Thèse de Doctorat de l'université Paris XI Faculté de médecine de Paris-Sud

Thèse de Doctorat de l'université Paris XI Faculté de médecine de Paris-Sud FR9803601 Année : 1997 Spécialité : Imagerie Médicale Présentée par Cécile BRILLAULT-SALVAT pour obtenir le titre de Docteur de l'université Paris XI APPROCHE INTEGREE DU MÉTABOLISME ET DE LA PERFUSION MUSCULAIRE EN IMAGERIE ET SPECTROSCOPIE PAR RÉSONANCE MAGNÉTIQUE NUCLÉAIRE Soutenue le 16 Décembre 1997 devant le jury composé de : MM. J. Bittoun Président F. Brunotte.. Rapporteur Y. Guezennec Rapporteur p D. Duboc A. Volk P. Carlier

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.. p. X I Thèse de Doctorat de l'université Pans XI Faculté de médecine de Paris-Sud FR9803601 Année : 1997 Spécialité : Imagerie Médicale Présentée par Cécile BRILLAULT-SALVAT pour obtenir le titre de Docteur de l'université Paris XI APPROCHE INTÉGRÉE DU MÉTABOLISME ET DE LA PERFUSMUSCULAIRE EN.MAGERIE ET SPECTROSCOP.E LA P ERFU par RÉS0NANCE MAGNÉTIQUE NUCLEAIRE Soutenue le 16 Décembre 1997 devant le jury composé de : MM. J. Bittoun F.Brunotte.. Y.Guezennec Président ri Rapporteur Rapporteur D. Duboc A.Volk P. Carlier

Thèse de Doctorat de l'université Paris XI Faculté de médecine de Paris-Sud 3 8 &<=> o U 2, Année : 1997 Spécialité : Imagerie Médicale Présentée par Cécile BRILLAULT-SALVAT pour obtenir le titre de Docteur de l'université Paris XI APPROCHE INTÉGRÉE DU METABOLISME ET DE LA PERFUSION MUSCULAIRE EN IMAGERIE ET SPECTROSCOPIE PAR RÉSONANCE MAGNÉTIQUE NUCLÉAIRE Soutenue le 16 Décembre 1997 devant le jury composé de : MM. J. Bittoun Président F. Brunotte Rapporteur Y. Guezennec Rapporteur D. Duboc A.Volk P. Carlier

"La vertu, le courage, le talent, l'esprit, l'imagination, toutes ces qualités ou ces facultés ne seraient-elles donc qu'une question d'oxygène?" Jules Verne A Clémence, Christelle, et Olivier

REMERCIEMENTS Ce travail de thèse a été financé en partie par une allocation de recherche délivrée par le Ministère de la Recherche et de l'enseignement Supérieur. La bourse octroyée par l'associaton Française contre les Myopathies et les moyens mis à ma disposition m'ont permis de terminer ce travail dans de bonnes conditions. L'ensemble des travaux a été réalisé au Service Hospitalier Frédéric Joliot du département de recherche médicale du CEA. Je remercie MM. les Professeurs Syrota et Matière de m'avoir accueillie dans leur service. Ce travail a été réalisé sous la direction du Dr. Pierre Carlier. Je lui suis très reconnaissante de m'avoir proposé un sujet d'étude aussi passionnant et de m'avoir fait part de ses multiples idées aussi riches que pertinentes. Je tiens à remercier M. le Professeur Bittoun de m'avoir soutenue tout au long de ces trois années de travail et d'avoir accepté de présider mon jury de thèse. M. le Professeur Brunotte et M. le Professeur Guezennec m'ont fait l'honneur d'être les rapporteurs scientifiques de ce travail. Je les en remercie très sincèrement, et apprécie l'attention et le temps qu'ils ont portés à l'évaluation de ce travail. L'expression de ma très vive reconnaissance s'adresse à M. le Professeur Duboc et à M. le Docteur Volks qui ont accepté déjuger ce travail. Je remercie infiniment Eric Giacomini qui a contribué, avec beaucoup de compétence et de gentillesse, à la réalisation de l'interface électronique et des sondes. Ses conseils avisés et son assistance technique m'ont été précieux. Je n'oublie pas le soutien du Dr. Gilles Bloch au cours de ces années. Je le remercie de s'être investi dans chacune des étapes de ce travail et d'avoir contribué au redémarrage de "Ventrelaçage". Le Dr. Anne Leroy-willing m'a initiée à la RMN. Je lui suis également profondément reconnaissante pour tout le temps consacré à la rédaction de ce mémoire. Un grand merci à toute l'équipe RMN et au groupe informatique du SHFJ, sans oublier l'équipe RMN de l'afm. Les petits coups de main tout comme les grandes discussions ont été fort appréciés. Je souhaite remercier le Dr. Claire Wary pour l'aide qu'elle m'a appportée tout au long de mon séjour au SHFJ, en particulier lors des périodes de rédaction de communications et de publications.

Je tiens à exprimer mes sincères remerciements aux personnes avec qui j'ai été amenée à travailler, et auprès desquelles j'ai beaucoup appris. Que Vincent Lebon, Laurence Jouvensal et Jean-François Toussaint soient ici chaleureusement remerciés pour leur soutien scientifique et moral ainsi que pour le temps qu'ils m'ont consacré, sans compter, tout au long de ces trois années. Que ma famille et mes amis trouvent ici le témoignage de ma reconnaissance pour l'ensemble de leur contribution, à la fois intellectuelle, morale et matérielle. Et enfin, Olivier, sans qui ce travail n'aurait jamais abouti. Merci.

TABLE DES MATIERES INTRODUCTION A. L'OXYGENE DANS L'ORGANISME 8 B. INTERET DE LA RMN IN VIVO DANS CE CONTEXTE. 13 C. PLAN DE LA THESE 14 CHAPITRE I : PHYSIOLOGIE ET EXPLORATIONS MUSCULAIRES 15 A. METABOLISME ENERGETIQUE MUSCULAIRE ET COMPOSES PHOSPHORYLES 15 1. Structure et composition des fibres musculaires 15 2. Sources d'énergie à l'effort 17 a) Rôle de l'atp 17 b) Métabolisme aérobie : les oxydations phosphorylantes 19 c) Métabolisme anaérobie alactique 22 d) Métabolisme anaérobie lactique : la glycose anaérobie 23 3. Techniques d'évaluation du métabolisme énergétique 24 a) Biopsies et analyses enzymatiques 24 b) Spectroscopie RMN du phosphore-31 25 c) Fluorimétrie laser du NADH 28 B. CIRCULATION SANGUINE MUSCULAIRE 32 1. Anatomie et histologie des vaisseaux sanguins dans le muscle 32 a) Artères et artérioles 32 b) Capillaires 33 c) Veines 35 2. Vasomotricité circulatoire 36 3. Prise en charge de l'oxygène par le sang 37 4. Adaptation circulatoire 38 a) Débit cardiaque et ses facteurs 38 b) Adaptation de l'hémodynamique périphérique 39 c) Comment tester la réactivité vasculaire? 40 (1) Ischémie et hyperémie réactionnelle 40 (2) Exercice et hyperémie fonctionnelle 43 5. Méthodes de mesure de la perfusion musculaire chez l'homme 44 a) La pléthysmographie 45 (1) La pléthysmographie volumétrique 45 (2) Les jauges de contraintes 46 (3) La pléthysmographie par impédance 47 b) La débitmétrie électromagnétique 47 c) Utilisation de traceurs intravasculaires 48 (1) Indicateurs colorés 49 (2) La thermodilution 50 d) Utilisation de traceurs librement diffusibles : 133 Xe et H 15 2 O 51 (1) La détection de l'émission y du 133 Xe 52 (2) La tomographie par émission de positons (TEP) avec l'h 15 2 O 53 e) La résonance magnétique nucléaire 54 (1) Détection de traceurs exogènes (D 2 O ou emulsions perfluorocarbonées) 54 (2) Imagerie vélocimétrique et estimation du flux 55 (3) Marquage des spins de l'eau artérielle (méthode du Tl apparent) 55 f) Comparaisons des résultats entre les différentes techniques 57

