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De la recherche spatiale la cardiologie appliqueLes missions spatiales habites constituent une opportunit unique dtudes. Du fait des fortes contraintes rencontres lors du dcollage et jusqu la mise en orbite, puis lors du retour sur Terre et du dconditionnement cardiovasculaire survenant en microgravit, de nombreuses exprimenta-tions ont t menes. Nous avons tent, dans cet article, de passer en revue les items les plus importants en privilgiant les problmatiques qui auront un impact sur la cardiologie en tant que spcialit mdicale.

Pr Frdric-Lopold Tognella*

> IntroductionCe que nous appelons la conqute de lespace peut se rsumer une succession denjeux de puissance. La course la Lune a ouvert le champ des vols spatiaux habits. Ceux-ci reprsentent des dfis permanents, techniques et humains, et restent sans quivalents. Le principe de la satellisation a t envisag par Isaac Newton ds le dbut du XVIIIe sicle : selon ce principe, une vitesse nom-me premire vitesse spatiale est dfinie par la vitesse horizontale conduisant une orbite pri-ter-restre. Cest prcisment au lanceur de communiquer une altitude assez grande puis une vitesse horizon-tale leve. En aot 1961, lors du vol Vostok2, le mal de lespace fait sa

premire apparition. Auparavant, les vols taient plus courts et pure-ment balistiques ; la course techno-logique entre USA et URSS donne vite naissance des engins ca-pables deffectuer des manuvres. La mme anne, le Prsident J. F. Kennedy lance le programme Apollo selon lequel Cette nation se donne dix ans pour faire atterrir un homme sur la Lune et de le faire revenir sain et sauf sur la Terre .Nous allons ainsi de lhomme dans lespace et les problmatiques qui y sont rattaches, aux missions spa-tiales. Par les questions quelles po-sent et les moyens technologiques de ces annes, elles sont certaine-ment le sujet le plus complexe qui ait t adress lhumanit.Schmatiquement, distinguons trois priodes : le dfi : aller dans lespace ;

la course lespace : vivre dans le milieu spatial ; la priode actuelle : accomplir des missions spatiales.Grce la diffusion du savoir, nous savons maintenant quun lanceur doit sarracher la force de gravita-tion terrestre et atteindre en quelques minutes les trs hautes couches de latmosphre et, enfin, incliner sa trajectoire pour entrer dans le vide spatial et se placer en orbite. Sa vi-tesse est alors de 8 11 kilomtres par seconde. Lors de la phase de rentre atmos-phrique, les couches hautes de latmosphre exercent un effet de freinage par frottement qui est mis profit pour rduire progressivement la vitesse jusqu latterrissage qui seffectue 250 kilomtres par heure pour la navette amricaine. Cette phase de freinage demande des

>>> *Mdecine du Sport Institut Cur Effort Sant, Mdecine arospatiale, Visiting Professor : Harvard University.

Le principe de la satellisation a t envisag par Isaac Newton ds le dbut du XVIIIe sicle.

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manuvres complexes en forme de lacets et exposent lquipage une phase longue denviron 20 minutes de dclration, le tout sur une dis-tance de 8 000 km environ, selon le point dimpact ou datterrissage.

> Problmatiques posesHistoriquement, il y a eu une re du soupon : lhomme pouvait-il vivre dans une cabine propulse dans lespace ? Mentionnons deux questions initiales : le cerveau ne sera-t-il pas affect gravement par les acclrations ? et aussi le cos-monaute pourra-t-il avaler norma-lement sa salive lorsquil sera en im-pesanteur ? . Ainsi, durant plus de dix ans, se sont poses des questions de faisabilit technologique, de dfis humains et didentification des pro-

