Adaptation hémodynamique et cardiovasculaire des cosmonautes en microgravité

Introduction

Le passage de la gravité terrestre à la microgravité s’effectue grâce aux lanceurs modernes en moins de 15 mn. Lors de cette période, les membres d’équipages subissent des accélérations de 3 à 5 G lors de l’allumage des différents étages du lanceur. Ce stress de départ est généralement bien supporté car il est bref et les équipages y sont préparés.

La mise en orbite et donc en microgravité entraîne, par la suppression de la pression hydrostatique*, une redistribution les liquides organiques (veineux principalement) de la moitié inférieure du corps vers les régions thoraco-céphaliques.

Ce transfert, évalué entre 1,5 et 2 litres, est responsables de signes cliniques subjectifs et objectifs et va rapidement mettre en jeu un certain nombre de mécanismes hémodynamiques et hormonaux destinés à lutter contre cet état interprété par le système nerveux central comme une hypervolémie, en fait relative.

L’acquisition d’un nouvel état d’équilibre à la microgravité se décompose en 3 phases: une phase de stress durant 24 heures environ, une phase d’adaptation d’environ une semaine et une phase d’équilibre.

Phase de stress

Transfert liquidien

Cette phase débute dès la fin du lancement et ne dure jamais plus de 24 h. Les principales plaintes sont des sensations de«tête pleine», hypoacousies, céphalées, gonflement des paupières, obstruction nasale permanente, diminution des sensations gustatives, vertiges…

Objectivement on observe un œdème de la face et des paupières, une turgescence des veines cervicales et du front et une diminution du volume des mollets. Cet aspect typique («puffy face and bird leg») est la conséquence précoce de la perte du gradient hydrostatique. Ces symptômes sont également retrouvés en simulation (table basculante et vol parabolique zéro-G).

Exemple depuffy faceconstaté sur Patrick Baudry.photo CNES

La redistribution liquidienne entraîne une hypervolémie centrale avec surcharge du cœur droit (tachycardie, augmentation de la pression veineuse centrale) et une diminution des pression périphériques au niveau des mollets.

Adaptation immédiate

En réponse à cette surcharge cardiaque le contrôle neuro-endocrinien de la pression artérielle réagit de manière très rapide. Tous les récepteurs de pression et de volume sont mis en jeu entraînant une augmentation de l’ANF, une inhibition post hypophysaire de l’ADHet une inhibition du système rénine-angiotensine. La diminution du tonus sympathique est responsable d’un effondrement des résistances vasculaires périphériques et d’unebradycardiesecondaire.

Phase dadaptation

Elle s’étale entre le deuxième jour de vol et la première semaine.

Adaptation rénale

ladiurèsesuit des courbes variables suivant les cosmonautes mais la tendance générale indique une augmentation nette du volume urinaire dès le deuxième jour de vol et persistant 48 à 72 heures. Ces résultats ont été interprétés en fonction des apports hydriques du début des vols, qui sont en général diminués par deux facteurs principaux: l’inhibition relative de la soif par la stimulation hypophysaire due à la surcharge liquidienne centrale (osmo récepteurs supra aortiques) et le stress et la surcharge de travail des premières heures de missions.

Lanatriurèseest constamment augmentée. Cette fuite sodée est la conséquence de la stimulation de l’ANF et des inhibitions de l’ADH et de l’aldostérone (l’apport alimentaire en sel des cosmonautes étant équilibré).

Lakaliurèseest également augmentée, conséquence de l’atrophie musculaire distale progressive qui s’installe dès les premiers jours de vol (les jambes ne servent à rien en microgravité).

Le volume sanguin total et le volume plasmatique chutent fortement, avec hémoconcentration et diminution de la masse des globules rouges.

Adaptation hormonale

La fuite hydrique permet d’atténuer l’hypervolémie relative du départ. Il en résulte un arrêt progressif des inhibitions hormonales (ADH et aldostérone), et donc un ralentissement de la fuite sodée mais une poursuite de la fuite potassique. Ce déséquilibre électrolytique engendre une perte de liquide intra-cellulaire, créant une acidose intra-cellulaire et une légère alcalose hypokaliémique extra-cellulaire. En réponse et pour obtenir un équilibre ionique, l’organisme fait intervenir un échange cellulaire d’ions H et de K .

