Karadocteur Menu

Physiologie cardiovasculaire et système nerveux autonome

Physiologie cardiovasculaire et système nerveux autonome

Comprendre et connaître la physiologie du système cardio-vasculaire est primordial en situation d'urgence et donc a fortiori en Anesthésie-Réanimation. Cela est nécessaire au quotidien, notamment dans l'utilisation de médicaments cardiotropes et vasopresseurs.

Le système nerveux autonome (SNA)

Le système nerveux autonome (SNA) a une fonction physiologique de régulation sur de nombreux plans, notamment cardiovasculaire, thermique ou encore gastro-intestinal. Il est composé de 2 systèmes complémentaires divisés anatomiquement et fonctionnellement :

  • Parasympathique : accomplissement des fonctions habituelles
  • Orthosympathique : mobilisation des systèmes d’urgence

Plusieurs réflexes sont mis en jeu au sein de ce SNA, et ceci est valable également lors de la réalisation d’une anesthésie. De plus, il faut savoir que des interactions complexes existent avec le système endocrine (dont la glande médullo-surrénale en particulier) et au niveau cortical (expliquant les manifestations physiques secondaires aux stimuli émotionnels).

Anatomie du SNA

Sur le plan anatomique, le système parasympathique prend son origine au niveau de 2 pôles :

  • Tronc cérébral : les nerfs faciaux III, VII, X et XI vont contenir des fibres du SNA
  • Racines sacrées : entre S1 et S5

En ce qui concerne le système orthosympathique, l’origine est également centrale mais se fait au niveau médullaire entre les racines T1 et L5, avec toute une chaîne ganglionnaire paravertébrale.

système nerveux autonome
Système Nerveux Autonome

Plus finement, le SNA est constitué de neurones communiquant entre-elles par des synapses, de 2 types principalement : une synapse située au niveau d’un ganglion et une située au niveau d’un organe effecteur.

Neurotransmetteurs

Pour ce qui est du SNA orthosympathique, les ganglions se situent dans la grande majorité des cas au niveau paravertébral, mais il en existe également en distalité. De plus, il faut connaître l’existence d’une synapse qui se fait directement avec la glande médullo-surrénale, ce qui va aboutir à la sécrétion de Noradrénaline et d’Adrénaline dans la circulation sanguine.

Ces synapses ganglionnaires font intervenir, dans le système orthosympathique comme parasympathique, l’Acétylcholine qui va se fixer sur des récepteurs nicotiniques.

Pour le système parasympathique, on retrouve également des ganglions généralement distaux, proches de l’organe effecteur, comprenant le même type de synapses cholinergiques. En deuxième synapse, on remarquera la sécrétion d’acétylcholine qui se fixera cette fois sur des récepteurs muscariniques.

Pour résumer :
- Dans le système orthosympathique : la première synapse ganglionnaire se fait via l'Acétylcholine sur un récepteur nicotinique et la deuxième synapse se fait avec l'organe effecteur grâce à l'Adrénaline et la Nordrénaline sur les récepteurs adrénergique,
- Dans le système parasympathique : la première synapse ganglionnaire se fait via l'Acétylcholine sur un récepteur nicotinique et la deuxième synapse se fait avec l'organe effecteur grâce à l'Acétylcholine également mais via un récepteur muscarinique.

Récepteurs cholinergiques

Parmi les récepteurs cholinergiques, on retrouve donc 2 grandes familles :

  • Récepteurs nicotiniques : on les retrouve au niveau ganglionnaire et au niveau de la plaque motrice des muscles striés squelettiques.
  • Récepteurs muscariniques : dont il existe différents sous-groupes ayant 7 domaines transmembranaires et liés aux protéines G, entraînant donc différents effets sur l'organe effecteur selon la transduction du signal.

