TRANSPORT DE L’OXYGENE ET DISTRIBUTION AUX TISSUS. Présenté par Dr GABATO

PLAN INTRODUCTION GENERALITES 1. Définitions 2. Intérêt 3. Rappels II. TRANSPORT D’OXYGENE 1. Pression partielle et solubilité des gaz 2. Propriété de l’hémoglobine et de l’oxygène 3. Saturation de l’hémoglobine 4. Courbe de dissociation DISTRIBUTION TISSULAIRE IV.APPLICATIONS CLINIQUES CONCLUSION

INTRODUCTION Principale fonction respiratoire : le transport de l’O₂ les cellules et l’élimination du CO₂. Réactions de combustion contrôlée par les enzymes impliquent l’O₂ et le nicotinamide dinucléotide phosphate hydrogéné (NADPH). Adulte normal au repos consomme 250 à 300 mL d’O₂/min. Le sang , la fonction respiratoire, le transport d’O₂ Importantes réserves énergétiques dans l’organisme, mais réserve d’O₂ = 0 → apport constant d’oxygène qui franchit d’importantes barrières est nécessaire.

I. GENERALITES 1. Définitions Respiration Ensemble des phénomènes physiologiques: -la captation d’O₂ de l’air par l’organisme - le transport d’O₂ aux cellules pour leur métabolisme et leur croissance - le retour du CO₂ produit du métabolisme cellulaire  l’atmosphère

I. GENERALITES (2) Ventilation: phénomène physiologique mécanique du renouvellement de l’air alvéolaire : Entrée d’air lors d’un mouvement actif : inspiration Rejet d’air lors d’un mouvement passif : expiration Volume d’air idem à l’inspiration et à l’expiration : VT (8-10mL/kg) Ventilation = phénomène automatique à fréquence fixe (12-20 cycles/min) Volume courant: est la quantité d'air inspirée ou expirée à chaque respiration au repos

I.GENERALITE (3) Hématose Phénomène physiologique de la transformation du sang veineux en sang artériel rouge vif Du fait des échanges gazeux alvéolo-capillaires: - le passage de l’O₂ de l’alvéole vers le sang veineux capillaire et - le passage du CO₂ du sang veineux capillaire vers l’alvéole, - la différence de pressions qui existe de part et d’autre de la membrane alvéolo-capillaire - du coefficient de diffusion de ces 2 gaz.

I. GENERALITES(4) L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogène, de symbole O et de numéro atomique 8.masse moléculaire 16 se présente sous de forme dans l’organisme: - O2dissout O2 combiné à l’Hb appélé oxyhémoglobine La pression partielle : est la quantité d'un gaz donnée en unité de pression.

GENERALITES Les lois des gaz Lois des gaz parfaits : P.V = n.R.T Où P = pression ; V = volume ; T = température ; n et R sont des constantes.  Loi de Boyle-Mariotte (dérivant de la loi des gaz parfaits) A température constante, PA . VA = PB . VB  Loi de Dalton (pressions partielles) : La pression partielle d’un gaz est proportionnelle à la fraction de ce gaz dans un mélange gazeux.

GENERALITES  Loi de Henry (Concentration des gaz dissous) : A l’équilibre, la pression partielle d’un gaz en phase liquide correspond à la pression partielle d’un gaz en phase gazeuse. Et sa concentration sous forme soluble dans un liquide est directement proportionnelle à cette pression partielle. Concentration = Solubilité x Pression partielle Loi de FICK (diffusion des gaz) : elle détermine les facteurs influençant la vitesse de diffusion simple d’un gaz à travers une membrane (dialyse, membrane alvéolo-capillaire). Vit. = D . S . dP / de Où D = coefficient de diffusion ; S = surface de l’aire de diffusion ; dP = gradient de pression ; de = épaisseur de la membrane effet finck

I. GENERALITES Freqce et gravté 2. Intérêt Fonction respiratoire = fonction vitale Présence indispensable de l’O₂ à la phosphorylation oxydative, principal mécanisme de fabrication d’énergie par l’organisme. Utilisation de l’oxygène dans les traitements médicaux

