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Embryologie du coeur

Faq 1 - Premiers stades : la vasculogénèse
Faq 2 - Developpement du coeur proprement dit
Faq 3 - Aspects échographiques de l'échographie cardiaque
Faq 4 - Types de spectres Doppler que l'on peut identifier au cours du premier trimestre de la grossesse


Introduction :

Si l'anatomie cardiaque définitive est loin d'être aussi complexe que celle des autres grands systèmes, son importance dans les différentes étapes du développement de l'embryon puis du fœtus lui confère un rôle tout à fait particulier. Constitué essentiellement de tissus musculaires striés, il montre quelques structures fibreuses de soutien ou indispensables à sa fonction hémodynamique et enfin un système de conduction interne nerveux dont le rôle est d'harmoniser séquentiellement les activités motrices de ses différentes parties. A la différence du système rénal, des poumons, du cerveau dont l'activité au cours de la vie intra-utérine a une importance non vitale, le cœur, dès l'apparition des premières ébauches, joue un rôle indispensable au développement du fœtus. Il s'agit donc d'un organe qui, même lorsque sa morphologie n'est pas encore établie, est obligé de fournir un rendement indispensable à l'économie fœtale.


Faq 1 - Premiers stades : la vasculogénèse

C'est au cours de la troisième semaine de vie, à peu près au jour 17, que l'on voit, dans la vésicule vitelline, l'apparition d'îlots sanguins qui montrent d'emblée l'existence de 2 types cellulaires : les hémoblastes embryonnaires qui sont à l'origine des cellules hématopoïétiques et d'autre part des cellules périphériques de type endothélial qui sont aplaties. Ces îlots s'allongent, tentent à confluer et se rejoignent d'un à l'autre pour former un réseau vasculaire initial. A la fin de la troisième semaine, ce réseau a complètement envahi la vésicule vitelline pour se connecter aux structures intra-embryonnaires et aux villosités choriales qui sont en train de se développer. Dans l'embryon lui-même, c'est à peu près un jour plus tard, c'est-à-dire vers le 18ème jour de vie, que l'on met en évidence l'existence d'angioblastes au sein du mésoblaste. Ces angioblastes sont probablement induits par des substances secrétées par l'endoblaste sous-jacent et forment des cordons angioblastiques. Ceux-ci se développent à travers le disque embryonnaire et s'assemblent pour former un réseau qui grandit et s'étend à travers l'embryon par trois processus : formation continue et fusion de ces angioblastes transformés en angiocytes, bourgeonnement et émission de nouveaux vaisseaux à partir de ces cordons angioblastiques primitif : c'est l'angiogénèse. L'interposition de cellules mésoblastiques additionnelles dans les parois des vaisseaux qui sont en train de se former et leur passage intraluminal constituent l'hématopoïèse. Lors de la plicature de l'embryon, lorsque celui-ci va prendre une structure tridimensionnelle, ces vaisseaux néoformés vont bien évidemment suivre le mouvement et se retrouver dans les faces latérales puis ventrales de l'embryon. Les principaux vont se définir dans la partie antérieure de l'embryon, au sein des arcs branchiaux, faisant la liaison entre l'émergence des tissus et des vaisseaux qui vont constituer le cœur et les vaisseaux dorsaux qui confluent en aortes dorsales symétriques.

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Fig 1 : Plicature céphalo-caudale de l’embryon. La zone cardiogénique, initialement située devant la membrane pharyngée, se place devant l’intestin primitif en refoulant vers l’arrière et en rétrécissant le collet de la vésicule vitelline II (Pansky, Eds Ellipses).

