Upload
buidiep
View
220
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
La respiration et sa rLa respiration et sa réégulation gulation rrééponses physiologiques et physiopathologiques ponses physiologiques et physiopathologiques àà
l'altitudel'altitude
UE physiologie, pharmacologie, pathologieUE physiologie, pharmacologie, pathologie
Master Biologie cellulaire, Master Biologie cellulaire, physiologie et et pathologiephysiologie et et pathologie
Etienne RouxEtienne Roux
Adaptation cardiovasculaire Adaptation cardiovasculaire àà ll’’ischischéémie INSERM U 1034mie INSERM U 1034UFR des Sciences de la Vie UniversitUFR des Sciences de la Vie Universitéé Bordeaux SegalenBordeaux Segalen
contact: etienne.roux@ucontact: [email protected]
composition gazeuse de l’air sec en %
composant %
O2 20,95
CO2 0,05
N2 78,09
Argon 0,93
données générales
effets physiques de leffets physiques de l’’altitudealtitude composition de l’air
pression partielle en vapeur d’eau
température pression de vapeur saturante
0°c 4,6 mmHg
37°C 47 mmHg
Dans un poumon :pression de vapeur d’eau = pression de vapeur saturante = 47 mmHg.
pression de l’air sec = pression atmosphérique - pression de vapeur saturante
pression atmosphérique au niveau de la mer : 760 mm Hg (101,3 kPa)pression de l’air sec: 760 – 47 = 713 mmHg.
L’air sec : 21% d’oxygènePIO2 (pression partielle en O2 dans l’air inhalé) = 150 mmHg.
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9200
300
400
500
600
700
800
pres
sion
atm
osph
ériq
ue (
mm
Hg)
altitude (1000 m)
pressions ( mmHg) niveau de la mer 5500 m différence
p. atmosphérique 760 380 380
PO2 160 80 80
PIO2 150 70 80
PCO2 0,23 0,11 0,12
PICO2 0,21 0,11 0,11
effet de l’altitude
composition de l’air
diminution de la pression atmosphérique
composition de l’air en fraction : inchangée
effets directs de leffets directs de l’’altitudealtitude
l’équation de l’air alvéolaire
pression alvéolaire
pressions & concentrations en gazeffets directs de leffets directs de l’’altitudealtitudedioxyde de carbone
˙
PACO2 : ne dépend pas de l’air inspirédépend de la production de CO2
PACO2 = (VCO2 / VA)K˙˙
K : constante VCO2 : débit de CO2 produit VA : débit alvéolaire˙˙
→ pas d’effet de l’altitude
pression alvéolaire
pressions & concentrations en gazeffets directs de leffets directs de l’’altitudealtitudedioxygène
PAO2 = (PIO2 –( PACO2/R) + F
R : quotient respiratoire F : constante (F = 0 si R = 1)
→ altitude : diminution de la PAO2
l’équation de l’air alvéolaire
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,70
102030405060708090
100
temps dans le capillaire (sec)
PO2
mm
Hg)
PAO2 (hypoxie)
PAO2 (normoxie)
PaO2 (normoxie)
PaO2 (hypoxie)
PO2 dans le sang, en fonction du temps de passage dans le capillaire, selon la PAO2
pressions & concentrations en gazeffets directs de leffets directs de l’’altitudealtitude
diffusion alvéolo-capillaire
quantité d’O2 présente dans le sang – en ml O2/100 ml de sang :
(1,39 x Hb x (Sat/100)) + 0,003 PO2
Hb : concentration en hémoglobine du sang (en g/100 ml)
Sat : % de saturation de l’hémoglobine
PO2 en mmHg
pressions & concentrations en gazeffets directs de leffets directs de l’’altitudealtitude
pression partielle et concentration dans le sang dioxygène
quantité d’O2 présente dans le sang – en ml O2/100 ml de sang :
(1,39 x Hb x (Sat/100)) + 0,003 PO2
00
102030405060708090
100
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
PaO2 (mm Hg)
% sa
tura
tion
O2 normoxie
hypoxie modérée
hypoxie prononcée
pressions & concentrations en gazeffets directs de leffets directs de l’’altitudealtitude
pression partielle et concentration dans le sang dioxygène
quantité d’O2 présente dans le sang
5000 6000 7000 8000 9000
65
70
75
80
85
90
95
100
altitude (m)
Sat
O2
(%)
repos
effort maximal
pressions & concentrations en gazeffets directs de leffets directs de l’’altitudealtitude
pression partielle et concentration dans le sang dioxygène
