Communication scientifique
Session of 22 juin 2004

Evolution actuelle du dopage favorisant le transport de l’oxygène

MOTS-CLÉS : analyse de sang. dopage sportif. erythropoïetine. oxygène/sang. transfusion sanguine. transport biologique.
Blood boosting today
KEY-WORDS : biological transport.. blood chemical analysis. blood transfusion. doping in sports. erythropoietin. oxygen/blood

Michel Audran *, Emmanuelle Varlet-Mariey

Résumé

Les derniers Jeux Olympiques d’hiver et les récents évènements qui secouent le cyclisme démontrent, une fois encore, que la recherche de procédés permettant d’augmenter le transport de l’oxygène par le sang est toujours d’actualité dans les sports d’endurance. L’augmentation de la concentration sanguine en hémoglobine dont dépend la consommation maximale en oxygène, peut être obtenue de façon naturelle par l’entraînement en altitude, ou en vivant à haute altitude et en s’entraînant à basse altitude. Elle peut être également le résultat d’un dopage à l’érythropoïétine recombinante humaine ou à la darbépoïétine, d’un recours à la transfusion sanguine ou encore à des solutions d’hémoglobines modifiées. Cet article présente ces différentes techniques en insistant sur la transfusion sanguine revenue à la une de l’actualité après la mise au point du test de dépistage des érythropoïétines recombinantes humaines.

Summary

The last Winter Olympics and recent cycling events have once again called attention to the use by endurance sportsmen and women of a variety of approaches designed to increase the blood hemoglobin concentration and oxygen-carrying capacity. An increased hemoglobin concentration and maximal oxygen uptake can be achieved by training at high altitude or by ‘‘ living high and training low ’’. It can also be procured by ‘‘ blood boosting ’’ with erythropoietin or darbepoietin, blood infusion, or misuse of hemoglobin-based oxygen carriers. This paper describes methods of increasing oxygen transport, with the accent on blood infusion, which is again relevant today with the development of a test able to detect recombinant human erythropoietins.

INTRODUCTION

Dans les sports d’endurance, la performance physique dépend de nombreux facteurs parmi lesquels la libération d’énergie, la fonction neuromusculaire et les facteurs psychologiques sont les plus importants. Au cours d’un travail musculaire intense impliquant un grand nombre de groupes musculaires (ski de fond, cyclisme, course de fond, aviron et autres sports d’endurance), la consommation maximale d’oxygène (VO ) est étroitement liée à la performance. Cette VO est princi2max 2max palement limitée par le contenu en oxygène du sang artériel d’où la supposition qu’une augmentation de la concentration en oxygène du sang artériel, par élévation de la concentration en hémoglobine (Hb), devrait conduire à une augmentation de la VO et donc à une amélioration de la performance. Différents procédés sont 2max utilisés pour augmenter la concentration en Hb (tableau 1) : i) entraînement en altitude, ii) vie en altitude et entraînement à basse altitude, iii) traitement à l’érythropoïétine recombinante humaine (rhu-Epo) ou à ses analogues, iv) transfusion sanguine.

TABLEAU 1. — Différents procédés permettant d’augmenter la concentration en hémoglobine :

Augmentation totale

Augmentation en

Procédés en hémoglobine hémoglobine / semaine < 15 g/l # 1 g/l Entraînement en altitude < 10 g/l < 1 g/l « Dormir haut, s’entraîner bas » 10-20 g/l # 3 g/l rhu-Epo / Aranesp 10-20 g/l 10 Transfusion sanguine — 20 g/l L’ENTRAINEMENT EN ALTITUDE

La méthode la plus ancienne et la plus naturelle consiste à s’entraîner en altitude. La pression partielle en oxygène diminuant en altitude, l’organisme réagit à cette hypoxie en sécrétant de l’Epo[1]. L’évolution de la concentration en Epo est alors biphasique : augmentation initiale rapide puis décroissance progressive pour atteindre des valeurs proches de la normale. La concentration en Hb augmente du fait d’une diminution du volume plasmatique ; ensuite l’élévation de cette concentration reflète une polyglobulie variée dont l’intensité dépend de l’altitude et de la durée du séjour (+ 1 g/l par semaine à 2500 m).

