Les maladies cardiovasculaires (CVs) représentent actuellement une des premières causes de mortalité dans les pays développés liée à l’augmentation constante des facteurs de risque dans les populations (Hypertension artérielle*, diabète, tabagisme, obésité, hypercholestérolémie). Si l’on se réfère aux données du rapport de l’ANAES de septembre 2008, le constat est alarmant [5]. La morbidité liée aux maladies CVs a triplé en 20 ans. En 2004, les maladies CVs concernaient 32% des hommes et 16% des femmes âgés de 25 à 64 ans. Aujourd’hui, ce pourcentage a augmenté significativement de 15% et le ratio entre les hommes et les femmes tend à s’équilibrer. Par ailleurs,  au delà de 65 ans, 71% des causes de morbidité sont liées aux maladies CVs représentant un coût de 4 milliard d’euros (soit 25% des dépenses de santé et 17% des médicaments prescrits). Un autre fait marquant concerne l’hypertension artérielle* puisque, à elle seule, représente 25% des consultations de médecine générale des adultes entre 45 et 74 ans (40% des plus de 75 ans).

Par conséquent, et compte tenu du vieillissement croissant des populations industrialisées, à l’horizon de 2020, c’est une progression de plus de 20% de la pathologie vasculaire qui est attendue, principalement liée à la chronicisation de la maladie. D’ici 2030, il est estimé qu'environ 30 millions d’individus succomberont à une maladie CV principalement due à un accident cérébral et/ou cardiaque. La maladie CV se développant sur plusieurs décennies, il apparaît donc primordiale de porter un large intérêt à la prise en charge de plus en plus précoce de ces maladies notamment en lien avec la croissance épidémique de maladies métaboliques chez l’enfant et l’adolescent (obésité et diabète notamment).

*définie par une pression artérielle systolique (PAS) supérieure à 140 mmHg (millimètre de mercure) et un pression diastolique (PAD) supérieur à 90 mmHg

1. Le système cardiovasculaire

Le système cardio-vasculaire [6] est constitué de deux réseaux en parallèles (les artères et les veines) et d’une double pompe  (le cœur). Le système cardio-vasculaire chez l’homme est un système fermé, en opposition à un système ouvert que l’on peut retrouver, par exemple, chez les insectes.

Fonctions du système cardiovasculaire

Le rôle principal du système cardio-vasculaire [6] est d’assurer l’approvisionnement en dioxygène O2 (via le réseau artériel) à l’ensemble des cellules présentes dans l’organisme. Celles-ci pourront alors transformer le dioxygène reçu en énergie par réaction chimique avec le glucose. Elles rejetteront ensuite le CO2 non utilisé à travers le réseau des veines. On distinguera donc la grande circulation (dite systémique), c’est-à-dire le transport du sang depuis le ventricule gauche du cœur vers les cellules puis des cellules jusqu’à l’oreillette droite du cœur, de la petite circulation (dite pulmonaire), c’est-à-dire le transport du sang depuis le ventricule droit du cœur vers les poumons puis des poumons jusqu’à l’oreillette gauche du cœur. La petite circulation permet donc la décharge du CO2 et le réapprovisionnement des globules rouges en O2.

La circulation sanguine a également d’autres fonctions toutes aussi importantes qui sont :


1. Un travail d’élimination des déchets.



2. Un travail de relation : l’appareil circulatoire transporte non seulement des molécules chimiques informatives (médiateurs) mais aussi des cellules spécialisées dans les communications entre populations cellulaires (les cellules immunitaires). Elle participe aussi au maintien de la forme (hydrosquelette) des organes.



3. Un travail de reproduction : travail de nutrition mais cette fois dirigé vers le fœtus en cours de grossesse, rôle dans des mécanismes de la vie sexuelle.

2. Le cœur

Le cœur est une double pompe composé de deux parties fonctionnellement et anatomiquement distinctes, le cœur droit et le cœur gauche. Chacune de ces deux parties est elle-même subdivisée en oreillette et ventricule. Le cœur droit et le cœur gauche fonctionnent de façon synchrone et la circulation sanguine a un sens : du cœur gauche au cœur droit. Le cœur est un muscle qui permet de propulser le sang dans le réseau artériel à haute pression. Pour ce faire, il s’auto-électrise par une dépolarisation (inversion de la polarité électrique de la membrane par passage actif d’ions à travers celle-ci) du nœud sinusal, ou nœud de Keith et Flack (nodus sinuatrialis), situé dans la paroi supérieure de l’atrium droit. Le courant électrique induit, de l’ordre du millivolt, est transmis dans l’ensemble des oreillettes et passe dans les ventricules par l’intermédiaire du nœud atrio-ventriculaire. L’électrisation du coeur peut être enregistrée à l’aide d’un système d’électrocardiogramme (ECG).




