SSE #111: Évaluation du bilan hydrique en laboratoire et sur le terrain

Nina S. Stachenfeld, PhD

POINTS IMPORTANTS

  • Aux États-Unis, « les pertes de vies humaines subies lors des vagues de chaleur estivales surpassent celles qui sont causées par tous les autres phénomènes météorologiques confondus, y compris la foudre, la pluie, les inondations, les ouragans et les tornades » (Klinenberg, 2002).
  • La perte d’eau par sudation est nécessaire pour dissiper la chaleur pendant l’exercice ou quand un problème de santé fait augmenter la chaleur corporelle. La sudation dépend du volume sanguin.
  • La déshydratation (hypohydratation) résulte d'une sudation prolongée sans apport en liquides et s’accompagne généralement d’une augmentation de la concentration de sodium et d’osmolalité dans le plasma (hypovolémie hyperosmotique). L’hypohydratation peut aussi se manifester en cas de fortes pertes de sodium (hypovolémie hypo-osmotique).
  • L’hyponatrémie liée à l’exercice est généralement causée par une consommation excessive de liquides hypotoniques qui dépasse la capacité de l’excrétion rénale (hyponatrémie hypervolémique). L’hyponatrémie peut également être associée à des concentrations élevées de sodium dans la sueur en même temps que de fortes quantités de sueur perdues (hyponatrémie hypovolémique et déshydratation), ce qui est toutefois plus courant dans les sports d’ultraendurance.
  • Des études sur le terrain lors des compétitions athlétiques fournissent des paramètres réels qui peuvent s'appliquer immédiatement aux athlètes. Toutefois, la collecte des données est moins bien contrôlée.
  • Par ailleurs, il faut traiter les données obtenues en laboratoire avant de pouvoir les appliquer sur le terrain. Mais ces études nous procurent les renseignements sur les effets physiologiques, les réactions ou les mécanismes.

INTRODUCTION

D’après l’ouvrage d’Eric Klinenberg intitulé Heat Wave : A Social Autopsy of Disaster in Chicago, « les pertes de vies humaines subies lors des vagues de chaleur estivales surpassent celles qui sont causées par tous les autres phénomènes météorologiques confondus, y compris la foudre, la pluie, les inondations, les ouragans et les tornades » (Klinenberg, 2002). Pendant un exercice, surtout sous chaleur intense, les muscles sollicités augmentent leur température interne. Afin d’éviter un réchauffement excessif, les fluides sanguins se déplacent vers la peau où ils peuvent s’évaporer sous forme de sueur, ce qui refroidit l’organisme. Il est donc très important de maintenir le volume sanguin pour assurer une thermorégulation optimale pendant l’exercice. Chez l’humain, le principal moyen de maintenir le volume de liquides organiques, y compris le volume sanguin, passe par un apport liquidien, même si une petite quantité d’eau (environ 10 %) est produite par le métabolisme cellulaire. Étant donné que le maintien des liquides est si essentiel à la survie, plusieurs mécanismes importants permettent de détecter chez l'humain les variations du volume total et la composition des liquides corporels.

La présente analyse décrit ces mécanismes et leur fonctionnement pendant l’exercice. Nous expliquons ensuite comment la déshydratation et l’hyponatrémie liée à l’exercice (HLE) surviennent quand le corps est poussé à ses limites et qu’il n’est plus en mesure d’utiliser les mécanismes conçus pour maintenir l’hydratation et la pression osmotique nécessaires au soutien efficace des fonctions humaines. Finalement, nous examinons les avantages et les inconvénients des mesures sur le terrain et en laboratoire.

RÉGULATION DU BILAN HYDRIQUE

Un marathon ou une épreuve d’endurance du même type sont généralement accompagnés d'une perte d’eau corporelle d’environ 2 à 3 %, accompagnée d’une augmentation de la concentration plasmatique de sodium autour de 5 à 7 mmol/l (Sawka et coll., 2007). Le cerveau contrôle les liquides organiques et en détecte les variations à partir de trois centres principaux : les osmorécepteurs centraux, l’angiotensine II centrale et les barorécepteurs périphériques. Ces signaux sont transmis aux régions clés du cerveau responsables du déclenchement des réactions inhérentes à chaque perturbation dans les liquides organiques. Les osmorécepteurs détectent des variations minimes de pression osmotique effective, ou tonicité (liée à la quantité de sodium dans le sang), si bien qu’une variation d’environ 2 % de l’osmolalité suffit pour déclencher une augmentation de la soif et augmenter la libération de l’hormone arginine vasopressine (AVP). Cette hormone est surtout responsable de l'activation de la rétention d’eau libre par les reins, elle peut donc être essentielle pour éviter la déshydratation en cas de déperdition hydrique. L’arginine vasopressine est l’un des plus puissants vasoconstricteurs de l’organisme, de sorte qu’elle contribue aussi au maintien de la pression artérielle lors des baisses de volume sanguin.

