Physiologie cardiaque Cours n 1 du 10 septembre 2014 Olivier HENNEBERT Conservatoire national des arts et métiers Et Inserm U676, hôpital Robert Debré olivier.hennebert@cnam.fr olivier.hennebert@inserm.fr
Historique - quelques dates IMHOTEP (Egypte, 2980 AJC) : pouls artériel HIPPOCRATES (Grèce, 360 AVJC) : signes des maladies cardiaques PLATON (Grèce, 400 AJC) : pompe cardiaque HARVEY (1628) : circulation du sang LAENNEC (1819) : stethoscope LUDWIG (1847) : méthodes graphiques STARLING, WIGGERS et KATZ (1920)
1 atrium droit 2 atrium gauche 3 veine cave supérieure 4 aorte 5 artère pulmonaire 6 veine pulmonaire 7 valve mitrale (atrio ventriculaire) 8 valve aortique 9 ventricule gauche 10 ventricule droit 11 veine cave inférieure 12 valve tricuspide (atrio ventriculaire) 13 valve sigmoïde (pulmonaire)
Description Anatomie fonctionnelle Squelette fibreux : valves aortiques, pulmonaires, mitrales et tricuspides Septum inter- ventriculaire: principalement musculaire Oreillettes : paroi fine, sert avant tout de réservoir pour remplir le ventricule, rôle mineur de la systole auriculaire Ventricule droit : paroi fine, faible pression de remplissage, éjection dans système à faible pression (artère pulmonaire), action en «soufflet» de la paroi musculaire au cours de la systole Ventricule gauche : paroi 3x plus épaisse, disposition des fibres musculaires très efficaces pour éjection contre forte pression (aorte) Valves cardiaques
Les tissus : le péricarde (superficiel) Sac fibro- séreux qui enveloppe le cœur et les gros vaisseaux à leur origine (aorte et artère pulmonaire) 2 portions: - Une partie profonde, le péricarde séreux, composé de 2 feuillets: - 1 feuillet viscéral, moulé sur le cœur et les vaisseaux : l épicarde - 1 feuillet pariétal, recouvrant l épicarde - Entre les deux, se trouve une cavité virtuelle, qui ne devient réelle qu en cas d épanchement liquidien (péricardite ou hémopéricarde), les mouvements du cœur sont entravés et à l origine d un bruit, le frottement péricardite - Une partie superficielle,le péricarde fibreux qui englobe le péricarde séreux sous forme d un sac clos hermétiquement et qui sert à protéger et à fixer le coeur
Les tissus : le myocarde Le myocarde constitue le substratum fondamental de la paroi cardiaque. Il est plus épais où les pressions s exercent le plus (ventricules plus qu oreillettes et ventricule gauche davantage que ventricule droit). Le myocarde est organisé sous forme de travées myocardiques ; entre ces travées, l environnement conjonctif est riche en capillaires sanguins et en fibres nerveuses sensitives Il comprend les cardiomyocytes qui se répartissent en trois catégories: - les cardiomyocytes contractiles : fibres striées uni ou binucléees, unis par des dispositifs de jonctions et de jonctions communicantes - les cellules myoendocrines : perdu leur propriété de contractilité, sécrètent les facteurs natriurétiques qui régulent la volémie. Principalement présentes au niveau auriculaire - - - - les cellules cardionectrices : Excitabilité : génération d un potentiel d action (PA) en réponse à un courant ionique entrant de dépolarisation Conductivité : transmission membranaire du PA dans la cellule et aux cellules voisines via les connexons Automaticité (cellules nodales) : génération spontanée d un PA
Les tissus : l endocarde (le plus profond) L endocarde est le plus interne des couches de cellules, comparable du point de vue embryologique et biologique à l endothélium qui délimite les vaisseaux sanguins - mince membrane endothéliale qui tapisse la face interne du myocarde et qui se prolonge en dehors du cœur, par une tunique interne des artères et des veines. L endocarde est séparé du myocarde par une couche sous endocardique constituée de tissu conjonctif, de cellules nodales ainsi que des cellules cardionectrices de Purkinje, siège d une importante vascularisation
Les tissus : le tissu cardionecteur ou tissu nodal Ces cellules cardionectrices se répartissent en 4 grandes structures: - - - - le nœud sinusal le nœud atrio- ventriculaire le faisceau de His et le réseau de Purkinje. Les trois premiers sont faits de petites cellules de nature musculaire, mais à appareil contractile peu développé, le dernier est fait de cellules plus grandes, dont la structure se rapproche peu à peu de celle des cardiomyocytes contractiles. Les 2 nœuds ne sont pas en continuité directe
Les tissus : le tissu cardionecteur ou tissu nodal Nœud de Keith et Flack ou nœud sinusal : - structure épicardique de 15mm sur 5mm située à la jonction de la partie inférieure de la veine cave supérieure et de la face antérieure de l oreillette droite. - génère des décharges spontanées à la fréquence de 60 à 100 par minute. C est le centre d automatisme primaire, régulé par les tonus sympathique et orthosympathique.
