Lire l`article complet

E
n raison de ses besoins métaboliques et de sa masse
(30 % du poids corporel), le muscle strié respiratoire
et surtout squelettique est le plus grand utilisateur
d’oxygène de l’organisme. Cette demande s’accroît dès que son
activité mécanique augmente : elle peut être multipliée par un
facteur 10 lorsque la puissance énergétique maximale (évaluée
par la V
.O2max) est atteinte.
L’approvisionnement des muscles en oxygène est un système
limité par la diffusion, entre le sang capillaire et le cytoplasme,
des fibres musculaires. Ainsi, le facteur essentiel de nutrition du
muscle est l’oxygène dissous mesuré par sa pression partielle.
L’hypoxémie (réduction de PaO2), présente chez les insuffisants
respiratoires, est donc un facteur limitant la nutrition des fibres
musculaires. En l’absence de réponses adaptatives, cette limita-
tion survient dès que la PaO2tombe au-dessous de 70 mmHg (par-
tie descendante de la courbe de saturation du sang en oxygène).
En effet, la marge de travail de la fibre musculaire est très étroite :
son système enzymatique oxydatif fonctionne sous une pression
partielle intracytoplasmique de 2 à 4 mmHg. Si l’on considère que
la pression partielle est d’environ 150 mmHg à l’entrée de l’appa-
reil respiratoire et de 50 mmHg à l’entrée des cellules, il existe
une perte de charge importante lors de leur transport. Lors d’une
chute de PaO2, l’organisme devra s’efforcer de maintenir la pres-
sion partielle “de travail” du système enzymatique oxydatif ou de
réduire le métabolisme aérobique, c’est-à-dire les besoins en oxy-
gène. Au niveau cellulaire, la réduction d’apport en oxygène ne
se limite pas aux seules causes de l’hypoxémie (insuffisants res-
piratoires et aussi vie à haute altitude). Il faut considérer égale-
ment les diminutions importantes de masse de sang et donc d’oxy-
gène apporté aux tissus demandeurs ; ce sont les états de choc et
toutes les causes d’ischémie : artériopathie oblitérante, insuffi-
sance cardiaque sévère et stase veineuse périphérique.
Depuis moins de dix ans, les biologistes et les médecins s’in-
téressent aux conséquences de l’hypoxie (essentiellement
l’hypoxémie) sur la fonction neuromusculaire. Ces études revê-
tent un double intérêt, physiopathologique mais aussi social ; en
effet, l’état d’insuffisance respiratoire pourrait créer un handi-
cap moteur, gênant les activités professionnelles des individus.
Notre équipe est particulièrement impliquée dans ces travaux et
étudie les conséquences de l’hypoxémie ou de l’ischémie aussi
bien chez l’insuffisant respiratoire (1) que chez l’individu nor-
mal (2-4). Nous essaierons de répondre à trois questions :
•Existe-t-il un effet limitant de l’hypoxie sur la fonction motrice ?
•Les effets de l’hypoxie sur le tissu musculaire sont-ils unique-
ment délétères et n’existe-t-il pas aussi des adaptations cellulaires ?
•L’hypoxie affecte-t-elle directement le contrôle sensorimo-
teur musculaire et, par là même, l’organisation et l’efficacité du
mouvement ?
