Le parcours de l’oxygène au cours de l’exercice incrémental

Revue des Maladies Respiratoires (2012) 29, 1224—1237

Disponible en ligne sur

www.sciencedirect.com

SÉRIE « EXPLORATION FONCTIONNELLE À L’EXERCICE » Coordonnée par B. Aguilaniu, B. Wallaert

Le parcours de l’oxygène au cours de l’exercice incrémental Widening of the alveolar-arterial oxygen gradient during incremental exercise B. Aguilaniu a,∗,b, F. Péronnet c a

HYLAB, 14, rue Jean-Bocq, 38000 Grenoble, France Department of Physical Education, McGill University, Montréal, Canada c Département de kinésiologie, université de Montréal, Montréal, Canada b

Rec ¸u le 4 mars 2012 ; accepté le 14 mai 2012 Disponible sur Internet le 13 novembre 2012

MOTS CLÉS Diagnostic ; Diffusion pulmonaire ; Exercise ; Gaz du sang ; Volume capillaire pulmonaire

KEYWORDS Diagnosis; Pulmonary diffusion; Exercise; Blood gases;

∗

Résumé L’élargissement excessif du gradient alvéolo-artériel en O2 relativement à l’âge du sujet et à la consommation en oxygène est le plus fin signal d’une perturbation des échanges gazeux pulmonaires, qu’elle prédomine sur le versant ventilatoire, interstitiel ou circulatoire. Au cours de l’exercice incrémental, les mesures simultanées de la puissance métabolique, de la ventilation et de l’espace mort orientent le diagnostic étiologique sans toutefois permettre d’affirmer la nature de la déficience causale. La cinétique de P(Ai-a)O2 permet d’orienter le diagnostic étiologique et de confronter les hypothèses mécanistiques aux informations morphologiques ou fonctionnelles complémentaires (TDM, échographie, Dlco, etc.) liées au contexte clinique. Ce texte a pour but de rappeler la physiologie du parcours de l’oxygène de l’air alvéolaire jusqu’au sang capillaire pulmonaire au cours de l’exercice incrémental en insistant sur le rôle déterminant en pathologie de la dimension des capacités (diffusionnelle, capillaire pulmonaire) face à la consommation d’oxygène et aux réponses fonctionnelles (ventilation alvéolaire, débit cardiaque). © 2012 Publi´ e par Elsevier Masson SAS pour la SPLF.

Summary Excessive widening of the alveolar-arterial gradient for oxygen, with respect to the subject’s age and oxygen uptake, is the most sensitive signal of a disturbance in pulmonary gas exchange, whether it is due to ventilation, circulation or diffusion. During incremental exercise, simultaneous measurements of metabolic power, ventilation and dead space may suggest a possible aetiological diagnosis without confirming the causal nature of the impairment. The magnitude and the kinetic of P(Ai-a)O2 can suggest explanations of the mechanisms involved

Auteur correspondant. Adresse e-mail : [email protected] (B. Aguilaniu).

0761-8425/$ — see front matter © 2012 Publi´ e par Elsevier Masson SAS pour la SPLF. http://dx.doi.org/10.1016/j.rmr.2012.05.018

Le parcours de l’oxygène alvéolaire au cours de l’exercice incrémental

Pulmonary capillary blood volume

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and lead to complementary functional or morphological investigations (CT, ultrasound, DLCO, etc.) in relation to the clinical setting. The purpose of this text is to review the physiology of the pathway of oxygen from the alveolar air to pulmonary capillary blood during incremental exercise, with emphasis on the predominant role of the dimensions of diffusion and pulmonary capillary capacity in relation to oxygen uptake and the functional responses (alveolar ventilation and cardiac output). © 2012 Published by Elsevier Masson SAS on behalf of SPLF.

Introduction Une des questions essentielles posées à l’EFX incrémentale est de détecter une déficience de l’hématose ou d’évaluer son évolution dans le cas de pathologies respiratoires chroniques. C’est l’efficacité du transfert de l’oxygène du gaz alvéolaire au sang artériel qui est le plus fin signal d’une perturbation du système respiratoire, qu’elle prédomine sur le versant ventilatoire ou circulatoire. En effet, le transfert du CO2 permet seulement de détecter les situations d’hypoventilation alvéolaire qui se traduisent par une augmentation ou une stabilité de PaCO2 alors que la ventilation externe augmente progressivement (Tableau 1). Ce texte a pour but de décrire les différentes étapes du parcours de l’oxygène, de l’air vers le sang, lorsque la demande en oxygène augmente au cours de l’exercice. Dans cette situation, l’hyperventilation, en augmentant PAO2 , peut maintenir PaO2 à une valeur proche de la valeur de repos masquant parfois la présence d’un désordre d’une ou plusieurs étapes de la diffusion de l’oxygène. Dans une perspective diagnostique, il est important de détecter ce trouble de diffusion puis de tenter par le raisonnement d’en situer l’origine principale. Ce raisonnement sera présenté dans le chapitre « Interprétation », et nous détaillerons seulement dans ce texte les mécanismes du transfert de l’oxygène pour orienter le clinicien vers les pathologies susceptibles de les perturber. Enfin rappelons que la mesure transcutanée de la saturation de l’hémoglobine, dont la précision au cours de l’exercice est d’environ 3 %, permet seulement de détecter la présence d’une pathologie respiratoire déjà avancée compte tenu de la forme de la courbe de dissociation de l’hémoglobine (Fig. 1). En effet au cours de l’exercice, une diminution de PaO2 de l’ordre de 25 à 30 mmHg se traduit par une baisse de SaO2 de 3 %, rendant la mesure transcutanée de la saturation en oxygène inopérante pour détecter un trouble de l’hématose qui n’entraînerait pas d’hypoxémie sévère. • Il peut exister un trouble de diffusion malgré une PaO2 pratiquement normale. • La mesure transcutanée de la saturation de l’hémoglobine ne permet de détecter une pathologie respiratoire qu’à un stade avancé.

