ca++ VOC ROC Phosphoα lipase C G • Dualité des mécanismes de couplage (par l’intermédiaire de récepteurs membranaires ou par dépolarisation) PIP2 IP3 Ca++i Cl- Ca ++i DAG Ca ++i Protéine kinase C Ca++ Ca++ - Calmoduline • Force de contraction variable Réticulum Sarcoplasmique Cette augmentation du taux de Ca++ cytoplasmique permet la formation de complexe Calcium – Calmoduline Mécanismes de la Contraction • Dualité des mécanismes de couplage (par l’intermédiaire de récepteurs membranaires ou par dépolarisation) Ca++ - Calmoduline kinase des chaînes légères de Myosine • Force de contraction variable Le complexe Calcium – Calmoduline active alors la kinase des chaînes légères de myosine. 179 180 9 – La Cellule Musculaire Lisse Vasculaire COUPLAGE Pharmaco-Mécanique Electro-Mécanique Potentiel Synaptique Excitateur N Adr Ca ++ IP3 Ca++i Cl- Ca ++i DAG Ca ++i Protéine kinase C Ca++ Réticulum Sarcoplasmique Facteurs Vaso-constrictifs Mécanismes de la Contraction Ca++ VOC ROC Phosphoα lipase C G PIP2 9 – La Cellule Musculaire Lisse Vasculaire • Dualité des mécanismes de couplage (par l’intermédiaire de récepteurs membranaires ou par dépolarisation) Ca++ - Calmoduline kinase des chaînes légères de Myosine • Force de contraction variable Phosporylation de la Myosine CONTRACTION Et la phosphorylation de la myosine permet la constitution de ponts actine – myosine et donc la contraction musculaire. Les mécanismes de contrôle systémique de la vasomotricité reposent sur le système nerveux sympathique, généralement responsable d’une vasoconstriction, et sur plusieurs systèmes hormonaux (adrénaline, hormone antidiurétique, angiotensine). 181 182 9 – La Cellule Musculaire Lisse Vasculaire 9 – La Cellule Musculaire Lisse Vasculaire Facteurs Vaso-constrictifs Facteurs Vaso-constrictifs Nerveux et Humoraux Locaux • • • • • • • • Système Sympathique • Adrénaline (α α1) • Vasopressine • Angiotensine Le système nerveux sympathique a, sur la circulation systémique, un effet principalement vasoconstricteur (via les récepteurs alpha de la membrane des myocytes lisses vasculaires). O2 ↑, CO2 ↓, K+ ↓ Osmolarité ↓ Froid (peau) Histamine (H1) Sérotonine Endothéline Prostaglandines (PGF, Nerveux et Humoraux • Système Sympathique • Adrénaline (α α) • Vasopressine • Angiotensine Thromboxane A2) L’activité métabolique des tissu a pour conséquence de modifier la composition du milieu interstitiel. Si cette activité diminue, on observe : augmentation du taux d’oxygène, diminution du taux de dioxyde de carbone, diminution du taux des produits de dégradation de l’ATP (notamment l’adénosine), diminution des ions K+, augmentation du pH… qui provoquent une vasoconstriction. D’autres substances produites localement (l’histamine sur les récepteurs H1, la sérotonine, l’endothéline, certaines prostaglandines) ont aussi un effet vasoconstricteur. L’hormone anti-diurétique (ADH, ou vasopressine) et l’angiotensine sont aussi des hormones dont l’effet sur la circulation systémique est vasoconstricteur. 183 184 9 – La Cellule Musculaire Lisse Vasculaire 9 – La Cellule Musculaire Lisse Vasculaire Facteurs Vaso-relaxants Facteurs Vaso-relaxants Nerveux et Humoraux • Adrénaline (β β2) • Peptide Atrial Natriurétique (PAN) • Adrénomédulline • (Système parasympathique) De la même façon, la vasorelaxation peut résulter d’une intervention nerveuse, endocrinienne, ou locale. L’adrénaline, hormone libérée dans la circulation sanguine par la glande médullosurrénale, présente un effet vasoconstriceur systémique mais aussi, du fait de son affinité particulière pour les récepteurs de type bêta 2, un effet vasorelaxant. Ces récepteurs se trouvent sur la membrane des myocytes lisses vasculaires des artères coronaires, hépatiques, et des muscles striés squelettiques. Les peptides natriurétiques (dont le PAN) ont aussi un effet vasorelaxant. Le système parasympathique est potentiellement vasorelaxant par son médiateur, l’acétylcholine, mais il n’y a pas d’innervation parasympathique vasculaire, à l’exception des tissus érectiles (mamelon du sein, corps ciliaires de l’œil, pénis ou clitoris). 185 186 9 – La Cellule Musculaire Lisse Vasculaire 10 – La Fonction Endothéliale Vasomotrice Facteurs Vaso-relaxants Locaux • • • • • • • O2 ↓, CO2 ↑, K+ ↑ Osmolarité ↑ Chaleur (peau) Histamine (H2) EDRF (NO), EDHF Bradykinine Prostaglandines (PGE, PGI2: prostacycline) Carbachol Nerveux et Humoraux • Adrénaline (β β2) • Peptide Atrial Natriurétique (PAN) • Adrénomédulline Endothélium et contrôle vasculaire local Vaso-Relaxation Carbachol La mise en évidence de l’E.D.R.F. (Endothelium Derived Relaxing Factor) • (Système parasympathique) Vasoconstriction Les changements de composition du milieu interstitiel qui traduisent une augmentation d’activité métabolique (diminution du taux d’oxygène, augmentation du taux de dioxyde de carbone, augmentation du taux des produits de dégradation de l’ATP,notamment l’adénosine, augmentation des ions K+, diminution du pH…) provoquent une vasorelaxation dite « métabolique » ou « fonctionnelle ». Par ce mécanisme, chaque tissu adapte son débit sanguin à ses besoins métaboliques, de façon tout à fait autonome. Cependant, le myocyte lisse vasculaire est aussi soumis à l’influence majeure de l’endothélium. Ce revêtement interne des vaisseaux, fait d’une unique couche cellulaire reposant sur une membrane basale, ne joue pas seulement un rôle d’étanchéité vasculaire. Il s’agit d’un tissu ubiquitaire, interface entre le sang et toutes les substances qu’il véhicule et la média, produisant des enzymes (comme l’enzyme de conversion de l’angiotensine) et autres messagers, s’adressant notamment à la cellule musculaire lisse vasculaire et jouant ainsi un rôle majeur dans le contrôle de la vasomotricité. La découverte de cette fonction endothéliale vasomotrice revient à Robert F Furchgott en 1980 et lui valu le prix Nobel en 1998 : un anneau aortique plongé dans un bain d’organe réagit à l’acétylcholine par une vasorelaxation. Cependant, si l’endothélium en a été préalablement retiré, cet anneau aortique réagit par une vasoconstriction : cela signifie que l’endothélium est capable, en réponse à l’acétylcholine, d’adresser à la cellule musculaire lisse voisine un second messager, que cet auteur appela l’EDRF (endothelium derived relaxing factor). 