Déterminants de la contractilité

Ce chapitre est pertinent pour la section G2(ii) du Syllabus primaire du CICM 2017, qui demande au candidat à l’examen de  » définir les composants et les déterminants du débit cardiaque « . Plus précisément, ce chapitre se concentre sur la contractilité cardiaque, l’élément oublié et ignoré. Contrairement à la postcharge et à la précharge, la contractilité n’a été abordée qu’une seule fois dans les examens, et c’était dans la question 4 du deuxième examen de 2012. « Décrivez brièvement la dP/dT, la relation pression-volume systolique finale (ESPV) et la fraction d’éjection (FE) », demandaient-ils. Et « définissez la contractilité myocardique ».

Le taux de réussite a été de 13,6 %.

Sans descendre au niveau le plus bas du discours, après une courte pause et quelques respirations profondes, l’auteur a pu reconnaître calmement que, bien qu’il n’y ait pas de moyen équitable de tester les connaissances du stagiaire sur une définition qui n’existe pas, il est tout de même probablement judicieux de déterminer s’il comprend suffisamment bien les concepts environnants pour les recombiner lors d’une question à réponse courte. Cela agit comme une sorte de test de QI, équivalent à un exercice de rotation mentale. Si vous pouvez synthétiser une définition passable dans un délai aussi court, vous devez avoir des connaissances de fond substantielles en physiologie, et le genre de chutspah confiant et rapide qui serait précieux à l’étage des soins intensifs.

En résumé :

Il existe peu de bonnes ressources pour aider le lecteur dans ce sujet problématique. Muir & Hamlin (2020) présentent une superbe vue d’ensemble des principaux problèmes auxquels est confronté quiconque tente de définir et de quantifier la contractilité cardiaque. Pour l’auteur, cela a eu une valeur par le même mécanisme que la visite d’un groupe de soutien, en ce sens que cela a normalisé les sentiments de frustration et de confusion comme une réaction naturelle au sujet. Nous sommes tous ici pour la même raison, semblaient dire les autres auteurs.

Définition de la contractilité

Incompliqués par l’absence de consensus scientifique sur le sujet, les examinateurs semblent donner leur propre définition de la contractilité dans les notes étonnamment complètes pour la question 4 du deuxième examen de 2012 :

« La contractilité représente la performance du cœur à une précharge et une postcharge données. C’est
la variation de la force isométrique maximale (pression isovolumique) à une longueur de fibre initiale donnée (volume
diastolique final). »

Cette définition trouve son origine dans Berne & Levy (p. 250 de la 4e édition), en ce sens qu’elle y a été plagiée textuellement :

« La contractilité représente la performance du cœur à une précharge et une postcharge données et à une fréquence cardiaque constante. La contractilité peut être déterminée expérimentalement comme le changement de la force isométrique maximale (pression isovolumique) à une longueur de fibre initiale donnée (volume end-diastolique) »

Et vous savez qu’il s’agit d’une définition officielle car dans le manuel original, elle apparaît en majuscules criardes. Bien que Berne & Levy ne figure pas sur la liste officielle des lectures pour la première partie du CICM, l’entrée sur la contractilité dans Pappano & Weir (p.78 de la 10ème édition) est identique, un copier-coller direct. Donc, soit cette définition est particulièrement bonne, soit les rédacteurs sont particulièrement paresseux. Dans un cas comme dans l’autre, il semble que les stagiaires doivent mémoriser cette définition spécifique pour le primaire.

