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Dans l'asthme aigu grave, l'héliox permet de réduire la dyspnée autant en respiration spontanée qu'en ventilation mécanique. Cet effet est dû à une diminution de la résistance des voies aériennes. De plus, une meilleure propulsion des bronchodilatateurs inhalés a été observée. En revanche, ces effets physiologiques ne semblent pas se traduire par une amélioration clinique claire de ces malades. C'est pourquoi la place de ce traitement reste indéterminée en réanimation. Ce mélange gazeux pourrait être néanmoins intéressant en situation d'urgence pour éviter une intubation trachéale et en cas de quasi-impossibilité de ventiler un malade avec un respirateur dans une situation d'échec thérapeutique des autres modalités de traitement. L'emploi de l'héliox en ventilation non invasive est encore un sujet d'investigation.
Plusieurs thérapies, certaines d'entre elles qualifiées d'héroïques (circulation extracorporelle,1,2 échanges plasmatiques,3 hypothermie induite,4 notamment) ont été tentées dans l'asthme aigu grave, réfractaire au traitement conventionnel bien conduit, y compris chez l'enfant.5 Parmi elles, on peut compter l'emploi des mélanges gazeux de densité réduite (hélium-oxygène)6-8 et celui des agents anesthésiques volatils,9,10 qui sera détaillé dans un prochain article de la revue. La kétamine11-13 et le propofol14 ont également été proposés. La littérature se rapportant à ces différents agents ne porte malheureusement, pour l'essentiel, que sur des rapports de cas, ou de très courtes séries. Il s'agit donc plus d'informations parfois exotiques, souvent purement narratives, que d'études scientifiques à proprement parler.
L'hélium (He) est un gaz rare, inerte et dénué d'effet biologique. Sa densité est approximativement sept fois inférieure à celle de l'air.15 Cette faible densité est responsable d'une diminution des résistances à l'écoulement des gaz dans les voies aériennes. L'utilisation de mélanges hélium-oxygène (He-O2) à basse FiO2 (héliox) permet ainsi de diminuer le travail respiratoire. L'idée d'utiliser cet avantage en médecine remonte à 1935, quand Barach a observé une amélioration de la dyspnée chez des patients présentant un asthme sévère ou une obstruction des voies aériennes supérieures par l'inhalation d'un mélange de 30% d'oxygène et de 70% d'hélium.16 Depuis ces premières observations, de nombreux travaux suggèrent l'effet bénéfique de ces mélanges en cas d'obstruction des voies aériennes supérieures, d'asthme aigu grave et de bronchopneumopathie chronique obstructive (BPCO).7
Propriétés physiques de l'hélium
L'hélium (He) est un gaz rare dont la densité est sept fois inférieure (0,179 contre 1,293 g/l à 20°C) et dont la viscosité est légèrement supérieure (188,7 contre 170,8 micropoises à 20°C) à celle de l'air.15 Ainsi, les mélanges He-O2 ont une densité nettement inférieure à celle des mélanges air-oxygène (air-O2), alors que la viscosité est peu différente d'un mélange à l'autre. La figure 1 représente la valeur des densités, mesurées à 20°C, pour des mélanges He-O2 et air-O2 en fonction de la FiO2. On constate que la densité d'un mélange He-O2 est encore deux fois inférieure à celle d'un mélange air-O2 pour une FiO2 de 0,5.
