Physiologie de l’épreuve d’effort

Il est essentiel de comprendre les principes de base de la physiologie de l’exercice pour mener et évaluer l’épreuve d’effort. L’exercice induit des changements physiologiques tels qu’une augmentation de la ventilation, une vasodilatation coronarienne, une augmentation de la pression artérielle, etc. L’objectif de ces changements est simplement de permettre au système cardio-pulmonaire d’augmenter son apport d’oxygène aux muscles squelettiques et au myocarde. La consommation d’oxygène – et donc la demande d’oxygène – augmente parallèlement à l’intensité de l’exercice. Les changements physiologiques (adaptations) deviennent plus prononcés à mesure que l’intensité de l’exercice augmente. Le système nerveux autonome est le premier à réagir à l’exercice. Il réagit en réduisant l’activité parasympathique et en augmentant l’activité sympathique. Cette réaction a de multiples effets qui sont examinés en détail ci-dessous. Cet article traite de la physiologie de l’exercice et met l’accent sur la consommation d’oxygène du myocarde et le développement de l’ischémie myocardique au cours de l’exercice. Les modifications de l’ECG sont brièvement mentionnées (une discussion approfondie sur les modifications de l’ECG est présentée dans l’article suivant).

Effets physiologiques de l’exercice

Les principaux effets physiologiques de l’exercice sont résumés ci-dessous.

Les fibres parasympathiques innervent à la fois le nœud sinusal (SA) et le nœud auriculo-ventriculaire (AV). La stimulation parasympathique réduit l’automaticité du nœud sinusal, ce qui diminue la fréquence cardiaque. L’activité parasympathique diminue également la transmission des impulsions dans le nœud AV. Ainsi, le retrait de l’activité parasympathique entraîne une augmentation de la fréquence cardiaque et une augmentation de la transmission des impulsions à travers le nœud AV.

Les fibres sympathiques innervent l’ensemble du cœur, en particulier le myocarde ventriculaire. La stimulation sympathique a un effet inotrope positif (c’est-à-dire qu’elle augmente la force contractile du myocarde), un effet chronotrope positif (c’est-à-dire qu’elle augmente la fréquence cardiaque en augmentant l’automatisme du nœud sinusal) et un effet bathmotrope positif (c’est-à-dire qu’elle augmente la transmission des impulsions à travers le myocarde). Ainsi, l’augmentation de l’activité sympathique entraîne une augmentation de la fréquence cardiaque et des contractions plus fortes.

L’exercice physique augmente le retour veineux vers le cœur, ce qui entraîne une augmentation de la précharge cardiaque. Les mécanismes sont les suivants :

1. L’activité sympathique provoque une constriction des veines, ce qui augmente le retour veineux vers le cœur.
2. Les muscles contractés fonctionnent comme une pompe qui propulse le sang vers le cœur.
3. La profondeur respiratoire (volume) augmente, ce qui réduit la pression intrathoracique en augmentant le volume intrathoracique. La réduction de la pression intrathoracique aspire passivement le sang vers le cœur.

L’augmentation de la précharge entraîne une augmentation de la pression et du volume ventriculaires qui, à leur tour, augmentent le volume de l’apoplexie. Cela s’explique par le mécanisme de Frank-Starling, qui implique que le myocarde ventriculaire répond à l’augmentation de la pression/du volume ventriculaire en augmentant sa contractilité. Le mécanisme de Frank-Starling est amplifié par les effets inotropes positifs de la stimulation sympathique. L’augmentation du volume systolique et de la fréquence cardiaque entraîne une augmentation du débit cardiaque.

La pression artérielle systolique augmente lorsque le débit cardiaque augmente. La pression artérielle diastolique n’est pas affectée par les variations du débit cardiaque. Par conséquent, la pression artérielle diastolique n’est pas affectée par l’exercice (elle peut même parfois baisser de 10 mmHg). La pression artérielle moyenne (PAM) augmente en raison de l’augmentation de la pression artérielle systolique pendant l’exercice.

L’augmentation du débit cardiaque au cours d’un exercice modéré résulte de l’augmentation du volume systolique et de la fréquence cardiaque. Toutefois, lorsque la moitié environ du débit cardiaque maximal est atteinte, le volume systolique ne peut plus augmenter, ce qui signifie que toute nouvelle augmentation du débit cardiaque dépend d’une augmentation de la fréquence cardiaque. Comme l’illustre la figure 1, le débit cardiaque peut être multiplié par six au cours d’un exercice d’intensité maximale.