C. OXYGENATION MUSCULAIRE 60 1. Distribution de l'oxygène aux tissus : le rôle de la myoglobine 60 2. Le modèle de Krogh 65 3. Méthodes permettant d'évaluer la consommation d'oxygène globale et régionale 67 a) Calorimétrie directe 67 b) Calorimétrie indirecte 69 c) Prélèvements sanguins : application du principe de Fick 69 d) La tomographie par émission de positons (TEP) 71 4. Méthodes permettant d'évaluer l'oxygénation musculaire et capillaire 72 a) Mesure directe de la Po 2 tissulaire par électrodes 72 b) La spectroscopie proche infrarouge (MRS) 74 c) La résonance magnétique nucléaire (RMN) 78 (1) La spectroscopie du proton ('H) de la myoglobine 78 (2) Mesure de la relaxation transversale de l'eau 78 5. La consommation maximale d'oxygène 81 D. CALCUL DE L'EXTRACTION MUSCULAIRE D'OXYGENE 83 CHAPITRE II : DEVELOPPEMENTS METHODOLOGIQUES ET DESCRIPTION DES DIFFERENTS SUPPORTS TECHNIQUES 87 A. PREAMBULE : PRESENTATION DE NOTRE SYSTEME 87 B. INTRODUCTION 87 C. NOUVEAUX OUTILS RMN MIS EN OEUVRE AU SEIN DES SEQUENCES 89 1. Principe de la mesure de perfusion par pléthysmographie RMN 89 2. La spectroscopie proton de la myoglobine 90 a) Principe 90 b) Mise en évidence 90 c) Mesure du T2* et du Tl de la myoglobine du muscle squelettique à 3 T 91 d) Mobilité et visibilité de la myoglobine 94 e) Interférences 95 f) Mesure de la saturation en oxygène de la myoglobine 97 g) Calcul de la Po 2 intracellulaire musculaire 98 D. MISE EN OEUVRE DES MODULES DES SEQUENCES ENTRELACEES 100 1. Historique de l'entrelaçage 100 2. Définitions 102 3. Modules élémentaires insérés dans les séquences entrelacées 103 a) Evaluation de la perfusion post-ischémique par pléthysmographie RMN 103 (1) Mise en oeuvre d'une séquence d'imagerie rapide 103 (2) Brouillage par la phase (RF spoiling) 105 (3) Interventions sur le système 106 (4) Les paramètres de la séquence d'imagerie 106 b) Détermination simultanée du T2*, et de la perfusion par la méthode du Tl apparent, grâce à la séquence d'échos de gradient multiples 107 c) La spectroscopie proton de la myoglobine 110 d) La spectroscopie proton du lactate 111 e) La spectroscopie du phosphore-31 : spécificité de nos conditions d'expérimentation 113

4. Contraintes et compromis des séquences entrelacées 114 a) Gestion des bandes passantes et des tailles variables des vecteurs d'acquisition 115 b) Gestion du filtre électronique 116 c) Gestion de la mémoire du système 119 d) Relations entre les paramètres appelés par les séquences 120 5. Validation des différentes séquences entrelacées 121 a) Optimisation des séquences sur fantôme 121 (1) Les séquences homonucléaires 121 (2) Les séquences hétéronucléaires 121 b) Calcul du dépôt de chaleur en RMN 122 E. RAPPORT SIGNAL SUR BRUIT ET SONDES RMN 125 1. Le rapport signal sur bruit en RMN 125 a) Le signal RMN 125 b) Le bruit 125 c) Le rapport signal sur bruit 126 2. Développement d'une sonde de type Helmholtz 127 a) Principe 127 b) Caractéristique de notre sonde 127 3. Mise au point d'une sonde de surface phosphore à accord inductif 128 a) Généralités 128 b) Caractéristiques de notre sonde 129 4. Construction d'une sonde de surface proton réceptive découplée passivement 130 a) Introduction 130 b) Réalisation de la sonde proton en réception seule 130 c) Principe de fonctionnement du découplage passif 131 F. CONCEPTION DE L'INTERFACE ELECTRONIQUE 135 1. Structure de notre spectromètre/imageur 135 2. Définition du cahier des charges de l'interface ELECTRONIQUE 139 3. Réalisation de l'interface 139 a) Les commandes binaires ul2 et ul3 140 b) Isolation des masses entre l'informatique et l'électronique de réception 142 c) Installation d'un commutateur pour alterner les détecteurs en proton 142 4. Validation de l'interface électronique 144 G. MATERIEL NECESSAIRE A LA REALISATION DES PROTOCOLES 145 1. L'ergomètre 145 2. Construction d'un support de sondes en plâtre 146 3. Réalisation de gradients de surface 147 4. Le dispositif de gonflage et dégonflage rapide du brassard 148 H. METHODOLOGIE DE TRAITEMENT DES DONNEES RMN 150 1. Introduction 150 2. Développement d'algorithmes dédiés à la redistribution des données entrelacées 150 3. Traitement des images de pléthysmographie 154 4. Analyse des signaux de myoglobine, calcul de TMyo 156 5. Calcul du ph intracellulaire 158 6. Quantification des metabolites phosphorylés et détermination de xpcr 159 7. Détermination de la production et de l'élimination du lactate musculaire 161 8. Statistiques 162