L'hélium est un gaz inerte dénué d'effet biologique à la pression atmosphérique. Sa chaleur massique est six fois supérieure à celle de l'air. Il en résulte un refroidissement plus important des corps exposés aux mélanges He-O2 qu'aux mélanges air-O2. Les conséquences en clinique n'ont jamais été évaluées. Enfin, la vitesse du son altérée dans un mélange He-O2 donne un timbre aigu et métallique de la voix. La réduction de la densité des gaz inhalés du fait de l'utilisation de mélanges He-O2 constitue le facteur essentiel expliquant la baisse des résistances dans les voies aériennes recherchée en thérapeutique. La réduction des résistances dans les voies aériennes dépend directement du type d'écoulement des gaz inhalés.
Débit gazeux dans les voies aériennes
Les caractéristiques physiques des débits gazeux dans les voies aériennes sont complexes. Elles dépendent de la géométrie de l'arbre trachéo-bronchique, du débit et du type de gaz, et du type d'écoulement, lequel est à son tour fonction des variations de diamètre et de longueur des différents segments anatomiques des voies aériennes, du nombre de générations de bronches et de leur angle de division, et de la vitesse d'écoulement des gaz. Celle-ci varie notablement en fonction des conditions physiologiques et pathologiques.17,18 Le régime de débit dans les voies aériennes peut être laminaire, turbulent ou transitionnel.19 Le type de régime est prédit par le nombre de Reynolds (Re).18,19
Re est un nombre sans dimension représenté par l'équation suivante :
Re = V.D.ρ/η(1) (équation 1)
V : vélocité du gaz (ml.s -1) ; ρ densité du gaz (g.ml -1) ; D : diamètre du tube (cm) ; η : viscosité dynamique du gaz (g.cm -1.s)
Dans les voies aériennes, il est communément admis qu'un nombre Re ≤ 2000 prédit un régime laminaire, alors qu'un Re ≥ 4000 prédit un régime turbulent. Si 2000 2, entraîne une probabilité plus grande que le débit soit de type laminaire, et ce en raison d'une diminution de Re. De nombreux travaux ont tenté de caractériser le type de débit dans les voies aériennes en utilisant des techniques d'analyse morphométrique, des données animales et des techniques de modélisation.16-18,20 Il ressort de ces études que le débit, d'abord turbulent dans les voies aéro-digestives, le larynx et la trachée, devient progressivement laminaire au fur et à mesure que les bronches se divisent du fait de la diminution très importante des débits locaux. Au cours d'une respiration calme (engendrant des débits moyens de l'ordre 0,5 L.s -1), la transition entre conditions turbulentes et conditions laminaires se situe aux environs de la deuxième génération des bronches. Si les débits augmentent (2 L.s -1), la transition a lieu au niveau des bronches de cinquième génération.17
La différence de pression, ou pression motrice (ΔP) nécessaire pour générer un débit donné au travers d'un tube dépend du régime de débit (laminaire, turbulent ou transitionnel), de la géométrie du tube (longueur, diamètre), de ses divisions (nombre, configuration) et de sa texture interne (lisse ou rugueuse).21-23
Des équations ont été développées pour décrire la relation entre la pression motrice (ΔP) et le débit généré (V°) en fonction des régimes de débit, de la densité (ρ) et de la viscosité dynamique (η) du gaz, de la configuration et de la texture du tube :24,25