Circulation veineuse

A la fin de cette période d’adaptation, la pression veineuse centrale est stabilisée à des valeurs inférieures à celles de pré-vol. Un débit permanent en diastole de la veine jugulaire est également noté. Par contre la circulation veineuse fémorale présente une composante continue, faiblement modulée par la respiration et le rythme cardiaque avec des arrêts circulatoires assez longs.

Conclusion

Cette période permet à l’organisme de compenser l’hypervolémie centrale par une fuite d’eau et d’électrolytes. Il en résulte une diminution du volume plasmatique avec hypovolémie vraie et sable.

Phase déquilibre

Elle débute dès la deuxième semaine de vol et se termine avec le retour sur Terre, quelle que soit la durée du vol.

Bilan pondéral

Une perte de poids est constante résultant de deux facteurs principaux: la perte de masse musculaire (perte du rôle des muscles anti-gravidique) et la perte liquidienne principal témoin de la diminution du volume plasmatique. Cette perte varie de 2 à 7 kg suivant les sujets et se maintient jusqu’au retour. La récupération est d’ailleurs assez rapide puisque 50 % du poids perdu est récupéré lors de la première journée au sol.

Bilan liquidien

• Le volume plasmatique est diminué de 20 % en moyenne (700 ml)
• La masse globulaire est diminuée de 10 % avec une faible réticulocytose
• Le Volume sanguin totale diminue de 15 à 30 %
• L’eau totale diminue de 3 à 5 % (liquide extra-cellulaire – 3 à – 5 %, liquide intra-cellulaire 2 %)

Bilan cardiaque

L’adaptation cardiaque vise essentiellement à maintenir une pression artérielle systémique stable et un débit sanguin cérébral constant. On constate une diminution du remplissage des cavités sans altération de la contractilité. Au niveau électrique, aucune altération majeure n’a été noté , avec seulement des onde P inversée et une augmentation de l’intervalle PR. Les rares troubles du rythme enregistrés étaient des extra systole auriculaires et ventriculaires communes à presque tous les vols (phase de stress), des rythmes jonctionnels et des bradycardies rapportées aux déficits potassique. A l’effort (sur bicyclette ergométrique) les réponses ne montrent aucune altération avec une fréquence cardiaque, des pressions artérielles et des consommations d’oxygène à peu près identiques aux résultats pratiqués avant les vols.

Conclusion

L’adaptation cardio-vasculaire à la microgravité se fait en trois temps. L’équilibre est acquis au prix d’une hypovolémie par perte plasmatique, sans altération majeure des fonctions cardiaques et avec une bonne adaptation à l’effort.

Cet équilibre est maintenu quelle que soit la durée du vol. Lesconséquences lors du retour sur Terrepeuvent être brutales si aucune contre mesure n’est prise lors du vol.

Pour en savoir plus

• Bibliographie MEDLINE :cardiovascular deconditioning; articles de 1980 à 1995.
• Le retour sur Terre : le "déconditionnement cardio-vasculaire" des cosmonautes.
• Le “Lower Body Negative Pressure"(LBNP): contre mesure du déconditionnement cardio vasculaire des cosmonautes

Glossaire :

• Pression hydrostatique: pression due au poids de la colonne de sang dans une veine. L’absence de gravité supprime cette pression.
• Hypoacousie: diminution de l’audition
• Diurèse: volume urinaire
• Natriurèse: taux de sodium dans les urines
• Kaliurèse: taux de potassium dans les urines
• Réticulocytose: production des cellules sanguines souche (réticulocytes) des globules rouges
• Bradycardie: ralentissement de la fréquence cardiaque
• ANF: Atrial Natriuretic Factor: hormone produite par l’oreillete gauche entrant dans la régulation de la pression artérielle
• ADH: hormone anti diurétique entrant dans la régulation du volume d’eau de l’organisme
• Astronaute: américain
• Cosmonaute: soviétique