CHAPITRE III : MISE EN OEUVRE DE PROTOCOLES D'EXPLORATIONS PHYSIOLOGIQUES, APPLICATION 163 A. ETAPES COMMUNES AUX DIVERS PROTOCOLES 163 1. Installation du sujet 163 2. Tests des brassards 164 3. Familiarisation du sujet au travail dynamique sur l'ergomètre ^ 165 4. Mesure de la force maximale volontaire de contraction 165 5. Réglages préliminaires à l'étude rmn 166 6. Acquisition d'une image de repérage à haute résolution spatiale 167 7. Mesure de la force maximale volontaire de contraction 168 8. Corrélation entre fmv et section musculaire 169 B. EXPLORATIONS PRELIMINAIRES 171 1. La perfusion de repos par pléthysmographie rmn 171 2. La perfusion en hyperémie réactionnelle par pléthysmographie rmn 174 3. La cinétique de désaturation de la myoglobine pendant l'ischémie 175 4. Application à la mesure de la concentration de la myoglobine musculaire 177 5. L'évolution des concentrations des metabolites phosphorylés sur un muscle contraint à différents niveaux de stress 182 C. INFLUENCE DE LA RESTRICTION DE PERFUSION SUR LA REOXYGENATION MUSCULAIRE CHEZ LE SUJET SAIN (SEQUENCE PERFMYO) 187 1. Objectif 187 2. La séquence «PerfMyo» 188 3. Redistribution des données 188 4. Protocole 189 5. Résultats et discussion 190 a) Détermination simultanée du pic de perfusion en hyperémie réactionnelle et de la réoxygénation des territoires musculaires 190 b) Corrélation entre le pic de perfusion post-ischémique et le taux de resaturation de la myoglobine _ 191 c) Influence du débit sanguin régional sur la réoxygénation musculaire de la jambe 192 d) Calcul du taux maximum d'extraction en oxygène du muscle squelettique à partir des données individuelles 193 e) Originalité et pertinence de l'approche IRM-SRM 197 f) Comparaison de nos valeurs de perfusion musculaire avec les autres techniques 197 6. Conclusion et perspectives 198 D. L'OXYGENATION TISSULAIRE ET VASCULAIRE AU COURS D'UNE EPREUVE D'ISCHEMIE-RECUPERATION CHEZ LE SUJET SAIN (SEQUENCE T2MYO) 199 1. Objectif 199 2. La séquence «T2Myo» 200 3. Réorganisation des données 200 4. Protocole 202

5. Résultats et discussion 202 a) Consistance chronologique des événements physiologiques mesurés 205 (1) Ajustement des courbes 205 (2) Interprétation de la chronologie des paramètres mesurés 206 b) Modélisation et confrontation avec les données expérimentales 208 (1) Modélisation 208 (2) Confrontation des expériences et de la simulation 211 c) Effet BOLD et dépendance du champ B o 213 (1) Effet BOLD dans le muscle ^ 213 (2) Dépendance du champ B o 214 d) Comparaison du signal pondéré T2* avec le signal MRS 215 6. Conclusion et perspectives 216 E. OXYGENATION VASCULAIRE ET TISSULAIRE, PERFUSION ET METABOLISME AU COURS D'UNE EPREUVE D'ISCHEMIE-RECUPERATION CHEZ LE SUJET NORMAL (SEQUENCE PERFT2MP) 217 1. Objectif 217 2. La séquence «PerfT2MP» 218 3. Redistribution des données brutes 220 4. Protocole 220 5. Résultats 221 a) Pendant l'interruption de la circulation 221 b) A la reperfusion 221 6. Discussion 223 7. Conclusion 225 F. EVOLUTION DES DIVERS METABOLITES AU COURS DE L'EXERCICE ISCHEMIQUE CHEZ LE SUJET SAIN (SEQUENCE MYOPHOS) 227 1. Objectif 227 2. La séquence «MyoPhos» 228 3. Protocole 229 4. Résultats et discussion 230 5. Conclusion 231 G. RECUPERATION A L'ISSUE D'UNE EPREUVE D'EXERCICE ISCHEMIQUE CHEZ LE SUJET SAIN : MESURE DE LA PERFUSION, DE L'OXYGENATION TISSULAIRE ET DU METABOLISME ENERGETIQUE, DETERMINATION DE L'EXTRACTION D'OXYGENE (SEQUENCE PERFMYOPHOS) 233 1. Objectif 233 2. La séquence «PerfMyoPhos» 234 3. Redistribution et traitement des données 235 4. Protocole 236 5. Résultats 237 a) Introduction 237 b) Résultats des mesures 238 c) Calcul de la consommation maximale apparente d'oxygène de la consommation mitochondriale d'oxygène et de l'extraction musculaire d'oxygène 240 d) Etude des corrélations suite au protocole d'exercice ischémique : 242

6. Discussion 245 a) Validation in vivo de la séquence entrelacée 245 (1) Reproductibilité de la séquence 245 (2) Confrontation des mesures avec les travaux antérieurs 247 b) Corrélation entre les différents paramètres physiologiques 251 c) VO2inax a pp, VO 2 mit0 et Extraction 254 7. Conclusion 257 H. EXPLORATIONS DES METABOLISMES OXYDATIF ET GLYCOLYTIQUE AU COURS D'UN EXERCICE ANAEROBIE CHEZ LE SUJET SAIN (SEQUENCE MYOPHOSLAC) 259 1. Objectif 259 2. La séquence «MyoPhosLac» 260 3. Redistribution des données brutes 261 4. Protocole 261 5. Résultats 263 6. Discussion 266 7. Conclusion et perspectives 269 I. EXPLORATIONS DE L'OXYGENATION MUSCULAIRE, DE LA PERFUSION ET DU METABOLISME OXYDATIF CHEZ DES PATIENTS ATTEINTS PAR LA MYOPATHIE DE BECKER 271 1. Position du problème 271 2. Objectif 274 3. Protocole 274 4. Résultats et discussion 276 a) Chez les sujets sains 276 b) Chez les patients du type Becker 277 c) Comparaison des résultats avec les protocoles antérieurs 279 d) Relations de dépendance 279 5. Conclusion 281 CONCLUSION 283 BIBLIOGRAPHIE 287 LISTE D'ABREVIATIONS ET DE CONVENTIONS 313 ANNEXE 315

INTRODUCTION Objet de notre démarche L'oxygène est indispensable à la vie tissulaire. Toutes les étapes allant de son transport du milieu ambiant jusqu'à sa consommation par les cellules sont essentielles au bon fonctionnement de l'organisme. Les phénomènes impliqués sont complexes et mettent simultanément en oeuvre un nombre significatif de mécanismes différents. Afin de mieux en appréhender le fonctionnement, nous avons cherché à développer, par imagerie et spectroscopie RMN, une méthode atraumatique, non-irradiante et quantitative qui permette de mesurer en même temps plusieurs déterminants de l'oxygénation tissulaire. Notre approche s'est dirigée vers un tissu périphérique essentiel qui représente 40 % du poids d'un individu : le muscle strié squelettique. Au cours d'un exercice musculaire, il est le siège des variations les plus brutales et les plus soudaines du métabolisme énergétique ; la cinétique des mécanismes impliqués requiert une acquisition dynamique à haute résolution temporelle. L'abondance des données sur ce tissu périphérique provenant des méthodes utilisées jusqu'alors, offre la possibilité de valider l'approche méthodologique développée. Enfin, beaucoup de maladies affectent le muscle squelettique, qu'elles soient plan primitives ou secondaires. La place de ces altérations musculaires n'est pas toujours reconnue bien qu'elles aient des répercussions majeures sur l'autonomie et la qualité de vie des sujets. Au cours de ce travail, nous avons donc tenté de définir, de mettre au point et d'appliquer des protocoles permettant d'étudier les couplages entre la perfusion, l'oxygénation et le métabolisme énergétique du muscle squelettique, sur des sujets sains et des patients, lors d'épreuves dynamiques.

