Le cœur, cette pompe infatigable, a longtemps été perçu comme un mystère. Déjà en 1766, Von Haller constatait que « Le cœur est mû par quelque cause inconnue, qui ne dépend ni du cerveau, ni des artères et qui est cachée dans la fabrique même du cœur. » Cette énigme a finalement trouvé une réponse dans la découverte de la propriété d’autorythmicité du cœur, et plus précisément, dans le rôle crucial du tissu nodal.
L'Autorythmicité Cardiaque : Une Découverte Graduelle
L'observation de Claudius Galen, qui a vu un cœur battre même après son extraction de la cage thoracique, a été la première étape vers la compréhension de l'autonomie cardiaque. Cette simple observation indique que la propriété contractile de cet organe n’est pas liée au système nerveux. C’est à partir du XIXe siècle qu’a été découvert la zone à l’origine des impulsions électriques.
Walter Gaskell a constaté que certaines régions du cœur étaient capables de générer une activité électrique selon une certaine rythmicité. Il définit alors le sinus veineux constitué de cellules musculaires comme le générateur du rythme cardiaque. Ainsi, une origine myogénique de l’impulsion cardiaque semble avérée. Pour appuyer la théorie « myogénique » stipulant une absence d’implication du système nerveux dans la genèse de l’activité contractile du cœur, en 1893, Wilhelm His étudia l’effet de sections de la pompe cardiaque à différents stades du développement embryonnaire.
Identification du Tissu Nodal et du Nœud Sinusal
Sunao Tawara isola, à la base du septum atrial, une structure composée de cellules emmêlées à l’instar d’un nœud de ficelles. C’est ainsi qu’a été mise en évidence le nœud auriculo-ventriculaire. Pour Tawara, ce nœud est à l’origine de l’activité rythmique du cœur. Toutefois, en 1906, Arthur Keith ainsi que Martin Flack découvraient, au niveau de l’oreillette droite et à la jonction de la veine cave supérieure, une structure différente des cellules musculaires environnantes. Après des études plus fines de cette structure, les deux physiologistes ont mis en évidence des cellules dont le phénotype était remarquablement similaire aux cellules du nœud auriculo-ventriculaire précédemment découvert par Tawara. De plus, ils parvenaient à démontrer que ces cellules étaient localisées au niveau de la région initiale de la contraction du cœur : le nœud sinusal ou sino-auriculaire serait-il à l’origine des contractions rythmiques du cœur ? En effet, quelques années plus tard, Lewis montra que ce nœud est le site originel de l’impulsion électrique grâce au système d’électrocardiogramme d’Einthoven.
Le cœur est majoritairement composé de cellules spécialisées : les cardiomyocytes. Ces dernières sont des cellules musculaires possédant un cytosquelette qui leur confère une propriété contractile. Les cellules musculaires cardiaques sont distinguées des cellules musculaires squelettiques par le fait qu'elles sont inexcitables après chaque contraction: on parle de période réfractaire. En effet, leur période réfractaire est d’une durée plus longue que le temps d’une contraction.
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Organisation du Tissu Nodal
Le cœur se compose également d’une structure histologique distincte et spécialisé dans la conduction de signaux électriques : le tissu nodal. Les cellules du tissu nodal présentent un phénotype cellulaire ressemblant à des cellules embryonnaires avec des constituants myofibrillaires peu développés. Ce tissu montre une structure localisée dans l’oreillette droite à la jonction avec la veine cave supérieure : il s’agit du nœud sinusal. Chez l’Homme, ce nœud possède une longueur variant entre 7 et 20 mm et une largeur de 2 à 5 mm.
Juste en dessous de ce premier nœud figure un second nœud dans la partie haute du septum interventriculaire membraneux au niveau du trigone. Ce second nœud, appelé nœud auriculo-ventriculaire joue un rôle de filtre entre l’activité électrique auriculaire d’une part et l’activité électrique ventriculaire d’autre part. S’ensuit un faisceau nerveux, le faisceau de His, qui s’insinue dans les ventricules et s’arborise en de multiples ramifications constituant alors un réseau : le réseau de Purkinje. Ce dernier constitue la jonction entre le tissu nodal et les fibres myocardiaques.
