Diffusion et ventilation à l’exercice

1. Diffusion et ventilationà l’exercice Aurélien Pichon

2. Etapes du Transport de l’O2 1 1 - Convection Ventilatoire 2 2 - Diffusion alvéolo-capillaire 4 Équations de Fick 3 - Convection circulatoire 3 4 – Diffusion capillaro-tissulaire 4 Métabolisme tissulaire

3. Transport Sanguin : Fonction de l’âge/Entrainement PaO2 : Ventilation Diffusion Structurel vasculaire Transport Sanguin : Fonction de l’entraînement Diffusion Tissulaire Équation de Fick

4. Pourquoi la ventilation augmente ? • Apporter l’O2 à l’organisme • Maintenir l’homéostasie : pH (7.40), la PaO2 (100 mmHg) et la PaCO2 (40 mmHg).

5. Résistances en série 4 résistances en série : même VO2 à tous les niveaux Notion d’étape limitante Sang Veineux mêlé Gaz Inspiré Gaz Alvéolaire Sang Artériel Tissus J.B.West modifié

6. Échanges Gazeux • Diffusion • Haute concentration  Faible Concentration • Résultats d’une différence de pression partielle • O2: Alvéoles – Sang – Tissus • CO2: Tissus – Sang - Alvéoles

7. Ventilation adaptée aux besoins La ventilation correspond au renouvellement du gaz alvéolaire Hématose = échanges gaz alvéolaire - sang La composition du gaz alvéolaire résulte d’un équilibre dynamique entre deux entrées et deux sorties Le maintien de PAO2 et PACO2 constantes exige une ventilation adaptée aux besoins Ventilation Hématose

8. O2 CO2 Surfactant: diminue la tension superficielle de la surface ==> empêche les alvéoles de s’affaisser.

9. Résistances diffusionnelles J.M.B.Hughes Deux résistances en série A l’exercice, le temps de contact est réduit et DP varie peu : nécessité d’une augmentation importante de DLO2 (Diffusion pulmonaire O2) 1/Dm = résistance membranaire 1/Vc = résistance vasculaire

10. Diffusion alvéolo-capillaire • Déterminé par l’équation de Fick : • V (ml/mmHg/min) = D x dP x S/e • D = coefficient de diffusion • S = surface de l’aire de diffusion • dP = gradient de pression • e = Epaisseur de la membrane

11. Diffusion alvéolo-capillaire Déterminé par l’équation de Fick : D D

12. Diffusion alvéolo-capillaire • Constante de diffusion (D) dépend : • propriété du tissu • gaz considéré • Constante de diffusion proportionnelle à la solubilité du gaz (Sol) et inversement proportionnelle au poids moléculaire (PM) : • D = Sol / (PM)1/2 • CO2 diffuse 20 fois plus vite que l’O2 !

13. Diffusion alvéolo-capillaire à l’exercice Au cours de l’exercice : • augmentation de la pression transmurale et dilatation des vaisseaux pulmonaires • ouverture de capillaires précédemment non perfusés élargissement de la surface effective d’échange alvéolo-capillaire (S augmente) petite augmentation de la pression dans la circulation pulmonaire malgré une forte augmentation du débit cardiaque (Qc)

14. Diffusion alvéolo-capillaire à l’exercice Valeurs moyennes de Do2 (44 sujets) et de Dco (318 sujets) en fonction de VO2.

15. PAP à l’exercice

16. PAP à l’exercice 10 20 30 40 Pression artérielle pulmonaire moyenne (mmHg) 5 10 15 20 25 Qc (L/min)

17. Perfusion pulmonaire Exercice Repos

18. Le rapport ventilation/perfusion au cours de l’exercice Le rapport ventilation/perfusion (VA/Q) : • Repos : VA/Q = 0,8 (4 L.min-1 / 5 L.min-1) • Exercice x 3 à 8 : VA/Q = 4 (100 L.min-1 / 25 L.min-1) • VA x 15 -20 • Q x 4 -5.

