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Chirurgie de Schwartz | nn e ; cependant, il a re u une note de 1B/1D (selon la pr sence ou non d'un choc), correspondant une recommandation forte .37 Entre 2004 et 2008, trois tudes suppl mentaires ont t publi es ; cependant, aucun n' tait un essai contr l randomis ni n'arrivait des conclusions diff rentes de celles des nombreuses tudes publi es avant 2004.38-40 Coh rence interneEn 2005, le groupe de travail GRADE a publi un tude pilote du syst me qui a r v l diff rents niveaux d'accord sur la qualit des preuves pour les r sultats en question parmi 17 valuateurs (les valeurs kappa [Encadr : Le coefficient Kappa] pour l'accord au-del du hasard variaient de 0 0,82 ; k moyen = 0,27 ; k <0 pour quatre jugements). Les auteurs ont conclu que les jugements sur les preuves et les recommandations sont complexes et ont d clar qu avec une discussion, ils pourraient r soudre la plupart des d saccords.41 Aucune valuation de la fiabilit ou preuve de l utilit n a t pr sent e concernant le syst me GRADE depuis ces conclusions.42Probl mes li s au syst meLe groupe GRADE consid re que la force de leurs recommandations pour refl ter le degr de confiance dans le fait que les effets souhaitables du respect d'une recommandation l'emportent sur le coefficient KappaLe coefficient Kappa est une statistique qui mesure accord inter- valuateurs pour les items qualitatifs. On pense qu'il s'agit d'une mesure plus robuste qu'un simple pourcentage d'accord puisque prend en compte la possibilit que l'accord se produise par hasard. En g n ral, les valeurs < 0 indiquent aucun accord, 0 0,2 un accord l ger, 0,21 0,4 un accord moyen, 0,41 0,60 un accord mod r , 0,61 0,80 un accord substantiel et 0,81 1 un accord presque parfait.Brunicardi_Ch51_p2137-p2152.indd 214828 /02/19 16:19 2149 COMPRENDRE, VALUER ET UTILISER LES PREUVES POUR LA PRATIQUE CHIRURGICALE CHAPITRE 51 Coh rence interne En 2005, le groupe de travail GRADE a publi une tude pilote du syst me qui a trouv divers niveaux d'accord sur la qualit des preuves pour les r sultats en question parmi 17 valuations. -sors (les valeurs kappa [Encadr : Le coefficient Kappa] pour l'accord au-del du hasard variaient de 0 0,82 ; moyenne k = 0,27 ; k <0 pour quatre jugements). Les auteurs ont conclu que les jugements sur les preuves et les recommandations sont complexes et ont d clar qu avec une discussion, ils pourraient r soudre la plupart des d saccords.41 Aucune valuation de la fiabilit ou preuve de l utilit n a t pr sent e concernant le syst me GRADE depuis ces conclusions.42Probl mes li s au syst meLe groupe GRADE consid re que la force de leurs recommandations pour refl ter le degr de confiance dans le fait que les effets souhaitables du respect d'une recommandation l'emportent sur le coefficient KappaLe coefficient Kappa est une statistique qui mesure accord inter- valuateurs pour les items qualitatifs. On pense qu'il s'agit d'une mesure plus robuste qu'un simple pourcentage d'accord puisque prend en compte la possibilit que l'accord se produise par hasard. En g n ral, les valeurs < 0 indiquent aucun accord, 0 0,2 un l ger accord, 0,21 0,4 un accord passable, 0,41 0,60 un accord mod r , 0,61 0,80 un accord substantiel et 0,81 1 un accord presque parfait. , dans le m me temps, le syst me GRADE permet la force d'une recommandation donn e d'exister ind pendamment de la qualit des preuves qui sous-tend cette recommandation. Le groupe de travail GRADE d clare que s parer les jugements sur la qualit des preuves des jugements sur la force des recommandations est une caract ristique essentielle et d terminante de ce nouveau syst me de notation. 42 Cependant, un tel syst me permet d obtenir des preuves de haute qualit . pour des effets mineurs, alors que les preuves de faible qualit accompagn es d une forte recommandation sont hautement invraisemblables, sauf pour certaines observations videntes. Enfin, l avantage vant du processus de nivellement pour d terminer la qualit des preuves n cessite une appr ciation individuelle significative. Une conception d' tude donn e commence un niveau de qualit et peut tre am lior e ou d grad e en fonction de plusieurs jugements concernant l'ad quation de la mise en aveugle, le suivi, la coh rence, la g n ralisabilit et l'ampleur de l'effet. Les valuateurs sont cens s quilibrer le niveau de qualit en utilisant ces facteurs, mais chacun est fondamentalement diff rent et ne peut pas tre simplement ajout ou soustrait, et c'est donc au jugement individuel de d terminer comment peser chaque facteur. Validit Le syst me GRADE est bien d crit dans une s rie de publications ; cependant, aucune des publications ne fournit de validation, de donn es ou de preuve de l'utilit du syst me. La seule publication contenant des donn es est mentionn e plus haut, qui a montr un faible kappa pour l'accord inter-observateur.41 Sur la base des principes syst matiques de l'EBM et du m |
Chirurgie de Schwartz | anque de preuves documentaires de l'efficacit de GRADE, il n'y aurait aucune base pour son utiliser pour cr er des recommandations. Par exemple, aucun ECR valuant l effet de l utilisation de l EBM sur les r sultats pour les patients n a t entrepris. Par cons quent, l EBM ne satisfait pas ses propres exigences et constitue, ironiquement, une forme d opinion syst matique d experts. Il n'existe aucune donn e sugg rant que les approches syst matiques d'EBM sont sup rieures aux capacit s de prise de d cision des m decins comp tents connaissance de la litt rature m dicale r cente. Implications de l'EBM. Le groupe de travail GRADE sugg re que les recommandations fortes devraient n cessiter peu de d bat et seraient mises en uvre dans la plupart des circonstances. 42 Bien que la plupart des recommandations fortes soient probablement exactes, les recommandations d finitives peuvent avoir des cons quences inattendues. . Par exemple, une recommandation d finitive peut avoir pour effet de limiter le d bat ou la poursuite des recherches sur un sujet o la recommandation est erron e, et il existe de nombreux exemples o des recommandations fortes ont ensuite t retir es. Les recommandations de haut niveau de l'EBM ont conclu que la prophylaxie antibiotique devrait tre utilis e dans le traitement de la pancr atite n crosante, sur la base de plusieurs essais contr l s randomis s prospectifs, de m ta-analyses et de revues syst matiques.14,44,45 Ces recommandations ont ensuite t annul es, comme l'ont montr des essais suppl mentaires. qu'il n'y avait aucun b n fice l'utilisation d'antibiotiques chez ces patients.46Une pr occupation valable concernant l'EBM est que les syst mes tablis peuvent conduire des recommandations fortes difficiles contester. Cela peut m me conduire des situations dans lesquelles des tudes prospectives vitales sont jug es contraires l thique en raison de la pr sence de recommandations fortes et de haut niveau. ce titre, certains groupes ont m me mis des avertissements concernant la conversion des directives de pratique en loi.47,48LES ALTERNATIVES L'EBMEBM sont attrayantes en raison de leur capacit r duire et g rer l'incertitude ; cependant, la capacit d att nuer l incertitude n est pas sans inconv nients. Les diff rents syst mes EBM qui existent ne sont pas toujours coh rents dans leur valuation des preuves, et m me un seul syst me peut attribuer des notes variables en fonction de plusieurs facteurs subjectifs. Enfin, la performance de l'EBM dans l'am lioration des soins aux patients n'a jamais t valid e. Par cons quent, bien qu il s agisse certainement d un outil utile, les limites de l EBM doivent tre reconnues pour viter une adh sion aveugle aux lignes directrices et une simplification excessive de la prise de d cision clinique complexe qui se produit dans les soins cliniques quotidiens. Bien que la recherche de certitude soit compr hensible, elle est contraire aux r alit de la m decine dans laquelle les d cisions concernant les patients individuels sont intrins quement complexes. En fait, alors que la science s efforce de parvenir une m decine de pr cision et individualis e , l accent mis par l EBM sur la cr ation de lignes directrices pour soigner le patient moyen existera comme un paradoxe. Les meilleurs m decins fonctionnent sur la base d une th orie scientifique exprim e dans un ensemble de connaissances pratiques acquises dans un contexte local, ou connaissances tacites. C'est ainsi que la physiologie et la pathologie complexes sont combin es pour prendre une d cision sp cifique pour un patient individuel. Par cons quent, m me s il est tentant de penser que l EBM rend la chirurgie plus scientifique, il faut se rappeler que l EBM elle-m me n est pas fond e sur des principes scientifiques. Alors, quelle est l alternative ? L alternative est une application sens e des principes scientifiques et un scepticisme sain quant l utilisation continue de l EBM comme ligne directrice pour la pratique. Cela permet aux m decins d'utiliser les lignes directrices publi es, appliqu es dans le contexte de leur pratique, jusqu' ce qu'il ait t d finitivement d montr qu'un syst me de notation affecte positivement les r sultats pour les patients ou qu'une application plus pr cise des donn es des patients soit rendue possible. Les recommandations peuvent certainement tre des informations utiles ; cependant, les cliniciens doivent galement comprendre qu il existe une nuance en ce qui concerne le respect des lignes directrices et que beaucoup de choses chappent la port e de l EBM. Il est donc important de comprendre que la pratique clinique quotidienne implique des centaines de d cisions qui n cessitent des proportions variables de connaissances explicites et tacites pour concevoir un syst me o les lignes directrices sont flexibles et r ceptives une r troaction continue bas e sur les exp riences des m decins en exercice. QUE PEUVENT FAIR |
Chirurgie de Schwartz | E LES CHERCHEURS POUR AM LIORER LA VALIDIT DES R SULTATS DE LA RECHERCHE ? Bien qu'il soit impossible de conna tre la v rit avec une certitude absolue, les chercheurs peuvent prendre des mesures pour s'assurer que la probabilit post-test est maximis e. Premi rement, les chercheurs peuvent tenter d obtenir des preuves plus solides. Bien que m me les m ta-analyses de grande puissance et faible biais ne soient pas parfaites, elles se rapprochent d'un talon-or th orique en mati re de recherche, et bien qu'il soit important d'augmenter la puissance pour parvenir des conclusions correctes, m me les tudes de grande puissance peuvent pr senter des biais importants. De plus, l'obtention de preuves grande chelle peut ne pas tre possible pour de nombreuses questions de recherche.Brunicardi_Ch51_p2137-p2152.indd 214928/02/19 4:19 PM 2150CONSID RATIONS SP CIFIQUESPART IICrise de reproductibilit et d'inversion m dicale : implications pour l'EBM Vous continuez utiliser ce mot. Je ne pense pas que cela signifie ce que vous pensez que cela signifie. Inigo Montoya de The Princess BrideCe chapitre a commenc en notant que le paysage des connaissances scientifiques est en constante volution et que ce fait a galement un impact sur la fa on dont nous utilisons et valuons les preuves. Cette 11e dition des Principes de chirurgie de Schwartz est produite un moment particuli rement instable dans la recherche biom dicale, alors que les hypoth ses de base sur la mani re dont la litt rature scientifique d termine ce qui constitue une preuve sont r valu es de mani re critique. Nous pensons que cela ne rendra pas service nos lecteurs si nous ne parvenons pas noter et d crire ces tendances, car elles affectent directement la base de ce chapitre. La r valuation de la litt rature biom dicale et des essais cliniques peut tre grossi rement regroup e en deux sujets distincts mais li s : la crise de la reproductibilit et la question de l'efficacit m dicale. La crise de la reproductibilit . Au cours de la derni re d cennie, il est devenu de plus en plus reconnu que certaines tudes m dicales, pr sent es comme des publications d'index sur lesquelles reposaient soit des pr ceptes fondamentaux de pratique, soit pour justifier des orientations enti res de la d couverte de m dicaments, ne pouvaient pas tre reproduites de mani re ind pendante. Cet chec s attaque une hypoth se fondamentale de la science : selon laquelle des tudes bien r alis es et suffisamment significatives sur le plan statistique repr sentaient des connaissances g n ralisables sur lesquelles on pouvait s appuyer. Cependant, les estimations d'irreproductibilit varient de 75 % 90 % sur la base d'inf rences math matiques, et des enqu tes pratiques ont montr qu' peine 0 r sultat d' tude observationnelle sur 52 tait confirm par des essais contr l s randomis s (ECR).49 Des erreurs m thodologiques dans la conception des tudes, La s lection des patients ou les pratiques de recherche ont t propos es comme des facteurs majeurs contribuant au d bat sur la r plication des tudes scientifiques. Cependant, malgr l importance de reproduire les r sultats de la recherche, on s inqui te de plus en plus du fait que la recherche moderne pr sente un biais intrins que en faveur de r sultats positifs dans la publication. Les biais dans la conception des tudes, la collecte des donn es, l analyse des donn es ou la pr sentation des r sultats peuvent conduire des r sultats de recherche alors qu ils n existent pas r ellement. mesure que le biais augmente, la valeur pr dictive positive (VPP) d un r sultat donn diminue consid rablement. L effet global du biais d pend encore une fois de la puissance et des probabilit s pr alables l tude d une tude donn e. Dans certains domaines, il se peut en fait que les r sultats de la recherche soient simplement une mesure des biais dominants. La recherche m dicale op re dans des domaines o la probabilit de r sultats r els avant et apr s l' tude est faible, ce qui signifie qu'il peut tre assez courant que les tailles d'effet observ es variant autour de l'hypoth se nulle (ce quoi on pourrait s'attendre du seul hasard) mesurent simplement le biais dominant d'un domaine donn . En plus des pr jug s, la mondialisation de la recherche signifie qu tout moment, il est presque certain que plusieurs quipes de recherche tudient la m me question ou le m me sujet. Malgr cela, les r sultats de recherche men s par des quipes individuelles sont souvent consid r s isol ment, et le premier rapporter un r sultat re oit beaucoup plus d'attention que les tudes ult rieures. Supposons que plusieurs quipes de recherche tudient une question donn e, l'hypoth se nulle tant qu'il n'y a pas de diff rence de traitement entre les deux strat gies de traitement. La probabilit qu au moins un des groupes revendique un r sultat de recherche significatif augmente et la valeur pr dictive positive diminue mesure que le nombre d |
Chirurgie de Schwartz | quipes de recherche augmente. Malheureusement, il existe peu d'autres moyens de contr ler ce ph nom ne que d'augmenter la puissance de chaque tude individuelle. En raison de la combinaison des facteurs susmentionn s, le cadre de recherche actuel signifie qu'il est assez difficile d'aboutir une VPP > 50 %. Bas sur des principes math matiques, m me un ECR bien construit et suffisamment puissant avec une probabilit pr -test de 50 % ne parviendra une conclusion vraie que dans environ 85 % du temps.31 Ces r sultats limitent la litt rature disponible sur laquelle la m decine factuelle (EBM) ) s'appuie et impose un fardeau plus lourd aux praticiens lorsqu'ils tentent d'analyser et de tirer des conclusions partir de ce qu'ils trouvent. Inversion m dicaleUn sujet connexe qui a un impact direct sur la mani re dont l'EBM est effectu est celui de l'inversion m dicale. Ce terme a t introduit par Vinay Prasad et Adam Cifu en 201150,51 pour d crire le processus et les pi ges par lesquels une pratique ou un m dicament pr c demment tabli tombe en disgr ce parce qu il est ensuite identifi comme inefficace. En tant que telle, la question du renversement m dical est influenc e par la d cision d'adopter une th rapie particuli re en premier lieu (apparemment bas e sur les principes de l'EBM) et les obstacles la mani re dont les preuves ult rieures (soit acquises gr ce des tudes, soit, plus important encore, apr s une r valuation plus critique des fondements de son adoption initiale) peut annuler une recommandation ant rieure. L'ensemble des questions crois es li es l'inversion m dicale sont tr s complexes (les lecteurs int ress s sont encourag s se plonger dans la liste croissante de rapports sur ce sujet), mais en termes d'EBM, les questions centrales abord es dans l'inversion m dicale concernent l'utilisation de param tres de substitution dans les essais cliniques, la pr sentation/d formation des effets des essais cliniques, l'effet des biais (acad miques et conomiques) dans la d claration et la diffusion des essais, et la force et la fiabilit des alternatives aux ECR (malgr tous leurs d fauts). Comme pour la crise de reproductibilit , la compr hension des facteurs d inversion m dicale a un impact direct sur ce qui est juste titre consid r comme une preuve lors de l ex cution de l EBM, pla ant ainsi une plus grande responsabilit sur le praticien chirurgical lorsqu il d termine ce qui est un soin appropri ou optimal. Cela ne devrait pas surprendre. au lecteur attentif que bon nombre des probl mes li s la crise de reproductibilit et au renversement m dical renvoient aux sources de biais et d incitations potentiellement perverses initialement not es par Francis Bacon en 1620 (Encadr : L histoire et les sources de la Bias in Biomedical Literature).Brunicardi_Ch51_p2137-p2152.indd 215028/02/19 4:19 PM 2151 COMPRENDRE, VALUER ET UTILISER LES PREUVES POUR LA PRATIQUE CHIRURGICALE CHAPITRE 51 Deuxi mement, comme nous l'avons not pr c demment, plusieurs quipes abordent souvent simultan ment une question de recherche donn e, et il est Il n est pas appropri de se concentrer sur une seule tude isol ment. Au lieu de cela, les cliniciens devrait se concentrer sur l ensemble des preuves dans leur int gralit . Une solution potentielle consisterait connecter les groupes via la mise en r seau des donn es. Cela permettrait une analyse et des conclusions plus pr cises, m me si cela n cessiterait un changement significatif dans la culture des pratiques de recherche universitaire. Aujourd'hui, les cliniciens s'appuient sur les statistiques fournies dans une tude scientifique pour fournir une synth se des r sultats. Nous sommes convaincus que le biostatisticien du journal a calcul ces statistiques avec pr cision et v rit sans incorporer de pr jug s conscients. Chaque article doit r pondre compl tement quatre questions concernant les r sultats de l tude :1. Quelle est la signification statistique des r sultats ?2. Quelle est l ampleur de l effet et cette clinique est-elle pertinente ?3. Quel est l intervalle de confiance ?4. Quel est le pouvoir sous-jacent de l tude pour d tecter une diff rence significative ? Des progr s significatifs ont t r alis s depuis l adoption de l EBM ; cependant, l orientation actuelle des lignes directrices bas es sur l EBM s est concentr e sur les populations plut t que sur les interactions complexes et nuanc es qui se produisent au cas par cas. Les protocoles algorithmiques servent en fait d tourner l attention d un patient individuel, conduisant parfois une d connexion entre les patients et les m decins lorsque ces derniers proposent un traitement bas sur des lignes directrices qui ne respectent pas les objectifs et les valeurs de ce patient. Alors, que peuvent faire les chirurgiens pour lutter contre ce ph nom ne et comment doivent-ils exercer ? Il faut se demander : Quelle est la meilleure ligne de conduite pour ce patient, dans ces circonstances, ce stade |
Chirurgie de Schwartz | de sa maladie ou de son tat ? Par cons quent, les preuves doivent tre synth tis es puis individualis es pour chaque rencontre avec un patient en les reliant l thique, la personnalit et aux valeurs associ es au cas en question. Les outils tels que les calculateurs de risque sont utiles pour clairer la discussion, mais ils ne doivent en aucun cas constituer une preuve d finitive permettant de recommander pour ou contre un traitement particulier. Le jugement reste n cessaire dans la pratique de la m decine et, par cons quent, les lignes directrices doivent tre consid r es comme des r gles empiriques qui n cessitent un contexte plut t que des r gles de droit . R F RENCES Les entr es surlign es en bleu vif sont des r f rences cl s. 1. Bacon F, Novum Organum de Fowler T. Bacon. Oxford : Presse Clarendon ; 1878. 2. Djulbegovic B, Guyatt GH. Progr s de la m decine factuelle : un quart de si cle plus tard. Lancette. 2017;390(10092):415-423. Disponible sur : http://dx.doi.org/10.1016/S0140-6736(16) 31592-6. Consult le 27 ao t 2018. 3. Sackett DL, Rosenberg WM, Gray JA, Haynes RB, Richardson WS. M decine factuelle : qu est-ce que c est et ce qu elle n est pas. BMJ. 1996;312(7023):71-72. 4. Djulbegovic B, Guyatt GH, Ashcroft RE. Enqu tes pist mologiques en m decine factuelle. Lutte contre le cancer. 2009;16(2):158-168. 5. Wente MN, Seiler CM, Uhl W, Buchler MW. Perspectives de la chirurgie fond e sur des preuves. Creuse Surg. 2003;20(4):263-269. 6. Solomon MJ, McLeod RS. tudes cliniques dans des revues chirurgicales : avons-nous progress ? Dis Colon Rectum. 1993;36(1):43-48. 7. Pollock AV. L' valuation chirurgicale la crois e des chemins. F. J Surg. 1993;80(8):964-966. 8. Richardson WS, Wilson MC, Nishikawa J, Hayward RS. La question clinique bien construite : une cl pour des d cisions fond es sur des donn es probantes. Club ACP J. 1995;123(3):A12-A13. 9. Whipple AO, Parsons WB, Mullins CR. Traitement du carcinome de l'ampoule de Vater. Ann Surg. 1935;102(4):763-779. 10. Nissen R. Une op ration simple pour contr ler l' sophagite par reflux (en allemand). Suisse Med Wochenschr. 1956;86 (suppl ment 20) : 590-592. 11. Patsopoulos NA, Analatos AA, Ioannidis JP. Impact relatif des citations de divers mod les d' tudes dans les sciences de la sant . JAMA. 2005;293(19):2362-2366. 12. Moore FA, Feliciano DV, Andrassy RJ et al. L'alimentation ent rale pr coce, par rapport l'alimentation parent rale, r duit les complications septiques postop ratoires. Les r sultats d'une m ta-analyse. Ann Surg. 1992;216(2):172-183. 13. Eikelboom JW, Karthikeyan G, Fagel N, Hirsh J. Les lignes directrices de l'American Association of Orthopaedic Surgeons et de l'American College of Chest Physicians pour la pr vention de la thromboembolie veineuse dans les arthroplasties de la hanche et du genou diff rent : quelles sont les implications pour les cliniciens et les patients ? Poitrine. 2009;135(2) : 513-520. 14. Bassi C, Larvin M, Villatoro E. Th rapie antibiotique pour la prophylaxie contre l'infection de la n crose pancr atique dans la pancr atite aigu . Syst me de base de donn es Cochrane R v. 2003;(4):CD002941. 15. Guyatt GH, Oxman AD, Vist GE et al. GRADE : un consensus mergent sur l valuation de la qualit des donn es probantes et de la force des recommandations. BMJ. 2008;336(7650):924-926. 16. Higgins JPT, Green S, d. Manuel Cochrane pour les examens syst matiques des interventions. Version 5.1.0. La collaboration Cochrane ; 2011. Disponible sur : https://handbook-5-1.cochrane.org. Consult le 27 ao t 2018. 17. Delle Fave G, Kwekkeboom DJ, Van Cutsem E et al. Lignes directrices de consensus ENETS pour la prise en charge des patients atteints de n oplasmes gastroduod naux. Neuroendocrinologie. 2012;95(2):74-87. 18. Graham R, Mancher M, Miller Wolman D, Greenfield S, Steinberg E, d. Comit de l'Institute of Medicine ( tats-Unis) sur les normes pour l' laboration de lignes directrices de pratique clinique dignes de confiance. Lignes directrices de pratique clinique auxquelles nous pouvons faire confiance. Washington DC : Presse des acad mies nationales ; 2011. 19. Adie S, Harris IA, Naylor JM, Mittal R. CONSORT conformit dans les essais chirurgicaux randomis s : y sommes-nous d j ? Une revue syst matique. Ann Surg. 2013;258(6):872-878. 20. Schulz KF, Altman DG, Moher D ; Groupe consort. D claration CON-SORT 2010 : lignes directrices mises jour pour la d claration des essais randomis s en groupes parall les. Int J Surg. 2011;9(8):672-627. 21. Higgins JPT, Altman DG, G tzsche PC, et al. L outil de la Cochrane Collaboration pour valuer le risque de biais dans les essais randomis s. BMJ. 2011;343 :d5928. 22. Das AK. Essais cliniques randomis s en chirurgie : un regard sur les enjeux thiques et pratiques. Indien J Surg. 2011;73(4) : 245-250. 23. Wartolowska K, le juge A, Hopewell S et al. Utilisation de contr les placebo dans l' valuation de la chirurgie : revue syst matique. BMJ. 2014;348 :g3253. 24. R |
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Chirurgie de Schwartz | . Yale J Biol Med. 2011;84(4):471-478. 51. Prasad V, Gall V, Cifu A. La fr quence des inversions m dicales. Arch Intern Med. 2011;171(18):1675-1676.Brunicardi_Ch51_p2137-p2152.indd 215228/02/19 16:19 Chirurgie ambulatoireMarcus Adair, Stephen Markowiak, Hollis Merrick, James R. Macho, Kara Richardson, Moriah Muscaro, Munier Nazzal et F. Charles Brunicardi 52chapitreINTRODUCTIONChirurgie ambulatoireLa chirurgie ambulatoire est un domaine multidisciplinaire dans lequel des interventions chirurgicales sont pratiqu es sur des patients non attendus. d' tre admis l'h pital. Le domaine comprend les proc dures r alis es sur les patients dans le cadre des services de consultation externe des h pitaux (HOPD), des centres de chirurgie ambulatoire autonomes (ASC) et celles r alis es dans les cabinets m dicaux. Le mot ambulatoire vient du latin ambulare, qui signifie marcher , indiquant que les patients arrivaient seuls l'intervention et repartaient apr s l'intervention vers leur environnement d'origine.1 L'am lioration des techniques d'anesth sie, le d veloppement de proc dures mini-invasives, et les changements dans la politique de sant (en particulier le financement des soins de sant ) ont t les facteurs d terminants de l augmentation de la chirurgie ambulatoire. Avant ces progr s, presque toutes les interventions chirurgicales taient r alis es en milieu hospitalier. Toutes les interventions chirurgicales ambulatoires taient mineures, r alis es dans les cabinets de m decins et pay es par Medicare et les assureurs dans le cadre du remboursement des visites au cabinet du m decin.2 Depuis le d but des ann es 1980, le volume de la chirurgie ambulatoire a augment aux tats-Unis.2,3 Entre 1981 et en 2005, le nombre de chirurgies ambulatoires dans tout le pays a t multipli par pr s de 10 pour atteindre plus de 32,0 millions par an. Les interventions ambulatoires sont pass es de 19 % 60 % de toutes les interventions chirurgicales, en volume, aux tats-Unis entre 1981 et 2011.2,4,5 De fortes incitations financi res existent pour inciter les h pitaux transf rer certaines interventions chirurgicales en ambulatoire. Le nombre d'ASC certifi s Medicare a galement augment r guli rement, passant de moins de 300 au d but des ann es 19802 5 532 en 2016 (Fig. 52-1).5Par d finition, les proc dures dans les ASC et les cabinets de m decins sont effectu es sans les ressources compl tes d'un h pital. . La presse a fait du sensationnalisme sur quelques r sultats ind sirables pour les patients dans ces contextes et a fait des affirmations sur la s curit globale sur la base de ces v nements isol s. Cependant, une grande partie de la commodit , des taux lev s de satisfaction des patients et de la rentabilit de la chirurgie ambulatoire est perdue lorsqu'elle est pratiqu e en milieu hospitalier. Ainsi, le d fi sous-jacent la chirurgie ambulatoire consiste effectuer des op rations s res sur des patients soigneusement s lectionn s, d'une mani re centr e sur la famille du patient et conomique. La majorit des grands h pitaux disposent galement de leurs propres services de chirurgie ambulatoire au sein de l'h pital. Les ASC effectuent des proc dures plus rapidement et plus efficacement que les HOPD et un volume plus lev que les HOPD et les cabinets de m decins. De plus, le nombre d'ASC ind pendants certifi s l' chelle nationale a clips le nombre total d'h pitaux de plus de 1 000 centres.5 Pour ces raisons, une pluralit de volumes de chirurgie ambulatoire aux tats-Unis est d sormais r alis e dans les ASC. Il est essentiel que le chirurgien moderne comprenne les d fis cliniques uniques et les impacts conomiques de la chirurgie ambulatoire. Centres de chirurgie ambulatoire Les ASC sont des soins de sant ind pendants qui offrent aux patients la commodit de subir une intervention chirurgicale en toute s curit sans admission l'h pital. Les ASC fournissent uniquement des services chirurgicaux lectifs plut t que des soins d'urgence. Selon les Centers for Medicare & Medicaid Services (CMS), en vigueur le 18 mai 2009, les ASC sont toute entit distincte qui op re exclusivement dans le but de fournir des services chirurgicaux aux patients ne n cessitant pas d'hospitalisation et dont la dur e pr vue des services serait ne doit pas d passer 24 heures apr s une admission. centres de sant communautaires, unit s mobiles de diagnostic ou cliniques de sant rurales. Les ASC se distinguent de ces autres tablissements de sant par (a) leur utilisation d'un syst me de r f rence pour l'acceptation des patients et (b) le maintien d'une salle d'op ration d di e. La premi re caract ristique signifie que tout patient souhaitant tre trait dans un centre de chirurgie ambulatoire doit consulter au pr alable un centre de chirurgie ambulatoire. Vulgarisation des ASC / 2157R glementation, co ts et qualit 2158R glementation / 2158Co ts / 2158Qualit / 2159Propri t / 2159Potentiel de conflit d'int r ts / 2159D fis2159Rembours |
Chirurgie de Schwartz | ement / 2159S lection des patients / 2159ASC vs hospitalisation ambulatoire D partements vs suites chirurgicales en cabinet / 2160Population vieillissante / 2160Conclusion2160Brunicardi_Ch52_p2153-p2162.indd 215328/02/19 16:17 2154199660005000Nombre de ASC4000300020001000019982000200220042006200820102012Figure 52-1. Nombre de centres de chirurgie ambulatoire certifi s Medicare de 1996 2013. Points cl s1 D finir la chirurgie ambulatoire et les aspects uniques des centres de chirurgie ambulatoire (ASC).2 Comprendre l'histoire de la chirurgie ambulatoire et des ASC aux tats-Unis.3 Passer en revue les plus proc dures courantes effectu es dans les ASC par rapport celles effectu es en milieu hospitalier.4 Discuter des avantages financiers pour les patients et les m decins au sein de la structure des ASC en ce qui concerne la propri t des m decins, les partenariats avec les syst mes de sant et le remboursement des assurances.5 Comprendre les processus de r glementation et d'accr ditation qui affectent les ASC.6 Pr dire comment les avanc es m dicales anticip es, le d veloppement technologique et le vieillissement de la population affecteront le domaine de la chirurgie ambulatoire. faire traiter la maladie par chirurgie plut t que par une approche alternative. La deuxi me caract ristique signifie que tous les ASC doivent disposer d'au moins une salle d'op ration d di e et de l' quipement n cessaire pour r aliser une intervention chirurgicale en toute s curit et garantir des soins de qualit aux patients.1 Les patients qui choisissent de se faire op rer dans un ASC arrivent le jour de leur intervention, ont leur chirurgie dans une salle d'op ration enti rement quip e et se r tablissent sous les soins d'une quipe d'anesth sie hautement qualifi e, le tout sans hospitalisation. Aspects menant une utilisation accrue D veloppements technologiques. Les am liorations en mati re d'anesth sie ont facilit la pratique s re de la chirurgie ambulatoire gr ce l'utilisation de nouveaux m dicaments, l'am lioration des techniques d'anesth sie r gionale et une meilleure gestion de la douleur postop ratoire. Le d veloppement de techniques chirurgicales mini-invasives telles que l'endoscopie par fibroscopie, l'arthroscopie, les proc dures ophtalmologiques et la chirurgie laparoscopique et robotique ont permis aux patients de sortir le m me jour que l'intervention chirurgicale. Co t r duit pour les patients sans compromis sur la qualit des soins. . Les tablissements de chirurgie ambulatoire sont des centres hautement sp cialis s issus d un mod le de service plut t que du mod le hospitalier traditionnel. Cette approche permet de rationaliser les processus et de r duire les co ts. Le personnel repr sente le co t le plus important pour la plupart des tablissements de sant , y compris les ASC, donc la chirurgie d'un jour limine le besoin de personnel infirmier et de soutien de nuit. Les ASC offrent un co t r duit pour les syst mes de sant . Un examen des donn es commerciales sur les r clamations m dicales a r v l que les co ts annuels des soins de sant aux tats-Unis sont r duits d'environ 3,8 milliards de dollars gr ce la disponibilit des ASC. Les patients conomisent plus de 1,5 milliard de dollars gr ce la r duction des franchises et des paiements de coassurance. Au cours de la prochaine d cennie, les ASC devraient permettre au syst me de sant am ricain d conomiser entre 32,5 et 57,6 milliards de dollars. Cette r duction des co ts est due au fait qu'en g n ral, les prix des ASC sont nettement inf rieurs aux prix des HOPD pour la m me proc dure sur tous les march s, quel que soit le payeur.6 Le tableau 52-1 pr sente les conomies de co ts par rapport aux services ambulatoires des h pitaux pour les proc dures les plus couramment pratiqu es dans les ASC du pays. Alors que la plupart des h pitaux proposent des interventions chirurgicales ambulatoires, les centres de chirurgie ambulatoire sont consid r s comme un choix sup rieur pour certaines proc dures en raison de l'efficacit des installations et de la r glementation des prix dans le cadre du syst me de paiement prospectif ambulatoire.6HISTOIRE DE LA CHIRURGIE AMBULATOIRE ET DES CENTRES DE CHIRURGIE AMBULATOIRELa pratique chirurgicale ambulatoire retrace son histoire depuis les premiers travaux. de chirurgiens-dentistes itin rants qui parcouraient leurs circuits cheval et en train. Ils op raient fr quemment dans des chambres d h tel, puis partaient. En 1909, James Nicoll (Fig. 52-2), chirurgien p diatrique en cosse, a crit sur ses exp riences en mati re d'anesth sie et de chirurgie ambulatoires sur pr s de 9 000 enfants en consultation externe pendant une p riode de 10 ans au Glasgow Royal Hospital for Sick Children. 8 Les op rations comprenaient la r paration des fentes labiales et palatines, la correction de la st nose pylorique, la masto dectomie, la r paration des hernies inguinales et ombilicales et la prise en charge de la colonne vert brale. bi |
Chirurgie de Schwartz | fida et fractures du cr ne d prim es. Nicoll a plaid aupr s de ses coll gues chirurgiens pour qu'ils effectuent davantage d'op rations p diatriques en ambulatoire, d clarant qu' un grand nombre de cas actuellement trait s en interne constituent un gaspillage des ressources d'un h pital pour enfants. . . . Les r sultats obtenus en consultation externe moyennant une d me [une petite partie] du co t sont tout aussi bons. 8Ralph Waters (Fig. 52-3) fut un pionnier dans le domaine de la chirurgie ambulatoire. Il a d velopp un cabinet Sioux City, Iowa en 1919. Waters utilisait du protoxyde d'azote, de la morphine et de la scopolamine. Il croyait que les conditions m dicales devaient tre bien contr l es avant la chirurgie et que certaines conditions m dicales emp chaient les soins ambulatoires. De cette mani re, la clinique de Waters est devenue le prototype de l ASC autonome moderne. Waters a ensuite cr le premier programme de r sidence universitaire pour former des anesth siologistes l'Universit du Wisconsin.9Avant l'av nement des ASC autonomes, le concept de chirurgie ambulatoire devait d'abord tre accept sous la forme d'HOPD. En 1959, Eric Webb et Horace Graves pr conisaient la chirurgie ambulatoire en raison d'un p nurie de lits d'h pitaux Vancou-ver. Le premier HOPD aux tats-Unis a t cr en 1962 l Universit de Californie Los Angeles par David Cohen et John Dillon, qui cherchaient galement rem dier la p nurie de lits d h pitaux. Ces efforts se sont r v l s s rs et rentables.9Brunicardi_Ch52_p2153- p2162.indd 215428/02/19 4:17 PM 2155CHIRURGIE AMBULATOIRECHAPITRE 52Figure 52-2. James Henderson Nicoll, chirurgien p diatrique. (Reproduit avec la permission des Archives et collections sp ciales de l'Universit de Glasgow, collection universitaire, GB 248 PH/PR 2475.)Figure 52-3. Ralph Milton Waters, anesth siste. (Utilis avec la permission de l'American Society of Anesthesiologists.)Tableau 52- 1Comparaison des 10 principales proc dures effectu es dans les ASC par rapport aux h pitaux du paysTOP 10 PROC DURES R ALIS ES DANS LES CENTRES CHIRURGICAUX AMBULATOIRES PAR VOLUME ET NUM RO DE CODE CPT R ALIS S PAIEMENT MOYEN PAR R CLAMATION CONOMIES L'ASCTOP 10 PROC DURES R ALIS ES L'H PITAL Ambulatoire D PARTEMENTS (HOPD) PAR VOLUME ET NUM RO DE CODE CPT EFFECTU S SALAIRE MOYEN PAR R CLAMATION 1. Chirurgie de la cataracte avec lentille intraoculaire (66984) 1155, 283 $ 959 $ 219 1. D bridement des tissus sous-cutan s (11042) 841 517 $ 213 2. sophagogastroduod noscopie avec biopsie (43239)524 082$301$110 2. sophagogastroduod noscopie avec biopsie (43239)628 900$411 3. Coloscopie et biopsie (45380)416 218$352$172 3. Aspiration/injection d'une articulation (20610)578 407$141 4. Coloscopie avec ablation de la l sion (45385)331 565$401$20 4. Chirurgie de la cataracte avec implant de LIO (66984)512 191$1 178 5. Injection p ridurale de la colonne vert brale foraminale (64483)282 962$335 5. Coloscopie et biopsie (45380)472 886$524 6. Capsulotomie post-laser pour chirurgie de la cataracte (66821)275 760$227 6. Coloscopie avec ablation des l sions (45385)350 001$421 7. Injection p ridurale de la colonne lombaire, sacr e (62311)210 159$358$120 7. Injection p ridurale de la colonne lombaire, sacr e (62311)326 956$478 8. Injection, facette paravert brale (64493)174 450$306 8. Insertion d'un cath ter v sical temporaire (51702)308 614$69 9. Coloscopie diagnostique (45378)157 951$401$100 9. Appl. de syst me de compression multicouche (29581)303 026$9710. D pistage colorectal, personne risque lev (G0105)128 181$33310. Coloscopie diagnostique (45378)253 350$501Le premier ASC v ritablement autonome, SurgiCenter , a t ouvert Phoenix, en Arizona, par Wallace A. Reed et John L. Ford en 1970 (Fig. 52-4). Reed et Ford s' taient engag s fournir des services chirurgicaux rapides, pratiques et confortables aux patients de leur communaut et, par cons quent, viter les lieux plus impersonnels comme les h pitaux ordinaires. Avant d'ouvrir SurgiCen-ter, Reed et Ford taient frustr s de voir les patients attendre 6 semaines ou plus pour subir une intervention chirurgicale lective et, dans certains cas, ils ont constat que des interventions chirurgicales taient annul es parce que les chambres r serv es taient n cessaires en cas d'urgence.9Brunicardi_Ch52_p2153- p2162.indd 215528/02 /19 16:17 2156CONSID RATIONS SP CIFIQUESPART IIFigure 52-4. Image de SurgiCenter en 1970. (Utilis e avec la permission de Banner Health.)Figure 52-5. Centre de chirurgie mini-invasive George Isaac du centre m dical de l'Universit de Tol de. (Utilis avec la permission de l'Universit de Tol de.) Au cours de ses 6 premiers mois, Surgicenter a r alis plus de 1 200 op rations par 153 chirurgiens. Aucun v nement cardiaque ind sirable ne s'est produit pendant les proc dures et un seul patient a t hospitalis apr s l'intervention chirurgicale (en raison d'un diab te mal contr l , et non cause de l'op ration elle-m |
Chirurgie de Schwartz | me).10 L'incroyable succ s de SurgiCenter a entra n la visite de plus de 400 visiteurs dans l' tablissement au cours de la premi re p riode. ann e afin d'en apprendre davantage sur le nouveau mod le de soins aux patients.11 Reed et Ford ont r alis qu'il existait un norme besoin d'ASC autonomes et ind pendants. Selon Reed, cela a propuls la formation de ce qui est finalement devenu l'Ambula-tory Surgery Center Association (ASCA), un organisme d'accr ditation majeur dans le domaine de la chirurgie ambulatoire.11 Le rapport Orkand de 1976, une tude parrain e par le gouvernement am ricain sur les patients ambulatoires. chirurgie, a conclu que les installations chirurgicales ambulatoires peuvent r duire consid rablement les co ts tout en maintenant la m me qualit lev e de soins chirurgicaux et anesth siques que celle obtenue dans les h pitaux.12La Society for Ambulatory L'anesth sie (SAMBA) a t cr e en 1984 pour favoriser le d veloppement de l'anesth siologie ambulatoire en tant que sous-sp cialit . Le domaine a continu de progresser avec la publication de Wetchler's Anesthesia for Ambulatory Surgery en 1985, la publication de la revue Ambulatory Surgery en 1993 et avec le premier tat exigeant l'accr ditation pour tous les tablissements de soins ambulatoires (Californie en 1996). De nombreux autres tats ont depuis adopt ces normes lev es et exigent l accr ditation des ASC. CMS exige d sormais une certification pour tous les ASC (Fig. 52-5 et 52-6).5PROC DURES EFFECTU ESEn 1982, CMS avait approuv les paiements aux ASC pour plus de 200 proc dures. La croissance constante du nombre d'ASC (Fig. 52-7) et du nombre d'interventions chirurgicales r alis es en ambulatoire, y compris les HOPD, s'est poursuivie depuis. Chaque ann e, les m decins effectuent plus de 23 millions d interventions dans les ASC. Cette volution vers les proc dures ambulatoires s'est accentu e en raison des progr s de la pratique m dicale et de la technologie qui ont r duit le besoin de soins m dicaux. s jours d'une nuit l'h pital. La plupart des patients, l exception de ceux dont l tat de sant est compliqu , peuvent tre soign s en ambulatoire. Les proc dures ASC courantes comprennent les coloscopies, les chirurgies de la cataracte, les amygdalectomies et les chirurgies orthop diques arthroscopiques. CMS approuve et rembourse actuellement plus de 3 500 proc dures dans le cadre des ASC.5 De nouveaux d veloppements continuent d' largir la port e des ASC. Les ASC peuvent effectuer des interventions chirurgicales dans plusieurs sp cialit s ou consacrer leurs services une seule sp cialit , comme les soins oculaires ou la m decine sportive. La proc dure ne doit pas pr senter de risque significatif pour la s curit et ne doit pas n cessiter de nuit lorsqu'elle est effectu e dans un ASC. Les types d interventions chirurgicales pratiqu es dans les ASC ont subi des changements importants ces derni res ann es. La plupart des premiers ASC taient des centres ambulatoires de chirurgie plastique. Les progr s des techniques chirurgicales mini-invasives dans d autres sp cialit s ont cependant conduit la cr ation d ASC pour les proc dures orthop diques, dentaires et ophtalmologiques. Voir Fig. 52-8 pour une analyse r cente des services sp cialis s fournis par les ASC l' chelle nationale. AVANTAGES DES CENTRES DE CHIRURGIE AMBULATOIRE Depuis leur cr ation il y a plus de 40 ans, les ASC ont connu une croissance exponentielle. Ces entit s distinctes ont fourni aux m decins un moyen de fournir des soins sp cialis s, efficaces et de qualit . Figure 52-6. Centre de chirurgie ProMedica Parkway. (Utilis avec la permission de ProMedica Health Systems.)Brunicardi_Ch52_p2153-p2162.indd 215628/02/19 4:17 PM 2157CHIRURGIE AMBULATOIRECHAPITRE 5219486171118694117415 (AK)2 (GU)21 (HI)12218366426347196924956081693533941724 (PR)1 (VI)67136104523318610125122779923413411626 (NH)56 (MA)10 (RI)48 (CT)269 (NJ)23 (DE)345 (MD)3 (DC)79452Figure 52-7. En juin 2017, la Californie comptait 794 ASC, ce qui en fait le premier tat en termes de nombre d'ASC. Elle est suivie par la Floride avec 417 ASC et le Texas avec 366 ASC. Le Vermont et les les Vierges am ricaines ont le plus petit nombre d'ASC avec un chacun.13Gestion de la douleur10%Urologie5%Orthop die15%Plastique8%Gi14%Ophtalmologie30%Autre18%Figure 52-8. Sp cialit s servies dans les ASC. GI = gastro-ent rologie. (Reproduit avec la permission des Centers for Medicare & Medicaid Services, 2011.) soins aux patients n cessitant des interventions chirurgicales. Satisfaction des patients le recours la chirurgie d'un jour est rest relativement lev depuis la cr ation des ASC en 1970. Il est important de reconna tre que les patients subissant une intervention chirurgicale g n ralement non urgente et ne n cessitant pas d'hospitalisation sont globalement relativement satisfaits. Historiquement, le domaine de la chirurgie ambulatoire a t associ une tr s grande satisfaction des patients.14-15 l'ave |
Chirurgie de Schwartz | nir, l'enqu te CMS Consumer Assessment of Healthcare Providers and Systems (CAHPS) rendra compte de la satisfaction des patients l' chelle nationale l' gard des ASC et des HOPD.16Facteurs Contribuer la vulgarisation d'ASCsCost. Dans de nombreux cas, une proc dure ambulatoire r alis e dans un ASC co te entre la moiti et le tiers du co t de la m me proc dure effectu e dans un h pital. Dans une large mesure, les ASC permettent de r aliser des conomies en liminant les hospitalisations de nuit et les proc dures d'urgence. Les ASC effectuent moins de tests de diagnostic approfondis et d livrent moins de m dicaments. Ces tablissements ne disposent pas de personnel 24 heures sur 24 et ne sont pas g n s par le besoin d' quipements co teux et hautement sp cialis s comme le sont les h pitaux. Par exemple, la Medicare Payment Advisory Commission a constat qu'une op ration de la cataracte ne co tait que 942 dollars dans un centre de chirurgie ambulatoire en 2001, contre 1 334 dollars dans un h pital. Les chiffres pour une endoscopie et une biopsie du tube digestif sup rieur taient de 429 $ et 359 $ ; pour une coloscopie diagnostique, 429 $ et 401 $ ; et pour l'anesth sie p ridurale, 320 $ et 183 $, respectivement5,7 (voir tableau 52-1). L'organisation, le personnel et la sp cialisation peuvent jouer un r le important dans les diff rences de co ts entre les ASC et les HOPD. En moyenne, les patients trait s dans les ASC passent 31,8 minutes de moins subir des interventions que les patients trait s dans les HOPD. Les ASC pourraient g n rer des conomies de 363 1 000 dollars par cas ambulatoire.4Confort. Alors que la plupart des h pitaux gardent les patients en convalescence apr s une intervention chirurgicale dans des salles s par es, dans un ASC, le patient peut g n ralement passer la p riode de r cup ration apr s l'op ration avec ses proches. Limiter le nombre de retards et de perturbations dans les cas mergents permet au chirurgien de passer plus de temps avec le patient dans les zones pr op ratoires et postop ratoires.17-19Commodit . tant donn que les ASC planifient g n ralement les cas de routine qui ne durent pas plus de 2 heures (en moyenne 30 45 minutes) et ne traitent aucun cas d'urgence, la planification est g n ralement pr cise. En vitant le blocage, les ASC r duisent le temps d attente pour les proc dures lectives. Une tude de Hair et al examinant les patients de Medicare a de nouveau montr que les ASC autonomes effectuaient des interventions chirurgicales en moins de temps que les ASC en milieu hospitalier dans leur ensemble et pour des proc dures sur divers syst mes anatomiques, ce qui entra nait une r duction du temps total pass dans l' tablissement avec une sortie plus pr coce.19 Ces r sultats sont corrobor s par le taux de confirmation. l'id e selon laquelle les ASC autonomes ont tendance tre plus efficaces que les HOPD.20 Un avantage possible pour les patients serait qu'ils puissent quitter un ASC relativement rapidement apr s leur chirurgie, ce qui entra nerait moins de temps d'absence du travail et famille. Cela peut tre particuli rement vrai pour les patients p diatriques ou les parents.Efficacit . Cet avantage est particuli rement important pour les chirurgiens. Il faut beaucoup moins de temps pour pr parer une salle d'op ration dans un ASC sp cialis pour le prochain patient que dans un h pital standard. Une efficacit am lior e permet au chirurgien de traiter davantage Brunicardi_Ch52_p2153-p2162.indd 215728/02/19 4:17 PM 2158SPECIFIC CONSID RATIONSPARTIE IIpatients dans le m me laps de temps qu'il ne pourrait le faire dans un h pital ; Certains chirurgiens affirment qu'ils peuvent effectuer trois fois plus d'interventions dans un ASC qu'ils le pourraient en milieu hospitalier. De nombreux m decins pr f rent travailler dans un ASC parce qu'ils peuvent tablir les normes en mati re de personnel, de pr cautions de s curit et de soins postop ratoires, plut t que de laisser ces choses d cider leur place par un directeur d'h pital.1 Trentman et ses coauteurs discutent de plusieurs facteurs qui affectent le flux des patients et qui pourraient en r sulter. des diff rences dans les d lais pr op ratoires et de r cup ration pour les proc dures ambulatoires entre les ASC et les h pitaux.20 Par exemple, par rapport la situation des h pitaux, dans les ASC, les chirurgiens sont plus susceptibles d' tre affect s une seule salle d'op ration pour tous les cas, ce qui r duit des retards; la salle d'op ration est souvent plus proche des salles pr op ratoires et de r veil car les installations sont plus petites ; les quipes de personnel ont des r les plus clairs et plus coh rents, avec moins de rotation du personnel ; et la dotation en personnel ne se fait pas par quipes, c'est- -dire que les membres du personnel ne rentrent chez eux qu'une fois tous les dossiers termin s, ce qui les incite travailler rapidement. De plus, les h pitaux peuvent tre plus susceptibles d'avoir d |