Récepteurs adrénergiques

Il existe différents sous-groupes de récepteurs adrénergiques, dont l’activation va aboutir à différents types de réponses :

  • Récepteurs alpha-1 (post-synaptiques) : ils entraîne une vasoconstriction, ce qui se manifeste cliniquement par une augmentation de la pression artérielle. Leur activation est aussi responsable d'une mydriase (contraction du muscle radial de l'iris) et d'une contraction des sphincters du tractus digestif et de la vessie.
  • Récepteurs alpha-2 (pré-synaptiques) : ils sont responsables d'une inhibition du tonus sympathique (par inhibition de la transmission neuronale), d'hyperglycemies (par diminution de la sécrétion pancréatique d'insuline) et d'une diminution de la lipolyse.
  • Récepteurs béta-1 (post-synaptiques) : ils entraîne une stimulation cardiaque en augmentant la fréquence et la force de contraction notamment. Au niveau rénal, on peut aussi noter une augmentation de la sécrétion de rénine.
  • Récepteurs béta-2 (post-synaptiques) : leur activation entraîne la relaxation des fibres musculaires lisses : vasodilatation (coronaire notamment), bronchodilatation et relaxation du myomètre.

Il faut bien garder à l’esprit que la répartition des récepteurs adrénergiques n’est pas homogène mais varie selon l’anatomie.

récepteurs adrénergiques
Différents récepteurs adrénergiques

Il faut également considérer que des états d’agression (sepsis, pH du tissu, etc) vont générer des modifications structurelles et fonctionnelles de ces récepteurs. Il en est de même pour la prise de médicaments, notamment avec les béta-bloquants qui peuvent entraîner des phénomènes de "up and down regulation".

Synapse neurone / organe

Au niveau des synapses cholinergiques, se produit une libération d’acétylcholine qui va soit se fixer au niveau de son récepteur (nicotinique ou muscarinique), soit être métabolisé par l’acétylcholinestérase aboutissant à la formation de choline pouvant être recyclée au sein du neurone pré-synaptique.

synapse cholinergique
Synapse cholingergique

Pour ce qui est du système orthosympathique, la libération du neurotransmetteur (adrénaline ou noradrénaline) est calcium-dépendante. Ensuite, le neurotransmetteur pourra soit être dégradé par la mono-amine oxydase (MAO) ou la COMT, soit se fixer sur les récepteurs adrénergiques post-synaptiques (alpha ou béta) ou pré-synaptiques (alpha-2 seulement, ayant une fonction de rétrocontrôle inhibiteur sur la sécrétion du neuromédiateur).

synapse adrénergique
Synapse adrénergique

Mécanismes moléculaires des récepteurs alpha-2 adrénergiques

Comme on peut le voir sur le schéma précédent, les récepteurs alpha 2 adrénergiques sont situés sur le versant pré-synaptique.

Ils sont liés à une protéine Gi, qui est couplée à une adénylcyclase (ou adénylate cyclase) transformant l’ATP en AMPc.

Leur activation est inhibitrice de l’adénylcyclase, aboutissant à une diminution de production d'AMPc, ce qui est responsable d'une diminution de l'activité de la protéine kinase C. Cela entraîne une diminution de libération de calcium, et donc une diminution de sécrétion de catécholamines dans la fente synaptique.

SNA et coeur

En ce qui concerne le rapport particulier entre le SNA et le cœur, la base est de dire que les 2 systèmes ortho et parasympathiques sont particulièrement mis en jeu dans la régulation de l’activité de cet organe.

Le système orthosympathique fait intervenir principalement une innervation qui prend son origine au niveau de la moelle thoracique haute, avec une première synapse ganglionnaire paravertébrale, puis différents réseaux nerveux qui vont agir au niveau du myocarde, du tissu conductif ainsi qu’au niveau des nœuds sino-atrial et atrio-ventriculaire. Il agit via les récepteurs béta-1.

Le système parasympathique va agir via le nerf vague, qui prend son origine dans le tronc cérébral, avec une action de ralentissement, principalement au niveau du nœud sino-atrial et du nœud atrio-ventriculaire.

Rappels d’électrophysiologie cardiaque

Pour bien comprendre les mécanismes d’action des différents médicaments cardioactifs, il est important de faire un rappel d’électrophysiologie cardiaque et notamment des mécanismes ioniques mis en jeu lors de la constitution d’un potentiel d’action.

