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Development of a pharmacological protocol to perform stress echocardiography in horses

by Sandersen, Charlotte

Abstract (Summary)
Deux raisons majeures justifient la nécessité de développer de nouvelles techniques dinvestigation en cardiologie équine : premièrement, il ny a pas dévidence que lincidence des baisses de performance dorigine cardiaque chez le cheval soit en diminution et deuxièmement, aucune nouvelle technique dinvestigation cardiaque na été développée en cardiologie équine depuis lavènement de léchocardiographie Doppler entre la fin des années 80 et le début des années 90 (Reef et al., 1989, Reef 1991, Long et al., 1992). Léchocardiographie de stress est la seule technique qui permette le diagnostic dune dysfonction myocardique induite par lexercice. Or, ce problème, qui est caractérisé par un manque danomalies significatives lors de lexamen au repos, a été rapporté chez 5 à 8 % de chevaux examinés pour baisse de performance (Reef 1997, Martin et al., 2000). De plus, léchocardiographie de stress pourrait être utile pour lévaluation clinique du comportement des insuffisances valvulaires lors de lexercice, afin de préciser leur pronostic (Gehlen 2005b). Dans le cadre de la recherche, léchocardiographie de stress pourrait savérer constituer un outil utile pour lévaluation de la relation entre les maladies valvulaires et une éventuelle dysfonction ventriculaire. Léchocardiographie de stress réalisée post-exercice a déjà été décrite dans le contexte de linvestigation des dysfonctions myocardiques induites par lexercice chez le cheval. Malheureusement, léchocardiographie de stress post-exercice ne reproduit que partiellement les conditions présentes lors de lexercice (Durando et al., 2002). Un exercice maximal ou tout au moins proche du maximum est nécessaire pour induire des changements des paramètres échocardiographiques mesurables pendant la période suivant immédiatement larrêt de lexercice (Reef 1997). Cest une procédure techniquement exigeante qui doit se satisfaire dimages de mauvaise qualité en raison de la respiration intense après un exercice soutenu. De plus, la chute rapide de la fréquence cardiaque après exercice limite la sensibilité du test. Linduction pharmacologique du stress, comparable à celle utilisée en médecine humaine pour poser le diagnostic et évaluer le pronostic sur certains patients souffrant de pathologies coronariennes, a été décrite chez le cheval pour surmonter les limitations de léchocardiographie de stress post-exercice, mais le protocole de stimulation pharmacologique utilisé sest cependant avérée myocardiotoxique (Frye et al., 2003). Le but de nos études était de développer un protocole pharmacologique qui permette de réaliser une échocardiographie de stress dans lespèce équine, qui soit bien toléré et facile à réaliser, et qui induise des modifications qui miment lexercice de la manière la plus proche que possible. Dans la première étude, nous avons comparé dune haute dose conventionnelle de dobutamine par rapport à une faible dose de dobutamine chez des poneys prémédiqués avec de latropine. En préambule à cette étude, nous avons en effet suspecté que les effets secondaires et le manque daugmentation de la fréquence cardiaque en réponse à ladministration de dobutamine chez le cheval pourraient être dus à lactivation dun réflexe hypertenseur au niveau du nerf vague en réponse à ladministration de cette molécule. Ces effets pourraient donc être évités en prémédiquant les patients avec un agent vagolytique tel que latropine. Dans notre étude, des poneys prémédiqués avec de latropine ont été soumis à des doses de dobutamine 8 fois plus faibles que dans un groupe recevant la dose conventionnelle de dobutamine. La stimulation cardiaque, évaluée sur base du débit cardiaque mesuré par échocardiographie Doppler comme indicateur de performance cardiaque globale, était légèrement plus haute et les effets secondaires étaient moins communément observés dans le groupe prémédiqué à latropine. De plus, la réponse en fréquence cardiaque et volume déjection montrait moins de variabilité entre sujets dans le groupe prémédiqué à latropine que dans le groupe recevant la dobutamine à la dose conventionnelle. Cette étude a démontré que dans lespèce équine, le protocole datropine conjugué avec de faibles doses de dobutamine présente de nombreux avantages par rapport aux autres types déchocardiographie de stress. La deuxième étude avait pour but didentifier les paramètres échocardiographiques les plus utiles à mesurer durant une échocardiographie de stress chez le cheval. Six chevaux en bonne santé ont subi le protocole de stress pharmacologique décrit dans la première étude et à chaque stade de la stimulation pharmacologique, les paramètres des modes échocardiographiques bidimensionnel (mode-B) et temps-mouvement (mode-M) ont