187 188 10 – La Fonction Endothéliale Vasomotrice 10 – La Fonction Endothéliale Vasomotrice Thrombine Bradykinine Substance P Acétylcholine VIP Ca++ Flux sanguin Forces de cisaillement Ca++-Calmoduline Cellule Endothéliale NO synthase constitutive Cellule Musculaire Lisse Vasculaire L-arginine NO GMPc EDRF Endothelium Derived Relaxing factor (NO) (NO) Cellule Endothéliale L-citrulline Guanylyl Cyclase GTP EDRF Endothelium Derived Relaxing factor Relaxation Mécanismes de la vasorelaxation endothéliumdépendante Mécanismes de la vasorelaxation endothéliumdépendante Cellule Musculaire Lisse Vasculaire L’endothélium tapisse en effet la lumière vasculaire, et constitue ainsi une interface entre le sang et les cellules musculaires lisses vasculaires. En effet, l’endothélium réagit à de nombreux facteurs, mécanismes, chimiques, ou endocriniens et, notamment, aux forces de friction exercées par le sang sur la surface des cellules endothéliales. Lorsque le débit sanguin augmente dans un vaisseau (comme, par exemple, lors de l’épreuve d’hyperémie décrite précédemment), ces forces de friction augmentent, et, par l’action de récepteurs mécanique à la surface des cellules endothéliales, une cascade d’événements chimiques est déclenchée, aboutissant à la libération d’oxyde nitrique (NO) gaz soluble et très diffusible, qui rejoint la cellule musculaire lisse vasculaire et provoque sa relaxation : par ce mécanisme, chaque vaisseau sanguin adapte son diamètre à son débit, de façon autonome. 189 190 10 – La Fonction Endothéliale Vasomotrice 10 – La Fonction Endothéliale Vasomotrice EDRF Ca++ Cellule Endothéliale Cellule Musculaire Lisse Vasculaire Ca++-Calmoduline EDRF Thrombine Bradykinine Substance P Acétylcholine VIP Endothelium Derived Relaxing factor Ca++ (NO) Cellule Endothéliale Mécanismes de la vasorelaxation endothéliumdépendante Cellule Musculaire Lisse Vasculaire A sa surface, des canaux calciques déterminent l’entrée de calcium dans le cytoplasme, et la formation du complexe Calcium-Calmoduline. Ca++-Calmoduline Endothelium Derived Relaxing factor (NO) Mécanismes de la vasorelaxation endothéliumdépendante Cette entrée de calcium peut être activée par la fixation, sur les récepteurs de membrane correspondant, de diverses substances comme l’acétylcholine, mais aussi la bradykinine, la susbtance P, la thrombine, le VIP… 191 192 10 – La Fonction Endothéliale Vasomotrice EDRF Thrombine Bradykinine Substance P Acétylcholine VIP Ca++ Flux sanguin Ca++ (NO) Ca++-Calmoduline Flux sanguin Forces de cisaillement Ca++-Calmoduline Cellule Endothéliale Mécanismes de la vasorelaxation endothéliumdépendante Cellule Musculaire Lisse Vasculaire EDRF Thrombine Bradykinine Substance P Acétylcholine VIP Endothelium Derived Relaxing factor Forces de cisaillement Cellule Endothéliale 10 – La Fonction Endothéliale Vasomotrice NO synthase constitutive L-arginine NO (NO) L-citrulline Mécanismes de la vasorelaxation endothéliumdépendante Cellule Musculaire Lisse Vasculaire Mais aussi par des mécanorécepteurs activés par les forces de friction du sang à la surface de la cellule endothéliale. Ainsi, toute augmentation du débit sanguin génère-t-elle une augmentation de l’entrée de calcium dans le cytoplasme de la cellule endothéliale. Endothelium Derived Relaxing factor Le complexe calcium-calmoduline active à son tour une NO synthase, qui provoque la libération, à partir de la L-arginine, de L-citrulline et d’oxyde nitrique (NO), un gaz soluble et fortement diffusible. 193 194 10 – La Fonction Endothéliale Vasomotrice 10 – La Fonction Endothéliale Vasomotrice EDRF Thrombine Bradykinine Substance P Acétylcholine VIP Ca++ Flux sanguin (NO) Forces de cisaillement Ca++-Calmoduline Cellule Endothéliale Cellule Musculaire Lisse Vasculaire NO synthase constitutive L-arginine NO GMPc Diamètre Débit L-citrulline Guanylyl Cyclase GTP Artère Brachiale Diamètre (% de la valeur de base) Endothelium Derived Relaxing factor Relaxation Mécanismes de la vasorelaxation endothéliumdépendante 0 Ischémie 5 min La VasoRelaxation FluxDépendante Temps Une technique d’usage courant d’évaluation de la vasomotricité consiste à placer un garrot pneumatique sur l’avant bras et mesure le diamètre de l’artère brachiale (au niveau du bras, donc en amont du garrot) avant son gonflement, puis de gonfler ce garrot pour interrompre le flux sanguin pendant 4 minutes. Après la levée du garrot, on observe une augmentation immédiate du flux sanguin, illustrant le mécanisme décrit ci-dessus (hypérémie réactionnelle ou métabolique), suivie d’une augmentation notable du diamètre artériel, sous l’effet de l’augmentation des forces de friction à la surface des cellules endothéliales tapissant la paroi interne de l’artère. Le NO diffuse ainsi rapidement jusqu’à la cellule musculaire lisse voisine et interfère avec le métabolisme du GPM cyclique pour entraîner une vasorelaxation. Ainsi, une augmentation de débit dans un vaisseau, accroissant les forces de friction du sang à la surface de l’endothélium, est-elle capable de déterminer une augmentation de diamètre : chaque vaisseau, par ce mécanisme impliquant l’endothélium, adapte son diamètre à son débit. C’est ce que l’on appelle la vasorelaxation flux-dépendante. 195 196 11 – Le Contrôle Vasomoteur 11 – Le Contrôle Vasomoteur Angiotensine 2 Synapse Sympathique CONTRACTION Voie du PI2P Dépolarisation Ouverture VOCs Ca++ ROCs Noradrénaline Fermeture Voie de l'AMPc Hyperpolarisation Facteurs Métaboliques - Hypoxie - Acidose - Adénosine - etc. RELAXATION α récepteurs Voie du GMPc Ca++ Adrénaline β récepteurs PAN NO Flux Sanguin Endothélium « Rien » La cellule musculaire lisse vasculaire est donc la cible de multiples influences, certaines en faveur de la contraction (vasoconstriction), d’autres en faveur de la relaxation (vasorelaxation ou vasodilatation), certaines sous le contrôle du système nerveux végétatif (le système sympathique provoque, d’une façon générale, une vasoconstriction), d’autres par voie endocrinienne, d’autre par des facteurs locaux : chimiques (la vasorelaxation métabolique par laquelle chaque tissu adapte son débit sanguin à ses besoins métaboliques) ou mécaniques (la vasorelaxation dite « flux-dépendante » par laquelle chaque vaisseau adapte son diamètre à son débit). Un schéma permet de résumer les mécanismes réglant le taux de contraction de la cellule musculaire lisse vasculaire. Contrairement au myocyte strié, le myocyte lisse vasculaire, en effet, ne fonctionne pas sur le mode du « tout ou rien ». Son taux de contraction peut varier de façon continue entre la relaxation totale et la contraction maximale, en fonction du taux de Ca++ disponible dans son cytoplasme. 197 11 – Le Contrôle Vasomoteur 198 11 – Le Contrôle Vasomoteur CONTRACTION CONTRACTION Ouverture Ca++ VOCs Ca++ ROCs Fermeture RELAXATION RELAXATION Le taux de contraction augmente si le taux de Ca++ augmente Sur l’axe horizontal, on peut représenter les deux modalités de couplage conduisant à la contraction : le couplage électro-mécanique (par des canaux voltage-dependants) à gauche, et le couplage pharmaco-mécanique, par des canaux couplés à des récepteurs de membrane, à droite. Le taux de contraction diminue (vasorelaxation) si le taux de Ca++ cytoplasmique diminue. Le schéma est donc construit selon un axe vertical représentant le taux de contraction. 