Évaluation du métabolisme cérébral

DESC Réanimation médicale 2013-2014

Introduction

� 2 % du poids corporel

� 15 % du débit cardiaque

� 20 % de l’oxygène de l’organisme et 25 % du glucose d’un sujet au repos

� CMRO2 3 à 6 ml.100g-1.min-1� –60 % fonction; 40 % intégrité cellulaire

� Le métabolisme d’activation correspond à 55-60 % de la consommation globale d’énergie ; il assure la transmission synaptique et la génération des signaux électriques indispensables à la fonction neuronale.

� Triple caractéristique:� Convertir, � Consommer,� Epargner l’énergie.

P. J. Magistretti, in Fundamental Neuroscience, L. Squire et al., Eds. (Elsevier, Amsterdam, ed. 3, 2008), p. 271

Pellerin L, Bouzier-Sore AK, Aubert A et al. (2007) Activity-dependent regulation of energy metabolism by astrocytes: an update. Glia 55: 1251-62

Couplage activité neuronale-métabolisme

� À l’état basal Le lactate systémique ne représente que 8 % de la dépense énergétique cérébrale

� 20 -25 % lors de l’exercice.

� Le niveau métabolique nécessaire à l’activation cérébrale obéit à un phénomène de tout ou rien � stabilité de la consommation énergétique cérébrale � absence de variation importante du métabolisme cérébral lors de diverses activités mentales

van Hall G, Stromstad M, Rasmussen P et al. (2009) Blood lactate is an important energysource for the human brain. J Cereb Blood Flow Metab 29: 1121-9

Utilisation du lactate

Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism (2009) 29, 1121–1129

Le lactate: un neuroprotecteur ?

Couplage oxygénation métabolisme

J. Neurosci., September 21, 2011 • 31(38):13676 –13681 • 13679

Couplage débit métabolisme

� Extraction cérébrale en oxygène de l’ordre de 25- 30 % uniforme et cte quelques soit DSC

� Nécessité une régulation très précise du DSC

� Lors de taches cognitives, les variations locales du DSC ne dépassent pas 5 %

� 22 mL/100 g/min=seuil ischémique

� 8 mL/100 g/min = seuil zone penombre AVC

� Traumatisé cranien: 15 mL.100 g-1.min-1, 36,7 mmol.100 g-1.min-1, et de 25,9 %

Couplage débit-métabolisme

nature neuroscience • volume 6 no 1 • january 2003

-Haute activité synaptique: diffusion de glutamate sur la membrane astrocytaire

-Activation des mGluR: signal calcique qui s’étend aux dendrites

- Augmentation du Ca: libération d’un vasodilatateur (PGI)

Autorégulation du débit sanguin cérébral

Régulation neurogenique: la stimulation sympathique intense diminue le DSC (≠ choc hémorragique Vs HypoTApharmacologique).

C.M. Brown et al. / Journal of the Neurological Sciences 208 (2003) 71–78

Débit cardiaque et circulation cérébrale

C.M. Brown et al. / Journal of the Neurological Sciences 208 (2003) 71–78

Au cours de l’agressioncérébrale

� Up-regulation des récepteurs (GLUT-1 dans l’astrocyte et GLUT-3 dans les neurones) �Entrée plus importante du glucose

� Hyperglycolyse focale ou globale est retrouvée dans plus de la moitié des cas au cours de la première semaine post-traumatique chez le traumatisécrânien ou en post AVC

� Altération du fonctionnement mitochondrial qui ne permettrait pas une utilisation de l’oxygène, même en quantité suffisante (TC , AVCH)

� Il existe à la fois des régions cérébrales ou des périodes post-agression pouvant se trouver dans un état d’hyper- ou d’hypométabolisme, ce qui complique l’interprétation fournie par le monitorage clinique

Bergsneider M. J Neurosurg 86: 241-51

Signoretti S. J Neurosurg 108: 42-52

Chez le traumatisé crânien

Le DSC évolue dans plusieurs sens:

�Phase oligémique: 6 premières heures post-traumatiques, le DSC est bas avec un risque élevé d’ischémie cérébrale

�24 à 72 premières heures, une phase hyperhémique, marquée par une augmentation du DSC et une diminution de la différence artério-veineuse cérébrale en oxygène

�le DSC diminue à nouveau en raison de l’apparition d’un vasospasme, qui n’est hémodynamiquement significatif que dans 45 % des cas

Martin NA, Patwardhan RV, Alexander MJ et al. (1997) Characterization of cerebral hemodynamic phases following severe head trauma: hypoperfusion, hyperemia, and vasospasm. J Neurosurg 87: 9-19

Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism (2009) 29

Monitorer?

� Le monitorage de l’hémodynamique cérébral, couplé au monitorage systémique, s’efforce d’éviter les agressions cérébrales secondaires.

� Dépister les situations à risque de bas debit cérébral et donc détecterl’ischémie

� Évaluer le retentissement sur le métabolisme cérébral

� Prendre les mesures thérapeutiques appropriées pour éviter les lésionsischémiques secondaires

� Évaluer et obtenir une adéquation du débit sanguin cérébral et de la consommation en oxygène

� L’évaluation du métabolisme cérébral prend en considération l’apport des substrats Energétiques disponibles et leur utilisation. Dans cette perspective, les principales techniques accessibles:

� Monitorage du sang veineux dans le golf de la veine jugulaire interne,

� Microdialyse cérébrale,

� Oxymétrie cérébrale par spectroscopie proche infrarouge,

� Oxymétrie cérébrale invasive par microélectrodes tissulaires,

� Tomographie à émission de positons,

� Imagerie par résonance magnétique fonctionnelle.

MONITORAGE DU SANG VEINEUXJUGULAIRE

SvjO2(saturation veineuse jugulaire en oxygène)

�Reflet global de l’oxygénation cérébrale,

�Elle peut traduire: 1. Des modifications du débit sanguin, 2. Du contenu artériel en 023. Ou du métabolisme cérébral.

�La survenue d’épisodes de désaturation du sang veineux jugulaire a étécorrélé avec une évolution défavorable après un traumatisme crânien

Acta Neurochirurgica 1995, Volume 134, Issue 1-2, pp 71-75

Paramètres dérivés

� La différence arterio-jugulaire (DAj) du contenu en O2, couplée à la mesure du débit sanguin cérébral, permet de calculer la consommation cérébrale en O2 (CMRO2):

� CMRO2, inferieure a 0,8 mL/100g/min � évolution défavorable chez les traumatisés crâniens sévères.

� L’extraction d’oxygène (DAjSO,) permet de déterminer des situations de couplage débit sanguin-métabolisme, d’hypoperfusion ou d’hyperhémie, et de guider le traitement de l’hypertension intracrânienne .

Acta Neurochir (Wien) 1997 ; 139 : 636-42.

Crit Care Med 1998 ; 26 : 344-S I.

� Indications:� Le monitorage de la SjO2, peut être utilisé chez les patients a risque d’ischémie

cérébrale:� En traumatologie crânienne (TC grave) � Dans certaines affections neurochirurgicales � Au cours de la chirurgie cardiaque sous circulation extracorporelle.

� objectif:détecter une ischémie cérébrale GLOBALE accessible à une adaptation

thérapeutique simple

� Limites:� Paramètre peu sensible pour la détection d’une ischémie régionale � Erreurs d’interprétation liées à des artefacts techniques.