conséquence sur l’oxygénation tissulaire
0
20
40
60
80
100
120
140
160
PO2(mmHg)
air inspiré
air alvéolaire
sangtissus
artériel
veineux
0 m
5500 m
pressions & concentrations en gazeffets directs de leffets directs de l’’altitudealtitude
pression partielle et concentration dans le sang dioxygène
quantité de CO2 présente dans le sang
♦ pas d’effet direct de l’altitude sus la quantité de CO2 présente dans le sang
♦ effet indirect par la mise en jeu de systèmes de régulation
pressions & concentrations en gazeffets directs de leffets directs de l’’altitudealtitude
pression partielle et concentration dans le sang dioxyde de carbone
principales variables régulées de la fonction respiratoire
variables régulées capteurs effecteurs
PO2 chémorécepteurs périphériques
ventilation
débit sanguin
résistances vasculaires
PO2
concentration en O2
capteurs rénaux érythropoïèse
PCO2 chémorécepteurs périphériques
ventilation
débit sanguin
résistances vasculaires
PCO2 chémorécepteurs centraux ventilation
chémosensibilité l’à O2 et au CO2effets effets àà court terme (1court terme (1--3 j)3 j)
chémorécepteurs
variables régulées capteurs effecteurs
PO2 chémorécepteurs périphériques
ventilation
débit sanguin
résistances vasculaires
PO2
concentration en O2
capteurs rénaux érythropoïèse
PCO2 chémorécepteurs périphériques
ventilation
débit sanguin
résistances vasculaires
PCO2 chémorécepteurs centraux ventilation
principales variables régulées de la fonction respiratoire
effets effets àà court termecourt terme
chémorécepteurs
chémosensibilité l’à O2 et au CO2
♦ effet de l’hyperventilation sur l’oxygènehyperventilation réflexe (fréquence respiratoire et volume) → augmentation de la PAO2
˙PACO2 = (VCO2 / VA)K˙˙
effets effets àà court termecourt terme
chémorécepteurs à la PO2 artérielle
♦ effet sur le dioxyde de carboneélimination accrue du CO2 → diminution de la PCO2 + alcalose
chémosensibilité l’à O2 et au CO2
variables régulées capteurs effecteurs
PO2 chémorécepteurs périphériques
ventilation
débit sanguin
résistances vasculaires
PO2
concentration en O2
capteurs rénaux érythropoïèse
PCO2 chémorécepteurs périphériques
ventilation
débit sanguin
résistances vasculaires
PCO2 chémorécepteurs centraux ventilation
effets effets àà court termecourt terme
chémorécepteurs à la PCO2
chémosensibilité l’à O2 et au CO2
♦ effet de l’hyperventilation sur l’oxygènehyperventilation réflexe (fréquence respiratoire et volume) → augmentation de la PAO2
♦ effet sur le dioxyde de carboneélimination accrue du CO2 → diminution de la PCO2 + alcalose
♦ effet du dioxyde de carbone sur la ventilationdiminution de la PCO2 + alcalose → activation des chémorécepteurs au CO2→ hypoventilation
respiration cycliquesommeil : respiration périodique avec phase d’apnée
˙PACO2 = (VCO2 / VA)K˙˙
effets effets àà court termecourt terme
conséquences fonctionnelles
chémosensibilité l’à O2 et au CO2
effets effets àà court termecourt terme
conséquences fonctionnelles
chémosensibilité l’à O2 et au CO2
variations de la PAO2 et de la PCO2 lors d’un séjour en altitude (La Paz)
0 12 24 36 48 60 7225
30
35
40
45
50
55
60
65
70
temps (heures)
PAO
2,
PACO
2(m
mH
g)
PAO2
PACO2
courbe de saturation de l’hémoglobine au niveau de la mer et à La Paz
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
102030405060708090
100
PaO2 (mm Hg)
0 m 3600 m
% s
atura
tion O
2
1er temps : déplacement de la courbe de dissociation vers la gauche : effet Bohr2e temps : déplacement de la courbe de dissociation vers la droite (2,3 DPG)
courbe de dissociation de l’O2effets effets àà court termecourt terme
altitude → hypoxie alvéolaire → vasoconstriction hypoxique généralisée
hypertension artérielle pulmonaire
50 100 150 200PO2 alvéolaire
débi
t sa
ngui
n (%
con
trôl
e)
0
20
40
60
80
100 mécanismes :capteurscorps neuroépithéliaux (?)présents dans les voies aériennessensibles à l’hypoxielibération de sérotonine
muscle lisse vasculaire (?)
