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Les tests respiratoires au 13CO2 en gastroentérologie
  
Yvo GHOOS   

laboratorium digestie absorptie, E462,
Universitaire Ziekenhuizen Leuven, Herestraat 49, 3000 Leuven,  Belgique.
     
Hépato-Gastro. Vol. 2, n° 4, juillet-août 1995 : 351-5

RESUME:

Le principe des tests respiratoires au 13CO2 repose sur l'utilisation d'une substance marquée au 13C qui permet de suivre ou de caractériser une fonction ou un système en mesurant la proportion de 13CO2 dans l'air expiré. La teneur en 13C dans l'air expiré est mesurée par un spectromètre de masse ratio. Du fait de leur non-invasivité et de leur relative simplicité d'utilisation, les tests respiratoires connaissent des développements importants en gastroentérologie. Les principales applications concernent l'exploration de la vidange gastrique, et la mise en évidence d'Helicobacter pylori. Cependant, l'utilisation des tests respiratoires utilisant le CO2 marqué au carbone 13 nécessite des actions concertées pour harmoniser les protocoles, et assurer la fiabilité des diagnostics dans le domaine digestif.

Mots clés  : tests respiratoires, isotopes stables, vidange gastrique, Helicobacter pylori, explorations fonctionnelles.
 

Les isotopes stables sont des traceurs de plus en plus fréquemment utilisés dans le domaine biomédical. Dans leurs principales utilisations la détermination précise de la teneur en carbone 13 des molécules de CO2 (produit final des réactions métaboliques chez l'homme) est nécessaire. Ces tests respiratoires sont le plus fréquemment appelés breath-test au 13CO2.

Principes

Le principe du breath-test au 13CO2 repose sur l'utilisation d'un substrat préalablement marqué au 13C, qui va servir à caractériser une fonction ou un système enzymatique gastro-intestinal par la mesure de l'élimination du 13CO2 dans l'air expiré. La mesure effectuée n'est spécifique que si le CO2 expiré reflète de façon certaine la fonction ou le système enzymatique exploré.

Applications

Le test respiratoire au carbone 13 est intéressant dans le diagnostic ou la caractérisation d'anomalies de plusieurs fonctions digestives (figure 1) en particulier :
- l'exploration de la vidange gastrique ;
- la recherche d'une colonisation de la muqueuse gastrique par Helicobacter pylori ;
- l'étude de la fonction sécrétoire (exocrine) du pancréas (lipase, amylase trypsine) ;
- l'étude de l'intégrité de la muqueuse de l'intestin grêle (disaccharidases) ;
- la recherche d'une malabsorption des acides biliaires au niveau iléal ;
- la recherche d'une pullulation bactérienne ;
- la caractérisation du métabolisme hépato-cellulaire.

Réalisation technique des tests respiratoires

Quelle que soit l'application des tests, tous les tests respiratoires obéissent à la même procédure. Les patients ingèrent à jeun, le matin, un substrat marqué au 13C, variable selon l'application considérée. Des échantillons d'air sont recueillis en expirant dans un tube fermé. La durée du test est dépendante de l'indication et de la fonction que l'on cherche à caractériser. Habituellement, il est préférable que les patients soient au repos pendant cette période.
Les analyseurs modernes (c'est-à-dire les spectromètres de masse à isotopes stables liés à un système de flux d'hélium continu) sont tout à fait adaptés pour mesurer la teneur en 13C dans l'air expiré. Cette teneur est exprimée en pourcentage de 13C excrété par heure (% 13C dose/h) ou en valeur cumulative (% 13C dose, cumul). Une nouvelle technique de dosage est en développement : l'analyse par spectrométrie infrarouge. Cette technique, certainement prometteuse, est encore trop récente pour être actuellement recommandée.

Avantages et intérêts des tests respiratoires

Par leur nature même, les tests respiratoires ne présentent aucun risque pour les patients. Les tests sont toujours bien tolérés et permettent même une participation active des patients dans leur déroulement. Ces explorations peuvent être pratiquées chez des malades à leur domicile. Il n'y a pas de contre-indication puisque aucun rayonnement ionisant n'est émis.
Dans le futur, ces tests pourraient être d'un apport important dans les pays en voie de développement, en évitant notamment l'usage d'appareils sophistiqués et coûteux comme la radioscintigraphie, en évitant les prises de sang et les intubations digestives avec les risques de contamination qu'elles comportent.

Limites des tests respiratoires

Les tests étant basés sur la production du CO2 ne permettent qu'une caractérisation semi-quantitative (sauf pour le test de mesure de la vidange gastrique, dont les résultats sont indépendants de la production de CO2). Comme pour toute exploration complémentaire, les résultats de ces tests doivent être confrontés aux autres données cliniques et paracliniques.