Comme pour tout ce qui concerne la dimension d’enfer déroutante de la physiologie du débit cardiaque, la contractilité a plusieurs autres définitions, dont aucune n’est clairement supérieure à une autre. Vincent & Hall (2012) nous donnent celle-ci :

« La contractilité cardiaque peut être définie comme la tension développée et la vitesse de raccourcissement (c’est-à-dire la « force » de contraction) des fibres myocardiques à une précharge et une postcharge données. Elle représente une capacité unique et intrinsèque du muscle cardiaque à générer une force qui est indépendante de toute charge ou étirement appliqué. »

Surpris par le manque de progrès dans ce domaine au cours des deux cents dernières années, Muir & Hamlin (2020) s’est replié sur l’étymologie:

« Littéralement défini, le terme contrat infère que quelque chose est devenu plus petit, rétréci ou raccourci. L’ajout du suffixe « ility » implique la qualité de ce processus. »

Hémodynamique cardiovasculaire par Anvaruddin et al (2013), dans une excellente esquive de la question, a plutôt décidé de définir la contractilité en termes de ce qu’elle n’est pas :

« La contractilité décrit les facteurs autres que la fréquence cardiaque, la précharge et la postcharge qui sont responsables des changements dans la performance du myocarde. »

Cette définition apparaît également dans la première partie, ce qui la place sur le piédestal supérieur suivant, juste en dessous de la définition des examinateurs du CICM. Quoi qu’il en soit, on pourrait clairement poursuivre cette autopsie sarcastique des manuels pendant quelques paragraphes supplémentaires, mais la pile croissante de définitions embrouillées n’apporterait aucune autre satisfaction à l’auteur, et certainement aucune compréhension supplémentaire au lecteur. Au-delà de la mémorisation de la définition des examinateurs du CICM, aucune recommandation utile ne peut être faite.

Déterminants de la contractilité

Après avoir parcouru la littérature, il est devenu clair que Penefsky (1994) est la ressource la plus utile sur ce sujet, car tous les paramètres qui affectent la postcharge sont présentés dans un schéma logique par l’auteur. Un effort clair est fait pour produire une sorte d’union conceptuelle entre les facteurs macroscopiques qui influencent la performance du système cardiovasculaire dans son ensemble et les facteurs microscopiques qui influencent la performance des préparations cellulaires.

Les propriétés du système cardiovasculaire qui affectent la contractilité sont :

• Précharge
• Après charge
• Fréquence cardiaque

Les facteurs biochimiques et cellulaires qui affectent la contractilité sont :

• Concentration en calcium
  • Catécholamines et système nerveux autonome
  • Disponibilité de l’ATP (ex. ischémie)
  • Calcium extracellulaire
• Température

Effets de la précharge sur la contractilité

La précharge est un déterminant majeur de la contraction. Le degré d’étirement des sarcomères à la toute fin de la diastole est un facteur important dans la détermination de la force de contraction, comme on peut le rappeler à partir de la relation de Frank-Starling. Plus le volume est important, plus la force de contraction est grande, jusqu’à ce qu’au-delà d’un certain point, l’étirement des sarcomères devienne trop

Mais c’est la force de contraction. Qu’en est-il de la contractilité, la « qualité de ce processus » de contraction ? Cela change aussi, selon un schéma prévisible. La charge volumique (un bolus de liquide d’environ 250-600ml de Hartmann) a augmenté la contractilité des ventricules de chiens dans une étude de Mahler et al (1975) d’environ 11% (elle a été mesurée par dP/dT, ce qui est discuté plus tard).

Cependant, ce n’est pas l’élément le plus intéressant ou le plus susceptible de donner lieu à un examen. Les changements de contractilité modifient la relation entre la pression ventriculaire et le volume ventriculaire. Et à ce stade, nous sommes obligés de discuter des boucles pression-volume VG.

La boucle pression-volume comme dispositif narratif

Pour l’explication de la relation entre la contractilité et la précharge, l’utilisation des boucles pression-volume est rendue inévitable par certaines des déclarations faites par les examinateurs du collège. Ils ont commencé par quelque chose d’assez peu engageant comme « un diagramme d’une boucle pression-volume est très utile pour décrire l’ESPV », mais ont terminé par un avertissement agressif que « l’absence d’un diagramme (correctement étiqueté et à l’échelle) était une faiblesse dans de nombreuses réponses ». En bref, vous avez clairement besoin de ce diagramme pour que votre réponse obtienne un score élevé. Lorsqu’elle est correctement étiquetée et mise à l’échelle, la boucle pression-volume du VG ressemble un peu à ceci :

Sans préempter le contenu de tout le chapitre sur les boucles PV, la discussion des boucles PV ici se concentrera principalement sur leur utilisation pour décrire la contractilité, et en particulier ses changements avec la précharge et la postcharge.