électrophysiologie cardiaque
Electrophysiologie cardiaque

Dans la cellule myocardique, la dépolarisation rapide est secondaire à un influx important de sodium grâce à des canaux sodiques voltage-dépendants. S’en suit une phase de plateau, puis une phase de repolarisation faisant intervenir un efflux de potassium par des canaux potassiques.

Au niveau du nœud sino-atrial et du nœud atrio-ventriculaire, il y a une réponse beaucoup plus lente. La dépolarisation va plutôt faire intervenir un influx de calcium alors que la repolarisation fera là encore intervenir un efflux de potassium. Autre spécificité de ce tissu, le début de la dépolarisation fait intervenir un petit influx de sodium via des canaux funny ayant un rôle essentiel dans l'initiation de la fréquence cardiaque (pacing).

Mécanismes moléculaires des récepteurs béta-1 adrénergiques

Au niveau moléculaire, l’activation du récepteur béta-1 par le système sympathique (noradrénaline, adrénaline) au niveau cardiaque, va aboutir via la protéine activatrice Gs à l’activation de l’adénylatecyclase, qui permet la production d’AMPc à partir d’ATP. L’AMPc va activer des protéines kinases, qui vont activer à leur tour les canaux ioniques membranaires dont notamment les canaux sodiques funny (effet chronotrope positif) et les canaux calciques de type T. Globalement, cet effet béta-1 va aboutir à une sur-dépolarisation de la cellule.

récepteur béta-1 adrénergique
Récepteur béta-1 adrénergique

Cette activation des récepteurs béta-1 adrénergiques permettent d’obtenir différentes conséquences :

  • Effet inotrope positif : augmentation de la force de contraction du myocarde
  • Effet chronotrope positif : augmentation de la fréquence cardiaque
  • Effet dromotrope positif : augmentation de la vitesse de conduction
  • Effet bathmotrope positif : augmentation de l’excitabilité du myocarde
  • Effet lusitrope positif : améliore la relaxation du myocarde

Mécanismes moléculaires des récepteurs muscariniques

Au niveau cardiaque, l’activation du récepteur muscarinique par le système parasympathique va aboutir via l’activation des protéines G à une sortie de potassium et à une inhibition de l’entrée de calcium. De ceci en résulte une hyperpolarisation membranaire.

récepteur muscarinique
Récepteur muscarinique
Au total, lors de l’activation du système sympathique, on remarque une repolarisation plus courte et une meilleure capacité à se re-dépolariser après chaque potentiel d’action. A l’opposé, en cas d’activation parasympathique, la repolarisation est plus longue à cause de l’hyperpolarisation, ce qui induit une durée de dépolarisation beaucoup plus longue.

Couplage excitation-contraction

Un autre élément essentiel de la physiologie cardiovasculaire est le phénomène de couplage excitation-contraction, c’est-à-dire comment une activité électrique peut aboutir à une contraction musculaire.

L’arrivée du potentiel d’action permet l’entrée de calcium extracellulaire via les canaux calciques de type L, mais également la libération de calcium contenu dans le réticulum endoplasmique via les récepteurs à la ryanodine.

Le calcium intracellulaire se lie ensuite à la troponine C, ce qui permet la jonction entre la tête de myosine et le filament d’actine.

On a vu que le récepteur béta-1 adrénergique active l’adénylatecyclase, aboutissant à la production d’AMPc qui active la protéine kinase A. Cette dernière augmente l’activité du canal calcique membranaire et également du canal calcique du réticulum endoplasmique. Ceci conduit à une augmentation de libération de calcium dans le cytosol et va également augmenter la réabsorption du calcium dans le réticulum endoplasmique en fin de contraction via le transporteur SERC, ce qui participe à l’effet lusitrope positif.

couplage excitation contraction
Couplage excitation contraction

Troponine cardiaque

La troponine cardiaque est donc une protéine essentielle dans la contraction cardiaque. Elle comporte 3 sous-unités très différentes structurellement :

  • cTn I : inhibe la liaison actine/myosine sans nécessiter de calcium
  • cTn T : a un rôle de support en se liant à la tropomyosine, moins spécifique du myocarde
  • cTn C : fixe le calcium et déplace cTn I (présente dans les muscles squelettiques), ce qui permet d’activer la contraction

SNA et vaisseaux sanguins

Sur le plan vasculaire, l’action du système sympathique et parasympathique va se faire principalement au niveau du muscle lisse de la paroi vasculaire.

