La bioimpédancemétrie comme outil de recherche

Introduction

La recherche, académique ou privé, a pour principal objectif de répondre à des questions scientifiques à l’aide de protocoles standardisés qui impliquent un certain nombre d’outils de mesure. Leur rôle est de générer des données objectives qui sont ensuite utilisées pour répondre aux hypothèses scientifiques posées en amont du protocole et donc, il est nécessaire de connaître 1) les paramètres mesurés par ces outils, 2) avec quelle précision et 3) si ces mesures sont répétables au cours du temps. De plus, il est également possible que des travaux de recherche démontrent et développent des utilisations alternatives de ces outils pour la mesure de d’autres paramètres que ceux prévus initialement.

Dans ce contexte, l’utilisation de la bioimpédancemétrie (BIA) en recherche a progressivement augmenté ces dernières années et, dans ce dossier, nous allons présenter ces utilisations actuelles ainsi que les futures perspectives d’utilisation.

La bioimpédancemétrie dans l’évaluation corporelle

La recherche n’est pas un domaine cloisonné et elle s’inscrit donc dans un champs disciplinaire, où elle est en relation constante avec la pratique courante de terrain à la fois pour y récupérer des informations mais aussi pour y confirmer les réponses scientifiques obtenues. Un postulat qui se vérifie aussi pour la BIA et celle-ci est donc principalement utilisée pour l’évaluation de la composition corporelle dans un contexte clinique¹ ou dans un contexte sportif² pour :

• Déterminer la composition corporelle d’une population particulière comme des athlètes en fonction de leur sport³ ou des patients atteints d’une pathologie chronique^{4, 5}.
• Déterminer les effets d’une intervention sur la composition corporelle comme une opération chirurgicale^6-8, un programme d’activité physique^9-12 ou encore ceux induits par une compétition sportive¹³.
• Déterminer l’influence des modifications de la composition corporelle sur la physiopathologie de certaines pathologies chroniques^{14, 15}.

La BIA possède donc des possibilités d’utilisation variées dans un cadre de recherche, ce qui explique son emploi de plus en plus important par rapport à d’autres techniques d’évaluations de la composition corporelle. En effet, il existe un nombre important de ces techniques et celles-ci vont différer par plusieurs paramètres dont le nombre des compartiments corporels évalués, la durée d’évaluation ou encore la commodité pour les sujets. Par exemple, l’estimation de l’eau totale par la dilution au deutérium est très précise cependant celle-ci nécessite un temps de mesure de plusieurs heures, alors que la même évaluation par la BIA sera beaucoup plus courte mais avec une précision moindre. Par conséquent, des chercheurs voulant une mesure la plus précise possible, réalisée en laboratoire dans des conditions contrôlées sur un nombre réduit d’individus choisiront la dilution au deutérium. Alors que pour une étude de terrain impliquant des mesures rapides et/ou sur un nombre important d’individu où avoir une mesure très précise est moins important, la BIA sera plutôt utilisée.

En 2009, dans ce chapitre¹⁶, Deurenberg et Roubenoff résumaient le principe, les avantages et les inconvénients de chacune de ces techniques qu’ils ont compilés dans le tableau ci-dessous :

Si l’on s’intéresse aux données présentes dans ce tableau, nous pouvons observer que la BIA possède une précision moins élevée que les techniques de référence comme le DEXA ou l’IRM mais elle est l’une des techniques les moins coûteuses, les plus rapides et confortables pour le sujet, la rendant pertinente pour des études de terrain. Elle permet ainsi de pouvoir effectuer des mesures dans des conditions particulières ou sur des populations importantes comme le montre ces deux études réalisées avec le Biody Xpert^ZMII.