blmatiques spcifiques poses par des sjours oprationnels de plus en plus longs. La question de la sant des quipages lors des missions de longue dure a mobilis essentiel-lement la communaut des vols spatiaux habits durant les missions Skylab. En 1975, un rapport NASA rdig sous la direction du Dr La Fevers identifie deux trs impor-tants problmes limitant les projets de missions spatiales habites de longue dure : le dconditionnement neuro-mus-culaire et cardio-circulatoire ; les effets psycho-sociaux rsultant de la vie en petit groupe et dans un espace vital confin.Certes, lespace est habitable bien qutant le milieu le plus hostile connu ce jour, mais il est un lieu qui pose des problmes nombreux et intriqus si on veut que lhomme y vive aussi normalement que pos-sible . Comprendre ces problmes, les rsoudre au mieux, trouver des contre-mesures efficaces, vont de-venir des objectifs centraux pour la science et pour le bon accomplisse-ment des missions.Nous devrions voir merger un autre type dastronaute : le tou-riste spatial qui naccomplit pas de mission et sera dans une situation essentiellement contemplative lors dun vol sub-orbital de dure bien plus courte typiquement 20 mi-nutes au-dessus de 100 km dalti-tude et 3 minutes en situation dim-pesanteur. Les vols orbitaux ne sont pas envisags actuellement.Aprs lexposition des facteurs de charge importants (acclrations soutenues de longue dure, vibra-tions, bruits intenses), lastronaute exprimente la transition rapide entre ces facteurs de charge et la microgravit (souvent nomme impesanteur). Un rapport, datant de 2005 (1) note que 588 des 607 membres dquipage voyageant sur

la navette ont rapport des vne-ments mdicaux durant leurs mis-sions. La premire place revient au mal de lespace qui affecte les deux-tiers des quipages durant les pre-miers jours (lincidence maximale se situant dans les 72 premires heures). Il semble diminuer en intensit et en dure avec lutilisation de la pro-mthazine et le suivi des consignes strictes pour laccomplissement des mouvements volontaires.Allant de surprise en surprise, les tudes biomdicales du comporte-ment de lastronaute permettent de dresser un catalogue aussi passion-nant quimpressionnant des modi-fications qui paraissent npargner aucun organe et, du point de vue de la physiologie intgrative, tou-chent le corps entier ou systme dorganes tous les niveaux : ADN, protines, cellules, ensemble de cellules, tissus, organes et corps entier. Citons la quasi-disparition de la masse pesante modifiant profondment la charge de travail du systme musculo-squelettique, les altrations et aberrations neu-ro-sensorielles prcoces cons-quences de troubles neuro-ves-tibulaires et labsence de forces hydrostatiques sur les liquides de lorganisme qui vont perturber le systme cardiovasculaire au centre de nos proccupations dans cet article. Retenons que la cintique dinstallation de ces modifications est rapide et simultane.La prparation dune mission (une fois la slection de lquipage ac-complie) fait appel des systmes complexes, souvent peu connus, constitus dinstallations terrestres et de systmes ariens. Ainsi, sur Terre nous trouvons la centrifu-geuse humaine et, de plus en plus, des simulateurs ayant recours aux techniques de reprsentation de la ralit virtuelle amplifie pouvant, par exemple, reconstituer au plus

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prs le profil dune phase critique de la mission. Quant au vol parabo-lique dans lAirbus Zro-G, il auto-rise lenchanement de 30 priodes de 20 22 secondes dimpesanteur se succdant intervalles rguliers lors dun vol.Ce qui ne lasse pas dtonner, cest limpressionnante adaptabi-lit du systme cardiovasculaire des conditions aussi difficiles et contrastes que les phases dacc-lration soutenue, les sjours pro-longs en microgravit entranant la redistribution des liquides du corps, et les stimulations intenses que constituent les travaux phy-siques accomplis lors des sorties ex-travhiculaires (notons que lacro-batie arienne, le combat arien sont aussi gnrateurs de stimula-tions extrmes, le plus souvent sous forme dacclrations importantes de courtes dures).Le cardiologue connat bien le sys-tme veineux capacitif de la partie infrieure du corps, et surtout des membres infrieurs, ainsi que les classiques schmas de rponses du tonus vasculaire luttant contre leffondrement des rsistances vas-culaires priphriques (les centres dinvestigation font appel loutil diagnostique quest la ralisation et le suivi continu du tilt test sur un support motoris passant insensi-blement de la situation allonge la situation debout).Plus impressionnante, surtout pour ceux qui le vivent, est la cintique ra-pide dapparition des consquences de la migration du sang vers le sys-tme capacitif, lors des acclra-tions + Gz, avec leffet annonciateur quest la vision en tunnel prcdant le voile gris. Le passage du voile gris au voile noir et finalement la perte de connaissance qui est alors rapide (souvent appele G-LOC se tradui-sant par G. Loss Of Consciousness).En microgravit, labsence de forces