A. L'OXYGENE DANS L'ORGANISME Le système cardio-vasculaire fonctionne en harmonie pour adapter l'apport en énergie aux besoins des tissus périphériques. Une cellule requiert de l'énergie pour maintenir son intégrité et pour effectuer ses tâches physiologiques. L'énergie nécessaire au fonctionnement de chaque cellule provient essentiellement de l'hydrolyse de l'adénosine triphosphate (ATP) produit au cours des oxydations phosphorylantes (Stryer, 1988). L'organisme accepte une grande variété de réducteurs alors que l'oxygène est le seul oxydant biologique primaire. Chez les mammifères, une soixantaine de réactions impliquant un rôle direct de l'oxygène a été décrite (Vanderkooi et al, 1991). Toutes ces réactions peuvent être affectées par des variations de concentration de ce gaz. La survie tissulaire en l'absence d'oxygène est limitée à quelques minutes, l'organisme ne disposant que de réserves très limitées. La démonstration chez des patients admis en réanimation d'une corrélation entre la mortalité et l'existence d'une dette globale en oxygène souligne toute l'importance d'une évaluation correcte de l'oxygénation tissulaire (Bihari et al, 1987; Vincent et De Backer, 1989). Sans aller si loin, tout travail musculaire soutenu ne peut se prolonger si l'adéquation entre apport et demande en oxygène n'est pas satisfaite (Jammes et al, 1992). C'est pourquoi il est important de connaître la concentration en oxygène en tout point d'un tissu et de savoir si cette concentration peut limiter les vitesses des réactions l'utilisant. Le processus de transfert de l'oxygène de l'air ambiant jusqu'aux tissus périphériques nécessite une longue chaîne d'événements couplés. Ils peuvent se résumer comme suit : 1) la diffusion depuis les alvéoles des poumons jusqu'aux érythrocytes avec la liaison de l'oxygène à l'hémoglobine, 2) le transport du sang oxygéné depuis les poumons jusqu'à la microcirculation périphérique par convection, 3) la dissociation de l'oxygène de l'hémoglobine et sa diffusion vers le milieu cellulaire 4) le transfert de l'oxygène à la myoglobine et diffusion de l'oxygène vers l'intérieur de la mitochondrie, siège de son utilisation.

Le transport, la diffusion et la consommation de l'oxygène sont déjà des processus individuellement complexes auxquels sont associés de nombreux mécanismes régulateurs élaborés. En physiologie de l'exercice ou même au repos dans certaines pathologies, les couplages entre ces différentes étapes fondamentales restent encore à élucider. Par exemple, une réduction de l'apport d'oxygène peut être provoquée par une baisse du débit sanguin mais aussi par une diminution du contenu artériel en oxygène (CaÛ2). Cette réduction peut être la conséquence des phénomènes imbriqués qui sont soit une modification du rapport ventilation alvéolaire sur perfusion, soit une augmentation de l'extraction périphérique. Difficultés spécifiques à l'étude du couplage entre les variables de l'oxygénation En clinique, les services de réanimation disposent de moyens techniques limités pour surveiller l'adéquation entre la demande et l'apport en O2 au patient. L'appareillage médical permet le monitorage de la saturation artérielle en oxygène (SaC>2), de la pression partielle veineuse en oxygène (pvû2) et parfois de la consommation d'oxygène (Vo 2 ). Comme les autres paramètres du processus de transport de l'oxygène ne sont pas mesurés, les moyens techniques actuels ne peuvent que difficilement indiquer si les évolutions relevées sont une réponse physiologique et adaptée ou, au contraire, pathologique et nécessitant une intervention thérapeutique. De la même façon, une valeur constante ne peut être en soi une garantie d'un état physiologique stable, les variations des paramètres de l'oxygénation pouvant se compenser. Une évaluation de la pvc«2 est ambiguë car s'agit-il d'un débit cardiaque bas, d'une pû2 tissulaire faible, d'une demande accrue en oxygène ou encore d'une augmentation du niveau d'extraction d'c>2? Les travaux axés sur la physiologie de l'effort s'attachent principalement à l'étude du métabolisme énergétique en mesurant le volume d'air expiré et ses proportions respectives en oxygène et gaz carbonique qui sont à la base du calcul de la consommation d'oxygène et de la dépense énergétique (Astrand et Saltin, 1961; Whipp et Wasserman, 1972; DiPrampero et ai, 1986). Certains auteurs rapportent en complément des paramètres comme la fréquence cardiaque ou la concentration sanguine d'acide lactique (Astrand et al., 1963; Karlsson et Jacobs, 1982). De nombreux aspects de la physiologie de l'exercice musculaire restent à

éclaircir, notamment la fatigue musculaire pour laquelle la situation de déséquilibre entre les divers facteurs liés à l'oxygène est discutée (Sahlin, 1986; Sapega et al, 1987; Wilson et al, 1988). La détermination des interdépendances entre le transport, l'utilisation, l'extraction de l'oxygène et les performances du sujet bénéficierait à la physiologie de l'exercice. L'insuffisance cardiaque, le choc septique et les myopathies sont, entre autres, des pathologies pour lesquelles serait appréciée une meilleure compréhension de l'importance relative et du degré d'intrication des perturbations métaboliques et circulatoires. Grâce à une approche combinée, cette connaissance permettrait en effet de pouvoir établir un diagnostic, adopter une stratégie thérapeutique ou surveiller les populations à risque. Le choc septique constitue une cause majeure de mortalité dans les unités de réanimation. La caractéristique principale au plan de l'oxygénation tissulaire est une inadéquation entre l'offre et la demande en oxygène et cela pour deux raisons principales qui sont un hypermétabolisme systémique et des anomalies de l'extraction périphérique de l'oxygène (Vermeij et al, 1990; Matuschak et Martinez, 1992). La première manifestation hémodynamique en réponse à l'agression tissulaire par les bactéries se caractérise par une hypotension et une importante vasodilatation artérielle, à l'origine d'une dysfonction des organes (Dhainaut et al, 1987; Rackow et Astiz, 1991) et d'une altération de la perfusion microvasculaire (Astiz et al, 1989; Lam et al, 1994). Un facteur caractéristique de cette pathologie (Gutierrez, 1986; Astiz et al, 1987; Rackow et al, 1988), d'ailleurs retrouvé dans de nombreux travaux expérimentaux utilisant l'endotoxine chez l'animal (Samsel et al, 1988; D'Orio et al, 1991; Curtis et al, 1992), concerne la dépendance entre la consommation et l'apport en oxygène. L'atteinte hétérogène de la réactivité vasculaire (Parratt, 1989), responsable des modifications des débits régionaux, peut expliquer en partie cette liaison anormale (Siegel et al, 1967; Astiz et al, 1991; Payen, 1993). H en résulte un effondrement de la consommation d'oxygène malgré une demande très élevée (Morisaki et al, 1996). Une hypoxie tissulaire et une hyperlactatémie surviennent dans un second temps en dépit de l'augmentation du débit cardiaque et de l'apport artériel en O2 (Hotchkiss et Karl, 1992; Hurtado et al, 1992; Gilles et al, 1996). Le monitorage du débit cardiaque et de la pvû2, couplé à la mesure des lactates sanguins peut aider à caractériser l'état métabolique et hémodynamique. L'étude du couplage entre des variables locales de l'oxygénation constitue une approche plus pertinente que des mesures globales et séparées. 10