I. GENERALITES Rappels physiologiques Composition de l’air atmosphérique sec( au niveau de la mer)

Membrane alvéolo-capillaire vue en coupe Hématose Globule rouge Interstitium (lame basale) Endothélium capillaire capillaire Épithélium alvéolaire O2 CO2 alvéole Membrane alvéolo-capillaire vue en coupe

II.TRANSPORT DE L’OXYGENE 1.Pression partielle en oxygène et solubilité des gaz La pression partielle est l’élément moteur des échanges gazeux dans l’organisme : tout gaz diffuse d’une zone de haute pression partielle vers une zone de basse pression partielle ; la chute de la pression partielle en oxygène de l’air atmosphérique aux mitochondries constitue la cascade d’oxygène.

Figure de la cascade d’oxygène

Pressions atmosphériques et alvéolo-capillaires

II TRANSPORT D’OXYGENE(2) Pression partielle en oxygène et solubilité des gaz(2) La solubilité est l’élément quantitatif du transport de l’oxygène qui est très faiblement soluble dans l’eau La quantité d’un gaz dans un liquide dépend la partielle exercée par ce gaz à la surface du liquide et sa solubilité dans celui-ci (loi de Henry). Co2 = α · PO2 pour une température de 37°C La solubilité des gaz diminue lorsque la température augmente

Constantes de solubilités des principaux gaz présent dans le sang

II.TRANSPORT DE L’OXYGENE(3) 2. Propriétés de l’Hb et de l’oxygène Hb = Protéine, 4 chaînes peptidiques (2 alpha et 2 bêta). Hb : Noyau porphyrique centré autour d’1 atome de fer à l’état ferreux (Fe⁺⁺ ) 2-3 DPG stabilise Hb Fixation d’une molécule d’O₂ facilite la fixation des autres: O₂ effecteur allostérique de sa propre réaction de fixation Hb fixe O₂ , mais aussi ions H⁺ et CO₂ sur d’autres sites CO ou NO peuvent occuper la place de l’O₂

II.TRANSPORT DE L’OXYGENE (4) 2. Propriétés de l’Hb et de l’O₂ (suite) 1g d’Hb fixe1.34 mL d’O₂ c’est le Pouvoir oxyphorique de l’Hb ,donc 15g d’Hb fixe 20.1 mL d’O₂ Concentration de Hb = 30% dans 1 globule rouge Fixation réversible de l’O₂ : Hb + O₂ ↔ HbO₂ 1 mole d’Hb peut fixer 4 moles d’O₂ CaO₂ = (SO₂ x [Hb] x 1.34) Soit environ 200 mL d’O₂ sont liés à 150g d’Hb dans 1L de sang → 98 à 99% de l’O₂ transporté

II.TRANSPORT DE L’OXYGENE (5) O₂ dissout: Loi de HENRY : le volume de gaz dissous est proportionnel à la pression partielle de ce gaz. Oxygène est peu soluble. [O₂ dissous] : Co2 = α · Po2 [O₂ dissous] (ml/100 ml) = 0.003 x PO₂ (mmHg) Moins de 3 mL d’O₂ sont dissous dans 1L de sang → 1 à 2% de l’O₂ transporté par le sang.

II TRANSPORT D’OXYGENE(6) La teneur en oxygène Concentration d’O₂ total véhiculée dans le sang : CaO₂ = [O₂ dissous] + [O₂ lié à l’Hb] CaO₂ = (0.003 x PO₂ ) + (SO₂ x [Hb] x 1.34) 1L sg : 203 mL = 3 mL + 200 mL 1L de sang contient environ 200mL d’O₂ (adulte sain et au repos) : c’est le transport de l’O₂

II.TRANSPORT D’OXYGENE(7) La saturation de l'Hb : Sat O2 = O2 sur HB / capacité totale x 100 est variable elle dépend : de la pression partielle en O2 du pH de la température du CO2 du 2-3 DPG (enzyme issue du métabolisme du glucose se fixant sur Hb en compétition avec O2, dérivé organique phosphoré synthétisé lors d'anémies chroniques, l'organisme s'adapte à la baisse de l'Hb, donc diminue le transport d'O2 en créant le 2-3DPG qui va faciliter le relargage de l'O2 dans les tissu, les besoins en O2 des tissu seront ainsi malgré l'anémie couvert)