hydrostatiques sexerant sur les fluides du corps aura pour rsultat la migration de ceux-ci vers la partie cphalo-thoracique. La traduction visible est la constitution de la face ronde ou puffy face. Dautre part, les muqueuses rhino-sinusiennes sont dmateuses. Ceci constitue un fac-teur fort dstabilisant car la mimique faciale, perturbe, est la source de bien des incomprhensions entre membres dun mme quipage (2).Le cot nergtique dun exer-cice physique standardis est plus lev en microgravit compar son quivalent sur Terre, ce qui est tonnant : les performances phy-siques gnrales sont diminues et le cot nergtique est anormale-

ment lev, surtout lors des sorties extravhiculaires (port dune com-binaison lourde et pressurise qui entrave le mouvement) (3).Mais la problmatique centrale reste la suivante : se mouvoir dans une cabine de la Station Spatiale Internationale est peu coteux sur le plan nergtique du fait de la mi-crogravit, il en rsulte notamment un dconditionnement cardiovas-culaire durable et pjoratif : pour une meilleure ralisation des acti-vits extravhiculaires et pour les manuvres durgence ; puis, lors du retour sur Terre (eugravit), par une intolrance orthostatique pouvant tre majeure aprs un vol de longue dure.

Ultime mmorisation des actions raliser lors du vol.

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> Les rponses scientifiquesLa premire, chronologiquement, fut une rponse qui ouvrait lre des contre-mesures empiriques et des questionnements. Cest trs certainement ce moment que la recherche dun quivalent ter-restre de la microgravit fut mis au point et dnomm bed rest (notons que le bed rest ne peut que simuler certains aspects de la microgravit et donc, que le mot quivalent, consacr par lusage, est excessif). On conoit aisment quil soit pos-sible de dterminer la position phy-sique qui reproduira la migration des fluides vers la partie haute du corps, mais quil est physiquement impensable dannuler la gravit ter-restre.Les principales contre-mesures qui furent mises au point sont :1) lexercice physique (tudi s-rieusement pour la premire fois au cours des missions Skylab) ; 2) le Low Body Negative Pressure (LBNP).Ces contre-mesures furent asso-cies assez souvent : des investigations ddies (la me-sure de VO

2max et lchographie car-

diaque au repos et leffort (lcho-graphe As de Cur fut le premier appareil de ce type utilis par lastro-naute franais J.L. Chrtien bord de la station Mir en 1993) ; une considration de lhygine de vie bord, en suivant une approche de bon sens en dpit de labsence de rythmes circadiens.Durant les annes 90, de nom-breuses quipes ont tudi leffica-cit objective des contre-mesures qui comprenaient un volet exer-cice physique, un volet nutrition-nel, et un volet pharmacologique. Lexercice physique semble bien co-difi depuis les deux dernires mis-sions SKYLAB, en ce qui concerne le maintien du VO

2max. Cependant,

pour obtenir un rsultat significatif, deux sances par 24 heures sav-rent ncessaires. Ces sances pna-lisent lemploi du temps en orbite et la justification oprationnelle de ces sances est dure dfendre. Donc, des protocoles diffrents ont t tests lors de bed rest (BR) de longue dure.Le LBNP, dans sa forme la plus simple, consiste placer les membres infrieurs et labdomen dans un tube rigide. Une tanchit est assure par une sangle abdominale serre. Grce une pompe dpression, lexpri-mentateur impose au bas du corps, plac dans le tube, une dpression de 40 60 mmHg, ce qui entrane la mi-gration du sang vers les vaisseaux capacitifs des membres infrieurs.Avec lallongement de la dure des missions, il est devenu pressant et prioritaire de btir un programme complet et complexe dentrane-ments scientifiquement encadrs. Ainsi, il nous est revenu dimaginer des mthodes pour tudier la quan-tification du dconditionnement neuromusculaire lors des vols de longue dure (des appareils et lo-giciels ont t invents pour locca-sion), puis de proposer des contre-

mesures en validant leur impact sur la stimulation du systme cardio- respiratoire (4).