été mesurés. Les modifications échocardiographiques les plus importantes ont été induites au niveau des paramètres suivants du mode-M : le diamètre interne du ventricule gauche (LVID) en systole, lépaisseur de la paroi libre du ventricule gauche en systole et diastole, lépaisseur du septum interventriculaire en systole et diastole, et la fraction de raccourcissement. Les modifications dans les paramètres du mode-B, bien que moins prononcées, ont reflété les changements observés dans le mode-M. Cependant, les mesures en mode-M prenaient davantage de temps et montraient une plus grande variabilité due aux erreurs de mesure que celles réalisées en mode-B. De plus, les changements entre les doses successives de dobutamine utilisées dans notre protocole pharmacologique nétaient pas toujours significatifs. Dun point de vue pratique, labandon dune dose sur deux de dobutamine dans ce protocole aurait donc peu de répercussion sur les résultats et permettrait de réduire considérablement le temps du test. Sur base des deux premières études réalisées, le protocole de stimulation pharmacologique qui a été adopté pour les études suivantes consistait en une prémédication au moyen dun bolus de 35 µg/kg datropine par voie intra-veineuse (IV) suivie par une perfusion de dobutamine à des doses cumulatives de 2, 4, 6 et 8 µg/kg/minute. Le but de la troisième étude était de comparer les modifications échocardiographiques en réponse à ce protocole de stimulation pharmacologique avec celles obtenues après un exercice. Dans cette étude, 6 chevaux sains ont subi un exercice submaximal sur tapis roulant, et ont été comparés à 6 chevaux sains soumis au challenge de stimulation pharmacologique. Dans les 2 groupes, les paramètres échocardiographiques en mode-M ont été mesurés à une fréquence cardiaque au repos ainsi quà une fréquence cardiaque de 80, 100, 110, 120, 130 et 140 battements par minute. La difficulté majeure rencontrée dans le groupe soumis à lexercice sur tapis roulant était la chute rapide de la fréquence cardiaque après arrêt de lexercice, tel que rapporté précédemment dans la littérature, ce qui empêché lobtention denregistrements échocardiographiques à des hautes fréquences cardiaques chez certains chevaux. De plus, chez certains de ces chevaux, la qualité des images était limitée à cause des mouvements de lanimal et sa respiration. Les paramètres échocardiographiques du mode-M nétaient pas significativement différents entre les deux groupes investigués, à lexception du diamètre interne du ventricule gauche en systole à 100, 110 et 120 bpm, diamètre qui était plus petit dans le groupe stimulé pharmacologiquement que dans le groupe stimulé par exercice. En outre, dans le groupe exercice, la plupart des modifications significatives des paramètres échocardiograpiques ne se manifestaient quà des fréquences cardiaques de 130 et 140/minute. Ces résultats confirment que pour quune échocardiographie de stress mette en évidence des anomalies induites par lexercice, lintensité de leffort réalisé au cours du test doit être très importante et les images échocardiographiques doivent être obtenues très rapidement après larrêt de leffort. La sensibilité du test lors déchocardiographie de stress post-exercice reste dès lors discutable. Les 3 premières études réalisées dans le cadre de ce travail ont montré que le protocole de stimulation pharmacologique consistant en une prémédication à latropine suivie de faibles doses de dobutamine est bien toléré chez le cheval sain et que les modifications des paramètres échocardiographiques en mode-M, à lexception du diamètre interne du ventricule gauche en systole, sont similaires à celles observées suite à un effort submaximal sur tapis roulant. La différence observée entre les deux types de stimulation pourrait être expliquée par une post-charge plus basse lors de la stimulation pharmacologique quen réponse à un exercice. Cependant, lévaluation des conditions de charge du cur nécessite la mesure de paramètres précis. La pré-charge et la post-charge cardiaque, de concert avec la fréquence cardiaque et la contractilité du myocarde, constituent des déterminants majeurs des performances cardiaques. La réponse de la fréquence cardiaque à un protocole de stimulation atropine/faible dose de dobutamine a été étudiée en profondeur dans la première étude. Lobjectif de la quatrième étude était dévaluer la réponse des trois autres composants de la performance cardiaque, à savoir la pré-charge, la post-charge et la contractilité, au test de stress pharmacologique mis au point dans les 3 premières études du travail. Dans cette étude, 6 chevaux adultes sains ont été soumis au test de stimulation pharmacologique mis au point dans les études précédentes. La période de pré-éjection a diminué avec laugmentation de la stimulation pharmacologique, mais na pas été modifiée par ladministration datropine ce