par une succession de gradients de pression qui constitue la force motrice de l’oxygène. Des mécanismes de convection s’intercalent entre ces différents gradients disposés en série. La convection ventilatoire est l’étape initiale de ce parcours, relayée par la convection circulatoire (Fig. 2). Le passage alvéolocapillaire, à l’interface de ces deux systèmes, est la première étape de diffusion, essentiellement passive puisqu’il n’existe pas de transport actif de l’oxygène. Les autres étapes de diffusion, dites périphériques, sont tissulaires, cytosoliques et mitochondriales. Dans son ensemble, cette cascade de gradients de pression s’échelonne d’une valeur de 159 mmHg (dans l’air atmosphérique) à moins de 0,01 mmHg au niveau des crêtes mitochondriales, où l’oxygène exerce finalement son rôle d’accepteur des électrons. L’exercice musculaire, en augmentant jusqu’à 20 fois le besoin en oxygène, sollicite intensément les structures qui concourent à la convection ventilatoire et circulatoire. En revanche, il n’influence pas le gradient global de pression de 159 mmHg, mais, en modifiant la composition gazeuse du sang, il favorise la vitesse de diffusion de chacun des gaz aux deux extrémités du système circulatoire, alvéolocapillaire, d’une part, et tissulaire, d’autre part (Fig. 3). L’équilibre des pressions, autour de 760 mmHg, est maintenu entre l’air atmosphérique, le gaz alvéolaire et le sang capillaire pulmonaire puis artériel alors que la pression gazeuse veineuse globale, autour de 706 mmHg, reflète la compensation incomplète de la baisse de la pression d’oxygène au niveau des tissus par l’augmentation de la pression de dioxyde de carbone (Fig. 3). Seul l’azote, gaz neutre ne participant à aucune activité métabolique, demeure à une pression partielle constante de 573 mmHg. • Le passage alvéolocapillaire, à l’interface des systèmes respiratoire et circulatoire, entièrement passif, est la première étape de la diffusion. • De l’air atmosphérique aux crêtes mitochondriales, le gradient de pression va de 159 mmHg à moins de 0,01 mmHg. • L’exercice n’influence pas le gradient global de pression mais augmente la vitesse de diffusion.

Gaz alvéolaire Gradient de pression partielle de l’oxygène

Renouvellement du gaz alvéolaire

Le parcours de l’oxygène moléculaire de l’air atmosphérique aux crêtes mitochondriales est essentiellement régi

Au cours du cycle respiratoire, la composition du gaz alvéolaire change peu au repos (Fig. 3). En effet, le

Flux d’air

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B. Aguilaniu, F. Péronnet

Figure 1. Saturation de l’hémoglobine en fonction de la PO2 , du pH, de la PCO2 et de la température. De haut en bas, le pH passe de 7,4 à 7,25 par pas de 0,05 unités pH, la PCO2 passe de 40 à 25 mmHg par pas de 5 mmHg et la température passe de 37 à 38,5 ◦ C par pas de 0,5 ◦ C, pour mimer le déplacement de la courbe de dissociation de l’hémoglobine dans le sang artériel du repos à l’exercice très intense.

Figure 2. Schéma montrant l’alternance des étapes de convection et de diffusion de l’oxygène de l’air atmosphérique aux tissus. Le débit d’oxygène (VO2 ) peut être exprimé à chacune de ces étapes par des équations concernant la convection circulatoire et ventilatoire [cf. articles Cardio-circulatoire (H. Perrault & R. Richard) et Ventilation (F. Péronnet & B. Aguilaniu) de cette série]. En ce qui concerne la diffusion pulmonaire, on voit que le VO2 est dimensionné par le gradient de pression partielle de l’oxygène entre le gaz alvéolaire et le sang veineux capillaire et par la capacité de transfert de l’interface alvéolocapillaire pour l’oxygène.

volume d’air inhalé (environ 500 mL) est dilué dans la capacité résiduelle fonctionnelle dont le volume est environ huit fois plus important (environ 4 L). En revanche, au cours de l’exercice, la composition du gaz alvéolaire subit des variations beaucoup plus importantes. Ces

variations sont la conséquence de la modification du mode ventilatoire : le volume courant augmente (environ quatre à sept fois) et la capacité résiduelle fonctionnelle diminue. Par ailleurs la modification de la composition gazeuse veineuse (PvO2 et PvCO2 ) au contact de l’alvéole

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Figure 4. À gauche : à la sortie des voies aériennes, le gaz alvéolaire a une composition uniforme grâce à la rapidité de la diffusion des gaz. À droite : une unité pulmonaire présentant une dilatation pathologique des voies aériennes périphériques est figurée. Il n’y a pas d’uniformité de la composition de l’air de l’unité pulmonaire car la distance dévolue à la diffusion intra-acinaire (ou intra-alvéolaire) est augmentée (In: Ventilation-perfusion, J.B. West, Arnette, 1991).

Figure 3. Valeurs, observées au repos, des pressions partielles des gaz dans l’air atmosphérique, le gaz alvéolaire et le sang. Par simplification, on considère que l’air atmosphérique est sec ; la pression barométrique est fixée dans cet exemple à 760 mmHg. Les pressions partielles veineuses en O2 et en CO2 varient notablement en fonction des activités métaboliques des différents organes ; dans cette figure, le rein et le muscle sont représentés (In: Textbook of Work Physiology, P.O. Astrand, K. Rodahl, McGraw-Hill, 1986).

participe aussi aux variations de la composition du gaz alvéolaire.

Diffusion moléculaire intra-acinaire La distribution de l’air jusqu’au niveau des bronchioles respiratoires du 16e au 18e ordre, est principalement sous l’influence du débit aérien inspiratoire. Au-delà, le trajet terminal du gaz alvéolaire jusqu’au contact de la membrane alvéolaire est essentiellement dû à un processus de diffusion moléculaire. La répartition uniforme des molécules gazeuses favorise ainsi l’étape de diffusion proprement dite. En cas de modification de l’architecture bronchioloalvéolaire (Fig. 4), la distance dévolue à la diffusion est augmentée. Cela perturbe donc l’homogénéité gazeuse et en conséquence le passage alvéolocapillaire ultérieur. Une altération périphérique de la distribution de la ventilation peut donc limiter par l’amont le processus de diffusion alvéolocapillaire, notamment au cours de l’exercice. Au repos, la stratification de la PAO2 intra-acinaire n’excède pas, au sein d’un poumon strictement normal, 1 mmHg au niveau des 23 000 acini, compte tenu des valeurs moyennes du volume et du rayon de chaque acinus (respectivement 0,16 cm3 et 0,34 cm) [1]. Seule une importante hétérogé-

néité intra-acinaire du débit sanguin peut donc produire un gradient alvéolocapillaire intra-acinaire. Au cours de l’exercice, certains auteurs ont suggéré que la capacité de diffusion intra-acinaire pouvait être dépassée, lorsque le VO2 est très élevé, et ainsi faire apparaître un gradient en oxygène intra-acinaire. Ce phénomène a été documenté chez plusieurs espèces animales et notamment chez le cheval au cours d’un exercice prolongé d’intensité modérée [2]. Dans cette étude, les auteurs ont étudié les échanges gazeux pulmonaires chez six chevaux au cours d’un exercice prolongé (28—39 minutes) à un niveau sous-maximal (60 % VO2 max). Ils montrent, par l’utilisation de gaz inertes de poids moléculaires différents, une mixique intrarégionale incomplète conduisant à une altération de la diffusion intraacinaire des gaz. Ce phénomène était cependant insuffisant pour altérer la diffusion pulmonaire et entraîner un élargissement du gradient alvéolo-artériel en oxygène. Si ce phénomène ne semble pas significatif chez l’Homme sain, il est probable qu’il le devienne chez les sujets atteints de pathologies pulmonaires altérant la morphologie bronchioloalvéolaire (bronchiolite constrictive avec ou sans fibrose interstitielle).