Relation pression-volume end-systolique (ESPVR)

L’utilisation spécifique de la boucle PV dans la discussion de la contractilité cardiaque a pour but de décrire la variation de la pression end-systolique avec l’augmentation du volume end-diastolique. Cette relation, abrégée en ESPVR, décrit la pression end-systolique maximale qui peut être atteinte avec ce volume.

Comment cela intervient-il dans la contractilité ? Eh bien :

• A mesure que vous augmentez la précharge (ici représentée par le volume end-diastolique), la pression sanguine augmente.
• La pression sanguine systolique et la pression diastolique augmentent toutes deux.
• Donc, la valve aortique se ferme à une pression plus élevée
• Cette pression plus élevée en fin de systole signifie que le volume end-systolique est également plus élevé
• Donc, le point pression et volume end-systolique (et le reste de la boucle) est décalé vers la droite

Ainsi, si vous deviez tracer la boucle plusieurs fois à différentes conditions de volume end-diastolique, le point pression-volume end-systolique migrerait vers le nord-est :

La relation de ces points de pression-volume endo-systolique peut être tracée sous la forme d’une ligne, qui est la relation pression-volume endo-systolique (ESPVR) :

Alors……. bonne histoire, mais encore une fois, comment cela s’intègre-t-il dans une discussion sur la contractilité ?

Comme suit :

Plus le ventricule est « contractile », plus la variation de pression à partir d’un niveau donné de précharge est importante. Ergo, la pente de la ligne ESPVR décrit la contractilité, ou du moins la façon dont la contractilité affecte la réponse aux changements de volume du LV.

Un lecteur bien au fait des traditions de la Physiologie Dérangée se demandera à ce stade quand l’auteur tentera de soutenir cette théorie en exhumant les résultats expérimentaux de quelque abominable vivisection. Voici donc un enregistrement des boucles pression-volume à différents volumes ventriculaires de Kass et al (1986), qui ont capturé ces données à partir de ventricules de chiens. Un ensemble démontre les effets du blocage autonome (avec le chlorure d’hexaméthonium), et l’autre démontre les effets de la dobutamine.

Donc, l’ESPVR semble être une bonne mesure de substitution de la contractilité. Cependant, elle n’est pas parfaite :

• La pente de l’ESPVR diminue progressivement lorsque la taille du ventricule augmente sans que ce changement indique nécessairement un changement de contractilité (Nakano et al, 1990)
• La mesure directe in-vivo de celle-ci est contrariée par le fait que, pendant le défi de précharge, en réponse à l’augmentation du débit cardiaque les barorécepteurs et les récepteurs d’étirement diminueraient la fréquence cardiaque et donc la contractilité, obscurcissant la vraie relation

Bien sûr, l’ESPVR n’est pas le seul moyen de représenter la contractilité. Une multitude d’autres méthodes est rendue possible par l’absence de définition convenue. Cela se transforme en…

Mesures de la contractilité

Oui, il en existe plusieurs. Les plus courantes sont :

• L’ESPVR, comme on l’a vu plus haut ; la relation entre la contractilité et l’effet de la précharge sur la pression end-systolique du VG.
• Fraction d’éjection, la relation entre le volume systolique et le volume end-diastolique exprimée en pourcentage. Il s’agit essentiellement du SV/EDV ×100.
• Déformation myocardique (Abraham & Nishimura, 2001)
• Vitesse moyenne de raccourcissement des fibres (Vcfc ; Karliner et al, 1971)
• dP/dT, la vitesse maximale de changement de la pression du VG, qui est le sujet de la rubrique suivante :

dP/dT comme mesure de la contractilité

Le dP/dT (ou ΔP/ΔT) est un changement de pression par unité de temps. Plus précisément, dans ce contexte, c’est le taux maximal de changement de la pression ventriculaire gauche pendant une contraction isovolumétrique :