Il existe d’autres variantes non naturelles simulant la composition de l’air en altitude et permettant de reproduire un entraînement en altitude. La technique la plus connue est « dormir haut et s’entraîner bas »[2]. Cette méthode repose sur le
concept suivant : vivre en altitude peut augmenter, entre autres, la capacité sanguine de transport de l’oxygène, mais la diminution de la pression partielle en oxygène limite la fréquence, l’intensité et la durée de l’effort lors de l’entraînement. « Vivre haut » et « s’entraîner bas » permettrait donc de bénéficier à la fois des adaptations physiologiques liées à l’altitude et de maintenir des charges d’entraînement élevées.

Différents dispositifs (chambres hypoxiques ou hypobares) permettent aujourd’hui de pratiquer cette méthode sans résider en altitude, toutefois l’effet sur l’érythropoïèse et en particulier sur l’augmentation de la concentration en Hb est peu important tant que l’altitude simulée reste inférieure à 3000 mètres[3].

LA TRANSFUSION SANGUINE

L’effet ergogénique de la transfusion sanguine a été démontré depuis plus de 50 ans[4], mais cette technique n’a été étudiée que 25 ans plus tard[5].

Il est actuellement bien établi que :

— la transfusion sanguine et/ou celle de globules rouges augmentent la VO et la 2max performance dans les sports d’endurance, — cette VO est indépendante du volume sanguin ; par conséquent l’hémodilu2max tion ou l’hémoconcentration n’affectent pas ce paramètre[6].

Il s’agit là d’un procédé de dopage, avec effets immédiats, utilisé par certains athlètes dans les années 70 et 80[7, 8]. Depuis 1988, la commercialisation de la rhu-Epo avait momentanément mis fin à cette pratique mais, la mise au point en 2000 d’un test permettant de détecter les différentes Epo recombinantes dans les urines a contraint les tricheurs à y recourir à nouveau dans certaines circonstances[9].

Technique

Les transfusions sanguines peuvent être autologues ou hétérologues. Entre le prélè- vement et la transfusion, le sang peut être conservé à +4° C ou congelé.

Lorsqu’il est conservé à 4° C, le sang doit être utilisé dans les 7 ou 8 semaines après son prélèvement (1 % environ des globules rouges sont détruits chaque jour). Le délai légal de conservation est de 42 jours en France ; il peut s’étendre jusqu’à 56 jours dans certains pays limitrophes.

Le phénomène d’hémolyse peut être considérablement limité en conservant les globules rouges à —80° C après congélation dans du glycérol. Dans ces conditions, le délai de conservation est de plusieurs années mais la re-infusion des globules rouges nécessite une étape de lavage afin de retirer toute trace de glycérol.

Dans le cas de l’autotransfusion, une à quatre unités de sang (450 à 1800 ml) sont prélevées sur l’athlète et centrifugées. Le plasma est immédiatement réinjecté alors que les globules rouges sont stockés (érythraphérèse). Le sang doit être prélevé 8 à
12 semaines avant l’évènement sportif ; ce délai est nécessaire pour que l’organisme reconstitue la masse globulaire qui lui a été retirée.

Les globules rouges sont transfusés la veille ou quelques jours avant la compétition (il faut un séjour minimum de 12 heures des globules rouges dans l’organisme pour rétablir un taux normal de 2,3-diphosphoglycerate dans ces cellules).

Cette façon de procéder présente cependant un inconvénient : le prélèvement sanguin entraîne une diminution de la concentration en Hb (et donc de la VO ), 2max préjudiciable à la poursuite de bonnes conditions d’entraînement physique. Il peut être surmonté grâce à l’utilisation de rhu-Epo selon une technique utilisée en pratique pré-opératoire : la transfusion autologue programmée qui combine injections de rhu-Epo et prélèvements sanguins selon un calendrier bien défini. Ainsi 2 à 3 unités de sang peuvent être prélevées sur une période de un mois sans provoquer de chute sensible de la concentration en Hb[10].

Effets des transfusions sanguines sur la performance

A la différence de l’administration de rhu-Epo qui augmente graduellement le nombre de globules rouges, la transfusion sanguine provoque une augmentation immédiate de la concentration en Hb. L’effet ergogénique qui en résulte est comparable à celui à celui de la rhu-Epo, pourvu que l’augmentation de la concentration en Hb soit la même. Bien que diminuant au cours du temps, cet effet peut persister durant une à trois semaines.

L’augmentation de la VO et de la performance a été décrite par plusieurs 2max auteurs[11-17]. Une élévation de plus de 5 % de la concentration sanguine en Hb est indispensable pour observer un tel effet. La perfusion d’une seule unité de sang (450 ml) ou de concentré de globules rouges (250 ml) peut donc s’avérer insuffisante.