Composition du gaz alvéolaire La pression partielle moyenne (ou idéale) du gaz alvéolaire (PAiO2 ) est calculée par l’équation [3] : PAiO2 = PiO2 − (PaCO2 /RER) où PiO2 = FiO2 × (PB − 47). Cette équation indique que le PAiO2 dépend à la fois de la PiO2 (exemple : effet de l’altitude), de la PaCO2 et du RER (∼0,8 au repos, > 1,15 à l’exercice maximal). Tous trois

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peuvent influencer la valeur de PAiO2 qui est le « moteur » de la diffusion de l’oxygène vers le sang. Au repos, la PAiO2 est voisine de 100 mmHg. En effet, pour une valeur de la PaCO2 à 39,7 mmHg, du RER à 0,85, et pour une FIO2 de 0,2093 et une pression barométrique de 760 mmHg : PAiO2 = [0,2093 (760 − 47)] − (39,7/0,8) = 100 mmHg La PAiO2 varie très peu du repos au premier seuil ventilatoire (SV1 ). L’augmentation habituellement observée d’environ ∼ 8 mmHg est due essentiellement à la hausse du RER, qui passe de 0,8 à ∼1,0 car les glucides deviennent le principal substrat énergétique. Dans l’équation ci-dessus, toutes choses étant égales par ailleurs, cette hausse du RER se traduirait arithmétiquement par une élévation de la PAiO2 à 110 mmHg mais en raison de l’augmentation légère de PaCO2 , la valeur serait de : PAiO2 = [0,2093 (760 − 47)] − (43/1) ∼ 106 mmHg Au-delà du SV1 , l’hyperventilation apporte un flot d’air frais aux alvéoles, si bien que la PAiO2 s’élève de fac ¸on importante : la composition du gaz alvéolaire se rapproche de celle de l’air. À la Pmax et au VO2 max, la PAiO2 peut être observée au-dessus de 120 mmHg. Par exemple, pour une PACO2 = 32,5 mmHg et un RER = 1,25, l’équation du gaz alvéolaire indique que la PAiO2 est de : PAiO2 = [0,2093 (760 − 47)] − (32,5/1,25) = 124 mmHg • La composition du gaz alvéolaire change peu au repos mais beaucoup au cours de l’exercice. • Une altération périphérique de la distribution de la ventilation peut limiter par l’amont la diffusion alvéolocapillaire. • Au cours d’une hyperventilation, la PAiO2 s’élève de fac ¸on importante et la composition du gaz alvéolaire se rapproche de celle de l’air.

Diffusion pulmonaire de l’oxygène La diffusion pulmonaire de l’O2 est régie par un ensemble de mécanismes (homogénéité VA/Q et transfert alvéolocapillaire) qu’il est difficile de dissocier conceptuellement et méthodologiquement (Fig. 5). Le terme de diffusion pulmonaire sous-entend le processus physique de diffusion de l’O2 à travers la membrane alvéolocapillaire, du versant aérien au versant circulatoire. On exclut ainsi par l’usage le rôle probable de la diffusion intra-acinaire des gaz. Le modèle mono-alvéolaire ci-dessous a le mérite de mettre en place les principaux acteurs et témoins de l’efficacité de l’hématose. Bien que simpliste, cette représentation facilite le raisonnement sur l’hématose, en illustrant que la différence de pression partielle en oxygène entre l’alvéole et le capillaire représente une admission de sang veineux dans la circulation artérielle, quel que soit son mécanisme : shunt vrai, altération de la diffusion ou inhomogénéité VA/Q.

Figure 5. Le modèle mono-alvéolaire admet le passage au niveau de la structure d’échange alvéolocapillaire de la totalité du débit sanguin et du débit ventilatoire. Chaque point contenu dans le verre (air atmosphérique) et dans l’alvéole (gaz alvéolaire) représente une molécule d’oxygène. La densité des points illustre la pression partielle de l’oxygène ; PAO2 : pression alvéolaire en O2 qui témoigne de la ventilation alvéolaire ; PcO2 : pression capillaire artérielle pulmonaire en O2 qui est le résultat final de la diffusion de l’oxygène. Dans ce schéma, on admet, par simplification, que les pressions partielles en O2 (densité des points) sont identiques dans le gaz alvéolaire et au niveau du sang capillaire. La PcO2 au niveau terminal du capillaire alvéolaire est toujours supérieure à PaO2 en raison des shunts veino-artériels qui permettent le passage direct de sang veineux dans le circuit artériel (donc sans subir l’hématose).

Diffusion alvéolocapillaire La capacité de diffusion pulmonaire La capacité de diffusion pulmonaire (notée Dl) pour l’oxygène est déterminée par la capacité de diffusion membranaire (Dm), par un facteur qui exprime la vitesse de fixation de l’oxygène sur l’hémoglobine (Ø) et par le volume capillaire pulmonaire (Vc). Il résulte de cette distinction la notion de capacitance du sang capillaire (ØVc) qui est le produit du volume capillaire et d’un coefficient de capacitance variable selon la solubilité du gaz considéré, en l’occurrence l’oxygène ou le monoxyde de carbone. Pour résoudre l’équation de Roughton et Forster, on mesure le transfert du CO soit à deux concentrations d’O2 différentes soit en la couplant avec la mesure du transfert du monoxyde d’azote (Dlno). 1/Dl = 1/Dm + 1/Ø Vc À partir d’une valeur de repos de Dlco (environ 35 mLCO/min/mmHg), on observe au cours de l’exercice une augmentation progressive de la capacité de diffusion pour atteindre une valeur de Dlco ∼55—60 mLCO/min/mmHg.

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Tableau 1 Simulation de la valeur de P(Ai-a)O2 en cas d’hypoventilation alvéolaire pure (PaO2 + PaCO2 autour de 125 mmHg) attestée par l’augmentation de PaCO2 de 30 à 62 mmHg, et la diminution de la valeur du RER. La valeur de PAiO2 est calculée à partir de la formule : PAiO2 = 0,2093 (PB − 47) − (PaCO2 /RER). Les valeurs de P(Ai-a)O2 sont calculées avec trois valeurs différentes de pression barométrique (760—740—730 mmHg) pour montrer l’influence de la PB sur P(Ai-a)O2 . PaO2 PaCO2 RER PAiO2 P (Ai-a)O2 — 760 P (Ai-a)O2 — 740 P (Ai-a)O2 — 730

95 30 1,17 122,5 27,5 23,3 21,2

91 35 1,15 117,6 26,6 22,5 20,4

87 40 1,12 112,4 25,4 21,2 19,1

83 45 1,1 107,3 24,3 20,1 18,0

77 50 1,08 102,0 25,0 20,8 18,7

60 62 1 87,0 27,0 20,8 18,7

Le volume capillaire mesuré au repos tend à diminuer significativement avec l’âge au-delà de 59 ans (Fig. 6). Il en est de même pour Dlco. Enfin, la capacité de diffusion de repos ou d’exercice semble être améliorable par l’entraînement au moins chez les patients dont le volume pulmonaire est réduit par trouble de la croissance [5] ou après pneumonectomie.