Ce n’est pas mauvais, en ce qui concerne les mesures de la contractilité. Un ventricule plus « contractile » devrait mieux se contracter (plus dur, plus rapide, plus fort) et ce paramètre le reflétera par une contraction isovolumétrique plus courte, ou une pression plus élevée atteinte dans le même laps de temps. Idem, le ventricule faible et inutile prendra plus de temps pour atteindre une pression plus faible, donc c’est :

Bien évidemment, la contractilité n’est pas si simple, et ce paramètre a ses inconvénients. En empruntant à Mason (1969):

• la dP/dT est affectée par les altérations de la pression diastolique artérielle, c’est-à-dire qu’une pression diastolique élevée entraîne une augmentation du pic de dP/dT.
• La dP/dT dépend de la fréquence cardiaque, ce qui signifie qu’il est impossible d’évaluer les effets d’un inotrope s’il a également des effets chronotropes.

Donc, la dP/dT est influencée par certains paramètres hémodynamiques majeurs, difficiles à contrôler. Il est loin d’être parfait, et probablement la chose la plus aimable que l’on puisse dire à son sujet est qu’il « les changements dans la dp/dt max. peuvent refléter et reflètent fréquemment les changements dans la contractilité du myocarde » (Wallace et al, 1963).

Dans leur réponse à la question 4 du deuxième examen de 2012, les examinateurs ont mentionné que ce paramètre est dépendant de la précharge et indépendant de la postcharge. D’où vient cette affirmation ? Eh bien, elle semble être un résultat logique de l’utilisation de la contraction isovolumétrique comme période dT. En effet, la plupart des définitions de la postcharge font intervenir la pression aortique à un degré ou à un autre (ou affirment que la postcharge est la pression aortique). Cependant, pendant la période de contraction isovolumétrique, la valve aortique reste fermée. Alors, disent-ils, comment la dP/dT peut-elle être affectée par la postcharge, si elle est observée avant que la postcharge ait son effet sur le VG ?

Ce raisonnement est quelque peu suspect. Tout d’abord, la pression diastolique aortique est certainement un facteur qui affecte la dP/dT, et elle est certainement liée à la postcharge. Il faut également tenir compte du fait que la dP/dTmax (c’est-à-dire la pente maximale de la courbe, la tangente la plus raide) pourrait être observée à un certain stade après l’ouverture de la valve aortique.

Donc, quelles sont les preuves expérimentales ? Pour tester ces idées, Quiñones et al (1976), car c’était en 1976, ont pu convaincre des patients ambulatoires électifs de recevoir d’énormes bolus d’angiotensine. La contrainte maximale de la paroi a été augmentée de 44 %, mais le dP/dT a à peine bougé (la variation était de 2,5 %). De même, Kass et al (1987) ont constaté que la dP/dT ne variait pas beaucoup sur une gamme de valeurs de postcharge élevées, ne devenant dépendante de la postcharge que lorsque la postcharge était extrêmement faible (c’est-à-dire lorsque la pression diastolique aortique était si basse que la valeur maximale de la dP/dT était observée longtemps après l’ouverture de la valve aortique). En résumé, il est juste de dire que dans une gamme normale de valeurs de postcharge, la dP/dT devrait être relativement indépendante de la postcharge. Ce qui va être quelque peu problématique pour sa qualité en tant que mesure de la contractilité, puisque la contractilité est clairement affectée par la postcharge.