effecteurmuscle lisse vasculaire
la vasoconstriction hypoxique
circulation pulmonaireeffets effets àà court termecourt terme
pathologies aigupathologies aiguëës lis liéées es àà ll’’altitudealtitude
mal aigü des montagne (MAM) bénin
oedème localisé de haute altitude (OLHA)
mal aigü des montagnes compliqué :
• oedème pulmonaire de haute altitude (OPHA)
• oedème cérébral de haute latitude (OCHA)
étiologie de l’OPHA
pathologies aigüeseffets effets àà court termecourt terme
« mal des montagnes »
♦ vasocontriction hypoxique
VCH → augmentation de pression
→ passage du liquide sanguin à travers la paroi endothéliale lésée dans les alvéoles pulmonaires.
pathologies aigüeseffets effets àà court termecourt terme
étiologie de l’OPHA
♦ rétention hydrique
l’altitude → augmentation du volume sanguin total, lié à une diminution de la diurèse et une vasocontriction périphérique liée au froid.
→ augmentation du volume circulant intra-pulmonaire → passage du liquide hors des vaisseaux sanguins
♦ lésion de la membrane alvéolo-capillaire
altitude → modifications de la paroi alvéolo-capillaire au niveau de l’endothélium et de l’épithélium.
Les lésions endothéliales : effet direct de l’hypoxie et/ou action de médiateurs de l’inflammation.
les lésions épithéliales : hypoxie → modification des propriétés de réabsorption d’eau de l’espace alvéolaire vers le milieu interstitiel.
réabsorption d’eau : activité de la pompe Na-K-ATPase au pôle basal des pneumocytes de type 2 → activité de la pompe Na-K-ATPase diminuée par l’hypoxie.
pathologies aigüeseffets effets àà court termecourt terme
étiologie de l’OPHA
effet à moyen et long terme : 2-3 jours à 3-4 semaines
stabilisation de l’hyperventilation
stabilisation du pH (modulation de l’élimination des bicarbonates)
0 12 24 36 48 60 7225
30
35
40
45
50
55
60
65
70
temps (heures)
PAO
2,
PACO
2(m
mH
g)
PAO2
PACO2
ventilation et pH sanguineffets effets àà moyen et long termesmoyen et long termes
0 1 2 3 4 5 6 7
conce
ntr
atio
n p
lasm
atiq
ue
temps (jours)
erythropoïétine (EPO)
erythrocytes
hématocrite normal : 40-45 %
après 3-4 semaines d’altitude (3500 m) : 55 – 60 %
érythropoïèse effets effets àà moyen et long termesmoyen et long termes
stimulation de l’érythropoïèse
0 20 40 60 80 100
02468
1012141618202224
PO2 (mmHg)
conce
ntr
atio
n s
anguin
e en
O2
(mL/
100m
L)
1
2
3
concentration sanguine en O2 : 1 : au niveau de la mer ; 2 : après 2 jours à 4000 m ; 3 : après 3 semaines à 4000 m.