Propagation de l'Excitation Cardiaque
L’étude de l’activité électrique du cœur montre que lors d’un battement, une première dépolarisation a lieu au sein du nœud sinusal. L’onde d’excitation se propage ensuite au sein des oreillettes vers le nœud auriculo-ventriculaire. La dépolarisation est acheminée par le faisceau de His et le réseau de Purkinje jusqu’au cellules myocardiques des ventricules. Par ailleurs, les temps de conduction ainsi que les vitesses de propagation de l’activité électrique sont changeants au sein du tissu nodal. En effet, très lents aux alentours du nœud sinusal et lents à leur arrivée dans le nœud auriculo-ventriculaire, cela permet d’assurer un remplissage ventriculaire induit par la contraction de l’oreillette. À l’opposé, la vitesse de conduction est très rapide dans le faisceau de His et le réseau de Purkinje, ce qui favorise une dépolarisation rapide des myocytes cardiaques ventriculaires, et de manière syncitiale, permettant alors de synchroniser la contraction des deux ventricules.
Le Nœud Sinusal : Chef d'Orchestre de l'Automatisme Cardiaque
Dans le tissu nodal, le nœud sinusal est le générateur d’impulsions qui provoque chacune une dépolarisation du cœur. La genèse d’impulsions électriques se produit dans un îlot de cellules situé au centre du nœud sinusal : les cellules pacemaker ou sinusales. Après production de l’impulsion électrique, celle-ci se propage dans le reste du nœud sinusal ainsi que dans le tissu myocardique avoisinant.
La production automatique ainsi que la rythmicité des impulsions électriques peuvent être étudiées en électrophysiologie. En pratique, des microélectrodes sont insérées au sein de cellules sinusales. Cette technique expérimentale permet l’enregistrement du potentiel membranaire des cellules, autrement dit la différence de potentiel électrique mesurée entre deux compartiments à savoir le milieu interstitiel (extracellulaire) et le milieu intracellulaire. L’activation des cellules sinusales s’observe par une dépolarisation électrique allant de 70 à 80 mV. La dépolarisation est suivie par un retour lent à l’état initial aussi dit diastolique. C’est alors qu’un potentiel d’action est généré. Les cellules aux alentours du nœud sinusal répondent à cette impulsion électrique spontanée en produisant à leur tour un potentiel d’action qui se propage de proche en proche. La succession de potentiels d’action générés au sein du nœud sinusal est à l’origine de l’automatisme cardiaque.
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Mécanismes Ioniques de l'Automatisme Cardiaque
Ce phénomène électrophysiologique a fait l’objet d’études approfondies par des enregistrements intracellulaires. En effet, après chaque battement, le potentiel électrique membranaire de repos (ou potentiel diastolique), revenu lentement à la valeur de -60 mV environ, n’est pas constant et évolue vers un potentiel membranaire plus positif : on parle de pente de dépolarisation diastolique. Cette augmentation lente et continue se poursuit jusqu’à atteindre une valeur seuil, valeur pour laquelle des canaux voltages dépendants sont activés et entraînent la formation d’un potentiel d’action. Autrement dit, la cellule sinusale possède la capacité de diminuer son propre potentiel membranaire de repos jusqu’à atteindre un niveau qui correspond au seuil de déclenchement d’un potentiel d’action.
La dépolarisation lente décrite ci-avant est typique des cellules sinusales, responsables de l’automaticité cardiaque. Ce sont des cellules dites pacemaker. Ce processus fait intervenir des courants ioniques transmembranaires dépolarisants ainsi que repolarisants. Cependant, l’effet net correspond à un enrichissement progressif de la cellule sinusal en charges positives, conduisant à une dépolarisation spontanée de la cellule. En détails, plusieurs courants ioniques sont principalement impliqués.
Le Courant de "Pacemaker" (If)
Le courant de « pacemaker » des cellules sinusales est un courant net entrant non spécifique, impliquant des ions sodium. Le canal en question est une protéine transmembranaire appartenant à la famille des canaux activés par hyperpolarisation et est sensible aux nucléotides cycliques intracellulaires tels que l’AMPc. Ce canal est codé par les gènes Hyperpolarization-activated Cyclic Nucleotide-gated channels ou HCN, dont quatre isoforme ont été dupliquées. Plus précisément, l’isoforme HCN4 est la forme principale retrouvée dans les cellules sinusales.
Le courant de « pacemaker » est un courant mixte impliquant des ions sodium et potassium. Toutefois, le courant principal est porté par l’ion sodium du fait de sa plus forte perméabilité comparée à l’ion potassium. De plus, le courant If est un courant entrant lors de la dépolarisation lente diastolique et devient par la suite un courant sortant au cours de la dépolarisation rapide d’une part et de la phase de repolarisation du potentiel d’action d’autre part. Un tel courant est activé par l’hyperpolarisation membranaire à la fin de la phase de repolarisation.