II.TRANSPORT D’OXYGENE (8) Saturation de l’Hb (suite) Le déplacement de la courbe vers la droite = plus grand relargage de l'O2 au niveau capillaire tissulaire pour une PO2 donnée = baisse de l'affinité = baisse de la fixation de l'O2 sur l'hémoglobine: si baisse du pH si augmentation de la PCO2 si augmentation de la température (tel un muscle après un exercice physique : acide, hypercapnique et chaud...) si augmentation des 2-3 DPG La fixation sur Hb change selon le métabolisme : tissus en difficulté => relargage de l'O2 facilité (courbe sigmoïde => faible baisse pression partielle en O2 provoque relargage ++ en O2) quand Hb chute, synthèse de DPG facilite ++ largage de l'O2 de l'Hb

II.TRANSPORT D’OXYGENE(9) Courbe de dissociation de l'O2 (Courbe de Bancroft) La courbe de fixation de l'oxygène est sigmoïde, elle se caractérise par 3 phases : Courbe en plateau qui montre que l'Hb est saturé à 97,5% pour une PO2 de 95 mmHg : c'est la phase de captation de l'O2. La saturation de l'Hb est limitée La saturation se modifie peu pour une PaO2 de 75 à 100 mmHg Pour une faiblePaO2 entre 40 et 10mmHg la pente devient très raide et la saturation chute brutalement Pour P50,point d’inflexion de la sigmoïde, est utilisée pour définir une molécule susceptible de fixer l’oxygène de façon réversible : une P50 basse signifie qu’une molécule a une haute affinité pour l’oxygène

II.TRANSPORT DE L’OXYGENE(10) 6. Dissociation de l’HbO₂ C’est la courbe de Bancroft qui met en relation la SaO₂ de l’Hb et la PO₂ Conditions normales : [Hb] = 150g/L pH = 7,40 T° = 37°C PaCO₂ = 40 mmHg Q̇ = 5L/min

Courbe de dissociation de l’HbO2

IITRANSPORT D’OXYGENE(11) 6. DISSOCIATION DE L’HbO₂ Facteurs modifiant l’affinité de l’Hb pour l’O₂ : pH PCO₂ T° 2-3 DPG D’où déviation de la courbe à droite ou à gauche : cette différence contribue à l’efficacité du transport de l’O₂

II. TRANSPORT D’OXYGENE (12) 6. DISSOCIATION DE L’HbO₂ Courbe de Barcroft déviée vers la gauche ↗ affinité de l’Hb pour l’O₂ ↗ fixation O₂ sur Hb Conséquence : Baisse de la délivrance tissulaire d’O₂ et la P50 Causes : pH↗ PCO₂ ↘ T°↘ 2-3 DPG↘ Hb F a P50 égale à 16 mmHg Sujet porteur d’Hte élevée

II.TRANSPORT D’OXYGENE (13) 6.DISSOCIATION DE L’HbO₂ (suite) Courbe de Barcroft déviée vers la droite ↓ affinité de l’Hb pour l’O₂ ↓ fixation O₂ sur Hb Conséquence: augmentation de la quantité d’O₂ délivrée aux tissus et de la P50 Causes : pH↘ PCO₂ ↗ T°↗ 2-3 DPG↗ Certaines hémoglobines héréditairement anormales, ont une P50 augmentée.

II.TRANSPORT DOXYGENE(14) Alternance physiologique d’un déplacement vers la gauche puis vers la droite de la courbe de dissociation de l’oxyhémoglobine Le sang circulant effectue d’incessants allers-retours entre les capillaires pulmonaires et tissulaires, passant de conditions relativement alcalines et hypocapniques à des conditions plus acides et hypercapniques, l’hémoglobine oscillant à chaque cycle d’une affinité augmentée à une affinité diminuée pour l’oxygène. La somme de ces déplacements de la courbe de dissociation de l’oxyhémoglobine autour de la courbe standard contribue à augmenter le pouvoir oxyphorique du sang.

