UE4-Gazaille-Mécanique ventilatoire TD.pdf
publicité
UE 4 – Gazaille Mécanique Ventilatoire Partie 1 : I. Résistances des voies aériennes 1. Bases physiques de la résistance On va s'intéresser à l'écoulement de l'air dans les voies aériennes à chaque cycle respiratoire. L'air que nous inspirons est un fluide s'écoulant dans une bronche (qui est un tube) et de ce fait, il y a des résistances entre chaque extrémité du tube (entrée et sortie du tube). Lors d'un débit normal (bas), donc en ventilation spontanée, l'écoulement est facile. On a un flux laminaire dans les bronches, donc un écoulement de l'air qui suit des lignes régulières, parallèles aux parois. L'écoulement est mesuré par la formule suivante : ΔP = R×V' R étant la résistance à l'écoulement de l'air, elle dépend de la viscosité du fluide et des caractéristiques de la bronche (longueur et rayon, selon l'équation : R=8 η l/ π r4). Lorsque le débit augmente, on va générer des résistances qui vont provoquer des turbulences. Notamment, au niveau des divisions dichotomiques des bronches (on est plus dans un système linéaire, mais dans un système ramifié). Cela génère des différences de pression entre chaque extrémité du tube n'étant pas proportionnelle au débit mais au carré du débit. La formule qui s'applique (pour la résistance) n'est plus la même et est un peu plus complexe. Re = ρ ×u×D/η ρ est la densité du gaz, U la vitesse moyenne d'écoulement du gaz, D le diamètre de la bronche, n la viscosité du gaz. On voit que pour une vitesse donnée, le risque de turbulence augmente avec le rayon du conduit. En fait, si on suit ces lois physiques, plus on va respirer vite, plus le fluide va rencontrer des résistances à l''écoulement, donc plus le travail pour générer ses écoulements va être important. Or en physiologie, quand on a besoin d'un apport d'air supplémentaire (lors d'un effort par exemple), c'est embêtant de demander un travail supplémentaire à l'organisme pour respirer, déjà qu'on augmente la fréquence. Donc on va voir comment ça se passe concrètement. 2. Résistance élastique et résistance visqueuse Dans des conditions statiques au repos, à l'inspiration, on a une diminution de la pression intrapleurale, qui entraîne une augmentation du volume pulmonaire. En effet, on abaisse le diaphragme, ça crée une diminution de pression à l'intérieur du thorax. Donc l'écoulement de l'air se fait de l'extérieur vers l'intérieur. Donc c'est le travail fait à l'inspiration, pour générer une dépression suffisante, pour que l'écoulement de l'air se fasse de l'extérieur vers l'intérieur. 3. Localisation des résistances dans les voies aériennes De plus, plus les bronches se divisent, plus le diamètre devient faible, mais parallèlement à cela, le nombre de divisions, donc le nombre de bronches augmente. Si bien que la somme de toutes les surfaces de ces sections bronchiques à chaque niveau augmente paradoxalement au fur et à mesure qu'on descend dans l'arbre bronchique. Pour au final avoir une très grande surface de section au niveau terminale (bronchioles terminales). En effet, sur le schéma, en partant de la trachée (3 à 4 cm de diamètre), on avait un gros calibre et jusqu'à la bronchiole on avait un calibre qui diminuait progressivement. Donc pour compenser ce phénomène, on a une augmentation du nombre de bronches, avec les ramifications et les divisions qui vont en augmentant, si bien que la surface augmente par la même occasion (au niveau des bronches souches 2 à 3 cm² de surface avec des résistances élevées). Donc les résistances deviennent plus faibles en descendant dans l'arbre bronchique, car on a une surface d'échange qui devient 500 fois plus grande que celle de départ (bronchioles terminales 1500cm²). Ce mécanisme limite ces phénomènes de turbulences, en limitant le phénomène de résistance, car les tubes vont en s'élargissant. II. Facteurs déterminant la résistance des voies aériennes 1. Volume pulmonaire 2. Muscle lisse bronchique En fonction du seuil de contraction du muscle lisse, les bronches vont être plus ou moins ouvertes/fermées. Lors le muscle lisse se contracte au niveau des bronches, cela va réduire leur calibre et augmenter la résistance. C'est ce que l'on va rencontrer par exemple chez les asthmatiques, en temps normal ils ne vont pas avoir de gênes respiratoires, mais en cas de crise d'asthme, il va y avoir une contraction du muscle lisse, suivi d'une diminution du calibre, donc moins d'air rentre, provoquant un essoufflement. La contraction du muscle lisse est contrôlée par un contrôle nerveux, avec des voies afférentes qui vont faire remonter les stimulations bronchiques vers le système nerveux central (noyaux centraux localisés dans le bulbe rachidien). Il n'y a pas de fibres de la douleur dans ces