Le pic R du signal ECG est caractéristique de la contraction des fibres musculaires des ventricules. A chaque cycle cardiaque, trois phases peuvent être identifiées :

• Au cours de la systole auriculaire, les oreillettes se contractent et éjectent du sang vers les ventricules (remplissage actif). Une fois le sang expulsé des oreillettes, les valves auriculo-ventriculaires entre les oreillettes et les ventricules se ferment. Ceci évite un reflux du sang vers les oreillettes. La fermeture de ces valves produit le son familier du battement du cœur.


• La systole ventriculaire implique la contraction des ventricules, expulsant le sang vers le système circulatoire. Une fois le sang expulsé, les deux valves sigmoïdes – la valve pulmonaire à droite et la valve aortique à gauche – se ferment. Ainsi le sang ne reflue pas vers les ventricules. La fermeture des valvules sigmoïdes produit un deuxième bruit cardiaque plus aigu que le premier. Pendant cette systole les oreillettes maintenant relâchées, se remplissent de sang.


• Enfin, la diastole est la relaxation de toutes les parties du cœur, permettant le remplissage (passif) des ventricules, par les oreillettes droites et gauches et depuis les veines caves et pulmonaires. En diastole, les valves aortiques sont fermées et le cœur est déconnecté du système vasculaire.

Le cœur passe 1/3 du temps en systole et 2/3 en diastole.

3. Le réseau artériel

Le réseau artériel est un réseau de haute pression où les variations de pression sont pulsatives (fonction de l’activité cardiaque) avec des pressions maximales pouvant atteindre jusqu’à 200 mmHg (pour certaines pathologies vasculaires). Afin d’illustrer cette propriété, remarquons que la section de l’artère carotidienne aboutit à un rejet de sang pouvant atteindre 5 mètre de hauteur. Cet exemple offre une belle image de la pression existante au sein du réseau artériel.

Les artères sont catégorisées en différence classe selon leur diamètre. L’aorte ascendante, directement connectée au ventricule gauche du cœur, possède le plus gros diamètre (environ 20 mm). L’aorte descendante et l’aorte abdominal possède des diamètres légèrement inférieurs à l’aorte ascendante. On trouvera ensuite les artères d’un calibre inférieur (6-8 mm), comme par exemple l’artère carotidienne ou l’artère fémorale. Les artérioles ont des calibres beaucoup plus petits avec un diamètre de l’ordre du micromètre. Enfin les capillaires sont les plus fins et les plus petit vaisseaux sanguins. Ils relient les veinules aux artérioles, fermant la boucle du réseau de la circulation sanguine.

Pour une analyse très détaillée (et très mathématique) du réseau artériel, vous pouvez vous reporter à l’article de Philippe Reymond qui recense les caractéristiques de chacune des artères (diamètre interne et externe, longueur, distensibilité) que vous trouverez en référence [1] du présent cours.

Ces réseaux sont en constante réorganisation. La pression au niveau des capillaires est extrêmement basse, en comparaison au réseau des larges artères. Ceci permet un échange direct entre le sang et les cellules. La chute de la pression artérielle au niveau des capillaires sanguins repose sur le principe physique dit de Windkessel et donne au réseau artériel toute son importance. En effet, le rôle majeur des larges artères est de transformer un débit pulsé, à la sortie du cœur, en un débit continu. Ce mécanisme est régi par les propriétés élastiques des larges artères et est assuré en grande partie par l’aorte, l’artère la plus élastique de toute. Il apparaît donc déjà évident que la perte des propriétés élastiques des artères de conduction occasionnera de sérieux troubles du système cardio-vasculaire. Il est donc important de comprendre les mécanismes de rigidification de l’arbre artériel et de développer de nouvelles méthodes de mesure permettant un dépistage précoce de ces anomalies (voir chapitre 2). Ajoutons enfin que le cœur possède ses propres artères d’irrigation: les artères coronaires et qu’une dégénérescence de celles-ci conduit à un arrêt cardiaque.