La première est une étude réalisée par Wekre et al.¹⁷ qui s’est intéressée à l’hydratation de plongeurs au cours d’une intervention en saturation durant lesquelles les plongeurs sont placés dans un environnement fermé hyperbarique, i.e. avec une pression 2 ou 3 fois plus importante que la pression atmosphérique, les amenant à se déshydrater de manière importante. Il est donc nécessaire de contrôler leur hydratation pour maintenir leur capacité physique et psychologique et donc l’objectif de cette étude était de vérifier si les stratégies mises en place durant l’intervention maintenaient une bonne hydratation chez ces plongeurs. Deux méthodes d’évaluation ont été utilisées pour répondre à cette question : la BIA et la densité urinaire, et elles confirment toutes les deux que les plongeurs maintiennent leur taux d’hydratation tout au long de l’intervention. De plus, les résultats montrent que les deux techniques possèdent des performances similaires dans la détermination de ce taux.

La seconde étude a été réalisée par Martinez-Rodriguez et al.¹⁸ et s’est intéressée aux effets d’un programme d’intervention nutritionnelle sur 196 étudiant(e)s en premier année à l’université d’Alicante. Cette étude s’est basée sur le constat que le début d’un cursus universitaire était responsable de nombreux changements dans les habitudes alimentaires des étudiant(e)s dont les causes sont un manque d’informations sur la nutrition, un budget limité et/ou un manque de temps et de compétences pour cuisiner. Ces modifications peuvent provoquer une prise de poids importante et également perdurer dans le temps entraînant une éventuelle apparition de pathologies liées aux mode de vies, comme l’obésité, le diabète ou des maladies cardiovasculaires. De plus, les étudiant(e)s inclus(es) dans cette étude étaient inscrit(e)s dans un cursus de nutrition et il a été montré qu’ils étaient exposés à des risques plus élevés de développer des troubles du comportements alimentaires. En effet, ils reçoivent une quantité importante d’informations sur la nutrition, ce qui peut créer une pression sur leur propres comportement alimentaire. Au vu de ces différentes informations, il est donc nécessaire qu’une formation à ces questions soit proposée via des programmes adaptés et l’objectif de cette étude était de donner un programme d’éducation nutritionnelle à ces étudiant(e)s et de mesurer ses effets sur la composition corporelle.

Les étudiant(e)s inclus(es) dans le groupe ayant l’intervention ont suivi plusieurs ateliers sur les régimes alimentaires, le mode de vie et le risque de développer des troubles du comportement alimentaire au cours desquels un « mythe » autour de la nutrition était confronté à des éléments scientifiques. Afin de contrôler les effets de l’intervention, les étudiant(e)s faisaient partie d’un groupe contrôle ont eu des cours complémentaires à ceux qu’ils effectuaient déjà mais dont le sujet n’était pas spécifique. Les résultats montrent que les étudiant(e)s ayant participé(e)s à l’intervention amélioraient leur composition corporelle, notamment par une diminution de leur masse grasse et une augmentation de leur masse musculaire, alors que les étudiant(e)s du groupe contrôle ne présentaient pas de changements sur ces paramètres à la fin du protocole. Par conséquent, ce programme d’éducation nutritionnelle aurait des effets bénéfiques sur les habitudes alimentaires des étudiants, ce qui se traduit par une amélioration de leur composition corporelle.

Utilisation de la bioimpédancemétrie : futures perspectives

Comme expliqué précédemment, la BIA est une technique qui permet d’évaluer de la composition corporelle en utilisant des équations prédictives incluant les données biophysiques mesurées par les dispositifs utilisant cette technique. Cependant, plusieurs recherches récentes ont montré que ces données biophysiques étaient également reliées à d’autres paramètres biologiques et donc que la BIA peut évaluer d’autres événements que la composition corporelle.

