Adaptation Respiratoire à l’Exercice Pr. A. DENJEAN

O2 Adaptations cardio-vasculaires et respiratoires CO2 VT  Fr Ves FC VO2 VCO2 O2 Circulation = vasodilatation Ves FC VT  Fr CO2

D’après K. Wasserman

Etapes du Transport d’O2 1 - Convection Ventilatoire 2 - Diffusion alvéolo-capillaire 3 - Convection circulatoire 4 – Diffusion capillaro-tissulaire Métabolisme tissulaire

Voies métaboliques de l’exercice Voie anaérobie lactique Ac. lactique NADH2 Glucides Ac. Pyruvique CO2 + H2O mitochondrie Voie aérobie NADH2 ADP ATP Phosphocréatine Créatine + PO4 Voie anaérobie alactique Trois sources possibles de production d’ATP

Etape contrôlée : adaptée aux besoins L’adaptation ventilatoire permet d’apporter l’O2 necessaire au métabolisme des muscles et d’éliminer le CO2 produit Hématose Ventilation Le maintien de PAO2 et PACO2 constantes exige une ventilation adaptée aux besoins

Trois aspects de l’adaptation à l’exercice Aspect quantitatif : évolution en fonction de l’intensité de l’exercice. Aspect cinétique : délais d’adaptation et de récupération. Aspect qualitatif : conditionnant le rendement ventilatoire

Aspect quantitatif Exercices en rampe

Adaptation en fonction de l’intensité Wassermann et col PaCO2 (mmHg) pH Repos Exercice Proportionnalité entre VO2 et intensité de l’exercice Notion de VO2 maximale . . Notion de seuil anaérobie inférieur à la VO2 max . Rupture de pente de la ventilation : hyperventilation vraie car hypocapnie VCO2 ventilé > VCO2 tissulaire : QR > 1

VO2 max. fonction de l’age et du sexe Hermansen

Relation VO2 max - seuil anaérobie . Relation VO2 max - seuil anaérobie Wassermann

Lactates et exercice

Aspect cinétique Exercices en palier

Adaptation en fonction du temps Exercice intense Exercice modéré Consommation d’oxygène Exercice Récupération Exercice Récupération Temps Notion de délais d’adaptation Notion de dette en O2 Notion d’état stable pour les intensités modérées

Adaptation en fonction du temps K.Wassermann 1986

Notion de seuil anaérobie Taux de lactate et consommation d’O2 en fonction du temps et de l’intensité Production continue augmentant avec l’intensité Pas d’état stable au dessus du SA SA = Seuil d’accumulation

Modalités de l’adaptation ventilatoire Aspect qualitatif Modalités de l’adaptation ventilatoire

Majoration préférentielle du volume courant pour les exercices modérés Réserve expiratoire Réserve inspiratoire VT FR VT augmente au dépend des réserves inspiratoire et expiratoire Intensité VT max limité à 50 – 60 % de la CV FR max de l’ordre de 35 à 40 / min

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

Ventilation Alvéolaire efficace 12 FECO2 % 5 Inspiration Expiration

VD/VT à l’exercice et rendement ventilatoire K.Wassermann 1986 modifié L’augmentation de VT améliore le rendement ventilatoire B.Whipp S.Ward

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

PaCO2 et rendement ventilatoire B.J.Whipp and S.A.Ward, 1986 Le rendement ventilatoire en hypocapnie est moins bon

Limitation ventilatoire à l’exercice ? Hyperventilation à l’exercice maximal . . VE continue d’augmenter alors même que la VO2 max. plafonne PAO2 à 120 mmHg et PACO2 à 30 mmHg Pas de désaturation artérielle : le CaO2 reste maximal Débits et pressions nettement infra maximaux Courbes débit - volume loin de l’enveloppe maximale Réserves ventilatoires de l’ordre de 50 à 60 % des capacités théoriques P inspiratoires d’environ 15 à 30 % PI max. P expiratoires au maximum de l’ordre de 3 % PE max. Puissance de l’ordre de 30 % de celle qui est développée en hyperventilation volontaire Pas de signe EMG de fatigue des muscles respiratoires

Relation Pression Volume EM max Inman et al, 1988

Limitation ventilatoire en pathologie D.J.Leaver and N.B.Pride, 1971

Limitation ventilatoire à l’exercice ? Hyperventilation à l’exercice maximal . . VE continue d’augmenter alors même que la VO2 max. plafonne PAO2 à 120 mmHg et PACO2 à 30 mmHg Pas de désaturation artérielle : le CaO2 reste maximal Débits et pressions nettement infra maximaux Courbes débit - volume loin de l’enveloppe maximale Réserves ventilatoires de l’ordre de 50 à 60 % des capacités théoriques P inspiratoires d’environ 15 à 30 % PI max. P expiratoires au maximum de l’ordre de 3 % PE max. Puissance de l’ordre de 30 % de celle qui est développée en hyperventilation volontaire Pas de signe EMG de fatigue des muscles respiratoires