Rôle des Canaux Calciques et Autres Courants Ioniques
Les canaux calciques de type L sont impliqués à la fin de la dépolarisation diastolique ainsi que lors du potentiel d’action. Par ailleurs, le rôle des canaux calciques T est moins connu. Ces derniers semblent contribuer à la dépolarisation diastolique sans avoir aucun effet sur le potentiel d’action. L’activation de ce courant ionique contribue considérablement à la phase de repolarisation. Sa désactivation est nécessaire à la dépolarisation diastolique spontanée. Le courant entrant d’échange Na/Ca ainsi que le courant de fond sodique participent à la modulation du potentiel diastolique.
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Régulation de l'Automatisme Cardiaque par le Système Nerveux Autonome
Bien que la contraction rythmique du cœur soit autonome, l’activité des divers canaux est contrôlée et régulée par le système nerveux autonome. Les cellules sinusales sont la cible de certains neurotransmetteurs tels que l’acétylcholine et la noradrénaline. Ceci passe notamment par l’activation de récepteurs bêta-adrénergiques et de récepteurs M2-muscariniques. Ces divers récepteurs influent sur l’activité électrique rythmique du nœud sinusal en faisant varier le taux d’AMPc intracellulaire. En somme, l’activité des cellules sinusales domine l’automatisme cardiaque. Le système sympathique est cardio-stimulant, tandis que le parasympathique a les effets inverses.
Dysfonctionnement du Nœud Sinusal : Le Syndrome de Maladie Rythmique de l’Oreillette (SSS)
La maladie rythmique de l’oreillette aussi nommée Sick Sinus Syndrome (SSS) a été pour la première fois décrite en 1954. En 1967, cette maladie a été définie dans l’article Electrical Reversion of Cardiac Arrhytmias comme « un défaut dans l’élaboration ou la conduction de l’impulsion sinusale caractérisée par une activité atriale chaotique, de la brachycardie entrecoupée de battements ectopiques multiples et récurrents, avec des épisodes de tachycardie auriculaire et nodale ».
Le SSS est la conséquence de plusieurs facteurs perturbant le nœud sinusal. Ces facteurs sont aussi bien intrinsèques qu’extrinsèques. Les dysfonctions des canaux ioniques, la fibrose dégénérative du tissu nodal, le remodelage ou encore la dégénérescence du nœud sinusal liée à l’âge sont les principales causes intrinsèques à la maladie rythmique de l’oreillette. Plus précisément, les origines de telles causes sembleraient pour certaines être héréditaires, comme pour les dysfonctionnements des canaux ioniques du nœud sinusal.
Quant aux causes extrinsèques, celles-ci peuvent affecter la fonction rythmique du nœud sinusal en mimant ou en exacerbant le SSS. Ceci est observé lors d’une augmentation anormale du tonus vagal par exemple une hypersensibilité du sinus carotidien ou une syncope vasovagale. Par ailleurs, des dérèglements métaboliques jouent également un rôle dans le SSS tels que l’hypothyroïdie, l’hyperkaliémie, l’hypocalcémie et l’hypothermie. En effet, cela peut conduire à une dépression de la fonction rythmique de stimulation du nœud sinusal. D’autres causes extrinsèques interviennent dans le SSS : les agents pharmaceutiques (b-bloquants, etc.) et le tabac.
Plus de 50% des patients atteints par la maladie rythmique de l’oreillette montrent un syndrome dit de tachy-bradycardie. Ici, la maladie s’accompagne de fibrillations atriales.
Perspectives Thérapeutiques : Les Pacemakers Biologiques
Par ailleurs, la connaissance des acteurs cellulaires et moléculaires impliqués dans l’automatisme des cellules excitables offre l’opportunité d’envisager leur utilisation thérapeutique dans le cas de la maladie rythmique de l’oreillette et pallier les insuffisances du nœud sinusal par un pacemaker dit biologique. Ces pacemakers biologiques apporteraient de nombreux avantages en permettant une aptitude fondamentale à réguler le rythme cardiaque aux besoins de l’organisme, autrement dit à bénéficier d’une modulation par le système nerveux autonome.
