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Pourquoi et comment explorer la dysfonction vasculaire endo­théliale chez le patient diabétique ?

La dysfonction endothéliale est un marqueur précoce du développement de la pathologie métabolique et du risque cardiovasculaire. Cette dysfonction doit par conséquent être évaluée tôt dans l’histoire naturelle des pathologies métaboliques. La technique d’évaluation de la dysfonction endothéliale parfaite n’existe pas, mais un ensemble de techniques et de méthodologies sont à disposition du clinicien et du chercheur.

Résumé

L’endothélium est une monocouche cellulaire au cœur de l’homéostasie vasculaire. Il régule les processus d’adhésion cellulaire, de perméabilité vasculaire, de prolifération et d’inflammation. Il régit également la vasomotricité permettant aux vaisseaux de modifier leur diamètre afin de s’adapter aux besoins métaboliques tissulaires. L’intégrité fonctionnelle de l’endothélium est un élément fondamental de la physiologie vasculaire. Les maladies métaboliques sont associées à une dysfonction endothéliale notamment expliquée par une diminution de la contribution vaso-relaxante et une augmentation des agents et mécanismes vasoconstrictifs. Cette dysfonction s’aggrave progressivement des stades précoces de la maladie métabolique au diabète de type 2 compliqué, rendant essentielle son identification. Il existe de nombreuses techniques exploratoires, d’une part permettant d’identifier une dysfonction endothéliale et d’autre part permettant l’exploration des mécanismes physiopathologiques. Ces méthodes s’intéressent soit directement à la circulation coronaire épicardique, soit aux territoires plus périphériques, plus facilement accessibles pour le clinicien ou le chercheur. Cet article présente les principales méthodologies d’évaluation de la dysfonction endothéliale.

Abstract

Why and how to explore endothelial vascular dysfunction in diabetic patients?

The endothelium is a cell monolayer localized at the critical interface between the blood and vessel wall regulating cell adhesion, vascular permeability and inflammation processes. It has the vital function of vasomotricity allowing tissue fluid balance and supplying the essential nutrients needed for the survival of the organism. Functional integrity of the endothelium is a fundamental element of vascular physiology. Metabolic diseases are associated with endothelial dysfunction mainly explained by a decrease in the vasorelaxant contribution and an increase in vasoconstrictive agents and mechanisms. This dysfunction progressively worsens from the early stages of metabolic disease to complicated type 2 diabetes, making its identification essential. There are many exploratory techniques available to identify endothelial dysfunction and to explore underlying pathophysiological mechanisms. These methods either focus directly on the epicardial coronary circulation or on more peripheral territories, which are more easily accessible for the clinician or the scientist. This article focuses on the main methodological approaches for endothelial dysfunction investigation.

Qu’est-ce que l’endothélium et quelles sont ses fonctions ?

L’endothélium est une monocouche cellulaire, qui compose l’intima, sur la partie la plus interne des vaisseaux tout au long de l’arbre artériel. Cette structure est une interface bioactive en contact à la fois directement avec la circulation sanguine et avec les cellules musculaires lisses vasculaires (CMLV) de la média à travers la lame élastique interne. L’endothélium est donc au cœur de l’homéostasie vasculaire puisqu’il régule les processus d’adhésion cellulaire, de perméabilité vasculaire, de prolifération, d’inflammation, et joue également un rôle primordial dans le maintien d’un tonus vasculaire adapté, appelé vasomotricité.

 

Qu’est-ce que la vasomotricité ?

La vasomotricité est la capacité des vaisseaux à modifier leur diamètre, notamment pour s’adapter aux besoins métaboliques tissulaires. Elle est régulée principalement par des mécanismes nerveux, myogéniques et métaboliques. En effet, en réponse à des contraintes mécaniques appliquées sur la paroi artérielle (cisaillements, contraintes radiales) ou à la présence de facteurs circulants (hormones, cytokines, nutriments), l’endothélium vasculaire exerce sa fonction endocrine et régule le tonus vasculaire, via son action sur la média. Parmi les facteurs sécrétés directement par l’endothélium, certains sont vasoconstricteurs (endothéline-1, thromboxane A2, angiotensine II) et d’autres vasodilatateurs (prostacycline (PGI2), endothelium-derived hyperpolarizing factor (EDHF)). De plus, l’un des rôles majeurs de l’endothélium dans la préservation de la fonction vasculaire réside dans sa capacité à produire un gaz lipophile aux propriétés vasorelaxantes, le monoxyde d’azote (NO), qui diffuse rapidement pour induire la relaxation des CMLV.

