Physiologie de l’entraînement en altitude : EPO, hémoglobine et chaîne de transport de l’oxygène

L’entraînement en altitude est l’une des stratégies d’entraînement les plus anciennes et les plus controversées du monde de l’endurance. Depuis les Jeux Olympiques de Mexico en 1968 (altitude 2 240 m), les scientifiques du sport n’ont cessé d’étudier comment exploiter l’environnement hypoxique de haute altitude pour améliorer les performances sportives. Mais quelle est réellement l’efficacité de l’entraînement en altitude ? Comment s’entraîner pour que ce soit efficace ? Où se situe la frontière entre le légal et l’illégal ?

Altitude et oxygène : physique fondamentale

À mesure que l’altitude augmente, la pression atmosphérique diminue et la pression partielle d’oxygène dans l’air (PO₂) diminue également :

À 2 500 mètres d’altitude, l’oxygène disponible dans chaque inspiration n’est que de 74 % de celui du niveau de la mer. Cette différence suffit à déclencher une cascade d’adaptations physiologiques profondes dans le corps humain.

Mécanismes moléculaires de l’adaptation hypoxique : le rôle central de HIF-1α

Le mécanisme central par lequel le corps humain perçoit et répond à l’hypoxie a été récompensé par le prix Nobel de physiologie ou médecine en 2019. Trois scientifiques (William Kaelin, Peter Ratcliffe, Gregg Semenza) ont révélé le fonctionnement du facteur induit par l’hypoxie (HIF, Hypoxia-Inducible Factor).

Voie de signalisation HIF-1α

Dans un environnement normoxique, la protéine HIF-1α est continuellement synthétisée dans les cellules, mais elle est immédiatement marquée par les prolyl-hydroxylases (PHD), reconnue par la protéine VHL, puis dégradée par le protéasome. La demi-vie de HIF-1α n’est que d’environ 5 minutes.

Lorsque la concentration en oxygène diminue :

1. L’activité des PHD diminue (car les PHD nécessitent l’oxygène comme co-substrat)
2. HIF-1α n’est plus marquée ni dégradée
3. HIF-1α s’accumule et pénètre dans le noyau cellulaire
4. Elle se lie à HIF-1β et active la transcription d’une série de gènes de réponse à l’hypoxie

Gènes clés activés par HIF

• Gène EPO : stimule la sécrétion d’érythropoïétine par les reins
• Gène VEGF : favorise l’angiogenèse
• Gènes de la glycolyse : augmentent l’apport énergétique anaérobie
• Gènes du métabolisme du fer : augmentent l’absorption et le transport du fer
• Gènes de régulation respiratoire : augmentent la réponse ventilatoire

EPO et érythropoïèse

L’érythropoïétine (EPO) est la molécule centrale la plus étudiée dans l’adaptation à l’altitude :

Chronologie de la réponse naturelle de l’EPO

• 2-3 heures après l’arrivée en altitude : l’EPO sérique commence à augmenter
• 24-48 heures : l’EPO atteint son pic (peut atteindre 2 à 3 fois le niveau de la mer)
• 1-2 semaines : augmentation nette des nouveaux globules rouges (réticulocytes)
• 3-4 semaines : la concentration d’hémoglobine (Hb) commence à augmenter de manière significative
• Au retour en plaine : l’EPO revient à son niveau de base en 1-2 jours, mais la durée de vie des nouveaux globules rouges est d’environ 120 jours

Bénéfices de l’augmentation des globules rouges

Chaque augmentation de 1 g/dL d’hémoglobine permet approximativement de :

• Augmenter la capacité de transport d’oxygène du sang d’environ 7 %
• Améliorer le VO2max d’environ 4-5 %
• Améliorer les performances d’endurance d’environ 3-4 %

On considère généralement qu’un entraînement en altitude efficace peut augmenter l’Hb de 1-2 g/dL, correspondant à une amélioration des performances d’environ 1-3 %. Au niveau élite, cette marge peut faire la différence entre une médaille et une élimination.

Stratégies d’entraînement en altitude

Stratégie 1 : Vivre en altitude, s’entraîner en altitude (Live High, Train High, LHTH)

• Méthode : vivre et s’entraîner en altitude (2 000-2 500 m)
• Avantages : stimulation hypoxique continue 24 heures sur 24, adaptation maximale
• Inconvénients : intensité d’entraînement limitée (le VO2max en altitude diminue d’environ 6-7 %/1 000 m), qualité des séances à haute intensité réduite
• Public cible : athlètes s’entraînant en altitude sur le long terme

Stratégie 2 : Vivre en altitude, s’entraîner en plaine (Live High, Train Low, LHTL)

C’est la stratégie la plus soutenue scientifiquement, établie par Benjamin Levine et James Stray-Gundersen dans leur étude classique de 1997.

• Méthode : vivre en haute altitude (2 200-2 500 m) pour bénéficier des adaptations hypoxiques, mais descendre à basse altitude pour effectuer des séances d’entraînement de haute qualité
• Résultats de l’étude classique : le groupe LHTL a amélioré son temps sur 5 000 m de 13,4 secondes en moyenne, tandis que les groupes LLTH et LLTL n’ont montré aucune amélioration significative
• Paramètres recommandés :
  • Altitude de résidence : 2 200-2 500 m
  • Durée d’exposition hypoxique quotidienne : > 14 heures
  • Durée totale : au moins 3-4 semaines
  • Altitude d’entraînement : < 1 200 m

Stratégie 3 : Entraînement hypoxique intermittent (Intermittent Hypoxic Training, IHT)