Les protocoles comprennent trois phases : Pre-Flight : collection des donnes de base (Baseline Data Collection - BDC) ; In-flight Measurements : expri-mentations durant le vol, souvent couples, plus rarement spci-fiques ; PostLanding (priode transitoire dbutant juste aprs latterris-sage) : on procde lacquisition de donnes en suivant les mmes protocoles que durant la phase dite BDC. Souvent, la cintique de rcupration est source de pr-cieux renseignements selon la th-rapie post-vol associe. La priode du retour sur Terre est difficile et mouvante bien des points de vue et le grand public a une opi-nion souvent loigne de la ralit (domine par le danger). Dans ce cadre, imposer alors des batteries de tests est exclu. Enfin, il faut un parti pris : celui de respecter le schma dacquisition des donnes ci-dessus indiqu.

Enregistrement de lECG (en bas) et de londe de pression artrielle (en haut) sur un

astronaute lors dun vol.

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Bien des plans exprimentaux ont t proposs afin dlucider les adap-tations vasculaires induites par la microgravit. Dans la logique int-grative, une exprimentation simple et isole est lexception. Il y a donc une thmatique centrale (quar-rive-t-il au cur lors de sjours en microgravit ?) qui donne lieu la ralisation dexprimentations pluri-disciplinaires (quels facteurs sont les plus pertinents tudier simultan-ment ou dans le mme schma ex-primental ?). Un objectif permanent est de recueillir des donnes quanti-tatives permettant ltape de mod-lisation du comportement et, ult-rieurement, des applications ralistes dans la pratique cardiologique. Les quipes en charge des ralisations ont toujours un argumentaire solide de retour sur exprience applicable la cardiologie.

> Les modifications cardiovasculairesLes experts de la NASA ont mis en place un institut dot de com-missions. Ainsi, le NSBRI (National Space Biomedical Research Institute) comporte une commission en charge des tudes portant sur le systme cardiovasculaire.

En 2005, un rapport de la NASA (6) identifiait les thmes suivants :1/ survenues darythmies cardiaques svres ;2/ altration de la fonction cardiaque ;3/ manifestations de maladies car-diaques antrieures asymptoma-tiques ;4/ rponse cardiovasculaire dimi-nue lors du stress orthostatique ;5/ rponse cardiovasculaire au stress de lexercice diminue.

1/ Survenue darythmies cardiaques svresDans une des plus grandes bases de donnes conues pour lexamen di-rect des ECG des astronautes lors de vols de longue dure, Golubchikova et al. concluent quil ny a pas de pathologie dtectable dans lactivit biolectrique du cur lors de sjours de longue dure bord de la station Mir propos dune revue de 59 ECG de cosmonautes diffrents du-rant des sjours de plus de 6 mois (7). Et si lon considre ensemble les donnes disponibles, le niveau de preuve est trs faible pour affirmer la corrlation entre vol spatial et aryth-mies graves.Il faut replacer ce constat dans son contexte : il est effectu sur une po-pulation bien spcifique constitue

de cosmonautes confirms, cest--dire titulaires pour une mission. La survenue dextrasystoles lors des tests de slection en centrifugeuse ne peut pas tre constate chez ces sujets puisque cest une constata-tion liminatoire.

2/ Altration de la fonction cardiaqueIl est clairement tabli : que le volume djection systo-lique du ventricule gauche est signi-ficativement diminu lors du retour sur Terre ; que lchocardiographie montre toujours une diminution de la taille du cur intressant les parois et le volume tldiastolique avec un VES diminu (donc, cest une amyotro-phie ventriculaire) (8) ; quil y a diminution du volume sanguin circulant donc le remo-delage cardiaque nest pas en lui-mme un facteur de risque pour le vol spatial : il est plutt la cons-quence de ladaptation la micro-gravit.Lintolrance orthostatique et la rduction de la capacit de travail sont les vrais risques oprationnels.Dans tous les cas, on est trs loin des approches intgratives dve-loppes par ailleurs dans le projet

Evolution de la pression veineuse centrale en fonction des variations de la gravit lors dun entranement pr-vol.