Effets de la postcharge sur la contractilité (effet Anrep)

La postcharge affecte la contractilité. C’est une chose connue. Gleb von Anrep l’a détecté en 1912 après avoir clampé une aorte de chien, même s’il n’avait aucune idée de ce qu’il regardait. Le cœur, soumis à une augmentation brutale de la postcharge, a augmenté de façon marquée et immédiate sa force de contraction – puis progressivement, de façon encore plus marquée, au cours des minutes suivantes. Voici un enregistrement de ce à quoi cela ressemble, réalisé par Cingolani et al (2013) à partir d’un muscle papillaire de rat qu’ils torturaient :

Le mécanisme derrière la phase abrupte de l’augmentation est du pur Frank-Starling :

• L’augmentation de la postcharge entraîne une augmentation du volume end-systolique
• Ce qui augmente l’étirement du sarcomère
• Ce qui entraîne une augmentation de la force de contraction

Par la suite, une augmentation rampante graduelle du calcium intracellulaire se produit, conduite principalement par des influences neurohormonales. Cingolani et al (2013) l’expliquent de manière beaucoup plus détaillée que ce que même un lecteur patient pourrait tolérer. En bref, il y a une augmentation de l’activité de l’échangeur Na+/Ca2+ en raison d’une absorption de sodium intracellulaire liée à l’aldostérone, et ceci est soutenu par le fait que cette augmentation de la contractilité a été totalement bloquée par l’éplérénone.

Effets de la fréquence cardiaque sur la contractilité (effet Bowditch)

Des auteurs éminents ont également appelé cela le phénomène de Treppe, le phénomène de l’escalier (treppe étant le mot allemand pour escalier), et l’activation dépendant de la fréquence. Comme pour l’effet Anrep, tout se résume à avoir plus de calcium dans les myocytes, qui est la voie commune finale pour toutes les augmentations de la contractilité. À un niveau fondamental, le mécanisme est le suivant :

• La contraction des myocytes est la conséquence d’un influx important de calcium dans les myocytes
• La relaxation est principalement due au fait que ce calcium est éjecté à nouveau hors de la cellule, ou reséquestré dans le sarcolemme
• Cette expulsion du calcium est un processus chimique avec un temps de réaction fini
• Ergo, avec l’augmentation de la fréquence cardiaque, le temps restant pour l’élimination du calcium est diminué
• Ergo, le calcium résiduel va augmenter la contractilité des myocytes partout où une fréquence cardiaque élevée est maintenue.

Dans une certaine mesure, les mécanismes qui améliorent la relaxation avec l’augmentation de la fréquence cardiaque aident également l’élimination du calcium, mais ceux-ci luttent contre le fait que le calcium intracellulaire se module lui-même (par exemple, la libération du calcium du sarcolemme est déclenchée par le calcium intracellulaire).

Donc, à quelle vitesse devez-vous aller, pour produire un effet Bowditch de taille dans vos myocytes ? Pour produire de belles tailles d’effet publiables, les chercheurs doivent généralement augmenter le rythme cardiaque. Ici, Haizlip et al ont stimulé les fibres du ventricule de lapin à une fréquence de 240 pour produire une augmentation satisfaisante de la force générée :

À ce stade, le lecteur peut faire remarquer que toute augmentation de la contractilité qui dépend d’une fréquence cardiaque grotesque doit sûrement être compensée par l’échec complet du remplissage diastolique produit par une telle fréquence. Rappelez-vous les cruelles études sur des volontaires sujets à la syncope qui ont produit des volumes de course de 20ml et des pressions systoliques de 50 mmHg à une fréquence de 200. En bref, bien que cet effet soit un phénomène connu et qu’il doive être discuté dans le cadre d’un examen, la plupart des personnes raisonnables reconnaîtront qu’il a une utilité minimale au chevet du patient.

Effet Woodworth

Ceci mérite probablement une mention également, car il s’agit d’une autre version du phénomène de l’escalier – ou plutôt, c’est tout ce que l’opposé d’un escalier est. Essentiellement, cet effet décrit l’effet inotrope positif d’une période prolongée entre les contractions – « l’effet récupérateur d’une longue pause », pour emprunter les mots de Woodworth lui-même (1902). Voici un schéma illustratif de l’article original de Woodworth, étiqueté avec l’effet pertinent.

Oui, c’est tout ce qu’il y a : un pic systolique plus élevé que la normale après une période de tachycardie. Encore une fois, c’est lié au calcium. En lavant les fibres musculaires dans une solution sans calcium, l’effet a été complètement aboli par Hajdu (1969).