 

Pourquoi explorer la dysfonction endothéliale ?

L’intégrité fonctionnelle de l’endothélium est un élément fondamental de la physiologie vasculaire. La dysfonction endothéliale (DE) est donc caractérisée par l’altération du tonus vasculaire, de la perméabilité, de l’inflammation et la perte des fonctions homéostasiques (1).

La diminution de la biodisponibilité du NO est considérée comme un élément précurseur dans la pathogenèse de l’insulino-résistance, de l’obésité et des maladies cardiovasculaires (1). Les maladies métaboliques sont effectivement associées à une DE principalement expliquée par une diminution de la contribution vasorelaxatante (2, 3). De manière intéressante, sur le plan clinique, cette DE a été identifiée dès le stade précoce des pathologies métaboliques, selon un continuum de dégradation croissante entre le stade précoce de la maladie métabolique – surpoids – insulino-résistance – jusqu’au diabète de type 2 compliqué (3).

Un marqueur du risque de neuropathie périphérique diabétique et de complications cardiovasculaires

Elle est de plus un acteur et un marqueur précoce du risque de neuropathie périphérique diabétique et de complications cardiovasculaires (2, 4, 5). Les mécanismes physiopathologiques de la neuropathie et de la DE se superposent en partie en impliquant notamment la formation des produits avancés de la glycation et d’espèces réactives de l’oxygène. Cependant, la détection de la DE est plus précoce que celle de la neuropathie au cours de l’histoire naturelle du diabète (5).

Par conséquent, l’évaluation de la fonction endothéliale paraît indispensable à l’amélioration de la stratification du risque de développement de complications vasculaires chez les patients atteints ou à risque de pathologies métaboliques. La mise en évidence de la dysfonction endothéliale, selon les différents territoires vasculaires d’intérêt, pourrait participer à une meilleure prise en charge des patients en amont du développement d’autres complications métaboliques et cardiovasculaires.

 

Approche méthodologique pour évaluer la dysfonction endothéliale

Cet intérêt pour le diagnostic de la DE a permis le développement d’un arsenal important de méthodes dans les territoires macro- et microvasculaires en clinique. Nous verrons les plus importantes, parmi les méthodes biologiques, mais aussi les techniques pharmacologiques et physiques permettant de mieux caractériser et comprendre les origines de la DE (Fig. 1).

Figure 1 – Fonction et dysfonction endothéliale. (A) fonction endothéliale normale ; (B) dysfonction endothéliale dans un contexte d’hyperglycémie, d’hypercholestérolémie ou d’inflammation. AngII : angiotensine II ; EDHF : facteur endothélial hyperpolarisant ; ERO : espèces réactives de l’oxygène ; ET-1 : endothéline-1 ; NO : monoxyde d’azote ; PGI2 : prostacycline ; TXA : thromboxane.

La biologie

Les différentes fonctions de l’endothélium peuvent être explorées biologiquement. L’intégrité de sa fonction vasomotrice est évaluée à travers les voies du NO et des prostanoïdes. De par sa demi-vie très courte, le dosage du NO est couramment remplacé par le dosage de ses métabolites ou par un autre biomarqueur comme le GMPc. Les voies des prostanoïdes sont caractérisées par le dosage du principal métabolite de la prostacycline, le 6-keto PGF1α, et le métabolite du thromboxane A2, le 11-deshydrothromboxane B2 ainsi que les acides époxyeicosatriénoïques et les leucotriènes. L’endothéline-1 vasoconstrictrice peut également être dosée. D’autres marqueurs explorant les fonctions d’hémostase (t-Pan PAI-I, vWF, thrombomoduline) ou d’inflammation (VCAM-1, ICAM-1, sélectines P et E, CRP, TNF-α) sont envisageables (6).

Avantages et limites

Si cette approche présente plusieurs avantages, car il s’agit de prélèvements simples, sanguins ou urinaires, cela ne permet pas de distinguer les atteintes fonctionnelles endothéliales entre les différents territoires. De plus, il semble difficile à ce jour d’identifier un degré d’altération fonctionnelle sur la base de ces analyses. Pour contourner ces limites, des méthodes vulnérantes ou non évaluent la réactivité vasculaire dépendante ou indépendante de l’endothélium.