De son côté, l'insuffisance cardiaque est définie par l'incapacité du coeur à assurer un débit systémique suffisant pour répondre aux besoins métaboliques et fonctionnels des différents organes (Braunwald, 1988). Dans cette pathologie, la tolérance à l'effort est généralement réduite (Wilson et Ferraaro, 1983; Massie, 1988a; Drexler, 1996). Le désordre primaire de l'insuffisance cardiaque est une réduction de l'apport en oxygène (DO2) dû à un débit cardiaque abaissé, alors que les capacités d'extraction périphériques de l'oxygène sont maintenues (Wilson et al, 1984; Snell et Calvin, 1993). La circulation périphérique est, probablement au moins autant que le coeur, le facteur limitant de la DO2 à l'effort (LeJemtel et al, 1986; Wahl et al, 1994). L'amplitude de la baisse de la DO 2, estimée à environ 50% (Richard et al, 1989; Teboul et al, 1992; Wilson et al, 1993), est en fait assez peu documentée dans la littérature en raison de la pratique habituelle des unités de cardiologie de ne prendre en compte que le débit cardiaque. Les mécanismes de régulation de l'extraction d'oxygène mis en jeu peuvent en partie s'expliquer par une redistribution des débits régionaux (Zelis et al, 1988; Drexler et al, 1992) et dans certains cas extrêmes par une diminution de l'affinité de l'oxygène pour l'hémoglobine (Daniel et al, 1978; Bersin et al, 1993; Perego et al, 1996). Au cours d'un exercice, le métabolisme anaérobie semble également intervenir précocement dans l'insuffisance cardiaque (Weber et Janicki, 1985; Zhang et al, 1993; Kemp et al, 1996) et avec une ampleur disproportionnée par rapport à la réduction de l'oxygène aux cellules musculaires (Brooks, 1985; Cohen-Solal, 1988). L'explication peut résider dans l'existence d'anomalies du métabolisme oxydatif mitochondrial (Kariman et al, 1983; Wilson et al, 1985; Mancini et al, 1988; Rajagopalan et al, 1988). Des altérations profondes, tant au plan biochimique qu'histologique, ont été relevées dans le muscle squelettique de patients insuffisants cardiaques chroniques (Sullivan et al, 1990; Drexler et al, 1992). Dans l'insuffisance cardiaque, tout se passe comme si la cellule musculaire périphérique ne savait pas utiliser l'oxygène (Cohen-Solal et al, 1995). Massie et al. (1988a) n'ont toutefois pas établi de corrélation entre ces altérations métaboliques et le débit sanguin musculaire. De nombreuses études s'accordent pour souligner l'amélioration des performances des patients suite à un programme d'entraînement (Minotti et al, 1990; Adamopoulos et al, 1993; Brunotte et al, 1995; Hiatt et al, 1996). Les relations liant les divers paramètres d'oxygénation de cette pathologie méritent également d'être approfondies. 11

Les maladies musculaires héréditaires, couramment nommées myopathies, regroupent les dystrophies musculaires (Duchenne, Becker,...), les myopathies congénitales et les myopathies métaboliques. Le symptôme le plus caractéristique est le déficit musculaire, d'ordre moteur le plus fréquemment. La faiblesse musculaire est le plus souvent associée à la fatigue, à l'intolérance à l'effort, à des douleurs et à des crampes. Les explorations musculaires périphériques dédiées à l'étude du transport et de la diffusion de l'oxygène chez les myopathes n'ont suscité que peu d'intérêt jusqu'à maintenant (Haller et al, 1983). Certains auteurs ont pourtant attiré l'attention, il y a déjà plusieurs décennies, sur l'existence de dysrégulation du débit sanguin musculaire (Dreyfus et Schapira, 1962; Démos et al, 1970a) et d'altérations de la microcirculation musculaire (Jerusalem et al, 1974). Toutefois, les mesures de perfusion musculaire dans la myopathie de Duchenne font l'objet d'une controverse car d'autres équipes avec la même technique (Emery et Schelling, 1965) ou avec une autre méthode (Paulson et al, 1974) n'ont pas retrouvé les anomalies rapportées à plusieurs reprises par Démos (1968a) et par Sockolov (1977) chez des enfants. La quantification simultanée du capital musculaire à travers l'étude du métabolisme énergétique est un élément du suivi des myopathies, dont l'importance apparaît avec la perspective de nouvelles thérapies destinées à améliorer la fonction musculaire. 12

B. INTERET DE LA RMN IN VIVO DANS CE CONTEXTE En dépit de l'abondante et récente littérature sur le thème de l'oxygénation, peu d'études mentionnent l'acquisition concomitante de plusieurs variables physiologiques au niveau des muscles squelettiques. Cette carence relative est principalement due à la difficulté de mettre en oeuvre les méthodologies nécessaires. En effet, un nombre restreint de techniques permettent d'appréhender ces paramètres physiologiques in vivo et peu de systèmes médicaux actuels sont adaptés à des mesures simultanées. La RMN est une technique atraumatique d'investigation hémodynamique et métabolique. Son innocuité autorise de surcroît des mesures répétées permettant le suivi du sujet. Les deux modalités de la RMN sont l'imagerie et la spectroscopie. Le proton ('H), le phosphore ( 31 P) et le carbone ( 13 C) sont les noyaux les plus fréquemment utilisés pour les explorations fonctionnelles et métaboliques in vivo. Grâce aux développements récents, il est ainsi possible de suivre in vivo, dans les conditions physiologiques et de façon continue, non seulement la vélocité du flux sanguin, la perfusion régionale et l'oxygénation du sang et des tissus mais aussi la distribution des phosphores à haute énergie, la production de lactate, le ph intracellulaire, l'activité du cycle de Krebs et les oxydations phosphorylantes mitochondriales. L'approche RMN que nous envisageons adopte une stratégie «pseudo-simultanée» qui consiste à entrelacer les acquisitions de manière à mesurer en un seul examen, la perfusion, l'oxygénation musculaire et le métabolisme énergétique. Notre imageur/spectromètre corps entier se prête très bien aux explorations musculaires des membres inférieurs. L'aimant, doté d'un tunnel à large ouverture (72 cm) autorise, pendant les acquisitions, le déroulement de protocoles d'exercices musculaires réalisés sur un ergomètre amagnétique qui contrôle et quantifie le travail. Le rapport signal sur bruit fourni par un champ magnétique élevé (3 Tesla) est un atout majeur quand il s'agit de quantifier des metabolites de faibles concentrations. Cet aspect contribue de manière significative à améliorer la résolution temporelle lors d'enregistrement des phénomènes dynamiques. 13