II.TRANSPORT D’OXYGENE(15) Transport artériel de l’oxygène (DO2) La délivrance d’oxygène aux tissus est déterminée par la quantité d’O2 présente dans chaque aliquote ainsi que par le flux sanguin. Le débit cardiaque est le flux sanguin global parvenu aux tissus périphériques La délivrance systémique d’oxygène peut être calculée: DO2 =CaO2 × Q DO2 ={(α PO2) +([Hb] ×SO2 ×1,31 mL/g)} ×Q La différence entre le transport d’oxygène par les artères ( DO2) et le transport d’oxygène veineux mêlé représente la quantité d’oxygène qui est délivrée aux tissus ; cette quantité doit à tout moment compenser la consommation en oxygène C(a – v )O2 × · Q = VO2

III. DISTRIBUTION DE L’OXYGENE(1) Fixation réversible de l’O₂ : Hb + O₂ ↔ HbO₂ Diffusion passive (Cascade de l’O₂) Facteurs dont dépend l’oxygénation tissulaire : Débit circulatoire local et sa répartition dans le réseau capillaire Besoins énergétiques Qualités du sang (vecteur et distributeur d’O₂ ) Capillaires tissulaires → libération de O₂

III.DISTRIBUTION D’OXYGENE AUX TISSUS (2) Le transport d’oxygène jusqu’aux cellules requiert la juxtaposition de phénomènes de convection et de diffusion Dans les conditions physiologiques, la VO2, déterminée par les besoins métaboliques des tissus, est indépendante du DO2. Lorsque celui-ci diminue, plusieurs mécanismes interviennent afin d’accroître le taux d’extraction en oxygène (O2ER) et de maintenir la consommation d’oxygène.

III. DISTRIBUTION D’OXYGENE AUX TSSUS(3) On appelle coefficient d’utilisation, coefficient d’extraction, ou encore taux d’extraction, la différence existant entre la SaO2 et la saturation veineuse mêlée: C(a-v̄) O₂= V̇O₂/Q En dessous d’une certaine valeur de DO2, appelée DO2critique, l’augmentation du taux d’extraction devient insuffisante pour maintenir la VO2 et celle-ci devient dépendante de DO2

III.DISTRIBUTION DOXYGENE AUX TISSUS (4) Deux mécanismes assurent un couplage optimal entre l’apport et la demande en oxygène, protégeant les tissus d’une atteinte hypoxique lorsque O2 est réduit: le premier apparaît au niveau systémique et implique une redistribution régionale du débit sanguin ; le second se développe au sein même des tissus du fait de la diminution d’apport en O2 une réponse microcirculatoire permettant un accroissement de l’extraction tissulaire en oxygène et aboutissant à une augmentation du nombre de capillaires perfusés (phénomène de recrutement capillaire)

II.DISTRIBUTION D’OXYGENE AUX TISSUS (5) Extraction d’O₂ désigne la fraction d’O₂ utilisée par rapport à l’offre (fonction de l’activité de l’organe) V̇O₂ = C(a-v̄) O₂ x Q̇ (Méthode de Fick) L’analyse de l’équation de Fick montre augmentation de la demande d’O2, pour Q donné se traduit par une augmentation C(a-v̄) O₂ une réduction de la demande métabolique, pour Q donné se traduit par une diminution C(a-v̄) O₂

III.DISTRIBUTION D’OXYGENE AUX TISSUS(6) Utilisation de l’oxygène transporté En présence d’oxygène tissulaire production d’énergie sous forme d’ATP à partir de la glycolyse Voie aérobie passant par le cycle de Krebs : une mole de glucose = 36 moles d’ATP. L’absence d’oxygène tissulaire les réactions de la chaîne mitochondriale de la respiration, les phosphorylations oxydatives Voie anaérobie, fabrication d’acide lactique : une mole de glucose fournit 2 moles d’ATP d’hypoxie

III.DISTRIBUTION D’OXYGENE AUX TISSUS(7) Type d’hypoxie L'hypoxie hypoxique survient lorsque le transport de l'oxygène entre les alvéoles pulmonaires et la circulation sanguine est entravé (p.ex. dans les cas d'asthme grave, d'hyperventilation, de pneumonie, d'emphysème ou de pneumothorax). C'est le type d'hypoxie engendré par l'altitude L'hypoxie des anémies se produit lorsque la capacité de transport de l'oxygène par le sang est réduite (p.ex. dans les cas d'anémie, d'intoxication par le monoxyde de carbone, d'hémorragie ou de troubles de la circulation).