CONSÉQUENCES FONCTIONNELLES DE L’HYPOXIE
SUR LA MOTRICITÉ
Elles sont appréciées par la mesure de la force de contraction
maximale (MVC) des groupes musculaires étudiés et aussi par
leur endurance lors de tests de fatigue (maintien d’une force en
condition statique et, plus rarement, maintien d’un travail en
condition dynamique). Chez l’insuffisant respiratoire sévère
(PaO2<57mmHg), la MVC de muscles squelettiques (adduc-
teur du pouce, vaste externe) est inférieure (– 30 % à – 35 %) à
la valeur théorique chez des sujets de même âge et de même
taille (1). Le fait essentiel est que leur réoxygénation restaure
des valeurs presque normales de MVC et prolonge également
l’endurance à la fatigue, à condition que la PaO2atteigne
80 mmHg (1). Cet effet est rapide (moins de dix minutes), mais
malheureusement labile ; en effet, dès l’arrêt de la réoxygéna-
tion, la MVC comme le temps d’endurance chutent. Les consé-
quences fonctionnelles de l’hypoxémie chez l’individu sain sont
souvent contradictoires. Remarquons que, dans tous les cas, ces
résultats découlent d’expériences d’hypoxémie aiguë (quelques
minutes ou une heure au maximum) ou d’observations réalisées
chez des sujets acclimatés à la haute altitude depuis seulement
quelques jours. Il est donc difficile de généraliser les données
recueillies chez le sujet sain aux conséquences à long terme de
l’hypoxémie des insuffisants respiratoires. L’exposition à
l’hypoxémie aiguë (PaO260 mmHg) réduit de façon signifi-
cative (> 20 %) à la fois la MVC et le temps d’endurance à la
fatigue de groupes musculaires des membres supérieurs et infé-
rieurs (2, 3, 5, 6). En revanche, les conséquences fonctionnelles
musculaires chez les sujets acclimatés à la haute altitude
(> 3 000 m) sont discrètes : bon nombre d’études ne rapportent
pas de modifications substantielles de la MVC (6-9), et ce n’est
qu’au cours de trois jours d’exposition à 5 000 m et 7 000 m que
MISE AU POINT
Déficience neuromusculaire de l’hypoxie
● Y. Jammes*
165
La Lettre du Pneumologue - Volume III - no5 - octobre 2000
* Laboratoire de physiopathologie respiratoire (UPRES EA 2201) et service des
explorations fonctionnelles respiratoires, CHU Nord, Marseille.

nous avons mesuré (4) une réduction significative de la MVC et
du temps d’endurance à la fatigue. Dans notre étude (4), la réoxy-
génation des sujets acclimatés à la haute altitude exerce des effets
variables (amélioration de la MVC ou aucune action). En tout
état de cause, on peut admettre que les performances motrices
maximales de sujets hypoxémiques sévères depuis plusieurs
mois sont altérées.
CONSÉQUENCES DE L’HYPOXIE SUR LA FIBRE
MUSCULAIRE
Les cibles cellulaires de l’hypoxie sont multiples : la réduction
de PaO2affecte la capillarisation musculaire, la membrane de la
fibre musculaire, ses équipements enzymatiques et peut-être aussi
la typologie des fibres musculaires.
Variations de perfusion musculaire
Chez l’animal (10), l’hypoxémie aiguë provoque un vasospasme
musculaire important, dû à l’activation de la commande sympa-
thique, qui est responsable d’une réduction d’apport sanguin et
donc d’une aggravation des conséquences de la baisse d’apport
d’oxygène. Chez l’homme, nous avons observé récemment
(résultats en cours de publication) que seule une réduction de
PaO2en dessous de 40 mmHg exerce cet effet, alors qu’une
hypoxémie plus modérée (PaO2> 55 mmHg) augmente le débit
sanguin musculaire. Cette vasodilatation est attribuée à la libé-
ration locale de facteurs endothéliaux et aussi de métabolites mus-
culaires (potassium et surtout oxyde d’azote, NO) (10). L’hypoxie
est un facteur important d’hyperproduction de NO par les cel-
lules endothéliales et par les fibres musculaires elles-mêmes (10).
Elle agirait en activant un facteur libéré par certains neurones du
tronc cérébral (Hypoxia Inducible Factor, HIF1), lui-même acti-
vateur de la transduction de la NO-synthase, de l’érythropoïétine
(EPO) et du facteur principal de néogenèse capillaire (Vascular
Endothelial Growth Factor, VEGF). C’est par ce dernier méca-
nisme que l’hypoxémie chronique augmenterait le nombre de
capillaires musculaires. En résumé, ces effets de l’hypoxémie
semblent correspondre à une réponse adaptative, donc bénéfique,
du muscle à la réduction de ses apports en oxygène.