Chirurgie de Schwartz | es cas d'urgence suppl mentaires et de rappel pour les cas plus complexes qui concurrencent les proc dures ambulatoires pour le temps en salle d'op ration.3,5,19 Ces diff rences sugg rent que les h pitaux devraient adopter une mod le organisationnel substantiellement diff rent et hautement sp cialis pour atteindre les m mes efficacit s que les ASC. R GLEMENTATION, CO TS ET QUALIT R glementationLes tablissements de sant aux tats-Unis sont fortement r glement s par les entit s f d rales et tatiques. Les ASC sont incluses dans cette surveillance, les lois et r glementations f d rales et tatiques en r gissant tous les aspects. Des observateurs ind pendants valuent la s curit et la qualit des soins fournis dans les ASC travers trois processus : la certification Medicare, l'agr ment d' tat et l'accr ditation volontaire. Pour obtenir la certification Medicare, les ASC doivent r pondre aux exigences de certification Medicare, connues sous le nom de Conditions de couverture. Ces conditions comprennent la sp cification de normes pour l'administration de l'anesth sie, l' valuation de la qualit , les salles d'op ration et de r veil, le personnel m dical, les services infirmiers et d'autres aspects des soins. Un ASC doit faire effectuer une inspection par un fonctionnaire de l' tat ou un repr sentant d'une organisation que le gouvernement a autoris e mener cette inspection. Ces inspecteurs visitent l'ASC pour v rifier qu'il r pond aux normes tablies. Chaque tat d termine les exigences sp cifiques que les ASC doivent remplir pour obtenir un permis. Un ASC n'a pas besoin d' tre certifi par Medicare pour tre accr dit par le JCAHO ; cependant, la plupart des ASC fournissent des soins aux b n ficiaires de Medicare, il est donc important de r pondre leurs exigences afin d' tre rembours de mani re appropri e. L'inspection et la certification Medicare des centres de chirurgie ambulatoire sont un processus distinct de l'accr ditation professionnelle. Pour obtenir un permis d'exercice, de nombreux tats ont des r gles et r glementations ind pendantes ainsi que des frais associ s. Ces organismes tiers peuvent inclure l'Accreditation Association for Ambulatory Healthcare (AAAHC), l'American Association for Accreditation of Ambulatory Surgery Facilities (AAAASF) et la Joint Commission on Accreditation of Healthcare Organizations (JCAHO). Dans les tats pour lesquels l'accr ditation n'est pas obligatoire, les ASC peuvent se soumettre une accr ditation volontaire par l'interm diaire de ces m mes associations. Dans 37 tats, toute partie cherchant ouvrir un ASC doit d montrer la n cessit de l existence de l ASC.21 Des exigences d autorisation d exercice existent g n ralement pour les tablissements de sant et les professionnels de la sant .14 Il y avait auparavant une controverse quant savoir si le statut d accr ditation affecte les r sultats en mati re de s curit . Dans les analyses multivari es contr lant le volume des tablissements et les caract ristiques des patients, les patients des tablissements accr dit s par la Commission mixte taient encore significativement moins susceptibles d' tre hospitalis s apr s une coloscopie. Plus pr cis ment, compar s aux patients trait s dans des ASC non accr dit s et r glement s par l'agence d' tat, les patients trait s dans des tablissements accr dit s taient moins susceptibles d' tre hospitalis s dans les 7 30 jours suivant la chirurgie.22 Tous les ASC accr dit s doivent r pondre des normes sp cifiques qui sont valu es au cours de l'intervention chirurgicale. inspections sur place. Les patients qui visitent des ASC accr dit s peuvent tre assur s que ces tablissements m dicaux disposent de points de contr le rigoureux pour garantir des normes lev es. L'Association des centres de chirurgie ambulatoire (ASCA) ou Association ASC joue un r le essentiel pour garantir des soins de sant de qualit sup rieure dispens s par les ASC du pays. L'ASCA a t cr e lorsque les deux principales associations nationales de l'ASC la Federated Ambulatory Surgery Association (FASA) et l'American Association of Ambulatory Surgery Centers (AAASC) ont fusionn . L'ASCA sert d'organisation nationale de membres ainsi que de groupe de d fense des ASC.21 L'ASCA travaille avec les organismes l gislatifs et r glementaires, assure la liaison avec d'autres organisations pour am liorer l'acc s, r duire les co ts des soins de sant , encourager la couverture d'assurance des proc dures ambulatoires, et travaille l tablissement de normes pour les ASC. L'ASCA exige que tous les membres de ses tablissements soient accr dit s, agr s ou certifi s Medicare. L'ASCA a jou un r le d terminant dans la cr ation de l'organisme d'accr ditation qui est aujourd'hui le plus grand organisme d'accr ditation de centres de chirurgie ambulatoire du pays.22Co tsAujourd'hui, plus de 5 300 ASC certifi s Medicare offrent des services similaires ceux dispens s dans les HOPD, et ce un co t plus lev . t |
Chirurgie de Schwartz | arif efficace avec des co ts inf rieurs. Les ASC peuvent y parvenir en r duisant les d penses administratives et les frais g n raux.5 Les d penses d'un ASC comprennent les salaires du personnel, l'assurance, les services publics, le loyer, les services de conciergerie, ainsi que les ressources n cessaires pour g rer les dossiers des patients, y compris les syst mes technologiques. Les ASC sont en mesure de planifier des proc dures sans risque que les interventions chirurgicales soient d plac es ou annul es en raison d'urgences. De plus, les ASC permettent aux patients de rentrer chez eux le m me jour, passant ainsi moins de temps avec le personnel dans les salles de r veil postop ratoires. Depuis 1982, Medicare couvre les proc dures chirurgicales dispens es dans les ASC.21 Il existe deux principaux l ments du co t total dans un ASC. intervention chirurgicale : le co t des services professionnels des m decins et le co t de l' tablissement. En r gle g n rale, les prestataires facturent les services professionnels s par ment, tandis que les co ts des installations sont pay s aux ASC. Actuellement, Medicare propose des paiements s par s pour 3 500 interventions chirurgicales dans le cadre du syst me de paiement ASC.5 Le syst me de paiement est g r par CMS, qui ajuste les tarifs chaque ann e pour maintenir la neutralit budg taire. Gr ce la loi Medicare Prescription Drug, Improvement, and Modernisation Act de 2003, les paiements aux ASC sont bas s sur le syst me de paiement prospectif pour les patients ambulatoires (OPPS) et plafonn s 59 % au maximum de ce qui est pay aux h pitaux pour le m me service.5Au cours de la p riode De 2008 2011, la croissance du nombre d ASC s est stabilis e. Le syst me a permis d' conomiser environ 7,5 milliards de dollars pour le programme Medicare et ses b n ficiaires.5 Cependant, la croissance du volume des proc dures pendant cette p riode a t plus importante dans les ASC que dans les h pitaux. .3 Cela sugg re que les m decins et les patients pr f raient toujours utiliser Les ASC, probablement en raison des avantages en termes de co t, de commodit , de confort ou de l'incapacit des h pitaux r pondre la demande de chirurgies ambulatoires. Qualit La majorit des centres de chirurgie ambulatoire garantissent la s curit en maintenant la certification et l'autorisation des installations et du personnel associ . Il existe des r glementations strictes aux niveaux tatique et f d ral qui garantissent la qualit des ASC, qui ont t d taill es pr c demment. Les ASC sont soumis aux m mes normes de soins lev es que tous les tablissements m dicaux am ricains. Ils ont des taux comparables d'utilisation d'antibiotiques p riop ratoires, de chutes de patients, de chirurgie au mauvais site et d'utilisation de listes de contr le de s curit .23 l' chelle nationale et parmi toutes les proc dures, de 2014 2016, moins de 2 % de toutes les visites dans les ASC ont abouti un accident impr vu. visite l h pital dans les 7 jours.5 Parmi ces visites l h pital, 1,6 % taient des s jours aux urgences ou des s jours d observation, et 0,6 % taient des admissions impr vues de patients hospitalis s.24 CMS est travaille d velopper une nouvelle mesure de qualit qui permettra de suivre les hospitalisations impr vues apr s les soins dans un ASC. Cela contribuerait cr er davantage de donn es sur la qualit des ASC. En raison de la nature isol e des ASC, les prestataires ignorent souvent lorsqu un patient se pr sente aux urgences ou est admis dans un h pital non affili la suite d une intervention. Ainsi, une telle mesure du CMS aidera duquer les prestataires et permettra une am lioration continue de la qualit parmi les ASC. En ce qui concerne la population chirurgicale g n rale, la chol cystectomie repr sente une proc dure cl suivre car elle est fr quemment pratiqu e, n cessite des comp tences techniques et peut entra ner de graves complications. condition que les patients soient s lectionn s de mani re appropri e, il a t d montr que la chol cystectomie ambulatoire peut tre r alis e en toute s curit dans les ASC. Les ASC facturent beaucoup moins pour effectuer cette proc dure apr s contr le de la vari t d'indications (m diane de 6 028 $ pour les ASC contre 10 876 $ pour les HOPD).25 Propri t En 2017, 90 % des ASC sont la propri t partielle ou totale d'un m decin, tandis que 25 30 % des ASC appartiennent au moins en partie aux h pitaux, contrairement aux HOPD, qui sont par d finition d tenus et exploit s exclusivement par les h pitaux. h pital. Une tendance se d veloppe selon laquelle les h pitaux acqui rent des participations dans les ASC en raison de leur rentabilit et comme moyen de diversifier les sources de revenus.26 Les m decins ont jou un r le moteur dans le d veloppement des ASC en tant propri taires et en construisant de nouvelles installations. La possession d'un ASC offre de nombreux avantages vidents au m decin en raison du contr le et de l'autonom |
Chirurgie de Schwartz | ie accrus sur sa pratique. Certains avantages incluent la facilit de planification, des d lais d'attente plus courts pour amener les patients une intervention chirurgicale lective et la possibilit d'embaucher du personnel sp cialement form et hautement qualifi . Les m decins peuvent galement viter les bureaucraties d'un h pital, notamment l'annulation d'interventions chirurgicales lectives pour faire place des interventions chirurgicales urgentes et aux retards dus des interventions chirurgicales plus compliqu es. Ils peuvent galement s'assurer que l' tablissement dispose d'un quipement sp cialis pour leur sp cialit particuli re et concevoir l' tablissement pour r pondre leurs besoins sp cifiques.26 De plus, les m decins qui pratiquent des interventions chirurgicales dans leur propre ASC re oivent une part du paiement de l' tablissement en plus du paiement de leur prestations professionnelles. Cela pourrait pr senter un conflit d'int r ts en termes de orienter les patients et abaisser le seuil d'acc s la chirurgie, comme indiqu plus en d tail dans la section suivante. Potentiel de conflit d'int r ts Environ 90 % des ASC l' chelle nationale d tiennent au moins une certaine participation des m decins. Beaucoup sont des coentreprises entre h pitaux et m decins.27 L investissement croissant dans ces centres peut s expliquer de plusieurs mani res, notamment une tentative des prestataires d exercer un plus grand contr le sur leur vie professionnelle, par exemple en ayant une plus grande autorit dans la planification des interventions chirurgicales. et dans l'achat d' quipement. Alternativement, cette tendance en mati re d investissement peut s expliquer par la baisse des remboursements des services m dicaux et par la hausse des co ts de pratique. Ces pressions conomiques ont intensifi l int r t des prestataires pour les sources de revenus non traditionnelles, telles que les investissements en ASC, comme moyen de g n rer des revenus. La propri t permet aux m decins de percevoir une part des b n fices de l tablissement provenant des r f rences, en plus de leurs honoraires professionnels. Un conflit d int r ts potentiel r side dans le fait que les m decins propri taires pourraient abaisser leurs seuils d intervention, exposant ainsi le patient et le syst me de sant aux pr judices et aux co ts associ s un traitement inutile. Apr s ajustement des diff rences entre les patients et les march s des soins de sant , il a t constat que les m decins propri taires d un ASC effectuent un nombre plus lev d interventions que les m decins non propri taires dans les m mes tablissements.27 Il a t not que l augmentation de la chirurgie ambulatoire dans les m mes tablissements. Les ASC repr sentaient plus du double du d clin des proc dures similaires effectu es en milieu hospitalier.28-29 L'autre conflit potentiel dans la propri t des ASC par les m decins concerne la r f rence des patients. Il existe certaines preuves selon lesquelles les m decins d tenant une participation dans la propri t peuvent orienter les patients bien assur s vers leurs propres tablissements tout en orientant les patients Medicare et Medicaid vers les cliniques externes des h pitaux.30-32Ind pendamment de la raison de l augmentation des investissements et de l utilisation des ASC, il est Il est important de noter que la propri t de l ASC cr e un conflit d int r ts potentiel pour les m decins. Aux tats-Unis, les int r ts financiers des m decins sont fortement r glement s par la loi Stark. Il peut s agir d un accord d investissement financier, d emploi ou de compensation. Pour viter les conflits d'int r ts et les violations potentielles de la loi, les m decins devraient consulter des avocats et des conseillers comp tents en droit m dical et en thique avant d'entamer une relation financi re.33 D FIS Remboursement Les conomies r alis es gr ce l'utilisation des ASC profitent principalement au patient et au syst me de sant . Le remboursement aux ASC pour les services fournis est, en cons quence directe, inf rieur au remboursement vers aux h pitaux pour les m mes proc dures. Il appartient aux ASC, qui fonctionnent comme des soci t s priv es, de trouver du profit et de la viabilit en maintenant leurs co ts un niveau bas gr ce l'efficacit et au personnel. Certaines mesures sugg r es pour am liorer la viabilit financi re du maintien d'un ASC comprennent l'augmentation de la vari t des proc dures propos es et le regroupement des interventions chirurgicales de mani re maximiser l'utilisation du personnel.34 S lection des patients. L'utilisation s re des ASC est bas e sur l'identification des patients qui sont peu susceptibles d'en avoir besoin. admission l h pital apr s leur intervention. Jusqu pr sent, les ASC r ussissent tr s bien dans cet aspect. Les admissions non planifi es apr s une chirurgie ambulatoire surviennent dans environ 0,5 % 2,0 % des cas.5,35-37 l'avenir, les ASC seront mis au d fi de r |
Chirurgie de Schwartz | duire encore davantage ce taux d'admissions impr vues. Les patients b n ficiant d'une assurance Medicaid, le revenu m dian des m nages est plus faible, et un plus grand fardeau de comorbidit pr op ratoire ont le Brunicardi_Ch52_p2153-p2162.indd 215928/02/19 16:17 2160SP CIFIQUE CONSID RATIONSPARTIE IILes risques les plus lev s de recours non planifi aux soins de courte dur e. Ces patients peuvent b n ficier d'interventions qui am liorent et rationalisent le suivi postop ratoire.38 De plus, les co ts potentiels associ s aux soins aigus postop ratoires la suite d'interventions effectu es dans les ASC ne sont pas n gligeables. Les facteurs pr dictifs sp cifiques au patient d'une hospitalisation impr vue comprennent l' ge de 65 ans ou plus, une dur e d'op ration pr vue sup rieure 120 minutes, des comorbidit s cardiaques, une maladie vasculaire p riph rique, une maladie c r brovasculaire, une tumeur maligne, une positivit au virus de l'immunod ficience humaine (VIH) et une anesth sie r gionale ou g n rale. utilisation.39Le pr dicteur le plus puissant d'une hospitalisation impr vue d'un patient tait les ant c dents individuels d'hospitalisations ant rieures de chaque patient, en particulier chez les personnes g es. Les personnes afro-am ricaines et hispaniques pr sentent galement un risque nettement lev d hospitalisation, probablement li des probl mes culturels ou socio- conomiques d acc s aux soins.40 Ces mesures peuvent constituer une cible pr cieuse pour l am lioration de la qualit , l am lioration des co ts et l innovation. par rapport aux services ambulatoires des h pitaux et aux suites chirurgicales en cabinetLa concurrence augmente entre les ASC, les HOPD et les cabinets chirurgicaux en cabinet. Les m mes am liorations apport es l'anesth sie et l' quipement chirurgical qui ont permis de r aliser en toute s curit la chirurgie ambulatoire dans un ASC autonome ont galement conduit un nombre croissant de blocs op ratoires et de HOPD en cabinet. Des proc dures telles que les soins dentaires, ophtalmologiques, l endoscopie, la chirurgie esth tique et la liposuccion sont de plus en plus pratiqu es dans des cabinets m dicaux.41 Les cabinets de m decins sont soumis une surveillance r glementaire moindre que les ASC et les HOPD. Cela a donn lieu au ph nom ne de d rive de la pratique , par laquelle les m decins effectuent des proc dures en dehors de leur champ d exercice habituel. Malgr plusieurs v nements ind sirables tr s m diatis s dans les m dias profanes, des tudes prospectives ont d montr que les suites chirurgicales en cabinet taient d'une s curit similaire.41,42 Une tude r cente et de grande envergure dans le domaine de la chirurgie esth tique a compar les proc dures en milieu hospitalier avec les suites chirurgicales en cabinet. et avec les ASC et a constat que les suites chirurgicales accr dit es en cabinet constituaient une alternative s re aux ASC et aux h pitaux.43Population vieillissanteAvec un risque accru de complications li es la chirurgie, la population des personnes g es repr sente un d fi unique pour les ASC. Les ASC doivent tre pr par s aux complications pouvant survenir lors d op rations sur des patients g s, et ils doivent le faire sans les m mes ressources qu un h pital. Le b n fice potentiel de la chirurgie ambulatoire pour les patients g s est toutefois substantiel, car les personnes g es souffrent souvent de dysfonctionnements cognitifs postop ratoires en milieu hospitalier, qui peuvent tre minimis s par une sortie pr coce.44 Les avantages suppl mentaires incluent un co t moindre pour les patients revenu fixe et augmentation du temps et du confort la maison.CONCLUSIONLes ASC repr sentent un avantage important pour la soci t en raison de leur potentiel r duire le fardeau financier du syst me de sant sur l' conomie. Dans le m me temps, les ASC fournissent galement des soins de haute qualit , centr s sur le patient et sa famille et pratiques pour les prestataires. Les ASC r duisent la dur e du s jour et minimisent les retards et les annulations chirurgicales. l avenir, la qualit de l ASC sera rigoureusement suivie gr ce une surveillance r glementaire et une collecte de donn es accrues. L avenir des centres de chirurgie ambulatoire reste prometteur. Le nombre de cas augmente dans de nombreuses sp cialit s, notamment la chirurgie g n rale, la chirurgie plastique, les pratiques vasculaires, urologiques et orthop diques. Les chirurgiens doivent suivre de pr s la maturation de la chirurgie ambulatoire. R F RENCESLes entr es surlign es en bleu vif sont des r f rences cl s.1. Senagore EAJ. Centres de chirurgie ambulatoire. Dans : Encyclop die de chirurgie. 1 re d. Farmington Hills, Michigan : Groupe Gale ; 2004 : 37-43. 2. Hall MJ, Schwartzman A, Zhang J, Liu X. Donn es sur la chirurgie ambulatoire des h pitaux et centres de chirurgie ambulatoire : tats-Unis, 2010. Natl Health Stat Report. 2017;(102):1-15. 3. Cullen KA, Hall MJ, |
Chirurgie de Schwartz | Golosinskiy A. Chirurgie ambulatoire aux tats-Unis, 2006. Natl Health Stat Report. 2009;(11):1-25. 4. Munnich EL, Parente S. Les proc dures prennent moins de temps dans les centres de chirurgie ambulatoire, ce qui r duit les co ts et augmente la capacit r pondre la demande. Affaires de sant 2014;33(5):764-769. 5. Commission consultative sur le paiement de Medicare. 2018. Rapport au Congr s : Politique de paiement de Medicare. Washington, DC : MedPAC. Disponible sur : http://www.medpac.gov/-documents-/reports. Consult le 27 ao t 2016. 6. Advancing Surgical Care Association. conomies de co ts Medicare li es aux ASC. 2013. Disponible sur : http://www.advancingsururgicalcare.com/medicarecost savings. Consult le 27 ao t 2018. 7. Soins de sant d finitifs. Top 10 des proc dures ambulatoires dans les ASC et les h pitaux. 2014. Disponible sur : https://www.definitivehc.com/news/top-10-outpatient-procedures-at-ascs-and-hospitals. Consult le 27 ao t 2018. 8. Nicoll J. La chirurgie de la petite enfance. Fr. Med J. 1909;18:753-754. 9. Eger EI, Saidman LJ, Westhorpe RN, d. La merveilleuse histoire de l'anesth sie. New York : Springer ; 2014. 10. Le rapport. R publique de l'Arizona. 10 septembre 1970. 11. Association des centres de chirurgie ambulatoire. Regarder en arri re et regarder vers l avant l o tout a commenc . Mise jour FASA. Mai/juin 2004. 12. OrkandDS. valuation comparative des co ts, de la qualit et des effets du syst me de la chirurgie ambulatoire pratiqu e dans des contextes alternatifs : rapport final. Washington : D partement am ricain de la sant , de l' ducation et du bien- tre social, Administration du financement des soins de sant , Bureau de planification politique et de recherche ; 1977. 13. Association des centres de chirurgie ambulatoire. Nombre d'ASC par tat. Les ASC : une tendance positive dans le domaine de la sant . Faire progresser les soins chirurgicaux. Juin 2017. Disponible sur : https://www.ascassociation.org/advancingsururgicalcare/asc/numberofascsperstate. Consult le 27 ao t 2018. 14. Koenig L, Doherty J, Dreyfus J, Xanthapoulos J. Une analyse de la croissance r cente des centres chirurgicaux ambulatoires. KNG Consultation. 5 juin 2009. Disponible : http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.512.4498&rep=rep1&type= pdf 15. Association du centre de chirurgie ambulatoire du Colorado. Historique du centre de chirurgie ambulatoire. Disponible sur : https://www.coloradoasc.org/general-resources/asc-history/. Consult le 27 ao t 2018. 16. Centres de services Medicare et Medicaid. Aper u. www .cms.gov/Medicare/Medicare-Fee-for Service-Payment/ASCPayment/index.html. 17. Manchikanti L. Centres de chirurgie ambulatoire et techniques d'intervention : un regard sur la survie long terme. M decin de la douleur. 2011;14(2):177-215. 18. Association des centres de chirurgie ambulatoire. Qu'est-ce qu'un ASC ? Disponible : https://www.advancingsururgicalcare.com/ advancingsururgicalcare/asc/whatisanasc, consult le 27 ao t 2018. 19. Hair B, Hussey P, Wynn B. Une comparaison des dur es p riop ratoires ambulatoires dans les h pitaux et propri taires ind pendants. Suis J Surg. 2012;204(1):23-27.20. Trentman TL, Mueller JT, Gray RJ, Pockaj BA, Simula DV. Chirurgie ambulatoire r alis e dans un centre de chirurgie ambulatoire Brunicardi_Ch52_p2153- p2162.indd 216028/02/19 4:17 PM 2161CHIRURGIE AMBULATOIRECHAPITRE 52par rapport un h pital : comparaison des intervalles de temps p riop ratoires. Suis J Surg. 2010;200(1):64-67. 21. Rechtoris M. 51 choses savoir sur l'industrie ASC. Revue ASC de Becker. Disponible : https://www.beckersasc.com/asc-turnarounds-ideas-to-improve-performance/50-things-to-know-about the-asc-industry-2017.html. Consult le 27 ao t 2018. 22. Association des centres de chirurgie ambulatoire. Certification Medicare. Disponible sur : www.ascassociation.org/federalregula-tions/medicarecertification. Consult le 27 ao t 2018. 23. Collaboration sur la qualit des centres de chirurgie ambulatoire. Trimestriel Rapport, 2e trimestre 2018. http://www.ascquality.org/qualityre-port.cfm. 24. Dickson V. CMS cherche examiner de plus pr s la qualit des soins dans les centres chirurgicaux ambulatoires. Soins de sant modernes. 2017. Disponible sur : http://www.modernhealthcare.com/article/20170711/NEWS/170719987. Consult le 27 ao t 2018. 25. Paquette IM, Smink D, Finlayson SR. Chol cystectomie ambulatoire dans les h pitaux versus centres chirurgicaux ambulatoires autonomes. J Am Coll Surg. 2008;206(2):301-305. 26. Association des centres de chirurgie ambulatoire. Avantages de la propri t d un m decin. 2011. Disponible sur : https://www.advancingsururgicalcare. com/asc/benefitsofphysicianownership. Consult le 27 ao t 2018. 27. Becker's Hospital Review. Tendances en mati re de propri t d'ASC en 2017 : op rations de coentreprise plus complexes. Disponible sur : www.beckershospitalreview.com/hospital-transactions-and-valuation/asc-owners |
Chirurgie de Schwartz | hip Trends-in-2017-more-complex-joint-venture-deals.html. Consult le 27 ao t 2018. 28. Conrad DA, Sales A, Liang SY, et al. Impact des incitations financi res sur la productivit des m decins dans les groupes m dicaux. R s. des services de sant . 2002;37(4):885-906. 29. Hollenbeck BK, Dunn RL, Suskind AM, Strope SA, Zhang Y, Hollingsworth JM. Les centres de chirurgie ambulatoire et leurs effets attendus sur la chirurgie ambulatoire. R s. des services de sant . 2015;50(5):1491-1507. 30. Plotske MR, Courtmanche C. La rentabilit de l'intervention a-t-elle un impact sur le fait qu'une chirurgie ambulatoire soit r alis e dans un centre de chirurgie ambulatoire ou dans un h pital ? conomie de la sant . 20(7):817-830. 31. Mitchell JM. Effet de la possession par un m decin d'h pitaux sp cialis s et de centres de chirurgie ambulatoire sur la fr quence de recours la chirurgie orthop dique ambulatoire. Arch Surg. 2010;145(8):732-738. 32. Gable JR, Fahlman C, Kang R, Wozniak G, Kletke P, Hay JW. O dois-je t'envoyer ? La propri t d un m decin affecte-t-elle les mod les d orientation vers les centres de chirurgie ambulatoire ? Affaires de sant . 2008;27(3):165-174. 33. D partement am ricain de la Sant et des Services sociaux. Bureau de l'Inspecteur g n ral. Une feuille de route pour les nouveaux m decins : lois sur la fraude et les abus. Disponible sur : oig.hhs.gov/compliance/physician-education/01laws.asp. Consult le 27 ao t 2018. 34. American College of Surgeons. Votre syst me de sant devrait-il investir dans un centre de chirurgie ambulatoire ? Un cadre de prise de d cision [Internet]. Bulletin de l'American College of Surgeons. 2017 [cit le 28 novembre 2018] ; Disponible sur : http://bulletin.facs.org/2017/11/should-your-health-care-system-invest-in-an-ambulatory Surgery-center-a-decision-making-framework/. 35. Mezei G, Chung F. Visites de retour l'h pital et r admissions l'h pital apr s une chirurgie ambulatoire. Ann Surg. 1999;230(5):721-727. 36. Twersky R, Fishman D, Homel P. Que se passe-t-il apr s la sortie ? Visites de retour l h pital apr s une chirurgie ambulatoire. Anesth Analg. 1997;84 : 319-324.37. Fox JP, Vashi AA, Ross JS et Gross CP. Soins aigus en milieu hospitalier apr s la sortie du centre ambulatoire. Chirurgie. 2014;155(5) : 743-753. 38. Molina G, Neville BA, Lipsitz SR, Gibbons L, Childers AK et al. Utilisation des soins aigus postop ratoires apr s une chirurgie ambulatoire autonome. J Surg R s. 2016;205(2):331-340. 39. Fleisher LA, Pasternak LR, Lyles A. Un nouvel indice de risque lev d'admission l'h pital pour patients hospitalis s imm diatement apr s une chirurgie ambulatoire. Arch Surg. 2007;142(3):263-268. 40. Fleisher LA, Pasternak LR, Herbert R, Anderson GF. Admission l'h pital et d c s apr s une chirurgie ambulatoire chez les patients g s : importance des caract ristiques du patient et du syst me et du lieu de soins. Arch Surg. 2004;139(1):67-72. 41. Urman RD, Punwani N, Shapiro FE. Interventions chirurgicales et m dicales en cabinet : lacunes ducatives. Ochsner J 2012 ; 12(4):383-388. 42. Coldiron B, Shreve E, Balkrishnan R. Blessures de patients dues des interventions chirurgicales effectu es dans des cabinets m dicaux : trois ann es de donn es de Floride. Dermatol Surg. 2004;30(12 pt 1):1435-1443, discussion 1443. 43. Gupta V, Parikh R, Nguyen L, et al. La chirurgie en cabinet est-elle s re ? Comparaison des r sultats de 183 914 interventions chirurgicales esth tiques dans diff rents types d tablissements accr dit s. Aesthet Surg J. 2017;37(2):226-235. 44. Aurini L, White P. Anesth sie pour les personnes g es ambulatoires. Avis actuel sur l'anesth siol. 2014;27:563-575.Brunicardi_Ch52_p2153-p2162.indd 216128/02/19 16:17 Brunicardi_Ch52_p2153-p2162.indd 216228/02/19 16:17Cette page est intentionnellement laiss e vierge CONTEXTEIntroductionLe mod le am ricain de formation chirurgicale de base s'inspire de celui tabli par William Steward Halsted l'h pital Johns Hopkins la fin du 19e si cle. Traditionnellement, il s'agit d'un syst me d'apprentissage r glement avec des augmentations progressives de la responsabilit clinique des chirurgiens r sidents sur une p riode de temps sp cifi e, culminant avec l'espoir qu'une pratique chirurgicale ind pendante sera possible sa conclusion. M me si cette approche s est r v l e efficace tout au long du XXe si cle, le rythme des changements dans la prestation des soins de sant et dans la soci t elle-m me a rendu n cessaire de nouvelles approches en mati re d ducation et de formation. Parmi les changements importants auxquels la communaut de formation chirurgicale a d faire face figurent une gamme croissante de th rapies m dicales et chirurgicales, des technologies complexes, nouvelles et parfois perturbatrices qui progressent un rythme vertigineux, et une reconnaissance croissante des possibilit s d'erreurs et d'effets ind sirables. r sultats en raison d une pr paration inad quate ce nouveau monde de la p |
Chirurgie de Schwartz | ratique chirurgicale.1 L appr ciation de l ampleur et des cons quences insidieuses des erreurs m dicales a commenc s imposer dans les ann es 1990, lorsque le rapport r volutionnaire de l Institut de m decine L erreur est humaine a t pr sent Le public a un tableau d sastreux de la fr quence et des implications des erreurs m dicales.2 Parmi les nouvelles approches propos es pour r soudre ce probl me figurait le recours la formation par simulation. La simulation est l'imitation d'une condition ou d'un v nement r el ou possible du monde r el. Le degr auquel une simulation ressemble son homologue du monde r el d crit sa fid lit . Il existe d'innombrables applications sp cifiques de la simulation pour former ou valuer les performances humaines sur des t ches anticip es du monde r el. En tant que tel, il s agit d un outil pr cieux dot d un grand potentiel pour accro tre la s curit dans des entreprises enjeux lev s telles que l aviation commerciale, la formation militaire et la production d nergie nucl aire. Ce sont l quelques domaines dans lesquels une telle formation a t mise en uvre avec succ s. Avec l av nement de l informatique num rique largement disponible, le niveau de technologie appliqu la simulation et aux simulateurs a rendu possible une fid lit quasi totale. De plus, les d penses normes associ es la simulation de vol en mouvement complet, par exemple, ont t rendues acceptables par des gains de s curit qui profitent des populations enti res. En m decine, le r le de la simulation a t progressivement accept pour atteindre ces m mes objectifs, ce qui a conduit une gamme de m thodes et d utilisations de simulation ciblant sp cifiquement les prestataires chirurgicaux tous les niveaux. La justification fondamentale de l'engagement de ressources dans la simulation est d'ordre thique : r duire les risques pour les patients associ s des proc dures chirurgicales invasives ou la gestion de probl mes cliniques complexes. Les m thodes de simulation offrent aux apprenants en chirurgie la possibilit de mettre en pratique leurs comp tences dans des conditions s res en vue de se pr parer des exp riences cliniques et d' tre valu s et jug s pr ts pour ces rencontres. Laboratoires de comp tences et formation professionnelle L'histoire de la formation aux comp tences chirurgicales en dehors du fonctionnement clinique La salle d'op ration (OR) est longue et implique la pratique de comp tences et de proc dures chirurgicales utilisant divers mod les, notamment des animaux et des cadavres. De nouvelles pratiques de formation, notamment l'utilisation de la simulation en laboratoire, sont apparues et se concentrent sur l' valuation objective des comp tences et l' tablissement de niveaux de comp tence sp cifiques et d finis. Ces approches bas es sur l' valuation sont des d veloppements p dagogiques relativement r cents et sont mises en uvre comme moyen d'am liorer les comp tences des chirurgiens dans un environnement s r pour les apprenants et les patients.3 L'utilisation de mod les de paillasse inanim s pour tester les comp tences chirurgicales a n cessit un saut dans le monde de la validation des m thodologies de mesure. Le plus important de ces efforts pionniers a t la mise en uvre de l objectif Comp tences et simulationNeal E. Seymour et Carla M. Pugh 53chapitreContexte2163Introduction / 2163Labos de comp tences et formation professionnelle / 2163Fondements scientifiques de l utilisation du simulateur / 2165Simulation dans les tudes m dicales sup rieures / 2165 Bootcamps / 2166Sp cifique Formation et valuation par simulation Applications2166Formation des comp tences chirurgicales de base / 2166Fondamentaux de la chirurgie laparoscopique / 2168Mod les de banc pour la formation de comp tences proc durales sp cifiques / 2168Transfert de formation / 2169R alit virtuelle / 2169R alit virtuelle pour l'endoscopie flexible / 2172R alit virtuelle pour les interventions endovasculaires / 2173Chirurgie VR sp cifique au patient Simulation / 2174Simulateurs de chirurgie robotique / 2174Fondamentaux de la chirurgie robotique / 2174Comp tences non techniques2175Simulation de patients haute fid lit et comp tences d' quipe / 2175Pr vention des erreurs2177Simulation et r sultats pour les patients2178Formation par simulation pour le chirurgien en exercice et maintien des comp tences2179Futur Consid rations2179Brunicardi_Ch53_p2163-p2186.indd 216322/02/19 4:39 PM 2164Points cl s1 L'apprentissage des comp tences de base sur le lieu de soins impose des inefficacit s qui pourraient tr s bien mettre en danger le soutien la mission ducative.2 En 2006, le Conseil d'accr ditation pour l'enseignement m dical sup rieur Le Comit d'examen des r sidences en chirurgie a institu une exigence formelle pour la formation par simulation en r sidence en chirurgie.3 Il a t d montr que la formation aux comp tences proc durales dans un environnement simul peut tre transf r e au contex |
Chirurgie de Schwartz | te clinique r el.4 Les premi res tudes sur la formation en r alit virtuelle utilisant la fois des comp tences et des Les m thodes de formation non bas es sur les comp tences ont montr qu'il s'agissait d'un moyen efficace d'am liorer les comp tences laparoscopiques en laboratoire et en salle d'op ration par rapport aux contr les non form s la r alit virtuelle.5 Utilisation de la formation bas e sur les comp tences dans le contexte d'un un programme plus large semble tre le meilleur moyen d'obtenir de bons r sultats de formation, quelle que soit la plateforme de formation utilis e.6 Lors de l' valuation de la validit des simulateurs, les chercheurs ont not que l'utilisation de simulateurs de chirurgie robotique se traduit effectivement par l'environnement clinique et la courbe d'apprentissage pour la formation initiale sur console. pour les chirurgiens est consid rablement diminu .7 La formation par simulation pour la communication et d'autres comp tences non techniques li es au travail d' quipe n cessite que les apprenants soient int gr s dans des sc narios r alistes pertinents aux responsabilit s cliniques r elles d'une quipe de soins de sant .8 La technologie de simulation donne aux stagiaires la possibilit d'ex cuter une vari t de t ches et de proc dures tout en exp rimentant les capacit s cognitives. exigences de la chirurgie, y compris la correction des erreurs et les d cisions de planification chirurgicale.9 L avenir imm diat de la simulation en chirurgie verra probablement une utilisation accrue de la formation bas e sur les comp tences, compte tenu des d monstrations constantes d efficacit dans l am lioration des comp tences des chirurgiens et de l am lioration des r sultats ducatifs tels que mesur s. en milieu clinique.10Les progr s des technologies portables, de suivi de mouvement et de capteurs permettent une grande vari t d'exp riences hybrides et augment es en simulation ainsi que de nombreuses opportunit s pour le d veloppement de nouvelles mesures de performance. valuation structur e des comp tences techniques (OSATS ) programme par des ducateurs de l'Universit de Toronto.4,5 Utilisation d'une s rie de mod les physiques reproductibles de t ches chirurgicales (excision d'une l sion cutan e, anastomose intestinale, insertion d'un tube en T et fermeture de la paroi abdominale) et des instruments d' valuation soigneusement con us, il a t possible de d montrer la validit de ces mesures par rapport aux comp tences manifest es lors d'une intervention chirurgicale sur des mod les animaux. Cette d monstration de la mesure pratique des comp tences en laboratoire, o l'observation des fins d' valuation des comp tences peut tre plus facilement r alis e, a t d terminante en suscitant la fois un int r t suppl mentaire pour la formation en laboratoire et pour la simulation en tant que m thode de formation dominante pour les chirurgiens. L'av nement de la chirurgie g n rale laparoscopique la fin des ann es 1980 et au d but des ann es 1990, une technologie r volutionnaire l' poque, a t un moteur majeur pour l'utilisation de la simulation chirurgicale pour acqu rir des comp tences peu famili res et non intuitives. n cessaires pour effectuer en toute s curit une chirurgie vid oscopique acc s limit . La reconnaissance du fait que le risque de l sion des voies biliaires est augment par l'inexp rience du chirurgien a stimul l'int r t pour la simulation afin de s parer une composante de la courbe d'apprentissage psychomoteur pour la laparoscopie du bloc op ratoire clinique et du patient en la transf rant au laboratoire de formation.6-8 En m me temps , l'int r t pour la science de l'acquisition et de la mesure des comp tences a rendu les efforts visant acqu rir des comp tences chirurgicales gr ce la simulation plus significatifs. Les caract ristiques de performance mesur es de chirurgiens exp riment s ont fini par tre appr ci es comme cibles d apprentissage utiles pour les apprenants en chirurgie moins exp riment s, et le concept de formation bas e sur les comp tences a commenc tre mis en uvre avec succ s non seulement des fins de recherche mais galement pour l ducation formative.9 Au d but de la simulation Pour tre utilis s plus largement et que les laboratoires de comp tences ont volu ou ont fusionn avec des centres de formation multidisciplinaires utilisant la simulation comme m thode d'enseignement principale, la reconnaissance de ces centres en tant que points focaux pour l'enseignement chirurgical s'est galement accrue. La Division de l ducation de l American College of Surgeons (ACS) a reconnu tr s t t que la formation par simulation tait une m thode ducative importante dont les chirurgiens pouvaient tirer parti et a commenc explorer les moyens de faciliter la croissance et mettre en place des centres de formation. En 2006, l ACS a commenc accr diter les centres d enseignement engag s dans la formation par simulation en tant qu instituts d en |
Chirurgie de Schwartz | seignement de niveau 1 (complet) et de niveau 2 (cibl ).10 D but 2017, le consortium de 95 instituts s tend d sormais dans le monde entier avec des centres aux tats-Unis. tats-Unis et Canada ainsi que plusieurs institutions l'ext rieur de l'Am rique du Nord. En 2007, l'American College of Surgeons et l'Association des directeurs de programme en chirurgie (APDS) ont lanc un projet fournir un programme de comp tences standardis pour les r sidents en chirurgie. Ces efforts ont donn naissance aux programmes de comp tences modulaires ACS-APDS qui repr sentent la premi re ressource compl te et largement disponible qui prescrit des exp riences de simulation comme principal moyen d'atteindre les objectifs ducatifs.11 Les ressources et les programmes sont facilement accessibles aux programmes de r sidence pour aborder l'apprentissage des r sidents en chirurgie. besoins et pour faciliter l utilisation des laboratoires de simulation, comme mandat par le Conseil d accr ditation pour l enseignement m dical sup rieur (ACGME). Les trois composantes du programme sont les comp tences techniques de base, les comp tences proc durales et les comp tences en quipe. Bien que ceux-ci aient t reconnus comme tant utiles et aient t utilis s pour r pondre aux besoins de formation des r sidents, leur mise en uvre a t limit e selon une enqu te r cente aupr s de programmes de r sidence.12 Des l ments du programme d tudes sur les comp tences de base auraient t utilis s par 36 % des r pondants, tandis que les modules de formation en mati re de proc dures et d quipe seraient utilis s par environ deux fois moins de programmes. N anmoins, l'article note que les m thodes de simulation ont impr gn l'enseignement chirurgical et que les diverses organisations concern es ont pris des mesures pour approuver ou mettre en uvre des programmes d'utilisation de la simulation. La n cessit d explorer l ducation bas e sur la simulation, comme l a d clar le Surgical Council on Resident Education (SCORE), sugg re une voie par laquelle les m thodes de simulation pourraient tre pleinement int gr es aux l ments cognitifs standardis s du programme de r sidence en chirurgie.13 Sur la base des tendances actuelles, un cadre de comp tences peut tre envisag qui combine des formes avanc es de Brunicardi_Ch53_p2163-p2186.indd 216422/02/19 4:39 PM 2165COMP TENCES ET SIMULATIONCHAPITRE 53apprentissage bas sur des normes utilisant la simulation et les performances mesur es en salle d'op ration des fins d'avancement et de certification des stagiaires. Fondements scientifiques de l'utilisation du simulateurL'hypoth se selon laquelle les comp tences techniques chirurgicales peuvent tre efficacement acquises et test es en dehors de la salle d'op ration sert de base pour une valuation des comp tences bas e sur la simulation avant, pendant et apr s la formation. Cette capacit permet la description explicite des caract ristiques de performance compr hensibles du chirurgien, y compris celles qui peuvent tre caract ris es comme des objectifs de formation souhaitables (par exemple, expert ). L'efficacit de mod les sp cifiques de formation peut galement tre v rifi e par des tudes comparatives examinant les param tres p dagogiques, tels que le taux d'apprentissage ou les performances testables soit dans des simulations, soit en milieu clinique. L'apprentissage bas sur la simulation a t d crit l'aide de divers mod les p dagogiques pour aider les ducateurs comprendre et exploiter les strat gies les plus efficaces pour atteindre les objectifs ducatifs. Le concept le plus fondamental utilis pour justifier le temps consacr la formation professionnelle est la perspective d atteindre des niveaux progressivement plus lev s de comp tences pertinentes aux soins cliniques. Pour les prestataires de soins m dicaux, cette progression est g n ralement li e au mod le d'apprentissage d crit par Dreyfus et Dreyfus.14 Ce mod le d crit les changements dans des fonctions mentales sp cifiques (souvenir, reconnaissance, d cision, conscience) associ s des tapes progressives dans la progression depuis statut de novice celui d'expert (Fig. 53-1). La pertinence de la description d'Anders Ericsson de la pratique d lib r e pour le d veloppement des comp tences cliniques est galement largement accept e.15 Cela repose sur le concept selon lequel la performance d'un expert est fondamentalement diff rente de la performance normale et r sulte de comportements qui refl tent une vie- longue p riode d'effort d lib r pour am liorer les performances dans un domaine sp cifique. 16 La volont d'atteindre la ma trise en chirurgie fournit un mod le d'aspiration pour l'utilisation de la simulation par le chirurgien, car l'opportunit d'une intervention d lib r e et r p titive la pratique de nombreuses comp tences dans le seul cadre clinique est insuffisante et dans de nombreux cas presque impossible. Pour que ce concept se traduise en r sultats p dagogiq |
Chirurgie de Schwartz | ues efficaces, l'enseignement bas sur la simulation doit tre de haute qualit et le cadre p dagogique cr pour son utilisation doit tre orient vers des objectifs p dagogiques soigneusement con us, r alisables et cliniquement pertinents.Simulation dans l'enseignement m dical sup rieurChirurgie la r sidence a t un domaine d'int r t particulier pour l'utilisation de la simulation dans l' valuation et la formation. La n cessit d un d veloppement s r et rapide des comp tences est particuli rement importante pour ce groupe d apprenants dont le temps de formation est limit et pour qui chaque heure consacr e l ducation doit tre prioris e pour avoir le plus grand impact. Les co ts directs suppl mentaires des soins op ratoires dans les tablissements de formation ont galement rendu imp rative la n cessit de dispenser une formation minimisant les implications n gatives de la participation des r sidents dans les cas chirurgicaux.17 L'apprentissage des comp tences de base sur le lieu de soins impose des inefficacit s qui pourraient tr s bien mettre en danger soutien la mission ducative.11. Transcend le recours aux r gles, aux lignes directrices et aux maximes2. Compr hension intuitive des situations bas e sur une compr hension approfondie3. A une vision de ce qui est possible4. Utilise une approche analytique dans des situations nouvellesExpertPro cient1. Vision holistique de la situation2. Donne la priorit l importance des aspects3. Per oit les carts par rapport au mod le normal4. Utilise des maximes titre indicatif, avec des significations qui s'adaptent la situation actuelleNovice1. Adh sion rigoureuse aux r gles ou aux plans enseign s2. Aucun exercice de jugement discr tionnaireAvanc d butant1. Perception situationnelle limit e2. Tous les aspects du travail trait s s par ment avec la m me importanceComp tent1. Faire face la surpopulation (activit s multiples, information)2. Une certaine perception des actions par rapport aux objectifs3. Planification d lib r e4. Formule des routinesFigure 53-1. Mod le Dreyfus d crivant le d veloppement progressif des comp tences. En chirurgie, des tapes sp cifiques d'expertise sont atteintes gr ce l'apprentissage cognitif, la pratique technique et l'exp rience et sont d finies par des caract ristiques cognitives et comportementales sp cifiques affectant la fa on dont nous percevons, traitons et agissons dans l'environnement de travail. (Reproduit avec la permission de l'Universit d'Australie du Sud ; Enseignement et apprentissage des sciences de la sant : https://lo.unisa.edu.au/mod/book/view.php?id=611284&chapterid=104113.)Brunicardi_Ch53_p2163- p2186.indd 216522 /02/19 16:39 2166SP CIFIQUE CONSID RATIONSPARTIE IIMalgr les premiers exemples de l'excellence dans l'utilisation des laboratoires de simulation et une disponibilit assez large, une enqu te sur les programmes de r sidence en 2006 a sugg r que la qualit de l'utilisation de la formation aux comp tences laparoscopiques tait probablement faible et que plus de la moiti n'utilisaient pas un programme d fini.18 galement en 2006, l'ACGME Residency Review Le Comit (RRC) de chirurgie a institu une exigence formelle pour la formation par simulation en r sidence en chirurgie.19 Bien que l'exigence de base du programme ne d finisse pas d'objectifs ducatifs sp cifiques, de r sultats de performance ou de m thodes sp cifiques utiliser, il y avait un mandat que la simulation dans l'enseignement chirurgical soit bas e sur des objectifs et qu'elle soit int gr e aux programmes de r sidence d'ici 2 ans. Depuis 2016, les exigences pertinentes du programme de base indiquent que les ressources doivent inclure des laboratoires de simulation et de comp tences et que ces installations doivent aborder l acquisition et le maintien des comp tences avec une m thode d valuation bas e sur les comp tences. 20 Depuis la notification initiale du besoin Pour mener cette formation, les activit s mandat es se sont largies avec l'association des d clarations de l'ACGME et des nouvelles exigences de l'American Board of Surgery (ABS) pour les certifications en principes fondamentaux de la chirurgie laparoscopique (FLS ; institu e pour Dipl m s de r sidence 2010) et en Fondements de la chirurgie endoscopique (FES ; institu pour les dipl m s de r sidence 2018). Ces deux certifications exigent une pratique en laboratoire afin de r ussir les composants respectifs des tests de comp tences techniques. Des solutions de formation par simulation de haute et basse technologie et de fid lit , pr tes l'emploi, sont devenues disponibles pour la formation en laboratoire des r sidents en chirurgie. . Le contenu du programme tel que les modules de comp tences ACS-APDS est facilement disponible pour faciliter un niveau de mise en uvre suffisant pour r pondre aux exigences du RRC, bien que les m thodes de pr paration n'aient pas t sp cifiquement prescrites ni par l'ACGME ni par l'ABS. En 2015, l'ABS a mis une nouvelle |