Les tissus : le tissu cardionecteur ou tissu nodal Les voies internodales : jonctions entre le nœud sinusal et le nœud auriculo- ventriculaire - faisceau internodal antérieur - faisceau de Bachman - faisceau internodal moyen de Wenchebach - faisceau internodal postérieur de Thorel - les voies accessoires de Jame, Makaim et Kent
Les tissus : le tissu cardionecteur ou tissu nodal Nœud d Aschoff Tawara ou nœud auriculo- ventriculaire: - structure de 6mm sur 5mm proche de la valve tricuspide, et de la cloison inter- auriculaire à la base de l oreillette droite. Il est constitué de 2 voies, l une à conduction lente (alpha), l autre à conduction rapide (bêta). - ralentit l influx d un dixième de seconde, protégeant ainsi les ventricules d un rythme primaire trop rapide
Les tissus : le tissu cardionecteur ou tissu nodal A partir du nœud auriculo- ventriculaire l influx se propage entre cellules cardionectrices adjacentes, isolées du reste du myocarde par une densification conjonctive. Ce n est qu au bout du réseau de Purkinje que se fera l articulation avec les cardiomyocytes contractiles. L influx passera ensuite d une cellule à l autre à travers les jonctions communicantes.
Les tissus : le tissu cardionecteur ou tissu nodal Le faisceau de His: - long de 1 à 2 cm, situé sous l angle d insertion de la valve tricuspide - centre d automatisme secondaire : capable de décharger spontanément des impulsions de 40 à 60 par minute - se sépare en 2 branches: - branche droite: prolongement direct du faisceau de His, chemine le long du septum interventriculaire se dispersant dans le ventricule droit. - branche gauche: chemine en avant et à gauche de la valve mitrale, se subdivise en faisceaux antérieur et postérieur
Les tissus : le tissu cardionecteur ou tissu nodal Le réseau de Purkinje: - ramifications terminales des branches droite et gauche du faisceau de His qui s étendent sur toute la musculature ventriculaire pour propager l influx - centre d automatisme tertiaire, capable de décharger spontanément des impulsions à la fréquence de 20 à 40 par minute
L automatisme cardiaque VALEURS DE LA FREQUENCE CARDIAQUE DANS LE REGNE ANIMAL - Chez les mammifères : relation inverse entre la fréquence cardiaque et la taille de l espèce - Chez les vertébrés à sang froid, la fréquence est basse - 40 à 50 bts/min chez la grenouille - 20 bts/min chez la tortue - La fréquence cardiaque diminue avec l âge - 130 à 140 bts/min chez le fœtus - 120 à 130 bts/min à un an - 70 à 80 bts/min à 20 ans
Phases du fonctionnement cardiaque (cycle cardiaque)
Phases du fonctionnement cardiaque (cycle cardiaque) Il correspond à la contraction (systole) et la relaxation (diastole) des oreillettes et des ventricules. Les quatre phases de l activité cardiaque: moins d une seconde: - phase de mise en tension (systole auriculaire) (I) - phase d éjection (systole ventriculaire) (II) systole - phase de relaxation (III) - phase de remplissage (IV) diastole Ces phases mécaniques de l activité cardiaque sont précédées par la stimulation électrique des oreillettes ou des ventricules Les valves cardiaques assurent l écoulement unidirectionnel dans le cœur: - des oreillettes vers les ventricules (phase IV) - des ventricules vers l aorte ou l artère pulmonaire (phase II) Durant les phases I et III, toutes les valves sont fermées. L ouverture dépend des pressions de part et d autre des valves
Phase IVc : fin de diastole ventriculaire - dépolarisation du nœud sinusal (début de l onde P de l ECG) - contraction des oreillettes (systole auriculaire) - l excitation gagne les ventricules (complexe QRS de l ECG) IVc P ventriculaire ì > P oreillettes fermeture des valves mitrale et tricuspide fin de la diastole volume ventriculaire (volume télédiastolique, V TD = 120mL)
Phase I : mise en tension (50ms) - contraction des ventricules (valves fermées) - contraction isovolumétrique P ventricule ì ì ì - P ventricule > P aorte ou artère pulmonaire I ouvertures des valves : - aortique - pulmonaire DEBUT DE LA PHASE D EJECTION
Phase II : phase d éjection (210ms) - pression aortique et ventriculaire gauche = 120 mmhg (pression systolique) Phase IIa - grande fraction du volume systolique expulsée rapidement - débit aortique = 500mL/s II Phase IIb Excitation du myocarde cesse (onde T) P ventriculaire î fin évacuation Vs P ventriculaire < P aortique ou pulmonaire fermeture des valves sigmoïdes volume télésystolique (V TS ) = 40mL DEBUT PHASE RELAXATION