4. Le réseau veineux

Le réseau veineux est un réseau de basse pression où les variations de pression sont très peu pulsées. Le réseau veineux permet l’acheminent du sang dépourvu en oxygène vers l’oreillette droite du cœur. Le réseau veineux suit la même hiérarchie que le réseau artériel fonction du diamètre des vaisseaux. On trouvera les veinules servant d’intermédiaire entre les capillaires et les veines de plus gros calibre. La veine cave étant la plus large de toute et est directement en connexion avec l’oreillette droite du cœur. Puisque la pression à l’intérieur des veines est faible, de nouveaux mécanismes entrent en jeu afin de propulser le sang jusqu’au cœur. On notera en particulier la contraction des muscles proches des veines, permettant d’écraser celles-ci à proximité d’un os et faisant office de pompe locale. La respiration permet également lors de l’inspiration (phénomène de dépression au niveau de l’abdomen) d’aspirer une quantité du sang vers le cœur. La grande particularité des veines est la présence de valve anti-retour permettant le non retour du sang vers la périphérie.

5. La pression artérielle

La pression artérielle, ou tension artérielle, est le résultat de la force exercée par le sang sur la paroi des vaisseaux sanguin par unité de surface. Cette force est générée par le cœur lors de chaque contraction des ventricules. On distinguera cependant par la suite deux types de forces de pression : une force selon la direction du flux sanguin et une force radiale selon la direction normale à la paroi des vaisseaux sanguins. En médecine, cette mesure est exprimée en millimètre de mercure (mmHg). Cependant, nous préférerons sa dimension en unité internationale de pression, le pascal (Pa).

6. Composition du sang

Le sang est une suspension, épaisse comme une soupe, d’éléments cellulaires (qui occupent environ 50% du volume total) dans une solution aqueuse d’électrolytes et de certaines substances non électrolytes. Par centrifugation, le sang est séparé en deux éléments :

• Le plasma : formé à 90% d’eau, de nutriments (ions, lipides, protides, glucides), de gaz dissous (dioxygène et dioxyde de carbone), de fibrinogène, d’anticorps, de déchets azotés (urée), d’hormones.
 Nous trouvons dans le plasma sanguin trois groupes de protéines. La protéine plasmatique quantitativement la plus importante est l’albumine (maintient la pression oncotique à l’intérieur des vaisseaux sanguins). Ensuite viennent les globulines (anticorps produits par les lymphocytes) et le fibrinogène.


• 
Les cellules : formé en majeur partie par les érythrocytes ou globules rouges. Les globules blancs de diverses catégories forment moins de 1/600 de la fraction cellulaire totale.
 Une troisième fraction du sang est le sérum qui est le résultat de la coagulation du sang. Il a une composition semblable à celle du plasma mais une des protéines, le fibrinogène, a disparu pour former le caillot.

Les globules rouges ou érythrocytes

La fonction du globule rouge est le transport du pigment respiratoire, l’hémoglobine. Chez les mammifères, ces cellules sont dépourvues de noyau et nous pouvons compter environ 5 à 5,5 millions de globules rouges par mm³ de sang. 
Tandis que les biochimistes reconnaissent beaucoup plus de fonctions métaboliques au globule rouge que celles de prendre et de donner de l’oxygène et de l’anhydride carbonique, la plupart de ses fonctions physiologiques sont en rapport avec ces phénomènes. Ceci explique pourquoi il  y a autant d’hémoglobine dans l’érythrocyte.

L’organisation des globules rouges est très simple. En effet, les érythrocytes ne contiennent ni mitochondries, ni autres organites. Un globule rouge comporte une grande quantité d’eau (environ 70%), ainsi que des ions chlore et des ions potassium (éléments minéraux) et bien sûr de l’hémoglobine en concentration très élevée (340g pour 100ml).




Un globule rouge possède en moyenne un diamètre de 8μm et une épaisseur de 2μm [4] :
Les fonctions principales du globule rouge sont le transport et l’oxydoréduction de l’hémoglobine qu’il contient. Comme les gaz respiratoire doivent atteindre l’hémoglobine par diffusion à travers le contenu du globule rouge, il est avantageux pour ce dernier d’avoir une forme qui permette la diffusion vers les parties les plus profondes dans le temps le plus court. Il est souvent signalé que la forme discoïde réalise ceci beaucoup mieux qu’une sphère. 
Il faut insister sur le fait que la forme normale correspond seulement à un des nombreux aspects que peut prendre un globule rouge. Le globule rouge garde son volume et sa surface membranaire constant. Il parcourt plusieurs centaines de kilomètres à travers l’organisme.

On obtient un changement réversible de la forme du globule rouge, qui se discoïde devient sphérique, sans changement notable de son volume, en ajoutant au milieu, à de très faibles concentrations, des agents gonflants tels que la saponine, la digitonine. Mais s'ils sont ensuite placés dans une solution salée contenant du plasma, ils retrouvent leur forme biconcave d’origine. Il existe par conséquent dans le plasma une protéine qui  joue le rôle d’anti-gonflant.