Le retrait de l’activité parasympathique et l’augmentation de l’activité parasympathique provoquent une vasoconstriction des artères rénales, des artères abdominales et de la peau. Le volume sanguin est ainsi redirigé vers les muscles, le cœur et le cerveau, où les artères sont plutôt dilatées pour permettre une augmentation du flux sanguin. La vasodilatation dans les muscles, le cœur et le cerveau est provoquée par les catécholamines, le monoxyde d’azote (NO) et l’accumulation de déchets métaboliques. La vasoconstriction dans les reins, la peau et l’abdomen est à peu près égale à la vasodilatation dans le cerveau, le cœur et les muscles. En fin de compte, la résistance vasculaire périphérique est à peine affectée par l’exercice.

Fréquence cardiaque pendant l’épreuve d’effort

La fréquence cardiaque doit augmenter dès le début de l’exercice. La fréquence cardiaque doit alors augmenter de façon presque linéaire avec la charge de travail. Les personnes bien entraînées, ainsi que celles qui prennent des bêta-bloquants, présentent une augmentation plus lente de la fréquence cardiaque. La fréquence cardiaque maximale est plus basse chez les personnes âgées en raison d’une sensibilité réduite aux catécholamines. La fréquence cardiaque diminue rapidement au cours de la première minute de récupération (en raison du retour de l’activité vagale), puis elle diminue lentement jusqu’à ce qu’elle se normalise (retour à la ligne de base).

Réponse de la pression artérielle au cours d’une épreuve d’effort

La pression artérielle systolique doit augmenter régulièrement pendant l’exercice. Pratiquement tous les patients présentent une tension artérielle systolique supérieure à 150 mmHg. La pression artérielle diastolique reste inchangée ou peut baisser légèrement (jusqu’à 10 mmHg). Les hommes et les personnes âgées présentent une augmentation plus prononcée de la pression artérielle systolique. Une fois l’exercice terminé, la pression artérielle diminue régulièrement jusqu’à ce qu’elle se normalise, ce qui prend généralement 5 minutes. Il est à noter que la pression artérielle systolique peut descendre en dessous des valeurs de base après l’exercice et qu’il peut s’écouler jusqu’à 6 heures avant qu’elle ne revienne à ses valeurs de base.

Métabolisme myocardique et ischémie (ischémie)

Il est essentiel de comprendre les principes du métabolisme myocardique pour comprendre comment diverses situations peuvent provoquer une ischémie myocardique et un infarctus. L’ischémie myocardique survient lorsque la demande en oxygène du myocarde dépasse l’apport en oxygène. En d’autres termes, l’ischémie est le résultat d’un déséquilibre entre la demande et l’apport en oxygène. Ce déséquilibre peut être dû à une occlusion artérielle aiguë (syndrome coronarien aigu), à une sténose chronique mais stable de l’artère coronaire (athérosclérose) ou à d’autres causes non coronaires telles que l’anémie. Les principaux déterminants de la consommation d’oxygène par le myocarde sont les suivants :

• Pression artérielle
• Fréquence cardiaque
• Force contractile (contractilité)
• Tension de la paroi ventriculaire

La demande en oxygène est positivement corrélée à chacun de ces éléments. En d’autres termes, si la pression artérielle, la fréquence cardiaque, la contractilité ou la tension de la paroi augmentent, la demande en oxygène du myocarde augmentera également. Le terme tension de la paroi ventriculaire se réfère simplement à la charge de travail de la paroi ventriculaire ; elle est déterminée par la pression dans le ventricule, l’épaisseur du myocarde et le diamètre du ventricule.

Il est évident que la mesure de la contractilité et de la tension de la paroi est trop laborieuse pour la pratique clinique de routine. La pression artérielle et la fréquence cardiaque sont beaucoup plus faciles à évaluer et le produit de ces deux paramètres (fréquence cardiaque × pression artérielle) fournit en fait une estimation raisonnable de la demande en oxygène du myocarde. Ce produit est souvent appelé produit débit-pression (ou double produit, ou produit cardiovasculaire) :

Produit de pression = fréquence cardiaque × pression artérielle systolique (mmHg)

Ainsi, le produit fréquence-pression est une estimation du stress subi par le myocarde. Il est basé sur le nombre de contractions par minute (fréquence cardiaque) et la pression contre laquelle le ventricule pompe (pression artérielle systolique). Le produit pression fréquence offre un moyen simple d’estimer la demande en oxygène et donc la consommation d’énergie du cœur. L’objectif lors d’une épreuve d’effort est d’obtenir un produit pression fréquence d’au moins 25000, ce qui indique que la charge de travail a été suffisante.