L’efficacité de la diffusion alvéolocapillaire

Figure 6. Valeurs du volume capillaire pulmonaire mesuré par la méthode de double diffusion CO-NO en fonction de l’âge [6].

L’augmentation de Dlco est linéaire jusqu’à une valeur de consommation d’oxygène de 2 à 2,5 LO2 /min. Au-delà de cette valeur correspondant à un débit cardiaque ≥ 13—15 L/min, la plupart des auteurs ont observé un plateau, quelle que soit la puissance maximale atteinte. L’augmentation de Dlco témoigne de l’accroissement de la surface de diffusion, dû à l’augmentation du volume capillaire (Vc) et du volume alvéolaire recruté, mesuré simultanément par dilution d’hélium. L’augmentation de Vc en cours d’exercice est la conséquence du recrutement du réseau capillaire non utilisé au repos (sommets pulmonaires), puis secondairement de la distension des vaisseaux capillaires lorsque le débit sanguin et la pression artérielle pulmonaire augmentent. Le plateau de Dlco surviendrait lorsque le lit capillaire est totalement recruté. Le volume capillaire maximal a été estimé à partir d’études morphométriques à environ 2,9 mL/kg soit en moyenne 230 ml chez l’adulte jeune. L’estimation du volume capillaire à partir de la capacité de diffusion au repos donne des valeurs de 0,9—1,1 mL/kg, soit d’environ 100 mL. Au cours de l’exercice maximal, le volume capillaire calculé à partir de la mesure de diffusion des gaz donne des valeurs de 150 à 200 mL. Warren et al. [4] mesurent, par exemple, le volume capillaire à 215 mL pour un VO2 supérieur à 4 LO2 /min.

L’efficacité de la diffusion alvéolocapillaire est conditionnée principalement par deux facteurs : le temps de transit capillaire et la résistance à la diffusion des gaz opposée par la membrane alvéolocapillaire. Le temps de transit capillaire moyen du globule rouge au repos est de l’ordre de 0,75 seconde, ce qui est très largement supérieur au temps nécessaire pour saturer l’hémoglobine. On estime qu’un temps de transit supérieur à 0,30 seconde est suffisant pour permettre une saturation complète de l’hémoglobine, chez un sujet qui présente au repos une PAO2 , une capacité de diffusion et une distribution VA/Q homogène. Une diminution du temps de transit en dessous de 0,3 seconde est possible lorsqu’il existe une réduction importante du lit capillaire pulmonaire, comme on peut le voir en pathologie au cours de thromboses pulmonaires chroniques, ou lors de certaines formes diffuses d’emphysème. L’influence de PvO2 sur le temps d’équilibration alvéolocapillaire a été appréciée par Wagner à partir d’un modèle mathématique [7]. Ce modèle permet de prédire, pour une valeur de dispersion VA/Q donnée, l’influence de PvO2 sur le temps d’équilibration. Par exemple pour des valeurs de PvO2 ∼20 mmHg et de PAO2 ∼100 mmHg, l’équilibration est seulement de 80 % pour un temps de transit de 0,3 seconde. Cette situation limite pourrait être atteinte chez l’athlète au cours d’un exercice maximal. De plus, cette estimation repose sur l’hypothèse d’une parfaite répartition, dans l’ensemble du poumon, des rapports VA/Q et du temps de transit et aussi de l’absence de passage d’eau extravasculaire. Le terme « membrane alvéolocapillaire » désigne un ensemble comprenant l’épithélium alvéolaire, la membrane alvéolaire, le liquide interstitiel, la membrane basale, l’endothélium capillaire, le plasma, la membrane de l’érythrocyte. L’accumulation excessive de matériel cellulaire (au cours des alvéolites), protéique (en cas de fibrose collagène), liquidien (en cas d’œdème), ou la composition anormale des phospholipides membranaires

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B. Aguilaniu, F. Péronnet

Figure 7. Relations entre la diminution de Dlco (% de la valeur prédite) et la chute de PaO2 ou l’augmentation du gradient alvéolo-artériel en oxygène observées à l’exercice maximal au cours de différentes pathologies interstitielles [8,9]. On constate que la chute de PaO2 ou l’augmentation du gradient alvéolo-artériel en oxygène surviennent pour une diminution importante de Dlco (inférieure à 55—60 % de la valeur prédite).

notamment globulaires (au cours de la mucoviscidose), peut donc entraver plus ou moins la force motrice du gradient de pression des gaz.

Limite de la diffusion au cours de l’exercice Une limitation de la diffusion évoque principalement en pathologie la possibilité d’une altération anatomique des structures composant la membrane alvéolocapillaire. Chez le sujet sain, une limitation de la diffusion au cours de l’exercice suppose la coexistence de conditions physiques incompatibles avec une équilibration complète des pressions partielles entre le sang de fin de capillaire et le gaz alvéolaire. Cette situation existe essentiellement lorsque le temps de transit capillaire est trop court pour atteindre cet équilibre dans certains territoires pulmonaires. Ce peut être le cas par exemple chez certains athlètes vétérans capables d’atteindre une puissance métabolique élevée et un débit cardiaque ∼20 L/min. Dans ces conditions, si le Vc est ∼90 ml, le temps de transit pulmonaire moyen est ∼0,30 seconde. De plus, dans des conditions d’exercice

intense, l’élévation des pressions artérielles pulmonaires et capillaires bloquées, au-delà de 40 mmHg et 20 mmHg, respectivement, est compatible avec la survenue d’un œdème interstitiel. Cette extravasation plasmatique dans l’interstitium péribronchiolaire, périvasculaire et éventuellement au niveau de l’espace alvéolocapillaire, est susceptible de perturber la distribution de la ventilation et du débit sanguin capillaire et de ralentir la diffusion alvéolocapillaire de l’oxygène. Il peut en résulter une accentuation de l’hétérogénéité VA/Q et, in fine, un trouble de diffusion vrai. On conc ¸oit cependant qu’une limitation à la diffusion de l’oxygène, que ce soit par altération des distributions ventilation-perfusion ou du transport alvéolocapillaire, ne survienne qu’à l’exercice maximal et chez certains sujets. Cette situation est l’exception comme l’illustre l’absence de corrélation entre Dlco et PAi-aO2 rapportée chez un groupe de 29 femmes athlètes (VO2 max : 57 ± 6 mLO2 /min/kg), indemnes de toute pathologie respiratoire (Dlco : 28 ± 4 mLCO/min/mmHg). Chez les malades présentant une altération anatomique de la membrane alvéolocapillaire, la capacité de diffusion

Le parcours de l’oxygène alvéolaire au cours de l’exercice incrémental

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Figure 8. Ces deux graphiques montrent la relation entre le gradient alvélolo-artériel en O2 mesuré à l’exercice maximal et la valeur de Dlco) chez des sujets insuffisants cardiaques (a) [10] ou du volume capillaire pulmonaire dans une cohorte de sujets sains et atteints de pathologies respiratoires diverses (b) (données personnelles). On voit que (PAi-a)O2 rapporté à VO2MAX commence à croître lorsque Vc est inférieure à ∼60 ml ou Dlco est inférieure à environ 20 mlCO/mmHg/min. Remarque : l’unité de l’ordonnée de la Fig. 8a doit être multiplié par 103 pour être équivalent à celle de la Fig. 8b.