Nous présenterons l’ensemble de ces techniques avec leurs avantages et leurs inconvénients au regard du territoire vasculaire exploré et de l’utilité pour le clinicien ou le scientifique à la recherche des mécanismes sous-jacents (Fig. 2).

Figure 2 – Les principales méthodes d’exploration de la fonction endothéliale vasculaire, vulnérantes et non vulnérantes. En bleu, les techniques principalement utilisées en routine clinique et en rose les techniques plus utilisées en recherche.

La circulation coronaire

La coronarographie

La coronarographie est la méthode de référence car elle étudie la fonction endothéliale de la circulation coronaire épicardique, territoire d’intérêt majeur permettant de stratifier le risque cardiovasculaire (7).

Avantages et limites

Néanmoins, celle-ci est réservée aux patients ayant une indication d’angiographie, et représente un acte vulnérant, coûteux et chronophage. Elle peut cependant être associée à l’infusion radiale ou fémorale de molécules vasorelaxantes telles que l’adénosine ou l’acétylcholine.

Ce territoire restant difficilement accessible, l’évaluation de la DE dans la circulation périphérique peut constituer une alternative intéressante et ainsi permettre de mieux appréhender le type de complications micro- ou macroangiopathiques en fonction du territoire vasculaire investigué.

 

La circulation périphérique

La pléthysmographie

Principe

La mesure par pléthysmographie est une technique ancienne d’étude des modifications du débit sanguin de l’avant-bras par la mesure de volumes avec une jauge de contrainte entre deux brassards qui se gonflent et se dégonflent. Cette technique évalue autant le réseau artériel que veineux sans distinction. Afin de préciser la DE dans ce territoire, il est possible d’infuser des sub-stances vasoactives introduites par la canulation de l’artère brachiale sur le même principe que la coronarographie. Cette technique est donc principalement utilisée dans les essais cliniques.

Avantages et limites

L’avantage est de pouvoir quantifier les réponses aux substances vasoactives infusées pour fournir des informations sur la vasodilatation dépendante et indépendante de l’endothélium. L’effet systémique de cette infusion est négligeable, le sujet peut donc être son propre contrôle sur le bras controlatéral.

La dilatation médiée par le flux (FMD)

La méthode de dilatation liée au flux, connue sous le terme FMD, est probablement la plus courante, car facilement accessible. En effet, en comparaison à la pléthysmographie, la FMD permet d’évaluer un territoire vasculaire périphérique mais de manière non vulnérante donc plus facilement réalisable en routine clinique.

Principe

Cette méthode permet la mesure de la relaxation de l’artère brachiale après une période d’ischémie de 5 minutes réalisée grâce à un brassard gonflé à une pression minimale de 50 mmHg au-dessus de la pression artérielle systolique (8). L’imagerie est réalisée par échographie et le calcul du pourcentage de dilatation est fait à partir du plus grand diamètre post-ischémie par rapport au diamètre basal. Cette évaluation par la FMD est intéressante car elle est principalement dépendante du NO (70 %) lorsque le brassard est gonflé en distalité.

Avantages et limites

L’accès est facile, la corrélation avec la fonction vasculaire épicardique est bonne, la technique est peu coûteuse et le pourcentage de dilatation peut être corrigé par l’évaluation des forces de cisaillement. Cependant, la courbe d’apprentissage du manipulateur est longue, ce qui rend la reproductibilité inter-opérateur difficile (> 100 tests) (9). Nous recommandons aujourd’hui fortement l’utilisation d’un bras articulé et d’un logiciel de détection automatique afin de limiter la variabilité des mesures.

Cette méthode est souvent complétée par la vérification de l’intégrité des capacités de relaxation des cellules musculaires lisses vasculaires, indépendamment de l’endothélium, par l’administration de dérivés nitrés et l’évaluation du pourcentage de dilatation de l’artère brachiale avant et après administration (NMD : nitrate mediated dilation).

La pléthysmographie digitale

En s’appuyant sur le principe de réactivité post-ischémique de la FMD, sans variabilité inter-opérateur, il existe la pléthysmographie digitale. Il s’agit d’un outil bien développé en clinique pour évaluer la dysfonction endothéliale.