C.PLANDELATHESE La fonction musculaire regroupe cinq volets qui sont d'ordre mécanique, électrique, métabolique et circulatoire. Le cinquième volet, l'oxygène, constitue le comburant essentiel à l'intégrité du muscle. Dans le premier chapitre, nous abordons les trois derniers volets en traitant en parallèle la physiologie et les différentes techniques d'exploration de la perfusion et de l'oxygénation musculaire chez l'homme. Le second chapitre concerne les développements méthodologiques et les outils que nous avons mis en oeuvre en vue de la réalisation des protocoles physiologiques. Les développements décrits dans cette partie se situent tant sur le plan électronique avec des constructions de sondes RMN dédiées à des applications précises et la réalisation d'une interface électronique en vue d'acquisitions multifréquentielles entrelacées, que sur le plan informatique avec la définition des modules RMN qui sont utilisés dans les séquences hétéronucléaires entrelacées ou encore l'écriture d'automations spécifiques pour le traitement des données. Enfin ce chapitre aborde également les étapes de validation in vitro de cette nouvelle approche. Dans le troisième chapitre, nous rapportons d'abord les résultats des investigations préliminaires sur volontaires avant de présenter les différents protocoles. Dans un souci de clarté, pour les différentes explorations physiologiques des sujets sains et des patients atteints de myopathie (dystrophie de Becker), nous décrivons à chaque fois en parallèle le protocole et la séquence entrelacée qui lui est spécifique. Nous nous intéressons plus particulièrement à des protocoles d'ischémie simple, d'exercice ischémique ou aérobie, suivis de leur phase de récupération. Nous examinons les relations de dépendance entre différentes variables parmi lesquelles se trouvent la perfusion musculaire, la diffusion intracellulaire de l'oxygène, l'oxygénation capillaire, l'oxygénation tissulaire, le métabolisme énergétique, la glycolyse anaérobie et la capacité oxydative mitochondriale maximale des territoires musculaires. 14

CHAPITRE I : PHYSIOLOGIE ET EXPLORATIONS MUSCULAIRES A. METABOLISME ENERGETIQUE MUSCULAIRE ET COMPOSES PHOSPHORYLES 1. STRUCTURE ET COMPOSITION DES FIBRES MUSCULAIRES Les myofibrilles sont les éléments contractiles de la fibre musculaire dont ils occupent 80 % du volume. Chaque myofibrille se compose d'une succession de sarcomères, constitués de deux types de filaments formés de protéines contractiles qui sont la myosine pour les filaments épais et l'actine pour les filaments minces (figure 1). Les ponts transversaux comblent l'espace compris entre les filaments épais et les filaments minces. Ces ponts sont les sites producteurs de force dans les cellules musculaires.! HZ -~-A^_ I zone line bandtsant) SjÊÏBtSïËMïÈM Myofilaments Figure 1 : Organisation microscopique du muscle squelettique. Le muscle est composé de fibres qui sont elles mêmes formées de myofibrilles regroupant des filaments d'actine et de myosine. La cellule musculaire (figure 2) est délimitée par une membrane appelée sarcolemme qui entre en contact avec la terminaison nerveuse et constitue la plaque motrice. C'est à ce niveau que naît le potentiel propagé, responsable et témoin de 1'activation de la fibre nerveuse. 15

tubule transverse sarcotubules myofibrilles ligne Z Figure 2 : Détail d'un sarcomère d'une fibre musculaire squelettique humaine rapide. Représentation tridimensionnelle des tubules transverses et du reticulum sarcoplasmique. Le cytoplasme joue un rôle nutritif capital. Ce milieu cellulaire renferme divers substrats du métabolisme énergétique comme le glycogène, la phosphocréatine (PCr) et l'adénosine-triphosphate (ATP) mais également des protéines libres. H contient par ailleurs de très nombreuses mitochondries disposées le long des myofibrilles et de la myoglobine qui constituent une petite réserve intracellulaire d'oxygène disponible précocement dès le début d'une activité musculaire. Les noyaux des cellules musculaires très nombreux, sont allongés dans le sens de la fibre et répartis sur toute sa longueur. Le reticulum endoplasmique favorise la circulation des divers substrats à l'intérieur de celle-ci. Il est plaqué contre les myofibrilles en regard de chaque sarcomère et est en contact étroit avec le système tubulaire transversal (système T). Cette structure est d'une grande importance pour la contraction et la relaxation des fibres musculaires. Le potentiel propagé se déplace non seulement le long de la surface de la fibre musculaire mais également en suivant le système T, à la jonction entre deux sarcomères. Ce dispositif est responsable de l'activation quasi-simultanée de l'ensemble des sarcomères de chaque myofibrille de chaque fibre. Les mitochondries de forme ovoïde sont regroupées en petits amas. Leur longueur peut atteindre 7 im et leur largeur varie de 0,5 à 1 (im. Les muscles rouges et blancs se distinguent par le nombre et la taille des mitochondries. La matrice constitue l'espace intra-mitochondrial. La membrane externe est librement perméable aux molécules ayant un poids moléculaire inférieur à 10000 daltons. Les enzymes du cycle de Krebs et de la chaîne respiratoire (entités définies par la suite) sont essentiellement localisées dans la matrice. Les réactions d'oxydation du glucose permettant la formation d'atp ont lieu dans la membrane interne de la mitochondrie. 16