Actuellement, le paramètre le plus décrit dans la littérature est l’angle de phase qui correspond à une transformation angulaire de la résistance et de la réactance, et dont la valeur à 50  kHz reflète l’état de santé des individus¹⁹, ce qui le rend particulièrement intéressant. En effet, plusieurs études ont montré que celui-ci était associé au statut nutritionnel²⁰, aux risques de développer des maladies cardio-vasculaires²¹ et même à la mortalité²², il constitue donc un outil pertinent de prévention du développement de pathologies chroniques. Cependant, des recherches complémentaires sont nécessaires pour déterminer des seuils précis qui, lorsqu’ils sont dépassés, indiquent un risque de développer une pathologie. De plus, dans de nombreuses maladies, il a été également démontré que l’angle de phase était associé à l’état clinique des patients^23-25 et que sa valeur peut être utilisée comme facteur pronostic dans le cancer du sein²⁶, à l’entrée en soin intensif²⁷ ainsi que dans de nombreux autres pathologies¹⁹. De la même façon, de plus amples recherches sont nécessaires pour déterminer des valeurs seuils qui peuvent être utilisées pour remplir ces objectifs.

Deux autres paramètres semblent également intéressants pour étudier l’état de santé des individus : le ratio d’impédance (IR), qui est le ratio de l’impédance mesurée à 200 kHz sur l’impédance mesurée à 5 kHz, et la capacitance. L’IR semble être un marqueur d’inflammation puisque celui-ci est corrélé à la CRP, un marqueur sanguin d’inflammation systémique²⁸, et à l’angle de phase, le rendant pertinent pour surveiller le statut nutritionnel²⁹. La capacitance, quant à elle, est une valeur brute obtenue uniquement par les dispositifs de BIA en spectroscopie et elle est donc un paramètre peu étudiée dans la littérature. Cependant, une publication récente s’est intéressée aux liens entre la capacitance et différents événements biologiques, ses principaux résultats montrent que la capacitance puisse être représentative de la capacité d’échange de la membrane cellulaire³⁰. De façon intéressante, il semblerait également que la valeur de la capacitance permette de détecter une insulino-résistance. En effet, les personnes présentant cette dysfonction du métabolisme de l’insuline possèdent des valeurs de capacitance supérieures à 2,67 nF pour les hommes et à 1,65 nF pour les femmes, suggérant que ces valeurs puissent être utilisées comme seuil de détection³¹. Toutefois, ces résultats restent à être confirmés par de futures études sur des populations différentes et à plus grande échelle.

Enfin, l’utilisation alternative de la BIA qui présente un intérêt est l’étude du muscle squelettique à l’aide de la BIA, également appelée myographie par impédance, en se basant sur la sensibilité de la BIA à l’état de la membrane cellulaire et à l’hydratation. En effet, les événements physiologiques subis par le muscle squelettique ciblent sa membrane, comme les dommages, et/ou la quantité d’eau qu’il contient. D’un point de vue de la BIA, la résistance mesurée est directement reliée à l’hydratation des tissus alors que la réactance est dépendante de l’état de la membrane cellulaire³², donc il est virtuellement possible de pouvoir caractériser le muscle squelettique à l’aide de ces paramètres. En 2015, Bartels et al.³³ ont montré, dans trois études de cas, que les données brutes de BIA étaient dépendantes de l’état de contraction du muscle squelettique et de la présence d’une blessure. Avant cette date, Nescolarde et al.^{34, 35} avait mis en évidence que la résistance et la réactance mesurées par la BIA étaient modifiées localement par une déchirure musculaire, dont le diagnostic a été confirmée par IRM. Plus précisément, la résistance et la réactance du muscle endommagé diminuaient par rapport aux valeurs mesurées dans son équivalent non lésé, ce qui serait expliqué par l’augmentation locale du volume d’eau et par la dégradation de la membrane par la déchirure, respectivement. Bien que ces résultats montrent la relation entre les valeurs de BIA et les dommages musculaires, il n’est actuellement pas possible de quantifier les dommages musculaires uniquement grâce à la BIA, limitant son utilisation de terrain. Enfin en 2021, Cebrian-Ponce et al. ³⁶ ont réalisé une revue systématique de la littérature sur cette question afin de mettre en évidence les possibles utilisations de la myographie par impédance chez des sujets sains. En plus des dommages, les différentes publications sélectionnées montrent :

• Que les valeurs de BIA et notamment l’angle de phase du muscles squelettiques diminuent de 0,3 à 0,6° par an avec le vieillissement.
• Que la résistance et la réactance augmentent au cours de la contraction musculaire, indépendamment du niveau de force produite.
• Que la résistance et la réactance diminuent avec l’apparition d’une fatigue musculaire.