Premier exemple d'utilisation : la mesure de la vidange gastrique

La méthode de référence pour mesurer la vidange gastrique est la scintigraphie gastrique effectuée à l'aide d'un marquage alimentaire par un isotope radioactif, le plus souvent le 99mTc. Cette exploration impose la présence d'un service nucléaire, et d'un appareillage coûteux. De plus, la scintigraphie gastrique est à l'origine d'une irradiation qui, bien que modérée, empêche d'effectuer des mesures trop souvent répétées, et interdit son utilisation chez l'enfant et la femme enceinte.
Au lieu d'incorporer le traceur radioactif dans le blanc d'oeuf, on peut solubiliser l'acide octanoïque marqué au 13C dans un jaune d'oeuf. Une omelette peut alors être préparée, et le patient ingère ensuite ce repas-test. L'intérêt de l'utilisation de l'acide octanoïque est sa fixation stable au marqueur solide du repas pendant le temps intragastrique de la vidange. Lorsque les particules alimentaires franchissent le pylore, les sécrétions duodéno-bilio-pancréatiques désintègrent les particules alimentaires, l'acide octanoïque est libéré et est très rapidement absorbé par la cellule épithéliale. L'acide octanoïque est alors transporté par voie portale jusqu'au foie où il subit préférentiellement une oxydation. Cette oxydation entraîne l'apparition de 13CO2 dans l'air expiré, dont la quantité est proportionnelle à la vidange gastrique.
Cette méthode a été rigoureusement évaluée en la comparant à la scintigraphie, le blanc d'oeuf étant marqué au 99mTc, et le jaune d'oeuf étant marqué au 13C-acide octanoïque. L'évolution de la vidange gastrique mesurée par les deux méthodes est représentée sur la figure 3. Des formules mathématiques modélisant les phénomènes ont permis de comparer les temps de demi-vidange, lag-phase, et le coefficient de vidange qui sont tout à fait proches avec les deux méthodes.

Deuxième exemple d'utilisation :
recherche de la présence d'Helicobacter pylori

La présence d'Helicobacter pylori au niveau de la muqueuse gastrique explique que les méthodes reposant sur des prises biopsiques constituent les références. La présence de la bactérie peut être objectivée par l'analyse histologique ou bactériologique ou même par des méthodes enzymatiques, grâce à l'activité uréase de la bactérie.
Grâce à son équipement en uréase, la bactérie peut transformer l'urée marquée au 13C en 13CO2 et en ammoniaque. Ainsi, dès que la quantité de 13CO2 dans l'air expiré dépasse une valeur seuil, la présence d'Helicobacter pylori peut être affirmée avec certitude. La spécificité du test est proche de 100 %. Le test est facilement réalisable, il peut être effectué de façon ambulatoire, et sa durée est de l'ordre d'une heure. Des procédures simplifiées ont été développées sous forme de test en kit. Le contenu de ce kit est indiqué dans le Tableau 1, ainsi que son déroulement. Le kit est adressé au médecin et le patient renvoie les tubes contenant l'air expiré au laboratoire.
Cette procédure est certainement d'un grand intérêt en pratique médicale du fait de sa facilité d'exécution et de l'absence d'hospitalisation. Le sujet peut même choisir la période au cours de laquelle il désire effectuer ce test, par rapport à ses exigences d'emploi du temps.
Il est vraisemblable que dans l'avenir ces tests effectués de façon ambulatoire auront un développement important.

Réflexions sur l'utilisation des isotopes stables

Nous n'envisagerons ici que l'application des isotopes stables de l'hydrogène, du carbone, de l'azote et de l'oxygène, et uniquement dans une utilisation biomédicale.

Conséquences pratiques pour la recherche scientifique

* Plantes de production de 2H, 13C, 15N et de 18O

Actuellement, la production et le marché des isotopes stables sont concentrés (et contrôlés) aux Étas-Unis. Une coopération large en Europe s'impose afin de faire l'inventaire des plantes de production actuelle (en France, en Russie, en Roumanie...). Il est également nécessaire de désigner pour chacun des pays producteurs les objectifs de cette production. Une telle opération doit être soutenue financièrement par tous les pays d'Europe.

* Laboratoires de synthèse (et de toxicologie)

Pour les laboratoires effectuant la synthèse d'isotopes stables, la situation est proche de celle observée pour les plantes de production. Les dispositions à prendre peuvent donc aller de pair avec celles des plantes de production. De plus, outre des laboratoires de synthèse, il est nécessaire d'avoir des laboratoires de toxicologie, et de préférence en collaboration étroite avec l'industrie pharmaceutique. Le but est ici de produire des substances marquées, type GMP-pures (GMP : generally medically proved). Ainsi, de cette façon, la substance synthétisée sera acceptée par les contrôles de santé publique et la législation en résultant pourra être simplifiée. En Europe, le laboratoire Euriso-top (Saint-Aubin, France) est devenu le laboratoire leader dans la synthèse des substances marquées par des isotopes stables.

* Centres de recherche clinique appliquée

Le nombre de produits marqués est sans doute très limité mais la quantité utilisée est considérable (de 10 à 500 grammes par an). Les instruments d'analyse sont fiables et simples et habituellement n'exigent pas un personnel scientifique hautement qualifié. Néanmoins, il est nécessaire de poursuivre les efforts de la production d'isotopes (surtout en 18O) et également les efforts de standardisation des analyses et de développement de l'instrumentation.