19. Le rapport ventilation/perfusion au cours de l’exercice VA/ Q plus uniforme au cours de l’exercice : • Réduction de la non-homogénéité de la distribution du rapport ventilation/perfusion au niveau régional. • Mais augmentation de l’hétérogénéité du rapport VA/Q dans des zones particulières du poumon (Gale et coll., 1985).

20. Echanges gazeux normaux

21. Recrutement :  "marée montante" Repos : 1/3 temps de transit Protrusion des capillaires dans l’alvéole Vitesse optimale Trop rapide Majoration de la surface d’échange alvéolo-capillaire à l’exercice Augmentation de la PA différentielle Augmentation PAP Augmentation de la vitesse de circulation Vitesse max fonction du rapport entre le débit et la surface d’échange

22. Hypoxémie induite par l’exercice En général PaO2 suffisante pour assurer une complète saturation en O2 de l’hémoglobine (98%). PB des athlètes de haut niveau au cours d’exercices épuisants : • réduction du temps de transit des hématies dans la circulation capillaire pulmonaire • œdème pulmonaire ... désaturation en O2 du sang artériel (SaO2 < 88%)

23. Structure de la barrière (ou membrane) alvéolo-capillaire

24. Gradient alvéolo/artérielà l’exercice • Gradient alvéolo-artériel pour l’oxygène (AaDo2) • Au repos : 10 mmHg • Au Seuil : 20-25 mmHg • VO2MAX : 30 mmHg Valeurs moyennes de PaO2 et de PaCO2 (± écart type) en fonction de (VO2). En trait fin, ajustements respectifs de PAO2 et PACO2. La largeur de la zone pointillée indique les valeurs de AaDo2 et de aADco2 (d’après Cerretelli et Di Prampero, 1987).

25. Le rapport ventilation/perfusion au cours de l’exercice Causes probables de modification de AaDo2 à l’exercice : • inégale distribution du rapport ventilation/perfusion (VA/Q) dans les différents lobes du poumon. • augmentation des courts-circuits (shunts) veino-artériels. • inégale distribution de la capacité de diffusion du poumon.

26. Adaptations respiratoires accessoires • Bronchodilatation • Augmentation de la différence alvéolo-capillaire en O2 (PAO2 – PcO2)  • Ouverture d’alvéoles supplémentaires • Faible diminution de l’épaisseur de la membrane alvéolo-capillaire

27. Mesure de la ventilation (VE) • VE = nombre de L d’air mobilisés par le sujet en L/min • Méthode de mesure : • en circuit fermé par spiromètrie. • en circuit ouvert : utilisation du pneumotachographe

28. Mesure de la ventilation (VE) • VE = Vt x Fr • VE = 0.5 x 18 • VE = 8 à 10 L au repos • Vt = volume courant (tidal volume) • Fr = fréquence respiratoire

29. Mesure de la ventilationalvéolaire (VA) • VA = (Vt – VD) x Fr • VA = (0.5-0.15) x 18 • VA = 6.3 L au repos • Vt = volume courant (tidal volume) • VD = espace mort anatomique (+/- physiologique!) • Fr = fréquence respiratoire

30. Trois aspects de la ventilation à l’exercice • Aspect quantitatif : évolution de la VE en fonction de l’intensité de l’exercice • Aspect cinétique : délais d’adaptation et de récupération • Aspect qualitatif : déterminant du rendement ventilatoire

31. Évolution du régime ventilatoire à l’exercice • Chez les sujets NE : • VEMAX vont se situer entre 120 et 150 L/min. • Fr = 60-80 cycl.min-1 • Vt = 1.8-2.4 L • VEMAX < VMM (Ventilation Max Minute)

32. Évolution du régime ventilatoire à l’exercice • Chez les sujets Entraînés : • très vite au Vt optimal : permet de retarder l’augmentation de sa Fr. • respiration à grand Vt et petite Fr : meilleur ventilation alvéolaire. • VEMAX = 180-200 L/min. • VEMAX < VMM

33. Réserve inspiratoire Réserve expiratoire Majoration préférentielle du volume courant pour les exercices modérés VT FR VT augmente au dépend des réserves inspiratoire et expiratoire dans la limite des possibilités de la CV Intensité