Principe

Une sonde est placée sur le doigt d’une main (bras étudié) et une autre sonde sert de contrôle sur la main controlatérale. La vasodilatation post-ischémie de 5 minutes donne lieu à un score qui permet de déterminer si le patient à une DE ou non. Cet examen est cependant relativement onéreux s’il doit être utilisé en routine clinique.

 

La microcirculation cutanée

Au regard de la pathologie diabétique, qui présente de nombreuses complications microvasculaires, il est également intéressant de pouvoir cibler les dommages endothéliaux dans ce territoire. Les éventuelles dysfonctions mises en évidence par les techniques précédentes peuvent être caractérisées grâce à une approche pharmacologique et/ou mécanique de la microcirculation cutanée. La perfusion tissulaire cutanée est mesurée par des techniques d’imagerie laser et sa fonctionnalité est explorée par des tests de réactivité selon des stimuli mécaniques et/ou pharmacologiques.

Principe

Historiquement, la technique du laser Doppler a permis de commencer l’évaluation de la perfusion tissulaire de la peau. La lumière du laser appliquée sur la peau est monochromatique, unidirectionnelle et cohérente et est dispersée au contact des globules rouges en mouvement. Cette modification de la lumière réfléchie peut être corrélée à la vitesse des globules rouges dans un volume cutané donné. Le signal émis par le laser Doppler correspond à la perfusion cutanée. En recherche, cette technique est désormais remplacée majoritairement par l’imagerie de contraste de type speckle (LSCI), qui analyse la granularité d’un laser réfléchi sur une surface en mouvement. Il permet de cartographier en deux dimensions la perfusion cutanée en associant un laser et une caméra à haute résolution. Cela permet, avec une bonne reproductibilité, de détecter des changements rapides du flux sanguin cutané sur des zones bien plus étendues qu’avec la technique laser Doppler. Les variations de granularité entre chaque image sont dues aux éléments mobiles de la zone étudiée (déplacement des éléments figurés, dont principalement les globules rouges de la zone étudiée) permettant ainsi de calculer leur vitesse. Au-delà des différences de résolution spatio-temporelle, les méthodes laser Doppler mesurent le flux sanguin du derme profond, les anastomoses artério-veineuses et les artérioles ascendantes alors que le LSCI est plus superficiel et étudie le flux sanguin du plexus superficiel (1-1,5 mm et 300 µm, respectivement).

Ces techniques laser sont associées aux tests de réactivité microvasculaire classiquement réalisés au niveau des avant-bras. Cet arsenal est très intéressant pour le clinicien cherchant à mieux évaluer et comprendre les mécanismes sous-jacents des dysfonctions vasculaires. Cependant, les protocoles suivis doivent être précis pour assurer une reproductibilité et une fiabilité importante (10). Les techniques se fondant sur la réactivité microvasculaire cutanée aux stimuli de types physiques, mécaniques et pharmacologiques sont développées ci-après.

Les hyperémies réactionnelles post-occlusion (PORH) et thermique

Les tests d’hyperémie sont des tests physiques relativement populaires, puisqu’ils ne nécessitent que peu de matériel en plus du laser Doppler, et permettent tout de même d’étudier la microcirculation et les atteintes sensorielles cutanées, souvent au niveau de l’avant-bras. En effet, une occlusion artérielle brachiale de 3 à 5 minutes conduit à une vasodilatation réactionnelle impliquant les nerfs sensoriels par réflexe axonal, impliquant majoritairement les EDHF (acides époxyeicosatriénoïques (EETs)). Lorsqu’une température cutanée locale est imposée entre 39 et 44°C pendant une trentaine de minutes, il est possible d’observer une réponse vasodilatatrice en deux phases caractéristiques :

• la première phase dite de “pic” est atteinte après 2-3 minutes et est dépendante d’un réflexe axonal local ;

• la seconde phase dite de “plateau” est dépendante pour une partie de l’endothélium dont deux tiers du NO et un tiers de l’EDHF (1/2 EET), de façon dépendante des protocoles proposés.

La vasodilatation induite par la pression

L’application cutanée d’une pression non douloureuse induit une vasodilatation transitoire. Cela permet la protection des tissus cutanés à l’ischémie. Cette vasodilatation en réponse à l’application d’une pression standardisée peut être évaluée par une technique laser. Ce phénomène est dépendant de l’intégrité de l’endothélium (voie du NO et de la prostacycline) et des fibres C.