Débit laminaire :

ΔP = C1.η.V°

(équation 2)
Débit laminaire avec

embranchement :

ΔP = C2.η0.5.ρ0.5.V°1.5

(équation 3)
Débit turbulent

dans un tube lisse :

ΔP = C3.η0.25.ρ0.75.V°1.75

(équation 4)
Débit turbulent dans

un tube rugueux :

ΔP = C4.ρ.V°2

(équation 5)
C1, C2, C3 et C4 sont des constantes intégrant les données géométriques du tube. Ainsi l'équation 2 n'est autre que la classique équation de Poiseuille décrivant le débit laminaire avec C1 = 81/πr4 ; où l : longueur du tube (m) ; et r : rayon du tube (m).
Ces équations appellent des remarques importantes :
en condition de débit laminaire, la différence de pression est proportionnelle au débit alors qu'en régime turbulent, elle est proportionnelle au débit élevé à la puissance 1,75 à 2 (selon la texture du tube).
La densité du gaz n'intervient pas en condition laminaire (équation 2) mais elle prend une importance croissante dans les autres situations (équations 3 à 5), c'est-à-dire dès que le tube se divise et que les conditions de débit deviennent de plus en plus turbulentes.
Ces modélisations mathématiques ont été validées par des études chez l'animal.26 La baisse de densité des gaz inhalés par l'utilisation d'He-O2 n'a aucun effet sur les débits en régime laminaire alors qu'en régime turbulent, le débit est nettement plus élevé pour la même pression motrice. La prédominance de tel ou tel régime d'écoulement est d'une importance capitale pour expliquer l'effet bénéfique ou non de la réduction de densité des gaz inhalés.
Pour résumer, la ventilation à l'He-O2 pourrait avoir deux conséquences bénéfiques :
1. En réduisant le nombre de Reynolds (équation 1), les conditions de débit laminaire sont favorisées. De ce fait, une pression motrice plus faible sera suffisante pour générer un débit donné, ou, inversement, le débit sera plus élevé pour une pression motrice donnée (équation 2 contre équations 4 et 5) ;
2. En condition de débit turbulent, He-O2 diminue la pression motrice nécessaire pour générer un débit donné et, inversement, engendre un débit supérieur pour une pression motrice donnée (équations 4 et 5).
Pour conclure, inhaler de l'He-O2 revient à diminuer les résistances des voies aériennes. Le bénéfice clinique attendu est plus ou moins important selon des caractéristiques anatomiques, le type d'écoulement et les débits gazeux dans la zone des voies aériennes intéressée par l'obstruction.
Influence sur les équipements médicaux
L'utilisation de He-O2 peut interférer avec le fonctionnement normal des dispositifs de distribution des gaz médicaux et des circuits pneumatiques des ventilateurs.27 La baisse de la densité du mélange gazeux est susceptible d'affecter le fonctionnement des dispositifs opposant une résistance à l'écoulement du gaz comme les débitmètres, les rotamètres, les pneumotachographes, les transducteurs de pression à déviation de flux, et les valves inspiratoires et expiratoires des ventilateurs. Les spiromètres à fil chaud mesurent une déperdition de chaleur qui est fonction du débit et de la conductivité thermique du gaz. On peut donc s'attendre à une surestimation importante des débits réels par ces dispositifs en présence d'un mélange He-O2 dont la conductivité thermique est beaucoup plus importante que celle de l'air. La viscosité de l'He-O2 est très proche de celle du mélange air-O2 et devrait jouer un rôle négligeable.
Les conséquences des erreurs de mesure, induites par l'He-O2, peuvent se répercuter sur des fonctions avancées faisant appel à des boucles d'asservissement (sensibilité d'un trigger en débit, fonction de compensation de fuite, calcul de la mécanique respiratoire, etc.). Il est difficile de prévoir toutes les anomalies de fonctionnement induites par l'He-O2. C'est pourquoi, faute d'équipement spécifique disponible sur le marché, il peut être nécessaire de tester son propre matériel sur un banc d'essai avant de traiter un malade avec l'héliox.
Effets de l'inhalation d'héliox dans l'asthme aigu grave
Dans l'asthme aigu grave, l'obstruction intéresse les bronches de gros et de moyen calibres. Le débit aérien est fortement turbulent dans cette portion de l'arbre bronchique. L'He-O2 pourrait donc présenter des effets bénéfiques importants en attendant l'action des traitements bronchodilatateurs et anti-inflammatoires.