Faq 2 - DEVELOPPEMENT DU CŒUR PROPREMENT DIT

A. Constitution du tube cardiaque

Au jour 19, une paire d'éléments vasculaires (les tubes endocardiques) se voient dans la région cardiogène. Il s'agit d'une zone de mésoblaste qui est située cranialement et latéralement à la plaque neurale du tissu embryonnaire. L'ébauche cardiaque se trouve donc dans les tous premiers stades du développement embryonnaire localisée devant la plaque neurale et la membrane bucco-pharyngée. A la fin de la troisième semaine, les courbures céphalique et latérale de l'embryon vont amener les tubes endocardiques latéraux dans la région thoracique par le basculement complet de la région située devant la membrane bucco-pharyngée. Le phénomène d'enroulement latéral de l'embryon provoque un adossement de ces structures, initialement en fer à cheval, qui vont fusionner en un tube cardiaque primitif :

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Fig 2 : Enroulement latéral de l’embryon. Les ébauches cardiaques sont amenées en position ventrale et repoussées l’une vers l’autre (Larsen, Eds de Boeck).

Cette fusion et la disparition de la cloison résultent, bien sûr, d'un phénomène d'apoptose.

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Fig 3 : Fusion des tubes cardiaques par apoptose des cloisons médianes (Larsen, Eds de Boeck)

Ce mouvement de bascule entraîne avec lui les vaisseaux tant efférents qu'afférents à ce tube cardiaque. Les extrémités craniales des aortes dorsales sont attirées ventralement jusqu'à constituer une anse dorso-ventrale constituant le premier arc aortique. Une série de cinq arcs aortiques supplémentaires se mettra en place au cours des 4ème et 5ème semaine en même temps que vont se développer les arcs pharyngiens. La circulation afférente au tube cardiaque est initialement assurée par six vaisseaux : trois de chaque côté. Le sang veineux du corps de l'embryon va retourner vers le cœur par une paire de troncs courts : les veines cardinales communes qui résultent de la confluence des vaisseaux venant de la partie céphalique et de la partie caudale de l'embryon : ce sont les veines cardinales antérieures et postérieures. Deux veines rassemblent le sang provenant de la vésicule vitelline : il s'agit de veines vitellines et enfin deux autres proviennent du cordon ombilical : ce sont les veines ombilicales. Au jour 21, une série de constrictions (sillons) et de dilatations apparaissent au niveau de ce tube cardiaque primitif.Ces dilatations vont contribuer à la formation des différentes cavités du cœur. En commençant par l'extrémité inférieure, c'est-à-dire le pôle des afférences, il y a le sinus veineux qui est constitué par la fusion partielle des cornes sinusales droites et gauches résultant de l'abouchement des veines cardinales communes. Si l'on va vers l'avant, vers le pôle cranial, on va trouver d'abord l'oreillette primitive puis le ventricule. Ces deux dilatations sont séparées par un sillon : le sillon auriculo-ventriculaire. Après le ventricule, on trouve une nouvelle constriction suivie par une dilatation : le bulbe du cœur et le sillon bulbo-ventriculaire. Si l'on envisage le devenir de ces différentes structures, le bulbe, dans sa partie inférieure, va donner le ventricule droit tandis que le ventricule primitif donnera le ventricule gauche. C'est pour cette raison que ce sillon bulbo-ventriculaire peut être aussi appelé sillon inter-ventriculaire. Encore plus cranialement, une dernière dilatation se définit et formera le segment distal et les voies efférentes des ventricules cardiaques. Il s'agit là du cône et du tronc artériels en communication avec le sac aortique à partir duquel vont se définir les vaisseaux transitant par les arcs branchiaux.