Certains auteurs semblent également attribuer le nom d' »effet Woodworth » à l’observation que la bradycardie augmente la force apparente de contraction, mais il pourrait en fait s’agir simplement de l’effet d’une meilleure précharge. Il y a très peu de mentions de ce phénomène dans la littérature moderne.

L’influence du calcium sur la contractilité

Son rôle central dans le couplage excitation-contraction fait du calcium intracellulaire la voie commune finale pour l’activité de la plupart des médicaments inotropes et des facteurs physiologiques qui influencent la contractilité. C’est essentiellement le levier que l’on actionne lorsqu’on veut modifier la contractilité d’une manière ou d’une autre. La base de son rôle central dans ce processus est discutée ailleurs ; pour un aperçu instantané, on peut être dirigé vers Eisener et al (2017). En bref :

• L’entrée du calcium dans les myocytes cardiaques déclenche une libération calcium-dépendante du sarcolemme
• Le calcium se lie à la troponine entraînant le glissement des filaments épais et fins
• La force de contraction dépend de la quantité de calcium liée à la troponine
• C’est pourquoi, le facteur majeur qui régule la force de contraction est le niveau de calcium intracellulaire

De là, il résulte que la concentration de calcium intracellulaire est un déterminant de la contractilité. C’est une chose assez indirecte à discuter, car normalement nous ne la mesurons pas, nous ne titrons pas nos interventions en fonction d’elle, ou nous n’y pensons pas vraiment dans un sens significatif. Et pourtant, elle est là. Toute discussion sur la contractilité cardiaque devrait inclure la contribution du calcium, et les facteurs qui le modifient. Qui sont:

Catécholamines. Les effets inotropes des catécholamines systémiques et du système nerveux sympathique sont médiés par les récepteurs β-1, qui sont des récepteurs couplés aux protéines Gs. L’augmentation de l’AMP cyclique qui résulte de leur activation accroît l’activité de la protéine kinase A, qui à son tour phosphoryle les canaux calciques. Un influx de calcium s’ensuit. Sperelakis (1990) et Rüegg (1998) réunis donnent plus de détails que la plupart des gens seraient capables de gérer, lorsqu’il s’agit de cet aspect.

Ischémie. Bien que l’épuisement de l’ATP qui est censé se produire en l’absence d’oxygène soit un mécanisme commode à blâmer pour la diminution de la contractilité associée à l’ischémie, en fait, la quantité d’ATP dans les cellules ischémiques aiguës n’est pas réduite pendant un certain temps, alors que la contractilité en souffre immédiatement. Cette altération de la fonction contractile serait due à une diminution de la capacité du calcium intracellulaire à déclencher la libération de plus de calcium par le sarcolemme (Gomez et al, 2001).

Calcium extracellulaire. Ce calcium – lorsqu’il se déverse dans la cellule pendant le potentiel d’action – doit venir de quelque part. Baigner les cellules dans un fluide dépourvu de calcium est un moyen sûr d’abolir toute contraction. Lang et al (1988) ont dialysé sept patients souffrant d’insuffisance rénale chronique pour obtenir différents niveaux de calcium sérique et ont pu démontrer que le Vcfc (leur mesure choisie de la contractilité) diminuait de manière significative avec l’hypocalcémie. En fait, la relation entre les niveaux de calcium et la contractilité semblait être linéaire, sur la gamme éthiquement admissible de concentrations de calcium.

L’influence de la température sur la contractilité

L’hypothermie modérée (32-38º C) altère la contractilité, et il existe une diminution bien connue, proportionnelle à la température, du débit cardiaque. On pourrait penser que cela est lié à la perte d’affinité des récepteurs des catécholamines (et pour être juste, c’est le cas), mais d’autres facteurs entrent en jeu. Plus précisément, l’hypothermie entraîne une diminution de la sensibilité des myofilaments cardiaques au calcium (Han et al, 2010) et l’activité de la myosine ATPase cardiaque activée par l’actine diminue (de Tombe et al, 1990).