concentration sanguine en O2 (ml/ 100 ml) = (1,39 x Hb x (Sat/100)) + 0,003 PO2
érythropoïèse effets effets àà moyen et long termesmoyen et long termes
concentration sanguine en dioxygène
hypertension artérielle pulmonaire
♦ rat normoxique : 20 mm Hg♦ rat hypoxique (15 jours à 5500 m) : 32 mm Hg
effet cardiaque
conditions VD (mg) VGS (mg) n
normoxique 167 ± 7 965 ± 37 8
hypoxiques 309 ± 9 656 ± 24 16
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
VD
/VG
S
0 m 5500 m
VD : ventricule droitVGS : ventricule gauche + septum
→ hypertrophie cardiaque droite
hypertension pulmonaireeffets effets àà moyen et long termesmoyen et long termes
remodelage de la paroi artérielle pulmonaire
conditions surface de muscle lisse par µm de paroi interne (µm2)
nombre de noyaux par unité de surface
(cell. / mm2)
épaisseur de la média
(µm)
normoxique 167 ± 7 965 ± 37 0,22 ± 0,01
hypoxiques 309 ± 9 656 ± 24 0,47 ± 0,02
→ épaississement de la média→ hypertrophie du muscle lisse
hypertension pulmonaireeffets effets àà moyen et long termesmoyen et long termes
5000 m
séjour en altitude
6000 m
8000 m
temps
signes
de
mal
adap
tation
variations temporelles des signes de « maladaptation »
5000 m : limite de la vie permanente possible (espèce humaine)
conclusioneffets effets àà moyen et long termesmoyen et long termes
populations vivant en latitude
Amérique latine : hauts plateaux andins (3500-4000 m)
Asie : hauts plateaux tibétains (3500-4000 m)
Afrique : hauts plateaux ethiopiens (3500 m)
études : en général, populations andines
généralitéspopulations dpopulations d’’altitudealtitude
altitude PB (mm Hg) PaO2 (mm Hg) PaCO2 (mm Hg)
3244 m 520 65 32
3600 m 495 60 30
4000 m 462 52 27
pression atmosphérique (PB), PO2 artérielle (PaO2) et PCO2 artérielle (PaCO2) moyennes à La Paz, en fonction de l’altitude
→ diminution des pressions partielles dans le sang en O2 et en CO2
ventilationpopulations dpopulations d’’altitudealtitude
PO2 et PCO2 dans le sang
40 60 80 100 120 140 16068
1012141618202224
PAO2 (mmHg)
ventila
tion (
L/m
in) natif niveau de la mer
natif altitude (3600 m) (La Paz)natif altitude (3600 m) (La Paz)
avec polyglobulie pathologique
populations andines : ♦ hyperventilation moins marquée que chez les sujets acclimatés ♦ faible réponse ventilatoire à l’hypoxie
ventilationpopulations dpopulations d’’altitudealtitude
réponse au dioxygène réponse ventilatoire à l’hypoxie
80
60
40
20
% p
opula
tion t
ota
le
Andins
0 10 20 30 40
80
60
40
20
débit respiratoire au repos (L/min)
% p
opula
tion t
ota
le
Tibétainsdébit ventilatoire élevé
débit ventilatoire faible
ventilationpopulations dpopulations d’’altitudealtitude
réponse au dioxygène débit ventilatoire
0 10 20 30 40débit respiratoire au repos (L/min)
normal, niveau de la mer :40 à 45 %
normal, habitants de La Paz : jusqu’à 57 %
polyglobulie pathologique (polycythémie) : jusqu’à 80 %
polyglobulie pathologique d’altitude
populations andines : ♦ polyglobulie « normale »♦ + cas de polyglobulie pathologique
érythropoïèsepopulations dpopulations d’’altitudealtitude
hématocrite
Tibétains
% p
opula
tion t
ota
le
concentration d’hémoglobine (g/10 mL)10 15 20 25
30
20
10
0
pas de polycythémie
Andins polycythémie
30
20
10
0% p
opula
tion t
ota
le
érythropoïèsepopulations dpopulations d’’altitudealtitude
concentration en hémoglobine
pas de polycythémieÉthiopiens
filles garçons
niveau de la mer 7,7 ± 2,0 7,1 ± 1,9
La Paz 13,1 ± 2,7 14,2 ± 1,9
diffusion alvéolo-capillaire (DLCO, ml/min/mmHg) corrigées en fonction de la concentration en hémoglobine chez les enfants au niveau de la mer et en altitude (la Paz)
populations andines : augmentation de la diffusion alvéolo-capillaire
diffusion alvéolo-capillairepopulations dpopulations d’’altitudealtitude
0
1
2
3
4
CPT
CV
CRF
VR
a b c d a b c d a b c d a b c d
a, b, c : nés à 3600 md : nés à 420 m
a : 3600 mb : 420 J+1c : 420 m J + 8d : 420 m
volu
me
pulm
onai
re
populations andines : augmentation irréversible des volumes pulmonaires
volume pulmonairepopulations dpopulations d’’altitudealtitude