1. Structure du tube cardiaque primitif

A l'origine, le tube cardiaque primitif n'est constitué que d'un endothélium. N'oublions pas qu'il s'agit d'une structure vasculaire identique à toutes les autres qui se définissent à ce moment là dans l'embryon.Très tôt cependant, dès le jour 22, une épaisse masse de mésoblaste vient se disposer autour du tube cardiaque et se différentie en deux couches : le myocarde ou muscle cardiaque et la gelée cardiaque. Il s'agit d'un épais manteau acellulaire secrété par le myocarde en voie de développement et disposé de manière à séparer cette couche externe myocardique du tube endocardique primitif. Cette gelée cardiaque semble remplir un rôle mécanique prépondérant lors des premiers moments de l'activité cardiaque. En effet, l'existence d'une zone amorphe, peu compressible, organisée en manchon glissé entre les premières cellules contractiles et le recouvrement interne de la lumière du tube cardiaque produit un effet démultiplicateur de la contraction des premières cellules myocardiques. Un faible raccourcissement de cette portion périphérique contractile entraîne une disparition quasi complète de la lumière du tube. Enfin, va apparaître l'épicarde qui est le péricarde viscéral, il est constitué par une population de cellules mésothéliales dérivées du mésoblaste avoisinant et qui migrent à partir de la portion caudale vers la portion céphalique du cœur. Leur origine est vraisemblablement localisée dans le septum transversum ou dans la région qui entoure le sinus veineux.

2. Inflexion et courbure du cœur

Au jour 23, le tube cardiaque commence à s'allonger et, simultanément, il va s'infléchir et se courber.L'oreillette primitive va remonter en arrière vers la partie céphalique de l'embryon. Par contre, le bulbe du cœur est déplacé vers le bas ventralement et à droite, tandis que le ventricule va se positionner plutôt à gauche

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Fig 4 : Plicature du tube cardiaque vu de l’avant. Le sinus veineux et les veines cardinales sont en bleu. Positionnement en S (de droite à gauche).

On trouve donc, dans une configuration en "S", où les vaisseaux afférents au cœur qui s'organise se trouvent déplacés vers l'arrière et vers le haut, confluant dans l'oreillette primitive, communiquant avec le ventricule primitif, se déplaçant vers la gauche et vers le bas. Ce ventricule primitif coudé communique avec le bulbe qui se trouve en avant de l'embryon et à droite, le cône du cœur positionné sur la partie ventrale et revenant vers la région médiane de l'embryon

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Fig 5 : Cœur vu de l’arrière, l’oreillette a été enlevée, le canal auriculo-ventriculaire est unique

A ce moment-là, il commence à s'appuyer sur la face antérieure de l'oreillette primitive, il la déforme, sa forme devient allongée transversalement avec un rétrécissement médian. On ne connaît pas encore le mécanisme déterminant de cette inflexion du tube cardiaque. Classiquement, on a envisagé de donner un rôle important au feuillet péricardique primitif. Cette cavité entourant le cœur et fixée à ses deux extrémités aurait eu pour rôle d'empêcher une croissance longiligne de ce tube cardiaque et le forçant ainsi à se couder. Cela ne semble pas être le cas. En effet, des cœurs excisés chez des animaux d'expérience et mis en culture ont montré la même habilité intrinsèque sans péricarde à s'infléchir. D'autres études ont suggéré que le degré d'hydratation de la gelée cardiaque pourrait contrôler ce processus mais les digestions enzymatiques de cette gelée n'ont pas modifié l'organisation définitive du cœur. Certains ont envisagé le rôle de l'hémodynamique cardiaque : des cœurs mis en culture sans circulation subissent aussi une inflexion correcte. Il s'agit donc vraisemblablement de processus géniques qui se démasquent localement en certains endroits du tube cardiaque provoquant des croissances différentielles extrêmement régulées. Le résultat de cette inflexion est donc d'amener les quatre cavités présomptives du futur cœur dans leur rapport mutuel correct. Le reste du développement du cœur consistera simplement en un remaniement de ces cavités et à l'apparition, entre elles, de septa et de valves.

3. Premiers battements cardiaques

Le cœur commence à battre au jour 22. Il s'agit, à ce moment, d'une contraction péristaltique commençant dans la région du sinus veineux et se dirigeant vers le cône artériel. Le nombre de fibres musculaires étant extrêmement réduit, la force développée est vraisemblablement extrêmement faible. La faible amplitude des mouvements contractiles que l'on peut déceler, dès ce moment en échographie, est amplifiée par la présence de la gelée cardiaque qui, obstruant localement la lumière vasculaire, provoque un effet identique à celui que l'on peut voir dans les pompes à galet régulièrement utilisées en circulation intracorporéale.