du CO pendant l’exercice a rarement été déterminée car cette mesure nécessite une apnée difficile à tenir en cours d’effort. Néanmoins, des corrélations ont été établies entre les valeurs de Dlco de repos et de PaO2 ou P(Ai-a)O2 pendant l’exercice. Sur la Fig. 7, on constate chez des patients atteints de sarcoïdose une diminution significative de PaO2 à l’exercice maximal (VO2 max = 21 ± 5,7 ml/min/kg ou 1,4 LO2 /min) uniquement lorsque la diminution de Dlco est inférieure à 55 % de la valeur prédite. De même, on peut observer chez des sujets souffrant de pathologies plus sévères (Dlco = 19 ± 2,6 vs 12 ± 3,9 mLCO/min/mmHg dans la fibrose interstitielle et l’asbestose [9], respectivement), que l’élargissement du gradient alvéolo-artériel en oxygène est corrélé avec la diminution de Dlco à l’exercice maximal, uniquement pour des valeurs de Dlco de repos inférieures à 60—65 % de la valeur prédite. Ces résultats indiquent qu’il faut atteindre une diminution d’au moins 40 % de la capacité de diffusion de repos pour altérer l’hématose au cours de l’exercice, chez des sujets dont le VO2 moyen ne dépasse pas 1,2 L O2 /min. Pour estimer la répercussion d’une limitation de la capacité de diffusion sur l’hématose d’exercice, il est plus judicieux de rapporter l’élargissement de P(Aia)O2 au niveau de VO2 [P(Ai-a)O2 /VO2 ] puisque le gradient alvéolo-artériel en oxygène dépend du niveau de VO2 . La Fig. 8 rapporte des valeurs de P(Ai-a)O2 chez des sujets insuffisants cardiaques [10] et dans une population de patients hétérogènes permettant d’observer une large gamme de valeurs de Dlco et de Vc (Données personnelles). On constate qu’un trouble de diffusion significatif apparaît lorsque le volume capillaire est inférieure à 60 mL. Au-dessus de cette valeur mesurée au repos, aucun sujet ne présente à l’exercice maximal une élévation de P (Ai-a)O2 supérieure à 20 mmHg. Au-dessous d’un volume capillaire de 60 mL, on constate un élargissement de P(Ai-a)O2 d’autant plus important que Vc est bas. La dispersion des valeurs de Vc est observée principalement en dessous de 60 mL ce qui reflète probablement le maintien pour certains sujets d’une capacité de distensibilité du

volume capillaire à l’exercice. Ainsi, pour certains sujets « distensibles » la baisse de Dlco et Vc observée au repos ne reflète pas la capacité diffusionnelle disponible au cours de l’exercice.

Imputabilité d’un trouble de l’hématose à l’exercice à partir d’une valeur de Dlco mesurée au repos La mesure au repos de Dlco est généralement interprétée en fonction d’une norme. Cet usage exclut toute compréhension fonctionnelle du transfert de l’oxygène puisque le transfert du CO témoigne seulement de ce que devrait être la diffusion de l’oxygène. En effet les études comparatives de Dlco et DlO2 permettent d’estimer : DlO2 = 1,2 à 1,5 fois Dlco Une autre fac ¸on d’utiliser cette mesure est d’estimer la répercussion potentielle d’une baisse de cette grandeur sur d’autres grandeurs ayant une signification physiologique plus parlante. On peut par exemple à partir des mesures de Dlco, et de VO2 , estimer respectivement le volume capillaire pulmonaire et le débit cardiaque. Ces deux grandeurs permettent d’estimer le temps de transit capillaire moyen (TTCM ) et de vérifier si la baisse observée de Dlco est compatible avec l’hypoxémie d’exercice. Si l’on ne dispose pas de la mesure de double diffusion CO-NO, on peut estimer Vc à partir de Dlco en prenant en compte les résultats montrés sur la Fig. 9. Cette figure montre, à partir de données publiées dans la littérature, que le volume capillaire pulmonaire peut être estimé à partir de la valeur de Dlco en appliquant la relation linéaire ci-dessous avec une précision aussi grande que celle de la mesure elle-même : Vc (mL) ∼ [Dlco × 3] ± 2

1232

B. Aguilaniu, F. Péronnet Le débit cardiaque correspondant à la consommation d’oxygène est estimé selon l’équation : Qc (L/min) = 5,5 × VO2 (L/min) + 5 Dès lors le TTCM peut être repéré sur la Fig. 10 construite à partir de la formule : TTCM (seconde) = [Vc (mL)/(Qc (L/min) × 1000)] × 60 À titre d’exemple, la figure montre que le temps de transit moyen critique de 0,3 seconde est atteint pour des débits cardiaques de 12 ou 20 L/min si le volume capillaire maximal est respectivement de 60 ou 100 mL.

Figure 9. Corrélations entre la mesure de Dlco et du volume capillaire pulmonaire obtenue par la technique de double diffusion CO-NO chez 203 sujets de 20 à 85 ans sains dont 89 femmes (bleu), données provenant de [6], chez 33 patients avec une fibrose pulmonaire idiopathique (vert), données provenant de [11] et 150 sujets avec une sarcoïdose pulmonaire de stade I à 4 (rouge), données provenant de [12]. On constate que la pente de la relation est proche de 3 pour les sujets sains et malades, indiquant que le volume capillaire en millilitres est environ trois fois la valeur absolue de Dlco en mL/min/mmHg.

• La capacité de diffusion augmente progressivement et linéairement du repos à l’exercice jusqu’à une valeur de consommation d’oxygène de 2 à 2,5 LO2 /min (correspondant à un débit cardiaque ≥ 13—15 L/min). Au-delà, on constate un plateau de Dlco, quelle que soit la puissance maximale atteinte. • Le volume capillaire augmente d’environ 30 % au cours de l’exercice. • L’efficacité de la diffusion alvéolocapillaire dépend principalement du temps de transit capillaire, mais aussi de la résistance à la diffusion des gaz. • La « membrane alvéolocapillaire » est constituée de l’épithélium alvéolaire, de la membrane alvéolaire, du liquide interstitiel, de la membrane basale, de l’endothélium capillaire, du plasma et de la membrane de l’érythrocyte. • Il apparaît un trouble de diffusion significatif lorsque la Dlco est inférieure à 20 mL/CO/mmHg, ce qui correspond à un volume capillaire d’environ 60 ml.

Figure 10. La figure de gauche représente la relation entre le volume capillaire pulmonaire et le débit cardiaque permettant de déterminer le temps de transit capillaire moyen. En bleu, est figuré le TTCM de 0,3 seconde au dessous duquel une désaturation peut survenir par réduction excessive du temps de contact alvéolo capillaire. La figure de droite représente la relation entre Dlco et Vc (en double ordonnée) et la relation entre les trois variables (Vc, Dlco, Qc) pour un temps de transit moyen critique de 0,3 seconde (en bleu).

