La cardiologie de l'extrême - Le cœur dans l'espace

    En apesanteur, ou en microgravité, le corps n’a plus de poids, mais seulement une masse, et flotte librement. La microgravité est identique à la chute libre et ne peut donc pas être simulée correctement sur terre. On peut seulement obtenir de courtes périodes de microgravité de 20 à 30 secondes à bord d’un avion, au cours de vols paraboliques. La vie dans le champ de gravité terrestre a modelé notre organisme pour supporter le poids du corps humain, répondre à des efforts musculaires importants, limiter la stagnation ou le transfert de liquides vers le bas du corps, détecter en permanence l’axe vertical et la position des différents segments du corps. Au cours des vols spatiaux, plusieurs fonctions physiologiques des astronautes sont perturbées ou modifiées (Nicogossian & Parker 1982). À titre d’exemple, on peut citer le système neurosensoriel (les otolithes de l’oreille interne ne sont plus fonctionnels), la redistribution de la masse sanguine, le déconditionnement cardiovasculaire, la déminéralisation osseuse, l’atrophie musculaire, l’irradiation par des rayonnements cosmiques, la réduction des défenses immunitaires, les problèmes psychologiques, etc. L’apparition de ces perturbations dépend de la durée du vol, certaines apparaissant immédiatement au début du vol (mal de l’espace lié aux perturbations neurovestibulaires, redistribution de la masse sanguine), d’autres étant détectables seulement sur les vols de longue durée (perte de calcium osseux).   Microgravité et système cardiovasculaire   La disparition de la pression hydrostatique En microgravité, l’absence de pression hydrostatique entraîne un important changement dans la distribution des fluides et des gradients de pression dans l’organisme. Au sol, le corps humain est en position verticale (assis ou debout) pendant près des deux tiers du temps. Il subit alors l’effet d’un gradient de pression linéaire lié au poids de la colonne sanguine qui augmente la pression et donc le volume sanguin dans le bas du corps et favorise le drainage du sang vers le cœur dans la partie supérieure du corps (figure 1). Sur ce gradient de pression hydrostatique se superpose le gradient de pression veineuse, qui diminue régulièrement de la tête et de l’extrémité des membres vers l’oreillette droite, pour favoriser l’écoulement sanguin. Durant les vols spatiaux, le gradient de pression hydrostatique disparaît. Il ne subsiste plus que le gradient physiologique de pression veineuse qui devient sensiblement symétrique de part et d’autre du cœur et correspond à une nette augmentation de la pression dans la partie haute du corps (qui passe de -10 à +10 mmHg au niveau du cerveau) (Denise et al. 2005) et à une baisse sensible dans la partie inférieure du corps (de + 90 mmHg à seulement +15 mmHg au niveau du pied). Dans ces conditions, un important volume de liquide (du sang et des liquides interstitiels) stocké dans la partie inférieure du corps se déplace vers la tête et le thorax (Bonde-Petersen et al. 1980). Un œdème apparaît progressivement au niveau de la face, du tronc et des membres supérieurs de l’astronaute, accompagné d’une augmentation du volume sanguin dans les cavités cardiaques, le cerveau et le poumon (Kirsch et al. 1984). Pendant la première phase du vol, on estime que ce transfert liquidien correspond à un volume de l’ordre de 1,5 litre, à comparer avec les 600 à 700 ml de transfert de liquide qui accompagne au sol le passage de la position debout à la position couchée. Figure 1. Volume sanguin (à gauche) et pression veineuse (à droite) le long de l’axe du corps, au sol (en bleu trait plein) et en microgravité (en rouge pointillé fin). Le gradient de pression hydrostatique est schématisé par la ligne en pointillé discontinu. Ce gradient de pression disparaît en microgravité, ce qui entraîne une redistribution des liquides vers le haut du corps. Au cours du vol, la perte de volume des membres inférieurs (jambes de poulet) est associée à une réduction de la masse et du volume cardiaques (encart). Ce transfert de liquide en vol stimule les capteurs centraux, essentiellement auriculaires, ce qui provoque une excrétion urinaire et une réduction de la soif, et par conséquent une réduction de la masse sanguine qui se stabilise à un litre environ au-dessous de sa valeur de référence. Les conséquences hémodynamiques de ce transfert liquidien se manifestent par une augmentation transitoire du volume des cavités cardiaques et du débit cardiaque en tout début de l’arrivée en apesanteur, suivie après quelques heures de vol par une diminution de ces paramètres au-dessous des valeurs de base (Bungo 1985). Les jambes de poulet Les muscles dont le rôle est essentiellement antigravitaire ne sont pratiquement plus sollicités en microgravité (puisque le corps ne pèse plus), ce qui conduit assez rapidement à une atrophie musculaire (dont celle du muscle cardiaque). La perte de volume liquidien et la fonte musculaire peuvent faire perdre