• Méthode : vivre au niveau de la mer, mais dormir sous tente hypoxique ou s’entraîner avec un masque hypoxique
• Équipement : tente hypoxique (simulant 2 500-3 500 m), masque hypoxique, chambre hypoxique
• Avantages : pas besoin de se déplacer en altitude, réalisable à domicile
• Inconvénients : durée d’exposition hypoxique plus courte, stimulation potentiellement insuffisante
• Résultats de recherche : effets controversés, les méta-analyses montrent des effets faibles et incohérents

Stratégie 4 : Exposition hypoxique intermittente (Intermittent Hypoxic Exposure, IHE)

• Méthode : respirer un mélange gazeux hypoxique (1-2 heures par session, plusieurs fois par semaine), sans s’entraîner en condition hypoxique
• Efficacité : les preuves actuelles ne soutiennent pas l’efficacité de cette méthode pour améliorer les performances sportives

Effets non hématologiques de l’adaptation à l’altitude

Outre l’augmentation des globules rouges, l’entraînement en altitude induit d’autres adaptations :

1. Amélioration de l’efficacité ventilatoire : sensibilité accrue des chémorécepteurs, respiration plus efficace
2. Augmentation de la capacité tampon musculaire : augmentation des protéines tampons comme l’anhydrase carbonique
3. Prolifération des capillaires musculaires : le VEGF favorise l’angiogenèse
4. Amélioration de l’efficacité mitochondriale : observée dans certaines études (mais des résultats contradictoires existent également)
5. Optimisation du métabolisme du fer : augmentation de l’efficacité d’absorption et de transport du fer

Fenêtre de performance après le retour en plaine

Au retour de l’altitude, la fenêtre d’amélioration des performances présente un profil bimodal :

• Jours 1-3 : possible baisse des performances (inertie de l’hyperventilation, redistribution des fluides)
• Jours 5-7 : premier pic de performance (récupération du volume sanguin + concentration élevée d’Hb)
• Jours 14-21 : deuxième pic de performance (intégration complète des adaptations)
• Après les jours 21-28 : les bénéfices commencent à s’estomper

De nombreuses équipes planifient le retour de l’altitude 2-3 semaines avant l’épreuve cible.

Légal vs illégal : histoire et état actuel du dopage à l’EPO

Histoire du dopage à l’EPO exogène

L’érythropoïétine humaine recombinante (rhEPO, noms commerciaux Eprex, EPOGEN, etc.) était initialement destinée au traitement de l’anémie rénale, mais elle a commencé à être massivement détournée par les athlètes dans les années 1990. Ses effets dépassent de loin ceux de l’entraînement naturel en altitude :

• L’EPO exogène peut faire passer l’Hct (hématocrite) de 42-45 % (valeur normale) à 50-55 %
• Correspond à une amélioration des performances d’environ 5-10 %
• Mais elle comporte également un risque sérieux de thrombose

De la fin des années 1990 au début des années 2000, les scandales de l’EPO dans le cyclisme professionnel ont secoué le monde du sport. L’UCI avait fixé une limite d’Hct à 50 %, mais cela est devenu une « cible légale ».

Détection moderne du dopage

La WADA utilise actuellement plusieurs méthodes de détection :

• Détection directe : électrophorèse sur gel à focalisation isoélectrique (IEF) de l’EPO recombinante humaine (rhEPO) dans les urines
• Passeport biologique de l’athlète (ABP) : suivi à long terme des paramètres sanguins (Hb, Ht, réticulocytes %, OFF-score) pour détecter des fluctuations anormales
• Détection du dopage génique : recherche de traces de thérapie génique ou d’édition génomique (en développement)

Limites légales

• Entraînement naturel en altitude : totalement légal
• Tente hypoxique / chambre hypoxique : jugé légal par la WADA (mais certains pays comme l’Italie et la France l’ont interdit)
• Injection d’EPO exogène : strictement interdite
• Transfusion sanguine autologue : strictement interdite
• Stabilisateurs de HIF (comme le Roxadustat) : inscrits sur la liste des substances interdites depuis 2011

Recommandations pratiques

1. L’entraînement en altitude n’est pas une panacée : pour les cyclistes amateurs, l’amélioration de la structure de l’entraînement et de la récupération peut apporter des bénéfices bien supérieurs à l’entraînement en altitude
2. La supplémentation en fer est cruciale : pendant l’entraînement en altitude, les besoins en fer augmentent considérablement. Il est recommandé de vérifier la ferritine sérique avant le stage ; si elle est < 30 ng/mL, une supplémentation préalable est nécessaire
3. Attention au mal aigu des montagnes : une ascension rapide au-delà de 2 500 m peut déclencher un mal aigu des montagnes ; une acclimatation progressive est nécessaire
4. Alternative réaliste au « live high, train low » : la tente hypoxique est une option viable, mais ses effets peuvent être inférieurs à un véritable entraînement en altitude
5. Le moment du retour en plaine : revenir de l’altitude 2 à 3 semaines avant une compétition importante, en évitant la période d’adaptation des 1 à 3 premiers jours

La science de l’entraînement en altitude continue d’évoluer, mais les principes fondamentaux sont clairs : utiliser le stimulus hypoxique pour augmenter la production de globules rouges tout en maintenant une intensité d’entraînement de haute qualité. Dans un cadre légal, cela reste l’une des stratégies les plus efficaces pour améliorer les performances d’endurance.

Lectures complémentaires

• L’acclimatation à l’altitude en course à pied : comment l’entraînement en altitude stimule la production de globules rouges et améliore l’endurance
• Entraînement en altitude en natation : étude des bénéfices de l’environnement de haute altitude sur les performances de natation
• L’effet EPO de l’entraînement en altitude à vélo : principes scientifiques et applications à Taïwan
• Guide de l’entraînement en haute altitude : comment les athlètes de plaine peuvent utiliser l’effet d’altitude pour améliorer leurs performances