Les variations dans les liquides organiques sont également détectées par les barorécepteurs périphériques. Situés dans l’atrium, ils détectent les changements de pression à mesure que le volume sanguin central diminue ou augmente. Ces barorécepteurs jouent un rôle important, mais il leur faut une variation de pression d’environ 10 % pour déclencher une réaction au cerveau et aux reins afin de stimuler les récepteurs de la soif ou d’augmenter la rétention de liquides. Nous avons les compétences requises pour mesurer en laboratoire les changements des osmorécepteurs et des volorécepteurs, de même que la réaction des régulateurs liquidiens à ces changements.

DÉSHYDRATATION

De nombreuses variables peuvent avoir une incidence sur la thermorégulation pendant l’exercice, y compris l’état d’hydratation, la durée et l’intensité de l’exercice, les conditions environnementales, l’acclimatation à l’exercice thermogène, la capacité aérobique (VO2 max), le conditionnement physique et des facteurs personnels comme les médicaments, les suppléments, le sommeil et la maladie. L’hyperthermie survient pendant un exercice quand la chaleur musculaire s’accumule plus rapidement qu’elle ne se dissipe par une augmentation de la sudation et du débit sanguin cutané (Adolf, 1947). Selon l’intensité de l’exercice et les facteurs environnementaux, la production de chaleur peut être de 15 à 20 fois plus élevée au repos, et peut augmenter la température centrale du corps de 1 ºC toutes les 5 minutes si la chaleur n’est pas dissipée (Nadel et coll., 1977). La sudation provoque alors une perte d’eau importante, et cette perte est nécessaire pour dissiper la chaleur pendant l’exercice ou quand un problème de santé fait augmenter la chaleur corporelle. L’hypohydratation, ou déplétion volémique, s’accompagne généralement d’une augmentation de la concentration de sodium et de l’osmolalité dans le plasma, on parle alors d’« hypovolémie hyperosmotique »” L’hypohydratation qui se manifeste en cas de pertes importantes en sodium s'appelle hypovolémie hypo-osmotique. En général, un athlète peut perdre de 2 à 3 % de masse corporelle lors d’une épreuve sur une longue distance sans que sa santé ni sa performance s'en ressentent (Sawka et coll., 2007). De fait, une telle perte d’eau est normale lors d’une course ou d’un entraînement sur une longue distance, surtout par temps chaud.

Malgré l'information fournie aux athlètes et un plus grand nombre de points d'eau sur les parcours, des cas de déshydratation de plus de 2 % ont été observés chez plus de 50 à 70 % des coureurs, tandis qu’environ 30 % des coureurs présentent une déshydratation de plus de 4 % (Speedy et coll., 1999; Noakes et coll., 2005). La déshydratation diminue les dispositions physiques et mentales pour l’exercice, compromet la fonction cardiovasculaire et la thermorégulation (autrement dit, elle réduit la sudation, augmentant ainsi le risque de troubles liés à la chaleur, comme l’épuisement par la chaleur ou le coup de chaleur), ralentit le débit systolique et augmente la fréquence cardiaque, si bien qu’elle sollicite exagérément le système cardiovasculaire. De plus, l’hypovolémie associée à la déshydratation peut aussi diminuer la pression artérielle, ce qui sollicite encore plus le système cardiovasculaire. La déshydratation peut donc diminuer l’intensité de l’exercice ou provoquer son arrêt complet. Le seul moyen d’éviter la déshydratation, c’est de prendre des liquides.