Patients en respiration spontanée administration d'héliox au masque
Barach a observé, dans l'asthme aigu grave, une amélioration rapide de la dyspnée, une réduction de l'activité des muscles respiratoires accessoires, une diminution de la pression inspiratoire mesurée à la bouche et une diminution de la fréquence respiratoire et du temps expiratoire, par l'inhalation d'un mélange constitué de 79% d'He et de 21% d'oxygène.16 Depuis, de nombreux cas rapportés ainsi que de petites séries non contrôlées suggèrent des bénéfices importants de l'He-O2 dans cette indication. Ainsi, Shiue et Gluck rapportent le cas de dix patients asthmatiques en acidose respiratoire décompensée, et dont l'état clinique, la capnie et le pH artériel s'améliorent rapidement sous He-O2.28 Kass fait la même observation chez douze patients asthmatiques et hypercapniques : l'inhalation d'un mélange d'hélium (60 à 70%) et d'oxygène (30 à 40%) est suivie d'une diminution de la PaCO2 moyenne de 60 à 48 mmHg.29 Ces observations issues de petites séries non contrôlées sont confirmées par trois études prospectives, randomisées et contrôlées. En effet, Manthous et coll. conduisent une étude chez 27 patients asthmatiques, en ventilation spontanée, non hypoxémiques et dont le débit expiratoire de pointe reste inférieur à 250 Lmin-1 après 30 minutes d'un traitement au moyen de l'albutérol (salbutamol) en aérosol et de la méthylprednisolone en intraveineux.30 Les patients inhalent pendant quinze minutes l'air ambiant ou un mélange He-O2 80-20%. Les auteurs mettent en évidence une augmentation de 35% du débit expiratoire de pointe et une diminution de 40% du pouls paradoxal dans le groupe He-O2 par rapport au groupe contrôle, ce qui témoigne d'une diminution des efforts inspiratoires et de leurs conséquences sur les régimes de pression intra-thoraciques. Des résultats analogues sont obtenus par Kudukis et coll. dans une autre étude contrôlée chez dix-huit enfants (âgés de 16 mois à 16 ans), respirant spontanément soit l'air ambiant, soit un mélange He-O2 80-20%.31 Enfin, une étude montre une amélioration rapide du débit expiratoire de pointe et de la dyspnée chez des adultes inhalant un mélange He-O2 70-30% par rapport au groupe contrôle.32 Cet effet bénéfique semble d'autant plus important que la crise d'asthme est sévère. En effet, Carter et coll. n'ont pas observé dans une étude semblable de modification significative du débit expiratoire de pointe. Il s'agissait d'enfants dont la crise était beaucoup moins sévère comme en témoigne leur volume expiré maximal en une minute (VEMS) modérément abaissé et l'absence de signes de gravité.33
Patients en respiration spontanée inhalation de bronchodilatateurs propulsés par l'héliox
Les effets physiques bénéfiques de l'He-O2 sur les débits gazeux ont fait émettre l'hypothèse que la propulsion des bronchodilatateurs est plus efficace quand elle est effectuée par l'He-O2 à la place du mélange air-oxygène. Goode et coll.34 ont pu démontrer dans un modèle de ventilation mécanique in vitro que la quantité d'albutérol (salbutamol) délivrée par un inhalateur est inversement proportionnelle à la densité du gaz propulseur et qu'elle augmente ainsi quand l'He-O2 est utilisé. Kress et coll.35 ont observé une amélioration plus rapide du VEMS sous albutérol propulsé par He-O2 chez 23 adultes en crise asthmatique. Cet effet était présent après chacune des trois nébulisations appliquées. Une tachycardie relative pourrait, dans ce collectif, indiquer un effet plus prononcé du traitement bronchodilatateur délivré avec l'He-O2. Chez l'enfant avec une crise d'asthme aiguë, une amélioration clinique plus rapide a été décrite après la nébulisation d'albutérol par de l'He-O2.36 Il faut néanmoins noter que d'autres travaux n'ont pas retrouvé de bénéfice clinique ou fonctionnel significatif, ni chez l'adulte ni chez l'enfant.37,38 Ces discordances pourraient être dues à une différence dans la sévérité de la crise d'asthme des malades observés et à un début de traitement d'albutérol/He-O2 différé.
Patients intubés et placés en ventilation mécanique spontanée administration d'héliox