bronches. Mais on a des récepteurs, qui sont sensibles à l'étirement de la paroi des voies aériennes, à l'irritation de l'épithélium bronchique (par des stimuli mécaniques ou chimiques (fibres B)), à l'irritation de l'interstitium pulmonaire (fibres C). Globalement, toutes ces voies afférentes sont véhiculées par le nerf vague. Les voies efférentes sont motrices et à l'inverse, elles partent du SNC vers les bronches. Donc on a : • Les voies motrices cholinergiques, qui vont provoquer une bronchoconstriction via des récepteurs muscariniques. • Des voies motrices adrénergiques, avec une une bronchodilatation, via la stimulation des récepteurs β2-adrénergiques. • Et on a une 3ème voie, qui est non adrénergique, non cholinergique, qu'on appelle la NANC. ' Alors, ici vous avez représenté la régulation du tonus musculaire bronchique. On a les voies efférentes et les voies afférentes. L'épithélium se trouve en bas (vert), toutes les voies afférentes remontent, via le nerf vague et puis au niveau du SNC, 3 voies efférentes possibles : adrénergique, cholinergique, et NANC. Si on regarde le système nerveux sympathique, il intervient sur les récepteurs béta et alpha (avec pour médiateurs l'acétylcholine (en pré synaptique), l'adrénaline, la noradrénaline et le peptide Y) et cela va provoquer une bronchodilatation. Pour le système parasympathique, ça va être l'acétylcholine sur le récepteur muscarinique et donc là on a une bronchoconstriction. Et puis pour le système NANC, on a les neuropeptides, les neurokinases, qui vont en fonction des récepteurs, générer une bronchoconstriction ou bronchodilatation. Mais on est sur des voies qui sont beaucoup moins puissantes que les précédentes. ' ' En pratique, ça se retrouve, on reprend l'exemple de la crise d'asthme, il y a une bronchoconstriction. Donc chez un allergique, ça vient d'une exposition à un allergène qui va être reconnu dans les bronches, il va y avoir une stimulation des mastocytes, avec relargage d'histamine, passant par le nerf vague suivi d'une bronchoconstriction. Le traitement qu'on va leur donner seront des agonistes : des béta 2 mimétique (Ventoline), en provoquant une bronchodilatation. On utilise directement les propriétés de ces voies efférentes, en utilisant les mêmes médiateurs pour traiter la crise d'asthme. En parallèle, dans la bronchite chronique obstructive, on a une bronchoconstriction qui est permanente, on peut utiliser des bronchodilatateurs type béta 2 mimétique, mais on utilise aussi des anticholinergiques qui vont bloquer la bronchoconstriction, et donc en utilisant les deux voies en concomitant, en stimulant la bronchodilatation et en inhibant la bronchoconstriction, on majore l'effet des deux et l'effet thérapeutique utilise ces 2 classes de médicaments. Par contre, le système NANC est très peu utilisé en thérapeutique. Alors ça ce sont les récepteurs muscariniques, y en a 3 sortes:M1, M2, M3 avec toujours l'Acétylcholine comme stimulant. Et puis on a pour chacun différents types de médiateurs. On retrouve, l'Ipratropium qui est un anti cholinergique, et qui va bloquer ces récepteurs muscariniques, et inhiber la bronchoconstriction. Il y a aussi des systèmes humoraux, impliqués dans la libération de médiateurs bronchoconstricteurs. L'exemple de notre asthmatique allergique, exposé à un allergène. L'allergène en question stimule les mastocytes, qui relarguent l'histamine, provoquant une bronchoconstriction. Les leucotriènes et les thromboxanes, sont aussi des médiateurs inflammatoires générant une bronchoconstriction. Cette libération de médiateurs, se fait à partir de cellules présentes dans les voies aériennes. Ça peut être directement au niveau bronchique, mais par exemple le relargage en grande quantité d'histamine dans la circulation, peut provoquer à distance un phénomène de bronchospasmes. 3. Compression dynamique des voies aériennes La dernière chose qui va influencer sur le calibre de nos bronches est la compression dynamique des voies aériennes. Lors d'une expiration forcée, la pression pleurale augmente, augmentant par la même occasion la pression qui s'exerce sur les alvéoles et les bronches, ce qui génère le flux d'air des alvéoles vers l'extérieur. C'est ce qui va permettre de chasser l'air. Paradoxalement, cela va aussi s'exercer sur les bronchioles, (dernières ramifications, il n'y a plus de cartilage à ce niveau-là), elles vont aussi subir cette augmentation de pression, ce qui va provoquer l'écrasement de ces voies aériennes périphériques. Donc cette compression dynamique est liée à l'augmentation de la pression alvéolaire, qui résulte de la transmission de la pression pleurale, mais aussi de la pression de rétraction élastique pulmonaire. A l'inverse, lors de l'inspiration, on a une