SvjO2 < 50-55%CMRO > apport

SvjO2 > 75 %CRMO < apport

causes extra-cardiaques• anémie• hypoxie• SaO2

causes cérébrales

hypoperfusion cérébrale relative =DSC insuffisant-hypoCO2-HTIC-Vasospasme-Hypermétabolisme-Fièvre-Commitialité

- Hyperhémie- infarctus cérébral- Contamination- mort encéphalique

PEC OSMOTHERAPIE HVENTILLATION / BARBITURIQUES

SPECTROSCOPIE PROCHE INFRAROUGE

� Fondée sur la différence d’absorption de l’oxyhemoglobine et de l'hémoglobine totale

� L’appareil comporte une sonde émettrice et deux sondes détectrices placées à distance l’une de l’autre, pour éliminer une contamination extra crânienne

� Certains appareils mesurent l’état d’oxydoréduction du cytochrome aa3 dont l’augmentation permet d’identifier précocement une déplétion énergétique cérébrale

� Indications:� Le traumatisme crânien, � l’implantation de défibrillateurs cardiaques,� la chirurgie carotidienne, � La chirurgie cardiaque sous circulation extracorporelle

� Limites :� Le seuil d’ischémie n’est pas clairement défini� Il n’existe pas de technique standard de comparaison.

Oxymétrie Cérébrale Invasive

� L’intérêt de cette technique résulte de la difficulté de détecter une ischémie régionale par SjO2, et des problèmes non encore résolus que pose la spectroscopie infrarouge.

� La PO2 tissulaire traduit la balance entre l’apport et la demande en O2

� Une réduction de la PO2 tissulaire résulte d’une diminution de l’apport en O2 ou d’une augmentation du métabolisme

� Le seuil d’hypoxie cérébral se situe en dessous de 10-15 mmHg

� Technique plus fiable que la mesure de la SjO2 pour un monitorage prolongé de l’oxygénation cérébrale

� Mais il existe une hypothèse de dysfonction mitochondriale

Crit Care Med 2009 Vol. 37, No. 6

Limites

Microdialyse cérébrale

� Mise au point initiale chez l’animal dans les années 1960

� La microdialyse permet la mesure de concentrations dans le milieu extracellulaire sans recours à une extraction tissulaire

� Membrane semi-perméable à l’eau et aux petites molécules

� La membrane est perfusée en permanence avec une solution équilibré ( LCR artificiel)

� La direction des mouvements de diffusion dépend quasi exclusivement du gradient de concentration de part et d’autre de la membrane

Intérêt de la microdialyse dans le monitorage cérébral

� Infarctus sylvien malin:� Libération massive de glutamate� Élévation du rapport lactate/pyruvate

pourraient être mesurées dans la période d’ischémie réversible précédant l’infarctus, permettant alors l’institution d’un traitement.

� Hémorragie sous-arachnoïdienne:� Augmentation taux d’aspartate et de glutamate� l’élévation du rapport lactate/pyruvate au-delà de 25 suivi d’un pic de glutamate (marqueur

spécifique d’ischémie)

� Traumatisme crânien grave:� Il s’agit à ce jour de la seule indication dans laquelle la microdialyse est approuvée par la FDA

aux États-Unis et a le marquage CE en Europe� la persistance d’un glucose bas associé à une élévation du lactate et du rapport

lactate/pyruvate est prédictive d’une mauvaise évolution� le glutamate est souvent élevé en phase aiguë avec une décroissance dans les premiers jours� la persistance à des valeurs élevées ou la ré ascension des taux est péjorative

Intérêt de la microdialyse comme évaluation de l’efficacité thérapeutique

� Évaluation des effets de l’hyperoxie:

Chez 25 à 30 % des traumatisés crâniens graves, PtiO2, corrélé à une baisse de débit sanguin cérébral régional.

L’hyperoxie pourrait être une voie thérapeutique.FiO2 1 �la PtiO2 était multipliée par trois, du lactate de 40 %

� Évaluation des effets de l’hypocapnie:

L’hyperventilation augmenterait de plus de 10 % les taux des marqueursde l’ischémie tissulaire (lactate, lactate/pyruvate) ainsi que le taux de glutamate

� Évaluation des effets de l’hypothermie:

Diminution du taux des acides aminés excitateurs (glutamate et aspartate) ainsi qu’une augmentation de la PPC et de la SjO2 lors des épisodes d’hypothermie

Série de 12 patients présentant un accident vasculaire cérébral ischémiquemalin par thrombose de l’artère sylvienne:

Tissu sain, taux significativement inférieur en période d’hypothermie.