Chirurgie de Schwartz | exigence concernant un programme d' tudes flexible en endoscopie (FEC) complet plusieurs niveaux associ la certification FES. Ce programme indique explicitement que les exigences exp rientielles des niveaux inf rieurs peuvent tre satisfaites avec des m thodes de simulation, mais il appartient aux programmes individuels de d cider en quoi consisterait la pratique pr paratoire en simulation pour leurs propres r sidents.21 Les options d'utilisation de la simulation dans la formation chirurgicale sont actuellement nombreuses et peuvent tre mises en uvre avec des installations et des quipements de base, mais la d termination utiliser ces m thodes avec succ s n cessite des efforts consid rables qui sont grandement aid s par des professeurs pleinement motiv s et engag s disposant de temps prot g . Il existe d sormais de nombreux guides et recommandations pour d marrer avec succ s un laboratoire de simulation chirurgicale.18,22-24 Bootcamps La formation pr paratoire la r sidence en chirurgie avant et imm diatement apr s le d but de la r sidence est d sormais une pratique p dagogique largement utilis e. La justification de ces programmes comprend le d veloppement pr coce de comp tences de base qui seraient d'une utilit vidente pour le nouveau stagiaire ainsi que la d termination du statut des comp tences de base qui serviraient d' valuation des besoins pour mod liser les efforts curriculaires cens s tre les plus appropri s pour le r sident individuel.25-27 La suggestion selon laquelle les nouveaux internes prodigueront des soins plus s rs a t tir e des r sultats d une formation pr paratoire intensive et de courte dur e qui montre que des niveaux plus lev s de comp tences mesur es en simulation sont r alisables par rapport la situation t moin de non-utilisation tel formation.28 Cependant, aucun des rapports actuels ne pr cise si une formation pr paratoire intensive aborde l effet juillet en am liorant l efficacit clinique au cours des premiers mois de la formation.28 Une grande partie de la formation et de l valuation au cours de ces programmes est r alis e l aide de m thodes de simulation. Aucune approche standardis e n'a encore t sugg r e et, l'heure actuelle, l'impact de composants sp cifiques de simulation est difficile valuer pour les tudiants seniors entrant dans la formation chirurgicale ou les nouveaux internes. Des recommandations judicieuses ce sujet attendent une tude plus approfondie. Une seule m ta-analyse des programmes postuniversitaires de camp d entra nement avant ou au d but de la r sidence a r v l que tous les programmes utilisaient des m thodes de simulation de haute et basse technologie comme l ment cl .29 Bien que l analyse inclue toutes les sp cialit s m dicales,93 % des tudes taient de nature chirurgicale, soulignant la valeur per ue de cette formation pr paratoire pour les nouveaux chirurgiens. Les tudes examin es taient celles dans lesquelles les effets avant et apr s l'entra nement taient mesur s d'une mani re ou d'une autre. Les donn es compil es ont r v l que les stagiaires qui ont termin les programmes ont connu une forte augmentation du d veloppement des comp tences, des connaissances et de la confiance en soi. En 2014, l ABS, l ACS, l APDS et l Association for Surgical Education, citant les preuves de l efficacit de ces d sormais nombreux cours pr paratoires, les ont officiellement approuv s comme une m thode utile pour positionner les tudiants de quatri me ann e et les internes en vue d une r ussite pr coce en r sidence.30 L'exposition pr alable la simulation chirurgicale peut influencer la d cision d'un tudiant en m decine de poursuivre une carri re chirurgicale reste d terminer. FORMATION SP CIFIQUE LA SIMULATION ET APPLICATIONS D' VALUATION Formation de base en chirurgie Comp tencesL'utilisation du laboratoire de simulation pour former les comp tences de base endoscopiques ouvertes, laparoscopiques et flexibles en pr paration aux soins et la pratique clinique constitue l'ensemble de pratiques de formation par simulation le plus accessible et le plus largement adopt . Dans cet gard, le terme formation bas e sur les comp tences (parfois utilis comme synonyme de formation bas e sur les comp tences ou bas e sur les objectifs) est souvent utilis et peut tre d fini comme l utilisation de normes de performance significatives comme objectifs p dagogiques pour la formation. Ce terme implique implicitement que si les normes de comp tence sont atteintes, un apprenant sera mieux plac pour atteindre un niveau souhaitable en milieu clinique. Il a t d montr que m me ces comp tences les plus l mentaires s'am liorent gr ce une formation bas e sur les comp tences.31 Les avantages suppl mentaires des approches bas es sur les comp tences en mati re de comp tences chirurgicales de base incluent la connaissance des besoins ducatifs sp cifiques d'un apprenant en chirurgie et la conception d'une feuille de route pl |
Chirurgie de Schwartz | us large pour un programme de comp tences qui envisage une progression vers une formation des comp tences plus avanc es. Les ducateurs de la Southern Illinois University ont mis en uvre un programme de pratique intensive en laboratoire des comp tences de base comme condition pr alable la participation des cas op ratoires. Appel V rification des comp tences , ce programme cible les stagiaires d butants pour valuer leurs comp tences l'aide d'instruments d' valuation de type OSATS, mais sa particularit est la d finition d'un niveau minimal de comp tences qui permettrait un r sident d'assumer le r le d'op rateur pour types de cas sp cifiques.32,33Plus r cemment, le concept de progression bas e sur les comp tences a t utilis pour d crire un processus formalis d utilisation de normes de comp tence s quenc es et un continuum d exp riences de simulation progressivement plus avanc es et stimulantes comme un potentiel futur mod le de formation.34 Un tel mod le couvrirait la p riode de temps n cessaire chaque apprenant pour passer des comp tences chirurgicales de base des comp tences plus avanc es. Comp tences chirurgicales ouvertes. Une vari t de mod les de paillasse pour la pratique et l' valuation des comp tences ouvertes de base sont disponibles, la plupart tant disponibles, la plupart tant disponibles. Asepsie et identification des instruments N uds Suture Lambeaux cutan s Greffes cutan es Cath t risme ur tral Gestion des voies respiratoires Insertion d'un drain thoracique Insertion d'un cath ter central Biopsie chirurgicale Ouverture et fermeture de laparotomie Comp tences de base en laparoscopie Comp tences avanc es en laparoscopie Anastomose intestinale cousue la main Anastomose intestinale agraf e Anastomose art rielle Figure 53-2. Mod le de fermeture de la paroi abdominale fabriqu partir de mat riaux couramment disponibles en utilisant les instructions du module du programme de comp tences de base de l'ACS-APDS pour cette t che. On conna t les t ches OSATS qui restent utilis es plus de 20 ans apr s leur cr ation. Le programme de comp tences de base de l'ACS APDS (tableau 53-1) constitue une ressource utile cet gard. En g n ral, les mod les basse fid lit sont plus rentables pour la formation r p titive, car la durabilit avec r utilisation peut tre meilleure que la haute fid lit . les mod les physiques et les co ts de remplacement peuvent tre minimis s pour de nombreuses t ches. Des exemples peuvent inclure des mod les simples de fermeture de la paroi abdominale (Fig. 53-2). L utilisation de mod les basse fid lit dans le cadre d un programme de formation bien formul peut tre tr s efficace pour accro tre les comp tences des r sidents, m me si une mesure de haute qualit peut demander beaucoup de travail. La formation sur les anastomoses intestinales et vasculaires a t un point d'int r t particuli rement important compte tenu de leur importance et de leur nature hautement technique dans la pratique clinique. Dans une analyse r cente de l'exp rience des r sidents en mati re d'anastomose gastro-intestinale, Nemeth a rapport que, bien que fr quemment pratiqu e (en moyenne 67 par r sident), l'exp rience d'anastomose avec agrafes pr domine pendant la formation (91 % des proc dures laparoscopiques et 82 % des proc dures ouvertes), ce qui sugg re un impact clinique relativement faible. exp rience avec les m thodes d'anastomose cousues la main, qui restent d'une importance cruciale.35 Des mod les d'anastomose intestinale simul e sont largement disponibles (Fig. 53-3), et il existe Il existe de nombreux rapports faisant tat d'un d veloppement r ussi de cette comp tence technique de base, bas sur un programme d' tudes, utilisant g n ralement les instruments d' valuation OSATS.36-38. Bien que des tudes plus approfondies soient n cessaires pour d montrer un effet clinique de cette formation, d'autres exp riences sugg rent fortement que l'utilisation d'une formation sur l'anastomose bas e sur les comp tences devrait tre la prochaine tape. Dans un exemple de la mani re dont cela pourrait tre utilis au profit des stagiaires, Palter a men un essai randomis sur l'utilisation d'un programme de comp tences techniques et cognitives bas sur les comp tences pour la fermeture de la paroi abdominale.39 La composante des comp tences techniques a utilis un mod le basse fid lit pour une valuation OSATS des performances du laboratoire et de la salle d op ration. Les r sidents du groupe d'intervention ont obtenu de meilleurs r sultats la fois en mati re de fermeture clinique de la paroi abdominale et d'un test de connaissances proc durales que les t moins. Comp tences de base en manipulation laparoscopique. Les preuves actuelles soutiennent le concept selon lequel les comp tences laparoscopiques de base devraient tre d velopp es dans le laboratoire de formation, vitant ainsi les probl mes de s curit ainsi que la d pense de temps et d'efforts qui r s |
Chirurgie de Schwartz | ulteraient de l'apprentissage en milieu clinique. Des programmes sp cifiques pour le d veloppement des comp tences laparoscopiques de base coupl s une valuation des comp tences ont t mis en place il y a 20 ans une poque o ce besoin tait nouvellement exprim pour les chirurgiens de tous les niveaux.7,40,41 Ceux-ci utilisaient des bo tes de formation vid oscopiques pour deux pratique manuelle l'aide d'instruments laparoscopiques pour manipuler le contenu de la bo te. Des programmes tels que les exercices Rosser utilisaient diverses t ches de dext rit en mettant l'accent sur le temps n cessaire l'ach vement des t ches comme mesure de performance. Plus tard, les chercheurs de McGill ont commenc appliquer une plus grande rigueur scientifique la conception Brunicardi_Ch53_p2163-p2186.indd 216722/02/19 4:39 PM 2168SPECIFIC CONSIDERATIONSPART IIABFigure 53-3. A. Anastomose gastro-intestinale cousue la main du module du programme de comp tences de base de l ACS-APDS pour cette t che. Une pr sentation p dagogique compl te est disponible avec le programme ainsi qu'un instrument d' valuation que l' ducateur peut utiliser. B. Mod le d anastomose intestinale agraf e OSATS. (Reproduit avec la permission de de Montbrun SL, Macrae H Simulation in nursing education, Clin Colon Rectal Surg. 2012 Sep;25(3):156-165.) et test des programmes de comp tences de base, avec un accent particulier sur la capacit caract riser le processus d'acquisition de comp tences et les diff rences entre les groupes d'apprenants sur la base de mesures r p titives minutieuses.42 Une tude plus approfondie a montr que la performance, mesur e l'aide de ces t ches de formation en banc, tait corr l e avec performances mesur es in vivo sur des mod les animaux.43 En plus d'aider les apprenants se pr parer la manipulation de base des tissus, la formation sur les t ches de base raccourcit les courbes d'apprentissage pour des t ches laparoscopiques plus complexes telles que la suture.44Fondamentaux de la chirurgie laparoscopique (FLS) a t con u par les leaders de la chirurgie mini-invasive de la Society of American Gastrointestinal and Endoscopique Surgeons comme moyen d' valuer les connaissances en chirurgie laparoscopique. et des comp tences aux fins de certification des capacit s de base.45 Ce programme repr sente le premier effort largement appliqu pour d montrer l'atteinte d'un niveau sp cifi de comp tences chirurgicales de base avec de tels tests sp cifiques. Bien qu'elle soit principalement utilis e par les r sidents en chirurgie, la certification de comp tences qui en r sulte est applicable un large ventail d'apprenants, y compris les chirurgiens en exercice ainsi que les chirurgiens laparoscopiques dans des sp cialit s autres que la chirurgie g n rale. FLS consiste en des tests distincts de connaissances et de capacit s techniques. Cette derni re composante n cessitait l'int gration de t ches de simulation avec un degr lev de validation, tant pour l'efficacit du discernement des comp tences que pour leur pertinence par rapport aux t ches cliniques respectives. Les t ches du Syst me inanim de formation et d' valuation des comp tences laparoscopiques (MISTELS) de McGill ont t s lectionn es comme composante d' valuation des comp tences techniques.46 Elles ont t d velopp es ind pendamment du programme FLS et adapt es au FLS en fonction de la valeur pr dictive d'un sous-ensemble de t ches pour comp tences cliniques manifest es au bloc op ratoire. Ces t ches sont rest es des caract ristiques essentielles de l'examen de certification et ont t tudi es de mani re approfondie la fois comme l ments du programme de formation et comme pr dicteurs de la performance clinique.47,48 Des travaux r cents ont sugg r qu'une formation sp cifique bas e sur les comp tences peut augmenter les taux de r ussite au FLS 100. , soutenant les suppositions g n rales sur les avantages de ce mod le de formation.49Le FES disponible plus r cemment r pond un objectif similaire au FLS pour l'endoscopie flexible.50 Cette certification ajoute la caract ristique importante de l'utilisation d'une r alit virtuelle simulateur d'endoscopie flexible comme l'une des plates-formes pour la livraison du test de comp tences techniques. Mod les de banc pour la formation de comp tences proc durales sp cifiques La simulation sp cifique la proc dure offre une opportunit unique de pratiquer et d' valuer des comp tences chirurgicales saines. Cela comprend la formation et l' valuation de la relation entre les comp tences techniques de base et complexes et la prise de d cision chirurgicale. Alors que la majorit des formateurs en simulation de proc dures se concentrent sur les proc dures au chevet du patient telles que la pose d'un cath ter veineux central, le cath t risme de la vessie et l'intubation, un certain nombre de formateurs ont galement t con us pour simuler des proc dures plus complexes telles que la hernie ventrale lapar |
Chirurgie de Schwartz | oscopique, la colectomie laparoscopique et la robotique. n phrectomie.51-53 Actuellement, la r alit virtuelle et les mod les physiques ou hybrides sont utilis s pour des simulations sp cifiques des proc dures.54 Bien que chaque technologie pr sente des avantages sp cifiques, il existe toujours un besoin d approches de fabrication et de conception efficaces, rentables et produisant des mod les anatomiques pr cis avec des propri t s tissulaires r alistes.55 Un certain nombre de groupes ont explor l utilisation de l impression tridimensionnelle (3D) avec plus ou moins de succ s.56,57 Comme Les mat riaux de substrat d'impression et les machines 3D continuent de baisser en prix et d'augmenter en facilit d'utilisation, il y aura probablement une recrudescence significative de l'utilisation de cette approche pour faciliter le d veloppement de simulations sp cifiques des proc dures. En plus de la r alit virtuelle en immersion totale, un certain nombre de groupes explorent encore les avantages de l apprentissage par ordinateur pour la formation des comp tences chirurgicales sp cifiques une proc dure.58Les avantages de la simulation sp cifique une proc dure en mati re de formation et d valuation sont nombreux. Non seulement elle permet d' valuer les comp tences techniques dans le contexte d'une proc dure en plusieurs tapes, mais les erreurs forc es et les d cisions critiques peuvent tre combin es avec cette technologie, permettant une exp rience d'apprentissage et une valuation des comp tences plus approfondies. titre d'exemple, deux proc dures en plusieurs tapes au chevet du patient ont t modifi es : le cath t risme v sical et l'insertion d'un cath ter veineux central. Les deux simulations comportaient des sc narios cliniques int gr s qui, s'ils taient mal ex cut s dans la vie r elle, pourraient entra ner des blessures au patient en raison de choix techniques ou d' quipement incorrects. Au cours de la mise en uvre de ces proc dures modifi es en plusieurs tapes, il a t possible d'identifier des erreurs cognitives et techniques individuelles qui servent de possibilit s de formation suppl mentaire.59,60 Le programme de comp tences proc durales ACS-APDS a t d velopp pour compl ter le programme de comp tences de base et propose des objectifs d'apprentissage d taill s pour une vari t d'interventions chirurgicales. L'objectif de ce programme tait d'aborder les comp tences chirurgicales holistiques dans un contexte o les deux techniques taient la fois techniques. R section ouverte du c lon, r section abdominale du c lon droit R section sigmo de laparoscopique R section ouverte du c lon droit Exploration laparoscopique/des voies biliaires ouvertes R paration laparoscopique d'une hernie ventrale/incisionnelle (mod le porcin) Appendicectomie laparoscopique Fundoplicature laparoscopique de Nissen Biopsie du ganglion sentinelle et curage des ganglions lymphatiques axillaires R paration ouverte d'une hernie inguinale/f morale R paration laparoscopique d'une hernie inguinale Spl nectomie laparoscopique/ouverte Chol cystectomie laparoscopique/ouverte R section gastrique et ulc re gastroduod nal Parathyro dectomie/thyro dectomie et les performances cognitives pourraient tre valu es en m me temps.11 Les sc narios de simulation d finis pour ce programme sont r pertori s dans le tableau 53-2. Semblables la litt rature sur la formation aux comp tences de base et Il a t d montr que l' valuation, la formation aux comp tences proc durales et l' valuation profitent aux apprenants lorsqu'elles sont dispens es via un programme d' tudes structur . De plus, il a t d montr que la formation aux comp tences proc durales dans un environnement simul peut tre transf r e au contexte clinique r el. En 2005, Issenberg et al. ont publi une analyse des caract ristiques et des utilisations de la formation par simulation qui conduisent un apprentissage efficace.61 Apr s avoir examin 109 articles qui utilisaient sp cifiquement la simulation comme intervention p dagogique et non comme seule valuation, Issenberg et ses coll gues ont not que la r troaction, les la pratique et l intervention curriculaire figuraient parmi les trois principales caract ristiques conduisant un apprentissage efficace. Il convient de noter que dans ce m me article, il a t not que la validit du simulateur figurait au bas de la liste des caract ristiques conduisant un apprentissage efficace. Essentiellement, les stagiaires ont besoin de temps prot g pour s'engager dans des exercices d'apprentissage bas s sur la simulation qui mettent l'accent sur une pratique d lib r e et r p titive bas e sur un retour personnalis . Ce mod le est tr s similaire celui utilis pour entra ner les athl tes professionnels.62Transfert de formationPour d terminer que l ducation bas e sur la simulation est efficace, il faut valuer l effet de l entra nement soit en milieu clinique, soit dans un contexte ayant une relation |
Chirurgie de Schwartz | d montr e avec un milieu clinique. Cette derni re pourrait r sulter d une comparaison avec une m thode de formation de r f rence valid e. tablir une relation entre la formation en laboratoire et la performance en salle d'op ration n cessite des mesures valid es des comp tences op ratoires telles que la m thode largement utilis e d' valuation globale des comp tences laparoscopiques op ratoires (GOALS) d crite par Vassiliou.63 La majorit des tudes sur la formation par simulation laparoscopique qui examinent le transfert des comp tences la clinique OU faire des comparaisons avec des groupes t moins sans formation hautement structur e et non bas e sur la simulation. Les r sultats de ces tudes devraient liminer tout doute sur le fait que les apprenants en chirurgie, en particulier les tudiants et les r sidents, peuvent tirer des avantages de la formation gr ce une pratique de simulation bas e sur les comp tences et sur le temps, la r p tition ou le num ro de s ance. Lorsque les r sultats de la formation bas e sur les comp tences sont dissoci s des autres mod les de formation, des niveaux syst matiquement plus lev s de performances cliniques ou en salle d'op ration sur 3 animaux sont observ s avec une telle formation par rapport sans.64-67 Dans une telle revue d' tudes sur le transfert de comp tences men e entre 2007 et 2013, Dawe a rapport des r sultats pour des proc dures de chirurgie g n rale et de gyn cologie utilisant diff rentes plateformes de simulation laparoscopique de r alit virtuelle et non VR (Tableau 53-3).48,67-77 Pour le 12 les essais contr l s randomis s avec des r sidents en chirurgie comme sujets d' tude, tous sauf un ont montr des performances cliniques significativement meilleures pour les groupes d'intervention par rapport aux t moins non form s la simulation. Les examens complets des donn es de transfert de comp tences soulignent les grandes disparit s dans les caract ristiques de la conception des tudes, les param tres, types de simulateurs et les difficult s rencontr es pour comparer l efficacit des diff rentes interventions de simulation. Le taux d'efficacit de transfert (TER) a t propos comme moyen d'exprimer l'ampleur relative de l'effet de la formation et peut fournir une base de comparaison de l'efficacit en termes de co t ou de temps de diff rentes m thodes de formation.78 Pour d terminer le TER pour un effort de formation par simulation , on calculerait la diff rence d'effort clinique (temps ou autre mesure telle que le nombre de cas) entre les groupes form s sur simulateur et les groupes form s de mani re alternative pour atteindre un niveau souhait de performance clinique, divis e par le temps de formation re u par le groupe form sur simulateur. Korndorffer a exprim ses inqui tudes concernant les tudes sur le transfert de formation alors que, ind pendamment des r sultats am lior s en mati re de performance en laboratoire gr ce la pratique bas e sur les comp tences, les r sidents tudi s par leur groupe ne r pondaient pas facilement aux normes de performance pour les comp tences plus avanc es fix es par les chirurgiens experts dans la pratique.79 Rechercher des opportunit s pour maximiser l'efficacit de la simulation formation, Stefanidis a propos une formation l automaticit en ajoutant une t che visuospatiale secondaire la pratique avec la laparoscopie. la suture laparoscopique, mais seulement apr s que les niveaux de comp tence aient t atteints avec une pratique de suture laparoscopique plus standard.80 Il a t sugg r que le d fi attentionnel suppl mentaire a probablement incit atteindre l'automaticit , dont le r sultat final tait une performance bien sup rieure celle observ e pour la pratique bas e uniquement sur la comp tence. . Il n est cependant pas vident que le simple fait d ajouter la difficult des t ches am liore les r sultats de la formation si les capacit s de l apprenant ne sont pas prises en compte. Dans une tude distincte, Stefanidis a galement signal que l'augmentation de la difficult des t ches au cours d'une formation bas e sur les comp tences entra nait une augmentation mesurable de la charge de travail cognitif et que, confront s ces d fis, les apprenants novices n'obtenaient pas de meilleurs r sultats que ceux suivant une formation bas e sur les comp tences un niveau de difficult inf rieur. , ce qui sugg re un possible d calage entre les d fis li s aux t ches et la capacit d'apprentissage.81 Des travaux suppl mentaires sont n cessaires pour caract riser le bon quilibre entre la difficult de la formation et la capacit d'apprentissage chez des apprenants ou des groupes d'apprenants sp cifiques.R alit virtuelleL'utilisation de la r alit virtuelle La simulation (VR) comme moyen de proposer des exp riences de formation en chirurgie a t propos e par Satava en 1993.82 En quelques ann es, les applications pratiques de cette technologie ont conduit aux premiers simulateurs laparoscopiques |
Chirurgie de Schwartz | disponibles dans le commerce et des tudes visant d terminer leur valeur. La plate-forme VR la plus ancienne et la plus fonctionnelle tait MIST-VR, qui permettait la manipulation d'objets virtuels abstraits l'aide d'une interface physique r aliste qui transformait le mouvement de l'instrument en actions pouvant tre observ es dans l'environnement virtuel (Fig. 53-4).83 M me sans force. Gr ce un appareil de r troaction et des signaux haptiques, ou sens du toucher , attendus lors des interactions instrument-instrument ou instrument-objet, les apprenants pourraient exp rimenter les d fis psychomoteurs de la vid olaparoscopie et s'entra ner de mani re it rative jusqu' ce que Brunicardi_Ch53_p2163-p2186.indd 216922/02/19 4:39 PM 2170CONSIDERATIONS SPECIFIQUESPARTIE IITableau 53-3Essais randomis s tudiant les effets de la formation en r alit virtuelle sur les performances op ratoires des r sidents en chirurgie et en obst trique-gyn cologie par rapport aux stagiaires t moins sans formation en r alit virtuelleAUTEUR (ANN E)PARTICIPANTS ( N) ET SIMULATEURPROC DURE VALU ECONCLUSIONAhlberg et al68 (2007)R sidents en chirurgie PGY 1 2IG (7); Simulateur Lap Sim VRCG (6) pas de simulationChol cystectomie laparoscopiqueIG a commis moins d'erreurs (P = 0,004), d'exposition (P = 0,040), de coupure et de division des tissus (P <0,008) et de dissection (P <0,031) par rapport CGBanks et al69 (2007). )R sidents PGY 1 GYNIG (10); Limbs & Things box trainerCG (10) pas de simulationLigature bilat rale des trompesL'IG a obtenu des scores sup rieurs ceux du CG avec les trois outils d' valuation : liste de contr le sp cifique la t che (P = 0,002), OSATS (P = 0,003), note r ussite- chec (P = 0,003)Cosman et al70 (2007)Stagiaires juniors en chirurgieIG (5); Simulateur Lap Sim VRCG (5) pas de simulationChol cystectomie laparoscopique (application de clips et division de l'art re kystique)IG avait moins d'erreurs (P = 0,05), une meilleure coordination bimanuelle (P = 0,05), un score global plus lev (P = 0,04) que CGGala et al71 ( 2013)R sidents GYNIG (48); FLS box trainerCG (54) pas de simulationLigature des trompes bilat rale PomeroyL'IG avait un score de progression OSATS plus lev que le CG (P = 0,03)Hogle et al72 (2009)R sidents en chirurgie PGY 1IG (6) ; Simulateur Lap Sim VRCG (6) pas de simulationChol cystectomie laparoscopiqueAucune diff rence significative entre IG et CG dans GOALSDomaines de perception de la profondeur, dext rit bimanuelle, efficacit , manipulation des tissus, autonomieLarsen et al73 (2009)Registriers OB-GYN de premi re et deuxi me ann esIG (13); Simulateur Lap Sim VRCG (11) pas de simulationLa salpingectomieIG avait un score plus lev que le CG sur l' chelle OSA-LS (P <0,001). IG a termin l'intervention plus rapidement que CG (P <0,001) Sroka et al48 (2010) r sidents en chirurgie PGY 1-3IG (8) ; FLS box trainerCG (8) pas de simulationChol cystectomie laparoscopique (excision du lit h patique)IG avait un score GOALS total plus lev que CG (P <0,001) et de meilleurs scores de domaine GOALS pour la dext rit bimanuelle (P = 0,04), la manipulation des tissus (P = 0,04)Van Sickle et coll.74 (2008)R sidents en chirurgie de 3e ann e, 5e 6e ann eIG (11); Simulateur MIST-VRCG sans simulationFondoplicature Nissen (placement de sutures intracorporelles)IG a accompli la t che en moins de temps (P <0,003), a commis moins d'erreurs (P <0,01) et a effectu moins de manipulations d'aiguilles (P <0,05) que CGZendejas et al75 (2011 )R sidents en chirurgieIG (26) ; Guildford MATTU TEP hernia task trainerCG (24) pas de simulationTEP hernie inguinale r parationIG plus rapide lors de la premi re proc dure (P <0,001) et avait des taux de participation plus lev s (P <0,001). Pour les r parations ult rieures, IG est rest plus rapide que CG. Le score GOALS est plus lev pour IG (P = 0,001). Complications et s jour d'une nuit moins probables pour la premi re proc dure TEP en IG (P <0,05).Palter et al76 (2012)R sidents en chirurgie PGY 2-4IG (9); programme comprenant une formation en simulation sur simulateur LapSim VRCG (9) pas de simulationH micolectomie droiteIG avait un score OSATS plus lev (P = 0,030) que CG.IG capable d'effectuer plus d' tapes op ratoires que CG (P = 0,021)Palter et al77 (2013)PGY 1-2 r sidents en chirurgie IG (9) ; programme comprenant une formation par simulation sur le simulateur LapSim VR et sur le FLS box trainerCG (9) pas de simulationCholecystectomyIG avait des scores OSATS plus lev s pour les quatre premi res proc dures (P = 0,004, P = 0,036, P = 0,021, P = 0,023) PGY = ann e de troisi me cycle ; IG = groupe d'intervention ; CG = groupe t moin ; VR = r alit virtuelle ; OSATS = valuation structur e objective des comp tences techniques ; OBJECTIFS = valuation op rationnelle globale de Comp tences laparoscopiques ; OSA-LS = valuation structur e objective de la salpingectomie laparoscopique ; TEP = totalement extrap riton al.Simulateurs : simulateur LapSim VR (Su |
Chirurgie de Schwartz | rgical Science, G teborg, Su de) ; stimulateur laparoscopique et unit de th rapie acc s minimal (MATTU) (Limbs and Things, Bristol, Royaume-Uni) ; Simulateur de bo te de formation sur les principes fondamentaux de la chirurgie laparoscopique (FLS) (SAGES, Los Angeles, Californie, tats-Unis) ; Entra neur chirurgical mini-invasif R alit virtuelle (MIST-VR ; Mentice, G teborg, Su de). Modifi avec la permission de Dawe SR, Pena GN, Windsor JA et al. Revue syst matique du transfert de comp tences apr s une formation chirurgicale bas e sur la simulation, Br J Surg. 2014 Aug;101(9):1063-1076.Brunicardi_Ch53_p2163- p2186.indd 217022/02/19 4:39 PM 2171COMP TENCES ET SIMULATIONCHAPITRE 53ABFigure 53-4. L'interface chirurgicale pour MIST VR (A), compos e d'instruments laparoscopiques droitiers et gauchers sur un support cardan qui transduit les mouvements des instruments en donn es spatiales num riques, qui d terminent l'emplacement et les actions des instruments dans l'espace virtuel (illustr en B) dans le cours de manipulation d'objets virtuels deux mains. Bien qu'ils soient des rendus basiques de formes g om triques, ces objets virtuels pouvaient tre saisis, positionn s et trait s avec des instruments d' lectrochirurgie, et ils se sont r v l s tre un moyen efficace de transf rer des comp tences la chirurgie clinique malgr un niveau relativement faible de fid lit aux tissus humains et l'absence de retour haptique dans l'interface de l'instrument.Tableau 53-4 tudes comparant les performances op ratoires laparoscopiques apr s une formation sur des simulateurs de r alit virtuelle par rapport des entra neurs vid oscopiquesAUTEUR (ANN E) TUDE ARMS (N) SUJETS FORMATION BAS E SUR LES COMP TENCES ? CONCLUSION SHamilton et al92 (2002) VR (24) Formateur Box (25) R sidents en chirurgie de premi re et deuxi me ann es Non valuations globales am lior es en aveugle de la chol cystectomie laparoscopique pour la VR, mais pas les sujets form s par un formateur Box Youngblood et al93 (2005) )VR (16)Box Trainer (17)Pas de formation (13) Les tudiants en m decine form s au NoVR ont obtenu de meilleurs r sultats que ceux form s par un entra neur en bo te sur des t ches s lectionn es dans un mod le porcin vivant. Les deux groupes form s ont surpass les groupes non form s.Diesen et al94 (2011)VR (10)Formateur Box (8)Stagiaires tudiants en m decineNonAucune diff rence dans les valuations vid o en aveugle par intervalles de la performance des animaux OU des t chesVR = r alit virtuelle ; OU = salle d'op ration. Les objectifs de performance en mati re de pr cision, d'efficacit et d' vitement des erreurs ont t atteints. La mesure des performances tait automatis e et comprenait des mesures de temps, de mouvement des instruments et d'utilisation de l' lectrochirurgie, ainsi qu'un d compte de l'apparition d'erreurs pr d finies. Toutes les mesures taient exemptes de biais d observateur humain. Les premi res tudes sur la formation en r alit virtuelle utilisant des m thodes de formation bas es sur les comp tences et non bas es sur les comp tences ont montr qu'il s'agissait d'un moyen efficace d'am liorer les comp tences laparoscopiques en laboratoire et en salle d'op ration par rapport aux contr les non form s la r alit virtuelle.68,84- 87 Depuis que les premi res tudes de ce type ont t r alis es il y a pr s de 20 ans, plusieurs revues approfondies de la litt rature croissante sur la r alit virtuelle ont continu tayer la conclusion selon laquelle les comp tences acquises en r alit virtuelle sont transf r es au milieu clinique (tableau 53-3), non seulement pour laparoscopie, mais galement pour l'endoscopie flexible, la chirurgie sinusscopique et les interventions endovasculaires.66,67,88-91 En grande partie en raison de la petite taille des tudes et de certaines limites de conception, la qualit des preuves de ces tudes est syst matiquement d crite comme inf rieure au niveau I. Selon les donn es disponibles, l utilisation largie de la r alit virtuelle pour la formation professionnelle pourrait tre justifi e, mais peu de comparaisons de l efficacit de la formation ont t faites entre un entra neur vid o laparoscopique physique (entra neur vid o laparoscopique) et une formation bas e sur un simulateur laparoscopique VR. Les tudes crois es con ues pour d terminer si la formation dans un environnement am liore les performances dans l autre n ont pas t particuli rement utiles pour d finir la valeur de l un ou l autre. Seules quelques tudes ont compar les effets des deux m thodes d'entra nement sur les performances en salle d'op ration (tableau 53-4). Bien que certains avantages aient t sugg r s, l opinion dominante est que les deux peuvent tre utilis s pour une pratique laparoscopique tr s efficace. En attendant de meilleures comparaisons, l'utilisation d'une formation bas e sur les comp tences dans le contexte d'un programme plus large semble tre le meilleur moyen d'obtenir de bons r sultat |
Chirurgie de Schwartz | s de formation, quelle que soit la plateforme de formation utilis e.5Brunicardi_Ch53_p2163- p2186.indd 217122/02/19 4:39 PM 2172 CONSID RATIONS SP CIFIQUES Les syst mes de simulation PART IIVR repr sentent des investissements en capital importants pour les centres de simulation qui ont des achats concurrents priorit s. Dans un essai prospectif randomis , Orzech a analys l'impact financier de chaque type de formation dans les programmes de r sidence canadiens et a constat que le transfert de l'effet de la formation tait plus important pour le groupe VR que pour le groupe des entra neurs en bo te. Cependant, l utilisation d un box trainer s est r v l e plus rentable, sauf dans les r sidences de plus grande taille.95 Bien que les raisons de cette derni re constatation n cessitent une analyse plus approfondie, les co ts d acquisition lev s des syst mes VR peuvent tre compens s par une conomie d chelle non r alis e avec des mod les physiques. o la dotation en personnel des fins de configuration et d' valuation des t ches et les articles consommables li s de nombreuses t ches repr sentent des co ts additifs. Il a t d montr que le partage flexible d'appareils de simulation d'endoscopie VR fonctionne efficacement pour un programme d'acquisition de comp tences au sein d'un r seau d'institutions du Texas o l'achat de nombreux appareils de ce type les simulateurs pourraient ne pas tre pratiques.96Le r le de l'haptique a t d battu pour les simulateurs VR laparoscopiques, car l'inclusion d'un mat riel sophistiqu retour de force augmente consid rablement le co t de la VR chirurgicale ainsi que les exigences informatiques du syst me. Dans les proc dures endoscopiques et laparoscopiques simul es, les signaux haptiques efficaces contribuent grandement la fid lit de l exp rience. Pour l'acquisition de comp tences de base, il n'a pas t d montr que ces fonctionnalit s offrent des avantages significatifs par rapport aux syst mes VR non haptiques, bien que pour des comp tences plus avanc es, les signaux haptiques puissent permettre une plus grande pr cision dans l'utilisation des instruments.97,98 Cependant, la VR chirurgicale a progress au point o les inventaires de proc dures Les types propos s sur des syst mes sp cifiques disponibles dans le commerce sont tr s tendus et ils vont in vitablement augmenter et englober des proc dures enti res. Le r alisme de l exp rience utilisateur, y compris l exp rience haptique, peut s av rer essentiel l apprentissage efficace de comp tences chirurgicales avanc es dans une nouvelle g n ration d appareils VR. La g n ration actuelle de simulateurs laparoscopiques est constitu e d'appareils tr s performants dot s d'un haut degr de r alisme graphique, de fonctionnalit s haptiques compl tes et de nombreuses t ches disponibles pour la formation aux comp tences de base et proc durales pour les proc dures chirurgicales, urologiques et gyn cologiques g n rales (Fig. 53-5). encourageant les progr s r alis s dans la simulation VR, deux publications distinctes en 2007 et 2015 ont identifi les d fis informatiques actuels dans le d veloppement de simulations de tr s haute fid lit pour chirurgie.99,100 Ceux-ci incluent les probl mes uniques de r alit virtuelle li s la mod lisation des tissus humains et les exigences suppl mentaires li es au rendu des d formations appropri es lorsque les tissus sont manipul s. L'un des exemples pratiques est celui du comportement du fil guide pendant la RV par rapport aux proc dures endovasculaires r elles, o les caract ristiques d' lasticit variables des parois des vaisseaux sanguins ont entra n des d formations r elles des tissus ou des fils que le logiciel VR n'a pas pu repr senter avec pr cision. 101 Des disparit s ont galement t identifi es entre les niveaux de ressources pour la r alit virtuelle chirurgicale et les jeux informatiques traditionnels, soulevant d'importantes questions sur la mani re dont toute la puissance de cette technologie peut tre exploit e pour simuler plus compl tement des op rations complexes avec un degr lev de fid lit et de r alisme. R alit pour l'endoscopie flexibleL'utilisation de la simulation de r alit virtuelle pour s'entra ner aux proc dures d'endoscopie flexibles est d sormais bien tablie et soutenue par des preuves coh rentes du transfert de comp tences. Sedlack a compar les comp tences en coloscopie de petits groupes de boursiers en gastroent rologie inexp riment s, form s en RV et non form s, et a constat que la formation en RV entra nait une progression plus importante dans le c lon, de meilleures comp tences d'inspection et un pourcentage plus lev d' tudes termin es (celles qui atteignaient le caecum).102 Ceci avantage en termes de performances tendu 30 proc dures post-entra nement. Dans les ann es qui ont suivi ce rapport, quatre essais contr l s randomis s sur l'entra nement en r alit virtuelle avec insu sur l' tat de l'entra nement pendant la coloscopie clinique post-e |
Chirurgie de Schwartz | ntra nement ont t men s.103-106 Malgr des probl mes m thodologiques avec chacun de ces essais (pas de formation bas e sur les comp tences, formation non supervis e Pratique de RV sur une caract ristique d'entra nement vaguement d finie des groupes t moins), tous sauf un ont montr des avantages d'entra nement pour la figure 53-5. Trois simulateurs de r alit virtuelle laparoscopique de g n ration actuelle diff rents. A. Simulateur LapVR VR, CAE Sant , Sarasota, FL. B. Simbionix LAP Mentor VR, Littleton, CO. C. LapSim VR, Surgical Science AB, G teborg, Su de.ABCBrunicardi_Ch53_p2163-p2186.indd 217222/02/19 4:39 PM 2173COMP TENCES ET SIMULATIONCHAPITRE 53ABFigure 53-6. Repr sentation de l'anatomie vasculaire aortique sp cifique au patient lors de la simulation du remplacement aortique endovasculaire (EVAR) pour un an vrisme de l'aorte abdominale, avec des membres distaux du greffon dans les configurations ballerine (A. crois ) et standard (B. non crois ). Cet exemple de r p tition sp cifique un patient n cessite la pr paration de l'aorte virtuelle partir d'un fichier au format DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) de donn es de tomodensitom trie (CT) ou d'angiographie CT du patient. L'image est rendue sur le simulateur ANGIO Mentor VR (3D Systems, Littleton, CO). (Reproduit avec la permission de Pakeliani D, Van Herzeele I, Lachat ML, et al : EVAR 2020 : Training Future Aortic Specialists. Emerging need and the role of simulation. Endovascular Today 2017 March ; 16(3):95- 100.) des r sidents pr c demment inexp riment s form s en r alit virtuelle par rapport aux t moins, en particulier dans les cas cliniques post-formation ant rieurs, sur la base soit d'une d termination subjective de la comp tence, soit d'une mesure de la proc dure longueur. L' tude qui n'a pas montr d'am lioration des performances cliniques par rapport aux t moins tait une comparaison de non-inf riorit avec des sujets t moins avec une formation non d finie bas e sur le patient, o les deux groupes ont obtenu des r sultats comparables. Des essais randomis s de formation VR pour l'endoscopie haute ont montr des avantages de performance significatifs en termes de dur e de proc dure et d' valuation subjective des comp tences par rapport aux groupes t moins de formation non form s et bas s sur les patients.107-109Bas sur l'environnement de test hautement standardis qui peut tre exp riment en VR et en validit concurrente la copie endoscopique clinique, le programme SAGES FES utilise la simulation d'endoscopie flexible VR pour la certification des comp tences. Syst matique une revue de la litt rature publi e sur les comp tences en endoscopie flexible VR souligne la n cessit de preuves de meilleure qualit l'appui des meilleures pratiques de formation et de l'am lioration des r sultats pour les patients.110 Des tudes plus approfondies sont n cessaires, en particulier dans le domaine de la formation en endoscopie flexible VR bas e sur les comp tences, qui a t g n ralement sous-utilis e.R alit virtuelle pour les interventions endovasculairesLa simulation de r alit virtuelle s'est av r e tre une alternative efficace la formation avec des mod les animaux ou cadav riques pour les interventions vasculaires par cath ter. Les simulations actuelles permettent de d velopper des comp tences de base en mati re de manipulation de fils guides et de cath ters, ainsi que de s'entra ner l'utilisation des techniques de fluoroscopie, d'angioplastie et de pose de stent. La formation aux proc dures pour les interventions coronariennes, carotidiennes, r nales, neuro, vasculaires p riph riques et autres est r alisable avec la mesure des performances de l'apprenant dans de nombreux domaines tels que la dur e de la proc dure et de la fluoroscopie, l'utilisation du contraste et l'efficacit de l'intervention. Les simulateurs affichent des images de fluoroscopie et permettent la s lection et l'insertion de types de cath ter virtuel, de ballonnet et de stent, pertinents pour la proc dure en cours (Fig. 53-6). Dans de petits essais randomis s, il a t d montr que la formation VR augmente les comp tences des r sidents en angioplastie p riph rique avec le transfert des comp tences acquises en laboratoire vers la salle d'op ration clinique.111,112 Apr s avoir montr pr c demment que l' valuation par simulateur VR peut efficacement discriminer le niveau de clinique. exp rience cal avec le stenting de l'art re carotide parmi des interventionnistes exp riment s, Van Herzeele a d montr que les interventionnistes exp riment s pouvaient galement augmenter de mani re significative les comp tences en mati re de stenting de l'art re carotide apr s une Cours intensif de 2 jours de formation didactique et VR pour cette proc dure.113,114 Apr s la formation, une diminution de la dur e de la proc dure et de la fluoroscopie ainsi qu'une diminution du temps de mise en place et de r cup ration du dispositif de protection embolique ont t ob |