199 200 11 – Le Contrôle Vasomoteur Synapse Sympathique 11 – Le Contrôle Vasomoteur Synapse Sympathique CONTRACTION Dépolarisation CONTRACTION Voie du PI2P Dépolarisation Ouverture VOCs Ca++ Ouverture ROCs VOCs Fermeture Ca++ ROCs α récepteurs Noradrénaline Fermeture RELAXATION RELAXATION Le couplage électro-mécanique peut être mis en œuvre par toute dépolarisation, qu’elle soit transmise d’une cellule voisine, ou consécutive à l’activité d’une synapse du système nerveux sympathique. Mais le potentiel post-synaptique rapide consécutif à l’action de la noradrenaline sur les récepteurs alpha de la membrane du myocyte lisse vasculaire n’est pas la cause de la contraction qui se produit lorsque le seuil d’ouverture canaux récepteurs-dépendants n’est pas atteint. C’est en effet la voie des phosphoinositols qui est activée avec ses effets sur la libération du calcium du réticulum sarcoplasmique et sur la sensibilité de l’appareil contractile au calcium : il s’agit donc de couplage pharmaco-mécanique. 201 202 11 – Le Contrôle Vasomoteur 11 – Le Contrôle Vasomoteur Angiotensine 2 Synapse Sympathique Voie du PI2P Dépolarisation Ouverture VOCs Ca++ ROCs Angiotensine 2 Synapse Sympathique CONTRACTION α CONTRACTION Voie du PI2P Dépolarisation récepteurs Noradrénaline Ouverture VOCs Fermeture Ca++ ROCs α récepteurs Noradrénaline Fermeture Hyperpolarisation RELAXATION Facteurs Métaboliques - Hypoxie - Acidose - Adénosine - K+ etc. L’angiotensine renforce aussi la contraction du myocyte lisse vasculaire par la voie des phospho-inositols. RELAXATION La relaxation du myocyte lisse vasculaire peut aussi résulter de mécanismes mettant en jeu le couplage électro-mécanique ou le couplage pharmacomécanique. L’hyperpolarisation est ainsi capable de réduire le taux d’ouverture des canaux calciques voltage-dépendants. Elle survient, notamment, durant l’hypoxie (via l’activation de canaux potassique ATP-dépendants, puisque le taux d’ATP diminue alors, tandis que le taux d’adénosine augmente), et durant l’exercice (via l’activation de canaux potassiques par l’augmentation du taux de K+ extracellulaire). Ce sont dont les conséquences de l’activité métabolique qui entraînent la vasorelaxation. Par ce mécanisme, chaque tissu est capable d’adapter son débit sanguin à son activité métabolique : si l’activité métabolique augmente, consommant de l’oxygène, produisant du dioxyde de carbone, consommant de l’ATP et produisant de l’adénosine, libération des ions K+… ces modifications du liquide interstitiel agissent sur les myocytes lisses de l’artériole terminale et entraînent sa relaxation. 203 204 11 – Le Contrôle Vasomoteur 11 – Le Contrôle Vasomoteur Angiotensine 2 Synapse Sympathique Voie du PI2P Dépolarisation Ouverture VOCs Ca++ ROCs Voie du PI2P Dépolarisation récepteurs Ouverture Adrénaline Fermeture Voie de l'AMPc Facteurs Métaboliques - Hypoxie - Acidose - Adénosine - etc. α CONTRACTION Noradrénaline Fermeture Hyperpolarisation Angiotensine 2 Synapse Sympathique CONTRACTION Ca++ VOCs β2 RELAXATION Adrénaline Voie de l'AMPc Facteurs Métaboliques - Hypoxie - Acidose - Adénosine - etc. Des mécaniques récepteurs-dépendants peuvent aussi conduire à la vasorelaxation par couplage pharmaco-mécanique. Tel est le cas de l’adrénaline, du fait de sa grande affinité pour les récepteurs bêta 2 que l’on trouve sur les myocytes lisses vasculaire de la circulation coronaire, hépatique et des muscles striés squelettiques. Son action s’exerce par la voie de l’AMP cyclique. Noradrénaline ROCs Hyperpolarisation récepteurs RELAXATION α récepteurs Voie du GMPc β récepteurs PAN De même, la voie du GMP cyclique peut conduire, par l’activation de canaux récepteurs-dépendants, à la vasorelaxation sans altération du potentiel de membrane. Cette voie est empruntée par l’effet des peptides natriurétiques. 205 206 11 – Le Contrôle Vasomoteur 11 – Le Contrôle Vasomoteur Angiotensine 2 Synapse Sympathique CONTRACTION Voie du PI2P Dépolarisation α Hypoxie Angiotensine II Thrombine... récepteurs Thrombine Adénosine AcétylCholine Bradykinine VIP... Terminaisons Sympathiques Angiotensine I Ouverture VOCs Ca++ ROCs Fermeture Voie de l'AMPc Hyperpolarisation Facteurs Métaboliques - Hypoxie - Acidose - Adénosine - etc. RELAXATION Flux Sanguin Noradrénaline Voie du GMPc Enzym e de Conversion Adrénaline Angiotensine II β Cyclo-oxygénase Endothéline Noradrénaline Prostacycline NO Synthase EDHF NO récepteurs PAN CONTRACTION RELAXATION NO Flux Sanguin Endothélium Mais aussi par l’oxyde nitrique (NO) produit par l’endothélium en réponse à différentes substances (comme l’acétylcholine, la thrombine, le VIP…) ainsi que sous l’effet des forces de friction exercées par le flux sanguin à la surface des cellules endothéliales : par ce mécanisme, appelé vasorelaxation fluxdépendante, chaque vaisseau adapte son diamètre à son débit. Au total, la cellule musculaire lisse est donc une cellule « sous influences ». Son mode de fonctionnement « analogique » est tel que son taux de contraction dépend de très nombreux facteurs concurrents ou contradictoires, dont elle intègre les effets. Certains de ces facteurs agissent directement sur le myocyte lisse vasculaire (comme le système nerveux sympathique, tandis que d’autres agissent par l’intermédiaire de l’endothélium. Il importe d’insister sur l’importance des mécanismes locaux par lesquels chaque tissus adapte son débit sanguin à son activité métabolique et chaque vaisseau adapte son diamètre à son débit. L’arbitrage systémique n’intervient donc que lors ces mécanismes locaux sont d’une telle ampleur (par l’importance de la masse tissulaire concernée) que l’équilibre systémique (notamment la pression artérielle) s’en trouve compromis, ou lorsque des circonstances extrêmes (comme une hémorragie) l’exigent. 207 208 11 – Le Contrôle Vasomoteur 11 – Le Contrôle Vasomoteur Local Débit Relaxation, Débit Etat basal Constriction 0 100 50 150 200 Pression Moyenne (mm Hg) Pression Artérielle Effet de la vasomotricité sur la relation Pression / Débit L’autorégulation La vasorelaxation permet une augmentation de débit sanguin dans le territoire correspondant. La vasoconstriction réduit ce débit, car le diamètre vasculaire est le principal déterminant de la résistance circulatoire. Certains territoires vasculaires, comme la circulation cérébral, disposent de ces mécanismes à un tel niveau que cela leur permet de maintenir constant leur débit (et la pression sanguine au niveau capillaire) quelles que soient les variations de la pression artérielle systémique, et ce dans une très large plage de valeurs : c’est ce que l’on appelle l’autorégulation. 