Ces résultats suggèrent ainsi que la myographie par impédance pourrait permettre d’évaluer localement le muscle squelettique au repos, ce qui serait particulièrement intéressant pour la détection de la sarcopénie mais aussi pour le suivi de pathologies neuromusculaires³⁷ où les outils de mesure actuellement utilisés restent invasifs. De plus, ils suggèrent également que la BIA pourrait être utilisée pour évaluer les modifications musculaires au cours d’un exercice, cependant d’autres recherches sont nécessaires pour vérifier si elle pourrait se substituer aux techniques déjà existantes, comme l’électromyographie de surface.

Conclusion

Dans un contexte de recherche, la principale utilisation de la BIA est l’étude de la composition corporelle dans le but de la caractériser dans des populations particulières, d’étudier les effets d’une intervention sur celle-ci et/ou de caractériser les mécanismes par lesquels un déséquilibre d’un ou plusieurs compartiments corporels peuvent participer à la physiopathologie de certaines maladies chroniques. Toutefois, d’autres utilisations possibles de la BIA émergent consistant à utiliser les données brutes obtenues par BIA dont l’angle de phase, l’IR ou la capacitance qui peuvent être utilisés pour caractériser l’état de santé des individus, ou encore la myographie par impédance pour l’étude localisée du muscle squelettique.