4. Evolution du retour veineux

Initialement, le retour veineux s'effectue par les cornes droite et gauche du sinus où débouchent les veines cardinales communes dont les afférentes ont déjà été décrites. Cependant, au cours des semaines qui vont suivre, ce système est remanié de telle sorte que le sang retourne, par l'intermédiaire des veines caves supérieure et inférieure, dans la corne droite du sinus. La corne gauche du sinus cesse de se développer. Elle va se transformer en un petit sac veineux disposé au niveau de la paroi postérieure du cœur : c'est l'origine du sinus coronaire et de la petite veine oblique de l'oreillette gauche. Par contre, la corne droite et les veines caves vont progressivement augmenter leur dimension, le côté droit du sinus veineux va s'incorporer dans la partie droite de la paroi postérieure de l'oreillette qui, par son développement, va devenir de plus en plus ventrale et droite.

B. Cloisonnement des oreillettes

La première étape de la séparation de circulation systémique et pulmonaire correspond au cloisonnement partiel des oreillettes et à la division du canal atrio-ventriculaire en deux portions : une droite et une gauche. Le septum inter-auriculaire de l'adulte résulte de la fusion de deux septa : le septum primum et le septum secundum. Chacun de ceux-ci est muni d'une large ouverture qui permet le shunt de droite à gauche du sang pendant la gestation. Ce cloisonnement auriculaire commence autour du jour 26. Les deux mécanismes sont étroitement impliqués : cloisonnement du canal auriculo-ventriculaire et cloisonnement de l'oreillette proprement dit.

1. Cloisonnement du canal auriculo-ventriculaire

Le canal auriculo-ventriculaire primitif, nous l'avons déjà signalé plus haut, prend une forme allongée de droite à gauche due au positionnement du cône artériel sur sa partie antérieure. A cet endroit, des bourrelets endocardiques vont se développer. Les plus importants sont les bourrelets endocardiques inférieur et supérieur .Les deux autres, droit et gauche, sont moins fondamentaux dans l'organisation du cœur. Ces bourrelets endocardiques, antérieur et supérieur, vont fusionner très rapidement pour créer deux canaux auriculo-ventriculaires, l'un droit et l'autre gauche.

2. Formation du septum inter-auriculaire

Il est en fait constitué de deux septa. Au jour 28, un croissant tissulaire partant de la paroi supéro-postérieure de l'oreillette primitive commence à se développer. Il se dirige en direction caudale vers le canal atrio-ventriculaire séparant graduellement les futures oreillettes droite et gauche. Il a une forme en croissant. Il s'agit du septum primumL'ouverture résiduelle entre les deux oreillettes se rétrécit donc progressivement au fur et à mesure de la croissance de ce septum primum vers les bourrelets endocardiques qui ont fusionné. L'ouverture inter-auriculaire se rétrécit progressivement, elle s'appelle ostium primum

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Fig 6 : Cloisonnement de l’oreillette primitive avec formation de la valve de Vienssens (Septum Primum) et du trou de Bobal (Septum Secundum) (Pansky).

Avant l'occlusion complète de l'ostium primum, par confluence du septum primum avec les bourrelets endocardiques fusionnés, un phénomène d'apoptose se manifeste dans la région supérieure du septum primum. Il en résulte l'apparition de petites perforations qui vont confluer et constituer un deuxième orifice : l'ostium secundum. Donc, avant que ne se ferme le premier shunt, un deuxième va se mettre en place. Légèrement plus tard, mais presque simultanément, une deuxième arête se manifeste dans la partie supérieure de l'oreillette droite : c'est l'ébauche du septum secundum. Ce septum secundum glisse le long du septum primum sur son versant droit et se dirige vers les bourrelets endocardiques inférieur et supérieur. Le bord libre de ce septum secundum a aussi une forme de croissant. Il est plus épais que le septum primum et s'arrête avant d'atteindre le plancher de l'oreillette droite laissant une ouverture : le foramen ovale. Anatomiquement, le septum secundum est donc beaucoup plus rigide et résistant que le septum primum. Le foramen ovale se positionne en face de l'émergence du sang provenant de la veine cave inférieure, celui-ci étant guidé par éperon localisé à la partie inférieure de son abouchement dans l'oreillette droite (valvule d'Eustache) dirigeant le flux sanguin vers le shunt inter-auriculaire.