jusqu’à 30 % de circonférence au niveau du mollet. Sur des vols d’une douzaine de jours, la diminution du volume des membres inférieurs peut atteindre 12 %. Cela se traduit par ce qu’on surnomme « les jambes de poulet » (chicken legs). La perte des réflexes liés aux changements de position et l’adaptation à la microgravité En microgravité, les changements de position ne s’accompagnent plus de transfert liquidien et de variation des pressions de sorte qu’il n’y a plus de stimulation des réflexes vasomoteurs nécessaires au contrôle du volume sanguin et des débits à l’intérieur du corps, en particulier dans la partie inférieure du corps et les membres inférieurs. En l’absence de contre-mesures, ces phénomènes conduisent à une nouvelle adaptation du système cardiovasculaire à son environnement (la microgravité). Cette adaptation est dangereuse, car elle représente en fait un déconditionnement cardiaque et vasculaire qui peut être sévère en cas de retour rapide en gravité normale. En pratique, l’intolérance à l’orthostatisme et la réduction des capacités à réaliser des exercices physiques sont observées fréquemment chez les astronautes durant les premiers jours de récupération après des vols de courte durée. Les contre-mesures Durant les vols de longue durée, plusieurs contre-mesures sont mises en œuvres pour limiter le déconditionnement cardiovasculaire (et la déminéralisation osseuse). Les plus utilisés sont : - l’exercice sur tapis roulant, bicyclette ergométrique ou avec extenseurs, - le port de vêtements spéciaux, tels que le système « Pingouin » muni de sandows contre lesquels luttent les muscles extenseurs, ou le pantalon à dépression « Chibis » (figure 2) qui réalise une dépression sur la partie inférieure du corps (lower body negative pressure, LBNP), - la recharge hydrique avec comprimés de sel immédiatement avant le retour au sol. Figure 2. Vue de l’appareil d’échographie Doppler As de cœur (en bas à gauche), utilisé à bord de la station MIR de 1988 à 1999 (photo CNES). L’astronaute porte le pantalon à dépression qui permet de stimuler les réflexes destinés à lutter contre l’hypotension orthostatique au retour au sol. La mise en œuvre obligatoire des contre-mesures chez les astronautes, pour des raisons de sécurité, au cours des vols habités de moyenne et longue durées entraîne une limitation de la durée des études de physiologie spatiale. Celles-ci ne peuvent en effet avoir lieu que sur des vols de courte durée, inférieure à une dizaine de jours. Au-delà d’une dizaine de jours, on passe à la médecine spatiale dont le but est de lutter contre les perturbations du système cardiovasculaire et de l’organisme en général au cours des vols de moyenne et longue durées. On utilise alors les outils d’étude de l’adaptation du système cardiovasculaire (réponse à l’effort, pression négative de la partie inférieure du corps LBNP) pour vérifier que le fonctionnement du cœur, des vaisseaux et des muscles est maintenu à un niveau de performances suffisant pour permettre un retour au sol dans de bonnes conditions. Des difficultés supplémentaires pour le recueil de données en vol sont liées à la dispersion des réponses individuelles des astronautes et aux variations éventuelles des conditions de pression, température et hygrométrie dans le véhicule habité (navette, stations Saliout, station MIR, station internationale). Modélisation Plusieurs modèles de régulation neurohormonale du système cardiovasculaire des astronautes ont été proposés (White et al. 1982) sur la base d’études au sol comme l’immersion dans l’eau de plusieurs heures, la position anti-orthostatique (bed rest) avec le corps incliné tête en bas à – 6° pour des périodes d’une semaine à plusieurs mois (Blomqvist et al. 1980), les séances de LBNP, les séances de LBPP (pression positive au niveau des jambes), la surcharge hydrique, etc. Aucune de ces études n’a permis de simuler complètement l’amplitude et la dynamique des perturbations observées chez les astronautes, et de nombreuses études de simulation au sol par bed rest de longue durée continuent à être réalisées à travers le monde.   L’échographie-Doppler en microgravité   Les appareils Pour étudier en détail les modifications du système cardiovasculaire en microgravité, dès le début des années 1980, il a été nécessaire de développer des appareils spécifiques d’échocardiographie Doppler qui respectent les contraintes spatiales (sécurité, poids, encombrement, consommation électrique, ergonomie). Un premier appareil développé en collaboration entre le CNES, Matra espace et le laboratoire de Biophysique de l’Université de Tours, a été utilisé dans l’espace à 3 occasions : - en 1982, lors du vol franco-soviétique de 7 jours à bord de la station Saliout 7 avec le spationaute français Jean-Loup Chrétien (première mondiale, Pourcelot et al. 1984) ; - en 1984, durant un vol record du monde de 237 jours réalisé par trois cosmonautes (dont Oleg Atkov, cardiologue), à bord de Saliout 7 ; - en 1985, à bord de la navette