Modifications de la membrane des fibres musculaires
Elles semblent au contraire être néfastes (létales). En effet, l’expo-
sition prolongée à l’hypoxémie (expérience Everest Comex) nous
a permis de démontrer une altération de la transmission électrique
membranaire musculaire (mesurée par l’enregistrement de
l’onde M), mesurée dès l’altitude de 5 000 m et qui persiste, voire
s’accentue, à 7 000 m (4). Cette altération de l’excitabilité mem-
branaire peut résulter de la perturbation des échanges ioniques.
En effet, l’hypoxémie déprime l’expression de la pompe Na+-K+
ATPase, action responsable d’une fuite extracellulaire du potas-
sium au cours de la contraction musculaire (11). Il se pourrait
donc que l’hypoxémie prolongée des insuffisants respiratoires
gêne l’excitabilité des fibres musculaires, rendant compte au
moins en partie de la réduction de leurs capacités contractiles.
L’hypoxémie est un facteur important d’accentuation de la syn-
thèse des formes radicalaires de l’oxygène, ayant pour consé-
quence une agression membranaire due à la peroxydation des
lipides. Cet effet, déjà documenté chez l’animal (12), a été véri-
fié chez l’homme acclimaté à la haute altitude (13).
Conséquences métaboliques musculaires de l’hypoxémie
Il semble exister des adaptations métaboliques à l’hypoxémie.
Chez l’homme sain au repos, il est admis que l’hypoxémie aiguë
n’augmente pas l’acidose intramusculaire (3, 14) et n’affecte en
rien la consommation d’oxygène (14). À l’opposé, l’hypoxémie
accroît la production de lactate au cours de l’exercice et réduit
aussi la V
.O2max (14). L’absence d’effets métaboliques cellu-
laires de l’hypoxémie chez le sujet normal au repos peut s’expli-
quer par une importante action facilitatrice de l’hypoxémie sur
le transport transmembranaire du glucose (15), épargnant ainsi
la consommation du glycogène intramusculaire. Chez l’insuffi-
sant respiratoire chronique, une réduction du contenu musculaire
en ATP et phosphocréatine existe dans le muscle au repos, ce qui
est en faveur d’une diminution du métabolisme cellulaire aéro-
bique (16, 17). En revanche, chez ces patients, la glycolyse anaé-
robique semble être augmentée (17). La réoxygénation des
patients insuffisants respiratoires (16) augmente le rapport phos-
phates inorganiques/phosphocréatine, semblant réactiver les voies
métaboliques. Elle atténue aussi l’acidose intramusculaire à la
fin d’un exercice. Les données humaines sur les modifications
de typologie des fibres musculaires (rapides-glycolytiques/lentes-
oxydatives) en réponse à l’hypoxémie chronique existent chez
l’homme sain acclimaté à l’altitude (18) ; elles sont en faveur
d’une réduction des activités enzymatiques aérobiques et donc
d’une diminution de proportion des fibres lentes-oxydatives au
profit des fibres rapides-glycolytiques. Ces dernières étant plus
sensibles à la fatigue, on peut ainsi expliquer la réduction du
temps d’endurance chez les sujets hypoxémiques chroniques.