C. Cloisonnement des ventricules

Il est synchrone de la formation des valves atrio-ventriculaires et de la séparation des voies déférentes. C'est à la fin de la quatrième semaine que la partie inférieure du sillon bulbo-ventriculaire commence à faire saillie dans la lumière cardiaque. La croissance de ce septum musculaire inter-ventriculaire s'arrête au milieu de la septième semaine avant que son bord libre ne rencontre les bourrelets endocardiques intra-auriculaires fusionnés

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Fig 7 : Vue par l’avant, parois ventriculaires, bulbaire et troncale antérieures enlevées. Déplacement progressif du canal atrio-ventriculaire vers la droite et apparition du septum musculaire interventriculaire (Larsen).

arrêt de la croissance est crucial : si la fusion vient à se produire trop tôt, le ventricule gauche sera coupé de sa voie d'évacuation. Au moment où le septum musculaire inter-ventriculaire cesse de grandir, les deux ventricules communiquent entre eux par un foramen inter-ventriculaire ainsi que par la base élargie du cône du cœur. Une séparation plus poussée des ventricules et de la voie d'émergence doit se faire en étroite coordination pour assurer le fonctionnement correct du cœur. Il n'est donc pas surprenant qu'une forte proportion d'anomalies cardiaques résulte d'erreurs dans ce processus complexe. La voie d'émergence du cœur est partagée en deux par des bourrelets ou crêtes qui se développent à partir des parois opposées du cône du cœur et du tronc artériel pour se rencontrer au centre de ceux-ci. Ces bourrelets apparaissent après que le sixième arc aortique ait été constitué, il se développe de l'aval vers l'amont, toujours l'un en face de l'autre; leur point d'insertiona une forme hélicoïdale au fur et à mesure de leur croissance vers l'étage ventriculaire

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Fig 8 : Mise en place des bourrelets aortico-pulmonaires et séparation des voies d’éjection (Pansky).

Ces bourrelets aortico-pulmonaires, au départ épais vont très rapidement s'affiner pour diviser le cône artériel en deux vaisseaux enroulés l'un vis à vis de l'autre : l'aorte et l'artère pulmonaire. La partie inférieure de ces bourrelets aortico-pulmonaires va venir s'implanter sur le septum inter-ventriculaire et combler ainsi l'orifice inter-ventriculaire résiduel, positionnant de façon définitive l'aorte à partir du ventricule gauche et l'artère pulmonaire à partir du ventricule droit.

D. Formation des valves

Les valves atrio-ventriculaires commencent à se former entre la 5 et la 8ème semaine. Il s'agit d'excroissances musculo-tendineuses issues du myocarde ventriculaire. La valve de droite présentera trois feuillets tandis que la valve gauche n'en présentera que deux. Au niveau du tronc artériel, on constate qu'après le cloisonnement, chaque voie d'évacuation contient trois tubercules disposés en triangle : deux proviennent du partage des tubercules latéraux et le troisième s'est développé soit sur la paroi antérieure soit sur la paroi postérieure du tronc. Ces tubercules sont à l'origine des trois cuspides des valves semi-lunaires aortiques et pulmonaires. L'ensemble du système cardiaque est terminé à 9 semaines de vie.