209 11 – Le Contrôle Vasomoteur Local Débit 210 13 - La Circulation Veineuse Circulation Pulmonaire Circulation Rénale Facteur essentiel Force motrice du ventricule gauche Pression Artérielle Facteurs adjuvants + • Pompe veino-musculaire • Semelle plantaire • Pompe abdominodiaphragmatique • Aspiration atriale Cas particulier de la circulation pulmonaire Au-delà du réseau capillaire, le sang parvient dans la circulation veineuse qui assure son retour vers l’atrium droit. La force motrice permettant ce retour est ce qu’il reste de la contraction ventriculaire gauche. La pression atriale droite étant proche de 0, le gradient permettant le retour veineux est donc de 10 à 15 mm Hg. Divers facteurs peuvent contribuer au retour veineux, essentiellement pour le moduler. Il s’agit notamment du mécanisme de « pompe veino-musculaire » au membres inférieurs. La circulation pulmonaire représente un cas particulier car sa résistance circulatoire diminue lorsque la pression artérielle pulmonaire augmente, même modérément. Ceci est dû au fait que, sous l’effet de cette augmentation de pression, des territoires circulatoires préalablement fermés s’ouvrent à la circulation, augmentant l’aire de section vasculaire totale. Ceci permet une augmentation considérable de débit sans augmentation majeure de pression (qui entraînerait une extravasation d’eau dans les alvéoles pulmonaires). 211 212 13 - La Circulation Veineuse La Paroi veineuse La Paroi veineuse Au niveau du cœur : Pression veineuse faible Ellipse aplatie Déformable plus que distensible Déformabilité Volume Pesanteur 213 La section veineuse présente une forme d’ellipse aplatie lorsque la pression sanguine est faible (ce qui est le cas lorsque la veine se trouve approximativement au niveau du cœur). Les veines sont plus nombreuses et plus larges que les artères, et leur paroi est non pas tant élastique (en fait surtout riche en fibres de collagène, très résistantes), mais très déformable. La forme de la coupe transversale de la veine dépend en effet de la pression sanguine à l’intérieur : elliptique à pression moyenne, elle peut devenir presque circulaire à plus forte pression, mais aussi s’aplatir à basse pression (la circulation du sang ne se faisant plus qu’au niveau des plis de réflexion). De telles variations de forme, et donc du volume contenu dans les veines, se produisent notamment en fonction des changements de posture. Les veines situées en dessous du niveau du cœur sont le siège d’une pression positive, tandis que les veines situées au dessus du cœur, en pression faible voire négative, s’aplatissent (« se collabent »). 214 213 213 13 - La Circulation Veineuse 13 - La Circulation Veineuse Au dessus du cœur : La Paroi veineuse Pression veineuse négative Veine collabée Au dessous du cœur : Pression veineuse positive La Paroi veineuse Ellipse large Déformabilité Volume Pesanteur Déformabilité Volume Pesanteur A pression négative, la veine se collabe, l’écoulement du sang ne se faisant plus qu’au niveau des plis de réflexion. C’est ce qui apparaît, sur les veines superficielles, lorsqu’elles se trouvent au dessus du niveau du cœur. Par contre, à pression positive plus élevée, la section de la veine prend une forme plus arrondie. Observer les veines superficielles à l’avant-bras et leur effacement lorsque l’on élève le membre supérieur au dessus du niveau du cœur est une technique simple d’évaluation de la pression veineuse centrale. Si celle-ci est anormalement élevée, les veines superficielles restent turgescentes. 215 216 13 - La Circulation Veineuse La Paroi veineuse La Paroi veineuse Force Gravitationnelle majorée Position déclive : Pression veineuse forte Pression veineuse élevée Section circulaire + Distension (élasticité minime) Section circulaire Déformabilité Volume Pesanteur Déformabilité Volume Pesanteur Pour devenir circulaire aux plus fortes pression, lorsque la veine se situe en dessous du niveau du cœur. L’élasticité de la paroi veineuse est limitée, mais peut être néanmoins sollicitée à forte pression, par exemple à la cheville chez un sujet en position debout immobile, où la pression hydrostatique exercée par la colonne sanguine susjacente est de l’ordre de 100 mm Hg. 217 13 - La Circulation Veineuse Volume Systolique (ml) 218 13 - La Circulation Veineuse Effet de la posture sur la précharge 80 Facteurs adjuvants du retour veineux : 40 5 10 15 Pression télédiastolique du VG (mm Hg) Pompe veinomusculaire Pression veineuse Centrale - Pression veineuse à la cheville La pression veineuse centrale est plus basse en orthostatisme qu’en décubitus, et le volume d’éjection systolique est donc moindre Relaxation Du fait de la déformabilité importante des veines, le volume sanguin qu’elles contiennent est susceptible de se déplacer en fonction de la posture. Ainsi, au passage de la position allongée à la position debout immobile (orthostatisme), un volume significatif de sang (de l’ordre de 500 ml) s’accumule dans les veines des membres inférieurs du fait de la pression hydrostatique. Dans ces conditions, la pression régnant dans les veines caves et l’atrium droit diminue, et, en vertu de la loi du cœur (Starling), le volume d’éjection décroît, ce qui a pour conséquence une diminution du débit cardiaque et donc une chute de la pression artérielle systémique : l’hypotension orthostatique. Contraction Lors de la marche, le mécanisme de la « pompe veino-musculaire » des mollets intervient, permettant de chasser le volume sanguin accumulé dans les jambes en position orthostatique vers le cœur. 219 220 13 - La Circulation Veineuse La circulation veineuse Repos : Station debout immobile : Pression hydrostatique élevée Remplissage Au repos musculaire, les veines contenues dans les masses musculaires de la jambe et entre ces muscles et leurs aponévroses se remplissent progressivement par le flux sanguin issu des capillaires. En station debout immobile, la colonne sanguine représente toute la hauteur du membre, et s’écoule lentement vers l’atrium droit. 221 222 13 - La circulation veineuse 13 - La Circulation Veineuse 100 mm Hg 100 mm Hg ∆AV = 90 mm Hg A la marche : • Reflux interdit par les valvules • Propulsion du sang vers l’atrium droit • Allègement de la pression veineuse distale • Augmentation de la pression veineuse centrale ≈ 0 mm Hg 10 mm Hg Décubitus : Pression veineuse faible Gradient artério-veineux « confortable » Lors de la contraction musculaire, les muscles contractés compriment les veines et chassent le sang qu’elles contiennent. En raison de la disposition des valvules veineuses qui empêchent le retour du sang en arrière (du moins lorsqu’elles sont intactes), le sang est chassé en direction de l’atrium droit, ce qui a pour effet, d’une part, de réduire le volume de sang dans les jambes et de fractionner la colonne sanguine, allégeant ainsi la tension pariétale des veines des jambes, d’autre part de rehausser la pression veineuse centrale (au niveau des veines caves et de l’atrium droit), et donc d’augmenter le volume d’éjection systolique et de corriger l’hypotension orthostatique. En position allongée, le gradient assurant la perfusion des tissus au niveau des jambes est de l’ordre, chez le sujet sain, de 90 mm Hg, la pression veineuse distale étant basse (de l’ordre de &0 mm Hg). 