HYPONATRÉMIE LIÉE À L’EXERCICE (HLE)

L’hyponatrémie liée à l’exercice peut se produire lorsque les athlètes voient leur sodium sérique diminuer de ≥ 5 mmol/l pendant un exercice d’endurance (Speedy et coll., 2001; Almond et coll., 2005). Les athlètes qui pratiquent des sports d’endurance peuvent souffrir d'hyponatrémie s’ils consomment plus de liquides hypotoniques qu’ils ne peuvent en éliminer (hyponatrémie hypervolémique), si la concentration de sodium dans leur sueur est anormalement élevée et s'ils transpirent beaucoup (hyponatrémie hypovolémique). La plupart des athlètes peuvent tolérer une baisse importante de la concentration sodique dans la sueur sans présenter de symptômes (Speedy et coll., 2001). Toutefois, pour les athlètes qui ne peuvent tolérer une telle perte, ou si l’hyponatrémie liée à l’exercice est très prononcée (sodium sérique de 120 à 125 mmol/l), les conséquences peuvent être graves et peuvent comprendre un œdème cérébral suivi d’une encéphalopathie métabolique, des lésions permanentes au cerveau et la mort. L’hyponatrémie hypervolémique, la plus courante des deux types, est due à une absorption excessive de fluide combinée à des taux d’arginine vasopressine exagérément élevés ou à une réaction inadéquate des reins à cette hormone (Verbalis, 2003), qui provoque une trop grande rétention d’eau libre (Sawka et coll., 2007). Modifier son comportement (qui est de boire trop) devrait atténuer l'effet de ces systèmes physiologiques, n'est-ce pas?

Davantage que les hommes, les femmes risquent de souffrir d’hyponatrémie liée à l’exercice en raison de leur masse corporelle moins élevée et de leur taille plus petite, d’une surconsommation d’eau et de la durée plus longue de leurs courses (Speedy et coll., 2001; Almond et coll., 2005). Si ces facteurs contribuent à une plus grande incidence d’hyponatrémie liée à l’exercice chez les femmes, il est probable que le taux d’estradiol plus élevé dans leur sang ou leurs tissus joue un rôle important dans l’augmentation du risque. L’estradiol est associé à une rétention d'eau libre plus élevée et à des perturbations dans la répartition des fluides, indépendamment de la masse corporelle ou de l’apport liquidien (Ayus et Arieff, 1996; Stachenfeld et coll., 2001; Stachenfeld et Taylor, 2005). De plus, les femmes en âge de procréer sont plus susceptibles de présenter une hyponatrémie postopératoire (Ayus et Arieff, 1996). Mais, le plus important, c’est que l’exposition à l’estradiol peut rendre les femmes encore plus sujettes aux conséquences extrêmes de l’hyponatrémie liée à l’exercice. Chez les hommes et les femmes qui subissent une intervention chirurgicale, même mineure, le stress et la nausée postopératoires peuvent entraîner des augmentations spectaculaires de l’arginine vasopressine, qui est associée à des œdèmes et à des lésions cérébrales, surtout chez les femmes (Ayus et Arieff, 1996). Par conséquent, l’estradiol pourrait jouer un rôle important dans le risque plus élevé d’œdème cérébral et d’encéphalopathie chez les femmes, ce qui indique que la masse corporelle moins élevée, un temps de course plus long ou des normes culturelles relatives à l'apport liquidien ne suffisent pas à expliquer les différences entre hommes et femmes, et montrant que l'étiologie de l’hyponatrémie liée à l’exercice est plus complexe (Almond et coll., 2005).

COMMENT MESURER LE BILAN HYDRIQUE SUR LE TERRAIN ET EN LABORATOIRE

Le rapport dynamique entre les études sur le terrain et les analyses en laboratoire est clair en ce qui concerne l’étude de la régulation hydrique après l’exercice.

RECHERCHES SUR LE TERRAIN

Dans les recherches sur le terrain, les scientifiques ont l’avantage d’étudier la réaction des athlètes dans les conditions réelles d'une compétition. De plus, les athlètes subissent les épreuves soumises à l'analyse en se servant du matériel qu’ils utilisent en compétition. Par contre, en laboratoire, mis à part quelques exceptions comme la course, l’aviron ou le cyclisme, les conditions relatives aux épreuves soumises à l'analyse ne peuvent qu'être approximatives. C’est pourquoi les données obtenues lors d'un essai minutieux sur le terrain devraient pouvoir se convertir immédiatement en renseignements valables et s’appliquer à l’athlète qui participe à l'étude.