diminution de la pression alvéolaire, ce qui va générer le flux d'air de l'extérieur vers l'intérieur, permettant la réouverture des voies aériennes. Donc chez un sujet normal, pour les hauts volumes, le point d'égalité entre les niveaux de pression, l'écrasement des bronches, se situe au niveau des bronches cartilagineuses et ne provoque pas de collapsus bronchique. Ce n'est que pour des volumes pulmonaires faibles, inférieurs à la CRF, que le débit devient indépendant de la pression pleurale, et que c'est effort indépendant. III. Commande et contrôle ventilatoire Nous allons voir ce qui va régir la FR (fréquence respiratoire), notamment la commande neurologique de cette ventilation. Le but de la ventilation est de maintenir les valeurs de PaO2, PaCO2 et pH compatible avec la vie. C'est à dire éliminer le gaz carbonique (CO2) et maintenir un pH stable quels que soient les besoins métaboliques. Sachant qu'à l'effort, on va augmenter notre consommation en oxygène (O2) et notre production de dioxyde de carbone (CO2) ou lors de variations de conditions ambiantes, (par exemple en altitude), il y aura une diminution de la pression partielle en O2. Les muscles qui assurent la ventilation sont sous la dépendance d'une commande neurologique : • une commande automatique neurovégétative, généré par le « générateur » de la ventilation. La plupart du temps quand vous respirez, vous ne vous souciez pas de votre FR. • une composante comportementale (volontaire). C'est à dire que si vous décidez de vous-même d'arrêter de respirer ou d'hyperventiler vous en avez les moyens. 1. Génèse de la ventilation Un cycle respiratoire complet est composé successivement : • d'une phase inspiratoire durant laquelle les muscles respiratoires (diaphragme) et les muscles glottiques (ouverture) sont activés. Avec diminution de la pression intrapleurale, générant un flux d'air de l'extérieur vers l'intérieur. • D'une phase post inspiratoire, au cours de laquelle l'activité diaphragmatique se prolonge et freine l'expiratoire passive. • Et puis une phase expiratoire (quand vous relâchez), qui est en partie passive et qui va ré augmenter la pression, générant une sortie d'air. Il faut évidemment une coordination entre ces différentes étapes. Notamment au niveau des voies aériennes supérieurs, qui vont s'activer quelques millisecondes avant, suivi par l'activation du diaphragme pour qu'il n'y ait pas d'obstacles dans la ventilation. Le rythme ventilatoire est une alternance d'inspirations et d'expirations. Et dépend de neurones, appelés «neurones pacemaker» qui vont se dépolariser de façon régulière et générer cette respiration périodique. Ces neurones sont localisés dans deux régions différentes du tronc cérébral (dont une le complexe pré-Bötzinger). Le rythme ventilatoire dépend de neurotransmetteurs excitateurs (Glutamate). La forme, l'amplitude et la distribution spatiotemporelle de la commande ventilatoire dépendent de neurotransmetteurs impliqués dans l'inhibition post synaptique rapide (GABA). Donc on a une commande automatique et une régulation (par exemple pour une inspiration plus profonde...) qui va être régulée sur des neurotransmetteurs en post synaptique. La fréquence de ces cellules est régulière, il n'y a pas de régulation de ces motoneurones. C'est la régulation post synaptique qui va moduler la fréquence, la variation dans le temps de cette commande. ' Alors, ici on voit schématiquement comment sont localisés les neurones. Vous retrouvez sur le schéma, une stimulation donc des groupes automatiques, les neurones respiratoires. Et puis les paires crâniennes (5,7 et 12), pour les muscles dilatateurs des voies aériennes supérieurs, qui vont commander la première phase et donc notamment au niveau des voies aériennes supérieures (au niveau de la glotte...). On va voir ce qui va réguler et moduler cette fréquence respiratoire. Donc on a vu tout à l'heure qu'il y avait des récepteurs au niveau bronchique, qui vont être sous l'influence de différents stimuli (chimiorécepteurs/mécano-récepteurs). Les chimiorécepteurs sont sensibles aux substances inhalées ou irritantes et les mécanorécepteurs à l'étirement. Les effecteurs sont les muscles respiratoires. Et puis nous avons les centres de contrôles (SNC). 