Le parcours de l’oxygène alvéolaire au cours de l’exercice incrémental

1233

Figure 11. À gauche : le modèle à trois compartiments représente la coexistence d’une unité parfaitement ventilée et perfusée (au milieu), d’une unité (à gauche) non ventilée mais perfusée (shunt par admission veineuse), enfin d’une unité (à droite) bien ventilée mais non perfusée (espace mort). La pression alvéolaire idéale (PAiO2 ) représente la pression partielle de l’oxygène des alvéoles estimée à partir du RER mesuré sur l’ensemble du poumon. À droite : modèle à huit compartiments plus représentatifs de la diversité des situations intermédiaires entre le shunt et l’espace mort. Le contenu gazeux (O2 et CO2 ) du sang artériel est la résultante du mélange de sang provenant des différentes unités qui rec ¸oivent un débit sanguin. L’échelle logarithmique permet d’illustrer la dispersion des rapports ventilation-perfusion.

Homogénéité ventilation-perfusion Modèle à trois compartiments Le modèle tri-compartimental de Riley et Cournant (1949) représente des situations extrêmes de rapport ventilationperfusion (VA/Q) du shunt à l’espace mort (Fig. 11 et 12).

Modèle à 50 compartiments : technique d’élimination de plusieurs gaz inertes (MIGET : Multiple Inert Gas Elimination Technic) Principes La méthode repose sur le principe de conservation de masse, appliqué dans des conditions d’état stable à l’élimination pulmonaire de plusieurs gaz inertes perfusés en solution par voie veineuse. Le pourcentage de gaz éliminé par la ventilation, en provenance du sang d’une unité élémentaire pulmonaire, dépend de la solubilité de ce gaz et du rapport VA/Q. Le rapport des pressions partielles des gaz dans le sang artériel et le sang veineux mêlé (Pa/Pv) est appelé rétention (R) et dépend de la solubilité (s) de chaque gaz dans le sang et du rapport VA/Q de chaque unité fonctionnelle. : R = Pa/Pv = s/(s + VA/Q). On voit donc que la rétention d’un gaz de solubilité s est d’autant plus faible que le rapport VA/Q est élevé. Un gaz peu soluble (comme SF6) sera éliminé en grande quantité par les unités respiratoires de bas rapport VA/Q et inversement un gaz très soluble (comme l’acétone) sera éliminé presque exclusivement par les unités de haut rapport VA/Q. L’excrétion du gaz est définie par le rapport des pressions partielles de gaz dans l’air expiré et le sang veineux mêlé. À partir des données R et E obtenues expérimentalement, on applique le modèle mathématique de Wagner qui permet de calculer les débits sanguins et ventilatoires dans 50 compartiments représentant la totalité du poumon (Fig. 12). On calcule alors un index (log SD Q) de l’allure de la distribution des VA/Q : cette valeur est petite (0,8) dans un poumon perfusé

Figure 12. Ce schéma met en évidence les différences des échanges gazeux de bas en haut du poumon chez un sujet en position debout. Le poumon est divisé sur ce schéma en neuf coupes imaginaires. Pour plus de clarté, les valeurs sont représentées uniquement au sommet et à la base du poumon. Notons par exemple la différence de bas en haut pour PaO2 (de 89 à 132 mmHg) en raison d’un rapport VA/Q qui varie de 0,63 à 3,3 en raison d’une ventilation alvéolaire quatre fois plus importante à la base (0,82 vs 0,24). In: Respiratory Physiology - The essentials, Williams et Wilkins, J.B. West, 1985.

et ventilé de fac ¸on très homogène ; elle augmente avec l’hétérogénéité VA/Q (exemple : 1,5 chez le BPCO).

Prédiction des valeurs de PaO2 , PaCO2 et P(Ai-a)O2 À partir des valeurs calculées de VA/Q et mesurées de Qc, Hb, T◦ , Pb, PiO2 , PiCO2 et PvO2 , on peut prédire les

1234 valeurs de PaO2 , PaCO2 et P(Ai-a)O2 et les comparer aux valeurs observées. Les valeurs prédites reflètent seulement les valeurs dues aux inégalités VA/Q et au shunt intrapulmonaire. Ainsi, le calcul de la différence Observée − Prédite de PaO2 et de P(Ai-a)O2 , permet d’estimer la part relative d’une limitation de la diffusion bien qu’un shunt extrapulmonaire ne puisse être formellement exclu.

Mécanismes de l’hétérogénéité VA/Q induite par l’exercice La technique des gaz inertes permet de quantifier les inégalités VA/Q mais ne permet pas de préciser la part respective d’une augmentation de la dispersion de la perfusion ou de la ventilation comme cause de cette inégalité. Cette distinction nécessite d’autres procédures permettant d’observer séparément le versant circulatoire et ventilatoire.

Versant ventilatoire L’analyse du versant ventilatoire est très difficile, car il n’existe pas de méthodes ou d’outils facilement utilisables chez l’Humain. Bien que la spirométrie pré- et post-exercice permette de détecter des modifications de calibre des voies aériennes de moyen et gros calibre, elle ne permet pas de détecter les anomalies périphériques de distribution de la ventilation qui peuvent perturber l’hématose, notamment pour des débits ventilatoires relativement élevés. Ainsi, des altérations plus ou moins localisées de l’architecture bronchiolo-alvéolaire, non détectables au repos, peuvent altérer la constante de temps des unités bronchiolo-alvéolaires et révéler des zones à bas VA/Q au cours de l’exercice. Chez le chien anesthésié, il a en effet été montré que ce mécanisme pouvait contribuer à plus de la moitié de l’apparente augmentation de la dispersion VA/Q. Dans le même ordre d’idée, une diminution du renouvellement (mixique) du gaz alvéolaire secondaire à un temps inspiratoire insuffisant (haut débit ventilatoire) peut être favorisée par une hétérogénéité des propriétés mécaniques pulmonaires présentes au repos. Enfin l’altération de la structure périphérique du poumon peut favoriser une limitation de la diffusion intra-acinaire des gaz.

Versant circulatoire L’augmentation des pressions pulmonaires artérielle et veineuse (estimée par la pression capillaire bloquée) constatée au cours de l’exercice contribue à uniformiser la distribution du débit sanguin pulmonaire. Néanmoins, chez les athlètes l’élévation de la pression artérielle pulmonaire systolique (PAPs) peut conduire à une augmentation excessive du flux liquidien trans-capillaire et à un œdème interstitiel infra radiologique [13], si la pression capillaire bloquée ne diminue pas, en raison d’une diminution de la compliance capillaire pulmonaire ou d’une compliance ventriculaire insuffisante [14]. L’œdème interstitiel péribronchiolaire et périvasculaire peut lui-même altérer la distribution de la ventilation et du débit sanguin capillaire, tandis que l’œdème interstitiel alvéolocapillaire peut conduire à une limitation de la diffusion membranaire.