Effets de l’entraînement

Effets de l’entraînement . L’entraînement augmente à la fois la VO2 max et le seuil anaérobie K wasserman and B.J.Whipp, 1975

Entraînement et exercices sous maximaux D.C.Poole et al, 1990 . Pour un même niveau d’exercice sous maximal, la VO2 diminue

Débits proches des débits maximaux Athlète repos Exercice maximal Adulte normal B.J.Whipp and R.Pardy modifié, 1986

Diffusion alvéolo-artérielle

Echanges alvéolo-capillaires Mécanisme passif, nécessite un temps de contact suffisant

Conditions de diffusion à l’exercice Exercice max PAO2 120 mmHg PvO2 20 mmHg DavO2 = 75 à 80 % Temps d’équilibration augmenté Repos PAO2 100 mmHg PvO2 40 mmHg DavO2 = 25 % Temps d’équilibration d’environ 25 msec } DP 60 } DP 100 A l’exercice, le temps de contact est réduit, le temps d’équilibration augmente et DP varie peu : Nécessité d’une augmentation importante de DLO2

DLCO et Qc à l’exercice D ml.min-1.torr-1 100 80 60 40 20 1 2 3 4 1 2 3 4 P.Cerretelli and P.E. di Prampero 1997 DO2 DCO Clark et al 1985

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

DAaO2 à l’exercice DAaO2 à 20 - 25 mmHg au seuil anaérobie et 30 à la VO2 max 3 hypothèses : Shunt vrai Hétérogénéités des rapports ventilation / perfusion trouble de diffusion . J.A.Dempsey et al 1984

Echanges gazeux à l’exercice max. Repos Exercice maximal PAO2 100 mmHg PaO2 90 mmHg 85 à 90 mmHg 115 à 120 mmHg 10 mmHg 30 mmHg Pas d’hypoxémie notable, pas de diminution du CaO2

Conséquences du trouble diffusionnel de l’exercice max PaO2 > 80mmHg SaO2 voisin de 100% CaO2 maximal Une PaO2 supérieure ne permettrait pas d’améliorer le CaO2 è non limitant

Diffusion alvéolo-capillaire chez l’athlète pO2 (mmHg) Temps de transit des globules rouges (msec) 200 400 600 800 1000 1200 20 40 60 80 100 120 Athlète Temps de transit disponible pO2 alvéolaire Sédentaire PvO2 plus faible nécessitant un temps d’équilibration plus long Alors que le temps de transit est diminué

Hypoxémie induite par l’exercice La PaO2 peux diminuer chez l’athlète de haut niveau, d’autant plus que la VO2 est élevée . SaO2 (%) 84 88 92 94 96 98 90 86 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 VO2 max (l/min)

Transport sanguin

Transport sanguin d’O2 VO2 = QC x DavO2 Transport sanguin Débit Cardiaque DavO2 Transport sanguin Extraction périphérique

Echanges tissulaires à l’exercice    Trajet capillaire PO2 mmHg 100 Repos Exercice L’augmentation de l’extraction aboutit à une réduction incontournable du gradient de diffusion Le seul moyen d’augmenter le débit d’O2 est donc d’augmenter massivement DTO2

Capacité de diffusion Tissulaire Surface d’échange Distance de diffusion Les deux dépendent du degré de vasodilatation Conditionné par l’ouverture des sphincters précapillaires (très faible fraction ouverte au repos)

Limitation diffusionnelle ? Si le débit sanguin est trop important pour la capacité de diffusion locale : la vitesse de circulation augmente et l’extraction d’O2 diminue Trajet capillaire PO2 mmHg 100 Qc ,v  . Qc , v  =   Etape limitante possible

Entraînement et Échanges tissulaires 1,0 2,0 3,0 Consommation d’oxygène (l.min-1) 4,0 5,0 10 20 DavO2 (mlO2/100 ml de sang) Collégiens non entraîné Collégiens après 55 j entraînement Athlètes En début d’entraînement, on observe une augmentation de la DavO2 qui plafonne rapidement ensuite. Roca et al 1992 L’amélioration de la capacité de diffusion tissulaire par la capillarisation permet d’extraire un débit d’O2 plus important avec le même gradient

. Limitation de la VO2max Ventilation et diffusion alvéolocapillaire non limitants - PaO2 et CaO2 normaux à l’exercice chez des sujets normaux - non amélioré par inhalation d ’O2 Limitation cardiaque - Fc max et VES max atteint - hypertrophie cardiaque en cas d’entraînement intensif Limitation périphérique - DavO2 max atteinte - augmentation de la capillarisation musculaire en cas d’entraînement

Facteurs limitants potentiels Transport Sanguin : Fonction de l’age Transport Sanguin : Fonction de l’entraînement Structurel vasculaire PaO2 : Ventilation Diffusion Diffusion Tissulaire