Chirurgie de Schwartz | serv es. Bien que des r sultats cliniques diff rents n'aient pas t observ s dans cette petite tude, il a t not que la fr quence des spasmes de l'art re carotide interne diminuait apr s l'entra nement. L'ex cution d'une proc dure ou d'une proc dure technique est appel e r p tition de mission ou plus commun ment maintenant, r p tition sp cifique une proc dure ou simulation sp cifique une proc dure. Il a t d crit de mani re plus d taill e pour les proc dures de pose de stents dans l'art re carotide et met en vidence la mani re dont la simulation VR peut tre orient e vers les probl mes imm diats de la pratique clinique. Le bref rapport de Cates sur une proc dure unique a t suivi de petites tudes d montrant davantage la faisabilit et les impressions g n rales de la valeur de cette m thode.115-117 Dans une comparaison randomis e de stagiaires qui ont effectu soit une r p tition de t ches partielles, soit une r p tition de Pendant toute la proc dure, Willaert a indiqu qu'un b n fice de performance similaire pouvait tre obtenu, sugg rant une mani re potentiellement plus efficace de s'entra ner, m me si le dispositif de protection contre les embolies tait en place l g rement plus longtemps dans la proc dure. groupe form en partie.118Brunicardi_Ch53_p2163-p2186.indd 217322/02/19 4:39 PM 2174CONSID RATIONS SP CIFIQUESPART IIIDans une r cente tude multinationale europ enne, Desender et ses coll gues ont randomis une s rie de 100 patients devant subir une r paration endovasculaire lective d'un an vrisme (EVAR) pour infrar nal an vrisme de l'aorte soit de faire r p ter leur proc dure avec simulation VR en pr op ratoire, soit de faire r aliser la proc dure sans r p tition.119 Il y avait 26 % d'erreurs mineures en moins, 76 % d'erreurs majeures en moins et 27 % d'erreurs en moins entra nant un retard proc dural dans la VR groupe de r p tition. De plus, ce groupe a subi beaucoup moins d'angiographies pour visualiser les zones d'atterrissage proximales et distales du greffon. Dans un suivi de cette tude, Desender a rapport qu'une r p tition sp cifique au patient avant EVAR avait entra n une modification du plan op ratoire pour la zone d'atterrissage proximale (54 %), la zone d'atterrissage distale (76 %) et la taille du corps principal de l'endoproth se (16 %). , taille du membre controlat ral (34 %) ou orientation (16 %) et taille de l'extension iliaque (28 %). Quatre-vingt-douze pour cent de ces changements ont t mis en uvre au cours du cas EVAR lui-m me.119Simulation de chirurgie en r alit virtuelle sp cifique au patientEn plus de la r p tition sp cifique au patient pour les interventions endovasculaires, les simulations en r alit virtuelle pour les proc dures chirurgicales en salle d'op ration ont commenc utiliser les donn es d'imagerie du patient pour r p ter les proc dures pr op ratoires. rativement. Alors que de nombreux chirurgiens r p tent mentalement, consciemment et inconsciemment, les proc dures avant d'entrer dans la salle d'op ration, ce processus ne permet pas un partage d'informations pleinement explicite entre les membres de l' quipe. De plus, m me lorsque le chirurgien nonce un plan pour les autres membres de l' quipe du bloc op ratoire apr s la r p tition mentale, il n'est pas rare d'exclure involontairement des d tails importants que les membres de l' quipe peuvent appr cier. L'utilisation de simulations VR anatomiquement pr cises, bas es sur l'anatomie sp cifique du patient, peut permettre des r p titions en quipe et r duire le risque d'erreur humaine. En outre, les r p titions bas es sur la r alit virtuelle peuvent galement faciliter la communication m decin-patient.120Des simulations de r alit virtuelle sp cifiques au patient ont r cemment vu le jour pour diverses op rations complexes, notamment les pancr atectomies, les h patectomies, la chirurgie r nale et la chirurgie de la main.120-123 Pour l'une des op rations de chirurgie r nale simulations, des donn es de tomodensitom trie (TDM) sp cifiques au patient ont t captur es et utilis pour cr er une imagerie 3D int grer dans la simulation.122 La pr cision anatomique de diverses structures telles que les art res, les veines, les uret res et m me les tumeurs serait lev e. Un autre groupe a compar l apparence de structures vasculaires individuelles lors de la r alisation simultan e de plusieurs h patectomies virtuelles sp cifiques un patient avec des h patectomies r elles et a galement not un haut degr de pr cision. De plus, de la m me mani re que les angiographies CT sont utilis es en salle d'op ration pour la planification chirurgicale, ce groupe a pu augmenter et diminuer le niveau de transparence de la simulation VR sp cifique au patient et l'utiliser la fois comme guide op ratoire en temps r el (minimum mode transparence) ainsi qu un guide de planification op rationnelle (haute transparence vue du navire uniquement). Cela a permis d'utiliser un syst me de mani re transparente tout au lon |
Chirurgie de Schwartz | g de l'op ration proprement dite.123Selon les rapports, le temps n cessaire pour cr er des simulations VR sp cifiques au patient est relativement court. En moyenne, il a fallu environ 2,5 heures chacune pour les simulations d'h patectomie et de pancr ectomie.120 De plus, compar es l'utilisation de simulations imprim es en 3D, les simulations VR sp cifiques au patient sont facilement r utilisables et ne consomment pas autant de ressources. Bien que ces avanc es r centes soient tr s prometteuses, les simulateurs VR sp cifiques au patient constituent une nouvelle technologie et des tudes suppl mentaires sont donc n cessaires pour mieux comprendre les avantages et les inconv nients de l'introduction de cette technologie dans le domaine des soins aux patients. Alors que des am liorations majeures continuent d' tre apport es au rendu 3D sp cifique au patient, y compris la d formation des organes et des tissus en r action une manipulation chirurgicale, cela augmente la possibilit de simulations VR encore plus sophistiqu es et pr cises qui peuvent tre utilis es pour la planification pr op ratoire et r p titions pour des proc dures compliqu es.Simulateurs de chirurgie robotiqueApr s l'introduction du syst me chirurgical da Vinci aux tats-Unis en 1999, un certain nombre de syst mes de simulation pour l'enseignement de la chirurgie robotique ont vu le jour. Bien qu'il existe plusieurs versions du syst me Da Vinci d ploy es dans le monde entier, les composants de base du syst me comprennent g n ralement des commandes manuelles doubles, des p dales et une cam ra 3D contr lable.124 La coh rence de ces composants du syst me permet une coh rence similaire dans la conception de la simulation. et la livraison. Actuellement, il existe quatre simulateurs diff rents destin s transmettre un certain niveau de comp tence dans l'utilisation du syst me da Vinci : le SEP-Robot (SurgicalSim Educational Platform Robot ; SimSurgery, Oslo, Norv ge) ; RoSS (Syst mes chirurgicaux simul s par simulateur de chirurgie robotique, San Jose, Californie) ; dV-Trainer (Mimic Simulation, Seattle, WA) et da Vinci Skills Simulator (Intuitive Surgical, Santa Clara, CA).124,125 Le SEP-Robot est un syst me de type bureau permettant de former des comp tences robotiques dans une interface graphique VR. Le da Vinci Skills Simulator, galement appel sac dos , est un syst me mat riel qui charge des simulations VR dans la v ritable console da Vinci.126 Les syst mes RoSS et dV-Trainer sont des appareils autonomes dot s de commandes chirurgicales ressemblant celles du da Vinci. syst me.124 Ces simulateurs se concentrent en grande partie sur la coordination il-main, la manipulation des tissus, la suture et la r alisation de n uds.127 Le principal avantage des simulateurs VR pour la formation aux comp tences robotiques de Da Vinci est qu'ils produisent mesures de performance, notamment le temps, les mesures d'erreur et l'analyse du mouvement.124 Ces simulateurs sont de plus en plus utilis s pour former les chirurgiens d butants aux comp tences robotiques pour diverses sp cialit s chirurgicales. Lors de l' valuation de la validit des simulateurs, les chercheurs ont not que l'utilisation de simulateurs de chirurgie robotique se traduit l'environnement clinique et la courbe d'apprentissage de la formation initiale sur console pour les chirurgiens est consid rablement r duite.124,126 Malheureusement, les simulateurs de chirurgie robotique disponibles ont toujours un prix lev et un accord variable sur le niveau de fid lit qui est actuellement pr sent dans ces technologies.124 Ces d ficiences sont probablement dues au stade pr coce de l'approche de la chirurgie robotique, et il est probable que des syst mes moins chers et plus sophistiqu s seront disponibles dans un avenir proche.128Fondamentaux de la chirurgie robotiqueLes principes fondamentaux de la chirurgie robotique (FRS) est un programme de formation et d' valuation des comp tences chirurgicales robotiques con u pour fournir un programme de comp tences techniques de base bas sur les comp tences afin de pr parer les chirurgiens effectuer des proc dures de chirurgie robotique dans un large ventail de domaines. sp cialit s. Le programme FRS a t d velopp sur une p riode de 2 ans par des experts en la mati re de plusieurs soci t s chirurgicales, soci t s d'enseignement chirurgical, conseils chirurgicaux et autres organisations dirigeantes travers une s rie de quatre conf rences de consensus, qui comprenaient plus de 80 chirurgies robotiques internationales. experts, psychologues comportementaux, enseignants en m decine, statisticiens et psychom triciens.129 L quipe multidisciplinaire d experts s est mise d accord sur les comp tences et les t ches essentielles inclure dans un programme de base complet, et une d construction des t ches a t r alis e pour identifier les t ches, sous-t ches et erreurs qui devaient tre mesur es. Une m thodologie Delphi modifi e a ensuite t utilis e |
Chirurgie de Schwartz | pour cr er une matrice de t ches de chirurgie robotique sp cifiques, d'erreurs courantes, de r sultats souhait s et de mesures quantitatives afin de permettre la cr ation d'une matrice de t ches sp cifiques de chirurgie robotique, d'erreurs courantes, de r sultats souhait s et de mesures quantitatives. modules pour les principes fondamentaux du programme de chirurgie robotiqueModule 1Introduction aux syst mes robotiques chirurgicaux, comprend un aper u de la chirurgie mini-invasive, des avantages de la chirurgie assist e par robot, des composants des syst mes robotiques et des fonctionnalit s du syst me. Le module 2Instructions didactiques pour les syst mes de chirurgie robotique, fournit un aper u des syst mes de chirurgie robotique, ainsi que des informations d taill es sur les phases pr -, intra- et postop ratoiresLe module 3 du programme de comp tences psychomotrices comprend le contexte et les principes g n raux des t ches psychomotrices, une introduction au mod le physique sur lequel les t ches sont effectu es et des directives g n rales de notation pour toutes les t ches, suivies d'une description d taill e de chaque t che, y compris les comp tences et mesures primaires et secondaires cibl es. Le module 4 Formation de l' quipe et comp tences en communication comprend des informations g n rales sur la d gradation de la conscience de la situation et le processus TeamSTEPPS, suivi d'un contenu d taill . couvrant la communication, la connaissance de la situation, le soutien mutuel, le leadership, la phase pr op ratoire, l'amarrage robotique, la phase perop ratoire, la phase postop ratoire et un examen de cinq sc narios soutiennent ces r sultats. Enfin, une valuation anonyme Delphi classique du deuxi me tour a t utilis e pour garantir la concordance, hi rarchiser le classement des t ches et liminer les t ches faible score. Tous les stagiaires doivent d'abord suivre un programme en ligne compos de quatre modules. Chacun des quatre modules en ligne est suivi d'un court quiz, n cessitant un minimum de 70 % de r ponses correctes pour poursuivre la formation (Tableau 53-5). Le programme comprend galement un test cognitif cumulatif apr s l'ach vement de tous les modules.ABFigure 53-7. A. La cavit abdominale simul e pour la formation aux principes fondamentaux de la chirurgie robotique. B. Le mod le d me amovible de 18 cm comportant des zones bien d finies pour ex cuter chacun des sept exercices psychomoteurs d crits dans le tableau 53-6. (Utilis avec la permission de l'Institute for Surgical Excellence.) Une fois le cours en ligne termin , les stagiaires doivent effectuer sept exercices psychomoteurs l'aide d'un robot chirurgical, d'un abdomen simul et d'un mod le de d me amovible de 18 cm (Fig. 53-7). .Les exercices psychomoteurs comprennent les t ches suivantes : amarrage/insertion d'instruments, transfert de tour d'anneau, nouage, voie ferr e, coupe du 3 me bras, dissection de pi ces de puzzle et dissection d' nergie de vaisseau. (Tableau 53-6).COMP TENCES NON TECHNIQUESPour les chirurgiens, le terme comp tences non techniques fait r f rence aux connaissances cognitives et aux capacit s li es au travail d' quipe qui doivent tre int gr es aux comp tences et capacit s psychomotrices. Il n'y a pas de d marcation nette entre ces domaines de comp tences, mais diff rentes m thodes de simulation conviennent la formation de chacun, et toutes doivent tre abord es. Simulation haute fid lit des patients et comp tences d' quipe La reconnaissance du r le des facteurs humains dans l'apparition d'erreurs vitables a engendr diverses des efforts pour former des comportements propices des quipes performantes. La formation la gestion des ressources de l' quipage (CRM) utilisant la simulation a t reconnue pour accro tre la s curit dans l'aviation.130,131 Les le ons tir es de la CRM ont t adapt es la formation m dicale avec des simulateurs ax s sur la performance de l' quipe m dicale dans des situations cliniques complexes. Ce d veloppement s'est produit dans les ann es 1990, principalement sous l'impulsion des anesth siologistes charg s d' tablir les premiers environnements de simulation haute fid lit .132,133 Ceux-ci ont t d velopp s pour simuler des v nements de crise o la gestion pouvait tre pratiqu e dans des conditions r alistes mais s res.134- 136 Une telle formation pourrait tre adapt e pour impliquer un seul apprenant se concentrant sur la gestion clinique jusqu' une quipe de soins enti re capable de mettre en pratique les processus d' quipe. L' laboration d'un programme de formation de ce type n cessite une compr hension des principes qui sous-tendent l'efficacit d'une quipe et des caract ristiques sp cifiques d'une quipe d'experts. Dans un document de discussion de 2012 sur les soins de sant en quipe, issu de la table ronde du Best Practices Innovation Collaborative de l'Institut de m decine (IOM) sur les soins de sant ax s sur la valeur et la science, ces principe |
Chirurgie de Schwartz | s ont t clairement expos s la suite d'une analyse minutieuse d' quipes m dicales efficaces. travers le pays (tableau 53-7).137 Ce document fournit un excellent aper u des caract ristiques et des valeurs auxquelles les quipes chirurgicales peuvent aspirer. La n cessit de former ces comp tences a t largement accept e comme Brunicardi_Ch53_p2163-p2186.indd 217522/02/19 4:39 PM 2176CONSID RATIONS SP CIFIQUESPART IITableau 53-6Les sept t ches psychomotrices du d me pour les principes fondamentaux du programme de chirurgie robotiqueT che 1 : Amarrage/insertion d'instrumentsLa premi re t che psychomotrice l'exercice fournit une formation et une valuation des amarrage et insertion de l'instrument l'aide de l'abdomen simul . T che 2 : Transfert de la tour en anneau Le stagiaire retire un anneau de la tour centrale droite et le place sur la tour inf rieure gauche. Les principales comp tences valu es comprennent la coordination des mains, des yeux et des instruments, la navigation de la cam ra et l'utilisation de la p dale de la cam ra. T che 3 : Faire des n uds Le stagiaire fait un n ud de chirurgien pour rapprocher deux illets de mani re ce qu'ils se touchent. Les principales comp tences valu es comprennent la manipulation appropri e du mat riel de suture et la r alisation de n uds s curis s. T che 4 : Voie ferr e Le stagiaire doit effectuer une suture horizontale sur matelas travers une s rie de points cibles pour se rapprocher du tissu. Les principales comp tences valu es comprennent la tenue et la manipulation de l'aiguille, le suivi de la courbe de l'aiguille, l'utilisation de toute l'amplitude de mouvement du poignet dot et l'aide de pinces.T che 5 : Coupe du 3 me brasLe stagiaire doit basculer le contr le entre diff rents instruments pour utiliser les ciseaux monopolaires afin de couper une veine simul e. Les principales comp tences valu es incluent la commutation et le contr le de plusieurs bras de robot et la d coupe. T che 6 : Dissection des pi ces de puzzle Dans cette t che, le stagiaire doit couper et retirer une forme de puzzle sans inciser le tissu sous-jacent ni couper en dehors des lignes. Les principales comp tences valu es comprennent la dissection, la coupe, la manipulation atraumatique des tissus, la dissection pointue et la dissection mouss e. T che 7 : Dissection nerg tique du vaisseau Le stagiaire doit diss quer une couche de graisse pour exposer un vaisseau, puis coaguler le vaisseau en deux points et enfin couper le vaisseau entre le deux points coagul s. Les principales comp tences valu es comprennent l'activation et l'utilisation pr cises des sources d' nergie, la dissection des vaisseaux et des tissus, la coupe et la coagulation des vaisseaux et le contr le de plusieurs bras. Tableau 53-7Principes des soins de sant en quipe Objectifs partag s : L' quipe, y compris le patient et , le cas ch ant, les membres de la famille ou d'autres personnes de soutien - vise tablir des objectifs communs qui refl tent les priorit s du patient et de sa famille et peuvent tre clairement articul s, compris et soutenus par tous les membres de l' quipe. R les clairs : il existe des attentes claires pour chaque membre de l' quipe. fonctions, des responsabilit s et des responsabilit s qui optimisent l'efficacit de l' quipe et permettent souvent l' quipe de tirer parti de la division du travail, accomplissant ainsi plus que la somme de ses parties. Confiance mutuelle : les membres de l' quipe gagnent la confiance les uns des autres, cr ant des normes fortes de r ciprocit et de plus grandes opportunit s de r ussite partag e. Communication efficace : L quipe priorise et affine continuellement ses comp tences en communication. Il dispose de canaux coh rents pour une communication franche et compl te, qui sont accessibles et utilis s par tous les membres de l' quipe dans tous les contextes. Processus et r sultats mesurables : l' quipe s'accorde et met en uvre des commentaires fiables et opportuns sur les succ s et les checs dans le fonctionnement de l' quipe. et la r alisation des objectifs de l' quipe. Ceux-ci sont utilis s pour suivre et am liorer les performances imm diatement et au fil du temps. Reproduit avec la permission de Mitchell P, Wynia M, Golden R et al. Principes et valeurs fondamentaux de soins de sant efficaces en quipe. Document de discussion. Institute of Medicine, octobre 2012.un moyen d'accro tre la s curit des soins de sant . Il existe des m thodes pour r aliser la formation des quipes m dicales qui n'impliquent pas de simulation, mais la simulation haute fid lit des patients s'est av r e tr s efficace pour accro tre les comp tences de l' quipe de soins de sant , et des revues syst matiques ont approuv cette approche sur la base de donn es probantes.138Formation par simulation pour les quipes m dicales. la communication et d'autres comp tences non techniques li es au travail d' quipe n cessitent que les apprenants soient int gr s dans des |
Chirurgie de Schwartz | sc narios r alistes pertinents aux responsabilit s cliniques r elles d'une quipe de soins de sant o les activit s et les interactions suscit es par les circonstances cliniques simul es peuvent tre pratiqu et observ . Le simulateur de mannequin haute fid lit pilot par ordinateur servant de patient au centre de ces activit s peut tre surveill et contr l pour d montrer une physiologie r aliste coh rente avec l' tat clinique n cessaire au sc nario.139 Les changements physiologiques pilot s par logiciel l' tat de base peut survenir en r ponse des commandes manuelles ou des ajustements programm s pour d crire avec pr cision, par exemple, des d veloppements cliniques nouveaux, en cours et inattendus tels qu'une perte de sang, une septic mie ou une isch mie myocardique. Des interventions de base telles que la gestion des voies respiratoires, l'administration de m dicaments et le soin des plaies des parties du corps moul es peuvent galement tre effectu es. Des simulations hybrides utilisant la fois un mannequin et des simulateurs chirurgicaux abdominaux ouverts ou laparoscopiques ont galement t utilis es pour tendre les sc narios une salle d'op ration, avec tous les membres de l' quipe chirurgicale engag s dans leurs t ches sp cifiques leur r le.136,140,141 Ces v nements peuvent tre men s dans un dans une suite de simulation d di e ou dans une zone clinique r elle o on parlerait de simulation in situ. Le d briefing post-simulation est un l ment essentiel de la formation d' quipe bas e sur la simulation. C est l que les points d apprentissage sont renforc s et que des progr s vers les connaissances, attitudes et comportements souhait s peuvent tre d velopp s.142,143 Les participants sont invit s r fl chir aux v nements de la simulation et discuter ouvertement des aspects positifs et n gatifs de l exp rience. L'environnement de d briefing et la discussion doivent tre ouverts, sans jugement et orient s vers l'am lioration des performances individuelles et globales de l' quipe. Un animateur poss dant de solides connaissances du contenu doit s'assurer que la discussion inclut l'identification des carts entre les performances observ es et souhait es. Un animateur efficace est conscient de la n cessit de garder le d briefing centr sur l'apprenant et de maintenir la discussion centr e sur les opportunit s d'am lioration. Bien que le d briefing soit uniform ment consid r comme essentiel l efficacit de la simulation de l quipe de soins de sant et que les mod les de d briefing structur s soient fr quemment cit s comme tr s efficaces, il n existe pas de consensus sur les m thodes sp cifiques, y compris les d briefings par revue vid o, qui repr sentent les meilleures pratiques.144 La qualit de la mise en uvre est syst matiquement cit e comme tant le plus facteur important contribuant l efficacit du d briefing. La complexit des v nements cliniques g r s par l quipe rend la mesure de la performance de l quipe difficile, mais plusieurs outils d valuation ont t d velopp s et utilis s avec succ s dans des contextes de simulation. Les instruments NOTECHS (Comp tences non techniques) et NOTSS (Comp tences non techniques pour les chirurgiens) ont t utilis s pour tudier les capacit s non techniques des individus faisant partie d' quipes chirurgicales.141,145-147 Ces chelles d' valuation se concentrent principalement sur la qualit et l'efficacit . de connaissance de la situation et de communication. Des instruments tels que l chelle Mayo High Performance Teamwork ou l OTAS (Observational Team Assessment Scale) sp cifique la chirurgie se concentrent sur la dynamique d quipe qui s tend au-del du seul membre de l quipe.148,149 Ceux-ci ont t utilis s pour d tecter des changements dans les performances de l quipe avec la formation. Rosen a sugg r un cadre pour une approche des meilleures pratiques en mati re d' valuation des performances des quipes en simulation, qui d taille les applications sp cifiques des techniques de mesure dans l'environnement de formation par simulation.150 Il a t d montr que la formation par simulation ax e sur les comp tences non techniques am liore les performances cliniques et les connaissances et attitudes l' gard de l' quipe. fonctionnement tel que mesur dans des contextes chirurgicaux simul s tels que la salle de traumatologie et la salle d'op ration pour les quipes chirurgicales interdisciplinaires et pour les stagiaires en chirurgie.136,151-154 Deux revues syst matiques de la formation par simulation pour accro tre les comp tences des quipes dans le domaine op ratoire. salle confirme syst matiquement ce r sultat, mais tous deux ont galement cit le petit nombre d' tudes dans lesquelles les effets de la formation par simulation ont t tudi s dans le contexte clinique de la salle d'op ration et le manque de preuves d'une am lioration des r sultats cliniques avec une telle formation.155,156PR VENTION DES ERREURSL' vitement et la pr |
Chirurgie de Schwartz | vention des erreurs sont les objectifs primordiaux de les soins chirurgicaux et l'orientation traditionnelle de la formation chirurgicale.157 Les professeurs responsables de la formation de la prochaine g n ration de chirurgiens hautement qualifi s doivent faciliter l' quilibre d licat entre l'autonomie des r sidents et la s curit des patients. Du point de vue de la formation, l'augmentation progressive de la responsabilit du patient, la prise de d cision autonome et l'action op rationnelle offrent une opportunit cruciale pour une performance pratique ind pendante, une pens e critique et une valuation des comp tences bas e sur l'action. Cependant, l autonomie des r sidents doit tre quilibr e avec l objectif de fournir aux patients des soins de haute qualit et sans erreur. Un l ment cl pour atteindre les objectifs de la formation en r sidence comprend l exposition aux techniques et aux strat gies permettant d viter les erreurs. La relation entre les erreurs et la s curit des patients est bien tablie dans la litt rature et constitue galement la pierre angulaire du processus d'examen des cas pour les conf rences sur la morbidit et la mortalit chirurgicales.158 La technologie de simulation permet aux stagiaires d'ex cuter une vari t de t ches et de proc dures tout en exp rimentant les exigences cognitives de la chirurgie, y compris la correction des erreurs et les d cisions de planification chirurgicale. La Fig. 53-8 pr sente un cadre pour cat goriser les erreurs chirurgicales qui peuvent survenir sur le continuum cognitif-moteur.159Les approches curriculaires bas es sur la simulation pour exposer et former les erreurs chirurgicales comprennent (a) l'utilisation de m thodes cognitives de pr vention des erreurs qui permettront d' viter une erreur. ?Conna t l'anatomie : bonne technique ; l'origine naturelle de la maladie ; comment viter une erreur S lectionnez la bonne op ration ; le bon point; le bon instrumentDe quoi devez-vous vous pr occuper ?Cognitif-moteurReconnaissance d'erreurEstimer le risque d'erreur pour : l'approche technique et la s lection du patientLesquels d'entre eux peuvent entra ner une erreur ?Sauvetage d'erreurQuelles sont vos options pour le sauvetage d'erreur ?D crivez ce que vous feriez si la pr vention des erreursLa pr -erreur apporte des ajustements l'approche technique en fonction de la pr vention des erreursReconnaissance des erreursReconnaissance des quasi-accidents suivie d'une action correctiveErreur RescuePost-erreur conna t et ex cute les options de correction d'erreurIdentifier la technique appropri e;erreur potentielle:risque d'erreurConna t les options chirurgicalesExemple: Planifie l'avance pour ajuster la tension pendant le nouage en fonction du type de tissuExemple: Reconna t que le premier n ud tait un peu serr puis effectue un ajustement pour que le deuxi me n ud soit parfaitExemple: Premier n ud tir Sauvetage: Rafra chir le bord du tissu , place un nouveau boucle stitchErrorFigure 53-8. Un cadre pour comprendre la pr vention des erreurs, la reconnaissance des erreurs et le sauvetage/correction des erreurs pendant la phase cognitive ainsi que la phase cognitivo-motrice o il y a une int gration fluide et une mise jour des d cisions motrices et cognitives. Cette int gration fluide permet une boucle d'erreur, car chaque d cision est bas e sur les r sultats de chaque action motrice de mani re dynamique o une erreur peut se produire avec chaque d cision ou action. (Reproduit avec la permission de Pugh CM, Santacaterina S, DaRosa DA, et al : Prise de d cision perop ratoire : plus que ce que l'on voit, J Biomed Inform. 2011 Jun;44(3):486-496.)Brunicardi_Ch53_p2163-p2186. indd 217722/02/19 16:39 2178SP CIFIQUE CONSID RATIONSPARTIE IIsimulations, o l'apprenant peut commettre diverses erreurs au cours de la t che ; et (b) l'utilisation de simulations d'erreurs forc es, dans lesquelles l'apprenant est confront une erreur sp cifique, g n ralement inattendue, et d montre la gestion des erreurs ainsi que les options de correction. La gestion des erreurs est un processus de facteurs humains qui comprend la cr ation, la d tection et la correction des erreurs.160,161 Plusieurs tudes montrent qu'il existe une grande variation dans le moment et le type de d cisions op rationnelles que les r sidents prennent lorsqu'ils interagissent avec une simulation prenant en compte les erreurs.112,162-164 Des simulations sp cifiques de formation aux erreurs ont t d velopp es en utilisant une approche d'analyse cognitive des t ches pour guider la conception de sc narios d erreurs. L analyse cognitive des t ches implique le recours des entretiens structur s pour explorer la mani re dont les experts abordent le processus de gestion des erreurs, y compris la prise de d cision perop ratoire et les approches techniques.165,166 L approche bas e sur les erreurs permet une valuation globale des besoins d apprentissage. L approche des erreurs forc es permet aux instructeurs d |
Chirurgie de Schwartz | acqu rir des comp tences et des mesures sp cifiques en mati re de gestion des erreurs. Des simulateurs chirurgicaux de simulation d'erreurs et d'erreurs forc es ont t utilis s dans divers modules de recherche et de formation pour permettre l'observation et l' valuation des r sidents en chirurgie alors qu'ils ex cutent de mani re ind pendante des proc dures op ratoires et pratiquent le processus de gestion des erreurs.112,166,167Une autre approche de la formation et de l' valuation des erreurs. est l utilisation d valuations ax es sur les erreurs. Les outils actuels d' valuation des comp tences chirurgicales comprennent des chelles d' valuation globales et sp cifiques une t che, une analyse du produit final et une documentation des checs critiques.160,168 Ces outils existants d' valuation des r sidents en chirurgie se concentrent en grande partie sur les techniques manuelles et la dur e des proc dures et ne capturent pas la cause des probl mes. checs de performance des r sidents.169 L'utilisation de th ories li es aux erreurs dans les facteurs humains permet le d veloppement d' valuations des comp tences centr es sur l'erreur.161,170,171 Une tude a utilis des classifications d'erreurs humaines pr c demment d velopp es, notamment omission par rapport la commission et cognitif par rapport technique comme moyen d' valuation des r sidents en chirurgie.162 Les erreurs d'omission ont t d finies comme l'incapacit d'ex cuter enti rement une tape. Les erreurs de commission repr sentaient l chec de l ex cution correcte d une tape. Par exemple, le fait de ne pas mesurer le d faut herniaire a t class comme une erreur d omission, tandis que la mesure du d faut herniaire avec une m thode inexacte a t class e comme une erreur de commission. Les erreurs d information, de diagnostic et de strat gie ont t class es comme cognitives, et les erreurs d action, de proc dure ou de m canique ont t class es comme techniques. L'utilisation d'enqu tes d' valuation avec ce type de diff renciation permet le d veloppement de mesures d'erreur en chirurgie ainsi qu'une formation et un retour d'information cibl s sur les erreurs.172SIMULATION ET R SULTATS DES PATIENTSLa formation par simulation chirurgicale vise rendre les soins aux patients s rs et exempts d'erreurs vitables et maximiser les opportunit s de bien- tre. r sultats cliniques. L' chelle de Kirkpatrick quatre niveaux (tableau 53-8) caract rise les effets des interventions ducatives, y compris celles qui pourraient am liorer les performances des chirurgiens en milieu clinique (niveau 3 de Kirkpatrick) ou celles qui pourraient r ellement am liorer les r sultats pour les patients (niveau 4 de Kirkpatrick).173 Malgr l'expansion utilisation de la simulation dans des mod les de pratique bas e sur les comp tences sur au moins 15 ans, il existe tonnamment peu d' tudes sur la formation chirurgicale bas e sur la simulation qui peuvent tre d crites comme le niveau 4 de Kirkpatrick. En revanche, il existe de nombreuses tudes montrant que les performances des cliniciens au cours des soins cliniques sont am lior es apr s une formation par simulation (Kirkpatrick niveau 3). Tableau 53-8 chelle de r sultats scolaires au niveau de Kirkpatrick NIVEAU DE KIRKPATRICK DESCRIPTION DU NIVEAU DESCRIPTION DE LA SIMULATION Niveau 1 R action L'apprenant a-t-il per u l'utilit d'utiliser un simulateur ou de participer une formation par simulation ? Niveau 2 Apprentissage Les connaissances, les comp tences ou l'attitude de l'apprenant se sont-elles am lior es gr ce la formation par simulation ?Niveau 3Changement de comportementLes connaissances, les comp tences et les attitudes acquises au cours de la simulation ont-elles t transf r es au environnement clinique ?Niveau 4Impact institutionnelLe programme de formation par simulation a-t-il conduit de meilleurs r sultats pour les patients ?Donn es de Cox T, Seymour N, Stefanidis D : Moving the Needle : Simulation s Impact on Patient Outcomes, Surg Clin North Am. 2015 Aug;95(4):827-838.Les r sultats peuvent tre assez difficiles, il peut tre difficile d'isoler les effets de la formation par simulation de nombreux autres facteurs qui peuvent galement affecter les r sultats pour les patients. Lorsque l on examine sp cifiquement une complication basse fr quence telle qu une l sion des voies biliaires avec chol cystectomie laparoscopique, la d tection d un l ger effet d entra nement positif est statistiquement improbable. Cependant, l'utilisation des donn es disponibles de niveau 3 de Kirkpatrick pour tayer les hypoth ses sur les b n fices de la formation est tout fait justifiable tant donn la pr pond rance de la litt rature montrant de tels b n fices. La meilleure preuve actuelle d'une am lioration des r sultats pour les patients gr ce la simulation est celle de la formation technique et cognitive pour le cath ter veineux central ( CVC). En 2009, Barsuk et al. ont surveill l'incidence des infections sang |
Chirurgie de Schwartz | uines li es aux cath ters dans un tablissement de soins intensifs sur une p riode de 32 mois avant et apr s l'instauration d'une formation par simulation bas e sur les comp tences. Apr s que les m decins r sidents form s par simulation ont commenc ins rer des CVC, une r duction de 85 % de ces infections a t observ e (3,2 pour 1 000 jours-cath ter, r duit 0,50 infections pour 1 000 jours-cath ter).174 Par la suite, le m me groupe a signal que les les conomies r alis es gr ce ces r sultats am lior s repr sentaient un retour sur investissement de 7 : 1 pour la formation.175 Dans une tude observationnelle similaire une seule unit , Burden et al ont signal une r duction des infections sanguines li es au cath ter incidence de 6,47 pour 1 000 jours de cath ter 2,44 pour 1 000 jours de cath ter apr s une intervention de formation et des conomies financi res comparables avec des s jours plus courts en soins intensifs et l'h pital.176 Les tudes de cohorte unique pr sentent des faiblesses inh rentes, mais un essai randomis un peu plus petit de formation par simulation par rapport au mod le d'apprentissage traditionnel -les t moins form s ont galement montr cette incidence r duite d'infection (1,0 contre 3,4 infections pour 1 000 jours de cath ter, respectivement).177Riley et ses coll gues ont men une tude dans trois petits h pitaux communautaires, administrant la formation didactique TeamSTEPPS (Team Strategies and Tools to Enhance Performance and Patient Safety) aux quipes de soins p rinatals d'un h pital, TeamSTEPPS avec un programme d'accompagnement de simulations in situ. interventions dans un deuxi me, et aucune intervention dans le troisi me h pital, ce que Brunicardi_Ch53_p2163-p2186.indd 217822/02/19 16:39 PM 2179COMP TENCES ET SIMULATIONCHAPITRE 53a servi de contr le de l' tude.178,179 Les interventions de simulation ont t con ues pour impliquer le triage, le travail et l'accouchement, ainsi que les composantes des soins en salle d'op ration. Les issues p rinatales ont t valu es l aide du score pond r des r sultats ind sirables (WAOS). La formation par simulation a entra n une am lioration des r sultats cliniques avec une diminution de 37,4 % du WAOS observ e dans le groupe d'intervention par simulation, alors qu'un b n fice similaire n'a pas t observ dans le groupe form en didactique ou dans le groupe t moin. L' quipe STEPPPS avec une formation suppl mentaire par simulation a galement t tudi e par Capella et coll gues pour les performances de l' quipe et les r sultats des patients dans les soins de traumatologie.180 R animations traumatologiques pendant des p riodes successives de 2 mois s par es par une formation didactique et par simulation bas e sur des sc narios jusqu' des niveaux de comp tence d finis subjectivement (33 avant la formation, 40 apr s la formation) ont t valu s dans plusieurs domaines du travail d' quipe, y compris la performance globale l'aide du TPOT (Trauma Team Performance Observation Tool). Des am liorations significatives ont t observ es apr s la formation en mati re de leadership, de suivi de la situation, d'entraide, de communication et de notation globale. De plus, on a galement observ une diminution du d lai d attente jusqu la salle d op ration. Steinemann et ses coll gues ont signal un plus grand nombre de r animations traumatiques, 141 avant et 103 apr s une formation de simulation de patients en baie de traumatologie in situ accompagn e d'instructions didactiques.181 Bien qu'aucune am lioration significative des r sultats pour les patients n'ait t observ e dans cette tude, le temps de r animation a diminu apr s la formation. Dans une revue compl te de la litt rature examinant l impact de la simulation sur les r sultats pour les patients, Zendejas a identifi 50 tudes pr tendant montrer les r sultats pour les patients.182 Pour la majorit d entre elles, la qualit des tudes cliniques les donn es probantes sur les r sultats ont t consid r es comme faibles et les donn es de validit appropri es n'ont t rapport es pour les r sultats que dans un petit nombre de rapports publi s. Dans une revue ult rieure de 1 328 articles r sultant d'une recherche documentaire exhaustive, Cox a identifi 12 articles individuels qui rapportaient suffisamment de donn es sur les r sultats des patients pour tre consid r s comme le niveau Kirkpatrick 4.183. Les pr occupations concernant le nombre relativement restreint d' tudes de cette nature sont principalement m thodologiques et li es au pr pon - la n cessit d'utiliser le mod le d' tude observationnelle avant et apr s la formation, avec son risque de biais inh rent, plut t que les essais contr l s randomis s. Ces tudes ont galement tendance tre de taille assez limit e. En chirurgie, les domaines g n raux de performance des chirurgiens qui se pr tent l tude des r sultats p dagogiques en milieu clinique apr s une formation par simulation comprennent les capacit s techniques e |
Chirurgie de Schwartz | t les comportements observables au cours des activit s en quipe. L'utilisation d'une diminution du temps op ratoire ou d'erreurs techniques comme r sultats cliniques apr s une formation par simulation pourrait sugg rer, mais n' tablit pas clairement, un b n fice en mati re de s curit des patients ou d'autres avantages en mati re d'efficacit . Cependant, ces param tres ont souvent t utilis s pour d montrer le potentiel de tels avantages dans les tudes sur le transfert de comp tences pour des proc dures telles que la chol cystectomie laparoscopique et la r paration laparoscopique des hernies.56,63 Il existe un besoin vident d'obtenir des preuves de haute qualit sur la fa on dont La formation par simulation bas e sur les comp tences a un impact sur les r sultats des patients chirurgicaux. Dans une tude r cente examinant la r ponse des internes aux codes p diatriques, il a t d montr que la formation par simulation r duisait consid rablement le temps n cessaire pour demander de l'aide, pour lancer la ventilation au masque et pour lancer la ventilation thoracique. compressions.184 Citant la raret des codes p diatriques, les enqu teurs ont mesur cet effet dans des situations de codes simul s l'aide de simulateurs de patients. Cette utilisation d'un environnement de simulation haute fid lit comme substitut des v nements cliniques, qui autrement pourraient tre difficiles observer, pourrait tre le seul mod le pratique disponible pour l' tude des r sultats de performance des prestataires avec des interventions ducatives. FORMATION PAR SIMULATION POUR LE CHIRURGIEN EN PRATIQUE ET MAINTIEN DES COMP TENCES Compte tenu de l'exigence actuelle de la certification FLS et FES en r sidence, certains auteurs ont pos la question importante de savoir si une telle certification devrait tre appliqu e plus largement aux chirurgiens en pratique.185 Dans un communiqu de presse de 2012, l ACS et le SAGES ont recommand que tous les chirurgiens pratiquant la laparoscopie obtiennent la certification FLS. Le potentiel de r duction du risque de litige pour faute professionnelle dans le cadre d'un mod le d'auto-assurance a t utilis comme justification pour certifier 37 chirurgiens en FLS dans le syst me de Harvard en 2009.186 Dans un rapport r cent, des oncologues chirurgicaux novices en mati re de dissection des ganglions lymphatiques inguinaux mini-invasive (MILND ) ont fait l'objet de tests FLS avant performances de leurs premi res proc dures cliniques, qui ont t valu es par vid o l'aide de la m thode de notation GOALS.187 Il a t d montr que le score FLS tait en corr lation avec les r sultats GOALS et la dur e op ratoire, mais pas avec le rendement des ganglions lymphatiques. Cependant, les preuves selon lesquelles un test de comp tences techniques et cognitives en laboratoire pr dit les comp tences techniques op ratoires observ es chez les chirurgiens en exercice sont prometteuses et justifient un suivi d'enqu te. l'heure actuelle, les exigences de l'American Board of Surgery en mati re de maintien de la certification (MOC) ne inclure sp cifiquement toute certification de comp tences techniques qui pourrait utiliser la simulation chirurgicale.188 N anmoins, une formation et des tests par simulation peuvent tre mis la disposition des chirurgiens en exercice pour fournir une possibilit de formation sp cifique. Bien que la plupart des enqu tes sur l'utilisation de la r alit virtuelle pour la laparoscopie aient examin l'acquisition de comp tences de base en laboratoire bien avant tout impact mesur en salle d'op ration clinique, une tude innovante r cente sur l'utilisation d'un simulateur de r alit virtuelle pour la pratique d' chauffement imm diatement avant une La proc dure a montr que cela am liorait les performances du bloc op ratoire.189 mesure que de nouvelles proc dures et technologies chirurgicales sont introduites dans la pratique clinique, les solutions de formation par simulation pourraient remplir un objectif tout aussi important pour s'y pr parer que les m thodes de formation par simulation servent actuellement la chirurgie laparoscopique. Dans une publication r cente relative aux chirurgiens en exercice, Sullivan et al. fournir un cadre pour le d veloppement de mod les de certification bas s sur la simulation pour les stagiaires et les chirurgiens universitaires.190 CONSID RATIONS FUTURES La formation et l' valuation bas es sur la simulation sont fermement tablies dans l'enseignement chirurgical, en particulier dans l'enseignement m dical sup rieur o les apprenants ont t tudi s de mani re plus approfondie que tout autre groupe d'utilisateurs de simulation. . L avenir imm diat de la simulation en chirurgie verra probablement une utilisation accrue de la formation bas e sur les comp tences, tant donn les d monstrations constantes d efficacit dans l am lioration des comp tences des chirurgiens et l am lioration des r sultats ducatifs mesur s en milieu clinique. |
Chirurgie de Schwartz | La question de savoir quels types d valuation bas e sur la simulation- Les progr s technologiques et les activit s de formation pourraient tre possibles soul ve la question de savoir o les progr s technologiques pourraient ouvrir de nouvelles opportunit s.191 Les progr s de la r alit virtuelle sont in vitables, et des exp riences virtuelles beaucoup plus riches qui entreront dans le courant dominant de l'enseignement chirurgical semblent probables dans un avenir proche. La technologie d impression tridimensionnelle s est d velopp e dans son utilisation et ses applications et a grandement facilit le d veloppement de simulations anatomiquement pr cises pour des proc dures chirurgicales complexes. Certains mat riaux permettent des dissections l gantes bas es sur des instruments, y compris l'utilisation de l' lectrochirurgie.192-1949Brunicardi_Ch53_p2163-p2186.indd 217922/02/19 4:39 PM 2180CONSID RATIONS SP CIFIQUESPART IILes avanc es dans les technologies portables, de suivi de mouvement et de capteurs permettent une grande vari t d'hybrides et des exp riences augment es en simulation ainsi que de nombreuses opportunit s pour le d veloppement de nouvelles mesures de performance. Une tude utilisant la technologie des capteurs pour valuer les comp tences en mati re d'examen clinique des seins a r v l des diff rences de performance cl s chez les m decins exp riment s. Les donn es des capteurs et l'analyse vid o guid e par les capteurs ont permis de quantifier les comp tences jusqu'alors inconnues, mais essentielles l'excellence des performances.195-196Les opportunit s de collaboration distance sont d sormais grandement am lior es gr ce des vitesses Internet plus lev es, aux am liorations de la technologie de r alit augment e et r solution de cam ra toujours croissante. VIPAR (Virtual Interactive Presence and Augmented Reality) permet de convertir le champ visuel d'un chirurgien en simulation et de le projeter dans un endroit distant.197-198 En tant que tel, le syst me permet la collaboration perop ratoire et le t l mentorat.199Ind pendamment de la nouvelle simulation et les technologies d'ing nierie mergent, ces technologies ne sont pas l seulement pour rester mais pour se d velopper en tant qu'outils d' valuation et p dagogiques. Cela pr sente de nombreuses opportunit s pour les leaders de la simulation en chirurgie d'am liorer la prestation des soins en d finissant les meilleures pratiques dans les applications de simulation et en restant en phase avec les changements actuels et futurs de la pratique chirurgicale. R F RENCES Les entr es surlign es en bleu vif sont des r f rences cl s. 1. Sautez LL. Erreur en m decine. JAMA. 1994;272(23):1851-1857. 2. L erreur est humaine : construire un syst me de sant plus s r. Washington, DC : National Academy Press, Institut de m decine ; 1999. 3. Satava RM. Revue historique de la simulation chirurgicale : une perspective personnelle. Monde J Surg. 2008;32(2):141-148. 4. Martin JA, Regehr G, Reznick R et al. valuation objective structur e des comp tences techniques (OSATS) pour les r sidents en chirurgie. F. J Surg. 1997;84(2):273-278. 5. Reznick R, Regehr G, MacRae H, Martin J, McCulloch W. Test des comp tences techniques via un examen innovant de station de banc . Suis J Surg. 1997;173(3):226-230. 6. Une analyse prospective de 1518 tomies chol cyst ques laparoscopiques. Le Club des Chirurgiens du Sud. N Engl J Med. 1991 ; 324(16):1073-1078. 7. Rosser JC, Rosser LE, Savalgi RS. Acquisition et valuation des comp tences en chirurgie laparoscopique. Arch Surg. 1997 ; 132(2):200-204. 8. Drossis AM, Bothwell J, Sigman HH, Fried GM. L'effet de la pratique sur les performances dans un simulateur laparoscopique. Chirurgie Endosc. 1998;12(9):1117-1120. 9. Gallagher AG, Ritter EM, Champion H, et coll. Simulation de r alit virtuelle pour la salle d'op ration : la formation bas e sur les comp tences comme changement de paradigme dans la formation aux comp tences chirurgicales. Ann Surg. 2005;241(2):364-372. 10. Sachdeva AK. Cr ation d'instituts de formation accr dit s par l'American College of Surgeons : l'aube d'une nouvelle re dans l'enseignement et la formation en chirurgie. J Surg duc. 2010;67(4):249-250. 11. Scott DJ, Dunnington GL. Le nouveau programme de comp tences ACS/APDS : faire sortir la courbe d apprentissage de la salle d op ration. J Gastrointest Surg. 2008;12(2):213-221. 12. Korndorffer JR, Arora S, Sevdalis N et al. Programme national de comp tences de l'American College of Surgeons/Association of Program Directors in Surgery : taux d'adoption, d fis et strat gies pour une mise en uvre efficace dans les programmes de r sidence en chirurgie. Chirurgie. 2013;154(1):13-20. 13. Cloche droite. Conseil chirurgical sur la formation des r sidents : une nouvelle organisation consacr e la formation chirurgicale sup rieure. J Am Coll Surg. 2007;204(3):341-346.14. Carraccio CL, Benson BJ, Nixon LJ, Derstine PL. Du banc p dagogique au chevet c |