34. Relation VT max. CV 4 3 Volume courant maximal, litres 2 1 2 4 6 Capacité Vitale, litres 7 Capacité pulmonaire totale 5 Volumes en litre Capacité vitale 3 1 Volume résiduel 20 40 60 80 Age en années VE max évolue comme la CV VT max limité à 50 – 60 % de la CV FR max de l’ordre de 35 à 60 / min

35. VD/VT à l’exercice et rendement ventilatoire Vt augmente / Vd avec l’intensité de l’exercice : meilleure VA L’augmentation de VT améliore le rendement ventilatoire K.Wasserman B.Whipp S.Ward

36. Coût de l’augmentation du VT A fort volume, la même augmentation de volume nécessite de développer des variations de pression plus importantes DV DP DV DP B.Whipp R.Pardy

37. Résistances des voies aériennesà l’exercice • Turbulences maximales au niveau des VA supérieures surtout en ventilation nasale • Bronchodilatation adrénergique par voie essentiellement humorale • Bronchoconstriction favorisée par l’air froid et sec, la pollution, les irritants. • Résistances majeures dans les VA de diamètre moyen

38. Pressions et débits à l ’exercice

39. Limitation ventilatoire en pathologie

40. Effets de l’entraînement Exercice chronique adaptation de l’organisme : • études transversales au repos ( sujet sédentaire / sujet entraînés). • études longitudinales (avant et après l’entraînement).

41. Volumes et capacités pulmonaires Peu de modifications : • Augmentation de la CVF. • Diminution du VR. • Augmentation de la force des muscles respiratoires.

42. Débits ventilatoires Au repos : • Pas d ’effets sur les débits. • Mais régulation modifiée par l’entraînement : • baisse de la sensibilité des chémorécepteurs. • diminution demande ventilatoire.

43. Débits ventilatoires Exercice sous-maximal : Pour une même intensité absolue : • Baisse du VE et augmentation VE/VO2 : baisse relative du coût énergétique de la VE. • Baisse de la FR chez l’athlète. meilleur conditions métaboliques (meilleur capacité oxydative) moindre augmentation de l’activité orthosympathique

44. Débits ventilatoires Baisse VE sous max = adaptation au niveau des muscles entraînés : - meilleur conditions métaboliques (meilleur capacité oxydative). - moindre augmentation de l’activité sympathique. Exercice sous-maximal : VE (L.min-1)

45. Débits ventilatoires Exercice maximal : Augmentation du VEmax : • Sédentaire : 100/120 L.min-1 • Sujet entraîné : 150 L.min-1 et peut être supérieur à 180 L.min-1. • Sujets très entraîné jusqu’à 240 L.min-1

46. Débits ventilatoires Exercice maximal : • Augmentation du VEmax principalement par une augmentation de la FRmax. • Légère augmentation du Vt seulement si la capacité vitale est augmentée. • Augmentation du VEmax avec l’entraînement corrélée à l’augmentation de la VO2MAX.

47. Seuils ventilatoires • Décalage de ce seuil vers la droite = Recours beaucoup plus tardif au métabolisme glycolytique pour la fourniture d’énergie du fait : • moindre production d’acide lactique chez le sujet entraîné. • augmentation de son utilisation par la cellule (augmentation de la capacité oxydative, du contenu des enzymes : LDH et cycle de Cori). lactatémie toujours plus faible chez le sujet entraîné : rapport production / dégradation diminue.

48. Cinétique de récupération La cinétique de la récupération de la ventilationà la fin d’un exercice standard (même pourcentage de VO2max) nettement plus rapide chez le sujet entraîné : • accumulation réduite des produits du catabolisme musculaire (acide lactique), du fait du décalage du seuil vers de plus hautes charges de travail.

49. Contrôle de la ventilation Hollmann et coll. (1981) : un entraînement régionaldes muscles : • hypothèse centrale (mineure). • hypothèse locale (majeure).

50. Ventilation alvéolaire VAmax augmente avec l’entraînement : • VAmax = 85L/min chez le sédentaire • VAmax = 125L/min chez le sujet entraîné • peut atteindre 170L/min chez le sujet très entraîné : 2 fois plus que le sédentaire = comme VO2max.