2. Chimiorécepteurs centraux On a des chimiorécepteurs centraux, qui vont fonctionner indépendamment des stimulations des voies aériennes directes, par le milieu environnant. C'est à dire la stimulation par un allergène, un produit irritant, on va retrouver la voie qu'on a décrite. Pour autant, ce n'est pas ceux-là qui vont commander directement la régulation par rapport aux taux d'O2 à l'effort ou la vidange du CO2. On est sur des stimulations externes. Donc au niveau central, ce sont là que ces chimiorécepteurs centraux vont intervenir, pour réguler la FR, selon les besoins de l'organisme. Donc pour éliminer le CO2 & apporter l'O2 nécessaire. Alors pour l'excès de CO2 on a des récepteurs, qui sont situés au niveau du tronc cérébral, et qui ne vont pas être sensibles directement à la variation CO2, mais à la variation de pH du LCR (liquide céphalo rachidien), secondaire aux variations de PaCO2 (une baisse du pH dans le LCR induit une stimulation de la ventilation). En effet, le gaz carbonique une fois échangé, il y a une partie qui participe à l'équilibre acido basique et qui associé à une molécule d'eau (H2O) va générer des bicarbonates (HCO3-). Donc il se passe la même chose au niveau cérébral, le CO2 passe assez facilement dans le LCR et là encore, on va avoir cette relation entre CO2 et pH et c'est par ce biais-là, qu'on va avoir une stimulation de ses systèmes nerveux centraux, par la variation du pH qui est directement lié à la variation de la PaCO2. En effet, le CO2 passe très facilement au niveau de la barrière entre le sang et le LCR, on a à nouveau la dissociation en bicarbonates, qui modifie le pH (dissociation de H2CO3 en HCO3- + H+) Il faut savoir que c'est un effet rapide (réponse ventilatoire). Une augmentation de la PaCO2 va favoriser : • la vasodilatation cérébrale induite par le CO2 (qui favorise la diffusion du CO2 dans le LCR), • un faible pouvoir tampon du LCR (qui permet qu'une toute petite variation de CO2 dans le sang, va rapidement générer une réponse ventilatoire par la modification du pH). Par exemple, si vous êtes en hypercapnie, donc vous arrêtez de respirer, le CO2 va très vite passer au niveau du LCR, entraîner des variations de pH, ce qui va générer rapidement une réponse ventilatoire. Alors, cela reste vrai en aiguë. Par exemple, dans le cas d'une embolie pulmonaire, avec obstruction du poumon droit, il y a aura une diminution d'O2, donc une compensation d'hyperventilation va se mettre en place, pour compenser. Cela va marcher un certain temps, mais au bout d'un moment, les muscles vont s'épuiser. Progressivement, cela va induire une diminution de la FR. Proportionnellement à cela, la PaO2 va diminuer et la PaCO2 va quant à elle augmenter. Cette PaCO2 va permettre de maintenir une excitation neurologique pour maintenir une FR suffisante. Mais elle peut être dépassée, et à ce moment-là la seule solution est une ventilation mécanique pour suppléer la défaillance du système respiratoire. En chronique, dans le cas de la BPCO, on va avoir une destruction du parenchyme pulmonaire, on a donc une diminution de la surface d'échanges, l'O2 est moins bien échangé, entraînant une diminution de la PaO2, s'accompagnant d'une élévation progressive de la PaCO2. Comme cela se fait progressivement, même si l'on va avoir peu de systèmes tampons au niveau du LCR, il va y avoir une accoutumance, une mise en jeu de ses systèmes tampons, et un amortissement de la variation de pH à ce niveau-là, puis une tolérance vis à vis de l'hypercapnie qui va s'installer. Il n'est pas rare de voir des patients dans un état très grave, arriver avec une FR normale, une PaO2 diminuée du fait de la diminution de l'échange et une PaCO2 élevée, qui va être bien tolérée, sans hyperventilation. 3. Chimiorécepteurs périphériques Les chimiorécepteurs périphériques sont essentiellement situées : • au niveau de la division des artères carotides communes (glomus carotidien) • de la crosse aortique (glomus aortique) Ils sont sensibles à une diminution de la PaO2 et leur stimulation entraine une augmentation de la ventilation. Ce sont des structures richement vascularisées composées : • de cellules glomiques de type 1 (qui contiennent de nombreux neuromédiateurs dont la dopamine, la noradrénaline et l'acétylcholine) • entourées par des cellules de type 2 apparentées aux cellules gliales. C'est ces récepteurs périphériques qui vont être sensibles à la variation du taux d'oxygène. Les afférences qui proviennent du glomus carotidien et du glomus aortique sont véhiculées respectivement par le nerf glossopharyngien et par le nerf vague. Ces afférences se projettent au niveau du bulbe. Les chimiorécepteurs périphériques ne sont significativement stimulés que lorsque la PaO2 devient inférieure à 60 mmHg (Ce qui vaut à 90 % en saturation à peu près). Les chimiorécepteurs situés dans le glomus carotidien sont également sensibles à une augmentation de PaCO2 ; on estime qu'environ 20 % de la réponse ventilatoire à l'hypercapnie est d'origine « périphérique ». 