III.DISTRIBUTION D’OXYGENE AUX TISSUS(8) L’hypoxie d’origine circulatoire est la conséquence d’une diminution d’apport sanguin aux tissus( insuffisance cardiaque congestive, exposition de plongée au froid) L’hypoxie histotoxique résulte de l’intoxication des tissus par une substance toxique qui empêchent les cellules d’utiliser l’oxygène(drogue, monoxyde de carbone)

III.DISTRIBUTION D’OXYGENE AUX TISSUS(9) Mécanismes d’adaptation à l’hypoxémie Déclenchement d’une hyperventilation lorsque la PaO2 descend en dessous de 60 mmHg. Déclenchement d’une réponse cardiovasculaire biphasique (stimulation suivie de dépression) par les chémorécepteurs localisés au niveau de la crosse aortique et des glomus carotidiens. Augmentation de la circulation cérébrale de façon exponentielle en dessous d’une PaO2 de 60 mmHg , pour doubler à des PaO2 situées entre 20 et 25 mmHg. Possibilité dune hypertension artérielle pulmonaire par une vasoconstriction pulmonaire hypoxique combinée à l’augmentation du Q

III.DISTRIBUTION DOXYGENE AUX TISSUS(10) Mécanismes d’adaptation à l’hypoxémie Augmentation de la concentration de 2-3 DPG intra-érythrocytaire L’hypoxémie chronique entraîne : – une augmentation du contenu musculaire en myoglobine – une néoangiogenèse ; – une sécrétion accrue d’érythropoïétine par le rein, entraînant une érythrogenèse accrue. Limitation de l’efficacité de chacun de ces mécanismes par ses propres effets secondaires.

IV. PARTICULARITE PHYSIOLOGIQUE En fin de grossesse, l’augmentation de la VO2 est de 15 à 20 %, pour couvrir les besoins utéroplacentaires et l’augmentation du débit cardiaque et de la ventilation-minute. Cette augmentation de la VO2, associée à la diminution des réserves en oxygène par diminution de la CRF, est un facteur favorisant d’hypoxies au cours de la grossesse. Le placenta consomme de l’oxygène et produit du CO2, la PO2 de la veine ombilicale croit très modérément avec l’augmentation de la PaO2 maternelle. Si bien que la captation fœtale en O2 et le débit sanguin utérin ne sont pas corrélés à la PaO2 maternelle. La courbe de dissociation de l’hémoglobine est déplacée vers la droite au cours de la grossesse. La P50 augmente (de 27 mmHg avant la grossesse à 30,4 mmHg à terme), ce qui facilite la délivrance d’O2 aux tissus périphériques et principalement à l’unité foetoplacentaire. L’HbF (90-95 % de l’hémoglobine totale) a plus d’affinité pour l’oxygène est plus importante que celle HbA, la saturation normale du nouveau-né est de 90 à 94 %, ce qui correspond à une PaO2 de 60 à 80 mmHg. Le remplacement de cette hémoglobine par l’Hb A fait passer la P50 de la molécule de 19 à 28 mmHg.

V.APPLICATIONS CLINIQUES En anesthésie-réanimation Meilleure prise en charge des états de choc Intérêt de la réalisation des gaz du sang Circuit fermé en anesthésie Utilisation rationnelle de l’oxygénothérapie

V. APPLICATIONS CLINIQUES(2) En anesthésie En période periopératoire, l’activation des réflexes neuro-humoraux liée aux stimulations nociceptives, les variations de la concentration d’hémoglobine liées aux pertes et aux transfusions sanguines, les modifications de volémie, de température et l’anesthésie elle-même interfèrent diversement avec VO2 et DO2. Toutes rapportent à une diminution de la capacités d’extraction en oxygène des tissus. Les agents anesthésiques, à l’exception de la kétamine, d’une part diminuent la VO2 en réduisant le Q par leurs propriétés vasodilatatrices et inotropes négatives, et d’autre part, réduisent la VO2 en agissant directement par leurs effets sur le cœur, et indirectement en réduisant l’activité du système sympathique et en supprimant le travail des muscles respiratoires

