Chapitre 2 : Modèle d’étude/techniques expérimentales
2.2. Boucles pression-volume dans l’étude de fonction cardiaque suivant l’I/R du
La pompe cardiaque permet de fournir au système circulatoire un débit d’oxygène et de nutriments adaptés aux besoins de l’organisme (La Gerche et al., 2010). Le débit cardiaque (cardiac output, CO), soit le volume de sang pompé par unité de temps, relève de l’interaction entre le cœur (contractilité) et les systèmes veineux (précharge) et artériel (postcharge). La précharge est définie comme étant l’étirement passif appliqué sur le myocarde avant l’initiation de sa contraction active et est associée au volume en fin de diastole. La postcharge représente le stress que subit le myocarde lors de la contraction ou représente la force qui s’oppose à l’éjection du sang hors du ventricule. L’augmentation de la précharge, soit l’augmentation du retour veineux au cœur, fait augmenter le CO. Ce phénomène est expliqué par la loi de Frank-Starling qui illustre la relation entre l’étirement des fibres musculaires et leur performance contractile (relation force–longueur) (Fuchs et al., 1996; Irving et al., 2000). Une fibre musculaire étirée permet une conformation des éléments du sarcomère (unité contractile du cardiomyocyte) qui facilite les interactions actine–myosine. L’augmentation de
la formation des ponts d’actine–myosine cause l’augmentation de l’élastance (rigidité) et de la force de contraction du ventricule. La capacité contractile du ventricule se doit d’être évaluée indépendamment des conditions de charge (Steendijk 2004). La relation des paramètres volume et pression, l’un par rapport à l’autre, révèle des mesures de la performance cardiaque indépendantes des conditions de charge.
L’estimation de la performance cardiaque peut s’effectuer par l’analyse de la relation pression-volume (PV) lors de conditions basales ou de variation de la charge ventriculaire (Klabunde 2011). Nous avons choisi cette analyse dans nos travaux afin de documenter les effets des traitements pharmacologiques sur le recouvrement fonctionnel précoce du cœur suivant l’I/R. L’insertion d’un cathéter de conductance, dans l’axe longitudinale du ventricule gauche (VG), permet de mesurer la pression et le volume ventriculaire gauche à tout instant du cycle cardiaque (Pacher et al., 2008). À l’aide de ces données, le diagramme PV ventriculaire gauche est établi par l’apposition des courbes élémentaires de pression (axe des ordonnées) et de volume (axe des abcisses).
Les volumes sanguins à l’intérieur de la cavité du VG sont dérivés du signal en temps réel du cathéter de conductance (Pacher et al., 2008). En effet, la conductance électrique du sang est proportionnelle au volume sanguin. Le cathéter de conductance est muni d’électrodes externes (E1 et E4) qui génèrent un champ électrique entre elles. Ce champ électrique passe à travers le sang et la paroi musculaire de la cavité du VG. Il diminue en fonction du carré de la distance de ses deux électrodes génératrices de courant. La conductance est captée par les électrodes internes (E2 et E3). La différence de potentiel entre ces électrodes est inversément proportionnelle à la quantité de matériel conducteur à ce site. Grâce à la différence de résistivité du sang et du muscle, il est possible de mesurer le changement du volume sanguin intraventriculaire au cours du cycle cardiaque. Finalement, le cathéter est muni d’un capteur de pression situé au milieu des électrodes, ce qui permet la mesure simultanée de la pression intraventriculaire au cours du cycle cardiaque.