4. Autres récepteurs De nombreux afférences autres que métaboliques participent au réglage de la ventilation (ils sont néanmoins moins importants). On pourra citer : • des récepteurs bronchiques à adaptation lente sensibles à la distension pulmonaire dont la stimulation augmente le temps expiratoire (réflexe de Hering-Breuer) • des récepteurs bronchiques à adaptation rapide, sensibles aux irritants dont la stimulation entraine une ventilation rapide et superficielle • des récepteurs alvéolaires juxtacapillaires sensibles par exemple à la pression du liquide interstitiel et dans la membrane alvéolo-capillaire dont la stimulation entraine une hyperventilation superficielle • des mécano-récepteurs situés dans les tendons des muscles respiratoires qui permettent d'adapter la contraction des muscles inspiratoires à la charge (réflexe myotatique) • des mécano-récepteurs situés dans les tendons des muscles périphériques dont la stimulation augmente la ventilation (rôle dans l'adaptation ventilatoire à un exercice physique). 5. Contrôle suprapontique de la ventilation Chez l'être humain, la ventilation peut être modifiée ou « contrôlée » de façon volontaire (pour parler ou plonger notamment) ou comportementale (sous l'effet d'une émotion par exemple). A l'inverse, toutes les afférences du système ventilatoire se projettent au niveau corticale et contribuent à la genèse de « sensations » ventilatoires, parmi lesquelles la dyspnée. Partie 2 : I. Introduction L'équilibre acido-basique, ou homéostasie du pH, est une des fonctions essentielles de l'organisme. Le pH (potentiel hydrogène) d'une solution est une mesure de sa concentration en ions H+. pH = - log [H+] La concentration d'ions H+ dans l'organisme est très faible (concentration dans le plasma artériel = 0,00004 mEq/L) par rapport à d'autres ions (exemple : du Na+ environ 135 mEq/L). 1. Origine des ions H+ 1. Ionisation des molécules d'eau en H+ et OH2. Molécules libérant des ions H+ Une molécule qui libère des ions H+ est un acide. Exemple : acide carbonique issu de l'interaction entre eau et CO2 dans l'organisme 2. Modification de la concentration des ions H+ Certaines molécules (bases) font baisser la concentration en H+ en se combinant avec les ions H+ libres. C'est le cas des molécules qui libèrent des ions OH-. Ces ions OH- se combinent avec H+ pour donner de l'eau. H+ + OH- ⟹ H2O D'autres bases, comme l'ammoniac NH3, peuvent fixer un ion H+ NH3 + H+ ⟹ NH4+ (ion ammonium) 3. Caractérisation d'une solution - Si pH < 7, la solution a une concentration en H+ > 1.10-7 M et est considérée comme acide. - Si pH > 7, la solution a une concentration en H+ < 1.10-7 M et est considérée comme basique. Le pH normal de l'organisme (extra-cellulaire) est de 7,40 (concentration d'H+ d'environ 40 nmol/L). Il est stable mais il peut varier entre 7,38 et 7,42 au repos chez l'Homme normal. On parlera d'acidose en dessous de 7,38 et d’alcalose au-dessus de 7,42. Des variations du pH plasmatique surviennent cependant en physiologie (exercice) ou en pathologie. Des pH inférieurs à 7 et supérieurs à 7,8 (< 7 et > 7,8), sont incompatibles avec la vie. Le pH d'autres fluides de l'organisme peut être très différent : • pH des sécrétions gastriques peut être égal à 1 • pH urinaire entre 4,5 et 8,5 Le pH intracellulaire est variable d'un tissu à un autre mais proche de 7 (concentration d'H+ d'environ 100 nm/L). 4. Variation de pH Les protéines intracellulaires, enzymes et canaux membranaires sont très sensibles au pH (modifications de la structure tertiaire des protéines et donc de l'activité). Cela modifie aussi l'excitabilité neuronale. Cela entraine une dépression du système nerveux central en cas d'acidose et une hyperexcitabilité en cas d'alcalose. ⤷ Modification de la concentration en ions K+ du fait des échanges H+/K+ (acidose au niveau du rein, excrétion d'H+ et réabsorption de K+ ; alcalose : le rein réabsorbe des H+ et excrète le K+. Le déséquilibre potassique crée des troubles de l'excitabilité cardiaque notamment. II. Les sources de bases et d'acide L'ingestion et la production d'acides sont plus importantes que celles des bases. Il y a donc nécessité d'une excrétion d'acides par l'organisme notamment par le rein. 1. Entrée d'acide Beaucoup d'intermédiaires métaboliques et d'aliments ingérés sont des acides organiques qui vont s'ioniser et apporter des ions H+ Exemple : acides aminés, acides gras, produits du métabolisme anaérobie. Il existe, en pathologie, des accumulations aigues d'acides qui dépassent les capacités d'adaptation de l'organisme : acide lactiques lors d'un choc cardio-circulatoire, acides cétoniques entrainant une acidose métabolique dans un diabète décompensé. 