E. Système de stimulation et de conduction cardiaque

Les premières contractions cardiaques sont dues à une activité myogène. Elles prennent naissance spontanément par la partie auriculaire primitive du tube cardiaque et se propagent de cellules en cellules. Le nœud sino-atrial se met en place le premier, il est situé dans la partie droite de l'oreillette primitive près du sinus veineux droit. Très rapidement, les cellules du bourgeon endocardique supérieur se mettent à former un second centre de stimulation : le nœud atrio-ventriculaire. Sa constitution va s'accompagner de la position d'un faisceau de cellules spécialisées dans la conduction : le faisceau de Lisse qui va propager les influx d'un septum inter-ventriculaire avant de bifurquer sur la crête septale en une branche pour le ventricule droit et une autre pour le ventricule gauche.


Faq 3 - Aspects échographiques de l'échographie cardiaque

Au jour 22, lorsque les premiers battements cardiaques apparaissent, le flux est d'emblée directionnel. Cette transmission péristaltique de la contraction est mise en évidence par l'utilisation de Doppler à haute sensibilité. Lors de l'information dynamique fournie par l'imagerie en Doppler couleur dans l'exploration de l'embryon et de son système cardiaque, il est possible en étudiant le spectre Doppler des flux issus de la région cardiaque d'approcher, en quelque sorte, la construction anatomique du cœur et la définition fonctionnelle des valves .


Faq 4 - Types de spectres doppler que l'on peut identifier au cours du premier trimestre de la grossesse

En observant 52 embryons de grossesses normales dont les longueurs céphalo-caudales allaient de 3.6 mm à 60 mm.

Le type 1 est observé chez des embryons entre 3 et 8 mm de CRL et caractérisé par la détection d'un flux d'éjection unique. Ce flux d'éjection est orienté dans une seule direction et est séparé par une période de silence Doppler.

Le type 2 est observé chez des embryons entre 8 et 28 mm de CRL et caractérisé par la persistance de ce flux d'éjection et aussi par un autre flux de remplissage. Ce flux de remplissage a une direction opposée à celui de l'éjection; il a une vélocité proportionnellement plus haute que le flux d'éjection et apparaît comme un flux à pic unique.

Le type 3 est observé chez des embryons de plus de 28 mm de CRL. Un double pic de remplissage apparaît. Le second pic (contribution auriculaire et onde A sur le tracé Doppler) apparaît comme ayant une vélocité significativement plus haute que le premier (remplissage passif et onde E sur le tracé Doppler). Le flux d'éjection reste, bien entendu, toujours observable.
Ce complexe auriculo-ventriculaire est d'autant plus marqué que l'embryon vieillit. Le type 1 fut trouvé chez 13 embryons, entre 3 et 8 mm de CRL; le type 2 est observé chez 21 embryons entre 9 et 30 mm de CRL; le type 3 chez 18 embryons entre 28 et 60 mm de CRL

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Fig 9 : Schéma des types de spectres doppler identifiés au cours du premier trimestre de la grossesse.


Cette évolution dynamique, mise en évidence par l'étude des flux intra-cardiaques au cours de le période embryonnaire, permet d'approcher, in vivo, la constitution de l'architecture cardiaque en partant de la contraction globale péristaltique du tube cardiaque en passant par l'apparition de valves à compétence incomplète et remplissage ventriculaire passif, faible pour en arriver à la visualisation claire des flux de type définitif dans le cœur des fœtus âgés de plus de 10 semaines d'aménorrhée. La fréquence cardiaque évolue au cours de la vie embryonnaire. Pendant la période initiale (type 1), elle est basse, constamment en dessous de 100 bpm. L'apparition du type 2 coïncide avec une accélération brutale de la fréquence, la plaçant très vite à un rythme supérieur à 120 (7 semaines) pour se situer, entre 8 et 12 semaines, à une fréquence de plus de 150 bpm. Dès le premier trimestre, un rythme inférieur à 100 bpm doit donc faire suspecter un trouble dans le système de conduction indispensable dès le cloisonnement auriculo-ventriculaire.




Un grand merci au Prof. Henri-Jean Philippe pour ce cours et pour son aimable autorisation.
Unité de Technologie de l'Information et de la Communication pour l'Enseignement en Médecine (TICEM)

  

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