Réponse hémodynamique (charge de travail)	Taux pression produit
Haut	>30000
Intermédiaire élevé	25000 – 30000
Intermédiaire	20000 – 25000
Intermédiaire faible	15000 – 20000
Faible	10000 – 15000

Dans des circonstances normales, le débit sanguin coronaire s’adapte à la demande en oxygène du myocarde. Le débit sanguin coronaire augmente pendant l’exercice afin de répondre à la demande accrue en oxygène du myocarde. L’ischémie myocardique survient en présence de plaques d’athérome qui provoquent une sténose de l’artère. Les plaques d’athérome varient en taille ; elles peuvent être négligeables ou complètement oblitérantes. Une petite sténose provoque rarement des symptômes au repos, mais elle peut en provoquer pendant l’exercice parce que la demande en oxygène augmente pendant l’exercice (la sténose empêche l’augmentation nécessaire de l’apport en oxygène). Le produit débit-pression peut être utilisé pour estimer la gravité d’une sténose ; les symptômes d’ischémie (angine de poitrine) à des produits débit-pression faibles indiquent que la sténose est grave. En outre, dans le cas d’une sténose stable, les symptômes d’ischémie apparaissent généralement pour le même produit débit-pression. Le produit débit-pression n’est cependant qu’une approximation de la charge de travail du myocarde et certaines études montrent en fait que l’évaluation subjective de la performance du patient est au moins aussi bonne que l’estimation de la charge de travail du myocarde.

Ischémie myocardique : manque de flux sanguin vs. déséquilibre entre l’offre et la demande

Depuis qu’Eugene Braunwald et ses collègues ont élucidé les déterminants de la demande en oxygène du myocarde, les chercheurs ont débattu de la véritable nature de l’ischémie myocardique. Il existe deux théories concurrentes (la première a déjà été présentée ci-dessus) qui sont brièvement expliquées :

• La plupart des chercheurs se sont accordés sur la théorie de l’offre et de la demande, selon laquelle l’ischémie survient lorsque la demande excède l’offre. En d’autres termes, l’ischémie est le résultat d’un déséquilibre entre l’offre et la demande.
• La théorie concurrente affirme que le myocarde ne peut jamais connaître de déséquilibre parce qu’il adapte sa consommation d’oxygène (métabolisme) à l’apport d’oxygène. En d’autres termes, le myocarde réduira sa consommation d’oxygène – et donc sa contractilité – si l’oxygène n’est pas disponible en quantité suffisante. En conséquence, le métabolisme des cellules myocardiques suit l’apport en oxygène. Le métabolisme est progressivement régulé à la baisse à mesure que l’apport en oxygène diminue ; plus le manque d’oxygène est prononcé, plus la réduction du métabolisme (et donc de la contractilité) est importante. Cette théorie est étayée à la fois par la recherche et par les observations cliniques. Par exemple, des études animales et cliniques montrent que lorsque le flux sanguin coronarien est interrompu, le myocarde affecté cesse immédiatement de se contracter et devient “étourdi”. Lorsque le flux sanguin revient, le myocarde reprend progressivement ses contractions. Selon cette théorie, l’ischémie myocardique ne peut être que le résultat d’un manque absolu d’oxygène.

Les lecteurs intéressés sont invités à consulter: G Heusch, Myocardial Ischemia. Circ Res, 2016 et E Braunwald, Limitation of Infarct Size and the Open Artery Theory. Circulation, 2016.

Il est cependant indéniable que le degré de sténose est en corrélation avec le niveau d’ischémie. Une sténose causant une obstruction luminale de 50 % peut ne provoquer aucun symptôme. Une sténose causant une obstruction luminale de 50 à 70 % provoque généralement des symptômes (angine de poitrine) pendant l’exercice. Une sténose causant une obstruction luminale de 90 % provoque généralement des symptômes au repos. Notez que ces principes sont modifiés par plusieurs facteurs, dont les plus importants sont :