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PHYSIOME, notamment en lectro-mcanique cardiaque (9).Un modle dtude est prsent par les patients qui bnficient dune chirurgie de la valve aortique, parce que cette procdure est accomplie pour corriger un problme dans lequel la valvulopathie modifie la fonction cardiaque, avant et aprs lintervention. Cette modification de la fonction cardiaque peut four-nir de linformation utile la com-prhension et potentiellement pour la prvention de la modification du myocarde lors des vols spatiaux.Voici donc un bel exemple trans-versal : on ne saurait cantonner lobjet de la rflexion et des savoirs au seul domaine spatial !

3/ Manifestations de maladies antrieures asymptomatiquesActuellement, nous nous heurtons labsence de cas documents et publis.

4/ Diminution de la fonction vasculaireLes rponses hmodynamiques durant les tests en position debout dune dure de 10 minutes (tilt test) conduits sur 14 spationautes amri-cains, juste aprs le retour sur Terre et durant la phase de rcupration (Recovery Period) de vols spatiaux de 9 14 jours rvlrent des volumes vasculaires circulants inchangs, une migration du sang dans les jambes, une diminution du remplissage du VG et du VES, et une tachycardie si-nusale chez tous les sujets (prsen-tant ou pas un malaise prsyncopal). Ceux qui ne finissaient pas le test avaient une diminution significative de la rsistance vasculaire priph-rique. Ceux qui achevaient le tilt test (stabilit orthostatique) montraient une rsistance vasculaire priph-rique leve lors du passage en or-thostatisme quand celleci tait

compare aux donnes pr-vol (BDC).

5/ Rponse nerveuse autonomique diminueLes adaptations des rponses du systme nerveux autonome via les mcanismes du barorflexe qui contrlent les rponses chronotro-piques cardiaques et les rsistances vasculaires priphriques peuvent aussi contribuer une rgulation inadquate de la pression sanguine aprs exposition la microgravit. Le sujet fait dbat. Y a-t-il une concen-tration basse en norpinphrine associe aux moindres rsistances vasculaires ? On sait dj que lacti-vit nerveuse sympathique est le-ve chez tous les astronautes aprs un vol spatial, donc une explication est la suivante : de basses concentra-tions constates de norpinphrine et une diminution des rsistances priphriques vasculaires refltent un retrait sympathique brutal une fois que la rserve vaso-constrictive a t puise plutt quune sensibilit hypo-adrnergique, cest--dire une moindre concentration de rcep-teurs cellulaires.

Limportance dun suivi longitudi-nal et multiparamtrique devient vident. Le support de ce suivi repose sur les acquisitions multi-modalits et, demain, du ressort de llectrodynamique cardiaque. Il en va de mme de lanalyse des tats transitoires. Par exemple, le monitoring continu de la pression veineuse centrale (PVC) ralise chez lhomme lors de la phase ini-tiale de linsertion en orbite objec-tive une condition apparemment paradoxale dans laquelle, malgr la migration des fluides dj men-tionne, la PVC est abaisse alors que le VES et le dbit cardiaque sont augments, la FC restant in-change.

> Lavenir en questionsIl est fondamental de souligner la covolution des savoirs mdico-physiologiques appliqus et les objectifs des missions. Le mdecin joue ici un rle central, et il travaille en synergie avec les ingnieurs, les psychologues, etc. Les technologies de linformation et de la commu-nication donnent aujourdhui un visage nouveau lapproche scien-tifique et mdicale, pour peu que des prcautions adquates soient respectes lors de la mise en rseau des donnes et des informations communiques.