Schématiquement, la boucle PV d’un cycle cardiaque complet est divisée en quatre phases : (1) diastole/phase de remplissage ventriculaire; (2) systole/phase de contraction isovolumétrique; (3) systole/phase d’éjection; (4) diastole/phase de relaxation isovolumétrique (Figure 20) (Steendijk 2004). Les quatre angles de la boucle correspondent aux changements de configuration des valves cardiaques. L’angle inférieur droit de la boucle représente la fermeture de la valve mitrale (FVM) et la fin du remplissage ventriculaire (phase 1). Ce point détermine la pression télédiastolique (end diastolic pressure, Ped)) ainsi que le volume télédiastolique (VTD ou end diastolic volume, Ved). C’est le début de la contraction isovolumétrique (phase 2) où la pression augmente et le volume demeure le même (segment vertical à droite). Cette phase ainsi que la suivante sont caractérisées par l’augmentation de l’élastance du VG. L’angle supérieur droit de la boucle représente l’ouverture de la valve aortique (OVA) et le début de l’éjection (phase 3). Le volume du VG diminue simultanément avec la légère augmentation de la pression jusqu’à son niveau maximal (pression télésystolique (end systolic pressure, Pes)), après quoi le début de la relaxation ventriculaire cause une chute de pression. L’angle supérieur gauche correspond à la fermeture de la valve aortique (FVA). Le volume du VG à cet instant correspond au volume télésystolique (VTS ou end systolic volume, Ves). C’est le début de la relaxation isovolumétrique (phase 4) où la pression diminue et le volume demeure le même (segment vertical à gauche). Cette phase est caractérisée par la diminution de l’élastance du VG. L’angle inférieur gauche coïncide avec l’ouverture de la valve mitrale (OVM). À cet instant, le VG n’a pas encore atteint son niveau de relaxation maximal. La phase de remplissage ventriculaire débute (phase 1). Une fois que le muscle est complètement relaxé, la pression du VG augmente de façon concomitante à l’augmentation du volume.
La représentation graphique de la relation instantanée entre la pression et le volume intraventriculaire au cours d’un cycle cardiaque permet de dériver les paramètres de la performance cardiaque qui sont décrits plus bas (Klabunde 2011). La boucle PV de la Figure 20-a représente la condition d’équilibre ou « steady-state ». La largeur de la boucle représente le volume d’éjection systolique (stroke volume, SV) soit la différence entre le VTD et le VTS. De ses valeurs, il est possible d’obtenir l’indice éjectionnel appelé fraction d’éjection (ejection
Figure 20. Schémas de boucles pression-volume intraventriculaires de souris
Schémas représentant : (a) les phases cardiaques synchronisées à l’ouverture/fermeture des valves cardiaques; (b) les différentes boucles PV générées lors de la réduction de la précharge, par l’occlusion temporaire de la veine cave inférieure, afin d’obtenir la fonction systolique et diastolique cardiaque. Figure modifiée et traduite de Steendijk (2004). FVA, fermeture de la valve aortique; FVM, fermeture de la valve mitrale; OVA, l’ouverture de la valve aortique; OVM, ouverture de la valve mitrale; EDPVR, relation pression-volume diastolique (end- diastolic pressure-volume relationship); ESPVR, relation pression-volume systolique (end- systolic pressure-volume relationship); Ped, pression télédiastolique (end diastolic pressure); Pes, pression télésystolique (end systolic pressure); SV, volume d’éjection systolique (stroke volume); SW, travail systolique (stroke work); VTD, volume télédiastolique; VTS, volume télésystolique.
fraction, EF) par la division du SV par le VTD. La fréquence cardiaque (heart rate, HR) multipliée par le SV correspond au CO. La région à l’intérieur de la boucle représente le travail systolique (stroke work, SW) qui peut être obtenu par la multiplication du SV et de la pression artérielle moyenne. Les paramètres Pes, VTS, la dérivée de pression par rapport au temps (dP/dt)max et SW, tous dérivés de la boucle PV, permettent de caractériser la fonction
Éjection Ped Remplissage FVM OVM FVA OVA Volume Pr ession Volume Pr ession Con tr ac tio n iso volumétrique Relaxa tion iso volumétrique EDPVR ESPVR SV Pes a b VTD VTS SW Fin systole Fin diastole occlusion veine cave contractilité rigidité
systolique du VG (Steendijk 2004). Par ailleurs, les paramètres dont la Ped, le VTD, la dP/dtmin et la constante de temps pour la relaxation (tau, τ) permettent de décrire la fonction diastolique du VG. L’ensemble de ces paramètres rend compte de la performance cardiaque de manière dépendante à la charge imposée au ventricule.