223 224 13 - La circulation veineuse 13 - La circulation veineuse ≈ 0 mm Hg ≈ 0 mm Hg 100 mm Hg 100 mm Hg Pression Veineuse à la cheville (mm Hg) Orthostatisme : 100 - Pression veineuse distale élevée Marche Station debout immobile 10 - Gradient artérioveineux inchangé Position allongée Force Gravitationnelle = + 100 mm Hg + Force Gravitationnelle = 100 mm Hg Orthodynamisme : 100 mm Hg + 100 mm Hg = 200 mm Hg 10 mm Hg + 100 mm Hg = 110 mm Hg temps •Pression veineuse distale allégée •Gradient artério-veineux amplifié ∆AV = 90 mm Hg 10 mm Hg ∆AV = 190 mm Hg 100 mm Hg + 100 mm Hg = 200 mm Hg Lors de la marche, la pompe veino-musculaire entre en action, réduisant, après quelques pas, la pression veineuse à la cheville, de sorte que le gradient de pression assurant la perfusion des tissus (notamment musculaires) des membres inférieurs s’en trouve accrue. L’orthostatisme est donc une position physiologiquement inconfortable, soumettant les veines des membres inférieurs à des tensions pariétales accrues, et s’accompagnant d’une chute relative de pression artérielle systémique, tandis que la marche présente l’intérêt de réduire cette tension pariétale tout en améliorant le remplissage ventriculaire, donc le débit cardiaque, mais aussi la perfusion musculaire aux membres inférieurs. En orthostatisme, la pression veineuse à la cheville augmente considérablement, en proportion de la hauteur de la colonne sanguine sus-jacente, du fait de la force gravitationnelle augmentant la pression hydrostatique. Elle passe ainsi à une valeur de l’ordre de 110 mm Hg. Cependant, dans le même temps, la pression artérielle au même niveau augmente dans les mêmes proportions, de sorte que l’orthostatisme ne s’oppose pas au retour veineux mais a pour principale conséquence d’accroître la tension au niveau de la paroi veineuse et donc le volume de sang contenu dans les veines des membres inférieurs. 225 13 - La Circulation Veineuse 226 12 - La circulation lymphatique Facteurs adjuvants du retour veineux Pompe abdomino-diaphragmatique : opposition de phase cave sup. / cave inf. 227 Les mouvements de l’eau de part et d’autre de la paroi des vaisseaux capillaires, tels que nous les avons évoqués plus haut, sont tels que la réabsorption ne compense pas entièrement la filtration. Ainsi, chaque jour, quelques litres d’eau (8l, environ) ne sont pas réabsorbés sur le versant veineux du réseau capillaire, et sont pris en charge par la circulation lymphatique, qui constitue une seule circulation de retour, ramenant l’eau résultant de cet excédent de filtration, en même temps que des grosses molécules et des cellules (notamment des globules blanc) vers la circulation systémique. Le flux veineux est aussi modulé par divers mécanismes, dont le principal est la « pompe abdomino-diaphragmatique » : la veine cave supérieure est intrathoracique, alors que la veine cave inférieure est intra-abdominale. Par conséquent, la contraction du diaphragme, qui descend en s’appuyant sur les organes abdominaux, lors de l’inspiration, a pour conséquence, chez le sujet sain, d’accroître la pression intra-abdominale et de freiner, donc, le déversement du sang veineux des membres inférieurs en direction de l’atrium droit. Par contre, pendant l’inspiration, la pression intra-thoracique diminue, ce qui facilite le déversement du sang provenant des membres supérieurs et de la tête dans l’atrium droit. Inversement, en expiration, le diaphragme remonte et la pression intra-thoracique s’élève tandis que la pression intra-abdominale décroît, facilitant le retour sanguin veineux des membres inférieurs et ralentissant le flux veineux jugulaire et subclavier. Ce mécanisme est altéré en cas de paralysie diaphragmatique, mais aussi en cas d’obésité, laquelle s’accompagne d’une augmentation de pression intraabdominale faisant obstacle au retour veineux des membres inférieurs et constituant un facteur d’insuffisance veineuse chronique. 227 228 12 - La circulation lymphatique 12 - La circulation Lymphatique • Capillaires • Vaisseaux lymphatiques • Ganglions • Citernes • Canal thoracique • Circulation de retour • 2,5 à 3 litres / jour • Grosses protéines • Lipides (lipo-protéines et chylomicrons) • Relais ganglionnaires et citernes • Cellules (saines ou pathologiques) Structure du capillaire lymphatique La circulation lymphatique a pour point de départ les capillaires lymphatiques, prenant naissance dans les tissus, avec une paroi comportant des zones disjointes, aménageant des espaces que la déformations des tissus (appui, contraction musculaire…) peuvent accroître. Ces espaces permettent le passage vers la lumière du capillaire lymphatique, de grosses molécules (par exemple des molécules provenant de l’absorption intestinale) et de cellules (globules blancs participant à l’immunité, mais aussi, le cas échéant, cellules cancéreuses, la circulation lymphatique représentant la première voie de dissémination des cancers). Les capillaires lymphatiques convergent pour former des vaisseaux lymphatiques, le long des quels on observe des « relais », les ganglions (susceptibles d’augmenter de volume et devenir sensible en cas d’infection locale). Les vaisseaux lymphatiques se drainent dans ces canaux lymphatiques et la lymphe véhiculée par la circulation lymphatique rejoint finalement la circulation veineuse au niveau du confluent entre veines jugulaires et veines subclavières. Les ganglions lymphatiques sont des amas de cellules (principalement des lymphocytes et des macrophages), collectant la lymphe à leur périphérie (vaisseaux lymphatiques afférents) et se drainant par un vaisseau lymphatique efférent émergeant du hile. Les ganglions lymphatiques sont dotés s’une vascularisation sanguine propre, par laquelle plus de la moitié de l’eau drainée par la circulation lymphatique est réabsorbée. Ce ne sont donc qu’environ 3l de lymphe qui rejoignent finalement la circulation veineuse. Les plus gros vaisseaux lymphatiques et les canaux lymphatiques comportent un paroi dotée d’une couche musculaire capable de motricité spontanée, propulsant lentement la lymphe par des mouvements comparables à un péristaltisme. Les vaisseaux lymphatiques sont en outre équipés de valvules. 