B. Aguilaniu, F. Péronnet Cette hypothèse repose principalement sur l’observation d’une corrélation entre le log SDQ et l’augmentation de la pression artérielle pulmonaire moyenne au-delà de 20 mmHg [13]. Ces relations sont amplifiées en altitude simulée chez tous les sujets (hypoxémie barométrique croissante) tandis que l’inhalation d’oxygène pur restaure les valeurs de départ. Ces faits suggèrent que la mise en jeu d’une vasoconstriction hypoxique (et donc l’accentuation de l’hypertension artérielle pulmonaire) peut favoriser au cours de l’exercice, l’hétérogénéité de la distribution du débit sanguin pulmonaire. Néanmoins, au cours de ces études, l’hétérogénéité VA/Q est aussi corrélée à Qc qui peut être élevé chez certains sujets sans augmentation excessive de la PAPs. Cela fait évoquer l’hypothèse que l’augmentation de P(Ai-a)O2 peut être due à d’autres mécanismes comme cela est rapporté au paragraphe suivant. En conclusion, la plupart des arguments expérimentaux convergent pour favoriser l’hypothèse d’un mécanisme circulatoire à l’origine de l’inhomogénéité VA/Q induite par l’exercice chez l’athlète, capable de développer des pressions intravasculaires et un débit cardiaque élevés. Alors que l’augmentation des pressions pulmonaires tend à homogénéiser la répartition topographique du débit sanguin, une PAPs associée à une pression capillaire bloquée excessive, en favorisant une accumulation liquidienne extravasculaire, provoque une altération de la distribution du débit sanguin capillaire (et aussi de la ventilation).

Shunt droit-gauche intrapulmonaire (SIP) et intracardiaque (SIC) Le shunt cardiaque droit-gauche et les shunts intrapulmonaires sont détectés avec une grande sensibilité par la technique des gaz inertes. Chez les sujets sains, leur débit est soit inexistant, soit estimé entre 0,5 et 1 % du débit cardiaque. Néanmoins, une étude récente [15] a mis en évidence, par une échographie cardiaque continue au cours d’une administration d’une solution saline agitée, le recrutement de SIP corrélé au débit cardiaque (r = 0,86) et à un moindre degré à la PAPs (r = 0,75) chez sept des huit athlètes examinés (Fig. 13). Les auteurs concluent qu’il existe physiologiquement chez l’Homme sain lorsque Qc est supérieur à 24 L/min, un recrutement de shunt anatomique IP ce qui expliquerait une partie de l’augmentation de P(Ai-a)O2 (au-delà de 12 mmHg). La dépendance de l’ouverture de ces shunts à Qc et-ou PAPs est en faveur de leurs localisations aux sommets pulmonaires comme cela avait déjà été proposé à partir d’études autopsiques et physiologiques. En faveur de cette proposition, on constate chez certains sujets la présence de shunts IP fonctionnels en décubitus qui disparaissent en position assise au repos et réapparaissent au cours de l’exercice [16]. Des données complémentaires [17,18] soutiennent l’hypothèse que l’ouverture de ces shunts IP est lié plutôt au débit plutôt qu’à l’augmentation de la pression intravasculaire, permettant d’atteindre le seuil de recrutement capillaire suggéré par J.B. West [19]. Dans un contexte médical, le diagnostic de shunt D-G est fréquemment évoqué devant une hypoxémie induite par

Le parcours de l’oxygène alvéolaire au cours de l’exercice incrémental

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Figure 13. Cette étude montre la présence d’un shunt intrapulmonaire chez sept des huit athlètes soumis à un exercice maximal. Le shunt IP est mis en évidence par le passage retardé de bulles dans le VG au cours d’une échographie cardiaque continue [15].

l’exercice, généralement très marquée, en l’absence de causes évidentes sur le versant ventilatoire ou interstitiel. Il s’agit le plus souvent d’une communication inter-auriculaire au travers d’un foramen ovale perméable dont la prévalence est estimée à environ 26 % [20]. Le FOP réalise un court chenal inter-atrial (longueur moyenne 5 mm) dû au défaut d’accolement entre le septum primum et le septum secundum. Il s’agit de la persistance du canal de Botal qui se trouve juste dans l’axe du courant sanguin venu de la veine cave inférieure. Il peut être associé à un anévrisme du septum inter-auriculaire (ASIA) qui augmente la probabilité d’une perméabilité du FO. Celle-ci est naturellement favorisée par la présence d’une HTAP mais le passage D-G peut s’observer alors que la pression auriculaire droite est normale [21], en dehors du classique syndrome platypnéeorthéodoxie survenant après pneumonectomie ou chirurgie abdominale. Les mécanismes anatomiques contribuant à la réouverture d’un FOP (en dehors d’un gradient de pression entre oreillette droite et gauche) ont en commun une horizontalisation du septum inter-auriculaire positionnant le FOP juste en regard du flux sanguin en provenance de la veine cave inférieure. Cette modification positionnelle du septum est favorisée par une dilatation modérée de l’aorte ascendante, par la présence d’un anévrisme de l’aorte initiale, ou par le pectus excavatum [22]. Enfin la présence d’une valve d’Eustachi (parfois volumineuse) peut diriger préférentiellement le flux de la veine cave inférieure vers le FOP. C’est dans ces situations que le shunt D-G survient particulièrement au cours de l’exercice. S’il est relativement aisé de confirmer le diagnostic de shunt suspecté devant une hypoxémie franche de repos par le test d’inhalation d’oxygène pur, il est plus difficile de le confirmer lorsqu’il survient au cours de l’exercice. La simulation ci-dessous présente un modèle qui estime le pourcentage de shunt apparaissant au cours de l’exercice en faisant l’hypothèse de trois valeurs de PcO2 (100-90-80 mmHg). À partir de ce modèle, en faisant l’hypothèse (fausse) que la baisse de PaO2 (assimilée à PcO2 ) au cours de l’exercice n’est due qu’au shunt D-G, on peut estimer qu’une variation de PaO2

Figure 14. Calcul du pourcentage du débit cardiaque qui shunte de droite à gauche. Ex. : si la PcO2 est de 100 mmHg et la différence P(c-a)O2 est de 40 mmHg, le shunt est calculé à 19 % du débit cardiaque. En pratique, on peut assimiler la PcO2 à la valeur de PaO2 avant que le shunt ne soit ouvert (au repos sans hypoxémie), et la PaO2 du modèle à la PaO2 mesurée au cours de l’exercice lorsque l’hypoxémie apparaît. En faisant l’hypothèse que PO2 est égal à PaO2repos − PaO2max , une valeur de PO2 ∼ 50 mmHg correspondrait à un passage D-G d’environ 40 % du débit cardiaque.

(PO2 ) de 30 mmHg correspond à un shunt d’environ 20 % (Fig. 14).