• Circulation collatérale : Les artères collatérales peuvent être très efficaces. En fait, une occlusion complète de l’artère descendante antérieure gauche (LAD) peut ne provoquer aucun symptôme s’il existe des vaisseaux collatéraux alimentant la LAD.
• Localisation de la sténose : Une occlusion/sténose proximale affectera une plus grande partie du myocarde qu’une occlusion/sténose plus distale.
• Autorégulation coronarienne : Les artères coronaires athéroscléreuses ont tendance à compenser la sténose en relâchant le muscle lisse autour de la plaque athéroscléreuse. Il en résulte une vasodilatation locale au niveau de la plaque. Par conséquent, aux premiers stades de l’athérosclérose, la lumière (diamètre) peut ne pas être affectée par la plaque (c’est pourquoi la coronarographie peut également être faussement négative). Toutefois, à mesure que le processus athéroscléreux se poursuit et que la plaque se développe, elle provoque progressivement un rétrécissement de la lumière en dépit de tout mécanisme d’autorégulation.
• La longueur de la sténose : Une sténose longue aura un impact plus important qu’une sténose courte.

La cascade ischémique : de l’ischémie aux modifications de l’ECG et à la douleur thoracique

Les patients souffrant de syndromes coronariens aigus qui sont surveillés au moyen d’une surveillance continue du segment ST ne signalent des symptômes que dans environ 40 % des épisodes ischémiques détectés au moyen d’une surveillance continue du segment ST. Il s’ensuit que 60 % des épisodes ischémiques sont asymptomatiques, ce qui implique que l’absence de symptômes ne permet pas d’exclure une cardiopathie ischémique. D’autre part, les patients souffrant d’une cardiopathie ischémique symptomatique (c’est-à-dire l’angine de poitrine) présenteront presque invariablement des modifications ischémiques de l’ECG pendant les épisodes de douleur thoracique. En résumé :

• 60 % des épisodes ischémiques sont asymptomatiques.
• Les patients souffrant de douleurs thoraciques dues à une ischémie myocardique présentent presque toujours des modifications ischémiques à l’ECG.

La cascade ischémique – qui est la séquence d’événements qui se produisent lors d’un épisode d’ischémie – explique ces phénomènes. La figure 2 (ci-dessous) illustre la cascade ischémique. Étudiez attentivement cette figure, car elle explique pourquoi l’absence de modifications ischémiques de l’ECG lors d’une douleur thoracique exclut virtuellement l’ischémie myocardique comme cause.

La cascade ischémique est la séquence d’événements qui se produisent entre le début de l’ischémie cellulaire et les symptômes cliniques. Pendant l’exercice, chez les patients présentant une sténose importante de l’artère coronaire, le myocarde reçoit moins d’oxygène qu’il n’en faut pour répondre aux besoins métaboliques. Le manque d’oxygène entraîne une diminution de la production d’ATP (adénosine triphosphate) et une augmentation de la production d’acide lactique. La diminution de la production d’ATP entraîne une régulation à la baisse du métabolisme cellulaire et de la contractilité. La cellule peut même cesser complètement de se contracter si l’ischémie est grave. Le terme “myocarde assommé” fait référence à un myocarde immobile en raison d’une ischémie sévère. La régulation à la baisse du métabolisme et de la contractilité est nécessaire pour que la cellule survive à l’ischémie (les conséquences de l’ischémie seraient plus graves si les processus cellulaires s’étaient poursuivis sans modification pendant l’ischémie). La diminution de la disponibilité de l’ATP affecte les protéines de la membrane cellulaire (en particulier les canaux ioniques). Il en résulte finalement une altération de la fonction de la membrane cellulaire et des changements dans les potentiels électriques à travers la membrane cellulaire, ce qui provoque à son tour des dépressions du segment ST. Les symptômes cliniques (notamment la douleur thoracique) apparaissent si l’on laisse l’ischémie se poursuivre. Cette séquence d’événements est décrite dans la figure 2 ci-dessus. Il convient de noter ce qui suit :

• Il y a une limite à la durée pendant laquelle la cellule peut survivre à l’ischémie, même si elle réduit son métabolisme. En général, le myocarde survit à une ischémie sévère pendant 20 minutes avant que les cellules ischémiques ne meurent.
• L’ischémie n’entraîne des modifications de l’ECG que si elle touche suffisamment de myocarde. Les modifications de l’ECG surviennent avant les symptômes cliniques. En d’autres termes, les symptômes cliniques (par exemple, une douleur thoracique) sont les derniers événements d’un épisode ischémique. Il s’ensuit que l’ischémie myocardique peut être présente même en l’absence de symptômes cliniques. L’ECG détecte plus d’épisodes ischémiques que le patient n’en ressent.