229 230 14 – Fonction Cardiaque versus Fonction Vasculaire Graphique de Guyton Graphique de Guyton Veines Artères Cœur Retour Distribution Capillaires Diffusion ∼10 µm Cellules Artérioles 10 Respiration Diffusion ∼0,5 µm 7 Veines Artères Cœur Retour 0 -2 Distribution Capillaires 0 7 Débit Cardiaque (l/min) Diffusion ∼10 µm 10 Cellules Fonction Vasculaire : « effet de pompe » Artérioles Débit Ca rdiaque (l/min) Respiration Diffusion ∼ 0,5 µm Press ion Veineuse Centra le (mm Hg) 14 – Fonction Cardiaque versus Fonction Vasculaire 7 0 -2 0 7 Pression Veineuse Centrale (mm Hg) Fonction Cardiaque (Loi de Starling) Si le débit de la pompe augmente, la pression s’élève en aval et diminue en amont Si le débit de la pression de remplissage ventriculaire augmente, le débit cardiaque augmente (Loi de Starling) La représentation graphique des relations entre fonctionnement cardiaque et fonctionnement vasculaire proposée par Guyton permet de comprendre comment la confrontation de deux mécanismes fondamentaux implique un point d’équilibre. D’autre part, la loi de Starling stipule que la force de contraction ventriculaire augmente si le remplissage diastolique ventriculaire augmente. Par conséquent, le débit cardiaque (en ordonnées) augmente si la pression veineuse centrale (en abscisses) augmente : c’est la courbe de fonction cardiaque. Le fonctionnement de la pompe cardiaque, qui puise du sang en amont, dans le secteur veineux, pour le propulser en aval, dans le secteur artériel, a pour conséquence d’accroître la pression en aval et de la diminuer en amont. Par conséquent, si le débit cardiaque (en abscisses) augmente, la pression veineuse centrale (en ordonnées) diminue : c’est « l’effet de pompe », représenté par la courbe de fonction vasculaire. 231 232 14 – Fonction Cardiaque versus Fonction Vasculaire Graphique de Guyton Graphique de Guyton Fonction Cardiaque versus Fonction Vasculaire Le fonctionnement cardiaque s’établit à un équilibre entre ces deux contraintes Pression Veineuse Centrale (mm Hg) 14 – Fonction Cardiaque versus Fonction Vasculaire 7 Fonction Cardiaque versus Fonction Vasculaire 0 -2 0 7 D éb it Ca rdiaq ue (l/min) Le fonctionnement cardiaque s’établit à un équilibre entre ces deux contraintes 10 Le fonctionnement du coeur est donc conditionné par ces deux mécanismes : si la pression veineuse centrale augmente, son débit augmente, mais si son débit augmente, la pression veineuse centrale diminue, et donc son débit diminue. La courbe de fonction cardiaque montre l’évolution du débit cardiaque en fonction de la pression veineuse centrale (loi de Starling), tandis que la courbe de fonction vasculaire montre l’évolution de la pression veineuse centrale en fonction du débit cardiaque. Puis en lui imposant une rotation d’un quart de tour On peut inscrire ces deux courbes sur les mêmes coordonnées, au prix d’une entorse à la représentation normale de la courbe de fonction vasculaire, en l’inversant tout d’abord horizontalement 233 14 – Fonction Cardiaque versus Fonction Vasculaire 14 – Fonction Cardiaque versus Fonction Vasculaire Effet d'une hémorragie Le fonctionnement cardiaque s’établit à un équilibre entre ces deux contraintes Débit Cardiaque (l/min) Débit Cardiaque (l/min) 10 7 0 10 7 7 0 -2 0 -2 0 7 Pression Veineuse Centrale (mm Hg) 7 Pression Veineuse Cent rale ( mm Hg) Débit moindre, pression veineuse moindre On peut alors superposer les deux courbes : la courbe de fonction cardiaque, qui se lit de façon conventionnelle (le débit cardiaque, en ordonnées, augmente si la pression veineuse centrale, en abscisses, augmente : courbe en rouge), et la courbe de fonction vasculaire, qui se lit de façon inversée (la pression veineuse centrale, en abscisses, diminue si le débit cardiaque, en ordonnées, augmente). Il apparaît alors que la confrontation de ces deux mécanismes fondamentaux conduit nécessairement à un point d’équilibre : l’intersection des deux courbes. Insuffisance Cardiaque 10 Débit Cardiaque (l/min) Graphique de Guyton Fonction Cardiaque versus Fonction Vasculaire 234 0 -2 0 7 Pression Veineuse Cen trale (mm Hg) Débit moindre, pression veineuse plus élevée Cette représentation graphique originale, imaginée par Guyton, est particulièrement utile à l’analyse des conséquences physiopathologiques des perturbations de l’appareil cardiovasculaire. Par exemple, une hémorragie a pour effet de réduire la volémie, et, la majeure partie du volume sanguin se trouvant dans les veines, d’entraîner une diminution de la pression veineuse centrale, alors que la fonction cardiaque est intacte. Cela se traduit par un décalage vers la gauche de la courbe de fonction vasculaire, et l’intersection des deux courbes montre un débit cardiaque plus bas avec une pression veineuse centrale abaissée. Inversement, chez un patient en insuffisance cardiaque gauche chronique, la courbe de fonction vasculaire reste normale, mais la courbe de fonction cardiaque est altérée, décalée vers le bas, de sorte que le point d’équilibre s’établit avec un débit cardiaque inférieur à la normale, mais avec une pression veineuse centrale supérieure à la normale, ce qui se manifeste par la turgescence des veines jugulaires, l’hépatomégalie, les oedèmes des membres inférieurs etc. Dans un tel cas, une perfusion de solutés macromoléculaires, augmentant la volémie, aurait un effet néfaste (et pourrait entraîner une décompensation), alors que la transfusion représente le traitement de choix en cas d’hémorragie. 235 236 14 – Les systèmes de régulation Le Contrôle Nerveux Tronc Cérébral Centres nerveux supérieurs Fibres bulbo-spinales Fibres issues des baroet chémorécepteurs Centres bulbaires Acétylcholine Moëlle Fibres pré-ganglionnaires Baro-Récepteurs Fréquence cardiaque Volume d'éjection systolique Pression Artérielle Ganglion Sympathique Fibres postganglionnaires Résistance circulatoire périphérique Coeur β1 Fibres pré-ganglionnaires Nor adrénaline ACh MédulloSurrénale Adrénaline Débit cardiaque Noradrénaline Réseau vasculaire Coeur Schéma général de Régulation nerveuse Nous avons examiné jusqu’ici les mécanismes « décentralisés » de régulation circulatoire : la loi du cœur (de Starling) réglant la force de contraction du ventricule en fonction de son remplissage, les variations biochimiques locales réglant la vasomotricité et par lesquelles chaque tissu adapte son débit sanguin à ses besoins métaboliques, et la fonction endothéliale vasomotrice par laquelle chaque vaisseau adapte son diamètre à son débit. Tous ces mécanismes sont essentiels, et sont mis en jeu en permanence. Cependant, il ne suffisent pas à maintenir l’équilibre circulatoire systémique, notamment la pression artérielle, lorsque les variations circulatoires locales ou régionales deviennent importantes, qu’elles soient consécutives à l’activité musculaire, au changement de posture, ou à tout autre événement (hémorragie, par exemple). Par exemple, l’activité musculaire, lorsqu’elle implique une masse musculaire significative (marche, course…) entraîne, par les mécanismes locaux examinés précédemment, une vasorelaxation musculaire qui a pour conséquence une réduction de la résistance circulatoire périphérique totale, et donc une chute de la pression artérielle. Le passe de la position allongée à la position debout entraîne une diminution de la force d’éjection systolique du ventricule gauche et a aussi pour conséquence une chute de la pression artérielle. Une hémorragie a le même effet, en réduisant le volume sanguin total donc la pression sanguine. Face à ces perturbations compromettant la stabilité de la pression artérielle et donc des conditions de perfusion des organes et tissus, des mécanismes de correction existent, mettant en jeu le système nerveux autonome, selon des circuits réflexes, et impliquant des systèmes hormonaux. L’intervention du système nerveux autonome a pour point de départ des récepteurs détectant, dans la paroi de l’aorte initiale et des artères carotides, les variations de pression artérielle, déclenchant ce que l’on appelle le « baro-réflexe », ayant pour effecteurs d’une part le cœur, d’autre part les vaisseaux. Fibres postganglionnaires Noradrénaline α α + (β 2) Système Sympathique Le système nerveux autonome comporte deux volets : le système sympathique (autrefois dénommé « orthosympathique »), et le système parasympathique. Le système sympathique reçoit (au niveau du tronc cérébral) des informations provenant des récepteurs aortiques et carotidiens détectant les variations de pression artérielle : ce sont les barorécepteurs. Des récepteurs chimiques détectent aussi les variations de pH et de taux de CO2, mais leur intervention, hors des conditions extrêmes, concernent plus la régulation de la ventilation pulmonaire que de la circulation sanguine. Les fibres nerveuses issues du système nerveux centrale descendent vers la moelle épinière, qu’elles quittent à plusieurs étages pour faire relais dans les ganglions sympathiques, situées en avant des racines nerveuses rachidiennes, et s’articuler ainsi avec des neurones qui rejoignent d’une part le cœur, innervé en totalité, d’autre part les vaisseaux (artères et veines, à l’exception des artérioles terminales). Sur le cœur, le système sympathique détermine à la fois une accélération des battements cardiaques et une augmentation de la force d’éjection systolique. Sur les vaisseaux, il détermine surtout une constriction, mais, sur certains organes (les artères du cœur, du foie, let des muscles striés squelettiques), l’effet est, inversement, une vasorelaxation. Le Contrôle Nerveux Coeur MédulloSurrénale β1 Coeur : Fréquence Contractilité Le Contrôle Humoral - Atrium - Tissu Nodal Vaisseaux Systémiques ADRENALINE Système Parasympathique α (& noradrénaline) Vaisseaux : Tissus érectiles Vaisseaux Coronaires, hépatiques, du muscle strié squelettique β2 Lipolyse Glycogénolyse Système Para-Sympathique Le système parasympathique, par contre, n’innerve, dans le cœur, que les atria et le tissu nodal (et non les ventricules). Sur les vaisseaux, il n’atteint que les tissus érectiles (corps ciliaires de l’œil, mamelon des seins, pénis et clitoris). Son principal effet est de ralentir la fréquence des battements cardiaques. Il existe un frein parasympathique permanent chez les sujets sains. C’est ce qui explique que la section des nerfs cardiaques s’accompagnent d’une accélération des battements cardiaques, passant de 70 à 100 / min. Les glandes Médullo-surrénales Parmi les systèmes hormonaux intervenant dans la régulation circulatoire, la médullo-surrénale (partie centrale des glandes surrénales) tient une place à part car elle fait en réalité partie du système sympathique : ses cellules secrétantes sont en fait des neurones différenciées, devenus endocrines, et elle reçoit des fibres sympathiques issues de la moelle mais passant par les ganglions sympathiques sans y faire relais. La médullo-surrénale secrète dans le sang, principalement, de l’adrénaline, dont les effets sont différenciés : -Sur le cœur, une accélération de la fréquence et une augmentation de la force d’éjection -Sur les artères du cœur, du foie, et des muscles striés squelettiques, une vasorelaxation -Sur l’ensemble des autres vaisseaux (hormis ceux du cerveau), une vasoconstriction. Son action est mise en œuvre, par exemple, en cas de stress ou d’agression : les muscles, bénéficiant d’une vasorelaxation, sont alors prêts à l’action, le cœur est prêt à subvenir à leurs besoins, et le foie est prêt à libérer les réserves d’énergie nécessaires. Le Contrôle Humoral Hypothalamus Post-Hypophyse Vaisseaux Commande Sympathique A.D.H. Vaisseaux Cérébraux VasoConstriction Rétention Eau et Sodium VasoRelaxation Vaisseaux Coronaires Le Contrôle Humoral Effet Inotrope + Aldostérone CorticoSurrénale Angiotensinogène Rétention d'eau Rénine Rein Vaisseaux cutanés et périphériques L’Hormone AntiDiurétique (ADH, ou Vasopressine) Le deuxième système hormonal impliqué dans la régulation circulatoire est celui de l’hormone antidiurétique, antérieurement appelée vasopressine). Il est mis en jeu par l’augmentation d’osmolarité sanguine (par exemple après une déshydratation consécutive à un exercice physique, ou après une hémorragie). Son effet est une rétention d’eau (par augmentation de la réabsorption au niveau des tubes collecteurs rénaux), et une vasoconstriction générale (à laquelle échappent les artères coronaires et le cerveau). La conséquence en est un rehaussement de la pression artérielle. Enzyme de Conversion n sio se es Pr i n eu e e V n tral Ce Le Système Rénine – Angiotensine – Aldostérone . Endothélium Angiotensine II Le troisième système hormonal est celui de la cascade rénine – angiotensine – aldostérone : en réponse à une chute de la pression artérielle, des cellules spécialisées de la paroi des artérioles des glomérules rénaux secrètent la rénine, qui, dans le sang, va transformer l’angiotensinogène produit par le foie en angiotensine 1, laquelle est à son tour transformée en angiotensine 2, active, par l’enzyme de conversion, produite par l’endothélium vasculaire. L’angiotensine 2 a des effets sur l’appareil cardiovasculaire (vasoconstriction générale épargnant les coronaires et le cerveau, renforcement de la contraction ventriculaire), sur le système nerveux centrale, augmentant l’activité du système sympathique, et sur la glande corticosurrénale, provoquant la libération d’une hormone, l’aldostérone. Celle-ci agit sur le rein pour augmenter la réabsorption d’eau le long des tubules. L’ensemble de ces actions a pour conséquence de rehausser la pression artérielle. Le contrôle cardio-vasculaire coordonné Le Peptide Atrial