IV. APPLICATIONS CLINIQUES(2 En anesthésie L’oxygénation préalable (préoxygénation) dont l’objectif est faire d’augmenter le réserve de l’organisme en O2 un permet de prolonger de plusieurs minutes la durée de normoxie lors de l’apnée postinduction chez un patient ASA 1-2. La fréquence prévisible de l’hypoventilation après une anesthésie générale est un des arguments majeurs en faveur de l’obligation de surveiller ces patients salles de réveil

IV. APPLICATIONS CLINIQUES(3) En anesthésie l’hypothermie: diminution de la libération périphérique d’O2 déplaçant la courbe de dissociation vers la gauche du métabolisme des tissus, altération la distribution du flux sanguin, accroissement la viscosité sanguine, augmentation de l’affinité de l’hémoglobine pour l’oxygène. diminution du le catabolisme des médicaments au niveau des tissus, en particulier des curares et des sédatifs, contribuant ainsi à retarder le réveil.

V.APPLICATIONS CLINIQUES (4) En réanimation Certains chocs septiques s’accompagnent d’une incapacité tissulaire à utiliser correctement l’oxygène proposé : la SvO2 s’élève de façon paradoxale alors que l’état du patient se dégrade, que sa tension artérielle chute, que son cœur accélère, que sa température monte, le tout en présence d’une production d’acide lactique Dans le choc distributif: Le transport en O2 est augmenté du fait d’une augmentation du débit cardiaque secondaire à l’augmentation des besoins métaboliques. L’extraction de l’O2 augmente peu ou pas.

V. APPLICATIONS CLINIQUES(5) La P50 pour le CO est de 0,1 mmHg. Le CO se fixera donc en grandes quantités sur l’Hb, même à de très faibles pressions partielles et pour 50 % de l’hémoglobine se trouve sous forme de HbCO représente un risque vital, et est beaucoup plus grave qu’une anémie Le traitement de l’intoxication au CO repose essentiellement sur l’augmentation de la PAO2, et donc de la PaO2, pour trois raisons : – Déplacer le CO de l’Hb et de le remplacer par de l’O2, la demi-vie de HbCO étant d’autant plus courte que la PO2 ambiante est élevée ; – D’augmenter le transport d’O2 par le biais de l’O2 dissous. On le fera toujours par augmentation de la FiO2 dès que la victime est soustraite à l’environnement générateur de CO (incendie, garage enfumé…), suivie, dans certains cas, par une mise en caisson hyperbare à 3 ATA, afin de maintenir temporairement des pressions partielles en O2 suffisantes pour maintenir la vie grâce à l’oxygène dissous. – De lier la molécule d’Hb aux molécules d’O2, l’absence d’effets Bohr et Haldane contribue à perpétuer acidose et hypercapnie tissulaires, d’où l’intérêt d’accélérer le retour à une participation normale de l’hémoglobine dans le transport de l’oxygène.

V.APPLICATIONS CLINIQUES(6) En haute altitude La pression atmosphérique diminue graduellement à mesure que l’altitude augmente. Elle est de 253mmHg sur Everest (9000m) ce qui signifie une P02 à 53mmHg d’où une réduction de PO2 alvéolo-artérielle d’où une hypoxie à laquelle répond l’organisme pour le maintien d’apport d’oxygène tissulaire.

V.APPLICATIONS CLINIQUES(7) En pathologie médicale Meilleure compréhension des états d’hypoxie et d’hypoxémie et maîtrise de leur prise en charge Prise en charge de l’anémie Traitement de la CVO

CONCLUSION La connaissance des différentes étapes du transport de l’O₂ est nécessaire pour mieux apprécier les points importants sur lesquels il faut agir dans la pratique courante. L’ appréhension des concepts, gouvernant le transport de l’oxygène du monde extérieur vers les cellules de l’organisme, rendent la vie possible

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES B. Dallens ; Traité d’anesthésie générale: 2002; pp 320-349 E. N. Marieb ; Anatomie et physiologie humaine 4em édition: 1999; pp 829-834 J. Liotier ; Ventilation artificielle: 2007; pp 9-10 Fondation Européenne d’enseignement en anesthésiologie: 1995; 119-139