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Chirurgie de Schwartz | ie quotidienne. Aujourd hui, pr s de 9 adultes am ricains sur 10 utilisent Internet. En outre, Internet a r volutionn l' ducation en permettant une port e largie, un apprentissage asynchrone dans lequel les tudiants et les instructeurs n'ont pas besoin d' tre sur le m me horaire, et des supports multim dias. Tout comme l'utilisation d'Internet, les m dias sociaux ont connu une adoption croissante au cours des derni res ann es. d cennie. Les m dias sociaux sont un terme qui englobe plusieurs plates-formes informatiques utilis es pour cr er et partager des informations, des id es et d'autres contenus. Les m dias sociaux facilitent la communication et les interactions sur les r seaux virtuels. Les plateformes couramment utilis es incluent Facebook, Twitter, Snapchat et Instagram. Les m dias sociaux peuvent tre utilis s des fins multiples, notamment le r seautage social et professionnel ; cependant, ce chapitre se concentrera sur ses utilisations dans l'enseignement chirurgical. DUCATION BAS E SUR LE WEB Les ressources ducatives bas es sur le Web comprennent des conf rences et des webinaires, des simulateurs, des outils d' valuation, ainsi qu'un mentorat et un coaching interactifs. En outre, des programmes d' tudes complets bas s sur le Web ont t d velopp s et peuvent tre li s des ressources en ligne telles que des articles de revues, des modules interactifs d'anatomie et des vid os d'op rations. L ducation bas e sur le Web pr sente de nombreux avantages. Pour les stagiaires en chirurgie, le mat riel p dagogique en ligne permet d'acc der quelle que soit l'heure du jour ou de la nuit, fournit des outils interactifs pour l'apprentissage (c'est- -dire l'anatomie) et des vid os pour visualiser les op rations et les proc dures. En outre, pour les chirurgiens en exercice, les ressources ducatives en ligne comprennent des forums pour partager des cas difficiles et obtenir des conseils, des activit s pour obtenir une formation continue et un acc s rapide des informations sur les nouvelles technologies et la recherche. Cependant, il peut galement y avoir des inconv nients en termes de co ts et de probl mes techniques. Plusieurs tudes ont valu les r sultats d'apprentissage apr s la mise en uvre d'interventions ducatives bas es sur le Web. Dans l'enseignement chirurgical, ces interventions peuvent tre utilis es pour enseigner les soins aux patients et la prise de d cision via des tudes de cas en ligne, transmettre des connaissances l'aide de mat riel didactique en ligne ou introduire des comp tences chirurgicales. Cependant, les tudes valuant ces interventions ont tendance tre non randomis es, de petite taille et monocentriques. Une revue syst matique et une m ta-analyse r alis es en 2008 par Cook et al. ont valu l'effet de l'apprentissage sur Internet dans les soins de sant en g n ral. L' tude sugg re que l'apprentissage sur Internet est pr f rable l'absence d'intervention, mais qu'il pr sente une efficacit similaire celle des m thodes ducatives traditionnelles. Une revue syst matique plus r cente de 2015 r alis e par Jayakumar et al s'est concentr e sur l'enseignement en ligne en chirurgie. Ils ont signal un effet positif, mais la majorit des tudes incluses dans la revue manquaient de contr le. Sur la base de la litt rature actuelle, Internet devrait tre consid r comme un outil parmi tant d autres pouvant faciliter l apprentissage. Cependant, des tudes suppl mentaires sont n cessaires pour identifier les l ments cl s qui am liorent l'efficacit . Des supports p dagogiques bas s sur le Web doivent tre d velopp s en gardant l'esprit les th ories et les principes de l'apprentissage des adultes. Des programmes de formation chirurgicale bas s sur le Web ont t labor s la fois au niveau institutionnel et national. Un programme d tudes largement utilis est le programme du Surgical Council on Resident Education (SCORE), qui est disponible via un portail en ligne. D velopp en 2006, SCORE est bas sur les six comp tences de base requises d'un r sident dipl m : soins aux patients, connaissances m dicales, professionnalisme, communication, apprentissage bas sur la pratique et pratique bas e sur les syst mes. SCORE est le r sultat d'un effort collaboratif continu de l'American Board of Surgery, de l'American College of Surgeons, de l'American Surgical Association, de l'Association des directeurs de programme en chirurgie, de l'Association for Surgical Education, du Residency Review Committee for Surgery du Conseil d'accr ditation. de l'enseignement m dical sup rieur et de la Soci t am ricaine des chirurgiens gastro-intestinaux et endoscopiques. Le programme SCORE fournit du contenu sur les sujets couvrir au cours d'une r sidence en chirurgie g n rale de 5 ans et ajoute galement du contenu de niveau bourse. Les modules du portail SCORE pour chaque sujet comprennent des objectifs d'apprentissage, une discussion 3Introduction2187 ducation bas e sur le Web2187 ducation bas e s |
Chirurgie de Schwartz | ur les m dias sociaux2188Qu'est-ce que les m dias sociaux ? / 2188Clubs de lecture / 2190Conf rences sur Twitter en direct / 2190Forums et communaut s interactifs / 2190 ducation publique / 2192Les pi ges de l' ducation bas e sur le Web et les m dias sociaux2192Implications et orientations futures2194Brunicardi_Ch54_p2187-p2196.indd 218713/02/19 14:37 2188Forces perturbatrices1995200020052010Impact ducation chirurgicalePermettre technologiesFigure 54-1. La relation entre les forces perturbatrices, les technologies habilitantes et la formation chirurgicale. (Reproduit avec la permission de Pugh CM, Watson A, Bell RH, Jr, et al. Surgical education in the Internet era. J Surg Res. 2009 Oct;156(2):177-182.)Points cl s1 Internet est devenu un outil essentiel non seulement dans l'enseignement chirurgical mais aussi dans la vie des Am ricains en changeant la fa on dont les gens communiquent entre eux, acc dent l'information et m nent leur vie quotidienne.2 Internet a r volutionn l'enseignement chirurgical en permettant une port e un apprentissage asynchrone dans lequel les tudiants et les instructeurs n'ont pas besoin d' tre sur le m me horaire et des supports multim dias tels que des le ons interactives et des vid os.3 Malgr l'attrait de l' ducation bas e sur le Web, les revues syst matiques et les m ta-analyses n'ont pas r ussi identifier des tudes de haute qualit d montrant qu'elles sont sup rieures aux m thodes ducatives standards pour am liorer les r sultats d'apprentissage.4 Les simulateurs bas s sur le Web et en r alit virtuelle peuvent tre utilis s la fois pour enseigner des comp tences techniques et pour valuer les performances. Les simulateurs de r alit virtuelle se sont av r s efficaces pour former les chirurgiens des comp tences techniques qui se traduisent par des performances en salle d'op ration.5 Les clubs de lecture en ligne et bas s sur les m dias sociaux peuvent surmonter les obstacles associ s aux clubs de lecture traditionnels, tels que le manque d'heures propices et l'absence d'experts cliniques ou m thodologiques locaux. . Cependant, ils peuvent exiger plus de temps et d engagement de la part des dirigeants, et ils peuvent ne pas tre aussi efficaces que les clubs de lecture traditionnels, en personne et mod r s par les professeurs.6 Les m dias sociaux augmentent rapidement et de mani re exponentielle la diffusion de l information.7 De multiples pi ges. existent en ce qui concerne l' ducation bas e sur le Web et les m dias sociaux, y compris, mais sans s'y limiter : (a) la n cessit d'une adoption et d'une utilisation plus g n ralis es, (b) le manque d'exactitude et de surveillance r glementaire du contenu ducatif, (c) les probl mes concernant la confidentialit des patients et vie priv e, (d) non-divulgation de conflits d'int r ts et (e) manque de preuves de l'efficacit de ces mat riels pour am liorer les connaissances, les attitudes, les comp tences et les r sultats.8 Les m dias sociaux sont devenus un l ment n cessaire de la pratique chirurgicale. questions, ressources textuelles et vid os, et auto- valuation des quiz. Bien que les am liorations de la qualit des examens dans les r sidences qui souscrivent SCORE soient prometteuses, aucune tude n'a d montr avec certitude que l'utilisation de SCORE am liore les connaissances, les comp tences ou les performances cliniques des r sidents. L' ducation bas e sur le Web peut galement tre utilis e pour valuer et enseigner les comp tences chirurgicales. . En 2013, Birkmeyer et al. ont r alis une tude corr lant les comp tences chirurgicales en chirurgie bariatrique, sur la base d'examens en aveugle d'op rations enregistr es sur vid o, aux r sultats cliniques. La capacit de distinguer les chirurgiens ayant de bonnes et de mauvaises comp tences techniques l'aide d' valuations vid o a des implications significatives pour la formation des chirurgiens et pour l' valuation de leurs performances. En ce qui concerne la formation, plusieurs simulateurs en ligne et en r alit virtuelle ont t d velopp s pour permettre aux r sidents de mettre en pratique des t ches et des comp tences de mani re r p titive, leur propre rythme et selon leur temps libre. Ces simulateurs peuvent quantifier l'efficacit du mouvement et le temps n cessaire pour accomplir une t che, ainsi que fournir un retour d'information en temps r el. Il a t d montr que ces mesures ont une validit conceptuelle (en ce sens qu'elles mesurent ce qu'elles sont cens es mesurer) et une validit crit rielle (en ce sens qu'elles sont en corr lation avec la performance op rationnelle). Par exemple, des essais randomis s ont d montr que la formation par simulation chirurgicale est en corr lation avec une diminution du temps op ratoire et am liore les performances subjectivement valu es en mati re de comp tences techniques en situation r elle. Des valuations bas es sur le Web ont galement t utilis es en combinaison avec des simulateurs physiques pour fourn |
Chirurgie de Schwartz | ir des mesures similaires. En ce qui concerne les chirurgiens en exercice, l'utilisation du coaching vid o pour compl ter l'enseignement perop ratoire a suscit un enthousiasme accru. En particulier, l'examen postop ratoire des proc dures enregistr es sur vid o permet aux chirurgiens de recevoir un retour personnalis sur les opportunit s d'am lioration sans les contraintes de temps ou les pressions de la salle d'op ration. Des essais randomis s de coaching chirurgical dans des contextes simul s sugg rent des avantages par rapport la formation traditionnelle sur simulateur, et des essais plus vastes en situation r elle sont en cours. Bien que la plupart des coachings se d roulent en face- -face, il existe des opportunit s de recourir au coaching en ligne. titre d'exemple, le t l mentorat a t utilis pour surveiller les chirurgiens en salle d'op ration, m me dans le monde entier. Les obstacles l' ducation sur le Web incluent les co ts initiaux de d veloppement et le besoin d'expertise technique. Comme nous l avons d j indiqu , l enseignement des connaissances bas sur le Web n est peut- tre pas plus efficace que les m thodes traditionnelles. D un autre c t , la simulation et le coaching vid o sont tr s prometteurs pour am liorer la formation et l valuation des comp tences chirurgicales. Cependant, la mise en uvre g n ralis e du coaching vid o n cessitera un changement de culture pour que les chirurgiens acceptent l'assistance et les ressources telles que le temps, la disponibilit des coachs et les finances. Des tudes en cours fourniront des donn es sur l'efficacit de ces strat gies ducatives. DUCATION BAS E SUR LES M DIAS SOCIAUXQu'est-ce que les m dias sociaux ?Les m dias sociaux sont un terme d crivant les sites Web et les applications Web qui permettent aux utilisateurs de partager des id es, des informations et Brunicardi_Ch54_p2187-p2196.indd 218813/02/19 14:37 PM 2189 DUCATION BAS E SUR LE WEB ET IMPLICATIONS DES M DIAS SOCIAUXCHAPITRE 54@Twitteruser1@Twitteruser2A@Twitteruser1@Twitteruser2BFigure 54-2. L utilisation des m dias sociaux peut tre (a) unidirectionnelle ou (b) bidirectionnelle. Les noms d'utilisateurs sur Twitter sont indiqu s par @ . R. @Twitteruser2 suit @Twitteruser1. Elle re oit tous ses messages sur son fil Twitter. Cependant, @Twitteruser1 ne la suit pas et ne re oit donc pas ses messages en retour. B. @Twitteruser1 et @Twitteruser2 se suivent. Par cons quent, ils re oivent chacun les messages de chacun dans leurs flux Twitter via un r seau virtuel. Bien que les r seaux sociaux soient souvent utilis s pour interagir avec les amis et la famille, ils peuvent galement tre utilis s des fins ducatives et professionnelles. Les exemples incluent les clubs de lecture bas s sur Twitter, les forums de discussion sur Facebook et les sites de r seautage professionnel tels que LinkedIn ou ResearchGate. Les plateformes de m dias sociaux peuvent servir diff rentes fins, notamment les r seaux sociaux, le microblogging, les blogs, le partage de photos, le partage de vid os et le crowdsourcing. Les plateformes de m dias sociaux couramment utilis es en chirurgie comprennent Facebook, Twitter et YouTube. Facebook est le site de r seautage social le plus populaire ; il est accessible via des ordinateurs de bureau, des ordinateurs portables et des t l phones mobiles. Il permet aux utilisateurs d changer des informations, des photos et des vid os avec des contacts ou amis sp cifi s avec lesquels il existe une relation bidirectionnelle. Twitter est une autre plateforme de m dias sociaux populaire. Il s'agit d'un site de microblogging qui, comme Facebook, permet l' change de messages et de photos mais limite les messages ou tweets 140 caract res ou moins. Les utilisateurs de Twitter peuvent entretenir des relations sens unique ou bidirectionnel avec d'autres utilisateurs. Les abonn s d un utilisateur re oivent tous les tweets de cette personne dans leur fil Twitter. YouTube est une plateforme de m dias sociaux qui permet aux utilisateurs de partager des vid os. L'utilisation des m dias sociaux en chirurgie peut tre unidirectionnelle ou bidirectionnelle (Fig. 54-2). Par exemple, des revues telles que le New England Journal of Medicine peuvent compter un grand nombre d abonn s, mais ne suivre que tr s peu d utilisateurs. tant donn que le nombre d articles de revues publi s quotidiennement a augment de fa on exponentielle, en particulier avec l av nement des revues en libre acc s, il peut tre difficile de se tenir au courant de la litt rature chirurgicale. Suivre des revues sur les r seaux sociaux est une strat gie pour rester jour. Bien que les m dias conventionnels tels que les journaux et les cha nes d information puissent attirer l attention sur les tudes qui changent les pratiques, les m dias sociaux sont une autre plate-forme par laquelle ces informations peuvent tre promues et diffus es par les revues. De nombreuses revues chirurgicales sont pr sentes en ligne |
Chirurgie de Schwartz | et sur les r seaux sociaux, et beaucoup ont des r dacteurs sur les r seaux sociaux qui organisent les documents publi s. Les plateformes de m dias sociaux populaires pour les revues incluent Facebook et Twitter. Les deux plateformes permettent aux revues de publier du texte, des figures et des liens vers des r sum s ou des articles de revues. Les deux plateformes permettent d autres de partager des informations ou de commenter des articles. Cependant, Twitter limite le texte 140 caract res. Une innovation r cente susceptible de contrecarrer le nombre limit de caract res autoris s est le r sum visuel, qui est une repr sentation picturale concise des points cl s d un article (Fig. 54-3). R cemment, une tude prospective crois e cas-t moins a t r alis e dans laquelle les tweets sur les articles d'Annals of Surgery taient soit accompagn s d'un r sum visuel, soit tweet s avec du texte seul. L'accompagnement d'un tweet avec un r sum visuel a entra n une multiplication par trois des visites d'articles. Ainsi, la majorit des abonn s aux revues peuvent simplement recevoir des informations sur les nouvelles publications (flux d informations unidirectionnel). Cependant, les utilisateurs peuvent galement choisir de r pondre aux publications par des commentaires (flux d'informations bidirectionnel). BR sultatsComplications15%11%Mortalit Auteur A et al. Journal. Date.Journal Logo8%4%Comparaison du traitement chirurgical A et du traitement chirurgical BPatients atteints de la maladie XFigure 54-3. Un r sum visuel est un r sum graphique des principaux r sultats d'un article de revue.Brunicardi_Ch54_p2187-p2196.indd 218913/02/19 2:37 PM 2190CONSID RATIONS SP CIFIQUESPART IIClubs de revuesLes revues peuvent promouvoir le flux bidirectionnel d'informations en h bergeant des clubs de lecture bas s sur les m dias sociaux. D'un point de vue p dagogique, les clubs de lecture ont traditionnellement servi non seulement de compl ment aux cours magistraux, mais aussi de forum pour enseigner l' valuation critique de la litt rature. De plus, lorsqu ils sont anim s par des professeurs poss dant une expertise clinique sur le sujet abord , les stagiaires en chirurgie peuvent mieux valuer la mani re d int grer les preuves dans la pratique. Cependant, les obstacles aux clubs de lecture traditionnels peuvent inclure une faible participation, le manque de temps opportun ou l'absence d'expertise locale dans le domaine clinique ou la m thodologie de recherche. Les clubs de lecture bas s sur les r seaux sociaux peuvent aider surmonter ces obstacles en permettant des discussions asynchrones et des mod rateurs experts. Les clubs de lecture en ligne peuvent tre organis s en temps r el, mais ils permettent galement aux personnes interrog es de commenter une conversation des heures, voire des jours plus tard. Plusieurs sp cialit s, dont la chirurgie, ont d velopp des clubs de lecture bas s sur les m dias sociaux. Conseils pour r ussir son lancement en ligne Les clubs de lecture peuvent tre tir s de l exp rience croissante qu ils ont acquise (Tableau 54-1). Des clubs de lecture bas s sur les m dias sociaux en chirurgie ont t organis s via Facebook, Twitter ou une combinaison des deux plateformes. Ils ont galement pris la forme d'un blog. Bien qu'ils soient g n ralement associ s des journaux ou journaux personnels, les blogs peuvent galement tre trouv s sur des sites Web professionnels qui sont fr quemment mis jour par une personne ou un groupe (c'est- -dire par une revue ou une soci t chirurgicale). Les conversations issues des discussions du club de lecture peuvent galement tre compil es et r sum es dans une transcription, soit manuellement, soit l'aide d'applications Web telles que Storify. Ces transcriptions peuvent tre publi es sur le site Web de la revue ou partag es. En outre, 5aTableau 54-1Dix conseils pour cr er un club de lecture en ligne CONSEIL 1Cr ez une page d'accueil en ligne qui sert de rampe de lancement pour les discussions de votre club de lecture 2D veloppez et enregistrez un hashtag sur Twitter 3Incorporez non seulement Twitter mais d'autres plateformes collaboratives dans le cadre de votre club de lecture en ligne 4Assurez-vous que l'heure du club de lecture convient votre public cible 5Aidez pr parer les participants en regroupant d'autres ressources en ligne pertinentes pour l'article 6Envisagez d'inviter les auteurs de l'article pr sent ou d'autres experts dans le domaine 7Sugg rez aux participants du club de lecture d'envisager d'utiliser des applications de gestion Twitter sp cifiques pendant le chat Tweet 8Engager les participants cultiver et encourager davantage de discussions 9Connectez-vous la communaut en ligne en suivant et en interagissant avec d'autres comptes de m dias sociaux pertinents10Lien vers l'article original en ins rant un commentaire sur PubMed CommonsData de Chan TM, Thoma B, Radecki R et al. Dix tapes pour cr er un club de lecture en ligne, J Contin E |
Chirurgie de Schwartz | duc Health Prof. 2015 Spring;35(2):148- 154. Les r sum s des clubs de lecture en personne ou en ligne peuvent tre ajout s la citation PubMed via PubMed Commons.Pr liminaire les donn es sugg rent que les clubs de lecture en ligne augmentent les discussions sur les articles, les opinions sur les r sum s et les t l chargements (Fig. 54-4). Par exemple, l'International General Surgery Journal Club a organis quatre discussions mod r es sur des articles de revues sur Twitter entre mars et juin 2014. Les articles examin s couvraient des sujets li s la chirurgie bariatrique (mars), la thromboembolie veineuse lors d'un traumatisme (avril), la diverticulite. (mai) et mastectomie prophylactique controlat rale pour le cancer du sein (juin). Bien que les auteurs et les experts invit s n aient mod r les discussions que pendant 3 jours, l activit sur Twitter a augment dans les jours pr c dant et suivant ces discussions. De plus, les vues quotidiennes de l'article et les t l chargements ont augment de mani re correspondante. Ainsi, les clubs de lecture en ligne constituent une strat gie potentielle pour accro tre la formation des chirurgiens sur les articles fondateurs. Alors que les m dias sociaux Les clubs de lecture bas s sur les m dias sont tr s attrayants, mais il existe peu de donn es concernant leur efficacit enseigner aux participants les comp tences d' valuation critique. Un essai randomis multicentrique a compar des clubs de lecture mod r s par un membre du corps professoral des discussions en ligne. Les r sidents en chirurgie des deux bras ont utilis les modules d velopp s par le comit directeur des examens fond s sur des donn es probantes en chirurgie ; ces modules comprennent le guide pertinent de l' valuation critique et une revue m thodologique et clinique. Les r sidents randomis s dans le groupe mod r ont obtenu des r sultats plus lev s un test valid valuant les comp tences en valuation critique. Des tudes plus approfondies sont n cessaires pour valuer l'efficacit des clubs de lecture bas s sur les m dias sociaux dans la diffusion de nouvelles connaissances ainsi que dans l'enseignement de l' valuation critique. Conf rences sur Twitter en direct Traditionnellement, les chirurgiens assistent des conf rences r gionales et nationales pour r seauter et apprendre de nouvelles informations pertinentes pour leur pratique. , et changer des id es. Cependant, avec l av nement des m dias sociaux, les chirurgiens n ont plus besoin d assister physiquement une conf rence pour effectuer toutes ces activit s. Le tweet en direct est un terme utilis pour d crire la publication de commentaires sur Twitter propos d'un v nement en cours. Plusieurs soci t s chirurgicales et non chirurgicales ont adopt Twitter pour tendre la port e de leurs conf rences. En d signant les tweets comme manant d'une conf rence sp cifique avec un hashtag unique, la port e et le nombre d'impressions peuvent r ellement tre mesur s (Fig. 54-5). La port e fait r f rence au nombre de destinataires uniques de messages provenant d'un groupe sp cifique de Twitterers (ou de personnes publiant sur Twitter). Les impressions font r f rence chaque fois qu'un message a t remis un destinataire ; un destinataire peut recevoir le m me message plusieurs fois. Ni la port e ni les impressions ne mesurent si le destinataire a lu le tweet. titre d'exemple de la fa on dont la port e et les impressions peuvent tre utilis es pour fournir des mesures pour les m dias sociaux, le projet Healthcare Hashtag permet aux hashtags de conf rence enregistr s de suivre les derniers tweets, les Twitter les plus prolifiques des tweets li s la conf rence, les Twitter les plus fr quemment mentionn s et le nombre de tweets li s la conf rence. d'impressions (Fig. 54-6) (https://www.symplur.com/healthcare-hashtags/). Comme le montre la figure, les m dias sociaux augmentent rapidement et de mani re exponentielle la diffusion de l information. Les transcriptions des tweets li s la conf rence peuvent galement tre assembl es pour permettre d'organiser un fil de conversation en une discussion coh rente. Forums et communaut s interactifs Les forums et communaut s interactifs sont une autre m thode par laquelle Internet et les m dias sociaux peuvent tre utilis s pour 5b6Brunicardi_Ch54_p2187-p2196.indd 219013/02/19 14:37 2191WEB- DUCATION BAS E ET IMPLICATIONS DES M DIAS SOCIAUX CHAPITRE 54ATime Vues HTML quotidiennes et t l chargements PDF de l'article en vedette au cours de chacun des 4 journaux Twitter mensuels de l'IGSJC ClubsTweets025050075010001250Activit des tweets sur #IGSJC10. 24 mars. 7 mars. 21 avril. 5 avril. 19 mai. 2 mai. JuinB0100Nombre de vues HTML T l chargements PDF200300400100Dates du Journal Club +/-5 jours3-5 mars 4 juin-50255075Vue HTMLT l chargement PDFFigure 54-4. Impact d'un club de lecture bas sur les m dias sociaux sur Activit Twitter, vues HTML (Hypertext Markup Language) et t l chargements au forma |
Chirurgie de Schwartz | t de document portable (PDF). A. L'activit au sein d'un club de lecture bas sur Twitter tel que l'International General Surgery Journal Club (IGSJC) peut tre suivie en d signant les tweets li s au club de lecture avec un hashtag (#IGSJC). L'activit sur Twitter a augment au cours de chacun des quatre clubs de lecture. B. Les vues HTML quotidiennes et les t l chargements PDF des articles vedettes ont galement augment au cours de la p riode des quatre clubs de lecture Twitter. (Donn es non publi es de Sarah Bryczowski et Michael E. Zenilman.)@Utilisateur Twitter14 abonn s (3 uniques, 1 partag )Port e : 7 utilisateurs uniquesImpressions : 8 impressionsChaque utilisateur a re u un tweet de @Utilisateur Twitter1 : 1 impression chacunTweet re u des deux utilisateurs :2impressionsChaque utilisateur a re u un tweet de @Utilisateur Twitter2 : 1 impression chacun@Twitteruser24 abonn s (3 uniques, 1 partag )Figure 54-5. Diff rence entre la port e et les impressions sur Twitter. S'il y a deux utilisateurs de Twitter et que chacun a trois abonn s uniques et un abonn partag , il y a alors sept destinataires uniques de leurs tweets combin s. Leur port e totale est de sept utilisateurs uniques. Si les deux utilisateurs tweetent le m me message, alors un utilisateur aura re u le message deux fois. Cependant, chaque fois que le message est d livr compte comme une impression ; ainsi, les abonn s auront un total de huit impressions.Brunicardi_Ch54_p2187-p2196.indd 219113/02/19 2:37 PM 2192CONSID RATIONS SP CIFIQUESPART IIIimpressionsTweetsParticipantsAvg Tweets/HourAvg Tweets/Participant4272298443,601The Nombres@Utilisateur1 123@Utilisateur2 65@Utilisateur3 62@Utilisateur4 46@Utilisateur5 42@Utilisateur6 32@Utilisateur7 21@Utilisateur8 19@Utilisateur9 17@Utilisateur10 16Top 10 par Mentions@Utilisateur3 27@Utilisateur11 25@Utilisateur7 23@Utilisateur4 23@Utilisateur12 19@Utilisateur13 13@Utilisateur14 12@Utilisateur15 11@Utilisateur2 10@Utilisateur1 9Top 10 par Tweets@Utilisateur13 103 937@Utilisateur24 80 956@Utilisateur4 42 976@Utilisateur3 40 911@Utilisateur6 28 966@Utilisateur41 22 534@User52 14 566@User72 13 514@User35 11 965@User68 9862Top 10 par ImpressionsLes influenceurs de la conf rence #SurgeryFigure 54-6. Exemple d'analyse de conf rence partir de Healthcare Hashtags (https://www.symmplur.com/healthcare-hashtags/). Les conf rences de chirurgie peuvent marquer les tweets en utilisant un hashtag pr d fini (c'est- -dire #SurgeryConference) pour d signer les messages li s la conf rence. Ceux-ci peuvent ensuite tre suivis. Une mention se produit lorsqu un utilisateur inclut le nom d un autre utilisateur dans le tweet. Notez dans l'exemple que m me si seuls quelques utilisateurs tweetent propos d'une conf rence, le nombre d'impressions peut tre important si plusieurs de ces utilisateurs ont un grand nombre de followers. Par exemple, @User13 n'a tweet que 13 fois mais a g n r 103 937 impressions des fins ducatives. Il s'agit d'exemples de crowdsourcing dans lesquels des informations sont collect es en faisant appel l'aide d'un grand nombre de participants. Le crowdsourcing implique souvent le grand public ou un groupe d individus vaguement d fini, par opposition l externalisation, qui confie un projet une entreprise ou un groupe sp cifique. Par exemple, Wikip dia est un exemple de crowdsourcing. En chirurgie, les communaut s Web cr es par l American College of Surgeons sont un exemple de crowdsourcing. Les membres peuvent appartenir une ou plusieurs communaut s en fonction de leur sp cialit (c.- -d. chirurgie g n rale ou chirurgie endocrinienne), de leur g ographie (c.- -d. chapitre de Floride), du niveau d' ducation (c.- -d. tudiants en m decine ou chirurgiens exp riment s), d'un int r t particulier (c.- -d. chirurgien crivains) ou un probl me (c'est- -dire l'am lioration de la qualit et le plaidoyer). Les membres peuvent publier et r pondre des fils de discussion qui couvrent un large ventail de sujets, notamment des conseils pour des cas difficiles, des ant c dents chirurgicaux et des questions politiques. Un exemple de forum interactif bas sur les m dias sociaux est l'International Hernia Collaboration (IHC), h berg sur Facebook. Les participants comprennent non seulement des chirurgiens, mais galement des prestataires de soins de sant et des repr sentants de l'industrie souhaitant am liorer les r sultats apr s une chirurgie de hernie. L'adh sion l'IHC est limit e ceux qui ont t examin s et approuv s. Le forum permet aux membres de demander conseil sur des cas difficiles, de d battre de sujets controvers s, de publier des instructions tape par tape sur des proc dures ou des strat gies de gestion et de diffuser rapidement des informations un large public. Les forums collaboratifs tels que l'IHC permettent une formation continue en temps r el, interactive, bas e sur des cas. ducation publique Les opportunit s ducatives offertes par Internet et les m dias sociaux ne |
Chirurgie de Schwartz | se limitent pas aux prestataires de soins de sant . Internet et les m dias sociaux sont galement de plus en plus utilis s pour informer les patients et leurs familles. Il existe de nombreux m dias par lesquels l' ducation sanitaire est diffus e, notamment, mais sans s'y limiter, les forums de discussion en ligne ou sur les r seaux sociaux g r s par les patients, le soutien aux patients. des groupes, des prestataires de soins de sant ou des organisations de soins de sant ; blogs ou salles de r daction ; ou des portails lectroniques et mobiles pour les patients en mati re de sant . Les m dias sociaux permettent aux patients d acc der rapidement aux informations, quel que soit l heure ou le lieu. Cependant, comme indiqu dans la section suivante, l'exactitude du mat riel ducatif bas sur les m dias sociaux ne peut tre garantie, et les patients doivent faire preuve de prudence lorsqu'ils s'appuient sur ces informations pour prendre des d cisions importantes en mati re de soins de sant . Les pi ges de l' ducation bas e sur le Web et les m dias sociaux Malgr les nombreux avantages de l ducation bas e sur le Web et les m dias sociaux, d importants pi ges potentiels subsistent. Premi rement, l adoption et l utilisation g n ralis es constituent un d fi. Bien que l utilisation d Internet et du t l phone mobile soit r pandue, l efficacit des supports p dagogiques bas s sur le Web d pend de l adoption par les stagiaires et les chirurgiens de la technologie et des ressources disponibles. Malgr la disponibilit croissante d Internet et de la technologie mobile, tous les chirurgiens ne les utilisent pas des fins p dagogiques. Par exemple, une revue syst matique et une m ta-analyse de Guraya et al ont r v l que trois tudiants en m decine sur quatre utilisent des sites de r seaux sociaux, mais que seulement un sur cinq les utilise des fins ducatives. De plus, le manque d utilisation peut avoir un impact sur l efficacit de l ducation. Dans l essai multicentrique mentionn pr c demment comparant un club de lecture mod r une version en ligne, la faible participation au club de lecture sur Internet a t postul e comme tant un facteur significatif de la moindre performance un test d valuation critique. Une plus grande attention port e la conception p dagogique pourrait am liorer l adoption et l efficacit . Une revue syst matique et une m ta-analyse de Cook et al ont d termin que des fonctionnalit s telles que l'interactivit , les exercices pratiques, la r p tition et le feedback sont associ es de meilleurs r sultats d'apprentissage. Les auteurs ont galement not que la base de donn es probantes sur laquelle concevoir des programmes d'apprentissage bas s sur Internet est limit e par une m thodologie d' tude m diocre, l'incapacit d'utiliser des cadres conceptuels et le manque de respect des normes de reporting. Ainsi, m me si les caract ristiques susmentionn es doivent tre prises en compte lors de la conception de futurs programmes ducatifs bas s sur le Web et les m dias sociaux, des orientations suppl mentaires fond es sur des preuves sont n cessaires. Deuxi mement, la qualit des informations disponibles en ligne et via les m dias sociaux peut ne pas tre exacte ou fiable. Plusieurs rapports ont t publi s concernant les inexactitudes du mat riel p dagogique bas sur le Web. Les chirurgiens et les stagiaires en chirurgie doivent valuer soigneusement la source du mat riel p dagogique, rechercher les conflits d int r ts susceptibles d aboutir des informations biais es, valuer la date de mise jour r cente des informations et recouper les r f rences. Le public profane peut avoir plus de difficult s identifier sur Internet du mat riel p dagogique chirurgical fiable. Les prestataires de soins de sant devraient guider les patients vers des sites Web r put s et encourager la discussion sur l exactitude du contenu. Troisi mement, les dialogues et conseils utiles sur les cas difficiles doivent tre quilibr s avec des consid rations thiques concernant la confidentialit et la vie priv e des patients. Des mesures de protection appropri es doivent tre prises. 7Brunicardi_Ch54_p2187-p2196.indd 219213/02/19 2:37 PM 2193 DUCATION SUR LE WEB ET IMPLICATIONS DES M DIAS SOCIAUXCHAPITRE 54Tableau 54-2Comit d' thique, de professionnalisme et de droits de l'homme de l'American College of Physicians ; le Conseil des associ s du Coll ge am ricain des m decins ; et le Comit sp cial sur l' thique et le professionnalisme de la F d ration des commissions m dicales d' tat a publi un document de position sur le professionnalisme m dical en lignePosition 1L'utilisation des m dias en ligne peut apporter des avantages ducatifs significatifs aux patients et aux m decins, mais elle peut galement poser des d fis thiques. Maintenir la confiance dans la profession et dans les relations patient-m decin exige que les m decins appliquent syst matiquement des principes thiques visant pr server la relation, la conf |
Chirurgie de Schwartz | identialit , la vie priv e et le respect des personnes dans les environnements et les communications en ligne.Position 2Les fronti res entre les sph res professionnelle et sociale peuvent s'estomper en ligne. Les m decins devraient garder les deux sph res distinctes et se comporter de mani re professionnelle dans les deux. Position 3Le courrier lectronique ou d'autres communications lectroniques ne devraient tre utilis s que par les m decins dans le cadre d'une relation patient-m decin tablie et avec le consentement du patient. La documentation sur les communications relatives aux soins des patients doit tre incluse dans le dossier m dical du patient.Position 4Les m decins devraient envisager p riodiquement une auto-audit pour valuer l'exactitude des informations disponibles leur sujet sur les sites Web de classement des m decins et d'autres sources en ligne.Position 5La port e d'Internet et en ligne les communications sont lointaines et souvent permanentes. Les m decins, les stagiaires et les tudiants en m decine doivent tre conscients que les publications en ligne peuvent avoir des implications futures sur leur vie professionnelle. Donn es de Farnan JM1, Snyder Sulmasy L, Worster BK et al : Professionnalisme m dical en ligne : relations avec les patients et le public : d claration de politique du Coll ge am ricain des m decins et F d ration des conseils m dicaux d' tat, Ann Intern Med. 16 avril 2013;158(8):620-627.pour garantir que les patients ne peuvent pas tre identifi s sur la base des informations fournies, que les patients ont consenti ce que leurs informations soient publi es de mani re anonyme et que tous les commentaires li s au cas soient appropri s et professionnels. M me si le bon sens doit tre utilis lors de la publication de messages sur cas de patients, seules quelques organisations ont publi des lignes directrices sur la mani re de se pr munir contre les pi ges potentiels. En 2013, le comit d' thique, de professionnalisme et de droits de l'homme de l'American College of Physicians ; le Conseil des associ s du Coll ge am ricain des m decins ; et le Comit sp cial sur l' thique et le professionnalisme de la F d ration des commissions m dicales d' tat a publi une d claration de position sur l'enseignement m dical en ligne (tableau 54-2). Le document indiquait que le maintien de la confiance dans la profession et dans les relations patient-m decin exige que les m decins appliquent syst matiquement des principes thiques pour pr server la relation, la confidentialit , la vie priv e et le respect des personnes dans les environnements et les communications en ligne. Quatri mement, les conflits d'int r ts. doit tre clairement nonc . Les revues exigent que les auteurs d clarent les conflits d int r ts pertinents, mais plusieurs tudes sugg rent que ceux-ci ne sont souvent pas signal s. De m me, les conflits d int r ts doivent tre divulgu s sur les r seaux sociaux. Cependant, de telles divulgations peuvent tre plus difficiles sur les r seaux sociaux en raison du nombre limit de caract res autoris s (c'est- -dire 140 caract res pour Twitter) ou de la mani re dont les informations sont propag es. Par exemple, un chirurgien peut divulguer une relation avec l industrie dans un tweet original, mais cette divulgation ne peut pas appara tre dans les commentaires ult rieurs d un fil de discussion. Les chirurgiens qui publient des messages sur les r seaux sociaux doivent se faire un devoir thique et professionnel de divulguer leurs conflits d int r ts. En outre, les utilisateurs de contenu de m dias sociaux doivent tre conscients du potentiel de partialit introduit par des conflits d int r ts non divulgu s et faire preuve de diligence raisonnable dans l valuation de la fiabilit de la source. Enfin, les organismes de r glementation et les organisations professionnelles devraient publier des lignes directrices standardis es pour la divulgation sur les r seaux sociaux ou d velopper des m canismes permettant la divulgation d' tre accessible au public (comme la base de donn es Open Payments). Cinqui mement, le professionnalisme doit toujours tre maintenu. Les chirurgiens qui publient du contenu sur le Web ou sur les r seaux sociaux doivent tre conscients que l'information sera largement diffus e et disponible pour la post rit ; les messages publi s sur les r seaux sociaux ne peuvent pas tre enti rement r tract s. Comme d j mentionn , les chirurgiens doivent s'efforcer de pr server la vie priv e des patients, de garantir l'exactitude des informations et de divulguer les conflits d'int r ts. De plus, les chirurgiens doivent tre conscients des interpr tations involontaires des messages (c'est- -dire discriminatoires ou non professionnels). De multiples tudes sur les sites de m dias sociaux des prestataires de soins de sant ont identifi des contenus potentiellement et clairement non professionnels ; ces tudes ont inclus des tudiants en m decine, des r sidents et des |
Chirurgie de Schwartz | chirurgiens en exercice. Malgr la pr valence de contenus non professionnels, peu de programmes de r sidence en chirurgie disposent de politiques institutionnelles formelles en mati re de m dias sociaux. De plus, la d claration de position de l'American College of Physicians et de la Federation of State Medical Boards n'aborde que quelques-uns des probl mes li s aux activit s sur le Web, notamment pour la formation des patients et des m decins (Tableau 54-3).Tableau 54-3Professionnalisme et formation m dicale en lignePOSTES SUR LE PROFESSIONNALISME DANS LA FORMATION EN LIGNE DES PATIENTS ET DES M DECINS Internet peut tre un puissant outil de formation. Les m decins doivent guider les patients vers des ressources en ligne de haute qualit , pr cises et objectives. Ces sites doivent avoir un contenu valu par des pairs ou disposer de m canismes v rifiables pour le contr le de la qualit de l'information. Les ressources d'apprentissage en ligne peuvent tre utilis es par les patients et les m decins. Internet et les r seaux sociaux peuvent tre utilis s pour am liorer la sant publique. Les m decins engag s dans des communaut s en ligne doivent garantir la s curit des r seaux et restreindre la participation aux utilisateurs v rifi s. Les sc narios cliniques ne doivent contenir aucune information d'identification personnelle et le consentement du patient doit tre obtenu avant de partager la vignette. Les discussions en ligne sur les frustrations sapent la confiance et le professionnalisme et doivent tre vit es. Donn es de Farnan JM1, Snyder Sulmasy L, Worster BK et al : Professionnalisme m dical en ligne : relations avec les patients et le public : d claration politique de l'American College of Physicians et de la F d ration des tats. Conseils m dicaux, Ann Intern Med. 16 avril 2013;158(8):620- 627.Brunicardi_Ch54_p2187-p2196.indd 219313/02/19 2:37 PM 2194CONSID RATIONS SP CIFIQUESPART IIEnfin, les tudes valuant l'efficacit de l' ducation bas e sur le Web ont eu des r sultats vari s. Une revue syst matique r cente r alis e par Taveira-Gomes et al. a valu 251 articles en utilisant des m thodologies d'apprentissage informatis es dans l'enseignement m dical ; le nombre d articles sur ce sujet a augment au fil du temps. Les param tres les plus couramment utilis s pour valuer l efficacit de ces m thodologies taient les valuations des connaissances, des attitudes et des comp tences. La majorit des tudes ont fait tat d effets positifs sur ces crit res de jugement, m me si les tudes les plus rigoureuses (c est- -dire les essais randomis s) taient moins susceptibles de constater un effet positif. L'activit en ligne (c'est- -dire le nombre de publications ou de vues) a t suivie dans quelques tudes, mais les r sultats taient contradictoires quant savoir si un engagement accru tait corr l une am lioration des performances. Cette revue sugg re que des tudes de haute qualit sont n cessaires sur les interventions ducatives bas es sur le Web et que ces tudes doivent inclure des mesures des performances et des r sultats cliniques.IMPLICATIONS ET FUTUR DIRECTIONSLe comit social et l gislatif de la Society of University Surgeons a publi un nonc de position intitul : Les m dias sociaux sont un l ment n cessaire de la pratique chirurgicale. Compte tenu du rythme rapide avec lequel la technologie progresse et de la familiarit de la g n ration actuelle (g n ration Z) avec Internet, les chirurgiens n'ont d'autre choix que d'exploiter la puissance d'Internet et des m dias sociaux, sous peine d' tre laiss s pour compte. De nombreuses revues abandonnent progressivement les versions imprim es, et plusieurs revues sont d j uniquement en ligne. En outre, les manuels scolaires pourraient galement devenir une relique du pass mesure que les diteurs s'orientent vers le d veloppement de versions num riques comprenant des graphiques, des fichiers audio et vid o interactifs. mesure que l'enseignement chirurgical continue d' voluer, les orientations futures pourraient inclure des indications plus larges pour l'utilisation du Web et des m dias sociaux. ressources bas es. Par exemple, un coaching vid o avec des discussions en face face a t utilis en postop ratoire pour compl ter l'enseignement perop ratoire. Cependant, le crowdsourcing pr op ratoire dans la planification d'un cas difficile ou le t l mentorat vid o perop ratoire sont d'autres applications du coaching vid o. Les efforts de recherche futurs devraient se concentrer sur l'identification des formats et des composants les plus efficaces des interventions ducatives bas es sur le Web et les m dias sociaux, en utilisant des m thodes rigoureuses. comparer les m thodes ducatives et mesurer les r sultats cliniques. De plus, des lignes directrices standardis es devraient tre institu es afin de se pr munir contre les fautes thiques et professionnelles.BIBLIOGRAPHIEBirkmeyer JD, Finks JF, O'Reilly A, Oerline M, et al ; Colla |
Chirurgie de Schwartz | boration sur la chirurgie bariatrique du Michigan. Comp tence chirurgicale et taux de complications apr s une chirurgie bariatrique. N Engl J Med. 2013;369(15) : 1434-1442. Cette tude a corr l les valuations en aveugle des proc dures de pontage gastrique laparoscopique enregistr es sur vid o aux r sultats cliniques. Une plus grande comp tence tait associ e des taux inf rieurs de complications, de r op rations, de r admissions et de visites aux urgences. Bresnahan ER, Huynh DTK, Jacob B. M dias sociaux et ducation la r paration des hernies. Dans : Hope WW, Cobb WS, Adrales GL, d. Manuel de hernie. Cham : Springer International Publishing ; 2017 : 373-379. Ce chapitre de livre d crit l'International Hernia Collaboration, qui est une communaut bas e sur Facebook compos e de chirurgiens en exercice, de stagiaires et de repr sentants de l'industrie. Les objectifs de la collaboration comprennent l' change d'id es et de conseils concernant les soins aux patients, la discussion et le d bat sur des sujets controvers s dans la gestion des hernies et la diffusion d'informations un public mondial. Chan TM, Thoma B, Radecki R et al. Dix tapes pour cr er un club de lecture en ligne. J Contin Educ Prof Sant 2015 ; 35(2):148-154. R dig par un groupe multidisciplinaire d'auteurs, cet article fournit 10 conseils utiles pour cr er un club de lecture en ligne, en utilisant des exemples de clubs de lecture existants. Cook DA, Levinson AJ, Garside S, Dupras DM, Erwin PJ, Montori VM. Variations de conception p dagogique dans l'apprentissage sur Internet pour la formation des professions de sant : une revue syst matique et une m ta-analyse. Acad Med. 2010;85(5):909-922. Cette revue syst matique et m ta-analyse de 51 tudes, dont 30 essais randomis s, ont identifi plusieurs caract ristiques cl s des interventions d'apprentissage sur Internet associ es de meilleurs r sultats d'apprentissage : l'interactivit , les exercices pratiques, la r p tition et le feedback. Cependant, la base de preuves sur laquelle concevoir des programmes d'apprentissage bas s sur Internet est limit e par de mauvaises conceptions d' tudes, l'incapacit utiliser des cadres conceptuels et le manque de respect des normes de reporting. Cook DA, Levinson AJ, Garside S, Dupras DM, Erwin PJ, Montori VM. L'apprentissage sur Internet dans les professions de la sant : une m ta-analyse. JAMA. 2008;300(10):1181-1196. Cette m ta-analyse de 201 tudes a r v l que l'enseignement bas sur Internet avait un effet positif sur les r sultats scolaires par rapport l'absence d'intervention, mais qu'il y avait une efficacit similaire entre l'enseignement bas sur Internet et les m thodes ducatives traditionnelles. Farnan JM, Synder Sulmasy L, Worster BK, Chaudhry HJ, Rhyne JA, Arora VM; Comit d' thique, de professionnalisme et des droits de l'homme de l'American College of Physicians ; Conseil des associ s du Coll ge am ricain des m decins ; Comit sp cial de la F d ration des commissions m dicales d' tat sur l' thique et le professionnalisme. Professionnalisme m dical en ligne : relations avec les patients et le public : d claration politique de l'American College of Physicians et de la Federation of State Medical Boards. Ann Intern Med. 2013;158(8):620-627. Cet nonc de position fournit des recommandations sur les questions li es l'utilisation professionnelle d'Internet et des m dias sociaux, y compris, mais sans s'y limiter : l'utilisation des m dias sociaux des fins non cliniques, la confidentialit des patients dans les discussions en ligne et l'utilisation de ressources d' ducation des patients en ligne. Guraya SY . L'utilisation des sites de r seaux sociaux par les tudiants en m decine des fins ducatives : une m ta-analyse et une revue syst matique. N Am J Med Sci. 2016;8(7):268-278. Cette revue de 10 articles publi s entre 2004 et 2014 sugg re que m me si 75 % des tudiants en m decine utilisent les sites de r seaux sociaux, seulement 20 % les utilisent des fins acad miques ou ducatives. De plus, aucune de ces tudes n'a valu si l'utilisation des m dias sociaux am liorait les performances acad miques. Ibrahim AM, Lillemoe KD, Klingensmith ME, Dimick JE. Des r sum s visuels pour diffuser la recherche sur les r seaux sociaux : une tude prospective crois e cas-t moins. Ann Surg. 2017;266(6):e46-e48. Cette tude prospective crois e cas-t moins a compar l'impact des tweets seuls par rapport aux tweets accompagn s d'un r sum visuel sur les visites d'articles ; il y a eu une multiplication par trois lorsque des r sum s visuels accompagnaient les tweets. Jayakumar N, Brunckhorts O, Dasgupta P, Khan MS, Ahmed K. e Learning in Surgery Education: A Systematic Review. J Surg duc. 2015;72(6):1145-1157. Cette revue syst matique de 38 tudes sugg re que m me si la majorit des tudes valuant l'apprentissage lectronique dans l'enseignement chirurgical d montrent un effet positif, la plupart manquent d'un contr le appropri . McLeod RS, M |