2. Production d'acides Les ions acides viennent en particulier, au niveau extracellulaire, d'une part d'une source indirecte très abondante liée à la production d'anhydride carbonique (CO2) qui va être éliminé par les poumons et d'autre part, cette production est liée au métabolisme aérobie. En effet, le CO2 se combine avec l'eau pour former de l'acide carbonique. CO2 + H2O ⟺ H2CO3 ⟺ H+ + HCO3Cette production d'acide carbonique H2CO3 se fait à vitesse lente mais peut être catalysée dans certaines cellules par l'anhydrase carbonique. La production d'H+ à partir de CO2 et d'H2O est la source d'acide la plus importante. 3. Entrée de base Les apports alimentaires et métaboliques en bases sont limités. Quelques anions sont susceptibles de générer des ions HCO3-. L'essentiel de l'équilibre acide-base va donc reposer sur l'élimination de l'excès d'acides. III.Régulation du pH L'adaptation de l'organisme aux changements de pH dépend de 3 mécanismes : • le système tampon • la ventilation • la régulation rénale d'H+ et HCO3Il existe une chronologie de la mise en œuvre. 1 – Les systèmes tampons sont la 1ère ligne de défense, limitant de grandes variations. 2 – L'augmentation de la ventilation est une réponse rapide, pouvant prendre en charge près de 75 % des perturbations de l'équilibre acide-base. 3 – Les reins sont beaucoup plus lents dans la mise en œuvre. Ils prennent en charge toutes les perturbations résiduelles du pH 1. Tampons Tous les couples acide-base sont capables d'accepter ou de rejeter des protons. Les acides faibles, peu dissociés dans les conditions physiologiques, dans les milieux aqueux de l'organisme, agissent tantôt en captant, tantôt en libérant des protons H+. Leur présence est donc à même d'atténuer les variations de concentration protonique qui pourraient survenir. On les appelle pour cette raison des tampons. Ils ne régulent pas le pH mais ils atténuent ses variations. Ils sont présents dans le milieu extracellulaire (essentiellement sous la forme du couple acide carbonique/bicarbonate) et dans le milieu intracellulaire (protéines, tissu osseux …). On distingue, dans l'organisme, les tampons ouverts et les tampons fermés. Les premiers sont exclusivement formés par le couple acide carbonique/bicarbonate puisqu'il est possible d'excréter chacun de ses membres hors de l'organisme : le CO2 (donc indirectement l'acide carbonique) par les poumons et le bicarbonate par les reins. Les seconds ne peuvent pas quitter l'organisme et certains d'entre eux, comme l'albumine, sont même incapables de quitter un secteur donné de façon significative, en l'occurence ici, le compartiment intravasculaire. Les tampons comme son nom l'indique n’empêchent pas le changement de pH mais il en limite l'amplitude. La plupart des tampons de l'organisme ont comme fonctions de fixer des ions H+. Les tampons sont : - intracellulaires. Ce sont surtout les protéines, les ions phosphates (HPO4 2-) et l'hémoglobine. Le tamponnement des ions H+ par l'hémoglobine libère dans le globule rouge un ion HCO3- qui va gagner le plasma (échange avec un Cl-). - extracellulaires. Ce sont les bicarbonates produits par le métabolisme du CO2 qui constituent le système tampon extra-cellulaire le plus important de l'organisme. Le système CO2-HCO3 : La concentration d'ions bicarbonates est d'environ 24 mEq/L dans le plasma alors que la concentration d'ions H+ est seulement de 0,00004 mEq/L. C'est la fixation des ions H+ par l'hémoglobine qui explique cette différence. Les HCO3- plasmatiques sont ainsi disponibles pour tamponner l'excès d'ions H+ d'origine métabolique. C'est (encore) la réaction CO2 + H2O ⟺ H2CO3 ⟺ H+ + HCO3- qui régit le fonctionnement du système tampon. ⤷ Ainsi, dans le cas d'une hypoventilation, le CO2 augment et déplace l'équation vers la droite. CO2 + H2O ⟹ H2CO3 ⟹ H+ + HCO3 Les taux d'H+ et d'HCO3- sont augmentés de façon équitable. On a une acidose respiratoire. ⤷ Si on ajoute des ions H+ CO2 + H2O ⟸ H2CO3 ⟸ H+ + HCO3 A l'équilibre, une partie des H+ ajoutés ont été tamponnés par les bicarbonates et donc la quantité d'H+ est modérément élevée. La quantité d'HCO3- a diminué, CO2 et H2O ont augmenté. Le CO2 produit est aussitôt éliminé par la respiration. 2. Rôle de la ventilation Tout changement de la ventilation va modifier l'équilibre acido-basique CO2 + H2O ⟺ H2CO3 ⟺ H+ + HCO3Une hypoventilation entraine une augmentation de la PCO2 donc du CO2 dissous et déplace l'équation vers la droite avec une augmentation des ions H+. CO2 + H2O ⟹ H2CO3 ⟹ H+ + HCO3 Inversement, une hyperventilation permet une diminution du CO2 et donc de la PCO2. L'équation se déplace vers la gauche, augmentant l'acide carbonique, diminuant les ions H+ et augmentant donc le pH. CO2 + H2O ⟸ H2CO3 ⟸ H+ + HCO3 3. Rôle du rein Les reins prennent en charge la compensation que les poumons n'ont pas effectués. Ils le font de deux façons : - en excrétant ou en réabsorbant des ions H+ - en augmentant ou en diminuant le taux de réabsorption des ions HCO3-. Par exemple, dans le cas de l'acidose métabolique, les