Références

1. Mulasi U, Kuchnia AJ, Cole AJ, Earthman CP. Bioimpedance at the bedside: current applications, limitations, and opportunities. Nutr Clin Pract Off Publ Am Soc Parenter Enter Nutr. avr 2015;30(2):180‑93.
2. Campa F, Toselli S, Mazzilli M, Gobbo LA, Coratella G. Assessment of Body Composition in Athletes: A Narrative Review of Available Methods with Special Reference to Quantitative and Qualitative Bioimpedance Analysis. Nutrients. 12 mai 2021;13(5):1620.
3. Fields JB, Merrigan JJ, White JB, Jones MT. Body Composition Variables by Sport and Sport-Position in Elite Collegiate Athletes. J Strength Cond Res. nov 2018;32(11):3153‑9.
4. Spanjer MJ, Bultink IEM, de van der Schueren MAE, Voskuyl AE. Prevalence of malnutrition and validation of bioelectrical impedance analysis for the assessment of body composition in patients with systemic sclerosis. Rheumatol Oxf Engl. 1 juin 2017;56(6):1008‑12.
5. Lee Y, Kwon O, Shin CS, Lee SM. Use of Bioelectrical Impedance Analysis for the Assessment of Nutritional Status in Critically Ill Patients. Clin Nutr Res. janv 2015;4(1):32‑40.
6. van Venrooij LMW, Verberne HJ, de Vos R, Borgmeijer-Hoelen MMMJ, van Leeuwen PAM, de Mol BAJM. Preoperative and postoperative agreement in fat free mass (FFM) between bioelectrical impedance spectroscopy (BIS) and dual-energy X-ray absorptiometry (DXA) in patients undergoing cardiac surgery. Clin Nutr Edinb Scotl. déc 2010;29(6):789‑94.
7. Borges LPSL, de Carvalho KMB, da Costa THM. Usual dietary intake, physical activity, weight loss, and body composition after five years of Roux-en-Y gastric bypass. Int J Obes 2005. avr 2023;47(4):263‑72.
8. Martínez MC, Meli EF, Candia FP, Filippi F, Vilallonga R, Cordero E, et al. The Impact of Bariatric Surgery on the Muscle Mass in Patients with Obesity: 2-Year Follow-up. Obes Surg. mars 2022;32(3):625‑33.
9. Hayotte M, Iannelli A, Nègre V, Pradier C, Thérouanne P, Fuch A, et al. Effects of technology-based physical activity interventions for women after bariatric surgery: study protocol for a three-arm randomised controlled trial. BMJ Open. 30 juill 2021;11(7):e046184.
10. Touillaud M, Fournier B, Pérol O, Delrieu L, Maire A, Belladame E, et al. Connected device and therapeutic patient education to promote physical activity among women with localised breast cancer (DISCO trial): protocol for a multicentre 2×2 factorial randomised controlled trial. BMJ Open. 13 sept 2021;11(9):e045448.
11. Björkman MP, Suominen MH, Kautiainen H, Jyväkorpi SK, Finne-Soveri HU, Strandberg TE, et al. Effect of Protein Supplementation on Physical Performance in Older People With Sarcopenia-A Randomized Controlled Trial. J Am Med Dir Assoc. févr 2020;21(2):226-232.e1.
12. Gruchała-Niedoszytko M, Niedoszytko P, Kaczkan M, Pieszko M, Gierat-Haponiuk K, Śliwińska A, et al. Cardiopulmonary exercise test and bioimpedance as prediction tools to predict the outcomes of obesity treatment. Pol Arch Intern Med. 30 avr 2019;129(4):225‑33.
13. Cebrián-Ponce Á, Irurtia A, Castizo-Olier J, Garnacho-Castaño MV, Espasa-Labrador J, Noriega Z, et al. Bioelectrical, Anthropometric, and Hematological Analysis to Assess Body Fluids and Muscle Changes in Elite Cyclists during the Giro d’Italia. Biology. 15 mars 2023;12(3):450.
14. Björkman MP, Pitkala KH, Jyväkorpi S, Strandberg TE, Tilvis RS. Bioimpedance analysis and physical functioning as mortality indicators among older sarcopenic people. Exp Gerontol. 15 juill 2019;122:42‑6.
15. Eyre S, Bosaeus I, Jensen G, Saeed A. Using Bioimpedance Spectroscopy for Diagnosis of Malnutrition in Chronic Kidney Disease Stage 5-Is It Useful? J Ren Nutr Off J Counc Ren Nutr Natl Kidney Found. mars 2022;32(2):170‑7.
16. Deurenberg P, Roubenoff R. Body Composition. Introd Hum Nutr MJ Gibney HH Vorster FJ Kok – Sl Blackwell Publ 2002. 1 janv 2009;
17. Wekre SL, Landsverk HD, Lautridou J, Hjelde A, Imbert JP, Balestra C, et al. Hydration status during commercial saturation diving measured by bioimpedance and urine specific gravity. Front Physiol [Internet]. 2022 [cité 4 oct 2022];13. Disponible sur: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fphys.2022.971757