De telles avancées dans le domaine des pacemakers biologiques sont basées sur des techniques de transfert de gènes et de techniques d’injection de cellules naturellement capables de générer une activité électrique automatique ou alors génétiquement modifiées afin de développer un courant d’automatisme. Toutes ces stratégies permettant d’augmenter l’activité électrique automatique du nœud sinusal peuvent passer par une stimulation de la modulation neuro-hormonale du nœud sinusal, par une diminution des courants ioniques repolarisants ou par une augmentation des courants ioniques dépolarisants comme le courant If.
Le Cœur : Un Système Complexe et Autonome
Le muscle cardiaque appelé myocarde est doué d’automatisme : il possède des cellules musculaires cardiaques appelées cardiomyocytes ayant la propriété de produire une activité électrique répétitive spontanée. L’ensemble de ces cellules forme le tissu nodal qui produit donc des impulsions électriques entraînant une contraction myocardique. La majorité des cellules du tissu nodal peuvent générer l’automatisme cardiaque mais les plus rapides imposent leur rythme aux autres. Le tissu nodal comporte un premier amas cellulaire situé dans la paroi atriale droite à proximité de l’abouchement de la veine cave supérieure : le nœud sinusal de Keith et Flack (également appelé sino-atrial). Il génère spontanément des potentiels d’action, à une fréquence modulée en permanence en fonction des besoins de l’organisme, provoquant une dépolarisation qui se propage de myocyte en myocyte dans les parois auriculaires droite et gauche entraînant ainsi la contraction atriale avant de buter sur l’anneau auriculo-ventriculaire non conducteur. La fréquence de dépolarisation du nœud sinusal (entre 60 et 100 bpm) s’impose à l’ensemble du tissu nodal.
A partir du nœud atrio-ventriculaire, un réseau de myocytes automatiques assure la conduction rapide de la dépolarisation à l’ensemble du myocarde ventriculaire, par le faisceau de His : tronc, branches droite et gauche (elle-même subdivisée en hémi branches antérieure et postérieure gauches) puis les fibres de Purkinje. Le septum interventriculaire est dépolarisé de la gauche vers la droite puis les ventricules de l’endocarde vers le myocarde.
Au repos, les cellules myocardiques sont « polarisées » avec une prédominance de charges positives à l’extérieur et de charges négatives à l’intérieur. Si deux microélectrodes reliées à un galvanomètre sont placées l’une en extracellulaire et l’autre dans une cellule, une différence de potentiel stable s’inscrit, différente selon le type cellulaire, de l’ordre de - 90 mV pour une cellule ventriculaire : c’est le potentiel de repos transmembranaire (Vr). Si la fibre cardiaque est stimulée, un potentiel d’action apparaît, qui traduit les variations du potentiel transmembranaire en fonction du temps.
L’automatisme cardiaque est la production par le tissu nodal d’une activité électrique répétitive, chaque impulsion électrique (potentiel d’action) entraînant la contraction du cœur. Cette activité électrique est produite par des échanges ioniques spontanés (dépolarisation diastolique lente) au travers de la membrane des cellules du tissu nodal permettant d’atteindre le potentiel seuil qui déclenche le potentiel d’action. Physiologiquement, ce sont les cellules du nœud sinusal qui commandent le rythme cardiaque appelé pour cela rythme sinusal. soit que le nœud sinusal est déficient, un autre groupe cellulaire du tissu nodal prenant alors le relais pour générer l’automatisme cardiaque.
Physiologiquement, le rythme naissant dans le nœud sinusal active le myocarde auriculaire puis atteint le nœud auriculo-ventriculaire et le tronc du faisceau de His. Cette activité gagne ensuite les branches droite et gauche du faisceau de His, les cellules de Purkinje et enfin les cellules du myocarde ventriculaire. Le septum inter-ventriculaire est dépolarisé en premier de la gauche vers la droite, puis les ventricules de l’endocarde vers l’épicarde. En pathologie : la conduction peut être déficiente à tous les niveaux entraînant des risques d’arrêt transitoire (syncope) ou permanent (mort subite) de l’activité cardiaque.
L’excitation électrique des cellules du myocarde commun par le tissu nodal, entraîne à leur niveau d’importants mouvements ioniques (notamment du calcium) déclenchant le raccourcissement des protéines contractiles (actine et myosine). Toutes les cellules myocardiques reçoivent l’impulsion électrique au cours d’un instant bref (6 à 8 / 100 seconde) pour se contracter de manière coordonnée et générer l’éjection sanguine cardiaque.
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