ions H+ sont sécrétés dans la lumière tubulaire en utilisant un transport actif direct et indirect : - les ions H+ excrétés dans la lumière tubulaire pouvant se combiner à HPO4 2- les ions NH4+ provenant de la combinaison des acides aminés avec les ions H+. Les ions HCO3- sont réabsorbés au niveau du capillaire péri-tubulaire ce qui permet également d'augmenter le pH. Enfin, pour la réabsorption des bicarbonates, les ions HCO3- sont majoritairement réabsorbés au niveau du tubule proximal générant une alcalose métabolique. Les ions H+ sont également excrétés au niveau du tubule proximal. IV.Les déséquilibres acido-basiques Tampons, ventilation et excrétion rénale prennent charge les variations de pH plasmatique. Lorsqu'il existe une accumulation ++ d'ions H+ ou OH-, il existe une déviation de la valeur en dehors des valeurs normales de pH plasmatique (7,38-7,42). Ces perturbations sont soit : - une acidose - une alcalose. Elles sont aussi caractérisées par leur cause : - respiratoire - métabolique La nature respiratoire provient d'une modification de la ventilation alvéolaire (HYPO ou HYPER). La nature métabolique provient d'une accumulation excessive d'acides ou de bases sans lien avec la ventilation quant à leur origine. Lorsque les capacités tampons de l'organisme sont dépassées, il ne reste que la compensation respiratoire ou métabolique qui puisse être mise en jeu. Les deux systèmes travaillent ensemble. Cependant, le système respiratoire est plus rapide pour compenser les variations métaboliques. ' En cas d'acidose respiratoire, il y a une élévation de la PaCO2, une élévation des ions H+, une diminution du pH et donc pour compenser, une élévation des HCO3-. On peut avoir une acidose respiratoire compensée : il a une PaCO2 de base augmentée et pour autant, il a un pH normal car la rétention des bicarbonates permet de garder un pH stable. Dans une acidose métabolique, la PaCO2 est normale ou diminuée si elle est compensée, les H+ sont augmentés, le pH est diminué mais, à l'inverse de l'acidose respiratoire, on a une baisse des HCO3-. 1. Acidose respiratoire L'hypoventilation conduit à l'acidose respiratoire s'expliquant par une accumulation de CO2 et une augmentation de PaCO2. Quelle que soit la cause : Les caractéristiques sont une baisse du pH et une élévation de bicarbonates plasmatiques au long court. ' ' Là, c'est toutes les causes respiratoires : fièvre, hyperthyroïdie, la diminution de la ventilation minute (cela peut être un AVC sur une atteinte des zones respiratoires ou sur une atteinte médullaire, sur une myopathie…), la fatigue respiratoire (dans une cause d'hypoxémie, vous allez pouvoir travailler un temps pour compenser, puis survient l'épuisement et élévation de la PaCO2), la cyphoscoliose (diminution des volumes et de la capacité expiration). La compensation rénale se fait par excrétion d'ions H+ et une réabsorption d'ions HCO3-. Ces deux mécanismes tendent à diminuer et tamponner les ions H+ et donc à augmenter le pH. Cela se fait lentement dans le temps et c'est pour ça que les acidoses respiratoires, le traitement de ces acidoses, quand elles sont mal tolérées en aigue, c'est la ventilation mécanique qui va suppléer à la défaillance ventilatoire (invasif à la ventilation ou non invasif au masque). La conséquence la plus dangereuse de l'acidose respiratoire est liée à l'apparition de l'hypoxémie et de ses effets, notamment sur le cerveau. L'hypercapnie, quant à elle, a essentiellement des effets neurologiques (tremor, astérixis, somnolence, agitation, angoisse, délire et, pour des PaCO2 très élevées, coma, notamment). Le volume sanguin cérébral s'accroît en raison d'une vasodilatation cérébrale, pouvant mener à l'œdème cérébral. Le système cardiovasculaire est lui aussi affecté par l'hypercapnie. Le taux des catécholamines circulantes est augmenté, ce qui provoque une tachycardie, L'effet direct du CO2 sur les muscles lisses artériolaires mène à une vasodilatation, le tout aboutissant à un état hyperdynamique. La peau est chaude, rouge, le malade transpire. L'hypercapnie aiguë sévère peut conduire à une baisse de la contractilité cardiaque, probablement induite par l'acidose intracellulaire, laquelle interfère avec le couplage du calcium et de l'actine-myosine. De plus, l'hypercapnie diminue l'affinité de l'hémoglobine pour l'oxygène (effet Bohr), ce qui favorise l'extraction de l'oxygène en périphérie. L'acidose respiratoire potentialise la vasoconstriction hypoxique pulmonaire L'hypercapnie chronique peut aboutir à la rétention hydrosaline et à l'apparition d'œdèmes, sans que le débit cardiaque ne soit abaissé. La vasodilatation liée à la rétention de CO2 joue un rôle central dans cette rétention sodique Le traitement de l'acidose respiratoire est essentiellement dirigé vers la cause de l'acidose (traitement d'une crise d'asthme, d'une intoxication médicamenteuse, par exemple). En cas d'acidémie sévère et/ou échec des mesures thérapeutiques spécifiques à la cause de l'acidose, on doit recourir à la ventilation mécanique, invasive ou non. En cas d'acidose respiratoire chronique, le bicarbonate plasmatique est élevé en raison de la compensation rénale. 