Un autre aspect du globule rouge est son gonflement osmotique. Lorsque que l’on place dans de l’eau distillée les globules rouges, l’eau pénètre à l’intérieur du globule rouge et les fait gonfler. Les biconcavités de la cellule se remplissent jusqu’à ce qu’elle soit sphérique après que le volume ait augmenté de 30%, les cellules peuvent alors apparaître crénelées. Elles se gonflent encore pour former une sphère parfaite jusqu’à ce qu’un point critique soit atteint. A ce moment la membrane devient perméable à l’hémoglobine qui la quitte presque complètement (hémolyse). La membrane reste intacte car persiste comme un fantôme de globule rouge, qui reprend bientôt sa forme initiale.

Propriétés du sang

Hématocrite

Par définition l’hématocrite représente le pourcentage de volume de globule rouge par rapport au volume total du sang dans le vaisseau. Normalement, celui-ci est de 45% à 50%. Cependant, ce taux d’hématocrite intervient dans de nombreux aspects de l’écoulement sanguin, notamment dans la viscosité du sang et sa conductivité.

Viscosité du sang

Par définition, le sang, et contrairement au plasma sanguin, est considéré dans la majeure partie des cas, comme un fluide non newtonien. Cela signifie que sa viscosité n’est pas constante en fonction de la vitesse de l’écoulement. Cependant, nous allons voir qu’il existe des cas où le sang peut avoir une viscosité constante.

Viscosité du sang en fonction de la température

Entre 23°C et 37°C, la viscosité apparente du sang ne change pas avec la température quand le gradient de vitesse est élevé (supérieur à 80 cm/s) mais augmente quand celui-ci est faible (inférieur à 1 cm/s). Ainsi, quand la température diminue, la viscosité du sang croît. Par exemple, la viscosité du sang est multipliée par 2.5 lorsque la température passe de 37°C à 0°C. Il en résulte évidement une circulation plus difficile, ce qui explique pourquoi l’extrémité de nos doigts se refroidissent en premier lieu en cas de chute de la température entraînant ainsi une vasoconstriction.

Viscosité du sang en fonction de l’hématocrite

La mesure de la viscosité absolue avec un viscosimètre est assez difficile à réaliser. Aussi, il est plus commode de parler de viscosité relative qui représente le rapport de la viscosité du sang à celle de l’eau à la même température. Heureusement, bien que la viscosité de l’eau évolue en fonction de la température (sa viscosité augmente d'un facteur 2,5 entre 37°C et 0°C), les changements de viscosité de nombreux fluides aqueux, comme le sang, sont presque les même que ceux de l’eau. Il en résulte que la viscosité relative change très peu avec les modifications de la température. La viscosité relative du sang est situé entre 3 et 4 Pa.s pour un taux d’hématocrite normal de 45%-50%.




Nous pouvons également mentionner que la viscosité relative du sang ne varie pas pour des vaisseaux sanguins dont leur diamètre est supérieur à 2 mm, mais diminue lorsque leur diamètre devient inférieur à 2mm.

Conductivité du sang

Le sang présente la particularité d’un mélange en proportions variables de deux phases. L’une, le plasma, est une solution électrolytique assimilable à une résistance ohmique pure, l’autre, phase globulaire, est constituée d’éléments cellulaires présentant, du fait de l’existence de phénomènes de membrane, une impédance complexe assimilable à une résistance ohmique R pure en parallèle avec une capacité C (modèle de Fricke).
La conductivité σ’ du sang peut s’écrire selon la relation :

\frac{1}{\sigma'} = \frac{1}{\sigma} - j\frac{1}{2\pi \omega rC}
avec σ la conductivité du plasma, ω la pulsation angulaire, r le rayon des sphères en suspension et C la capacité surfacique de la membrane.

Cette impédance complexe présente une grande résistance au passage d’un courant alternatif de basse fréquence (kHz). La conductivité de la phase globulaire est, comparativement à celle du plasma, négligeable, de sorte que la conductivité du sang est assimilable à la conductivité du plasma. D’ailleurs, c’est la propriété physique de tout plasma, à savoir son excellente conductivité du fait de la présence des électrons libres. L’ionisation de celui-ci a permis de dissocier les noyaux de leurs électrons. Il est donc également électriquement neutre.
Cependant la conductivité du plasma sanguin dépend elle aussi de l’hématocrite. La relation est quasi linéaire entre la conductivité du sang et l’hématocrite. Pour une hématocrite de 0%, c’est-à-dire pour le plasma sanguin, la conductivité est de σ’=1,31 S/m.  Pour le sang humain, c’est-à-dire pour une hématocrite situé autour de 50%, la valeur de la conductivité est de σ’=0,45 S/m avec r=4 µm et C=3 µF/cm².