L’iontophorèse et la vasodilatation induite par le courant (CIV)

L’iontophorèse est une méthode d’administration de choix, non vulnérante, de molécules vasoactives chargées positivement ou négativement à l’aide d’un courant électrique à faible intensité au niveau du tissu cutané. Lorsque les études cliniques s’intéressent à l’exploration de la microcirculation cutanée, cette méthode est généralement utilisée pour administrer de l’acétylcholine ou de l’insuline afin d’évaluer la fonction endothéliale (plutôt dépendante du NO), ou du nitroprussiate de sodium (SNP) qui examine la fonction du muscle lisse vasculaire, et par conséquent endothélium-indépendante. Des travaux récents ont cependant démontré qu’il était nécessaire de prendre en compte l’effet de la vasodilatation induite par le courant (CIV), principalement dépendante de la voie de la prostacycline, et ainsi d’utiliser les protocoles avec le moins de charge électrique totale. Les recommandations concernant les protocoles de courant à utiliser pour évaluer la fonction microvasculaire cutanée en limitant le phénomène de CIV sont présentées dans le tableau 1.

La microdialyse

La microdialyse est une voie d’abord permettant la diffusion intra-dermique de produits à visée pharmacologique à travers une membrane semi-perméable. Elle permet la collecte des molécules d’intérêt du liquide interstitiel notamment les métabolites de la voie des prostaglandines ou des EETs. Cette méthode est reproductible, mais très coûteuse et invasive. Elle permet en recherche clinique d’évaluer les différentes voies métaboliques possiblement liées à la dysfonction endothéliale, mais également de tester le potentiel vasoactif de nouvelles molécules d’intérêt scientifique ou médicamenteux.

 

Conclusion

La littérature scientifique démontre aujourd’hui que l’étude de la fonction et de la dysfonction endothéliales présente un intérêt majeur sur le plan clinique et diagnostique, notamment chez le patient diabétique. Ainsi, de nombreuses techniques ont été développées et présentées ici (sans être complètement exhaustif), mais toutes ne sont pas applicables pour le dépistage à grande échelle. En effet, il n’existe actuellement aucune recommandation des sociétés savantes sur l’évaluation de la fonction endothéliale, ni sur la ou les méthodes à utiliser de préférence pour cette évaluation. La méthode d’évaluation idéale devrait allier un bon niveau de reproductibilité avec une standardisation claire, non vulnérante, peu coûteuse et utilisable facilement en clinique. Elle devrait également permettre une bonne prédiction du risque cardiovasculaire et l’évaluation de mécanismes cellulaires sous-jacents. L’évolution technologique et scientifique est donc attendue dans ce domaine afin de pouvoir mettre à disposition un outil plus complet permettant d’associer toutes ces caractéristiques attendues.

Alicia Guigui ne déclare aucun lien d’intérêt en rapport avec cet article. Guillaume Walther bénéficie d’un financement de projet de recherche par la FFRD et l’ANR en lien avec la fonction vasculaire.

Bibliographie

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2. Heitzer T, Schlinzig T, Krohn K et al. Endothelial dysfunction, oxidative stress, and risk of cardiovascular events in patients with coronary artery disease. Circulation 2001 ; 104 : 2673-8.

3. Loader J, Khouri C, Taylor F et al. The continuums of impairment in vascular reactivity across the spectrum of cardiometabolic health: A systematic review and network meta-analysis. Obes Rev 2019 ; 20 : 906-20.

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5. Roustit M, Loader J, Deusenbery C et al. Endothelial dysfunction as a link between cardiovascular risk factors and peripheral neuropathy in diabetes. J Clin Endocrinol Metab 2016 ; 101 : 3401-8.

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9. Corretti MC, Anderson TJ, Benjamin EJ et al. Guidelines for the ultrasound assessment of endothelial-dependent flow-mediated vasodilation of the brachial artery: a report of the International Brachial Artery Reactivity Task Force. J Am Coll Cardiol 2002 ; 39 : 257-65.

10. Loader J, Roustit M, Taylor F et al. Assessing cutaneous microvascular function with iontophoresis: Avoiding non-specific vasodilation. Microvasc Res 2017 ; 113 : 29-39.