Il faut savoir qu’au niveau de ces cellules musculaires lisses, il existe également de l’actine et de la myosine mais celles-ci ne sont pas organisées en sarcomères comme au niveau cardiaque. En revanche, il n’y a pas de troponine. Ainsi, la fixation entre l’actine et la myosine dépend de la phosphorylation de la tête de myosine. Cette phosphorylation va être possible grâce à une kinase nommée MLCK (pour myosin-light chain kinase), dépendante de la fixation de calcium par la protéine calmomoduline.

La relaxation est permise par une phosphatase qui déphosphoryle la tête de myosine.

Il y a donc une très forte dépendance vis-à-vis du calcium intra et extra-cellulaire. Tout ceci permet d’obtenir des contractions et des vasodilatations plus importantes et plus longues.

sna vaisseaux sanguins
SNA et vaisseaux

Ces kinases et phosphatases vont être soumis à différents mécanismes complexes de régulation, faisant intervenir de nombreux médiateurs dont les récepteurs alpha-1, alpha-2 et bêta-2, aboutissant soit à une vasoconstriction, soit à une vasodilatation. Parmi ceux-ci, on retrouve des mécanismes neurohumoraux (angiotensine II, vasopressine), endothélial (endothéline, prostaglandine, NO), etc.

vasoconstriction vasodilatation
Physiologie de la vasoconstriction et de la vasodilatation

Mécanismes moléculaires des récepteurs alpha-1 adrénergiques

Concernant le récepteur alpha-1, il s’agit également d’un récepteur à 7 domaines transmembranaires lié à une protéine G : la protéine Gq.

Celle-ci va activer la phospholipase C, qui a comme substrat le phosphatidylinositol-diphosphate (PIP2), et qui produit du diacylglycérol (DAG) et de l'inositol-triphosphate (IP3).

Le DAG a pour rôle d'activer la protéine kinase C, alors que l'IP3 agit directement sur les canaux calciques du réticulum endoplasmique.

Ceci abouti à une importante libération de calcium intracellulaire et donc, via l'action de la calmomoduline et de la MLCK, à une vasoconstriction.

récepteur alpha-1
Récepteur alpha-1 adrénergique

Mécanismes moléculaires des récepteurs bêta-2 adrénergiques

Les récepteurs bêta-2 adrénergiques se retrouvent principalement dans les cellules musculaires lisses, en particulier au niveau vasculaire (coronaire surtout), bronchique et utérine.

Leur activation stimule l'adenylcyclase, ce qui aboutit à une augmentation de la concentration en AMPc dans la cellule.

Cette augmentation d'AMPc entraîne une phosphorylation de la kinase MLCK, ce qui l'inactive. Celle-ci ne peut donc plus jouer son rôle de phosphorylation de l'actine et la contraction musculaire est inhibée, expliquant la relaxation des fibres musculaires lisses et donc la vasodilatation.

récepteur bêta 2
Récepteur bêta 2 adrénergique

En résumé

Physiologiquement, les systèmes ortho- et parasympathiques ont des actions antagonistes.

Sur le plan cardiaque, le système orthosympathique va avoir une fonction activatrice entraînant tachycardie, augmentation des vitesses de conduction et meilleure contractilité myocardique. A l’opposé, le système parasympathique va plutôt avoir une activité inhibitrice via le nerf vague (X) avec diminution de la fréquence cardiaque et des vitesses de conduction.

Sur le plan vasculaire, le système orthosympathique peut aboutir soit à une vasoconstriction par l’activation des récepteurs alpha-1, soit à une vasodilatation par l’activation des récepteurs alpha-2 ou bêta-2.

Être au point sur cette physiologie permet de comprendre le fonctionnement des médicaments, comme :

Après avoir les idées claires sur ces médicaments, il est indispensable de connaître leurs indications...