Toutefois, certaines conditions ne peuvent être contrôlées, comme la température et l’humidité lors des études sur le terrain, et il pourrait y avoir des variations selon les jours consacrés à la recherche, aux séances d'entraînement ou à la compétition. Le prélèvement d’échantillons de sueur, d’urine ou de sang peut s’avérer difficile pendant l’entraînement ou la compétition soit parce que l’équipement nécessaire est difficilement transportable, soit parce que le processus de collecte peut nuire à la course ou à la séance d’entraînement. De plus, effectuer des interventions sur le terrain dans le cadre d'une recherche présente des défis, car ces interventions pourraient avoir une incidence négative sur la performance. Par conséquent, dans le cadre des études d'observation, les données obtenues sur le terrain sont importantes, mais elles peuvent avoir des limites.

Il existe divers systèmes d'une certaine élégance, comme le réfractomètre pour mesurer la densité relative de l'urine, pour évaluer le bilan hydrique sur le terrain. S'il n'est pas possible de collecter l'urine, la durée de la miction en secondes permet d'en estimer le volume, la consommation de liquides peut être estimée par les athlètes eux-mêmes s'ils boivent à la bouteille ou au gobelet, leur masse corporelle peut être mesurée avant, pendant et après l’épreuve ou la séance d’entraînement pour connaître le volume de sueur produite et de simples systèmes de collecte (p. ex., des timbres) peuvent servir à mesurer la composition en électrolytes de la sueur. Le jour de la course, le chercheur peut mesurer et noter les conditions environnementales de l’épreuve et en assurer le suivi. Pour mesurer les variables physiologiques, comme la fréquence cardiaque, la température et la concentration des gaz sanguins, il est aussi possible d'utiliser des appareils minimalement intrusifs.

RECHERCHES EN LABORATOIRE

Les études d'observation sur le terrain permettent d'explorer différentes hypothèses dans un milieu plus contrôlé. Les interventions en laboratoire peuvent servir à préciser les mécanismes qui expliquent les réactions ou la performance sur le terrain ou à explorer les mécanismes qui expliquent l’incidence de l’exercice ou de l’activité physique sur les systèmes physiologiques.

La recherche en laboratoire est également nécessaire pour être en mesure de contrôler étroitement les conditions permettant l’étude des mécanismes responsables de la régulation des liquides et des électrolytes. Les études qui ont montré qu'un apport en sodium pendant l’exercice maintient le volume plasmatique constant sans supprimer les hormones régulatrices de la soif et des liquides ont été effectuées en laboratoire (Nose et coll., 1988a, 1988b, 1988c). En prenant du sodium, les sujets étaient plus en mesure de maintenir le niveau de liquide dans les compartiments servant à assurer la sudation (Nose et coll., 1988a). L’étude sur l’hyponatrémie liée à l’exercice constitue un autre exemple de recherche en laboratoire. Il s’est avéré difficile de préciser les mécanismes de l’hyponatrémie liée à l’exercice (HLE) sur le terrain parce que les données sont analysées a posteriori. Autrement dit, les athlètes sont examinés après l'hyponatrémie due à une course, mais comme ils ne font pas partie du groupe HLE avant l'épreuve, il n'est pas possible de contrôler leur façon de s’abreuver pendant l'épreuve afin d’induire la HLE sur le terrain. De telles études prospectives ne peuvent s’effectuer qu’en laboratoire, où le milieu bien contrôlé permet d’étudier de façon prospective pour la première fois les facteurs de risque associés à l’hyponatrémie liée à l’exercice. Des sujets avec antécédents d’hyponatrémie ont été recrutés pour des études en laboratoire et ont effectué des exercices de longue durée pendant que l’absorption excédentaire de liquides (l’eau) était mesurée avec précision (Stachenfeld et Taylor, 2009). Ces études ont montré que la rétention d’eau, et non la perte de sodium, contribue surtout à diminuer la concentration de sodium chez les femmes qui présentent un risque d’hyponatrémie liée à l’exercice. De plus, les interventions portant sur les hormones sexuelles indiquent que, chez les femmes, la perte de sodium serait un facteur plus important de l’hyponatrémie liée à l’exercice pendant une exposition prolongée à la progestérone.