Les oxydations phosphorylantes (Stryer, 1988; Balaban, 1990) sont le processus au cours duquel les atomes d'hydrogène provenant du catabolisme des molécules de combustible sont transférés, par l'intermédiaire de coenzymes, sous forme d'électrons et d'ions hydrogènes aux cytochromes de la chaîne respiratoire. Ces cytochromes appartiennent à une famille de molécules hémoprotéiques comprenant un noyau porphyrine et du fer comme le pigment de l'hémoglobine des hématies. Es sont spectrophotométriquement différenciables les uns des autres (a, a3, b, c, cl). Chaque cytochrome contient sous sa forme oxydée, un atome de fer ferrique (Fe 3+ ) qui peut accepter un électron et être réduit en état ferreux (Fe 2+ ), puis être réoxydé en état ferrique lorsqu'il transmet cet électron à l'accepteur suivant. Les deux derniers accepteurs de cette chaîne respiratoire sont étroitement imbriqués (cytochrome a-a3) et sont décrits sous le nom commun de cytochrome-oxidase. Le cytochrome a3 donne directement ses électrons à l'oxygène moléculaire aboutissant par libération d'énergie à la formation d'atp et à la synthèse d'eau. Cette chaîne est strictement aérobie et fortement consommatrice d'oxygène. Les trois différents types de fibres sont : - Les fibres lentes oxydatives (type I) : faible capacité de myosine ATPase, capacité oxydative élevée, aptitude développée à oxyder l'acide lactique, capacité de résister à la fatigue. - Les fibres rapides oxydatives (type Ha) : capacité élevée de myosine ATPase, capacité oxydative élevée, plus résistantes à la fatigue que les lib. - Les fibres rapides glycolytiques (type lib) : capacité élevée de myosine ATPase, capacité glycolytique élevée, consommation d'atp par mg de fibres et par unité de temps plus grande que les fibres de type I, faible résistance à la fatigue. 2. SOURCES D'ÉNERGIE A L'EFFORT a) Rôle del'atp Le principal facteur de la survie de la cellule est la production d'énergie cellulaire, stockée essentiellement sous la forme d'atp. Afin d'explorer le métabolisme énergétique cellulaire on peut, en première approche, examiner les paramètres à la base de la formation 17

d'atp que sont l'oxydant (l'oxygène) et les substrats énergétiques tels que le NADH (nicotinamide-adénine-nucléotide) et le FADH2 (flavine-adénine-dinucléotide). Ces entités énergétiques sont dirigées vers la matrice mitochondriale. En réalité, c'est le potentiel rédox du NADH et FADH2 (énergie d'oxydo-réduction formée lors des réactions de déshydrogénation au cours du cycle de Krebs), qui est utilisé conjointement avec l'oxygène pour participer à la synthèse d'atp. L'énergie chimique stockée au sein des liaisons phosphates de l'atp sera transformée en énergie mécanique nécessaire lors de la contraction musculaire. Comme schématisé sur la figure 3, deux mécanismes permettent d'assurer un apport suffisant en ATP, l'un aérobie, l'autre anaérobie. Le premier concerne la production d'atp à partir de l'hydrolyse complète de différents substrats énergétiques en présence d'oxygène. Le second comprend la fourniture d'atp à partir des réserves locales en phosphocréatine (PCr) et l'hydrolyse anaérobie du glycogène. Acides Amines Aliments Glucides *pas d'oxygène utilisé Acides Gras Cytoplasme 3ATP- 3ATP-^ 3ATP-^~ 3ATP-^ Oxydations phosphorylantes -2e--^ 2H Chaîne de transport des électrons Figure 3 : Représentation schématique des différentes étapes aérobie et anaérobie de la dégradation des composés organiques (glucides, acides aminés, acides gras) permettant d'aboutir à la synthèse de molécules d'atp. Ces composés contenant du carbone et de l'hydrogène peuvent être complètement brûlés par l'oxygène en produisant du CO2 et de l'h 2 O. 18

On peut ainsi prétendre étudier le métabolisme énergétique en mesurant directement les concentrations des metabolites phosphorylés à liaisons à haute énergie tels que l'atp ou même l'adp, le Pi et la PCr qui interviennent dans la production d'atp. La concentration en ATP musculaire est faible : 4 à 5 mmol/kg de poids frais, ce qui correspond à l'énergie nécessaire pour une contraction de quelques fractions à quelques secondes. Lors d'un exercice, l'atp ne diminue guère au dessous de 80 % de sa concentration de repos. Au repos le débit moyen nécessaire est d'environ 1 mmole d'atp à hydrolyser par gramme de muscle et par minute. Lors d'un effort intense, le taux d'utilisation de l'atp peut être 1000 fois supérieur au taux de base. b) Métabolisme aérobie : les oxydations phosphorylantes Au repos ou sous effort modéré, toute l'énergie indispensable à l'organisme provient du métabolisme aérobie dont les étapes sont schématisées en trait plein sur la figure 4. Ce processus utilise comme substrat le glucose provenant du glycogène musculaire ou hépatique, les acides gras d'origine musculaire ou mobilisés à partir des réserves lipidiques de l'organisme, et les acides aminés issus des protéines. Lors de la glycolyse, le glucose est transformé au cours d'une série de réactions en pyruvate, formant 2 molécules d'atp à partir d'une molécule de glucose. En présence d'oxygène, le pyruvate va pénétrer dans la mitochondrie grâce à l'action de l'enzyme pyruvate déshydrogénase (PDH). Ce système catalyse une «décarboxylation oxydative» dans laquelle la nicotine-adénine-dinucléotine (NAD) intervient comme accepteur d'hydrogène, et qui après libération du CO2, fixe le reste de la molécule de pyruvate sur le coenzyme A pour former l'acétyl-coenzyme A (Acétyl- CoA). Ce dernier est un intermédiaire qui est commun aux trois grandes voies métaboliques (acides aminés, glycolyse, acides gras). A ce niveau, les différents substrats entrent en compétition pour la fourniture d'énergie. L'acétyl-CoA se combine avec l'oxalo-acétate pour former le citrate qui va ensuite rentrer dans le cycle de l'acide tricarboxylique, connu sous le nom de cycle de Krebs. Le cycle de Krebs est une voie métabolique particulière qui permet l'oxydation très complète de l'acétyl-coa libérant du CO2 et des atomes d'hydrogène lors d'une suite cyclique de réactions d'oxydo-réduction (perte et gain d'électrons) catalysées par un ensemble d'enzymes. A ce stade, le CO2 éliminé est formé par les atomes de carbone et les 19

molécules d'c>2 ingérées dans l'alimentation. Le cycle de Krebs est considéré comme «le moteur» de la cellule, il est situé en amont de la chaîne respiratoire et fournit les substrats énergétiques à partir des nutriments sous forme d'énergie d'oxydo-réduction. L'énergie ainsi libérée est «récupérée» par un transporteur (dans nos cellules principalement le couple NADH/NAD + ) qui transfert l'énergie sous forme de potentiel rédox (NADH ou FADH2 respectivement nicotinamide ou flavine-adénine-dinucléotide) qui va présenter le véritable «carburant» de la chaîne respiratoire. La chaîne respiratoire ou chaîne des transporteurs d'électrons de l'hydrogène : La membrane interne de la cellule étant imperméable, un système de transport (navettes) des ions H + est nécessaire (figure 4). Ces navettes permettent de maintenir un potentiel différent dans le cytosol et la mitochondrie. Les ions H + et les électrons libérés au cours des réactions précédentes sont acheminés par étapes le long d'une chaîne d'enzymes transporteurs nommés cytochromes (voir oxydations phosphorylantes). Les électrons passent au travers d'une séquence de différents cytochromes libérant en cascade de l'énergie par chacune des chutes de potentiel. En effet, chaque membre de la chaîne respiratoire possède une quantité d'énergie supérieure à celui qui le suit. L'énergie libérée à chaque palier va permettre la synthèse d'atp. Dans cette chaîne respiratoire, rappelons que seul le dernier cytochrome (a3), le cytochrome oxydase est auto-oxydable et capable de céder ses électrons à l'c>2 moléculaire 1. Ce dernier réagit à son tour avec les ions hydrogènes libérés en début de séquence lors d'une réaction d'oxydation du NADH ou FADH2, pour former de l'eau. L'ensemble se traduit par la réaction : -O î _ 2 +-H 2 + + NADH& 3 ATP + H 2 0 + NAD + [1] 2 L'ATP formé ne franchit pas la membrane mitochondriale, il doit emprunter un transporteur : la translocase qui l'échange contre l'adp. L'oxydation complète d'une molécule de glucose en CO2 et H2O permet la synthèse de 36 molécules d'atp avec une consommation associée de 12 atomes d'oxygène (rapport P/C>2= 6), soit 18 fois plus que la dégradation lactique anaérobie. H faut également retenir que la consommation d'oxygène lors des oxydations phosphorylantes mitochondriales compte pour la quasi-totalité de l'oxygène utilisé par l'organisme. 'Wittenberg et al. (1970) ont mis en évidence la relation entre la concentration de myoglobine et l'activité du cytochrome oxidase pour différents animaux. 20