qui confirme les études réalisées chez lhomme et le chien, chez qui ni le pacing ni laugmentation de la fréquence cardiaque induite par latropine nont altéré ce paramètre (Hassan and Turner 1983, Pipers et al., 1978, Harris et al 1967). Par contre, dans notre étude le temps déjection a montré une corrélation négative avec la fréquence. Ces résultats confirment létude de Lightowler et al (2003), qui a montré une forte corrélation négative entre le temps déjection et la fréquence cardiaque dans lespèce équine. De nombreuses études ont proposé lutilisation du rapport période de pré-éjection/temps déjection comme paramètre de mesure de la fonction systolique indépendant des conditions de charge chez lhomme (Weissler et al., 1968, Cokkinos et al 1976). Dautres études ont cependant démontré une corrélation significative entre ce paramètre et la fréquence cardiaque (Pipers et al, 1978; Spodick et al 1984). Dans notre étude, le rapport période de pré-éjection/temps déjection na pas été modifié durant la stimulation pharmacologique, ce qui est probablement dû à laddition de différents facteurs opposés. En général, une augmentation de la pré-charge associée à une réduction de la post-charge induit des changements des temps dintervalles systoliques suggérant une augmentation du travail myocardique, et inclut une réduction de la période de pré-éjection et du rapport période de pré-éjection/temps déjection (Hassan and Turner, 1983, Weissler 1977, Lewis et al 1977). A linverse, une réduction de la pré-charge associée à une augmentation de la post-charge induit des changements des temps dintervalles systoliques suggérant une diminution du travail myocardique et inclut une augmentation de la période de pré-éjection et du rapport période de pré-éjection/temps déjection et une réduction du temps déjection (Hassan and Turner, 1983, Weissler 1977, Lewis et al 1977). Les effets de la post-charge et des agents inotropes sont plus complexes car une augmentation ou une diminution de la post-charge prolonge le temps déjection alors que les inotropes positif et négatifs induisent une diminution de ce paramètre (Atkins and Snyder 1992). La vitesse de raccourcissement des fibres circonférentielles est considérée comme une mesure indépendante de la pré-charge de la contractilité, mais est affectée par la post-charge (Atkins and Snyder 1992). Pour surmonter linfluence de la fréquence cardiaque sur ce paramètre, une formule corrigeant ce paramètre pour la fréquence cardiaque (Colan et al 1984) a été utilisée dans notre étude. Tant avec ou sans correction pour la fréquence cardiaque, la vitesse de raccourcissement des fibres circonférentielles a augmenté significativement avec la stimulation à la dobutamine. Une constatation similaire a été observée chez des chiens (Lang et al 1986) et chez lhomme (Colan et al 1984), et démontre leffet inotrope positif de la dobutamine. Dans le cadre clinique, la résistance vasculaire systémique est communément utilisée comme paramètre dévaluation de la post-charge ventriculaire. Elle est estimée sur base de la différence entre la pression artérielle systémique moyenne et la pression auriculaire gauche moyenne, multipliée par un facteur de conversion de 80 dyne * cm-2/mmHg, et divisée par le débit cardiaque. Cette formule a été validée par angiographie (Grossmann and McLaurin 1980). Klabunde (2004) a suggéré que dans les conditions cliniques, la pression auriculaire gauche peut être négligée dans cette formule, ce qui facilite la mesure de la résistance vasculaire systémique en pratique. Au cours dun exercice sub-maximal chez le cheval, il a été démontré que par rapport au repos, le débit cardiaque augmente approximativement 4 fois (Thomas et al.,, 1983), alors que la pression artérielle systémique augmente dun facteur 1.7 (Hornicke et al, 1977). Théoriquement, cela devrait être associé à une chute de 68% de la résistance vasculaire systémique. La dobutamine est connue pour réduire la résistance vasculaire systémique dans plusieurs espèces animales et chez lhomme (Leier et al 1977). Dans notre étude, la dobutamine a effectivement réduit ce paramètre dune valeur de 324 à une valeur de 137 dyne * s/cm5, soit une chute de 58 %, ce qui représente les changements du même ordre que ceux observés lors dun exercice sub-maximal dans cette espèce et suggère une chute de la post-charge du ventricule gauche. Cependant, la résistance vasculaire systémique ne reflète pas exactement la post-charge du ventricule gauche puisquelle ne tient compte que du tonus vasomoteur périphérique (Lang et al 1986). La post-charge ventriculaire est en effet définie comme la force sopposant au raccourcissement de la fibre ventriculaire durant la phase déjection (Weber et al., 1982, Nichols and Pepine 1982). Cette force nest que très grossièrement évaluée sur base de la pression artérielle périphérique, du tonus vasomoteur