Chirurgie de Schwartz | acRae HM, McKenzie ME, Victor JC, Brasel KJ ; Comit directeur des examens fond s sur des donn es probantes en chirurgie. Un club de lecture mod r est plus efficace qu un club de lecture sur Internet pour enseigner les comp tences d valuation critique : r sultats d un essai contr l randomis multicentrique. J Am Coll Surg. 8Brunicardi_Ch54_p2187-p2196.indd 219413/02/19 14:37 PM 2195 DUCATION BAS E SUR LE WEB ET IMPLICATIONS DES M DIAS SOCIAUX CHAPITRE 542010;211(6):769-776. Cet essai randomis multicentrique a r v l que les r sidents en chirurgie qui participaient un club de lecture anim par un membre du corps professoral obtenaient de meilleurs r sultats un test d' valuation critique valid que ceux qui participaient un club de lecture en ligne. Pugh CM, Watson A, Bell RH Jr, et coll. L'enseignement chirurgical l' re d'Internet. J Surg R s. 2009;156(2):177-182. Cet article d crit les facteurs qui ont conduit un changement dans l'enseignement chirurgical au cours des deux derni res d cennies. Taveira-Gomes T, Ferreira P, Taveira-Gomes I, Severo M, Ferreira MA. Que recherchons-nous dans les interventions d apprentissage informatis dans l enseignement m dical ? Une revue syst matique. J Med Internet R s. 2016;18(8):e204. Cette revue syst matique a valu des tudes r centes sur l'apprentissage par ordinateur (CBL) pour les types de plates-formes logicielles et d'interventions ainsi que le respect des recommandations actuelles pour la recherche CBL.Brunicardi_Ch54_p2187-p2196.indd 219513/02/19 2:37 PM |
Biologie moléculaire de la cellule | La surface de notre plan te est peupl e d' tres vivants des usines chimiques curieuses et finement organis es qui absorbent la mati re de leur environnement et utilisent ces mati res premi res pour g n rer des copies d'elles-m mes. Ces organismes vivants semblent extraordinairement diversifi s. Qu'y a-t-il de plus diff rent qu'un tigre et un morceau d'algue, ou qu'une bact rie et un arbre ? Pourtant, nos anc tres, ne connaissant ni les cellules ni l'ADN, ont vu que toutes ces choses avaient quelque chose en commun. Ils appelaient cela quelque chose vie , s'en merveillaient, avaient du mal le d finir et d sesp raient d'expliquer ce que c' tait ou comment cela fonctionnait en termes li s la mati re non vivante. Les d couvertes du si cle dernier n'ont pas diminu l' merveillement, bien au contraire. Mais ils ont enlev le myst re central concernant la nature de la vie. Nous pouvons maintenant voir que tous les tres vivants sont constitu s de cellules : de petites unit s enferm es dans une membrane remplies d'une solution aqueuse concentr e de produits chimiques et dot es de l'extraordinaire capacit de cr er des copies d'elles-m mes en grandissant puis en se divisant en deux. Parce que les cellules sont les unit s fondamentales de la vie, c'est la biologie cellulaire l' tude de la structure, de la fonction et du comportement des cellules que nous devons chercher des r ponses aux questions de ce qu'est la vie et de son fonctionnement. Avec une compr hension plus profonde des cellules et de leur volution, nous pouvons commencer nous attaquer aux grands probl mes historiques de la vie sur Terre : ses origines myst rieuses, sa diversit tonnante et son invasion de tous les habitats imaginables. En effet, comme l'a soulign il y a longtemps le pionnier de la biologie cellulaire E. B. Wilson, la cl de tout probl me biologique doit finalement tre recherch e dans la cellule ; car tout organisme vivant est, ou a t un moment donn , une cellule. Malgr leur apparente diversit , les tres vivants sont fondamentalement similaires l'int rieur. L'ensemble de la biologie est donc un contrepoint entre deux th mes : l' tonnante vari t des particularit s individuelles ; tonnante constance dans les m canismes fondamentaux. Dans ce premier chapitre, nous commen ons par esquisser les caract ristiques universelles communes toute vie sur notre plan te. Nous examinons ensuite, bri vement, la diversit des cellules. Et nous voyons comment, gr ce au code mol culaire commun dans lequel sont crites les sp cifications de tous les organismes vivants, il est possible de lire, de mesurer et de d chiffrer ces sp cifications pour nous aider obtenir une compr hension coh rente de toutes les formes de vie, des plus petites aux plus grandes. Les cellules non Ives Al FeATuRes sur eARThLes dIveRsITy oF Genomes et les cellules non Ives Rs Al FeATuRes oF sur eARTh On estime qu'il y a plus de 10 millions, peut- tre 100 millions, d'esp ces vivantes sur Terre aujourd'hui. Chaque esp ce est diff rente, et chacune se reproduit fid lement, donnant une descendance qui appartient la m me esp ce : l'organisme parent transmet des informations sp cifiant, avec des d tails extraordinaires, les caract ristiques que la prog niture aura. Ce ph nom ne de l'h r dit est au c ur de la d finition de la vie : il distingue la vie d'autres processus, tels que la croissance d'un cristal, ou la combustion d'une bougie, ou la formation d'ondes sur l'eau, dans lesquelles des structures ordonn es sont g n r es mais sans le m me type de lien entre les particularit s des parents et les particularit s de la prog niture. Comme la flamme d'une bougie, l'organisme vivant doit consommer de l' nergie gratuite pour cr er et maintenir son organisation. Mais la vie utilise l' nergie libre pour conduire un syst me extr mement complexe de processus chimiques qui sont sp cifi s par des informations h r ditaires. La plupart des organismes vivants sont des cellules uniques. D'autres, comme nous, sont de vastes villes multicellulaires dans lesquelles des groupes de cellules remplissent des fonctions sp cialis es li es par des syst mes de communication complexes. Mais m me pour l'ensemble de plus de 1013 cellules qui forment un corps humain, l'organisme entier a t g n r par des divisions cellulaires partir d'une seule cellule. La cellule unique est donc le v hicule de toutes les informations h r ditaires qui d finissent chaque esp ce (Figure 1 1). Cette cellule comprend la machinerie de collecte du brut mat riaux de l'environnement et de construire partir de ceux-ci une nouvelle cellule son image, avec une nouvelle copie de ses informations h r ditaires. Chaque cellule est vraiment incroyable. Toutes les cellules stockent leurs informations h r ditaires dans le m me code chimique lin aire : l'adnA Les ordinateurs nous ont familiaris s avec le concept de l'information en tant que quantit mesurable : un million d'octets (pour enregistrer q |
Biologie moléculaire de la cellule | uelques centaines de pages de texte ou une image partir d'un appareil photo num rique), 600 millions d'octets pour la musique sur un CD, etc. L'informatique nous a aussi fait prendre conscience qu'il est possible d'enregistrer les m mes informations sous diff rentes formes physiques : les disques et les bandes que nous utilisions il y a 20 ans pour nos archives lectroniques sont devenus illisibles sur les machines actuelles. Vivant Figure 1 1 L'information h r ditaire contenue dans l'ovule f cond d termine la nature de l'ensemble de l'organisme multicellulaire. Bien que leurs cellules de d part se ressemblent superficiellement, comme indiqu : un uf d'oursin donne naissance un oursin (A et B). Un uf de souris donne naissance une souris (c et d). Un uf de l'algue Fucus donne naissance une algue Fucus (e et F). (A, avec l'aimable autorisation de david mcclay ; B, avec l'aimable autorisation de m. Gibbs, oxford scientific Films; c, avec l'aimable autorisation de Patricia Calarco, d'apr s G. martin, Science 209:768-776, 1980. Avec l'autorisation des AAA ; d, avec l'aimable autorisation de O. Newman, Oxford Scientific Films ; e et F, avec l'aimable autorisation de colin Brownlee.) (A) l ment constitutif de l'ADN (D) ADN double brin (C) polym risation de nouvelles cellules brins, comme les ordinateurs, stockent des informations, et on estime qu'elles ont volu et se sont diversifi es pendant plus de 3,5 milliards d'ann es. Il ne faut gu re s'attendre ce qu'ils stockent tous leurs informations sous la m me forme, ou ce que les archives d'un type de cellule soient lisibles par le m canisme de traitement de l'information d'un autre. Et pourtant, il en est ainsi. Toutes les cellules vivantes sur Terre stockent leurs informations h r ditaires sous la forme de mol cules d'ADN double brin de longues cha nes polym res non ramifi es et appari es, form es toujours des quatre m mes types de monom res. Ces monom res, des compos s chimiques connus sous le nom de nucl otides, ont des surnoms tir s d'un alphabet de quatre lettres A, T, C, G et ils sont encha n s dans une longue s quence lin aire qui code l'information g n tique, tout comme la s quence de 1 et de 0 code l'information dans un fichier informatique. Nous pouvons prendre un morceau d'ADN d'une cellule humaine et l'ins rer dans une bact rie, ou un morceau d'ADN bact rien et l'ins rer dans une cellule humaine, et l'information sera lue, interpr t e et copi e avec succ s. l'aide de m thodes chimiques, les scientifiques ont appris lire la s quence compl te des monom res dans n'importe quelle mol cule d'ADN s' tendant sur plusieurs millions de nucl otides et ainsi d chiffrer toutes les informations h r ditaires que chaque organisme contient. Les m canismes qui rendent la vie possible d pendent de la structure de la mol cule d'ADN double brin. Chaque monom re d'un seul brin d'ADN, c'est- -dire chaque nucl otide, se compose de deux parties : un sucre (d soxyribose) auquel est attach un groupe phosphate et une base, qui peut tre soit l'ad nine (A), la guanine (G), la cytosine (C) ou la thymine (T) (Figure 1 2). Chaque sucre est li au suivant par l'interm diaire du groupe phosphate, cr ant une cha ne polym re compos e d'un squelette r p titif sucre-phosphate avec une s rie de bases qui en d passent. Le polym re d'ADN est prolong par l'ajout de monom res une extr mit . Pour un seul brin isol , ces monom res peuvent, en principe, tre ajout s dans n'importe quel ordre, car chacun est li au suivant de la m me mani re, par la partie de la mol cule qui est la m me pour tous. Dans la cellule vivante, cependant, l'ADN n'est pas synth tis sous la forme d'un brin libre isol , mais sur un mod le form par un brin d'ADN pr existant. Les socles d passant de la Figure 1 2 L'ADN et ses l ments constitutifs. (A) L'ADN est constitu de sous-unit s simples, appel es nucl otides, chacune constitu e d'une mol cule de sucre-phosphate laquelle est attach un groupe lat ral contenant de l'azote, ou base. Les bases sont de quatre types (ad nine, guanine, cytosine et thymine), correspondant quatre nucl otides distincts, tiquet s A, G, c et T. (B) Un seul brin d'ADN est constitu de nucl otides reli s entre eux par des liaisons sucre-phosphate. Notez que les unit s individuelles sucre-phosphate sont asym triques, ce qui donne l' pine dorsale du brin une directionnalit ou polarit d finie. Cette directionnalit guide les processus mol culaires par lesquels l'information contenue dans l'ADN est interpr t e et copi e dans les cellules : l'information est toujours lue dans un ordre coh rent, tout comme Le texte crit en anglais se lit de gauche droite. (c) Gr ce la polym risation mod lis e, la s quence de nucl otides dans un brin d'adn existant contr le la s quence dans laquelle les nucl otides sont assembl s dans un nouveau brin d'adn ; T dans un brin s'apparie A dans l'autre, et G dans un brin avec c dans l'autre. Le nouveau brin a une |
Biologie moléculaire de la cellule | s quence nucl otidique compl mentaire celle de l'ancien brin, et un squelette de directionnalit oppos e : correspondant la GTAA... du brin d'origine, il a ... TTAc. (d) Une mol cule d'adn normale est constitu e de deux brins compl mentaires. Les nucl otides l'int rieur de chaque brin sont li s par de fortes liaisons chimiques (covalentes) ; Les nucl otides compl mentaires sur les brins oppos s sont maintenus ensemble plus faiblement, par des liaisons hydrog ne. (e) Les deux brins se tordent l'un autour de l'autre pour former une double h lice, une structure robuste qui peut accueillir n'importe quelle s quence de nucl otides sans alt rer sa structure de base (voir vid o 4.1). le brin existant se lie aux bases du brin en cours de synth se, selon une r gle stricte d finie par les structures compl mentaires des bases : A se lie T, et C se lie G. Cet appariement de bases maintient les monom res frais en place et contr le ainsi la s lection de l'un des quatre monom res qui sera ajout au brin en croissance suivant. De cette fa on, une structure double brin est cr e, compos e de deux s quences exactement compl mentaires de As, Cs, Ts et Gs. Les deux brins s'enroulent l'un autour de l'autre, formant une double h lice d'ADN (Figure 1-2E). Les liaisons entre les paires de bases sont faibles par rapport aux liaisons sucre-phosphate, ce qui permet aux deux brins d'ADN d' tre s par s sans casser leurs squelettes. Chaque brin peut alors servir de mod le, de la mani re qui vient d' tre d crite, pour la synth se d'un brin d'ADN frais compl mentaire lui-m me une copie fra che, c'est- -dire de l'information h r ditaire (Figure 1-3). Dans diff rents types de cellules, ce processus de r plication de l'ADN se produit des rythmes diff rents, avec diff rents contr les pour le d marrer ou l'arr ter, et diff rentes mol cules auxiliaires pour l'aider. Mais les bases sont universelles : l'ADN est la r serve d'informations pour l'h r dit , et la polym risation est la fa on dont cette information est copi e dans le monde vivant. Toutes les cellules transcrivent des parties de leurs informations h r ditaires sous la m me forme interm diaire : l'ARN Pour remplir sa fonction de porteur d'information, l'ADN doit faire plus que se copier lui-m me. Il doit galement exprimer son information, en laissant l'information guider la synth se d'autres mol cules dans la cellule. Cette expression se produit par un m canisme qui est le m me dans tous les organismes vivants, conduisant en premier lieu la production de deux autres classes cl s de polym res : les ARN et les prot ines. Le processus (discut en d tail dans les chapitres 6 et 7) commence par une polym risation appel e transcription, dans laquelle des segments de la s quence d'ADN sont utilis s comme mod les pour la synth se de mol cules plus courtes du polym re troitement apparent , l'acide ribonucl ique, ou ARN. Plus tard, dans le processus plus complexe de traduction, bon nombre de ces mol cules d'ARN dirigent la synth se de polym res d'une classe chimique radicalement diff rente, les prot ines (Figure 1-4). Dans l'ARN, le squelette est form d'un sucre l g rement diff rent de celui de l'ADN le ribose au lieu du d soxyribose et l'une des quatre bases est l g rement diff rente l'uracile (U) la place de la thymine (T). Mais les trois autres bases, A, C et G, sont identiques, et les quatre bases s'apparient avec leurs homologues compl mentaires dans l'ADN, les A, U, C et G de l'ARN avec les T, A, G et C de l'ADN. Au cours de la transcription, les monom res d'ARN sont align s et s lectionn s pour la polym risation sur un brin matrice d'ADN, tout comme les monom res d'ADN sont s lectionn s lors de la r plication. Le r sultat est une mol cule polym re dont la s quence de nucl otides repr sente fid lement une partie de l'information g n tique de la cellule, m me si elle est crite dans un alphabet l g rement diff rent, compos de monom res d'ARN au lieu de monom res d'ADN. Le m me segment d'ADN peut tre utilis plusieurs reprises pour guider la synth se de nombreuses mol cules d'ARN identiques. Ainsi, alors que l'archive cellulaire d'informations g n tiques sous forme d'ADN est fixe et sacro-sainte, ces transcrits d'ARN sont Figure 1 3 La copie de l'information g n tique par r plication de l'ADN. Dans ce processus, les deux brins d'une double h lice dnA sont s par s, et chacun sert de mod le pour la synth se d'un nouveau brin compl mentaire. Figure 1 4 De l'ADN la prot ine. L'information g n tique est lue et utilis e selon un processus en deux tapes. Tout d'abord, dans la transcription, des segments de la s quence d'ADN sont utilis s pour guider la synth se des mol cules d'ARN. Ensuite, en traduction, les mol cules d'ARN sont utilis es pour guider la synth se des mol cules de prot ines. brin utilis comme matrice pour diriger la synth se de l'ARN, de nombreux transcrits d'ARN identiques, produits en masse et jetables (Figure 1 5). Comme nous le verro |
Biologie moléculaire de la cellule | ns, ces transcrits fonctionnent comme des interm diaires dans le transfert de l'information g n tique. Plus particuli rement, ils servent de mol cules d'ARN messager (ARNm) qui guident la synth se des prot ines selon les instructions g n tiques stock es dans l'ADN. Les mol cules d'ARN ont des structures distinctives qui peuvent galement leur donner d'autres capacit s chimiques sp cialis es. tant monocat naire, leur squelette est flexible, de sorte que la cha ne polym re peut se plier sur elle-m me pour permettre une partie de la mol cule de former des liaisons faibles avec une autre partie de la m me mol cule. Cela se produit lorsque des segments de la suite sont localement compl mentaires : un ... GGGG... segment, par exemple, aura tendance s'associer un... Le CCCC... segment. Ces types d'associations internes peuvent provoquer le repliement d'une cha ne d'ARN dans une forme sp cifique dict e par sa s quence (Figure 1 6). La forme de la mol cule d'ARN, son tour, peut lui permettre de reconna tre d'autres mol cules en se liant elles de mani re s lective et m me, dans certains cas, de catalyser des changements chimiques dans les mol cules li es. En fait, certaines r actions chimiques catalys es par les mol cules d'ARN sont cruciales pour plusieurs des processus les plus anciens et les plus fondamentaux des cellules vivantes, et il a t sugg r qu'une catalyse extensive par l'ARN a jou un r le central dans l' volution pr coce de la vie (discut au chapitre 6). Toutes les cellules utilisent des prot ines comme catalyseurs Les mol cules de prot ines, comme les mol cules d'ADN et d'ARN, sont de longues cha nes polym res non ramifi es, form es par l'assemblage de blocs de construction monom res tir s d'un r pertoire standard qui est le m me pour toutes les cellules vivantes. Comme l'ADN et l'ARN, les prot ines transportent des informations sous la forme d'une s quence lin aire de symboles, de la m me mani re qu'un message humain crit dans une criture alphab tique. Il y a de nombreuses mol cules de prot ines diff rentes dans chaque cellule et, en laissant de c t l'eau, elles forment la majeure partie de la masse de la cellule. Figure 1 5 Comment l'information g n tique est diffus e pour tre utilis e l'int rieur de la cellule. chaque cellule contient un ensemble fixe de mol cules d'ADN son archive d'informations g n tiques. Un segment donn de cet ADN guide la synth se de nombreux transcrits d'ARN identiques, qui servent de copies de travail des informations stock es dans l'archive. de nombreux ensembles diff rents de mol cules d'ARN peuvent tre fabriqu s en transcrivant diff rentes parties des s quences d'ADN d'une cellule, ce qui permet diff rents types de cellules d'utiliser diff remment le m me magasin d'informations. Figure 1 6 La conformation d'une mol cule d'ARN. (A) L'appariement nucl otidique entre diff rentes r gions de la m me cha ne polym re d'ARN fait que la mol cule adopte une forme distinctive. (B) La structure tridimensionnelle d'une mol cule d'ARN r elle produite par le virus de l'h patite delta ; cet RnA peut catalyser le clivage des brins d'RnA. Le ruban bleu repr sente le squelette sucre-phosphate et les barres repr sentent les paires de bases (voir vid o 6.1). (B, d'apr s A.R. Ferr -d'Amar , k. Zhou et J.A. doudna, Nature 395:567-574, 1998. Avec l'autorisation de macmillan Publishers ltd.) Figure 1 7 Comment une mol cule de prot ine agit comme catalyseur d'une r action chimique. (A) Dans une mol cule prot ique, la cha ne polym re se replie dans une forme sp cifique d finie par sa s quence d'acides amin s. Un sillon la surface de cette mol cule repli e particuli re, l'enzyme lysozyme, forme un site catalytique. (B) Une mol cule polysaccharidique (rouge) une cha ne polym re de monom res de sucre se lie au site catalytique de lysozyme et se brise, la suite d'une r action covalente de rupture de liaison catalys e par les acides amin s qui tapissent le sillon (voir vid o 3.9). (Code PdB : 1lyd.) Les monom res des prot ines, les acides amin s, sont tr s diff rents de ceux de l'ADN et de l'ARN, et il en existe 20 types au lieu de 4. Chaque acide amin est construit autour de la m me structure de base travers laquelle il peut tre li de mani re standard tout autre acide amin de l'ensemble ; Attach ce noyau se trouve un groupe lat ral qui donne chaque acide amin un caract re chimique distinctif. Chacune des mol cules de prot ines est un polypeptide, cr en joignant ses acides amin s dans une s quence particuli re. Au cours de milliards d'ann es d' volution, cette s quence a t s lectionn e pour donner la prot ine une fonction utile. Ainsi, en se repliant sous une forme tridimensionnelle pr cise avec des sites r actifs sa surface (Figure 1-7A), ces polym res d'acides amin s peuvent se lier avec une grande sp cificit d'autres mol cules et peuvent agir comme des enzymes pour catalyser des r actions qui font ou d font des liaisons covalentes. |
Biologie moléculaire de la cellule | De cette fa on, ils dirigent la grande majorit des processus chimiques dans la cellule (Figure 1-7B). Les prot ines ont galement de nombreuses autres fonctions maintenir les structures, g n rer des mouvements, d tecter des signaux, etc. chaque mol cule de prot ine remplissant une fonction sp cifique selon sa propre s quence d'acides amin s g n tiquement sp cifi e. Les prot ines, avant tout, sont les principales mol cules qui mettent en action l'information g n tique de la cellule. Ainsi, les polynucl otides sp cifient les s quences d'acides amin s des prot ines. Les prot ines, leur tour, catalysent de nombreuses r actions chimiques, y compris celles par lesquelles de nouvelles mol cules d'ADN sont synth tis es. Du point de vue le plus fondamental, une cellule vivante est une collection auto-r plicative de catalyseurs qui absorbe de la nourriture, traite cette nourriture pour obtenir la fois les l ments constitutifs et l' nergie n cessaires la fabrication d'autres catalyseurs, et jette les mat riaux restants sous forme de d chets (Figure 1-8A). Une boucle de r troaction qui relie les prot ines et les polynucl otides constitue la base de ce comportement autocatalytique et auto-reproducteur des organismes vivants (Figure 1-8B). Toutes les cellules traduisent l'ARN en prot ines de la m me mani re La fa on dont l'information contenue dans l'ADN sp cifie la production de prot ines tait un myst re complet dans les ann es 1950, lorsque la structure double brin de l'ADN a t r v l e pour la premi re fois comme la base de l'h r dit . Mais dans les ann es qui ont suivi, les scientifiques ont d couvert les m canismes l gants impliqu s. La traduction de l'information g n tique de l'alphabet de 4 lettres des polynucl otides en alphabet de 20 lettres des prot ines est un processus complexe. Les r gles de cette traduction semblent certains gards nettes et rationnelles, mais d'autres gards trangement arbitraires, tant donn qu'elles sont ( quelques exceptions pr s) identiques dans tous les tres vivants. Ces caract ristiques arbitraires, pense-t-on, refl tent des accidents fig s dans les d buts de l'histoire de la vie. Ils proviennent des propri t s fortuites des premiers organismes qui ont t transmis par l'h r dit et sont devenus si profond ment ancr s dans la constitution de toutes les cellules vivantes qu'ils ne peuvent tre modifi s sans effets d sastreux. Il s'av re que l'information dans la s quence d'une mol cule d'ARN messager est lue en groupes de trois nucl otides la fois : chaque triplet de nucl otides, ou codon, sp cifie (code pour) un seul acide amin dans une prot ine correspondante. tant donn que le nombre de triplets distincts qui peuvent tre form s partir de quatre nucl otides est de 43, il existe 64 codons possibles, qui se produisent tous dans la nature. Cependant, il n'y a que 20 acides amin s naturels. Cela signifie qu'il y a n cessairement de nombreux cas dans lesquels plusieurs codons correspondent au m me acide amin . Ce code g n tique est lu par une classe sp ciale de petites mol cules d'ARN, les ARN de transfert (ARNt). Chaque type d'ARNt se fixe une extr mit un acide amin sp cifique et affiche son autre extr mit une s quence sp cifique de trois nucl otides un anticodon qui lui permet de reconna tre, par appariement de bases, un codon particulier ou un sous-ensemble de codons dans l'ARNm. La chimie complexe qui permet ces ARNt de traduire une s quence sp cifique de nucl otides A, C, G et U dans une mol cule d'ARNm en une s quence sp cifique d'acides amin s dans une mol cule de prot ine se produit sur le ribosome, une grande machine multimol culaire compos e la fois de prot ines et d'ARN ribosomique. Tous ces processus sont d crits en d tail au chapitre 6. En r gle g n rale, les mol cules d'ADN sont tr s grandes et contiennent les sp cifications de milliers de prot ines. Des s quences sp ciales dans l'ADN servent de ponctuation, d finissant o commence et se termine l'information de chaque prot ine. Et des segments individuels de la longue s quence d'ADN sont transcrits en mol cules d'ARNm distinctes, codant pour diff rentes prot ines. Chacun de ces segments d'ADN repr sente un g ne. Une complication est que les mol cules d'ARN transcrites partir d'un m me segment d'ADN peuvent souvent tre trait es de plus d'une fa on, de mani re donner naissance un ensemble de versions alternatives d'une prot ine, en particulier dans des cellules plus complexes telles que celles des plantes et des animaux. De plus, certains segments d'ADN un plus petit nombre sont transcrits en mol cules d'ARN qui ne sont pas traduites mais qui ont des fonctions catalytiques, r gulatrices ou structurelles ; ces segments d'ADN comptent galement comme des g nes. Un g ne est donc d fini comme le segment de s quence d'ADN correspondant une seule prot ine ou un ensemble de variantes prot iques alternatives ou une seule mol cule d'ARN catalytique, r gulatrice ou |
Biologie moléculaire de la cellule | structurelle. Dans toutes les cellules, l'expression des g nes individuels est r gul e : au lieu de fabriquer tout son r pertoire de prot ines possibles plein r gime tout le temps, la cellule ajuste le taux de transcription et de traduction des diff rents g nes ind pendamment, en fonction des besoins. Des segments d'ADN r gulateur sont intercal s entre les segments qui codent pour la prot ine, et ces r gions non codantes se lient des mol cules prot iques sp ciales qui contr lent le taux de transcription local. La quantit et l'organisation de l'ADN r gulateur varient consid rablement d'une classe d'organismes l'autre, mais la strat gie de base est universelle. De cette fa on, le g nome de la cellule, c'est- -dire la totalit de son information g n tique telle qu'elle est incarn e dans sa s quence d'ADN compl te, dicte non seulement la nature des prot ines de la cellule, mais aussi quand et o elles doivent tre fabriqu es. Figure 1 8 La vie en tant que processus autocatalytique. (A) La cellule en tant qu'ensemble de catalyseurs auto-r plicants. (B) Les polynucl otides (les acides nucl iques dnA et RnA, qui sont des polym res nucl otidiques) fournissent l'information de s quence, tandis que les prot ines (polym res d'acides amin s) fournissent la plupart des fonctions catalytiques qui servent, par le biais d'un ensemble complexe de r actions chimiques, provoquer la synth se d'un plus grand nombre de polynucl otides et de prot ines des m mes types. Une cellule vivante est un syst me chimique dynamique, fonctionnant loin de l' quilibre chimique. Pour qu'une cellule se d veloppe ou qu'elle fabrique une nouvelle cellule son image, elle doit absorber de l' nergie gratuite de l'environnement, ainsi que des mati res premi res, pour entra ner les r actions synth tiques n cessaires. Cette consommation d' nergie gratuite est fondamentale pour la vie. Lorsqu'elle s'arr te, une cellule se d sint gre vers l' quilibre chimique et meurt rapidement. L'information g n tique est galement fondamentale pour la vie, et l' nergie gratuite est n cessaire la propagation de cette information. Par exemple, sp cifier un bit d'information, c'est- -dire un choix oui/non entre deux alternatives galement probables, co te une quantit d finie d' nergie libre qui peut tre calcul e. La relation quantitative implique un raisonnement profond et d pend d'une d finition pr cise du terme nergie libre , comme expliqu au chapitre 2. L'id e de base, cependant, n'est pas difficile comprendre intuitivement. Imaginez les mol cules d'une cellule comme un essaim d'objets dot s d' nergie thermique, se d pla ant violemment au hasard, secou s par des collisions les uns avec les autres. Pour sp cifier une information g n tique sous la forme d'une s quence d'ADN, par exemple les mol cules de cette foule sauvage doivent tre captur es, dispos es dans un ordre sp cifique d fini par un mod le pr existant et reli es entre elles dans une relation fixe. Les liaisons qui maintiennent les mol cules leur place sur le mod le et les assemblent doivent tre suffisamment fortes pour r sister l'effet d sorganisateur du mouvement thermique. Le processus est stimul par la consommation d' nergie gratuite, qui est n cessaire pour garantir que les liaisons correctes sont faites, et de mani re robuste. Dans le cas le plus simple, les mol cules peuvent tre compar es des pi ges ressort, pr ts s'enclencher dans un tat plus stable et plus faible nergie lorsqu'elles rencontrent leurs partenaires appropri s ; Lorsqu'ils s'embo tent dans l'arrangement li , leur nergie stock e disponible leur nergie libre comme l' nergie du ressort dans le pi ge, est lib r e et dissip e sous forme de chaleur. Dans une cellule, les processus chimiques sous-jacents au transfert d'information sont plus complexes, mais le m me principe de base s'applique : l' nergie libre doit tre d pens e pour la cr ation de l'ordre. Pour r pliquer fid lement son information g n tique, et en fait pour fabriquer toutes ses mol cules complexes en fonction Les sp cifications correctes, la cellule a donc besoin d' nergie gratuite, qui doit tre import e d'une mani re ou d'une autre de l'environnement. Comme nous le verrons au chapitre 2, l' nergie gratuite requise par les cellules animales est d riv e des liaisons chimiques dans les mol cules alimentaires que les animaux mangent, tandis que les plantes tirent leur nergie gratuite de la lumi re du soleil. Toutes les cellules fonctionnent comme des usines biochimiques traitant les m mes blocs de construction mol culaires de base tant donn que toutes les cellules fabriquent de l'ADN, de l'ARN et des prot ines, toutes les cellules doivent contenir et manipuler une collection similaire de petites mol cules, y compris des sucres simples, des nucl otides et des acides amin s, ainsi que d'autres substances universellement n cessaires. Toutes les cellules, par exemple, ont besoin du nucl otide phosphoryl ATP (ad nosine triph |
Biologie moléculaire de la cellule | osphate), non seulement comme l ment constitutif de la synth se de l'ADN et de l'ARN, mais aussi comme transporteur de l' nergie libre n cessaire pour piloter un grand nombre de r actions chimiques dans la cellule. Bien que toutes les cellules fonctionnent comme des usines biochimiques d'un type globalement similaire, de nombreux d tails de leurs transactions petites mol cules diff rent. Certains organismes, comme les plantes, n'ont besoin que des nutriments les plus simples et exploitent l' nergie de la lumi re du soleil pour fabriquer toutes leurs propres petites mol cules organiques. D'autres organismes, comme les animaux, se nourrissent d' tres vivants et doivent obtenir bon nombre de leurs mol cules organiques pr tes l'emploi. Nous reviendrons sur ce point plus loin. Une autre caract ristique universelle est que chaque cellule est entour e d'une membrane, la membrane plasmique. Ce r cipient agit comme une barri re s lective qui permet la cellule de concentrer les nutriments r colt s dans son environnement et de retenir les produits qu'elle Figure 1 9 Formation d'une membrane par des mol cules de phospholipides amphiphiles. Les phospholipides ont un groupe de t te hydrophile (hydrophile, phosphate) et une queue hydrophobe ( vitant l'eau, hydrocarbure). l'interface entre l'huile et l'eau, ils s'organisent en une seule feuille, leurs groupes de t te face l'eau et leurs groupes de queue face l'huile. Mais lorsqu'ils sont immerg s dans l'eau, ils s'agr gent pour former des bicouches renfermant des compartiments aqueux, comme indiqu . synth tise pour son propre usage, tout en excr tant ses d chets. Sans membrane plasmique, la cellule ne pourrait pas maintenir son int grit en tant que syst me chimique coordonn . Les mol cules qui forment une membrane ont la simple propri t physicochimique d' tre amphiphiles, c'est- -dire qu'elles sont compos es d'une partie hydrophobe (insoluble dans l'eau) et d'une autre partie hydrophile (soluble dans l'eau). De telles mol cules plac es dans l'eau s'agr gent spontan ment, disposant leurs parties hydrophobes pour tre autant en contact que possible les unes avec les autres afin de les cacher de l'eau, tout en gardant leurs parties hydrophiles expos es. Les mol cules amphiphiles de forme appropri e, telles que les mol cules de phospholipides qui constituent la majeure partie de la membrane plasmique, s'agr gent spontan ment dans l'eau pour cr er une bicouche qui forme de petites v sicules ferm es (Figure 1-9). Le ph nom ne peut tre d montr dans un tube essai en m langeant simplement des phospholipides et de l'eau ; Dans des conditions appropri es, de petites v sicules se forment dont le contenu aqueux est isol du milieu externe. Bien que les d tails chimiques varient, les queues hydrophobes des mol cules membranaires pr dominantes dans toutes les cellules sont des polym res d'hydrocarbures ( CH2 CH2 CH2 ), et leur assemblage spontan en une v sicule bicouche n'est qu'un des nombreux exemples d'un principe g n ral important : les cellules produisent des mol cules dont les propri t s chimiques les am nent s'auto-assembler pour former les structures dont une cellule a besoin. La limite cellulaire ne peut pas tre totalement imperm able. Pour qu'une cellule puisse cro tre et se reproduire, elle doit tre capable d'importer des mati res premi res et d'exporter des d chets travers sa membrane plasmique. Toutes les cellules ont donc des prot ines sp cialis es int gr es dans leur membrane qui transportent des mol cules sp cifiques d'un c t l'autre. Certaines de ces prot ines de transport membranaire, comme certaines des prot ines qui catalysent les r actions fondamentales des petites mol cules l'int rieur de la cellule, ont t si bien pr serv es au cours de l' volution que nous pouvons reconna tre les ressemblances familiales entre eux en comparant m me les groupes d'organismes vivants les plus loign s. Les prot ines de transport dans la membrane d terminent en grande partie quelles mol cules p n trent dans la cellule, et les prot ines catalytiques l'int rieur de la cellule d terminent les r actions que ces mol cules subissent. Ainsi, en sp cifiant les prot ines que la cellule doit fabriquer, l'information g n tique enregistr e dans la s quence d'ADN dicte toute la chimie de la cellule ; et non seulement sa chimie, mais aussi sa forme et son comportement, car ceux-ci sont galement principalement construits et contr l s par les prot ines de la cellule. Une cellule vivante peut exister avec moins de 500 g nes Les principes de base du transfert d'informations biologiques sont assez simples, mais quel point les cellules vivantes sont-elles complexes ? En particulier, quelles sont les exigences minimales ? Nous pouvons obtenir une indication approximative en consid rant une esp ce qui a l'un des plus petits g nomes connus, la bact rie Mycoplasma genitalium (Figure 1-10). Cet organisme vit comme un parasite chez les mammif res, et son environn |
Biologie moléculaire de la cellule | ement lui fournit bon nombre de ses petites mol cules pr tes l'emploi. N anmoins, il doit encore fabriquer toutes les grosses mol cules ADN, ARN et prot ines n cessaires aux processus de base de l'h r dit . Il poss de environ 530 g nes, dont environ 400 sont essentiels. Son g nome de 580 070 paires de nucl otides repr sente 145 018 octets d'information, soit peu pr s autant qu'il en faut pour enregistrer le texte d'un chapitre de ce livre. La biologie cellulaire peut tre compliqu e, mais ce n'est pas impossible. Le nombre minimum de g nes pour une cellule viable dans les environnements d'aujourd'hui n'est probablement pas inf rieur 300, bien qu'il n'y ait qu'environ 60 g nes dans l'ensemble de base qui est partag par toutes les esp ces vivantes. La cellule individuelle est l'unit minimale d'auto-reproduction de la mati re vivante, et elle se compose d'un ensemble de catalyseurs auto-r plicateurs. Au c ur de cette reproduction se trouve la transmission de l'information g n tique aux cellules de descendance. Chaque cellule de notre plan te stocke son information g n tique sous la m me forme chimique, sous forme d'ADN double brin. La cellule r plique ses informations en s parant les brins d'ADN appari s et en utilisant chacun d'eux comme matrice pour la polym risation afin de former un nouveau brin d'ADN avec une s quence compl mentaire de nucl otides. La m me strat gie de polym risation matricielle est utilis e pour transcrire des parties de l'information de l'ADN en mol cules d'un polym re troitement apparent , l'ARN. Ces mol cules d'ARN guident leur tour la synth se des mol cules de prot ines par la machinerie plus complexe de traduction, impliquant une grande machine multimol culaire, le ribosome. Les prot ines sont les principaux catalyseurs de presque toutes les r actions chimiques dans la cellule ; Leurs autres fonctions comprennent l'importation et l'exportation s lectives de petites mol cules travers la membrane plasmique qui forme la limite de la cellule. La fonction sp cifique de chaque prot ine d pend de sa s quence d'acides amin s, qui est sp cifi e par la s quence nucl otidique d'un segment correspondant de l'ADN, le g ne qui code pour cette prot ine. De cette fa on, le g nome de la cellule d termine sa chimie ; et la chimie de chaque cellule vivante est fondamentalement similaire, car elle doit assurer la synth se de l'ADN, de l'ARN et des prot ines. Les cellules les plus simples connues peuvent survivre avec environ 400 g nes. La diversit des g nomes et la recherche Le succ s des organismes vivants bas s sur l'ADN, l'ARN et les prot ines a t spectaculaire. La vie a peupl les oc ans, recouvert la terre, infiltr la cro te terrestre et fa onn la surface de notre plan te. Notre atmosph re riche en oxyg ne, les d p ts de charbon et de p trole, les couches de minerais de fer, les falaises de craie, de calcaire et de marbre sont tous des produits, directs ou indirects, de l'activit biologique pass e sur Terre. Les tres vivants ne sont pas confin s au royaume temp r familier de la terre, de l'eau et de la lumi re du soleil habit par les plantes et les animaux herbivores. Ils peuvent tre trouv s dans les profondeurs les plus sombres de l'oc an, dans la boue volcanique chaude, dans des piscines sous la surface gel e de l'Antarctique et enfouis des kilom tres de profondeur dans la cro te terrestre. Les cr atures qui vivent dans ces environnements extr mes sont g n ralement inconnues, non seulement parce qu'elles sont inaccessibles, mais aussi parce qu'elles sont pour la plupart microscopiques. Dans les habitats plus familiers, galement, la plupart des organismes sont trop petits pour que nous puissions les voir sans quipement sp cial : ils ont tendance passer inaper us, moins qu'ils ne provoquent une maladie ou ne pourrissent les poutres de nos maisons. Pourtant, les micro-organismes constituent la majeure partie de la masse totale de mati re vivante sur notre plan te. Ce n'est que r cemment, gr ce de nouvelles m thodes d'analyse mol culaire et plus particuli rement l'analyse des s quences d'ADN, que nous avons commenc obtenir une image de la vie sur Terre qui n'est pas grossi rement d form e par notre perspective biais e en tant que grands animaux vivant sur la terre ferme. Dans cette section, nous examinons la diversit des organismes et les relations entre eux. Parce que l'information g n tique de chaque organisme est crite dans le langage universel des s quences d'ADN, et que la s quence d'ADN de n'importe quel organisme donn peut tre facilement obtenue par des techniques biochimiques standard, il est maintenant possible de caract riser, de cataloguer et de comparer n'importe quel ensemble d'organismes vivants en r f rence ces s quences. partir de telles comparaisons, nous pouvons estimer la place de chaque organisme dans l'arbre g n alogique des esp ces vivantes l'arbre de vie . Mais avant de d crire ce que cette approche r v le, nous dev |
Biologie moléculaire de la cellule | ons d'abord examiner les voies par lesquelles les cellules de diff rents environnements obtiennent la mati re et l' nergie dont elles ont besoin pour survivre et prolif rer, et les fa ons dont certaines classes d'organismes d pendent d'autres pour leurs besoins chimiques de base. les cellules peuvent tre aliment es par une vari t de sources d' nergie libre Les organismes vivants obtiennent leur nergie libre de diff rentes mani res. Certains, comme les animaux, les champignons et les nombreuses bact ries qui vivent dans l'intestin humain, l'attrapent en se nourrissant d'autres tres vivants ou des produits chimiques organiques qu'ils produisent ; ces organismes 0,2 m Figure 1 10 Mycoplasma genitalium. Micrographie lectronique balayage montrant la forme irr guli re de cette petite bact rie, refl tant l'absence de toute paroi cellulaire rigide. coupe efficace (micrographie lectronique transmission) d'une cellule mycoplasmique. sur les 530 g nes de Mycoplasma genitalium, 43 codent pour le transfert, le ribosomal et d'autres ARN non messagers. Les fonctions sont connues, ou peuvent tre devin es, pour 339 des g nes codant pour les prot ines : parmi ceux-ci, 154 sont impliqu s dans la r plication, la transcription, la traduction et les processus connexes impliquant l'ADN, l'ARN et les prot ines ; 98 dans les structures membranaires et superficielles de la cellule ; 46 dans le transport des nutriments et d'autres mol cules travers la membrane ; 71 dans la conversion d' nergie et la synth se et la d gradation de petites mol cules ; et 12 dans la r gulation de la division cellulaire et d'autres processus. Notez que ces cat gories se chevauchent partiellement, de sorte que certains g nes apparaissent deux fois. (A, du par. Razin et al., Infect. Immun. 30:538-546, 1980. Avec l'autorisation de l'American Society for Microbiology ; B, avec l'aimable autorisation de Roger Cole, dans microbiologie m dicale, 4e d. [ d. s. Baron]. Galveston : branche m dicale de l'universit du Texas, 1996.) sont appel s organotrophes (du mot grec trophe, signifiant nourriture ). D'autres tirent leur nergie directement du monde non vivant. Ces convertisseurs d' nergie primaire se divisent en deux cat gories : ceux qui r coltent l' nergie de la lumi re du soleil et ceux qui captent leur nergie partir de syst mes riches en nergie de produits chimiques inorganiques dans l'environnement (syst mes chimiques qui sont loin de l' quilibre chimique). Les organismes de la premi re classe sont appel s phototrophes (se nourrissant de la lumi re du soleil) ; Ceux de ces derniers sont dits lithotrophes (se nourrissant de roche). Les organismes organotrophes ne pourraient pas exister sans ces convertisseurs d' nergie primaire, qui sont la forme de vie la plus abondante. Les organismes phototrophes comprennent de nombreux types de bact ries, ainsi que des algues et des plantes, dont nous d pendons, ainsi que pratiquement tous les tres vivants que nous voyons habituellement autour de nous. Les organismes phototrophes ont chang toute la chimie de notre environnement : l'oxyg ne dans l'atmosph re terrestre est un sous-produit de leurs activit s biosynth tiques. Les organismes lithotrophes ne sont pas une caract ristique si vidente de notre monde, parce qu'ils sont microscopiques et vivent principalement dans des habitats que les humains ne fr quentent pas au plus profond de l'oc an, enfouis dans la cro te terrestre ou dans divers autres environnements inhospitaliers. Mais ils sont une partie importante du monde vivant, et ils sont particuli rement importants dans toute consid ration de l'histoire de la vie sur Terre. Certains lithotrophes tirent leur nergie de r actions a robies, qui utilisent l'oxyg ne mol culaire de l'environnement ; puisque l'O2 atmosph rique est en fin de compte le produit d'organismes vivants, ces lithotrophes a robies se nourrissent, en un sens, des produits de la vie pass e. Il existe cependant d'autres lithotrophes qui vivent en ana robie, dans des endroits o il y a peu ou pas d'oxyg ne mol culaire. Ce sont des circonstances similaires celles qui existaient dans les premiers jours de la vie sur Terre, avant que l'oxyg ne ne s'accumule. Les plus spectaculaires de ces sites sont les chemin es hydrothermales chaudes au fond des oc ans Pacifique et Atlantique. Ils sont situ s l o le fond oc anique s' tend mesure que de nouvelles parties de la cro te terrestre se forment par une remont e progressive de mat riaux de l'int rieur de la Terre (figures 1 11). L'eau de mer qui percole vers le bas est chauff e et repouss e vers le haut comme un geyser sous-marin, emportant avec elle un courant de produits chimiques provenant des roches chaudes situ es en dessous. Un cocktail typique peut inclure H2S, H2, CO, Mn2+, Fe2+, Ni2+, CH2, NH4 et compos s contenant du phosphore. Un nuage noir dense d'eau chaude riche en min raux Contour de percolation de 350 C de l'eau de mer Figure 1 11 La g ologie d'un v |
Biologie moléculaire de la cellule | ent hydrothermal chaud au fond de l'oc an. Comme indiqu , l'eau percole vers la roche chaude en fusion qui remonte de l'int rieur de la terre et est chauff e et repouss e vers le haut, transportant les min raux lessiv s de la roche chaude. Un gradient de temp rature est mis en place, de plus de 350 C pr s du c ur de l' vent, jusqu' 2-3 C dans l'oc an environnant. Les min raux pr cipitent de l'eau en refroidissant, formant une chemin e. Diff rentes classes d'organismes, prosp rent diff rentes temp ratures, vivent dans diff rents quartiers de la chemin e. Une chemin e typique peut mesurer quelques m tres de haut et cracher de l'eau chaude et riche en min raux un d bit de 1 2 m/s. Les animaux multicellulaires, par exemple, la population de vers tubicoles vit dans le voisinage de l' vent, prosp re gr ce ce r gime aust re et r coltant de l' nergie gratuite partir des r actions entre les produits chimiques disponibles. D'autres organismes palourdes, moules et vers marins g ants vivent leur tour des microbes de l' vent, formant un cosyst me entier analogue au monde des plantes et des animaux auquel nous appartenons, mais aliment par l' nergie g ochimique au lieu de la lumi re (Figure 1-12). Pour fabriquer une cellule vivante, il faut de la mati re, ainsi que de l' nergie libre. L'ADN, l'ARN et les prot ines ne sont compos s que de six l ments : l'hydrog ne, le carbone, l'azote, l'oxyg ne, le soufre et le phosphore. Ceux-ci sont tous abondants dans l'environnement non vivant, dans les roches, l'eau et l'atmosph re de la Terre. Mais ils ne sont pas pr sents sous des formes chimiques qui permettent une incorporation facile dans des mol cules biologiques. Le N2 atmosph rique et le CO2, en particulier, sont extr mement peu r actifs. Une grande quantit d' nergie libre est n cessaire pour conduire les r actions qui utilisent ces mol cules inorganiques pour fabriquer les compos s organiques n cessaires la biosynth se ult rieure, c'est- -dire pour fixer l'azote et le dioxyde de carbone, afin de rendre l'azote et le carbone disponibles pour les organismes vivants. De nombreux types de cellules vivantes ne disposent pas de la machinerie biochimique n cessaire pour r aliser cette fixation. Ils comptent plut t sur d'autres classes de cellules pour faire le travail leur place. Nous, les animaux, d pendons des plantes pour nos approvisionnements en carbone organique et en compos s azot s. Les plantes, leur tour, bien qu'elles puissent fixer le dioxyde de carbone de l'atmosph re, n'ont pas la capacit de fixer l'azote atmosph rique ; Ils d pendent en partie des bact ries fixatrices d'azote pour r pondre leurs besoins en compos s azot s. Les plantes de la famille des pois, par exemple, h bergent des bact ries symbiotiques fixatrices d'azote dans les nodules de leurs racines. Les cellules vivantes diff rent donc consid rablement dans certains des aspects les plus fondamentaux de leur biochimie. Il n'est pas surprenant que des cellules ayant des besoins et des capacit s compl mentaires aient d velopp des associations troites. Certaines de ces associations, comme nous le verrons ci-dessous, ont volu au point que les partenaires ont compl tement perdu leurs identit s distinctes : ils ont uni leurs forces pour former une seule cellule composite. La plus grande diversit biochimique existe parmi les cellules procaryotes partir de la simple microscopie, il est clair depuis longtemps que les organismes vivants peuvent tre classifi s sur la base de la structure cellulaire en deux groupes : les eucaryotes et les Figure 1 12 Organismes vivant une profondeur de 2500 m tres pr s d'un vent au fond de l'oc an. Pr s de l' vent, des temp ratures allant jusqu' environ 120 C, vivent diverses esp ces lithotrophes de bact ries et d'arch es (arch es), directement aliment es par l' nergie g ochimique. Un peu plus loin, l o la temp rature est plus basse, divers animaux invert br s vivent en se nourrissant de ces micro-organismes. les plus remarquables sont ces vers tubicoles g ants (2 m tres), Riftia pachyptila, qui, plut t que de se nourrir des cellules lithotrophes, vivent en symbiose avec elles : des organes sp cialis s chez les vers abritent un grand nombre de bact ries symbiotiques oxydantes du soufre. Ces bact ries exploitent l' nergie g ochimique et fournissent de la nourriture leurs h tes, qui n'ont ni bouche, ni intestin, ni anus. On pense que les vers tubicoles ont volu partir d'animaux plus conventionnels et qu'ils se sont secondairement adapt s la vie dans les chemin es hydrothermales. (avec l'aimable autorisation de monika Bright, de l'universit de Vienne, en Autriche.) cellules en forme de b tonnet, les plus petites cellules, par exemple Escherichia coli, par exemple, Mycoplasme, Vibrio cholerae, Spiroplasma procaryotes. Les eucaryotes conservent leur ADN dans un compartiment intracellulaire distinct entour d'une membrane appel le noyau. (Le nom vient du grec, signifiant vraim |