D’autres caractéristiques fonctionnelles du cœur peuvent être extrapolées au moyen de relations entre la pression et le volume lors de la variation de la charge imposée au cœur (Steendijk 2004). L’occlusion transitoire de la veine cave inférieure permet d’établir la relation pression-volume systolique (end-systolic pressure-volume relationship, ESPVR) et la relation pression-volume diastolique (end-diastolic pressure-volume relationship, EDPVR) (Pacher et al., 2008). Cette technique cause la réduction de la précharge du VG (diminution du retour veineux au cœur) et provoque un déplacement vers la gauche de la boucle PV (Figure 20-b). Les relations ESPVR et EDPVR définissent les limites des boucles PV pour l’état contractile du VG (Steendijk 2004). Or, les valeurs de la pression et du volume télésystolique et télédiastolique des différentes boucles obtenues par la variation de la charge imposée au cœur coïncident toujours avec les droites ESPVR et EDPVR, respectivement. Pour cette raison, ESPVR et EDPVR sont des indices de la performance contractile cardiaque indépendantes des conditions de charge imposée au ventricule. Le paramètre ESPVR décrit la contractilité ou inotropisme du VG, soit la capacité intrinsèque du myocarde à se contracter. La relation obtenue en fin de systole, entre la pression et le volume du VG, est linéaire. La pente ou l’élastance télésystolique (Ees) de la relation ESPVR est obtenue en reliant les angles supérieurs gauches des différentes boucles PV générées lors de la réduction de la précharge. Plus la pente de cette relation est abrupte, plus la contractilité du cœur est augmentée pour un volume déterminé. Le volume mort (V0) correspond au volume lorsque la pression est de zéro (Blaudszun et al., 2011). Cette valeur est interprétée comme étant le volume minimal requis pour qu’une pression puisse se développer dans le ventricule. Le paramètre EDPVR représente l’élastance ou la rigidité du ventricule (Steendijk 2004). C’est une relation non-linéaire entre la pression et le volume du VG à la fin de la période de remplissage. La pente de la relation est faible à des pressions intraventriculaires basses, alors que la relation devient exponentielle au- delà des pressions normales. La compliance ventriculaire (∆V/∆P) est définie comme étant la
capacité du VG à modifier son volume pour une variation donnée de pression. La réciproque de la pente EDPVR correspond à la compliance. Plus la pente de cette relation est faible plus la compliance est augmentée. Finalement, la réserve de travail systolique (Preload recruitable stroke work, PRSW) est un autre index de contractilité du VG. Le PRSW représente le degré d’augmentation possible du travail systolique en fonction du VTD.
L’utilisation des boucles PV pour l’évaluation de la performance ventriculaire permet de dériver des paramètres fonctionnels du cœur de manière dépendante et indépendante des conditions de charges imposées au cœur (Steendijk 2004). De plus, l’interaction entre le cœur et la vasculature peut être déterminée (Kelly et al., 1992; Sunagawa et al., 1985). L’élastance artérielle (Ea) est une mesure de la postcharge du VG et est décrit par la pente de la relation entre le SV et le Pes. Afin d’obtenir cette relation, une droite est tracée de l’intersection de la Pes à l’intersection de la VTD. Ce paramètre est dépendant de la résistance périphérique totale (total peripheral resistance, TPR). La TPR est la somme de la résistance émise par le système vasculaire et peut être calculée par le rapport de la Pes sur le CO (Chang et al., 2001).
À l’aide du cathéter à conductance et de l’analyse de la relation PV, nous avons investigué les effets de traitements pharmacologiques sur la performance cardiaque ainsi que le recouvrement fonctionnel précoce du cœur de nos de souris ayant subi l’I/R du myocarde.