Robertson et al. [15] rapportent une augmentation de 12,8 % de la VO 24 heures 2max après transfusion de 750 ml de concentré de globules rouges. Spriet et al. [16] observent une augmentation de la VO de 3,9 % après perfusion de deux unités 2max de sang et de 6,7 % après administration d’une troisième unité. Brien et Simon[17], dans une étude en double aveugle, décrivent une augmentation importante de la performance sur une course de 10 km après transfusion de 400 ml de concentré de globules rouges.

L’effet majeur de la transfusion sanguine est lié à l’augmentation de la masse des globules rouges : l’augmentation transitoire du volume sanguin et du débit cardiaque sont de trop courte durée pour jouer un rôle.

Les études[14] de l’effet de la perfusion de 1000 à 1200 ml de sang ou de 400 à 500 ml de concentré de globules rouges au repos et au cours d’un exercice submaximal ou maximal ont montré que :

— il n’y a pas de différence entre la perfusion de sang total ou celle de globules rouges
— la concentration en Hb et l’hématocrite augmentent par rapport à leurs valeurs avant la perfusion — le volume sanguin est peu modifié — la VO et le temps d’épuisement augmentent. La VO augmente parallè- 2max 2max lement à la concentration en Hb jusqu’à une valeur de 200 g/l. L’augmentation de la VO par gramme d’Hb (environ 20 ml), est identique pour tous les sujets, 2max que leur concentration de base en Hb soit de 13 g/l ou 17 g/l — le débit systolique, la fréquence cardiaque et donc le débit cardiaque au cours de l’exercice ne sont pas modifiés au cours de la transfusion ; ceci explique l’amé- lioration de la VO après la transfusion 2max — au cours d’un exercice submaximal, la VO reste inchangée.

2 La transfusion sanguine améliore également la tolérance à la chaleur au cours de l’exercice et entraîne une baisse de la lactatémie.

Effets secondaires de la transfusion sanguine

La transfusion sanguine augmente la masse des globules rouges donc la concentration en Hb, l’hématocrite et la viscosité sanguine, mais à l’inverse d’un traitement à la rhu-Epo, on n’observe pas d’élévation de la pression sanguine.

Le phénomène d’hémolyse (observé au cours de la conservation du sang ou des globules rouges) peut se poursuivre après la transfusion et entraîner la formation d’un ictère éphémère. Une autre conséquence de la transfusion sanguine est la libération de fer : des transfusions fréquentes peuvent conduire à une surcharge en fer.

Le risque de l’infection bactérienne, provenant de la contamination du sang lors du prélèvement ou des manipulations ou bien encore d’une mauvaise conservation est toujours à craindre en particulier lorsque ces opérations se déroulent en dehors d’établissements hospitaliers.

Lors de transfusions hétérologues, le risque majeur est l’erreur de groupe. Il est indispensable de respecter les groupes A, B, AB et O, mais aussi les groupes Rhésus.

D’autres complications immunologiques telles que celles résultant de l’incompatibilité leuco-plaquettaire peuvent se produirent.

La possibilité d’infections virales (hépatites C et B, HIV) ou parasitaires (paludisme) sont aussi à prendre en considération.

Détection de la transfusion sanguine

La détection de transfusions hétérologues semble a priori facile. L’administration d’une unité de sang (450 ml) augmente le nombre d’érythrocytes circulants de 10 % environ. Dans ces conditions et si le sujet a été perfusé avec un sang iso-groupe, les méthodes de phénotypage érythrocytaire courantes ne permettent pas de mettre en
évidence les globules rouges étrangers. Deux méthodes seulement, permettant le dépistage de transfusions hétérologues ont été publiées. Elles sont basées sur la recherche d’un certain nombre d’antigènes : ABO, Rhésus (D, E, c, C, e), Kell (K), Kidd (Jk), Duffy (Fy) et MNSs[18] et A,B,O, Rhésus (D, E, c, C, e), Kell (K, k), Duffy (Fya, Fyb), Kidd (Jka, Jkb) et MNSs[19].

Le dépistage de la transfusion autologue s’avère plus complexe. Berglund et al. [20] annonçaient en 1987 qu’ils étaient capables de détecter 50 % des individus ayant reçu une auto transfusion en se basant sur la concentration de l’Epo sérique qui était abaissée et sur les concentrations de l’Hb, du fer et de la bilirubine qui étaient plus élevés (les deux dernières à cause de la fragilité des globules rouges transfusés).