* L'extension d'application des méthodes d'analyse du 13CO2

es tests respiratoires peuvent constituer une aide à la caractérisation de pureté et d'authenticité d'un produit, notamment dans le cadre de l'industrie agro-alimentaire, dans la recherche des dopages chez le sportif, et également dans la lutte contre le trafic des stupéfiants.
Ces méthodes peuvent également servir à aider certains pays avec des difficultés économiques comme en Europe de l'Est ou dans certains pays en voie de développement comme en Afrique, en particulier pour caractériser les diarrhées des enfants liées à une pullulation bactérienne, ou améliorer la digestibilité des produits des récoltes locales.

Conséquences sociales et politiques

Devant les déficits budgétaires des différents systèmes sociaux dans de nombreux pays, une meilleure maîtrise des dépenses de santé est recherchée par les différents partenaires responsables. Les médecins comme les malades souhaitent un accès simplifié et facile aux soins médicaux, et le développement de méthodes peu invasives, n'entraînant qu'un absentéisme limité, et si possible évitant les hospitalisations.
La réduction des frais d'hospitalisation entre autres fait appel à l'utilisation de techniques simplifiant les explorations médicales, raccourcissant les périodes d'investigation et d'observation, et limitant les besoins en personnel. Les ingénieurs bio-médicaux ont contribué ces dernières années à faire progresser ces objectifs par le développement de techniques d'imagerie, de production de prothèses, d'adaptation des matériaux céramiques aux besoins médicaux, de développements électroniques...

* Comment les isotopes stables peuvent répondre à ces exigences ?

Les isotopes stables peuvent répondre aux objectifs précédemment cités d'une part par leur non radioactivité. Les tests respiratoires n'ont pas de contre-indication, et peuvent être pratiqués chez l'enfant et la femme enceinte ; les tests ne sont à l'origine d'aucun déchet nocif ; certains tests utilisant l'azote et l'oxygène peuvent être appliqués alors qu'il n'y a pas d'alternative avec ces isotopes radioactifs.
De plus, le déroulement de ces tests est facile pour le patient, les explorations à l'aide des isotopes stables pouvant être faites chez des personnes âgées ou handicapées. Les tests peuvent être repétés, notamment pour évaluer une efficacité thérapeutique, et peut-être également pour des actions de médecine préventive. Les tests avec isotopes stables sont également très intéressants par leurs conditions ambulatoires d'utilisation.
Pour toutes ces raisons, l'utilisation des isotopes stables est vraisemblablement d'un intérêt économique important, la réalisation des tests et les étapes d'analyse étant relativement simples, la charge du personnel est également réduite. Ces tests peuvent être effectués à distance du centre d'analyse, ce qui permet d'éviter le déplacement des patients.
Le bilan social et financier de l'utilisation des isotopes stables vu dans le cadre d'une politique de santé publique est incontestablement positif. Néammoins, il reste un certain nombre d'objectifs à atteindre, en particulier au niveau du changement de certaines mentalités, de l'échange des idées et de l'organisation des circuits.
Une information doit être faite pour bien faire comprendre que les isotopes stables ne sont en aucune sorte porteurs d'une quelconque radioactivité. A ces notions d'innocuité, il faut ajouter l'intérêt économique à l'échelon du patient et des structures hospitalières. Certains pays comme la Belgique ont déjà commencé à prévoir le remboursement des tests utilisant des isotopes stables.
Il est également nécessaire que des rapports se nouent entre ingénieurs bio-médicaux et médecins, ainsi qu'entre les producteurs d'isotopes stables et les fabricants d'appareils afin d'adapter au mieux les produits à la demande médicale.
Enfin, il est nécessaire de promouvoir des actions de recherche internationale en cherchant à élargir les possibilités d'utilisation des isotopes stables.

REFERENCES :

1. Peeters M, Ghoos Y, Maes B, Hiele M, Geboes K, Vantrappen G, Rutgeerts P. Increased permeability of macroscopically normal small bowel in Crohn's disease. Dig Dis Sci 1994 ; 39 : 2170-6.

2. Maes B, Ghoos YF, Geypens BJ, Mys G, Hiele MI, Rutgeerts PJ, Vantrappen G. Combined carbon-13-glycine/carbon-14-octanoic acid breath test to monitor gastric emptying rates of liquids and solids. J Nucl Med 1994 ; 35 : 824-31.

3. Maes BD, Hiele MI, Geypens BJ, Rutgeerts PJ, Ghoos YF, Vantrappen G. Pharmacological modulation of gastric emptying rate of solids as measured by the carbon labelled octanoic acid breath test : Influence of erythromycin and propanthelin. Gut 1994 ; 35 : 333-7.

4. Ghoos YF, Maes BD, Geypens BJ, Mys G, Hiele MI, Rutgeerts PJ, Vantrappen G. Measurement of gastric emptying rate of solids by means of a carbon-labelled octanoic acid breath test. Gastroenterology 1993 ; 104 : 1640-7.