Creatine* Cr Kinase I X Cr C ADP; + C P i Cytosol ATP-ase* H + f ^Acétyl CoA NAD + NADH C J Mitochondrie * complexes enzymatiques NADH NAD H Figure 4 : Représentation schématique de la synthèse d'atp au niveau du cytosol lors de la réaction avec la créatine kinase et au niveau de la mitochondrie lors des oxydations phosphorylantes. Les translocases sont des navettes permettant le transport des metabolites à travers la membrane séparant le cytosol et la mitochondrie. Au cours de ce processus, 40 % de l'énergie totale libérée le long de la chaîne des cytochromes est transférée à l'atp, les 60 % restants sont dissipés sous forme de chaleur. A son tour, la synthèse d'atp pennet d'obtenir un certain niveau d'énergie dans la cellule que l'on peut définir par le potentiel phosphate [ATP/(ADPxPi)]. Lorsque la vitesse de synthèse de l'atp est égale à l'utilisation, ce rapport est constant, ce qui est généralement le cas in vivo. Le principal facteur de régulation de la vitesse de la respiration cellulaire, et donc de la synthèse d'atp, est classiquement le niveau de ce potentiel phosphate. En d'autres termes, lorsque le niveau de ce rapport diminue, par l'utilisation de l'atp converti en ADP, la synthèse d'atp est facilitée avec une augmentation parallèle de la consommation d'oxygène. Cette conception est juste, comme en témoigne la constatation expérimentale de l'augmentation de la respiration consécutive à la réduction du rapport ATP/ADP, mais peut être un peu simple pour la compréhension des déficits énergétiques tissulaires. 21

Le délai de mise en jeu du métabolisme aérobie s'explique par l'inertie des mécanismes de régulation des fonctions ventilatoires et cardio-vasculaires. Les oxydations commencent dès le début de l'exercice en faisant appel à l'oxygène fixé sur la myoglobine et à l'oxygène sanguin. c) Métabolisme anaérobie alactique Ce mécanisme de resynthèse de l'atp, assuré par la PCr au niveau du cytosol, permet la production rapide d'atp pour la contraction musculaire. H y a 3 à 4 fois plus de PCr que d'atp dans le muscle soit environ 14 à 18 mmol/kg. Le groupement phosphate, riche en énergie est transféré à l'adp lors de la réaction enzymatique impliquant la créatine phosphokinase (CK) (figure 4) : PCr + ADP + H + &Cr+ ATP La PCr est une réserve d'énergie qui participe à la resynthèse d'atp dès le début d'un exercice. Elle ne nécessite pas la présence d'oxygène et ne s'accompagne pas de formation d'acide lactique (source anaérobie alactique). Toutefois cette réserve est faible et ne permet la poursuite d'un exercice, même peu intense, que pendant une dizaine de secondes. Au cours de l'exercice maximal bref, presque 88 % de la PCr est dépensé en 5 s. Après la fin de l'exercice, les réserves de PCr sont reconstituées via une augmentation de la consommation d'oxygène. Cette phase de paiement de la dette d'oxygène alactique a une cinétique exponentielle. Elle s'effectue en fonction du type d'exercice (dynamique ou statique) pour la moitié en 20 à 25 s, pour la totalité en 2-3 minutes. L'apport d'oxygène par le sang joue un rôle essentiel : le blocage de la circulation stoppe la resynthèse de PCr. 22

d) Métabolisme anaérobie lactique : la glycose anaérobie Son délai de mise en route est bref, mais non instantané. Le contenu de PCr musculaire doit diminuer suffisamment pour que la glycolyse anaérobie soit opérationnelle. Cette glycolyse anaérobie, qui a lieu dans le cytoplasme, met en jeu la dégradation du glycogène en acide lactique. Dès le début de l'exercice, cette réaction est favorisée par la présence de catabolites (ADP, AMP) qui active les enzymes du catabolisme du glycogène et du glucose. La poursuite de la glycolyse implique la régénération du NAD + à partir du NADH formé. En l'absence d'oxygène, cette régénération s'effectue par un transfert d'hydrogène du NADH à l'acide pyruvique (pyruvate) avec formation d'acide lactique sous le contrôle de l'enzyme lactate déshydrogénase (figure 3). Le NAD + redevient disponible. Cette dégradation anaérobie s'accompagne de la synthèse de 2 molécules d'atp par molécule de glucose au prix d'une production de lactate provoquant une diminution du ph sanguin et musculaire. Glucose + 2 Pi+ 2 ADP -» 2 Lactate + 2 ATP + 2H 2 O + H + L'acide lactique est en fait produit au début d'un exercice lorsque la source aérobie est encore incapable à elle seule de subvenir au besoin d'énergie (Harris et al., 1977; Sahlin, 1978). Le processus anaérobie lactique se déclenche généralement, en fonction de l'intensité de l'effort, après une période allant de 20 s à 2 min d'exercice. Pour des exercices sousmaximaux anaérobies lactiques, la quantité d'énergie maximale est difficile à évaluer. Ce n'est pas le taux de glycogène musculaire qui est le facteur limitant mais plutôt le ph intramusculaire. Sa diminution s'accompagne de celles des activités des enzymes de la glycolyse (phosphorylase et phosphofructokinase) et des propriétés contractiles du muscle. Le ph dépend de la quantité de lactate produit, du pouvoir tampon musculaire et du débit sanguin local. Une fois formé dans le muscle, l'acide lactique (lactate) diffuse rapidement mais de façon hétérogène vers les liquides extracellulaires et le secteur plasmatique et s'éloigne de la zone de muscle actif. L'équilibre met 3 à 10 minutes pour s'établir. En présence d'oxygène, lors de la récupération par exemple, une partie du lactate est métabolisée sur place dans le muscle. En effet, les atomes d'hydrogène retenus sur l'acide lactique sont repris par le NAD + 23