Biologie moléculaire de la cellule | ent nucl , des mots eu, bien ou vraiment , et karyon, noyau ou noyau .) Les procaryotes n'ont pas de compartiment nucl aire distinct pour abriter leur ADN. Les plantes, les champignons et les animaux sont des eucaryotes ; Les bact ries sont des procaryotes, tout comme les arch es, une classe distincte de cellules procaryotes, dont il est question ci-dessous. La plupart des cellules procaryotes sont petites et simples en apparence ext rieure (Figure 1-13), et elles vivent principalement en tant qu'individus ind pendants ou en communaut s faiblement organis es, plut t que comme des organismes multicellulaires. Ils sont g n ralement sph riques ou en forme de tige et mesurent quelques microm tres en dimension lin aire. Ils ont souvent une couche protectrice r sistante, appel e paroi cellulaire, sous laquelle une membrane plasmique entoure un seul compartiment cytoplasmique contenant de l'ADN, de l'ARN, des prot ines et les nombreuses petites mol cules n cessaires la vie. Au microscope lectronique, l'int rieur de cette cellule appara t sous la forme d'une matrice de texture variable sans structure interne organis e discernable (Figure 1 14). Les cellules procaryotes vivent dans une norme vari t de niches cologiques, et elles sont tonnamment vari es dans leurs capacit s biochimiques, bien plus que les cellules eucaryotes. Les esp ces organotrophes peuvent utiliser pratiquement n'importe quel type de mol cule organique comme nourriture, des sucres et des acides amin s aux hydrocarbures et au m thane. Les esp ces phototrophes (figures 1 15) r coltent l' nergie lumineuse de diverses mani res, certaines d'entre elles g n rant de l'oxyg ne comme sous-produit, d'autres non. Les esp ces lithotrophes peuvent se nourrir d'un r gime simple de nutriments inorganiques, tirant leur carbone du CO2 et s'appuyant sur le H2S pour r pondre leurs besoins nerg tiques (Figure 1-16) ou sur H2, ou Fe2+, ou soufre l mentaire, ou l'un des nombreux autres produits chimiques pr sents dans l'environnement. Figure 1 14 La structure d'une bact rie. (A) La bact rie Vibrio cholerae, montrant sa simple organisation interne. comme beaucoup d'autres esp ces, Vibrio a un appendice h lico dal une extr mit un flagelle qui tourne comme une h lice pour faire avancer la cellule. Il peut infecter l'intestin gr le humain et provoquer le chol ra ; La diarrh e s v re qui accompagne cette maladie tue plus de 100 000 personnes par an. (B) Une micrographie lectronique d'une coupe longitudinale travers la bact rie Escherichia coli (E. coli) largement tudi e. L'ADN cellulaire est concentr dans la r gion l g rement color e. Faisant partie de notre flore intestinale normale, E. coli est apparent Vibrio, et il a de nombreux flagelles r partis sa surface qui ne sont pas visibles dans cette section. (B, avec la permission de e. kellenberger.) cellules sph riques, p. ex., Streptococcus, cellules spirales, p. ex., Treponema pallidum Figure 1 13 Formes et tailles de certaines bact ries. Bien que la plupart soient petits, comme le montre, mesurant quelques microm tres en dimension lin aire, il existe galement quelques esp ces g antes. Un exemple extr me (non illustr ) est la bact rie en forme de cigare Epulopiscium fishelsoni, qui vit dans l'intestin d'un poisson-chirurgien et peut mesurer jusqu' 600 m de long. Une grande partie de ce monde d'organismes microscopiques est pratiquement inexplor e. Les m thodes traditionnelles de bact riologie nous ont permis de conna tre les esp ces qui peuvent tre isol es et cultiv es en laboratoire. Mais l'analyse de la s quence d'ADN des populations de bact ries et d'arch es dans des chantillons d'habitats naturels, tels que le sol ou l'eau de mer, ou m me la bouche humaine, nous a ouvert les yeux sur le fait que la plupart des esp ces ne peuvent pas tre cultiv es par des techniques de laboratoire standard. Selon une estimation, au moins 99 % des esp ces procaryotes restent caract riser. D tect s uniquement par leur ADN, il n'a pas encore t possible de faire pousser la grande majorit d'entre eux en laboratoire. L'arbre de la vie a trois branches primaires : les bact ries, les arch es et les eucaryotes La classification des tres vivants a traditionnellement d pendu de comparaisons de leur apparence ext rieure : nous pouvons voir qu'un poisson a des yeux, des m choires, une colonne vert brale, un cerveau, etc., tout comme nous, et qu'un ver n'en a pas ; qu'un rosier est cousin d'un pommier, mais qu'il ressemble moins une herbe. Comme Darwin l'a montr , nous pouvons facilement interpr ter de telles ressemblances familiales en termes d' volution partir d'anc tres communs, et nous pouvons trouver les restes de beaucoup de ces anc tres pr serv s dans les archives fossiles. De cette fa on, il a t possible de commencer dessiner un arbre g n alogique des organismes vivants, montrant les diff rentes lign es de descendance, ainsi que les points de branche de l'histoire, o |
Biologie moléculaire de la cellule | les anc tres d'un groupe d'esp ces sont devenus diff rents de ceux d'un autre. Cependant, lorsque les disparit s entre les organismes deviennent tr s grandes, ces m thodes commencent chouer. Comment d cidons-nous si un champignon est plus proche d'une plante ou d'un animal ? Lorsqu'il s'agit de procaryotes, la t che devient encore plus difficile : une tige ou une sph re microscopique ressemble beaucoup une autre. Les microbiologistes ont donc cherch classer les procaryotes en fonction de leur biochimie et de leurs besoins nutritionnels. Mais cette approche a aussi ses pi ges. Au milieu de la vari t d concertante de comportements biochimiques, il est difficile de savoir quelles diff rences refl tent vraiment les diff rences de l'histoire de l' volution. L'analyse du g nome nous a maintenant donn un moyen plus simple, plus direct et beaucoup plus puissant de d terminer les relations volutives. La s quence d'ADN compl te d'un organisme d finit sa nature avec une pr cision presque parfaite et dans les moindres d tails. De plus, cette sp cification se pr sente sous une forme num rique une cha ne de lettres qui peut tre saisie directement dans un ordinateur et compar e aux informations correspondantes pour tout autre tre vivant. Parce que l'ADN est sujet des changements al atoires qui s'accumulent sur de longues p riodes de temps (comme nous le verrons bient t), le nombre de diff rences entre les s quences d'ADN de deux organismes peut fournir une indication directe, objective et quantitative de la distance volutive entre eux. Cette approche a montr que les organismes qui taient traditionnellement class s ensemble comme des bact ries peuvent tre aussi largement divergents dans leurs origines volutives que n'importe quel procaryote l'est de n'importe quel eucaryote. Il est maintenant clair que les procaryotes comprennent deux groupes distincts qui ont diverg au d but de l'histoire de la vie sur Terre, avant que les eucaryotes ne divergent en tant que groupe distinct. Les deux groupes de procaryotes sont appel s les bact ries (ou eubact ries) et les arch es (ou arch es). Des analyses d taill es du g nome ont r cemment r v l que la premi re cellule eukayotique s'est form e apr s une Figure 1 15 La bact rie phototrophe Anabaena cylindrica vue au microscope optique. Les cellules de cette esp ce forment de longs filaments multicellulaires. La plupart des cellules (marqu es V) effectuent la photosynth se, tandis que d'autres se sp cialisent pour la fixation de l'azote (marqu es H) ou se d veloppent en spores r sistantes (marqu es S). (Avec l'aimable autorisation de Dave G. Adams.) Figure 1 16 Une bact rie lithotrophe. Beggiatoa, qui vit dans des environnements sulfureux, tire son nergie de l'oxydation du h2 et peut fixer le carbone m me dans l'obscurit . Notez les d p ts jaunes de soufre l'int rieur des cellules. (avec l'aimable autorisation de Ralph W. Wolfe.) BACT RIES ARCH ES EUCARYOTES anc tre commun cellAquifex Thermotoga cyanobact ries Bacillus E. coli Aeropyrum Sulfolobus Haloferax Methano-thermobacter Methanococcus Paramecium Dictyostelium Euglena Trypanosoma levure de ma s humain 1 changement/10 nucl otides d'eucaryote Giardia Trichomonas type particulier de cellule d'arch e ancienne engloutie par une bact rie ancienne (voir Figure 12 3). Ainsi, le monde vivant d'aujourd'hui est consid r comme compos de trois divisions ou domaines principaux : les bact ries, les arch es et les eucaryotes (Figure 1-17). Les arch es habitent souvent des environnements que nous, les humains, vitons, tels que les tourbi res, les stations d' puration des eaux us es, les profondeurs oc aniques, les saumures sal es et les sources chaudes et acides, bien qu'elles soient galement r pandues dans des environnements moins extr mes et plus accueillants, des sols et des lacs l'estomac du b tail. Ext rieurement, ils ne se distinguent pas facilement des bact ries. Au niveau mol culaire, les arch es semblent ressembler davantage aux eucaryotes dans leur machinerie g rer l'information g n tique (r plication, transcription et traduction), mais aux bact ries plus troitement dans leur appareil de m tabolisme et de conversion d' nergie. Nous verrons ci-dessous comment cela pourrait s'expliquer. Tant dans le stockage que dans la copie de l'information g n tique, des accidents et des erreurs al atoires se produisent, modifiant la s quence nucl otidique, c'est- -dire cr ant des mutations. Par cons quent, lorsqu'une cellule se divise, ses deux filles ne sont souvent pas tout fait identiques l'une l'autre ou leur parent. En de rares occasions, l'erreur peut repr senter un changement pour le mieux ; Plus probablement, cela ne causera aucune diff rence significative dans les perspectives de la cellule. Mais dans de nombreux cas, l'erreur causera de graves dommages, par exemple en perturbant la s quence codante d'une prot ine cl . Les changements dus des erreurs du premier type auront tendance se |
Biologie moléculaire de la cellule | perp tuer, car la cellule alt r e a une probabilit accrue de se reproduire. Les changements dus des erreurs du second type les changements s lectivement neutres peuvent tre perp tu s ou non : dans la comp tition pour des ressources limit es, c'est une question de hasard que la cellule modifi e ou ses cousines r ussissent. Mais les changements qui causent de graves dommages ne m nent nulle part : la cellule qui les subit meurt sans laisser de descendance. travers la r p tition sans fin de ce cycle d'erreurs et d'essais de mutation et de s lection naturelle les organismes voluent : leurs sp cifications g n tiques changent, leur donnant de nouvelles fa ons d'exploiter l'environnement plus efficacement, de survivre en comp tition avec les autres et de se reproduire avec succ s. Certaines parties du g nome changeront plus facilement que d'autres au cours de l' volution. Un segment d'ADN qui ne code pas pour une prot ine et qui n'a pas de r le r gulateur significatif est libre de changer un rythme limit uniquement par la fr quence des erreurs al atoires. En revanche, un g ne qui code pour une prot ine essentielle ou une mol cule d'ARN hautement optimis e ne peut pas s'alt rer aussi facilement : lorsque des erreurs se produisent, les cellules d fectueuses sont presque toujours limin es. Les g nes de ce dernier type sont donc tr s conserv s. Au cours de l'histoire de l' volution de 3,5 milliards d'ann es ou plus, de nombreuses caract ristiques du g nome ont chang au-del de toute reconnaissance, mais les g nes les mieux conserv s restent parfaitement reconnaissables chez toutes les esp ces vivantes. Figure 1 17 Les trois grandes divisions (domaines) du monde vivant. Notez que le mot bact rie tait l'origine utilis pour d signer les procaryotes en g n ral, mais plus r cemment, il a t red fini pour d signer sp cifiquement les eubact ries. L'arbre pr sent ici est bas sur des comparaisons de la s quence nucl otidique d'une sous-unit d'ARN ribosomique (ARNr) chez les diff rentes esp ces, et les distances dans le diagramme repr sentent des estimations du nombre de changements volutifs qui se sont produits dans cette mol cule dans chaque lign e (voir Figure 1 18). Les parties de l'arbre envelopp es d'un nuage gris repr sentent des incertitudes sur les d tails du v ritable mod le de divergence des esp ces au cours de l' volution : les comparaisons de s quences de nucl otides ou d'acides amin s de mol cules autres que l'ARNr, ainsi que d'autres arguments, peuvent conduire des arbres quelque peu diff rents. Comme indiqu , on pense maintenant que le noyau de la cellule eucaryote a merg d'une sous-branche au sein des arch es, de sorte qu'au d but, l'arbre de la vie n'avait que deux branches : les bact ries et les arch es. GTTCCGGGGGGGGAGTATGGTTGCAAAGCTGAAACTTAAAGGAATTGACGGAAGGGCACCACCAGGAGTGGAGCCTG CGGCTTAATTTGACTCAACACGGGAAACCTCACCC humain GCCGCCTGGGGAGTACGGTCGCAAGACTGAAACTTAAAGTAAGGAATTGGCGGGGGGGAGCACTACAACGGGTGGAGCCTG CGGTTTAATTGGATTCAACGCCGGGCATCTCA Methanococcus ACCGCCTGGGGAGTACGCAAGGTTAAAACTCAAATGAATTGACGGGGGCGCGC. ACAAGCGGTGGAGCATGT E. coli GTTCCGGGGGGAGTATGGGGGGGGGGTATGGGCAAAGCTGAAACTTAAAGGAATTGACGGAAGGACCACCAGGAGTGGAGCCTG CGGCTTAATTTGACTCAACACGGGAAACCTACC humain Ces derniers g nes sont ceux que nous devons examiner si nous voulons retracer les relations familiales entre les organismes les plus loign s de l'arbre de la vie. Les premi res tudes qui ont conduit la classification du monde vivant dans les trois domaines des bact ries, des arch es et des eucaryotes taient principalement bas es sur l'analyse de l'un des composants de l'ARNr du ribosome. Parce que la traduction de l'ARN en prot ine est fondamentale pour toutes les cellules vivantes, ce composant du ribosome a t tr s bien conserv depuis le d but de l'histoire de la vie sur Terre (Figure 1-18). La s lection naturelle a g n ralement favoris les cellules procaryotes qui peuvent se reproduire le plus rapidement en absorbant les mati res premi res de leur environnement et en se reproduisant le plus efficacement, au rythme maximal autoris par les r serves de nourriture disponibles. Une petite taille implique un grand rapport surface/volume, aidant ainsi maximiser l'absorption des nutriments travers la membrane plasmique et stimuler le taux de reproduction d'une cellule. C'est probablement pour ces raisons que la plupart des cellules procaryotes portent tr s peu de bagages superflus ; Leurs g nomes sont petits, avec des g nes troitement regroup s et des quantit s minimales d'ADN r gulateur entre eux. La petite taille du g nome a facilit l'utilisation des techniques modernes de s quen age de l'ADN pour d terminer des s quences g nomiques compl tes. Nous disposons maintenant de ces informations pour des milliers d'esp ces de bact ries et d'arch es, ainsi que pour des centaines d'esp ces d'eucaryotes. La plupart des g nomes bact riens et archa ques contiennent entre 106 et 107 paires de nucl otides, codant pour |
Biologie moléculaire de la cellule | 1000 6000 g nes. Une s quence d'ADN compl te r v le la fois les g nes qu'un organisme poss de et ceux qui lui manquent. Lorsque nous comparons les trois domaines du monde vivant, nous pouvons commencer voir quels g nes sont communs tous et doivent donc avoir t pr sents dans la cellule qui tait ancestrale tous les tres vivants actuels, et quels g nes sont propres une seule branche de l'arbre de la vie. Pour expliquer les r sultats, cependant, nous devons examiner d'un peu plus pr s comment de nouveaux g nes apparaissent et comment les g nomes voluent. La mati re premi re de l' volution est la s quence d'ADN qui existe d j : il n'y a pas de m canisme naturel pour faire de longues p riodes de nouvelle s quence al atoire. En ce sens, aucun g ne n'est jamais enti rement nouveau. L'innovation peut cependant se produire de plusieurs mani res (Figure 1 19) : 1. Mutation intrag nique : un g ne existant peut tre modifi de mani re al atoire par des changements dans sa s quence d'ADN, par divers types d'erreurs qui se produisent principalement dans le processus de r plication de l'ADN. 2. Duplication de g nes : un g ne existant peut tre accidentellement dupliqu de mani re cr er une paire de g nes initialement identiques au sein d'une seule cellule ; Ces deux g nes peuvent alors diverger au cours de l' volution. 3. Brassage de segments d'ADN : deux g nes existants ou plus peuvent se briser et se r unir pour former un g ne hybride compos de segments d'ADN qui appartenaient l'origine des g nes distincts. 4. Transfert horizontal (intercellulaire) : un morceau d'ADN peut tre transf r du g nome d'une cellule celui d'une autre, voire celui d'une autre esp ce. Ce processus contraste avec le transfert vertical habituel de l'information g n tique du parent la descendance. Chacun de ces types de changement laisse une trace caract ristique dans la s quence d'ADN de l'organisme, et il est clairement prouv que les quatre processus ont souvent Figure 1 18 Information g n tique conserv e depuis l' poque du dernier anc tre commun de tous les tres vivants. Une partie du g ne pour le plus petit des deux principaux composants de l'ARNr du ribosome est montr e. (La mol cule compl te mesure environ 1500 1900 nucl otides, selon l'esp ce.) les segments correspondants de la s quence nucl otidique d'un arch en (Methanococcus jannaschii), d'une bact rie (Escherichia coli) et d'un eucaryote (Homo sapiens) sont align s. les sites o les nucl otides sont identiques entre les esp ces sont indiqu s par une ligne verticale ; La s quence humaine est r p t e au bas de l'alignement afin que les trois comparaisons double sens puissent tre vues. Un point mi-chemin de la s quence d'E. coli indique un site o un nucl otide a t soit supprim de la lign e bact rienne au cours de l' volution, soit ins r dans les deux autres lign es. Notons que les s quences de ces trois organismes, repr sentatives des trois domaines du monde vivant, conservent encore des similitudes ind niables. s'est produite. Dans les chapitres suivants, nous aborderons les m canismes sous-jacents, mais pour l'instant nous nous concentrerons sur les cons quences. Les duplications de g nes donnent naissance des familles de g nes apparent s au sein d'une seule cellule Une cellule duplique l'ensemble de son g nome chaque fois qu'elle se divise en deux cellules filles. Cependant, les accidents entra nent parfois la duplication inappropri e d'une partie seulement du g nome, avec conservation des segments originaux et dupliqu s dans une seule cellule. Une fois qu'un g ne a t dupliqu de cette mani re, l'une des deux copies du g ne est libre de muter et de se sp cialiser pour remplir une fonction diff rente au sein de la m me cellule. Des cycles r p t s de ce processus de duplication et de divergence, sur plusieurs millions d'ann es, ont permis un g ne de donner naissance une famille de g nes qui peuvent tous tre trouv s dans un seul g nome. L'analyse de la s quence d'ADN des g nomes procaryotes r v le de nombreux exemples de ces familles de g nes : chez la bact rie Bacillus subtilis, par exemple, 47 % des g nes ont un ou plusieurs parents vidents (Figure 1 20). Lorsque les g nes se dupliquent et divergent de cette mani re, les individus d'une esp ce deviennent dot s de plusieurs variantes d'un g ne primordial. Ce processus volutif doit tre distingu de la divergence g n tique qui se produit lorsqu'une esp ce d'organisme se divise en deux lign es de descendance distinctes un point de branche de l'arbre g n alogique lorsque la lign e humaine est devenue s par e de celle des chimpanz s, par exemple. L , les g nes deviennent progressivement diff rents au cours de l' volution, mais ils sont susceptibles de continuer avoir des fonctions correspondantes chez les deux esp ces s urs. Les g nes qui sont li s par ascendance de cette mani re c'est- -dire les g nes de deux esp ces distinctes qui d rivent du m me g ne ancestral |
Biologie moléculaire de la cellule | chez le dernier anc tre commun de ces deux esp ces sont appel s orthologues. G nes apparent s r sultant d'un v nement de duplication de g ne au sein d'un seul g nome Figure 1 19 Quatre modes d'innovation g n tique et leurs effets sur la s quence d'ADN d'un organisme. Une forme particuli re de transfert horizontal se produit lorsque deux types de cellules diff rents entrent dans une association symbiotique permanente. Les g nes de l'une des cellules peuvent ensuite tre transf r s au g nome de l'autre, comme nous le verrons ci-dessous lorsque nous discuterons des mitochondries et des chloroplastes. 283 g nes dans les familles de 38 77 membres 764 g nes dans les familles de 4 19 membres de g nes 2126 g nes sans lien de parent 273 g nes dans les familles de 3 membres 568 g nes dans les familles de 2 membres de g nes sont susceptibles d'avoir diverg dans leur fonction - sont appel s paralogues. Les g nes qui sont li s par l'ascendance d'une mani re ou d'une autre sont appel s homologues, un terme g n ral utilis pour couvrir les deux types de relation (Figure 1-21). Les g nes peuvent tre transf r s entre organismes, la fois en laboratoire et dans la nature Les procaryotes fournissent de bons exemples du transfert horizontal de g nes d'une esp ce de cellule une autre. Les signes r v lateurs les plus vidents sont des s quences reconnaissables comme tant d riv es de virus, les bact ries infectieuses tant appel es bact riophages (figures 1 22). Les virus sont de petits paquets de mat riel g n tique qui ont volu en tant que parasites sur la machinerie reproductive et biosynth tique des cellules h tes. Bien qu'elles ne soient pas elles-m mes des cellules vivantes, elles servent souvent de vecteurs pour le transfert de g nes. Un virus se r plique dans une cellule, en ressort avec un emballage protecteur, puis p n tre et infecte une autre cellule, qui peut tre de la m me esp ce ou d'une esp ce diff rente. Souvent, la cellule infect e sera tu e par la prolif ration massive de particules virales l'int rieur ; mais parfois, l'ADN viral, au lieu de g n rer directement ces particules, peut persister dans son h te pendant de nombreuses g n rations cellulaires en tant que passager relativement inoffensif, soit sous la forme d'un fragment intracellulaire distinct de l'ADN, connu sous le nom de plasmide, soit sous la forme d'une s quence ins r e dans le g nome r gulier de la cellule. Au cours de leurs d placements, les virus peuvent accidentellement r cup rer des fragments d'ADN du g nome d'une cellule h te et les transporter dans une autre cellule. De tels transferts de mat riel g n tique sont tr s fr quents chez les procaryotes. Les transferts horizontaux de g nes entre cellules eucaryotes de diff rentes esp ces sont tr s rares, et ils ne semblent pas avoir jou un r le significatif dans l' volution des eucaryotes (bien que des transferts massifs de g nomes bact riens eucaryotes se soient produits dans l' volution des mitochondries et des chloroplastes, comme nous le verrons ci-dessous). les g nes GA et GB sont des orthologues, les g nes G1 et G2 sont des paralogues Figure 1 20 Familles de g nes apparent s au cours de l' volution dans le g nome de Bacillus subtilis. La plus grande famille de g nes de cette bact rie se compose de 77 g nes codant pour des vari t s de transporteurs ABc, une classe de prot ines de transport membranaire pr sentes dans les trois domaines du monde vivant. (Adapt de F. kunst et al., Nature 390:249-256, 1997. Avec l'autorisation de macmillan Publishers ltd.) Figure 1 21 G nes paralogues et g nes orthologues : deux types d'homologie g nique bas s sur des voies volutives diff rentes. (A) orthologues. (B) Paralogues. En revanche, les transferts horizontaux de g nes se produisent beaucoup plus fr quemment entre diff rentes esp ces de procaryotes. De nombreux procaryotes ont une capacit remarquable absorber m me des mol cules d'ADN non virales de leur environnement et capturer ainsi l'information g n tique que ces mol cules transportent. Par cette voie, ou par transfert par virus, les bact ries et les arch es dans la nature peuvent acqu rir des g nes des cellules voisines assez facilement. Les g nes qui conf rent une r sistance un antibiotique ou une capacit produire une toxine, par exemple, peuvent tre transf r s d'une esp ce l'autre et donner la bact rie r ceptrice un avantage s lectif. De cette fa on, de nouvelles souches de bact ries parfois dangereuses ont t observ es voluer dans les cosyst mes bact riens qui habitent les h pitaux ou les diff rentes niches du corps humain. Par exemple, le transfert horizontal de g nes est responsable de la propagation, au cours des 40 derni res ann es, de souches r sistantes la p nicilline de Neisseria gonorrhoeae, la bact rie responsable de la gonorrh e. Sur une chelle de temps plus longue, les r sultats peuvent tre encore plus profonds ; on estime qu'au moins 18 % de tous les g nes du g nome actuel d'E. col |
Biologie moléculaire de la cellule | i ont t acquis par transfert horizontal d'une autre esp ce au cours des 100 derniers millions d'ann es. sexe Entra ne des changes horizontaux d'informations g n tiques au sein d'une esp ce Le transfert horizontal de g nes chez les procaryotes a un parall le dans un ph nom ne qui nous est familier tous : le sexe. En plus du transfert vertical habituel de mat riel g n tique du parent la prog niture, la reproduction sexu e provoque un transfert horizontal grande chelle de l'information g n tique entre deux lign es cellulaires initialement s par es, celles du p re et de la m re. Une caract ristique cl du sexe, bien s r, est que l' change g n tique ne se produit normalement qu'entre individus de la m me esp ce. Mais peu importe qu'ils se produisent au sein d'une esp ce ou entre esp ces, le g ne horizontal Figure 1 22 Le transfert viral de l'ADN dans une cellule. (A) Une micrographie lectronique de particules d'un virus bact rien, le bact riophage T4. La t te de ce virus contient l'ADN viral ; la queue contient l'appareil permettant d'injecter l'ADN dans une bact rie h te. (B) Une coupe transversale d'un Une bact rie E. coli avec un bact riophage T4 s'est accroch e sa surface. Les gros objets sombres l'int rieur de la bact rie sont les t tes de nouvelles particules T4 en cours d'assemblage. Lorsqu'ils sont matures, la bact rie clate pour les lib rer. (c e) Le processus d'injection d'ADN dans la bact rie, tel qu'il est visualis dans des chantillons congel s non color s par cryomicroscopie lectronique. c) D but de la saisie. tat attach lors de l'injection d'adnA. La t te du virus a vid tout son ADN dans la bact rie. (A, avec l'aimable autorisation de James Paulson ; B, avec l'aimable autorisation de Jonathan King et Erika Hartwig de G. karp, biologie cellulaire et mol culaire, 2e d., New York, John Wiley & sons, 1999. Avec la permission de John Wiley & sons ; c e, avec l'aimable autorisation de Ian Molineux, Universit du Texas Austin et Jun Liu, Centre des sciences de la sant de l'Universit du Texas, Houston.) Les transferts laissent une empreinte caract ristique : ils aboutissent des individus qui sont plus troitement li s un ensemble de parents par rapport certains g nes, et plus proches d'un autre ensemble de parents par rapport d'autres. En comparant les s quences d'ADN de g nomes humains individuels, un visiteur intelligent de l'espace pourrait en d duire que les humains se reproduisent sexuellement, m me s'il ne savait rien du comportement humain. La reproduction sexu e est r pandue (bien qu'elle ne soit pas universelle), en particulier chez les eucaryotes. M me les bact ries se livrent de temps en temps des changes sexuels contr l s d'ADN avec d'autres membres de leur propre esp ce. La s lection naturelle a clairement favoris les organismes qui peuvent se reproduire sexuellement, bien que les th oriciens de l' volution contestent pr cis ment ce qu'est cet avantage s lectif. La fonction d'un g ne peut souvent tre d duite de sa s quence Les relations familiales entre les g nes sont importantes non seulement pour leur int r t historique, mais aussi parce qu'elles simplifient la t che de d chiffrer les fonctions des g nes. Une fois que la s quence d'un g ne nouvellement d couvert a t d termin e, un scientifique peut appuyer sur quelques touches d'un ordinateur pour rechercher dans toute la base de donn es de s quences de g nes connues des g nes qui lui sont li s. Dans de nombreux cas, la fonction d'un ou plusieurs de ces homo-logs aura d j t d termin e exp rimentalement. tant donn que la s quence g n tique d termine la fonction du g ne, on peut souvent faire une bonne supposition sur la fonction du nouveau g ne : elle est probablement similaire celle des homologues d j connus. De cette fa on, il est possible de d chiffrer une grande partie de la biologie d'un organisme simplement en analysant la s quence d'ADN de son g nome et en utilisant les informations que nous avons d j sur les fonctions des g nes chez d'autres organismes qui ont t tudi s plus intens ment. plus de 200 familles de g nes sont communes aux trois branches primaires de l'arbre de la vie tant donn les s quences g nomiques compl tes d'organismes repr sentatifs des trois domaines arch es, bact ries et eucaryotes nous pouvons rechercher syst matiquement des homologies qui couvrent cet norme foss volutif. De cette fa on, nous pouvons commencer faire le point sur l'h ritage commun de tous les tres vivants. Il y a des difficult s consid rables dans cette entreprise. Par exemple, certaines esp ces ont souvent perdu certains des g nes ancestraux ; D'autres g nes ont presque certainement t acquis par transfert horizontal d'une autre esp ce et ne sont donc pas vraiment ancestraux, m me s'ils sont partag s. En fait, les comparaisons g nomiques sugg rent fortement que la perte de g nes sp cifiques la lign e et le transfert horizontal de g nes, dans certains cas entre esp ces |
Biologie moléculaire de la cellule | loign es sur le plan de l' volution, ont t des facteurs majeurs de l' volution, du moins chez les procaryotes. Enfin, au cours de 2 ou 3 milliards d'ann es, certains g nes initialement partag s auront chang au point d' tre m connaissables par mutation. En raison de tous ces al as du processus volutif, il semble que seule une petite proportion des familles de g nes ancestraux ait t universellement conserv e sous une forme reconnaissable. Ainsi, sur 4873 familles de g nes codant pour des prot ines d finies en comparant les g nomes de 50 esp ces de bact ries, 13 d'arch es et 3 eucaryotes unicellulaires, seules 63 sont vraiment ubiquitaires (c'est- -dire repr sent es dans tous les g nomes analys s). La grande majorit de ces familles universelles comprennent des composants des syst mes de traduction et de transcription. Il est peu probable qu'il s'agisse d'une approximation r aliste d'un ensemble de g nes ancestraux. Une meilleure id e, bien qu'encore grossi re, de ce dernier peut tre obtenue en comptant les familles de g nes qui ont des repr sentants dans plusieurs esp ces, mais pas n cessairement toutes, des trois domaines majeurs. Une telle analyse r v le 264 anciennes familles conserv es. Chaque famille peut se voir attribuer une fonction (au moins en termes d'activit biochimique g n rale, mais g n ralement avec plus de pr cision). Comme le montre le tableau 1 1, le plus grand nombre de familles de g nes partag es sont impliqu es dans la traduction et dans le m tabolisme et le transport des acides amin s. Cependant, cet ensemble de familles de g nes hautement conserv es ne repr sente qu'une esquisse tr s grossi re de l'h r dit commune de toute la vie moderne. Une reconstruction plus pr cise du compl ment g n tique du dernier anc tre commun universel deviendra, esp rons-le, r alisable avec un s quen age du g nome plus pouss et des formes plus sophistiqu es d'analyse comparative. Les mutations r v lent les fonctions des g nes Sans informations suppl mentaires, aucun examen des s quences g nomiques ne r v lera les fonctions des g nes. Nous pouvons reconna tre que le g ne B est comme le g ne A, mais comment d couvrons-nous la fonction du g ne A en premier lieu ? Et m me si nous connaissons la fonction du g ne A, comment testons-nous si la fonction du g ne B est vraiment la m me que celle sugg r e par la similitude de s quence ? Comment connecter le monde de l'information g n tique abstraite au monde des organismes vivants r els ? L'analyse des fonctions des g nes d pend de deux approches compl mentaires : la g n tique et la biochimie. La g n tique commence par l' tude des mutants : soit nous trouvons soit nous fabriquons un organisme dans lequel un g ne est modifi , puis nous examinons les effets sur la structure et les performances de l'organisme (Figure 1-23). La biochimie examine plus directement les fonctions des mol cules : ici, nous extrayons des mol cules d'un organisme et tudions ensuite leurs activit s chimiques. En combinant la g n tique et la biochimie, il est possible de trouver les mol cules dont la production d pend d'un g ne donn . En m me temps, des tudes minutieuses de la performance de l'organisme mutant nous montrent quel r le ces mol cules ont dans le fonctionnement de l'organisme dans son ensemble. Ainsi, la g n tique et la biochimie utilis es en combinaison avec la biologie cellulaire constituent le meilleur moyen de relier les g nes et les mol cules la structure et la fonction d'un organisme. Au cours des derni res ann es, les informations sur les s quences d'ADN et les puissants outils de la biologie mol culaire ont acc l r les progr s. partir de comparaisons de s quences, nous pouvons souvent identifier des sous-r gions particuli res au sein d'un g ne qui ont t pr serv es presque inchang es au cours de l' volution. Ces sous-r gions conserv es sont probablement les parties les plus importantes du g ne en termes de fonction. Nous pouvons tester leurs contributions individuelles l'activit du produit g nique en cr ant en laboratoire des mutations de sites sp cifiques dans le g ne, ou en construisant des g nes hybrides artificiels qui combinent une partie d'un g ne avec une partie d'un autre. Les organismes peuvent tre modifi s pour fabriquer l'ARN ou la prot ine sp cifi e par le g ne en grandes quantit s afin de faciliter l'analyse biochimique. Les sp cialistes de la structure mol culaire peuvent d terminer la conformation tridimensionnelle du produit g nique, r v lant la position exacte de chaque atome qu'il contient. Les biochimistes peuvent d terminer comment chacun des Figure 1 23 Un ph notype mutant refl tant la fonction d'un g ne. Une levure normale (de l'esp ce Schizosaccharomyces pombe) est compar e un mutant chez lequel un changement dans un seul g ne a converti la cellule d'une forme de cigare ( gauche) en forme de T ( droite). Le g ne mutant a donc une fonction dans le contr le de la forme cellulaire. Mais comment, en termes mol culaires, le p |
Biologie moléculaire de la cellule | roduit g nique remplit-il cette fonction ? C'est une question plus difficile, et elle n cessite une analyse biochimique pour y r pondre. (Avec l'aimable autorisation de Kenneth Sawin et Paul Nurse.) Certaines parties de la mol cule g n tiquement sp cifi e contribuent son comportement chimique. Les biologistes cellulaires peuvent analyser le comportement des cellules qui sont modifi es pour exprimer une version mutante du g ne. Cependant, il n'existe pas de recette simple pour d couvrir la fonction d'un g ne, ni de format universel standard simple pour la d crire. Nous pouvons d couvrir, par exemple, que le produit d'un g ne donn catalyse une certaine r action chimique, et pourtant n'avoir aucune id e de comment ou pourquoi cette r action est importante pour l'organisme. La caract risation fonctionnelle de chaque nouvelle famille de produits g niques, contrairement la description des s quences de g nes, repr sente un nouveau d fi pour l'ing niosit du biologiste. De plus, nous ne comprendrons jamais compl tement la fonction d'un g ne tant que nous n'aurons pas appris son r le dans la vie de l'organisme dans son ensemble. Par cons quent, pour donner un sens ultime aux fonctions des g nes, nous devons tudier des organismes entiers, et pas seulement des mol cules ou des cellules. La biologie mol culaire a commenc par un coup de projecteur sur E. coli Parce que les organismes vivants sont si complexes, plus nous en apprenons sur une esp ce particuli re, plus elle devient attrayante en tant qu'objet d' tude plus approfondie. Chaque d couverte soul ve de nouvelles questions et fournit de nouveaux outils pour aborder des questions g n rales dans le contexte de l'organisme choisi. Pour cette raison, de grandes communaut s de biologistes se sont consacr es l' tude de diff rents aspects d'un m me organisme mod le. Aux d buts de la biologie mol culaire, les projecteurs se sont braqu s sur une seule esp ce : la bact rie Escherichia coli, ou E. coli (voir les figures 1 13 et 1 14). Cette petite cellule bact rienne en forme de b tonnet vit normalement dans l'intestin des humains et d'autres vert br s, mais elle peut tre cultiv e facilement dans un simple bouillon nutritif dans une bouteille de culture. Il s'adapte des conditions chimiques variables et se reproduit rapidement, et il peut voluer par mutation et s lection une vitesse remarquable. Comme pour les autres bact ries, les diff rentes souches d'E. coli, bien que class es comme membres d'une seule esp ce, diff rent g n tiquement un degr beaucoup plus lev que les diff rentes vari t s d'un organisme reproduction sexu e tel qu'une plante ou un animal. Une souche d'E. coli peut poss der plusieurs centaines de g nes absents d'une autre, et les deux souches pourraient avoir aussi peu que 50 % de leurs g nes en commun. La souche standard de laboratoire E. coli K-12 a un g nome d'environ 4,6 millions de paires de nucl otides, contenues dans une seule mol cule circulaire d'ADN qui code pour environ 4300 types de prot ines diff rentes (Figure 1-24). En termes mol culaires, nous en savons plus sur E. coli que sur tout autre organisme vivant. La plupart de notre compr hension des m canismes fondamentaux de la vie par exemple, comment les cellules r pliquent leur ADN ou comment elles d codent les instructions repr sent es dans l'ADN pour diriger la synth se de prot ines sp cifiques provient initialement d' tudes sur E. coli. Les m canismes g n tiques de base se sont av r s tre tr s conserv s tout au long de l' volution : ces m canismes sont essentiellement les m mes dans nos propres cellules que chez E. coli. Les procaryotes (cellules sans noyau distinct) sont les organismes les plus diversifi s sur le plan biochimique et comprennent des esp ces qui peuvent obtenir toute leur nergie et leurs nutriments partir de sources chimiques inorganiques, telles que les m langes r actifs de min raux lib r s dans les chemin es hydrothermales au fond de l'oc an le type de r gime qui a peut- tre nourri les premi res cellules vivantes il y a 3,5 milliards d'ann es. Les comparaisons de s quences d'ADN r v lent les relations familiales des organismes vivants et montrent que les procaryotes se divisent en deux groupes qui ont diverg au d but de l' volution : les bact ries (ou eubact ries) et les arch es. Avec les eucaryotes (cellules noyau membranaire), ceux-ci constituent les trois branches primaires de l'arbre de la vie. La plupart des bact ries et des arch es sont de petits organismes unicellulaires avec des g nomes compacts comprenant 1000 6000 g nes. De nombreux g nes d'un m me organisme pr sentent de fortes ressemblances familiales dans leurs s quences d'ADN, ce qui implique qu'ils proviennent du m me g ne ancestral par duplication et divergence de g nes. Les ressemblances familiales (homologies) sont galement claires lorsque les s quences de g nes sont compar es entre diff rentes esp ces, et plus de 200 familles de g nes ont t si fortement |
Biologie moléculaire de la cellule | (A) 4 639 221 paires de nucl otides Escherichia coli K-12 origine de la r plication fin de la r plication (B) Figure 1 24 Le g nome d'E. coli. (A) Un amas de cellules E. coli. (B) Un sch ma du g nome de E. coli souche k-12. Le sch ma est circulaire car l'ADN d'E. coli, comme celui des autres procaryotes, forme une seule boucle ferm e. Les g nes codant pour des prot ines sont repr sent s par des barres jaunes ou oranges, selon le brin d'ADN partir duquel ils sont transcrits ; les g nes codant uniquement pour les mol cules d'ARN sont indiqu s par des fl ches vertes. certains g nes sont transcrits partir d'un brin de la double h lice de l'adn (dans le sens des aiguilles d'une montre sur ce sch ma), d'autres partir de l'autre brin (dans le sens inverse des aiguilles d'une montre). (A, avec l'aimable autorisation du Dr Tony Brain et de David Parker/Photo Researchers ; B, adapt de F.R. Blattner et al., Science 277:1453 1462, 1997.) conserv s afin qu'ils puissent tre reconnus comme communs la plupart des esp ces des trois domaines du monde vivant. Ainsi, tant donn la s quence d'ADN d'un g ne nouvellement d couvert, il est souvent possible de d duire la fonction du g ne partir de la fonction connue d'un g ne homologue dans un organisme mod le tudi de mani re intensive, tel que la bact rie E. coli. Les cellules eucaryotes, en g n ral, sont plus grandes et plus labor es que les cellules procaryotes, et leurs g nomes sont galement plus grands et plus labor s. La taille plus grande s'accompagne de diff rences radicales dans la structure et la fonction cellulaires. De plus, de nombreuses classes de cellules eucaryotes forment des organismes multicellulaires qui atteignent des niveaux de complexit in gal s par n'importe quel procaryote. Parce qu'ils sont si complexes, les eucaryotes confrontent les biologistes mol culaires un ensemble particulier de d fis qui nous pr occuperont dans le reste de ce livre. De plus en plus, les biologistes tentent de relever ces d fis en analysant et en manipulant l'information g n tique au sein des cellules et des organismes. Il est donc important de conna tre d'embl e les particularit s du g nome eucaryote. Nous commen ons par discuter bri vement de l'organisation des cellules eucaryotes, de la mani re dont cela refl te leur mode de vie et de la diff rence entre leurs g nomes et ceux des procaryotes. Cela nous am ne esquisser les grandes lignes de la strat gie par laquelle les biologistes cellulaires, en exploitant les informations g n tiques et biochimiques, tentent de d couvrir le fonctionnement des organismes eucaryotes. Les cellules eucaryotes pourraient provenir de Predators Par d finition, les cellules eucaryotes conservent leur ADN dans un compartiment interne appel noyau. L'enveloppe nucl aire, une double couche de membrane, entoure le noyau et s pare l'ADN du cytoplasme. Les eucaryotes ont galement d'autres caract ristiques qui les distinguent des procaryotes (Figure 1 25). Leurs cellules sont, g n ralement, 10 fois plus grandes en dimension lin aire et 1000 fois plus grandes en volume. Ils ont un cytosquelette labor un syst me de filaments prot iques qui sillonnent le cytoplasme et forment, avec les nombreuses prot ines qui s'y attachent, un syst me de poutres, de cordes et de moteurs qui donne la cellule une force m canique, contr le sa forme et entra ne et guide ses mouvements (Vid o 1.1). Et l'enveloppe nucl aire n'est qu'une partie d'un ensemble de membranes internes, chacune structurellement similaire la membrane plasmique et renfermant diff rents types d'espaces l'int rieur de la cellule, dont beaucoup sont impliqu s dans la digestion et la s cr tion. D pourvues de la paroi cellulaire dure de la plupart des bact ries, les cellules animales et les cellules eucaryotes libres appel es protozoaires peuvent changer de forme rapidement et engloutir d'autres cellules et petits objets par phagocytose (Figure 1 26). Comment toutes les propri t s uniques des cellules eucaryotes ont volu , et dans quel ordre, est encore un myst re. Une vision plausible, cependant, est qu'elles sont toutes le reflet du mode de vie d'une cellule primordiale qui tait un pr dateur, vivant en capturant d'autres cellules et en les mangeant (Figure 1-27). Un tel mode de vie n cessite une grande cellule avec une membrane plasmique flexible, ainsi qu'un cytosquelette labor pour soutenir Figure 1 25 Les principales caract ristiques des cellules eucaryotes. Le dessin repr sente une cellule animale typique, mais presque tous les m mes composants se trouvent dans les plantes et les champignons ainsi que chez les eucaryotes unicellulaires tels que les levures et les protozoaires. Les cellules v g tales contiennent des chloroplastes en plus des composants montr s ici, et leur membrane plasmique est entour e d'une paroi externe dure form e de cellulose. et d placer cette membrane. Il peut galement n cessiter que les longues et fragiles mol cules d'ADN de la cellule |