18. Martínez-Rodríguez A, Vidal-Martínez L, Martínez-Olcina M, Miralles-Amorós L, Sánchez-Sáez JA, Ramos-Campo DJ, et al. Study the Effect of an Innovative Educational Program Promoting Healthy Food Habits on Eating Disorders, Mediterranean Diet Adherence and Body Composition in University Students. Healthcare. janv 2023;11(7):965.
19. Bellido D, García-García C, Talluri A, Lukaski HC, García-Almeida JM. Future lines of research on phase angle: Strengths and limitations. Rev Endocr Metab Disord. 12 avr 2023;1‑21.
20. Lukaski HC, Kyle UG, Kondrup J. Assessment of adult malnutrition and prognosis with bioelectrical impedance analysis: phase angle and impedance ratio. Curr Opin Clin Nutr Metab Care. sept 2017;20(5):330‑9.
21. Langer RD, Larsen SC, Ward LC, Heitmann BL. Phase angle measured by bioelectrical impedance analysis and the risk of cardiovascular disease among adult Danes. Nutrition. 1 sept 2021;89:111280.
22. Garlini LM, Alves FD, Ceretta LB, Perry IS, Souza GC, Clausell NO. Phase angle and mortality: a systematic review. Eur J Clin Nutr. avr 2019;73(4):495‑508.
23. Bifolco G, Pinazzi A, Bini V, Stefani L. Side Bioimpedance Analysis in Menopausal Post-Oncological Breast Cancer. Int J Environ Res Public Health. janv 2022;19(18):11329.
24. Lee GR, Kim EY. Usefulness of phase angle on bioelectrical impedance analysis as a surveillance tool for postoperative infection in critically ill patients. Front Med [Internet]. 2023 [cité 4 oct 2023];10. Disponible sur: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmed.2023.1111727
25. Di Vincenzo O, Marra M, Di Gregorio A, Pasanisi F, Scalfi L. Bioelectrical impedance analysis (BIA) -derived phase angle in sarcopenia: A systematic review. Clin Nutr Edinb Scotl. mai 2021;40(5):3052‑61.
26. Gupta D, Lammersfeld CA, Vashi PG, King J, Dahlk SL, Grutsch JF, et al. Bioelectrical impedance phase angle as a prognostic indicator in breast cancer. BMC Cancer. 27 août 2008;8(1):249.
27. Ellegård LH, Petersen P, Öhrn L, Bosaeus I. Longitudinal changes in phase angle by bioimpedance in intensive care patients differ between survivors and non-survivors. Clin Nutr ESPEN. avr 2018;24:170‑2.
28. Demirci C, Aşcı G, Demirci MS, Özkahya M, Töz H, Duman S, et al. Impedance ratio: a novel marker and a powerful predictor of mortality in hemodialysis patients. Int Urol Nephrol. juill 2016;48(7):1155‑62.
29. Rinninella E, Cintoni M, Addolorato G, Triarico S, Ruggiero A, Perna A, et al. Phase angle and impedance ratio: Two specular ways to analyze body composition. Ann Clin Nutr. 24 avr 2018;1.
30. Garr Barry V, Chiang JL, Bowman KG, Johnson KD, Gower BA. Bioimpedance-Derived Membrane Capacitance: Clinically Relevant Sources of Variability, Precision, and Reliability. Int J Environ Res Public Health. 30 déc 2022;20(1):686.
31. Barry VG, Peterson CM, Gower BA. Membrane Capacitance from A Bioimpedance Approach: Associations with Insulin Resistance in Relatively Healthy Adults. Obes Silver Spring Md. nov 2020;28(11):2184‑91.
32. Khalil SF, Mohktar MS, Ibrahim F. The Theory and Fundamentals of Bioimpedance Analysis in Clinical Status Monitoring and Diagnosis of Diseases. Sensors. 19 juin 2014;14(6):10895‑928.
33. Bartels EM, Sørensen ER, Harrison AP. Multi-frequency bioimpedance in human muscle assessment. Physiol Rep. 20 avr 2015;3(4):e12354.
34. Nescolarde L, Yanguas J, Lukaski H, Alomar X, Rosell-Ferrer J, Rodas G. Localized bioimpedance to assess muscle injury. Physiol Meas. févr 2013;34(2):237‑45.
35. Nescolarde L, Yanguas J, Medina D, Rodas G, Rosell-Ferrer J. Assessment and follow-up of muscle injuries in athletes by bioimpedance: preliminary results. Annu Int Conf IEEE Eng Med Biol Soc IEEE Eng Med Biol Soc Annu Int Conf. 2011;2011:1137‑40.
36. Cebrián-Ponce Á, Irurtia A, Carrasco-Marginet M, Saco-Ledo G, Girabent-Farrés M, Castizo-Olier J. Electrical Impedance Myography in Health and Physical Exercise: A Systematic Review and Future Perspectives. Front Physiol [Internet]. 2021 [cité 28 mars 2023];12. Disponible sur: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8476966/
37. Sanchez B, Rutkove SB. Electrical Impedance Myography and Its Applications in Neuromuscular Disorders. Neurotherapeutics. janv 2017;14(1):107‑18.