spatiale américaine durant un vol international avec l’astronaute français Patrick Baudry. Un second appareil appelé As de Cœur (figure 2) a été lancé en 1988 vers la station MIR soviétique puis russe, où il est resté en activité jusqu’à l’arrêt de la station en 1999. Enfin, plusieurs systèmes Doppler miniaturisés ont été mis au point et lancés pour tester les possibilités de suivi en temps réel des flux sanguins simultanément aux niveaux aortique, fémoral, carotidien et cérébral, en parallèle avec la pression artérielle, et ceci au cours des phases de lancement et de retour au sol (Arbeille, 2003), ainsi que lors d’épreuves dynamiques à bord de la station orbitale ou de la navette spatiale. Les astronautes sont entraînés avant le vol à l’utilisation sur eux-mêmes des différentes sondes de l’appareil et à réaliser les coupes, les enregistrements TM et les acquisitions Doppler. Des mesures au sol sont en général réalisées un mois et quelques jours avant le vol spatial. Les données d’après vol sont collectées dès que possible au retour au sol puis plusieurs fois pendant la phase de récupération, dont la durée s’allonge avec la durée du vol. Figure 3. Pourcentages de variation des paramètres cardiovasculaires, au cours du vol et lors de la période de récupération, étudiés sur des astronautes différents ayant participé à des vols de 7 jours (à gauche, 3 astronautes), 28 jours (au milieu, 1 astronaute) et 237 jours (à droite, 3 astronautes). Les deux barres verticales indiquent le début du vol et le retour au sol. (Cardiac Ultrasound, 1993). Les mesures réalisées Les paramètres cardiovasculaires étudiés sont nombreux (Colin, Comet, 1990) ; on peut citer : dimensions et fonction du cœur gauche, volumes ventriculaires systoliques et diastoliques, volume et fraction d’éjection, rythme cardiaque, vitesse circulatoire ou débit (carotides, artères cérébrales, artères rénales, veines fémorales, jugulaires, sus-hépatiques), dimension et compliance des artères et des veines, pression artérielle, réponse cardiovasculaire au LBNP, etc. Les résultats essentiels Les principaux résultats observés sont résumés ci-dessous (Pourcelot, 1993). Ils sont assez similaires pour les vols de courte et moyenne durées, de moins d’un mois : - une augmentation du rythme cardiaque de 10 à 30 %, - une augmentation transitoire du volume télédiastolique ventriculaire gauche pendant les premières heures du vol spatial, suivie d’une chute au-dessous des valeurs de références pendant le reste du vol, - une baisse du volume d’éjection et de la fraction d’éjection, - une baisse des résistances circulatoires rénale et cérébrale, - la phase de récupération est relativement courte et ne dure que quelques jours pour la majorité des paramètres étudiés (Pottier et al. 1988). Pendant les vols de longue durée de plusieurs mois, les contre-mesures sont systématiquement utilisées par les astronautes pour prévenir les changements critiques de masse musculaire, de volume sanguin et de déconditionnement vasculaire. On observe dans ce cas des variations individuelles plus marquées par comparaison avec les résultats des vols de courte durée, en fonction de la durée et de l’intensité des contre-mesures appliquées à chaque individu, mais également de la réponse individuelle pour un niveau donné de contre-mesure. En général, le volume télédiastolique du ventricule gauche reste en vol à une valeur inférieure à celle observée avant le vol. De plus, il est nécessaire d’attendre plus d’un mois après le retour au sol pour voir se normaliser les paramètres cardiovasculaires (Arbeille et al. 1989). Après le vol, plusieurs tests sont utilisés pour évaluer le degré de déconditionnement cardiovasculaire. Ils montrent un pourcentage élevé d’astronautes présentant une intolérance orthostatique pendant les premiers jours de récupération. Cette intolérance est mise en évidence par l’épreuve du LBNP ou par des tests simples comme la table basculante ou le passage rapide de la position accroupie à la position debout. La condition physique des astronautes est également perturbée avec une baisse sensible de l’aptitude à l’exercice même après des vols de quelques jours.   En pratique   Grâce au développement des techniques ultrasonores, il a été possible depuis plus de 25 ans d’étudier les mécanismes d’adaptation cardiovasculaire de l’homme à la microgravité, puis sa réadaptation à la gravité terrestre. On a pu ainsi passer rapidement de la physiologie spatiale à la médecine spatiale et permettre à des astronautes de séjourner plus d’un an dans l’espace, avec des conditions de retour beaucoup plus satisfaisantes que sur les vols Apollo par exemple. Les mesures effectuées en vol ont permis de fournir aux physiologistes certaines données, impossibles à obtenir au sol, pour la modélisation de la régulation du système cardiovasculaire en apesanteur. Ces techniques ultrasonores et les données recueillies également par d’autres méthodes permettront de préparer les missions habitées de très longue durée.