EFFETS DE L’HYPOXIE SUR LA COMMANDE
NERVEUSE MOTRICE
Il s’agit alors d’une action à un niveau supérieur. L’hypoxémie
chronique (sujet acclimaté à la haute altitude) ralentit la conduc-
tion neuromusculaire (4)et déprime aussi fortement le recrutement
des unités motrices au cours des contractions volontaires (4). Cet
effet inhibiteur est également retrouvé dans toutes les ex-
périences humaines exposant des sujets sains à l’hypoxémie
aiguë (2, 3). Il existe chez tout individu normal (animal et homme)
un mécanisme de rétrocontrôle visant à réduire la décharge des
motoneurones spinaux ainsi qu’à privilégier le recrutement des
unités motrices lentes, moins fatigables, au cours d’un travail pro-
longé de forte intensité conduisant à la défaillance de la contrac-
tion (fatigue musculaire). Ce mécanisme est appelé “sagesse du
muscle” (muscle wisdom), car il tend à retarder l’apparition de la
fatigue. Il fait intervenir les afférences musculaires du groupe IV,
activées par la production locale d’acide lactique et la sortie du
potassium hors des fibres musculaires (19). Il a été montré récem-
ment chez l’animal (20) que l’hypoxémie aiguë réduit, voire sup-
prime, l’activation de ces terminaisons sensitives intramusculaires
au cours d’exercices fatigants. Les études humaines réalisées lors
de l’exposition aiguë (2, 3) ou chronique à l’hypoxémie (4) sont
MISE AU POINT
166
La Lettre du Pneumologue - Volume III - no5 - octobre 2000

en faveur de ce mécanisme ; en effet, elles montrent toutes une
importante diminution du recrutement des unités motrices lentes
au cours d’exercices statiques. Il semblerait donc que le phéno-
mène de “sagesse musculaire” soit déprimé par l’hypoxémie, ce
qui constitue une situation très désavantageuse pour le muscle. Il
n’existe à notre connaissance qu’une seule étude de notre groupe
sur le contrôle sensorimoteur musculaire chez les insuffisants res-
piratoires chroniques (1). Ces résultats, bien que très partiels, mon-
trent, par comparaison avec l’état antérieur d’hypoxémie, que la
réoxygénation de ces patients atténue l’activité électromyogra-
phique quantifiée enregistrée au cours d’exercices de même puis-
sance. Un meilleur couplage excitation-contraction après réoxy-
génation semble donc exister, et cela laisse supposer la préexistence
de cette anomalie chez le sujet hypoxémique chronique.
La figure 1 résume les principaux effets de l’hypoxémie sur le
système neuromusculaire. Il faut retenir globalement qu’ils se
traduisent par une véritable déficience, associant une réduction
des capacités contractiles à une diminution de l’endurance à la
fatigue musculaire.
■
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
1. Zattara-Hartmann MC, Badier M et al. Maximal force and endurance to
fatigue of respiratory and skeletal muscles in chronic hypoxemic patients : the
effects of oxygen breathing. Muscle Nerve 1995 ; 18 : 495-502.
2. Badier M, Guillot C, Lagier-Tessonnier F, Jammes Y. EMG changes in res-
piratory and skeletal muscles during isometric contraction under normoxic,
hypoxemic or ischemic condition. Muscle Nerve 1994 ; 17 : 500-8.
3. Bendahan D, Badier M, Jammes Y et al. Metabolic and myoelectrical
effects of acute hypoxaemia during isometric contraction of forearm muscles in
humans : a combined
31
P-magnetic resonance spectroscopy-surface electro-
myogram (MRS-SEMG) study. Clin Sci 1998 ; 94 : 279-86.
4. Caquelard F, Burnet H, Tagliarini F et al. Effects of prolonged hypobaric
hypoxia on human skeletal muscle function and electromyographic events. Clin
Sci 2000 ; 98 : 329-37.
5. Eiken O, Tesch PA. Effects of hyperoxia and hypoxia on dynamic and sus-
tained performance of the human quadriceps muscle. Acta Physiol Scand
1984 ; 122 : 629-33.
6. Fulco CS, Cymerman A, Muza SR et al. Adductor pollicis muscle fatigue
during acute and chronic altitude exposure and return to sea level. J Appl Phy-
siol 1994 ; 77 : 179-83.