Dans la zone de pénombre, les taux de glutamate sont trois àquatre fois plus importants qu’en zone saine et diminuent jusqu’à atteindre les taux de

bases durant la phase d’hypothermie.

Au sein du tissu ischémique, les taux de glutamate atteignent des niveaux très élevés même pendant l’hypothermie

J Neurotrauma 21: 894-906

The percentage of time of elevated lactate/pyruvate ratio correlated with the extent of frontal lobe brain atrophy (r = -.56, p < 0.01), but not global brain atrophy (r = -.31, p = 0.20). The predictive effect of lactate/pyruvate ratio was independent of patient age, Glasgow Coma Scale score, and volume of frontal lobe contusion

Crit Care Med. 2008 Oct;36(10):2952-3

Tomographie par émission depositons

� Un positon entre en collision avec un électron chargé négativement, ce qui résulte dans la libération de deux rayonnements gamma qui s’écartent à 180°l’un de l’autre.

� La TEP utilise des traceurs radioactifs, principalement du (F18)-fluorodésoxyglucose (FDG, demi-vie 110 min) ou de l’O2 ou du CO2 marqué à l’oxygène 15 (demi-vie 2 min).

� Cette technique permet une évaluation directe du métabolisme et du débit sanguin cérébral régional a partir de l’administration de traceurs radioactifs:

� Métabolisme de l’oxygène

� Métabolisme du glucose

� Étude des récepteurs

� Cartographies fonctionnelles

�image métabolique quantitative àun instant donné

• Les inconvénients de cette technique:1. un cout élevé, 2. une résolution spatiale assez faible,3. l’exposition à des radiations ionisantes,4. la difficulté de répéter les examens pour

comparer deux états

Tomographie d’émissionmonophotonique (SPECT)

� Les isotopes utilisés dans cette technique ( que le technétium99, le xénon 133, l’iode 123) ont une demi-vie plus longue, évitant d’avoir à les produire sur place, n’émettent qu’un seul rayonnement gamma,

� Résolution spatiale plus faible

� La tomographie d’émission monophotonique renseigne seulement sur le DSC

� Étude de la réserve vasculaire, avant et 25 min après injection 1 g diamox

Imagerie par résonance magnétiquefonctionnelle (IRMf)

�Mesure les différences d’oxygénation locale par le biais de l’effet BOLD (bloodoxygenation level dependent)

�L’Effet BOLD est basé sur l'utilisation de deux principes :� La désoxyhémoglobine est paramagnétique� L'activité cérébrale entraîne des modifications hémodynamiques

�Les limites de cet examen: � Durée � La difficulté de définir un état de repos, � La difficulté d’interprétation en fonction du stimulus appliqué

�Indications:� Bilan pré op d’une exérèse chirurgicale des tumeurs cérébrales en région fonctionnelledans le cadre de la neurochirurgie éveillée.� Surtout domaine de la recherche clinique

homme âgé de 29 ans victime d'un grave accident de la route. Il est sorti rapidement de son coma et considéré «végétatif »

Conclusion

� Il n’existe pas de technique idéale d’évaluation du métabolisme cérébral.

� Le choix d’une technique dépend a la fois des questions posées et du contexte clinique.

� L’évaluation multimodale du métabolisme cérébral permet une meilleure compréhension de la physiopathologie et une thérapeutique appropriée

� En pratique clinique:1. La saturation veineuse jugulaire, et l’Oxymétrie Cérébrale Invasive les 2 techniques

les plus accessible.2. La microdialyse permet un véritable monitorage biochimique du métabolisme cérébral

de la zone d’insertion du cathéter mais la lourdeur et le cout de la méthode limite son utilisation.

3. L’Imagerie du métabolisme cérébral; ces explorations sont encore, en majeure partie, du domaine de la recherche clinique