Des modèles mathématiques conçus pour détecter un dopage à la rhu-Epo dans les semaines suivant l’arrêt du traitement pourraient également être utilisés pour détecter les deux types de transfusion sanguines. Ils sont basés sur une concentration en Hb élevée et un pourcentage de réticulocytes anormalement bas (modèle He) ou une concentration en Hb élevée, un pourcentage en réticulocytes et une concentration sérique en Epo anormalement bas (modèle Hre) [21].

LES ERYTHROPOÏÈTINES RECOMBINANTES HUMAINES ( α , β , ω ) ET LA

DARBEPOÏÈTINE (NOVEL ERYTHROPOIESIS STIMULATING PROTEIN OU NESP)

L’utilisation des rhu-Epo en pratique sportive à été abordée précédemment[22].

Leur détection urinaire est à présent possible[9]. Néanmoins une administration judicieuse de ces substances (injection de faibles doses en intra veineuse en fin de traitement et arrêt quelques jours avant la compétition) éventuellement combinée à l’absorption de substances masquantes[23] permet de bénéficier de l’effet ergogénique le jour de la compétition sans risque d’être détecté positif.

La darbepoïètine, dont la demi-vie est plus longue que celle des érythropoïètines recombinantes, est plus facilement détectable et ne semble plus être utilisée.

LES TRANSPORTEURS D’OXYGENE A BASE D’HEMOGLOBINE

La deuxième génération de transporteurs d’oxygène à base d’Hb, (Hb polymérisées et conjuguées), est actuellement en étude clinique. Seuls deux composés à base d’Hb bovine sont actuellement disponibles : l’Oxyglobine® (usage vétérinaire) et l’Hemopure® (usage humain —disponible en Afrique du Sud).

Bien que de récentes déclarations dans le milieu cycliste aient fait mention de la prise d’Oxyglobine®, les effets secondaires de ces substances (essentiellement des problè- mes gastro-intestinaux), leur faible durée d’action (conséquence de leur courte demi-vie) et la facilité de leur détection[24] devraient dissuader les athlètes de leur utilisation.

LES PRODUITS DU FUTUR

Les mimétiques de l’Epo

Le coût des traitements classiques à la rhu-Epo mais aussi leur possibilité d’induire des réactions immunologiques et la nécessité de conditions spéciales de conservation ont conduit à la recherche de nouvelles molécules, notamment peptidiques, capables de se fixer sur le récepteur cellulaire de l’Epo et de stimuler l’érythropoïèse.

Les études cliniques du composé le plus avancé, l’Hematide-, devraient débuter fin 2004.

Les micro bio réacteurs

Il s’agit de micro capsules de céramique contenant des cellules génétiquement modifiées pour produire de l’Epo. Elles sont conçues de manière à laisser entrer les fluides nutritifs nécessaires à la survie des cellules et à laisser sortir les déchets et la protéine produite ; elles protège également ces cellules de l’attaque des éléments du système immunitaire de l’hôte. Ces capsules sont insérées sous la peau et peuvent être retirées lorsque la valeur souhaitée de l’hématocrite est atteinte.

La thérapie génique.

Depuis quelques années plusieurs équipes ont démontré la faisabilité du transfert du gène de l’Epo chez les rongeurs et les primates ainsi que la régulation de sa sécrétion.

Le laboratoire Oxford Biomedica a mis au point un vecteur viral, le Repoxygen-, permettant de délivrer le gène de l’Epo humaine aux cellules musculaires. Ce gène est sous le contrôle d’un ensemble de gènes portant le motif « Hypoxia Regulatory Element » qui permet une régulation de la production d’Epo in situ via les cellules musculaires. Ce produit est aujourd’hui au stade des essais pré cliniques.

CONCLUSION

L’augmentation illicite du transport de l’oxygène par le sang reste toujours un problème d’actualité. En l’absence de nouvelles molécules susceptibles de remplacer les rhu-Epo, les tricheurs semblent s’être adaptés aux failles existantes dans le dépistage de l’Epo (liées à la demi-vie du produit ou à la quasi absence de contrôles inopinés) et au besoin, recourent à la vieille méthode de la transfusion sanguine[25].

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* Directeur du service de Biophysique et Bioanalyse à la Faculté de Pharmacie de Montpellier, 15, avenue Charles Flahaut - B.P. 14491, 34093 Montpellier cedex 5. Tirés à part : Professeur Michel AUDRAN, même adresse. Article reçu le 10 mai 2004, accepté le 17 mai 2004.

Bull. Acad. Natle Méd., 2004, 188, no 6, 945-953, séance du 22 juin 2004