7. Garner SH, Sutton JR, Burse RL et al. Operation Everest II : neuromuscu-
lar performance under conditions of extreme simulated altitude. J Appl Physiol
1990 ; 68 : 1167-72.
8. Orizio C, Esposito F, Veicsteinas A. Effect of acclimatization to high alti-
tude (5,050 m) on motor unit activation pattern and muscle performance.
JAppl Physiol 1994 ; 77 : 2840-4.
9. Young A, Wright J, Knapick J, Cymerman A. Skeletal muscle strength during
exposure to hypobaric hypoxia. Med Sci Sports Exercise 1980 ; 12 : 330-5.
10. Marshall JM. Skeletal muscle vasculature and systemic hypoxia. News in
Physiol Sci 1995 ; 10 : 274-80.
11. Green H, Mac Dougall J, Tarnopolsky M, Melissa NL. Downregulation of
Na
+
-K
+
-ATPase pumps in skeletal muscle with training in normobaric hypoxia.
J Appl Physiol 1999 ; 86 : 1745-8.
12. Nakanishi K, Tajima F, Nakamura A. Effects of hypobaric hypoxia on
antioxidant enzymes in rats. J Physiol (London) 1995 ; 489 : 869-76.
13. Joanny P, Steinberg J, Richalet JP et al. Operation Everest-Comex : effects
of prolonged severe hypobaric-hypoxia on plasma levels of lipid peroxydation,
ascorbate, glutathione, total non-proteic SH groups (TNPSH) and erythrocyte
levels in Cu-SOD, glutathione and TNPSH groups. 3rd World Congress on
Mountain Medicine and High Altitude Physiology, Matsumoto, Japan, 1998.
14. Cerretelli P, Hoppeler H. Morphologic and metabolic responses to chro-
nic hypoxia : the muscle system. In : Fregly MJ, Blatteis CM, ed. Handbook of
Physiology, section 4 Environmental Physiology, vol II. New York : Oxford
University Press 1996 ; 1155-81.
15. Cartee GD, Douen AG, Ramlal T et al. Stimulation of glucose transport in
skeletal muscle by hypoxia. J Appl Physiol 1991 ; 70 : 1593-600.
16. Payen JF, Wuyam B, Levy P et al. Muscular metabolism during oxygen
supplementation in patients with chronic hypoxemia. Am Rev Respir Dis
1993 ; 147 : 592-8.
17. Mannix ET, Boska MD, Galasetti P et al. Modulation of ATP production
by oxygen in obstructive lung disease as assessed by
31
P-MRS. J Appl Physiol
1995 ; 78 : 2218-27.
18. Desplanches D, Hoppeler H, Tüscher L et al. Muscle tissue adaptations of
high-altitude natives to training in chronic hypoxia or acute normoxia. J Appl
Physiol 1996 ; 81 : 1946-51.
19. Enoka RM, Stuart DG. Neurobiology of muscle fatigue. J Appl Physiol
1992 ; 72 : 1631-48.
20. Arbogast S, Vassilakopoulos Th, Darques JL et al. Interactions between
the PaO
2
level and the activation of group IV muscle afferents. Muscle Nerve
2000 ; 23 : 1187-93.
167
La Lettre du Pneumologue - Volume III - no5 - octobre 2000
Système nerveux central
HIF1
HYPOXIE
Rétrocontrôle
(muscle wisdom)
MUSCLE
Adaptation :
Capillarisation (VEGF)
Vasodilatation (NO)
Entrée du glucose
Métabolisme aérobique
Effets létaux :
Excitabilité membranaire
Lipoperoxydation
Glycolyse anaérobique
Fibres rapides-glycolytiques
VO2max
Informations sensitives :
désactivation afférences
du groupe IV par la fatigue
Motoneurones :
- dépression de la décharge neuronale
- réduction de la vitesse de conduction
.
Force musculaire + Endurance à la fatigue
Figure 1. Princi-
paux effets de
l’hypoxémie sur
le système neuro-
musculaire.