Détecter une déficience du transfert de l’oxygène alvéolaire Au cours de l’exercice, des valeurs anormalement basses de PaO2 et de SaO2 permettent de conclure à la présence d’un trouble de diffusion de l’oxygène. En revanche, des valeurs normales ne permettent pas d’exclure la présence d’une pathologie responsable d’une altération de la diffusion de l’oxygène. Pour cela, la grandeur la plus sensible est l’augmentation excessive du gradient alvéolo-artériel en oxygène P(Ai-a)O2 . En pratique, retenons qu’une augmentation exagérée de P(Ai-a)O2 peut être due à : • une altération de la diffusion alvéolocapillaire ; • une hétérogénéité des rapports ventilation-perfusion favorisant la prédominance de bas VA/Q) ; • un shunt droit-gauche. À noter qu’une diminution importante de PvO2 peut accentuer la répercussion d’un trouble alvéolocapillaire ou de zones à bas VA/Q sur l’oxygénation sanguine, comme cela peut s’observer au cours de l’insuffisance cardiaque [23].

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B. Aguilaniu, F. Péronnet

Tableau 2 Valeurs indicatives de P(Ai-a)O2 en fonction de l’âge et du niveau de VO2 auquel la mesure a été réalisée. À cette valeur, il faut rajouter environ 6 mmHg correspondant à deux écart-types de la reproductibilité de la mesure faite en gaz capillaire [24]. Âge

20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85

PAi-aO2 (mmHg)

VO2 (LO2 /min)

Repos

1

1,5

2

2,5

3

7,9 9,6 11,2 12,9 14,5 16,2 17,8 19,5 21,1 22,8 24,4 26,1 27,7 29,4

10 12 13 15 17 18 20 22 23 25 27 28 30 32

13 15 16 18 19 21 23 24 26 28 29 31 33 34

16 17 19 21 22 24 26 27 29 30 32 34 35 37

18 20 22 23 25 27 28 30 32 33 35 37 38 40

21 23 24 26 28 29 31 33 34 36 38 39 41 43

Valeurs attendues du gradient alvéolo-artériel en oxygène chez le sujet sain au cours de l’exercice P(Ai-a)O2 est une grandeur indépendante du sexe mais influencée au repos par l’âge selon l’équation : P(Ai-a)O2 = [0,33 × âge (ans)] − 2 mmHg À l’exercice, P(Ai-a)O2 augmente avec la puissance et donc avec le VO2 . On estime que cette augmentation est d’environ de 5,5 mmHg par litre de VO2 . En combinant ces deux facteurs, on obtient une relation linéaire qui permet d’estimer approximativement la valeur de PAi -aO2 [7] : PAi -aO2 = [0,33 × âge (ans)] + [5,5 × VO2 (LO2 /min)] − 2 À partir de cette formule, on peut générer le Tableau 2 pour repérer les valeurs excessives de P(Ai-a)O2 . On peut retenir qu’une valeur supérieure à 30—35 mmHg pour un sujet adulte de plus de 40 ans atteignant le VO2 max prédit est anormalement élevée [25]. La détection au cours de l’exercice d’un trouble de l’hématose nécessite donc de mesurer de fac ¸on répétée le gradient alvéolo-artériel en oxygène. À cet égard, la technique des gaz capillaires prélevée au niveau du lobe de l’oreille assure une rentabilité supérieure de 20 % à la technique de la ponction radiale, alors que la sensibilité et la spécificité pour détecter un déficit de l’hématose sont comparables [24]. Une récente méta-analyse [26] a montré que les mesures de pH et de PCO2 effectuées à partir de sang artérialisé sont très voisines des valeurs artérielles, surtout si le prélèvement est fait au lobe de l’oreille (différence de 0,1 mmHg et de 0,01 unité pH). En revanche, les valeurs de PO2 du sang artérialisé sous-estiment les valeurs artérielles lorsqu’elles sont mesurées à l’oreille et encore plus au doigt (∼2,5 et ∼6 mmHg, respectivement

pour des PaO2 < 100 mmHg), la différence entre les deux mesures augmentant avec la PaO2 . Nous avons récemment montré, à partir de 86 paires de mesures simultanées de PO2 dans du sang artériel et artérialisé que l’on pouvait apporter une correction à la PO2 artérialisé pour estimer PaO2 : PaO2 = (1,1 × Pac O2 ) — 3 Avec cette correction, la détection d’une anomalie du gradient alvéolocapillaire en oxygène a été retrouvée avec une sensibilité et une spécificité de 86 et 100 %, respectivement [24]. Une fois détectée, l’ampleur de ce déficit et sa cinétique permettent d’orienter le diagnostic étiologique en prenant en compte les arguments morphologiques ou fonctionnels complémentaires (TDM, échographie, Dlco, etc.) liés au contexte clinique. La connaissance de la physiologie de la diffusion de l’oxygène du gaz alvéolaire au sang permet d’apprécier dans bien des cas la cohérence des hypothèses étiologiques en raisonnant sur les interactions entre les capacités (diffusionnelle, ventilatoire) et les demandes fonctionnelles (consommation d’oxygène, débit cardiaque).

• La spirométrie pré- et post-exercice permet de détecter des modifications de calibre des voies aériennes de moyen et gros calibre, mais non les anomalies périphériques de distribution de la ventilation. • L’augmentation des pressions pulmonaires artérielle et veineuse constatée au cours de l’exercice contribue à uniformiser la distribution du débit sanguin pulmonaire.

Le parcours de l’oxygène alvéolaire au cours de l’exercice incrémental • Une vasoconstriction hypoxique peut favoriser l’hétérogénéité de la distribution du débit sanguin pulmonaire au cours de l’exercice. • L’inhomogénéité VA/Q induite par l’exercice chez l’athlète aurait pour origine un mécanisme circulatoire, avec augmentation des pressions intravasculaires et du débit cardiaque. POINTS ESSENTIELS • L’efficacité du transfert de l’oxygène du gaz alvéolaire au sang artériel, reflété par le gradient alvéolo-artériel en oxygène, est le plus fin signal d’une perturbation du système respiratoire. • La distribution de l’air jusqu’aux bronchioles respiratoires du 16e au 18e ordre dépend essentiellement du débit aérien inspiratoire ; au-delà, le gaz entre au contact de la membrane alvéolaire essentiellement par diffusion moléculaire. • La diffusion pulmonaire de l’O2 est déterminée par l’homogénéité VA/Q et le transfert alvéolocapillaire. • La diffusion alvéolocapillaire dépend essentiellement de deux facteurs : le temps de transit capillaire et la résistance à la diffusion des gaz. • Une trouble de diffusion de l’oxygène apparaît généralement lorsque la Dlco de repos est inférieure à 20 mLCO/min/mmHg ce qui correspond à un volume capillaire pulmonaire de 60 mL. • Le volume capillaire pulmonaire estimé en millilitres est sensiblement égal à trois fois la valeur absolue de la Dlco en mLCO/min/mmHg. • Une augmentation exagérée de P(Ai-a)O2 peut être due à une altération de la diffusion alvéolocapillaire, à une hétérogénéité des rapports ventilationperfusion favorisant la prédominance de bas VA/Q, ou à un shunt droit-gauche.

Déclaration d’intérêts Les auteurs déclarent ne pas avoir de conflits d’intérêts en relation avec cet article.

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