2. Acidose métabolique L'acidose métabolique survient quand les entrées d'ions H+ d'origine nutritionnelle ou provenant du métabolisme sont supérieures aux excrétions d'ions H+. Les causes peuvent être : - Une acidose lactique - Une acidocétose diabétique - Une injection de substances exogènes riches en H+ - Une perte de bicarbonates (diarrhée ou une insuffisance rénale chronique). Cela crée en général une hyperventilation réflexe : ils ont une dyspnée générée par une acidose métabolique. Quelle que soit la cause : ' Les caractéristiques sont une baisse du pH et une baisse du taux des HCO3- plasmatique (ce qui va distinguer une acidose métabolique d'une acidose respiratoire). L'augmentation de CO2 qui devrait survenir est compensée par une hyperventilation immédiate. Il existe également une excrétion d'ions H+ et une réabsorption d'ion HCO3-. Les principales causes de l'acidose métabolique : L'acidose métabolique a de nombreuses conséquences néfastes. On parle d'acidose métabolique grave lorsque le pH est inférieur à 7,10. Toutefois, la gravité clinique de l'acidose métabolique dépend de sa rapidité d'installation, de sa cause, de la vitesse de la production d'acide en cours et de la réserve physiologique du malade, notamment sur le plan cardiovasculaire [ Les effets les plus dangereux s'exercent sur le système cardiocirculatoire. En acidémie profonde, on assiste à une diminution de la contractilité du myocarde et à une vasoplégie artérielle. Ces effets sont en partie contrés par une activation réflexe des systèmes adrénergique et gluco-cortico-stéroïdien mais, en présence d'une acidémie profonde, la réaction sympathique s'estompe en raison d'une désensibilisation des récepteurs adrénergiques. hyperkaliémie, résistance à l'insuline, effet Bohr acide, ... 3. Alcalose respiratoire C'est le résultat d'une hyperventilation qui ne résulte pas d'une augmentation de la production métabolique de CO2. ' Les caractéristiques sont une élévation de pH et une baisse du taux de HCO3- plasmatiques ce qui signe la nature respiratoire de l'alcalose. Les causes sont toutes les situations d'augmentation de la ventilation, d'origine respiratoire. La compensation rénale est la seule possible : - Excrétion accrue des bicarbonates (moins de réabsorption au niveau du tubule proximal, sécrétion au niveau du tubule distal). - Réabsorption d'ions H+ dans la partie distale du néphron. ' L'alcalose respiratoire provoque une augmentation de l'excitabilité des systèmes nerveux central et périphérique. On a des symptômes comme des vertiges, des paresthésies, des crampes, des altérations de la conscience, parfois des convulsions. De plus, l'alcalémie, via l'hypokaliémie en partie, mène à des arythmies cardiaques (tachyarythmies ventriculaires et supraventriculaires). Chez des sujets prédisposés, l'alcalémie peut entraîner des douleurs thoraciques, soit par insuffisance coronarienne (vasospasmes coronariens), soit par spasme de l'œsophage. Ces phénomènes se rencontrent surtout lorsque l'alcalémie est sévère (PaCO2 inférieure à 30 mmHg) et ils sont dus en partie à des altérations des potentiels de membrane et, en partie à une vasoconstriction artérielle cérébrale. L'alcalémie ne se traite pas en tant que telle mais on tente d'en corriger la cause. 4. Alcalose métabolique C'est le résultat d'une diminution de la concentration d'ions H+. Les caractéristiques sont une élévation des ions HCO3-. La compensation respiratoire rapide entraine une augmentation rapide mais limitée de la PaCO2. On a une excrétion d'ions HCO3- et une réabsorption d'ion H+. Il va y avoir aussi une bradypnée. ' ' Le traitement consiste le plus souvent à corriger les déficits qui ont causé, puis entretenu, l'alcalose métabolique. Ainsi, un déficit volumique est redevable d'une administration de NaCl isotonique intraveineux et les déficits en chlore et en potassium sont corrigés, par exemple par l'infusion de KCl. Si nécessaire, un manque de magnésium est corrigé. Dans le cas d'un hyperaldostéronisme, on peut prescrire un médicament antagoniste de l'aldostérone, par exemple la spironolactone. Conclusion : Le pH de l'organisme et en particulier le pH plasmatique, doit être régulé étroitement. Les modifications importantes de pH affectent le fonctionnement des protéines intracellulaires, des canaux membranaires et des enzymes.