Chez des malades en état de mal asthmatique qui nécessitent une ventilation mécanique invasive, nous ne disposons que d'études observationnelles qui ont montré l'effet d'un mélange He-O2. Aucune étude contrôlée n'a été effectuée à ce jour dans cette situation. Chez sept patients intubés, modérément hypoxémiques, qui présentaient une acidose respiratoire décompensée et des pressions d'insufflation élevées, Gluck et coll. observent une diminution rapide de 41% de la PaCO2 qui passe de 86 à 50 mmHg et de 38% de la pression inspiratoire maximale qui passe de 85 à 52 cmH2O, ainsi qu'une correction rapide de l'acidose respiratoire.39 Ces résultats sont obtenus lors de la ventilation avec un mélange He-O2 60-40%. Dans l'étude de Kass et coll., cinq des douze patients étudiés étaient intubés et ventilés.29 Après cinquante minutes de ventilation avec un mélange He-O2 60-40%, la PaCO2 diminuait de 17% et l'acidose régressait. Des résultats similaires ont été obtenus par Abd-Allah chez 28 enfants placés sous ventilation mécanique.40 Schaeffer et coll.41 ont étudié onze malades, adultes et enfants mélangés, intubés et placés en ventilation mécanique pour une crise d'asthme aigu grave. L'administration d'héliox a permis une réduction de la FiO2 en raison de l'apparition d'une diminution de la différence alvéolo-artérielle pour l'oxygène, ce qui a eu pour effet de permettre une augmentation supplémentaire de la concentration en hélium du mélange inspiré et une amélioration supplémentaire de la mécanique ventilatoire.
En résumé, dans l'asthme aigu grave, l'utilisation d'un mélange He-O2, en respiration spontanée et en ventilation mécanique présente les effets bénéfiques suivants :
1. diminution de la fréquence respiratoire et de la dyspnée ;
2. diminution des résistances des voies aériennes, du travail respiratoire, des pressions d'insufflation ;
3. amélioration des échanges gazeux avec diminution de la capnie et correction de l'acidose respiratoire ;
4. meilleure propulsion des bronchodilatateurs inhalés.
Il est important de souligner que ces effets n'engendrent pas d'amélioration significative du devenir des malades et que des preuves dures en faveur de l'emploi de l'héliox n'existent pas à ce jour. Ceci est affirmé par deux méta-analyses récentes qui ont analysé les rares études randomisées chez les asthmatiques non intubés admis en urgence, présentant une exacerbation de degré modéré à sévère. Alors que l'analyse publiée dans la banque de données Cochrane ne montre aucune différence entre l'héliox et un mélange gazeux conventionnel,42 Colebourn et coll. trouvent un effet bénéfique de l'héliox considéré comme marginal en l'absence de répercussion clinique significative.43 Les auteurs concluent qu'il n'y a aujourd'hui pas de justification d'utiliser un traitement aussi complexe et coûteux, même si aucun effet secondaire, directement imputable à l'He-O2 est connu.
Le traitement de l'asthme aigu grave est actuellement bien codifié et efficace dans la majorité des cas. Cependant, certaines formes extrêmement sévères peuvent entraîner le décès des patients. La mortalité précoce, avant l'arrivée même des secours, ne pourra être diminuée que par l'amélioration de l'éducation des patients à risque et au moyen de thérapeutiques de fond. La mortalité hospitalière est actuellement intimement liée au recours à l'intubation trachéale et à la ventilation mécanique, même si des progrès considérables ont été réalisés dans ce domaine avec la ventilation en hypercapnie tolérée. Toute technique de soin permettant de diminuer le pourcentage d'intubation de ces malades ou de diminuer les lésions pulmonaires induites par la ventilation aura vraisemblablement des conséquences sur la morbidité et sur la mortalité. Dans cette optique, l'He-O2 constitue une arme intéressante. Ses indications ne sont pas encore codifiées. Elle pourrait être réservée aux indications suivantes :
1. en respiration spontanée, persistance d'une hypercapnie après une heure de traitement par β2 agonistes et glucocorticoïdes intraveineux ;
2. en ventilation mécanique, en cas de bronchospasme majeur responsable d'une acidose respiratoire sévère (pH
Quant à la ventilation non invasive, sa place dans l'asthme aigu grave est peu claire. L'utilisation de l'He-O2 en VNI reste un champ d'investigation ouvert dans cette indication. Avant l'utilisation de ce gaz, les problèmes techniques liés aux respirateurs destinés à la ventilation non invasive devront être résolus.44