périphérique, ou de la résistance vasculaire systémique, et doit plutôt être évaluée sur base du stress éprouvé par la paroi ventriculaire durant léjection. Ce stress fait intervenir à la fois des facteurs internes et des facteurs externes au myocarde. Selon le principe de La Place, le stress de la paroi ventriculaire est directement proportionnel à la dimension et à la pression et inversement proportionnel à lépaisseur de la paroi (Gould et al., 1974, Weber and Janicki 1980, Grossmann et al., 1975). Dans notre étude, le stress de la paroi, estimé sur base de la formule : WS = MAP * (LVIDs / LVFWs * ( 1+ LVFWs/LVIDs)) 0.34, ou MAP est la pression systémique moyenne, LVIDs est le diameter interne du ventricule gauche en fin de systole, LVFWs est lépaisseur de la paroi libre du ventricule gauche, et 0.34 est en facteur de conversion pour transfomer mmHg en g/cm² (Lang et al., 1986), na pas changé significativement durant la stimulation pharmacologique, ce qui pourrait être dû à la somme des effets de la diminution de la dimension du ventricule gauche et de laugmentation de la pression artérielle systémique moyenne et de lépaisseur de la paroi libre du ventricule gauche. En conclusion, cette quatrième étude de notre travail a démontré que les intervalles de temps systoliques et la vitesse de raccourcissement des fibres circonférentielles (corrigée ou non pour la fréquence cardiaque) ont changé significativement en réponse au protocole de stimulation pharmacologique, ce qui suggère une modification de la performance ventriculaire chez les chevaux subissant un test de stress à la dobutamine. La post-charge ventriculaire gauche diminue significativement en réponse au test de stimulation pharmacologique lorsquelle est évaluée sur base de la résistance vasculaire systémique, alors quelle diminue seulement légèrement en réponse à ce test lorsquelle est évaluée sur base dune mesure du stress de la paroi ventriculaire gauche. La mesure combinée du débit cardiaque et de la pression artérielle systémique au repos et au cours dun test de stimulation cardiaque maximale, tel que réalisé dans nos précédentes études, permet la mesure dun paramètre appelé la capacité de pompe cardiaque (Tan 1987, Tan et al., 1989). En médecine humaine, ce paramètre a été démontré comme constituant un paramètre fiable destimation du pronostic chez des patients souffrant dinsuffisance cardiaque chronique (Tan 1987, Tan et al., 1989, Williams et al., 2001, Cotter et al., 2003, Fincke et al., 2004, Williams et al., 2005, Garcia-Gonzales et al., 2006, Hodges et al., 2006, Bromeley et al., 2006). Ce paramètre na par contre jamais été validé et testé en cardiologie équine. Lobjectif de la dernière étude de notre travail était de tester la faisabilité de la mesure de la capacité de réserve cardiaque chez le cheval sain sur base du test de stimulation pharmacologique développé dans nos 4 premières études. Pour cette étude, la capacité de pompe cardiaque a été évaluée à la fois par échocardiographie Doppler et par thermodilution chez 6 chevaux adultes sains. Les résultats obtenus ont permis de constater que le protocole de stimulation pharmacologique développé permet la mesure de la capacité de pompe cardiaque chez le cheval adulte sain. La valeur de ce paramètre savère être du même ordre de grandeur par kilo de poids vif que celle obtenue chez lhomme. Cependant, les résultats obtenus par thermodilution différaient de ceux obtenus par échocardiographie doppler à des hauts niveaux de stimulation cardiaque. Des études complémentaires devraient dès lors être réalisées pour vérifier la validité de techniques dévaluation non invasives (échocardiographie doppler et mesure de la pression artérielle par oscillométrie) pour la mesure de la capacité de pompe cardiaque chez le cheval. Lensemble de nos études a donc permis de mettre au point un protocole de stimulation cardiaque pharmacologique qui permet une évaluation qualitative et quantitative de la fonction myocardique lors dune stimulation chez le cheval adulte sain. A lavenir, ce protocole dévaluation de la fonction myocardique sous stimulation devrait être appliqué chez des chevaux montrant une intolérance à leffort inexpliquée ou souffrant de différentes pathologies cardiaques afin de valider son utilité en tant quoutil de diagnostic et de pronostic en médecine équine.
Bibliographical Information:

Advisor:Art, Tatiana; Amory , Hélène; Lekeux, Pierre; Van Loon, Gunther; Marr, Celia; Gustin, Pascal; Soyeur, Daniel; Cambier, Carole; Peeters, Dominique; Mc Entee, Kathleen; Serteyn, Didier; Van Erck, Emanuelle

School:Université de Liège

School Location:Belgium

Source Type:Master's Thesis

Keywords:inotropy preload afterload cardiac output exercise intolerance poor performance dobutamine atropine contractility power

ISBN:

Date of Publication:12/15/2006

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