Natriurétique PVC Rein Angiotensine I VasoConstriction Volémie Coeur S.N.C. Inotropie β1 Atrium VES Rein Elimination H2O x FC = Loi de Starling PAN PV périph. Qc x RPT = PA Baro Réflexe Rénine PVC PAN Adrénaline Σ / PΣ Σ (Médullosurrénale) VR β2 VC α Angiotensine ADH Vaisseaux Vasorelaxation Volémie Aldostérone + Schéma synoptique Le quatrième système hormonal est celui des peptides natriurétiques : peptide atrial natriurétique (PAN) et « brain natriuretic peptid » (BNP). Ces hormones sont secrétées, principalement, par des cellules différenciées de la paroi atriale en réponse à la distension de cette paroi en cas d’augmentation de la pression veineuse centrale (donc, par exemple, de la volémie). Ces hormones ont un effet sur le rein, augmentant l’élimination d’eau en réduisant sa réabsorption au niveau des tubes rénaux, et sur les vaisseaux par une vasorelaxation générale. L’effet globale est une réduction de la pression artérielle systémique. Le contrôle vasomoteur s’intègre aussi dans un schéma général de régulation à plusieurs niveaux d’implication en fonction de l’importance quantitative des variations locales ou régionales. L’initiation des changements vasomoteurs est locale : Chaque tissu adapte son débit sanguin à ses besoins métaboliques par les mécanismes de la vasorelaxation « métabolique » ou « fonctionnelle ». L’augmentation de débit sanguin qui en résulte met en jeu la vasorelaxation fluxdépendante sur les vaisseaux approvisionnant ce territoire. Si la masse tissulaire concernée par cette vasorelaxation est quantitativement minime, les choses en restent là. Si, par contre, cette masse est importante (par exemple : lors d’un exercice sportif, la résistance circulatoire périphérique totale diminue significativement, ce qui entraîne une chute de la pression artérielle, laquelle active le baro-réflexe. Le schéma synoptique de régulation présenté ici est centré sur l’équation Débit Cardiaque (Qc) x Résistance Périphérique Totale (RPF) = Pression Artérielle (PA) dérivée de la Loi de Darcy. Le débit cardiaque lui-même est le produit de la fréquence des battements cardiaques (FC) par le volume d’éjection systolique (VES). Ce dernier est réglé par la Loi de Starling, donc en fonction de la pression veineuse centrale (PVC), laquelle dépend de la volémie et de la posture. Une chute de pression artérielle active à court terme donc le baroréflexe, renforçant l’activité sympathique et réduisant l’activité parasympathique. La stimulation sympathique a pour effet d’accélérer la fréquence cardiaque et de renforcer l’éjection systolique, augmentant ainsi le débit cardiaque et rehaussant la pression artérielle. Cette action est relayée par la libération d’adrénaline par la médullosurrénale, avec des effets cardiaques superposables et des effets vasculaires différenciés : vasoconstriction générale (comme par l’action directe du système sympathique sur les vaisseaux) mais vasorelaxation coronaire, hépatique, 244 Ex: ORTHOSTATISME O5 FC x VES =Qc x RPT O9 O6 O5 FC x VES =Qc x RPT O8 Σ / PΣ BaroRéflexe O9 MédulloSurrénale : Adrénaline O2 PVC O1 O8 Σ / PΣ PV Périph. PAN Aldostérone VC / VR Angiotensine 2 O2 PVC O10 PAN Aldostérone O10 Volémie ADH Lors du passage de la position allongée à l’orthostatisme (position debout immobile), la pression veineuse centrale diminue (en raison de l’accumulation d’un volume important de sang – plusieurs centaines de ml - dans les veines des membres inférieurs sous l’effet de la pression hydrostatique). Par le jeu de la Loi de Starling, ceci à pour conséquence une diminution du volume d’éjection systolique et donc une chute de la pression artérielle, activant le baroréflexe. Ceci a pour conséquence une activation du système sympathique avec les différents effets énoncés plus haut. MédulloSurrénale : Adrénaline Rénine Starling Volémie O7 BaroRéflexe Etc. VC / VR Angiotensine 2 O6 = PA O4 Rénine Starling O1 O7 = PA O4 PV Périph. Ex: ORTHODYNAMISME ADH Lors de la marche, la vasorelaxation qui se produit, par les mécanismes examinés précédemment (vasorelaxation métabolique) entraînent une diminution de la résistance périphérique totale, et donc une tendance à la chute de la pression artérielle, mais la pompe veino-musculaire des mollets se trouve aussi activée, rehaussant la pression veineuse centrale, et contribuant à rétablir, parallèlement à l’action du système sympathique, une pression artérielle “confortable”. 245 246 Ex: HEMORRAGIE H4 FC x VES = Qc x RPT H3 H5 H6 Rénine Angiotensine 2 Starling H2 PV Périph. PVC H1 Volémie BaroRéflexe = PA Ex: HEMORRAGIE puis TRANSFUSION H7 H8 Σ / PΣ H4 FC x VES = Qc x H3 RPT MédulloSurrénale : Adrénaline H8 H5 H6 BaroRéflexe = PA Rénine VC / VR Angiotensine 2 Starling H2 PV Périph. PAN Aldostérone PVC H1 Volémie ADH Une hémorragie significative mobilise, à court terme, les mêmes mécanismes, relayés, à moyen terme, par les systèmes hormonaux H7 H8 Σ / PΣ MédulloSurrénale : Adrénaline H8 VC / VR PAN Aldostérone ADH Une transfusion, dans un tel cas, permet de rétablir la volémie et, par voie de conséquence, de rehausser la pression veineuse centrale, donc d’accroître (via la Loi de Starling) le volume d’éjection systolique, donc le débit cardiaque et la pression artérielle. 247 248 Ex: EXERCICE PHYSIQUE FC x VES = Qc x RPT E2’ E2 E3 PVC Pompe Veino- Volémie musculaire BaroRéflexe = PA E5 Physiologie Cardio-Vasculaire E6 Σ / PΣ E6 MédulloSurrénale : Adrénaline Rénine Angiotensine 2 Starling E1’ PV Périph. E4 VC / VR E1 PAN Aldostérone ADH Lors d’un exercice physique impliquant une masse musculaire significative (par exemple lors de la course, l’aviron, le ski de fond…), la vasorelaxation dans les territoires musculaires impliqués est telle que cela a pour conséquence une diminution de la résistance circulatoire périphérique totale (RPT), donc une chute de la pression artérielle, mobilisant le baroréflexe, comme nous l’avons vu précédemment. Notons en outre que les activités comportant une alternance contraction – relaxation des muscles striés squelettiques ont pour effet d’activer la pompe veino-musculaire des mollets, chassant le sang vers le cœur et soutenant donc la pression veineuse centrale. Ce mécanisme est préservé chez les patients porteurs d’un transplant cardiaque, alors que le cœur transplanté est dépourvu d’innervation. Ces patients restent capable d’une adaptation à l’effort par ce mécanisme (qui met en jeu la loi de Starling), mais aussi par les systèmes hormonaux, au premier rang desquels la médullo-surrénale produisant de l’adrénaline qui manifeste des effets cardiaques et vasculaires. Néanmoins, cette adaptation à l’effort est plus lente et progressive que chez le sujet normal, où elle intervient, par le système nerveux autonome, très rapidement (en quelques secondes). 249 250