Le besoin de miniaturisation, trs important pour lensemble de la charge utile, mne des ef-forts considrables dintgration. Justifions cette assertion par un ordre de grandeur : le cot moyen dun kilogramme de charge utile place en orbite est actuellement de 20 000 e. Ainsi, nous naurions certainement pas les micro-ordina-teurs actuels sil ny avait pas eu les missions Apollo. Identiquement, les petits cardio-dfibrillateurs de nos jours nauraient certainement pas vu le jour sans les dveloppements technologiques ncessaires pour ces mmes missions. Actuellement, les volutions technologiques vont dans le sens dacquisitions mul-ti-modalits (i.e. ECG, PA, cho-graphies et multi-acquisition de paramtres physiologiques tels que lexprimentation dnomme CARDIOCOG ou encore le pro-gramme franais connu sous le nom de CARDIOMED (ce dernier tant dvelopp par le CNES).

Cette option illustre le concept mergent dexprimentation(s) objectifs multiples dont la fina-lit vise clairement une compr-hension des mcanismes physio-logiques intriqus. Si, aux premiers

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7. Mulvagh SI, Charles JB, Riddle JM et al. Echocardiographic evaluation of the car-

diovascular effects of short duration spaceflight. J Clin Pharmacol 1991 ; 31 : 1024-6.

8. Proceedings of the IEEE 2006 ; 94 (n 4). Special Issue on The Physiome project

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Bibliographie

Mission spatiale, Recherche,Dconditionnement cardiovasculaire

Mots Cls

temps, la rsolution des problmes et lacquisition des connaissances furent la priorit, le paradigme dominant qui se met en place est didentifier les relations de causa-lit entre systmes (biologiques, de monitoring, de traitement de lin-formation) et situations.

> ConclusionNous devons indiquer notre vo-lont de rester au plus prs des faits et interprtations en termes mcaniques appliqus la cardio-logie puisque les tudes proposant une lecture claire des relations de cause effet se situent dans ce domaine (toutefois, nous nous sommes interdit tout dveloppe-ment relevant de la mcanique des fluides). Cest aussi le parti pris afin de tester les hypothses dans un futur proche (donc de se trou-ver en phase avec les programmes en cours de ralisation ou de d-veloppement oprationnel pour la pratique) : la dmarche intgrative est indniablement le paradigme le plus riche de promesses. Une telle dmarche suppose une continuelle interaction entre les sciences mdi-cales (donc les sciences du vivant), en rappelant le rle central du cur - tant pour ses formidables caractristiques mcaniques que pour son adaptabilit lectrom-canique - et les sciences de ling-nieur. La modlisation a prouv avec une pertinence aigu sa ca-pacit rendre compte de phno-mnes complexes, identifier les relations dinteractions fortes entre paramtres. Cependant, la mise au point dun modle reprsenta-tif exige une phase daffinement, cest--dire de confrontation des donnes obtenues sur un sujet celles qui sont prdites par le mo-dle, suivie de retour sur exprience dont la finalit est damliorer le

modle. Continuer sur cette lance est une priorit absolue, tant pour les explorations spatiales que les applications terrestres. Une telle entreprise est actuellement envisa-geable, puisque nous disposons la fois doutils non invasifs perfor-mants utilisables dans lenviron-nement micro-gravitaire comme dans les secteurs de la recherche biomdicale et les filires de soins. Quel systme, sinon la Station Spatiale Internationale, permet-tra demain de rpondre aux pro-blmes biomdicaux attendus lors de vols vers Mars ? Il semble assur que cette thmatique large allant des problmes psycho-sociaux, la manire de procurer des soins mdicaux adquats au cur dun vaisseau plac en impesanteur, et des millions de kilomtres de la Terre, ravive lintrt des sciences du vivant en microgravit. n

Remerciements:Je tiens particulirement remer-cier le comit ditorial du Club des Cardiologues du Sport pour ses remarques et suggestions, et no-tamment le Docteur JeanClaude Verdier pour ses conseils et relec-tures attentives du prsent article.Je suis honor davoir pu compter depuis maintenant des annes sur lESA, le CNES, et particulirement le Corps Europen des Astronautes, pour leur dvouement sans faille, leur ractivit et leur participation active aux exprimentations que nous avons menes ensemble.

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