APPLICATIONS PRATIQUES

  • Les pertes d’eau ou de sodium par sudation varient énormément d'un athlète à l'autre ou d'une personne active à l'autre, de sorte que les athlètes devraient apprendre à connaître leurs besoins en apport liquidien pendant l'entraînement en vue d’une épreuve. Les quantités de sodium et de liquides nécessaires varient d’un athlète à l’autre et dépendent grandement des conditions qui prévalent : 1. Déterminer le taux de sudation à partir des changements de masse corporelle pendant l’entraînement. [1 kg (2,2 lb) de masse corporelle ≈ 1 l (34 oz É.-U.) de perte d’eau corporelle]; 2. Mesurer l'apport en liquides; 3. Trouver le meilleur moyen de maintenir l’équilibre électrolytique pendant la course.
  • L’ingestion de sodium pendant l’exercice de longue durée peut : 1. Améliorer la rétention du volume de liquide dans les compartiments et l’organisme; 2. Augmenter la concentration plasmatique de sodium; 3. Maintenir le niveau de soif; 4. Activer la rétention d’eau par les reins.
  • Mesurer la masse corporelle ainsi que la concentration et l’osmolalité du sodium, tant dans le sang que dans l’urine, avant et après les séances d’entraînement et la course, si possible.
  • Un litre (34 oz É.-U.) de boisson pour sportifs contenant 20 mEq/l de sodium fournit 460 mg de sodium.
  • Même si l’état des liquides corporels est complètement différent dans les cas de déshydratation et d’hyponatrémie liée à l’exercice, certains symptômes comme des malaises, la nausée, les étourdissements, les vertiges et la fatigue peuvent se confondre. Par conséquent, s’il n’est pas possible de modifier son poids corporel ou de faire un prélèvement sanguin, il importe d’évaluer l’apport en liquides et la quantité d’urine éliminée pendant un exercice avant d’établir un traitement.
  • Les athlètes qui éliminent de grandes quantités de sueur devraient envisager de prendre un surplus de sodium sous forme de boisson énergétique avec une plus grande teneur en sodium ou des barres, gels, électrolytes en poudre, collations salées ou des suppléments de sodium..
  • Les boissons énergétiques sont hypotoniques par rapport au plasma, de sorte que les athlètes qui les utilisent ne doivent pas présumer qu'ils ne risquent pas de faire de l’hyponatrémie liée à l’exercice.

RÉSUMÉ

Étant donné que la déshydratation et l’hyponatrémie liée à l’exercice présentent toutes deux des risques pendant un exercice prolongé, tous les athlètes qui participent ou qui s’entraînent pour des épreuves de longue distance doivent apprendre à réguler les niveaux de liquides et d’électrolytes dans leur organisme. En raison de la grande variabilité d’un athlète à l’autre, il n'existe pas de protocole universel sur les boissons ou les aliments à prendre pendant un exercice ou une course. C’est pour cette raison que les athlètes doivent évaluer leur perte d’eau par sudation et leur apport liquidien pendant l’entraînement et qu'ils devraient le faire en tenant compte de toutes les conditions environnementales possibles. Les études sur le terrain sont essentielles pour identifier les défis auxquels les athlètes doivent faire face, mais elles se font surtout par observation de façon à ne pas leur nuire lors d’un entraînement ou d’une compétition. Ces études par observation servent ensuite de base pour les études sur les mécanismes qui peuvent être analysées en laboratoire. Le milieu environnant peut être contrôlé beaucoup plus étroitement en laboratoire, assurant ainsi plus de précision dans l'évaluation de l’apport en liquides et en électrolytes, et de leur élimination. Les mécanismes physiologiques ne peuvent être étudiés qu'en laboratoire, l'objectif ultime étant d’améliorer la santé et la performance sur le terrain. Les athlètes d’endurance devraient voir à ce que leur masse corporelle ne varie pas de plus de 2 % en raison des pertes de liquides. Il est donc recommandé de prendre de l’eau ou des boissons énergétiques à volonté lors des séances d’exercice de courte durée, soit d'environ 1 à 2 heures. Toutefois, si un athlète s’attend de faire un exercice durant plus de 2 heures, il doit prévoir une stratégie personnelle de réhydratation et de remplacement des pertes d’électrolytes testée à l’avance, de façon à protéger sa santé et maintenir sa performance.

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