Phase III : phase de relaxation isovolumétrique (60ms) - les oreillettes se sont à nouveau remplies - P ventriculaire chute brutalement, P auriculaire ì réouverture des valves à cuspides III DEBUT DE PHASE DE REMPLISSAGE
Phase IV : phase de remplissage (500ms) - le sang s écoule des oreillettes vers les ventricules rapidement Phase IVa : remplissage rapide (80%) en ¼ de durée de diastole IV a b c Phase IVb : remplissage plus lent Phase IVc : systole auriculaire Contraction des oreillettes Fin de remplissage ventriculaire 15% du remplissage par systole Si ì fréquence, durée du cycle et diastole î Contraction auriculaire participe davantage au remplissage
Les bruits du cœur Manifestation de l activité cardiaque : 2 bruits «Poum» (bruit sourd) et «Ta» (bruit sec, plus claquant) B1: contraction ventriculaire et fermeture des valves AV B2: fermeture des valves aortique et pulmonaire
La pression sanguine Pression artérielle systolique Pression artérielle diastolique
Formation et conduction de l excitation dans le coeur L automatisme cardiaque L origine n est pas nerveuse Ca 2+ - Ringer 1882-1883 : cœur isolé de grenouille mis dans un milieu salin contenant du Continue de battre pendant plusieurs heures - Au cours du développement embryonnaire Le cœur commence à battre avant la mise en place de son innervation propriétés permettant la transplantation cardiaque L origine de l automatisme est myogénique - si les cellules cardionectrices sont sélectivement détruites : le cœur cesse de battre - si le nœud sinusal est isolé et les cellules mises en culture : cellules battent spontanément
Formation et conduction de l excitation dans le coeur Origine sinusale Hiérarchie des tissus conducteur Destruction sélective des cellules cardionectrices ordre décroissant de fréquence Nœud SA Nœud AV Faisceau de His Réseau de Purkinje 60-100 bts/min 40-55 bts/min 25-40 bts/min
Formation et conduction de l excitation dans le coeur Myocarde auriculaire et ventriculaire : syncytium les cellules ne sont pas isolées les unes des autres mais reliées par des GAP jonctions une excitation naissante quelque part dans les oreillettes ou dans les ventricules entraîne une contraction complète des 2 oreillettes ou ventricules Contraction par TOUT OU RIEN
Formation et conduction de l excitation dans le coeur Myocyte automatique Myocyte contractile - 40-70
Formation et conduction de l excitation dans le coeur Pré Potentiel - 40-70 Potentiel seuil Potentiel diastolique maximum Potentiel pacemaker : absence de potentiel de repos membranaire stable Dépolarisation lente : dépolarisation diastolique (courant entrant de Na + )
Formation et conduction de l excitation dans le coeur Au niveau d une cellule nodale Courant entrant de Na + Canaux Ca 2+ : ouverture progressive Ca 2+ K +
Formation et conduction de l excitation dans le coeur Au niveau du myocarde auriculaire ou ventriculaire Potentiel de repos stable Ca2+ entrant ì libération Ca2+ réticulum sarcoplasmique Couplage électromécanique de la contraction cardiaque
Formation et conduction de l excitation dans le coeur Décours normal de l excitation Nœud sinusal Temps (min) ECG Vitesse de conduction m.s - 1 Fréquence propre (min - 1 ) Formation de l impulsion 0 Onde P 0,05 60-100 Arrivée de l impulsion dans les partie éloignées des oreillettes Nœud AV OD OG 50 85 Arrivée de l impulsion 50 PQ Conduction de l impulsion 125 (excitation différée) 0,8-1,0 Activation du faisceau de His 130 1,0-1,5 Activation des branches 145 1,0-1,5 Activation du réseau de Purkinje 150 3,0-3,5 Partie interne du myocarde VD 175 Partie externe du myocarde VG VD 190 205 Complexe QRS VG 225 0,05 40-55 1,0 dans le myocarde 25-40
Formation et conduction de l excitation dans le coeur
Post- charge (forces qui s y opposent) Volume d éjection systolique La force de contraction ventriculaire (force d éjection) intrinsèque (Précharge) extrinsèque (inotrope) Loi de starling Pression veineuse centrale SN sympathique SN parasympathique
La loi de Frank- Starling
La loi de Frank- Starling