capacité pulmonaire totale (CPT)capacité vitale (CV) capacité résiduelle fonctionnelle (CRF) volume résiduel (VR) mesurés chez des personnes nées en haute et basse altitude
1. les réponses à court terme2. les réponses à moyen terme3. les réponses des natifs
variables selon les populations
♦ réponses « physiologiques/physiopathologiques » : réversibles (ajustements)
→ analyse fonctionnelle
♦ réponses « développementales » : irréversibles, mais non héréditaires
♦ réponses « génétiques » : héréditaires (adaptations senso strictu)
diffdifféérents types de rrents types de rééponses ponses àà ll’’altitudealtitude
explications :début de réponses génétiques ?variabilités aléatoires ? (effet Sewall Wright)
conclusionpopulations dpopulations d’’altitudealtitude
0 20 40 60 80 100
0
20
40
60
80
100
satu
ration (
%)
PO2mmHg)
vigogne
lama
autres Mammifères
espèces P50 (Torr)
vigogne 17,6
autres espèces 20 – 30
déplacement de la courbe vers la gauche→ captation d’O2 au niveau des poumons
transport de l’O2 dans le sang animaux adaptanimaux adaptéés s àà ll’’altitudealtitude
courbe de saturation de l’hémoglobine
hématocriteLamas : 23-34 %
caractéristiques des hématies
30-35 g/dl39-46 g/dlCHCM**
25-30 pg9-12 pgHCM*
60-80 µm322-29 µm3volume
5-10 10610 – 17 106nombre
circulaireellipsoïdeforme
autres espècesLamacaractéristiques des hématies
*HCM : hémoglobine corpusculaire moyenne : concentration moyenne en hémoglobine par hématie
**CHCM : concentration en hémoglobine corpusculaire moyenne (calculé par rapport à l’hématocrite)
transport de l’O2 dans le sang animaux adaptanimaux adaptéés s àà ll’’altitudealtitude
érythrocytes
déformation des globules rouges
espèces dimension des érythrocytes (en µm)
normal déformés à 590 dyn/cm2
minimum maximum
chèvre 3,3 2,5 5,5
porc 7,0 2,6 12,0
homme 8,0 2,9 16,0
phoque 11,4 3,5 25,0
lama 2,8 x 7,8
chameau 3,5 x 6,8
pas de déformation ; orientation
Camélidés : forme ovoïde ; pas de déformation ; orientation
interprétation ?
transport de l’O2 dans le sang animaux adaptanimaux adaptéés s àà ll’’altitudealtitude
érythrocytes
conditions pression artérielle
systolique/diastolique (moyenne)
haute latitude
(La Raya : 4200 m)
20/9 (14) mmHg
basse altitude
(Londres)
13/6 (10) mmHg
pression artérielle pulmonaire mesurée chez des lamas
pas d’hypertension artérielle pulmonaire hypoxique
circulation pulmonaire animaux adaptanimaux adaptéés s àà ll’’altitudealtitude
pression artérielle pulmonaire
animaux de plaine : altitude → hypertrophie cardiaque droiteanimaux d’altitude : altitude → pas d’hypertrophie cardiaque droite
rapport VGS/VD
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
cobaye lapin chien lama viscacha
VD
/VG
S
basse latitude
haute latitude
rapport du poids du ventricule droit sur le poids du ventricule gauche et du septum (VD/VGS) chez différents animaux de basse et haute altitude.
circulation pulmonaire animaux adaptanimaux adaptéés s àà ll’’altitudealtitude
volumes cardiaques
♦ notion de réponse / d’adaptation / d’ajustement
réponses « physiologiques » (ajustements) : réversibles (court terme/long terme)adaptées/ non adaptées/ hyperexis
réponses « développementales » : irréversibles, mais non héréditaires (long terme)adaptées/ non adaptées/ hyperexis
altitude = conditions altitude = conditions «« non standardnon standard »»
réponses « génétiques » : héréditairesadaptation / histoire évolutiveex : Camélidésvariations aléatoires
limites :contraintes extérieurescontraintes intérieures : « choix adaptatif » préexistant (Oiseaux / Mammifères)
altitude = conditions altitude = conditions «« standardstandard »»
conclusion effet de leffet de l’’altitudealtitude
« The result is that the phenotype is often a patchwork of features that were specifically selected for a particular function (or as the answer to a particular selection pressure) and others are the by-product of the phenotype as a whole and are simply tolerated by selection ».
E. Mayr, The Growth of biological thought
♦ notion de fonction
conclusion effet de leffet de l’’altitudealtitude