Biologie moléculaire de la cellule | soient s questr es dans un compartiment nucl aire s par , pour prot ger le g nome des dommages caus s par les mouvements du cytosquelette. Un mode de vie pr dateur aide expliquer une autre caract ristique des cellules eucaryotes. Toutes ces cellules contiennent (ou ont d j contenu) des mitochondries (Figure 1-28). Ces petits corps dans le cytoplasme, enferm s dans une double couche de membrane, absorbent l'oxyg ne et exploitent l' nergie de l'oxydation des mol cules alimentaires, telles que les sucres, pour produire la majeure partie de l'ATP qui alimente les activit s de la cellule. Les mitochondries sont de taille similaire celles de petites bact ries et, comme les bact ries, elles ont leur propre g nome sous la forme d'une mol cule d'ADN circulaire, leurs propres ribosomes qui diff rent de ceux ailleurs dans la cellule eucaryote et leurs propres ARN de transfert. Il est maintenant g n ralement admis que les mitochondries proviennent de bact ries m tabolisantes de l'oxyg ne (a robies) qui ont t englouties par une cellule ancestrale qui ne pouvait autrement pas faire un tel usage de l'oxyg ne (c'est- -dire qui tait ana robie). chappant la digestion, ces bact ries ont volu en symbiose avec la cellule engloutissante et sa descendance, recevant Figure 1 27 Un eucaryote unicellulaire qui mange d'autres cellules. (A) Le didinium est un protozoaire carnivore, appartenant au groupe connu sous le nom de cili s. Il a un corps globulaire d'environ 150 m de diam tre, entour de deux franges de cils des appendices sinueux en forme de fouet qui battent continuellement ; Son extr mit avant est aplatie l'exception d'une seule saillie, un peu comme un museau. (B) Un didinium engloutissant sa proie. Le didinium nage normalement dans l'eau grande vitesse au moyen du battement synchrone de ses cils. Lorsqu'il rencontre une proie appropri e (jaune), g n ralement un autre type de protozoaire, il lib re de nombreuses petites fl chettes paralysantes de la r gion de son museau. Ensuite, le Didinium s'attache l'autre cellule et la d vore par phagocytose, s'inversant comme une boule creuse pour engloutir sa victime, qui peut tre presque aussi grosse que lui-m me. (Avec l'aimable autorisation de d. Barlow.) Figure 1 26 Phagocytose. Cette s rie d'images fixes d'un film montre un globule blanc humain (un neutrophile) engloutissant un globule rouge (artificiellement color en rouge) qui a t trait avec un anticorps qui le marque pour la destruction (voir film 13.5). (Avec l'aimable autorisation de Stephen E. Malawista et Anne de Boisfleury chevance.) un abri et de la nourriture en retour de la production d' nergie qu'ils produisaient pour leurs h tes. On pense que ce partenariat entre une cellule pr datrice ana robie primitive et une cellule bact rienne a robie a t tabli il y a environ 1,5 milliard d'ann es, lorsque l'atmosph re terrestre est devenue riche en oxyg ne. Comme l'indique la figure 1-29, des analyses g nomiques r centes sugg rent que les premi res cellules eucaryotes se sont form es apr s qu'une cellule arch ale a englouti une bact rie a robie. Cela expliquerait pourquoi toutes les cellules eucaryotes d'aujourd'hui, y compris celles qui vivent comme des ana robies stricts, montrent des preuves claires qu'elles contenaient autrefois des mitochondries. De nombreuses cellules eucaryotes, en particulier celles des plantes et des algues, contiennent galement une autre classe de petits organites entour s de membranes quelque peu similaires aux mitochondries : les chloroplastes (figures 1 30). Les chloroplastes effectuent la photosynth se, en utilisant l' nergie de la lumi re du soleil pour synth tiser les glucides partir de dioxyde de carbone atmosph rique et d'eau, et livrer les produits la cellule h te sous forme de nourriture. Comme les mitochondries, les chloroplastes ont leur propre g nome. Elles sont presque certainement l'origine des bact ries photosynth tiques symbiotiques, acquises par des cellules eucaryotes qui poss daient d j des mitochondries (Figure 1-31). Une cellule eucaryote quip e de chloroplastes n'a pas besoin de courir apr s d'autres cellules comme proie ; Elle se nourrit des chloroplastes captifs qu'elle a h rit s de ses anc tres. En cons quence, les cellules v g tales, bien qu'elles poss dent l' quipement cytosquelettique pour se d placer, ont perdu la capacit de changer rapidement de forme et d'engloutir d'autres cellules par phagocytose. Au lieu de cela, ils cr ent autour d'eux une paroi cellulaire dure et protectrice. Si les premi res cellules eucaryotes taient des pr dateurs d'autres organismes, nous pouvons consid rer les cellules v g tales comme des cellules qui ont fait la transition de la chasse l'agriculture. Les champignons repr sentent encore un autre mode de vie eucaryote. Les cellules fongiques, comme les cellules animales, poss dent des mitochondries mais pas de chloroplastes ; Mais contrairement aux cellules animales et aux protozoaires, ils |
Biologie moléculaire de la cellule | ont une paroi externe dure qui limite leur capacit se d placer rapidement Figure 1 28 Une mitochondrie. (A) Une coupe efficace, telle qu'on la voit au microscope lectronique. (B) Un dessin d'une mitochondrie dont une partie a t coup e pour montrer la structure tridimensionnelle (Vid o 1.2). (c) Une cellule eucaryote sch matique, avec l'espace int rieur d'une mitochondrie, contenant l'ADN mitochondrial et les ribosomes, color s. notez la membrane externe lisse et la membrane interne alv ol e, qui abrite les prot ines qui g n rent l'ATP partir de l'oxydation des mol cules alimentaires. (A, avec l'aimable autorisation de daniel s. Friend.) Figure 1 29 L'origine des mitochondries. Archaeon) aurait englouti l'anc tre bact rien des mitochondries, initiant une relation symbiotique. Des preuves claires d'un double h ritage bact rien et archa que peuvent tre discern es aujourd'hui dans les g nomes de tous les eucaryotes. ou pour avaler d'autres cellules. Les champignons, semble-t-il, sont pass s du statut de chasseurs celui de charognards : d'autres cellules s cr tent des mol cules nutritives ou les lib rent la mort, et les champignons se nourrissent de ces restes, effectuant toute digestion n cessaire extracellulaire, en s cr tant des enzymes digestives vers l'ext rieur. L'information g n tique des cellules eucaryotes a une origine hybride, partir de la cellule ana robie arch ale ancestrale et des bact ries qu'elle a adopt es comme symbiotes. La plupart de ces informations sont stock es dans le noyau, mais une petite quantit en reste l'int rieur des mitochondries et, pour les cellules v g tales et algales, dans les chloroplastes. Lorsque l'ADN mitochondrial et l'ADN du chloroplaste sont s par s de l'ADN nucl aire et analys s et s quenc s individuellement, les g nomes mitochondriaux et chloroplastes se r v lent tre des versions d g n r es et r duites des g nomes bact riens correspondants. Dans une cellule humaine, par exemple, le g nome mitochondrial se compose de seulement 16 569 paires de nucl otides et ne code que pour 13 prot ines, 2 composants de l'ARN ribosomique et 22 ARN de transfert. Figure 1 30 Chloroplastes. Ces organites captent l' nergie de la lumi re du soleil dans les cellules v g tales et certains eucaryotes unicellulaires. (A) Une seule cellule isol e d'une feuille d'une plante fleurs, vue au microscope optique, montrant les chloroplastes verts (Vid o 1.3 et voir Vid o 14.9). (B) Un dessin de l'un des chloroplastes, montrant le syst me hautement pli de membranes internes contenant les mol cules de chlorophylle par lesquelles la lumi re est absorb e. (A, avec l'aimable autorisation de Preeti dahiya.) cellule eucaryote pr coce cellule eucaryote capable de photosynth se De nombreux g nes manquants dans les mitochondries et les chloroplastes n'ont pas t perdus ; au lieu de cela, ils sont pass s du g nome du symbiote l'ADN du noyau de la cellule h te. L'ADN nucl aire de l'homme contient de nombreux g nes codant pour des prot ines qui remplissent des fonctions essentielles l'int rieur des mitochondries ; chez les plantes, l'ADN nucl aire contient galement de nombreux g nes sp cifiant les prot ines n cessaires aux chloroplastes. Dans les deux cas, les s quences d'ADN de ces g nes nucl aires montrent clairement leur origine partir de l'anc tre bact rien de l'organite respectif. La s lection naturelle a manifestement favoris les mitochondries avec de petits g nomes. En revanche, les g nomes nucl aires de la plupart des eucaryotes semblent avoir t libres de s' largir. Peut- tre que le mode de vie eucaryote a fait de la grande taille un avantage : les pr dateurs doivent g n ralement tre plus grands que leurs proies, et la taille des cellules augmente g n ralement proportionnellement la taille du g nome. Quoi qu'il en soit, gr ce une accumulation massive de segments d'ADN d riv s d' l ments transposables parasites (voir le chapitre 5), les g nomes de la plupart des eucaryotes sont devenus des ordres de grandeur plus grands que ceux des bact ries et des arch es (Figure 1-32). La libert d' tre extravagant avec l'ADN a eu de profondes implications. Les eucaryotes ont non seulement plus de g nes que les procaryotes ; ils ont galement beaucoup plus d'ADN qui ne code pas pour les prot ines. Le g nome humain contient 1000 fois plus de paires de nucl otides que le g nome d'une bact rie typique, peut- tre 10 fois plus que Figure 1 31 L'origine des chloroplastes. Une cellule eucaryote pr coce, poss dant d j des mitochondries, a englouti une bact rie photosynth tique (une cyanobact rie) et l'a maintenue en symbiose. On pense que les chloroplastes d'aujourd'hui remontent une seule esp ce de cyanobact rie qui a t adopt e comme symbiote interne (un endosymbiote) il y a plus d'un milliard d'ann es. Figure 1 32 Comparaison de la taille des g nomes. La taille du g nome est mesur e en paires de nucl otides d'ADN par g nome haplo de, c'est- -dire par copie unique du g n |
Biologie moléculaire de la cellule | ome. (Les cellules des organismes reproduction sexu e comme nous sont g n ralement diplo des : elles contiennent deux copies du g nome, l'une h rit e de la m re, l'autre du p re.) Les organismes troitement apparent s peuvent varier consid rablement dans la quantit d'ADN dans leurs g nomes, m me s'ils contiennent un nombre similaire de g nes fonctionnellement distincts. (donn es de W.h. li, volution mol culaire, p. 380-383. sunderland, mA : sinauer, 1997.) de nombreux g nes, et beaucoup plus d'ADN non codant (~98,5% du g nome d'un humain ne code pas pour des prot ines, contre 11% du g nome pour la bact rie E. coli). La taille estim e du g nome et le nombre de g nes de certains eucaryotes sont compil s pour faciliter la comparaison avec E. coli dans les tableaux 1 et 2 ; Nous verrons bient t comment chacun de ces eucaryotes sert d'organisme mod le. Une grande partie de notre ADN non codant est presque certainement de la camelote superflue, conserv e comme une masse de vieux papiers car, lorsqu'il y a peu de pression pour garder une petite archive, il est plus facile de tout conserver que de trier les informations pr cieuses et de jeter le reste. Certaines esp ces eucaryotes exceptionnelles, comme le poisson-globe, t moignent de la d bauche de leurs parents ; ils ont r ussi se d barrasser de grandes quantit s d'ADN non codant. Pourtant, ils semblent similaires en termes de structure, de comportement et d'aptitude des esp ces apparent es qui ont beaucoup plus d'ADN (voir Figure 4-71). M me dans les g nomes eucaryotes compacts tels que celui du poisson-globe, il y a plus d'ADN non codant que d'ADN codant, et au moins une partie de l'ADN non codant a certainement des fonctions importantes. En particulier, il r gule l'expression des g nes adjacents. Avec cet ADN r gulateur, les eucaryotes ont d velopp des fa ons distinctes de contr ler quand et o un g ne est mis en jeu. Cette r gulation g nique sophistiqu e est cruciale pour la formation d'organismes multicellulaires complexes. Le g nome d finit le programme de d veloppement multicellulaire Les cellules d'un animal ou d'une plante sont extraordinairement vari es. Les cellules adipeuses, les cellules de la peau, les cellules osseuses, les cellules nerveuses semblent aussi dissemblables que n'importe quelle cellule pourrait l' tre (Figure 1-33). Pourtant, tous ces types de cellules sont les descendants d'un seul ovule f cond , et tous ( quelques exceptions pr s) contiennent des copies identiques du g nome de l'esp ce. Les diff rences r sultent de la fa on dont les cellules font un usage s lectif de leurs instructions g n tiques en fonction des signaux qu'elles re oivent de leur environnement dans l'embryon en d veloppement. L'ADN n'est pas seulement une liste de courses sp cifiant les mol cules que chaque cellule doit avoir, et la cellule n'est pas un assemblage de tous les l ments de la liste. Au contraire, la cellule se comporte comme une machine polyvalente, avec des capteurs pour recevoir des signaux environnementaux et des capacit s tr s d velopp es pour appeler diff rents ensembles de g nes en action en fonction des s quences de signaux auxquelles la cellule a t expos e. Le g nome de chaque cellule est suffisamment grand pour accueillir le Figure 1 33 La taille et la forme des cellules peuvent varier norm ment. Une cellule nerveuse animale est compar e ici un neutrophile, un type de globule blanc. Les deux sont dessin s l' chelle. Information qui sp cifie un organisme multicellulaire entier, mais dans une cellule individuelle, seule une partie de cette information est utilis e. Un grand nombre de g nes du g nome eucaryote codent pour des prot ines qui r gulent les activit s d'autres g nes. La plupart de ces r gulateurs de transcription agissent en se liant, directement ou indirectement, l'ADN r gulateur adjacent aux g nes contr ler, ou en interf rant avec les capacit s d'autres prot ines le faire. Le g nome largi des eucaryotes sp cifie donc non seulement le mat riel de la cellule, mais stocke galement le logiciel qui contr le la fa on dont ce mat riel est utilis (Figure 1-34). Les cellules ne re oivent pas seulement passivement des signaux ; Au contraire, ils changent activement des signaux avec leurs voisins. Ainsi, dans un organisme multicellulaire en d veloppement, le m me syst me de contr le r git chaque cellule, mais avec des cons quences diff rentes en fonction des messages chang s. Le r sultat, tonnamment, est un ensemble de cellules pr cis ment structur es dans diff rents tats, chacune affichant un caract re appropri sa position dans la structure multicellulaire. De nombreux eucaryotes vivent en cellules solitaires De nombreuses esp ces de cellules eucaryotes m nent une vie solitaire, certaines en tant que chasseurs (les protozoaires), d'autres en tant que photosynth tiseurs (les algues unicellulaires), d'autres encore en tant que charognards (les champignons unicellulaires ou levures). La figure 1-35 do |
Biologie moléculaire de la cellule | nne un aper u de l' tonnante vari t des eucaryotes unicellulaires. L'anatomie des protozoaires, en particulier, est souvent labor e et comprend des structures telles que des poils sensoriels, des photor cepteurs, des cils battant sinueusement, des appendices ressemblant des pattes, des pi ces buccales, des fl chettes urticantes et des faisceaux contractiles ressemblant des muscles. Bien qu'il s'agisse de cellules uniques, les protozoaires peuvent tre aussi complexes, aussi polyvalents et aussi complexes dans leur comportement que de nombreux organismes multicellulaires (voir Figure 1-27, Vid o 1.4 et Vid o 1.5). En termes d'ascendance et de s quences d'ADN, les eucaryotes unicellulaires sont beaucoup plus diversifi s que les animaux, les plantes et les champignons multicellulaires, qui sont apparus comme trois branches relativement tardives du pedigree eucaryote (voir Figure 1-17). Comme pour les procaryotes, les humains ont eu tendance les n gliger parce qu'ils sont microscopiques. Ce n'est que maintenant, avec l'aide de l'analyse du g nome, que nous commen ons comprendre leurs positions dans l'arbre de la vie, et mettre en contexte les aper us que ces tranges cr atures peuvent nous offrir de notre lointain pass volutif. Une levure sert de mod le minimal eucaryote La complexit mol culaire et g n tique des eucaryotes est intimidante. Plus encore que pour les procaryotes, les biologistes doivent concentrer leurs ressources limit es sur quelques organismes mod les s lectionn s pour d m ler cette complexit . Figure 1 34 Contr le g n tique du programme de d veloppement multicellulaire. Le r le d'un g ne r gulateur est d montr chez le muflier Antirrhinum. Dans cet exemple, une mutation dans un seul g ne codant pour une prot ine r gulatrice provoque le d veloppement de pousses feuillues la place des fleurs : parce qu'une prot ine r gulatrice a t modifi e, les cellules adoptent des caract res qui seraient appropri s un endroit diff rent dans la plante normale. Le mutant est gauche, la plante normale droite. (Avec l'aimable autorisation d'Enrico Coen et de Rosemary Carpenter.) Pour analyser le fonctionnement interne de la cellule eucaryote sans les probl mes suppl mentaires du d veloppement multicellulaire, il est logique d'utiliser une esp ce unicellulaire et aussi simple que possible. Le choix populaire pour ce r le d'eucaryote mod le minimal a t la levure Saccharomyces cerevisiae (Figure 1-36), la m me esp ce que celle utilis e par les brasseurs de bi re et les boulangers de pain. S. cerevisiae est un petit membre unicellulaire du r gne des champignons et est donc, selon les vues modernes, au moins aussi troitement apparent aux animaux qu'aux plantes. Il est robuste et facile cultiver dans un milieu nutritif simple. Comme les autres champignons, il a une paroi cellulaire dure, est relativement immobile et poss de des mitochondries mais pas de chloroplastes. Lorsque les nutriments sont abondants, ils se d veloppent et se divisent presque aussi rapidement qu'une bact rie. Il peut se reproduire soit par voie v g tative (c'est- -dire par simple division cellulaire), soit par voie sexu e : deux cellules de levure haplo des (poss dant une seule copie du g nome) peuvent fusionner pour cr er une cellule diplo de (contenant un g nome double) ; et la cellule diplo de peut subir une m iose (une division de r duction) pour produire des cellules qui sont nouveau haplo des (Figure 1 37). Contrairement aux plantes et aux animaux sup rieurs, la levure peut se diviser ind finiment l' tat haplo de ou diplo de, et le processus menant d'un tat l'autre peut tre induit volont en modifiant les conditions de croissance. En plus de ces caract ristiques, la levure poss de une autre propri t qui en fait un organisme pratique pour les tudes g n tiques : son g nome, selon les normes eucaryotes, est exceptionnellement petit. N anmoins, il suffit pour toutes les t ches de base que chaque cellule eucaryote doit accomplir. Les mutants sont disponibles pour pratiquement tous les g nes, Figure 1 35 Un assortiment de protozoaires : un petit chantillon d'une classe extr mement diversifi e d'organismes. Les dessins sont r alis s diff rentes chelles, mais dans chaque cas, la barre d' chelle repr sente 10 m. Les organismes mentionn s en (A), (c) et (G) sont des cili s ; est un h liozoaire ; d) est une amibe ; est un dinoflagell ; et (F) est un eugl no de. (D'apr s m.A. sleigh, Biology of Protozoa. cambridge, Royaume-Uni : cambridge university Press, 1973.) Figure 1 36 La levure Saccharomyces cerevisiae. (A) Une micrographie lectronique balayage d'un amas de cellules. Cette esp ce est galement connue sous le nom de levure bourgeonnante ; Il prolif re en formant une saillie ou un bourgeon qui s'agrandit puis se s pare du reste de la cellule d'origine. De nombreuses cellules avec des bourgeons sont visibles dans cette micrographie. (B) Une micrographie lectronique transmission d'une c |
Biologie moléculaire de la cellule | oupe efficace d'une cellule de levure, montrant son noyau, sa mitochondrie et sa paroi cellulaire paisse. (A, avec l'aimable autorisation d'Ira Herskowitz et Eric Schabatach.) Figure 1 37 Les cycles de reproduction de la levure S. cerevisiae. Selon les conditions environnementales et les d tails du g notype, les cellules de cette esp ce peuvent exister soit dans un tat diplo de (2N), avec un double ensemble de chromosomes, soit dans un tat haplo de (N), avec un seul ensemble de chromosomes. La forme diplo de peut soit prolif rer par des cycles de division cellulaire ordinaires, soit subir une m iose pour produire des cellules haplo des. La forme haplo de peut soit prolif rer par des cycles de division cellulaire ordinaires, soit subir une fusion sexuelle avec une autre cellule haplo de pour devenir diplo de. La m iose est d clench e par la famine et donne naissance des spores, des cellules haplo des l' tat dormant, r sistantes aux conditions environnementales difficiles. et des tudes sur des levures (utilisant la fois S. cerevisiae et d'autres esp ces) ont fourni la cl de nombreux processus cruciaux, y compris le cycle de division cellulaire eucaryote la cha ne critique d' v nements par laquelle le noyau et tous les autres composants d'une cellule sont dupliqu s et divis s pour cr er deux cellules filles partir d'une seule. Le syst me de contr le qui r git ce processus a t si bien conserv au cours de l' volution que beaucoup de ses composants peuvent fonctionner de mani re interchangeable dans les cellules de levure et les cellules humaines : si une levure mutante d pourvue d'un g ne essentiel du cycle de division cellulaire de la levure re oit une copie du g ne homologue du cycle de division cellulaire d'un humain, la levure est gu rie de son d faut et devient capable de se diviser normalement. Les niveaux d'expression de tous les g nes d'un organisme peuvent tre surveill s simultan ment La s quence compl te du g nome de S. cerevisiae, d termin e en 1997, comprend environ 13 117 000 paires de nucl otides, y compris la petite contribution (78 520 paires de nucl otides) de l'ADN mitochondrial. Ce total ne repr sente qu'environ 2,5 fois plus d'ADN que dans E. coli, et il ne code que pour 1,5 fois plus de prot ines distinctes (environ 6600 en tout). Le mode de vie de S. cerevisiae est similaire bien des gards celui d'une bact rie, et il semble que cette levure ait galement fait l'objet d'une s lection pressions qui ont maintenu son g nome compact. La connaissance de la s quence compl te du g nome d'un organisme, qu'il s'agisse d'une levure ou d'un humain, ouvre de nouvelles perspectives sur le fonctionnement de la cellule : des choses qui semblaient autrefois incroyablement complexes semblent maintenant notre port e. En utilisant les techniques d crites au chapitre 8, il est maintenant possible, par exemple, de surveiller, simultan ment, la quantit de transcrit d'ARNm qui est produite partir de chaque g ne du g nome de la levure dans n'importe quelles conditions choisies, et de voir comment l'ensemble de ce mod le d'activit g nique change lorsque les conditions changent. L'analyse peut tre r p t e avec de l'ARNm pr par partir de cellules mutantes d pourvues d'un g ne choisi, c'est- -dire de tout g ne que nous souhaitons tester. En principe, cette approche permet de r v ler l'ensemble du syst me de relations de contr le qui r gissent l'expression des g nes, non seulement dans les cellules de levure, mais dans tout organisme dont la s quence g nomique est connue. Arabidopsis a t choisi parmi 300 000 esp ces comme plante mod le Les grands organismes multicellulaires que nous voyons autour de nous les fleurs, les arbres et les animaux semblent incroyablement vari s, mais ils sont beaucoup plus proches les uns des autres dans leurs origines volutives, et plus similaires dans leur biologie cellulaire de base, que la grande foule d'organismes unicellulaires microscopiques. Ainsi, alors que les bact ries et les arch es sont s par s par peut- tre 3,5 milliards d'ann es d' volution, les vert br s et les insectes sont s par s par environ 700 millions d'ann es, les poissons et les mammif res par environ 450 millions d'ann es, et les diff rentes esp ces de plantes fleurs par environ 150 millions d'ann es seulement. En raison de l' troite relation volutive entre toutes les plantes fleurs, nous pouvons, une fois de plus, avoir un aper u de la biologie cellulaire et mol culaire de toute cette classe d'organismes en nous concentrant sur une ou quelques esp ces pour une analyse d taill e. Parmi les centaines de milliers d'esp ces de plantes fleurs sur Terre aujourd'hui, les biologistes mol culaires ont choisi de concentrer leurs efforts sur une petite mauvaise herbe, l'arabette commune Arabidopsis thaliana (Figure 1 38), qui peut tre cultiv e l'int rieur en grand nombre et produit des milliers de descendants par plante apr s 8 10 semaines. Arabidopsis a une taille to |
Biologie moléculaire de la cellule | tale de g nome d'environ 220 millions de paires de nucl otides, soit environ 17 fois la taille de la levure (voir tableau 1-2). Le monde des cellules animales est repr sent par un ver, une mouche, un poisson, une souris et un humain Les animaux multicellulaires repr sentent la majorit de toutes les esp ces d'organismes vivants nomm es et la plus grande partie de l'effort de recherche biologique. Cinq esp ces sont devenues les principaux organismes mod les pour les tudes de g n tique mol culaire. Par ordre croissant de taille, il s'agit du ver n matode Caenorhabditis elegans, de la mouche Drosophila melanogaster, du poisson-z bre Danio rerio, de la souris Mus musculus et de l'homme Homo sapiens. Chacun a eu son g nome s quenc . Caenorhabditis elegans (figures 1 39) est un petit parent inoffensif du ver de l'anguille qui attaque les cultures. Avec un cycle de vie de seulement quelques jours, une capacit survivre ind finiment dans un cong lateur dans un tat d'animation suspendue, un plan corporel simple et un cycle de vie inhabituel qui convient bien aux tudes g n tiques (d crit au chapitre 21), c'est un organisme mod le id al. C. elegans se d veloppe avec une pr cision d'horloge partir d'un ovule f cond en un ver adulte avec exactement 959 cellules corporelles (plus un nombre variable d'ovules et de spermatozo des) - un degr de r gularit inhabituel pour un animal. Nous avons maintenant une description minutieusement d taill e de la s quence d' v nements par laquelle cela se produit, alors que les cellules se divisent, se d placent et changent de caract re selon des r gles strictes et pr visibles. Le g nome de 130 millions de paires de nucl otides code pour environ 21 000 prot ines, et de nombreux mutants et autres outils sont disponibles pour tester les fonctions des g nes. Bien que le ver ait un plan corporel tr s diff rent du n tre, la conservation des m canismes biologiques a t suffisante pour que le ver soit un mod le pour de nombreux processus de d veloppement et de biologie cellulaire qui se produisent dans le corps humain. Ainsi, par exemple, les tudes sur le ver ont t essentielles pour nous aider comprendre les programmes de division cellulaire et de mort cellulaire qui d terminent le nombre de cellules dans le corps un sujet d'une grande importance pour la biologie du d veloppement et la recherche sur le cancer. tudes sur la drosophile Fournissent une cl pour le d veloppement des vert br s La mouche des fruits Drosophila melanogaster (figure 1-40) est utilis e comme organisme g n tique mod le depuis plus longtemps que toute autre ; En fait, les bases de la g n tique classique ont t construites en grande partie sur les tudes de cet insecte. Il y a plus de 80 ans, elle a par exemple fourni la preuve d finitive que les g nes, unit s abstraites de l'information h r ditaire, sont port s sur des chromosomes, des objets physiques concrets dont le comportement avait t suivi de pr s dans la cellule eucaryote au microscope optique, mais dont la fonction tait d'abord inconnue. La preuve d pendait de l'une des nombreuses caract ristiques qui rendent la drosophile particuli rement pratique pour la g n tique : les chromosomes g ants, avec une apparence en bandes caract ristique, qui sont visibles dans Figure 1 38 Arabidopsis thaliana, la plante choisie comme mod le principal pour l' tude de la g n tique mol culaire des plantes. (Avec l'aimable autorisation de Toni Hayden et de la Fondation John Innes.) 0,2 millim tre Figure 1 39 Caenorhabditis elegans, le premier organisme multicellulaire dont la s quence g nomique compl te a t d termin e. Ce petit n matode d'environ 1 mm de long vit dans le sol. La plupart des individus sont hermaphrodites, produisant la fois des ovules et des spermatozo des. (Avec l'aimable autorisation de Maria Gallegos, Universit du Wisconsin, Madison.) certaines de ses cellules (figures 1 41). Des changements sp cifiques dans l'information h r ditaire, manifestes dans les familles de mouches mutantes, se sont av r s tre en corr lation exacte avec la perte ou l'alt ration de bandes chromosomiques g antes sp cifiques. Plus r cemment, la drosophile, plus que tout autre organisme, nous a montr comment retracer la cha ne de cause effet depuis les instructions g n tiques cod es dans l'ADN chromosomique jusqu' la structure du corps multicellulaire adulte. Les mutants de la drosophile dont les parties du corps taient trangement mal plac es ou mal structur es ont fourni la cl de l'identification et de la caract risation des g nes n cessaires la fabrication d'un corps correctement structur , avec l'intestin, les membres, les yeux et toutes les autres parties leur place. Une fois ces g nes de la drosophile s quenc s, les g nomes des vert br s ont pu tre scann s la recherche d'homologues. Ceux-ci ont t trouv s, et leurs fonctions chez les vert br s ont ensuite t test es en analysant des souris chez lesquelles les g nes avaient t mut s. |
Biologie moléculaire de la cellule | Les r sultats, comme nous le verrons plus loin dans le livre, r v lent un degr tonnant de similitude dans les m canismes mol culaires qui r gissent le d veloppement des insectes et des vert br s (discut au chapitre 21). La majorit de toutes les esp ces d'organismes vivants sont des insectes. M me si la drosophile n'avait rien en commun avec les vert br s, mais seulement avec les insectes, elle serait toujours un organisme mod le important. Mais si l'objectif est de comprendre la g n tique mol culaire des vert br s, pourquoi ne pas simplement s'attaquer de front au probl me ? Pourquoi s'y glisser obliquement, travers des tudes sur la drosophile ? La drosophile n'a besoin que de 9 jours pour passer d'un ovule f cond un adulte ; Il est beaucoup plus facile et moins cher reproduire que n'importe quel vert br , et son g nome est beaucoup plus petit environ 200 millions de paires de nucl otides, contre 3200 millions pour un humain. Ce g nome code pour environ 15 000 prot ines, et des mutants peuvent maintenant tre obtenus pour pratiquement n'importe quel g ne. Mais il y a aussi une autre raison, plus profonde, pour laquelle les m canismes g n tiques difficiles d couvrir chez un vert br sont souvent facilement r v l s chez la mouche. Cela se rapporte, comme nous l'expliquons maintenant, la fr quence de la duplication des g nes, qui est nettement plus lev e dans les g nomes des vert br s que dans le g nome des mouches et a probablement t cruciale pour faire des vert br s les cr atures complexes et subtiles qu'ils sont. Le g nome des vert br s est le produit de duplications r p t es Presque tous les g nes du g nome des vert br s ont des paralogues d'autres g nes du m me g nome qui sont indubitablement li s et qui doivent tre apparus par duplication de g nes. Dans de nombreux cas, un groupe entier de g nes est troitement li des groupes similaires pr sents ailleurs dans le g nome, ce qui sugg re que les g nes ont t dupliqu s dans des groupes li s plut t que sous forme d'individus isol s. Selon une hypoth se, une poque stade de l' volution des vert br s, le g nome entier a subi une duplication deux fois de suite, donnant naissance quatre copies de chaque g ne. Le cours pr cis de l' volution du g nome des vert br s reste incertain, car de nombreux autres changements volutifs se sont produits depuis ces v nements anciens. Figure 1 40 Drosophila melanogaster. Les tudes de g n tique mol culaire sur cette mouche ont fourni la cl principale pour comprendre comment tous les animaux se d veloppent d'un uf f cond un adulte. (D'apr s e.B. Lewis, Science 221 :couverture, 1983. Avec l'autorisation des AAA.) Figure 1 41 Chromosomes g ants des cellules des glandes salivaires de la drosophile. tant donn que de nombreux cycles de r plication de l'ADN se sont produits sans qu'une division cellulaire n'intervienne entre eux, chacun des chromosomes de ces cellules inhabituelles contient plus de 1000 mol cules d'ADN identiques, toutes align es dans le registre. Cela les rend faciles voir au microscope optique, o ils pr sentent un motif de bandes caract ristique et reproductible. Des bandes sp cifiques peuvent tre identifi es comme tant les emplacements de g nes sp cifiques : une mouche mutante avec une r gion du motif de bandes manquante montre un ph notype refl tant la perte des g nes dans cette r gion. Les g nes qui sont transcrits un taux lev correspondent des bandes d'aspect gonfl . Les bandes color es en brun fonc dans la micrographie sont des sites o une prot ine r gulatrice particuli re est li e l'ADN. (avec l'aimable autorisation de B. Zink et R. Paro, de R. Paro, Tendances Genet. 6:416 421, 1990. Avec l'autorisation d'elsevier.) Des g nes qui taient autrefois identiques ont diverg ; de nombreuses copies de g nes ont t perdues cause de mutations perturbatrices ; certains ont subi d'autres cycles de duplication locale ; Et le g nome, dans chaque branche de l'arbre g n alogique des vert br s, a subi des r arrangements r p t s, brisant la plupart des ordres originaux des g nes. La comparaison de l'ordre des g nes chez deux organismes apparent s, tels que l'homme et la souris, r v le que, sur l' chelle de temps de l' volution des vert br s, les chromosomes fusionnent et se fragmentent fr quemment pour d placer de grands blocs de s quences d'ADN. En effet, il est possible, comme nous l'avons vu au chapitre 4, que l' tat actuel des choses soit le r sultat de nombreuses duplications s par es de fragments du g nome, plut t que de duplications du g nome dans son ensemble. Il ne fait cependant aucun doute que de telles duplications du g nome entier se produisent de temps en temps dans l' volution, car nous pouvons voir des cas r cents dans lesquels des ensembles de chromosomes dupliqu s sont encore clairement identifiables comme tels. Le genre de grenouille Xenopus, par exemple, comprend un ensemble d'esp ces troitement similaires li es les unes aux autres |
Biologie moléculaire de la cellule | par des duplications ou des triplications r p t es de l'ensemble du g nome. Parmi ces grenouilles se trouvent X. tropicalis, avec un g nome diplo de ordinaire ; l'esp ce de laboratoire commune X. laevis, avec un g nome dupliqu et deux fois plus d'ADN par cellule ; et X. ruwenzoriensis, avec une r duplication six fois plus importante du g nome d'origine et six fois plus d'ADN par cellule (108 chromosomes, contre 36 chez X. laevis, par exemple). On estime que ces esp ces ont diverg les unes des autres au cours des 120 derniers millions d'ann es (figures 1 42). La grenouille et le poisson-z bre fournissent des mod les accessibles pour le d veloppement des vert br s Les grenouilles ont longtemps t utilis es pour tudier les premi res tapes du d veloppement embryonnaire chez les vert br s, car leurs ufs sont gros, faciles manipuler et f cond s l'ext rieur de l'animal, de sorte que le d veloppement ult rieur de l'embryon pr coce est facilement suivi (Figure 1-43). Xenopus laevis, en particulier, continue d' tre un organisme mod le important, m me s'il est peu adapt l'analyse g n tique (film 1.6 et voir film 21.1). Le poisson-z bre Danio rerio pr sente des avantages similaires, mais sans cet inconv nient. Son g nome est compact seulement la moiti de la taille de celui d'une souris ou d'un humain et il a une dur e de g n ration d'environ trois mois seulement. De nombreux mutants sont connus, et le g nie g n tique est relativement facile. Le poisson-z bre a la vertu suppl mentaire d' tre transparent pendant les deux premi res semaines de sa vie, de sorte que l'on peut observer le comportement des cellules individuelles de l'organisme vivant (voir film 21.2). Tout cela en a fait un vert br mod le de plus en plus important (Figure 1 44). La souris est l'organisme mod le pr dominant chez les mammif res Les mammif res ont g n ralement deux fois plus de g nes que la drosophile, un g nome 16 fois plus grand, et des millions ou des milliards de fois plus de cellules dans leur corps adulte. En termes de taille et de fonction du g nome, de biologie cellulaire et de m canismes mol culaires, les mammif res constituent n anmoins un groupe d'organismes tr s uniforme. M me anatomiquement, les diff rences entre les mammif res sont principalement une question de taille et de proportions ; Il est difficile de penser une partie du corps humain qui n'a pas d' quivalent chez les l phants et les souris, et vice versa. L' volution joue librement avec les caract ristiques quantitatives, mais elle ne change pas facilement la logique de la structure. Figure 1 42 Deux esp ces du genre de grenouille Xenopus. X. tropicalis, ci-dessus, a un g nome diplo de ordinaire ; X. laevis, ci-dessous, a deux fois plus d'ADN par cellule. D'apr s les motifs de bandes de leurs chromosomes et la disposition des g nes le long de ceux-ci, ainsi que d'apr s les comparaisons de s quences de g nes, il est clair que les esp ces grand g nome ont volu par duplication de l'ensemble du g nome. On pense que ces duplications se sont produites la suite d'accouplements entre grenouilles d'esp ces de X nope l g rement divergentes. (avec la permission de e. Amaya, m. offield, et R. Grainger, Trends Genet. 14:253-255, 1998. Avec l'autorisation d'elsevier.) Figure 1 43 Stades du d veloppement normal d'une grenouille. Ces dessins montrent le d veloppement d'un t tard de Rana pipiens partir d'un uf f cond . L'ensemble du processus se d roule l'ext rieur de la m re, ce qui rend les m canismes impliqu s dans le bourgeon de la queue facilement accessibles pour des tudes exp rimentales. (D'apr s W. shumway, Anat. Rec. 78:139-147, 1940.) Pour une mesure plus pr cise de la ressemblance g n tique entre les esp ces de mammif res, nous pouvons comparer les s quences nucl otidiques des g nes (orthologues) correspondants, ou les s quences d'acides amin s des prot ines que ces g nes codent. Les r sultats pour les g nes et les prot ines varient consid rablement. Mais en r gle g n rale, si nous alignons la s quence d'acides amin s d'une prot ine humaine avec celle de la prot ine orthologue d'un l phant, par exemple, environ 85% des acides amin s sont identiques. Une comparaison similaire entre l'homme et l'oiseau montre une identit d'acides amin s d'environ 70 %, soit deux fois plus de diff rences, car les lign es d'oiseau et de mammif re ont eu deux fois plus de temps pour diverger que celles de l' l phant et de l'homme (Figure 1-45). La souris, petite, robuste et se reproduisant rapidement, est devenue le principal organisme mod le pour les tudes exp rimentales de la g n tique mol culaire des vert br s. De nombreuses mutations naturelles sont connues, imitant souvent les effets de mutations correspondantes chez l'homme (Figure 1-46). De plus, des m thodes ont t d velopp es pour tester la fonction de n'importe quel g ne de souris choisi, ou de toute partie non codante du g nome de la souris, en cr ant artificiellement des mutations dans cel |
Biologie moléculaire de la cellule | ui-ci, comme nous l'expliquons plus loin dans le livre. Une seule souris mutante fabriqu e sur commande peut fournir une mine d'informations au biologiste cellulaire. Il r v le les effets de la mutation choisie dans une multitude de contextes diff rents, en testant simultan ment l'action du g ne dans tous les diff rents types de cellules du corps qui pourraient en principe tre affect es. En tant qu'humains, nous nous int ressons particuli rement au g nome humain. Nous voulons conna tre l'ensemble des pi ces partir desquelles nous sommes fabriqu s et d couvrir comment elles fonctionnent. Mais m me Figure 1 44 Le poisson-z bre comme mod le pour l' tude du d veloppement des vert br s. Ces petits poissons tropicaux robustes sont pratiques pour les tudes g n tiques. De plus, ils ont des embryons transparents qui se d veloppent l'ext rieur de la m re, de sorte que l'on peut clairement observer les cellules bouger et changer leur caract re dans l'organisme vivant tout au long de son d veloppement. (A) Poissons adultes. (B) Un embryon 24 heures apr s la f condation. (A, avec la permission de Steve Baskauf ; B, de m. Rhinn et al., Neural Dev. 4:12, 2009.) Figure 1 45 Temps de divergence des diff rents vert br s. L' chelle de gauche indique la date estim e et l' re g ologique du dernier anc tre commun de chaque paire d'animaux sp cifi e. chaque estimation de temps est bas e sur des comparaisons des s quences d'acides amin s des prot ines orthologues ; Plus les animaux d'un couple ont eu de temps pour voluer ind pendamment, plus le pourcentage d'acides amin s qui restent identiques est faible. L' chelle de temps a t calibr e pour correspondre aux preuves fossiles montrant que le dernier anc tre commun des mammif res et des oiseaux vivait il y a 310 millions d'ann es. Les figures de droite donnent des donn es sur les prot ines, la cha ne de l'h moglobine. Notez que, bien qu'il existe une tendance g n rale claire l'augmentation de la divergence avec l'augmentation du temps pour cette prot ine, il existe des irr gularit s qui sont cens es refl ter l'action des changements de la s quence d'h moglobine lorsque les organismes ont subi des exigences physiologiques particuli res. Certaines prot ines, soumises des contraintes fonctionnelles plus strictes, voluent beaucoup plus lentement que l'h moglobine, soit des millions d'ann es, d'autres jusqu' cinq fois plus vite. Tout cela donne lieu des incertitudes substantielles dans les estimations des temps de divergence, et certains experts pensent que les principaux groupes de mammif res ont diverg les uns des autres comme si vous tiez une souris, pr occup par la biologie mol culaire des souris, les humains seraient attrayants en tant qu'organismes g n tiques mod les, en raison d'une propri t sp ciale : travers les examens m dicaux et l'auto-d claration, Nous cataloguons nos propres troubles g n tiques (et autres). La population humaine est norme, compos e aujourd'hui d'environ 7 milliards d'individus, et cette propri t d'auto-documentation signifie qu'il existe une norme base de donn es d'informations sur les mutations humaines. La s quence du g nome humain de plus de 3 milliards de paires de nucl otides a t d termin e pour des milliers de personnes diff rentes, ce qui rend plus facile que jamais l'identification au niveau mol culaire du changement g n tique pr cis responsable d'un ph notype de mutant humain donn . En rassemblant les connaissances des humains, des souris, des poissons, des mouches, des vers, des levures, des plantes et des bact ries, en utilisant les similitudes de s quences g n tiques pour cartographier les correspondances entre un organisme mod le et un autre, nous enrichissons notre compr hension de tous. jusqu' 60 millions d'ann es de plus r cemment que ce qui est montr ici. (Adapt de s. kumar et s.B. hedges, Nature 392:917-920, 1998. Avec l'autorisation de macmillan Publishers ltd.) Figure 1 46 Homme et souris : g nes similaires et d veloppement similaire. Le b b humain et la souris montr s ici ont des taches blanches similaires sur le front parce que les deux ont des mutations dans le m me g ne (appel Kit), n cessaire au d veloppement et au maintien des cellules pigmentaires. (avec l'aimable autorisation de R.A. Fleischman.) Qu'entendons-nous pr cis ment par g nome humain ? Le g nome de qui ? En moyenne, deux personnes prises au hasard diff rent d'environ une ou deux paires de nucl otides sur 1000 dans leur s quence d'ADN. Le g nome de l'esp ce humaine est, proprement parler, une chose tr s complexe, englobant l'ensemble du pool de g nes variants trouv s dans la population humaine. La connaissance de cette variation nous aide comprendre, par exemple, pourquoi certaines personnes sont sujettes une maladie, d'autres une autre ; pourquoi certains r agissent bien un m dicament, d'autres mal. C'est aussi fournir des indices sur notre histoire les mouvements de population et les m langes de nos anc tres, l |
Biologie moléculaire de la cellule | es infections qu'ils ont subies, les r gimes alimentaires qu'ils ont mang s. Toutes ces choses ont laiss des traces dans les variantes de g nes qui survivent aujourd'hui dans les communaut s humaines qui peuplent le globe. Pour comprendre les cellules et les organismes, il faudra des math matiques, des ordinateurs et des informations quantitatives Gr ce la connaissance des s quences g nomiques compl tes, nous pouvons num rer les g nes, les prot ines et les mol cules d'ARN d'une cellule, et nous disposons de m thodes qui nous permettent de commencer d crire le r seau complexe d'interactions entre eux. Mais comment pouvons-nous transformer toutes ces informations en une compr hension du fonctionnement des cellules ? M me Pour un seul type de cellule appartenant une seule esp ce d'organisme, le d luge actuel de donn es semble crasant. Le type de raisonnement informel sur lequel les biologistes s'appuient habituellement semble totalement inad quat face une telle complexit . En fait, la difficult est plus qu'une simple question de surcharge d'informations. Les syst mes biologiques sont, par exemple, pleins de boucles de r troaction, et le comportement m me du plus simple des syst mes avec r troaction est remarquablement difficile pr dire par la seule intuition (Figure 1-47) ; De petits changements dans les param tres peuvent entra ner des changements radicaux dans le r sultat. Pour passer d'un sch ma lectrique une pr diction du comportement du syst me, nous avons besoin d'informations quantitatives d taill es, et pour tirer des d ductions de ces informations, nous avons besoin des math matiques et des ordinateurs. De tels outils de raisonnement quantitatif sont essentiels, mais ils ne sont pas tout-puissants. Vous pourriez penser qu'en sachant comment chaque prot ine influence les autres prot ines, et comment l'expression de chaque g ne est r gul e par les produits des autres, nous devrions bient t tre en mesure de calculer comment la cellule dans son ensemble se comportera, tout comme un astronome peut calculer les orbites des plan tes, ou un ing nieur chimiste peut calculer les flux travers une usine chimique. Mais toute tentative de r aliser cet exploit pour quoi que ce soit de proche d'une cellule vivante enti re r v le rapidement les limites de nos connaissances actuelles. Les informations dont nous disposons, aussi abondantes soient-elles, sont pleines de lacunes et d'incertitudes. De plus, il est largement qualitatif plut t que quantitatif. Le plus souvent, les biologistes cellulaires qui tudient les syst mes de contr le des cellules r sument leurs connaissances dans de simples diagrammes sch matiques ce livre en regorge plut t qu'en nombres, graphiques et quations diff rentielles. Passer des descriptions qualitatives et du raisonnement intuitif aux descriptions quantitatives et aux d ductions math matiques est l'un des plus grands d fis de la biologie cellulaire contemporaine. Jusqu' pr sent, le d fi n'a t relev que pour quelques fragments tr s simples de la machinerie des cellules vivantes des sous-syst mes impliquant une poign e de prot ines diff rentes, ou deux ou trois g nes r gulateurs crois s, o la th orie et l'exp rience vont de pair. Nous aborderons certains de ces exemples plus loin dans le livre et consacrerons toute la derni re section du chapitre 8 au r le de la quantification dans la biologie cellulaire. La connaissance et la compr hension apportent le pouvoir d'intervenir aupr s des humains, pour viter ou pr venir les maladies ; avec des plantes, pour cr er de meilleures r coltes ; avec des bact ries, pour les utiliser notre propre usage. Toutes ces entreprises biologiques sont li es, car l'information g n tique de tous les organismes vivants est crite dans la m me langue. La nouvelle capacit des biologistes mol culaires lire et d chiffrer ce langage a d j commenc transformer notre relation au monde vivant. L'expos de la biologie cellulaire dans les chapitres suivants permettra, nous l'esp rons, au lecteur de comprendre, et peut- tre de contribuer, la grande aventure scientifique du XXIe si cle. Figure 1 47 Un circuit r gulateur tr s simple : un seul g ne r gulant sa propre expression par la liaison de son produit prot ique son propre ADN r gulateur. Des diagrammes sch matiques simples comme celui-ci se trouvent tout au long de ce livre. Ils sont souvent utilis s pour r sumer ce que nous savons, mais ils laissent de nombreuses questions sans r ponse. Lorsque la prot ine se lie, inhibe-t-elle ou stimule-t-elle la transcription du g ne ? Dans quelle mesure le taux de transcription d pend-il de la concentration en prot ines ? Combien de temps, en moyenne, une mol cule de la prot ine reste-t-elle li e l'ADN ? combien de temps faut-il pour fabriquer chaque mol cule d'ARNm ou de prot ine, et quelle vitesse chaque type de mol cule se d grade-t-il ? Comme expliqu au chapitre 8, la mod lisation math matique montre que nous avons besoi |
Biologie moléculaire de la cellule | n de r ponses quantitatives toutes ces questions et d'autres avant de pouvoir pr dire le comportement de ce syst me monog nique. Pour diff rentes valeurs de param tres, le syst me peut se stabiliser un tat stationnaire unique ; ou bien il peut se comporter comme un interrupteur, capable d'exister dans l'un ou l'autre d'un ensemble d' tats alternatifs ; ou il peut osciller ; ou il peut pr senter de grandes fluctuations al atoires. Les cellules eucaryotes, par d finition, conservent leur ADN dans un compartiment s par entour d'une membrane, le noyau. Ils ont, en outre, un cytosquelette pour le soutien et le mouvement, des compartiments intracellulaires labor s pour la digestion et la s cr tion, la capacit (chez de nombreuses esp ces) d'engloutir d'autres cellules et un m tabolisme qui d pend de l'oxydation des mol cules organiques par les mitochondries. Ces propri t s sugg rent que les eucaryotes pourraient tre l'origine des pr dateurs d'autres cellules. Les mitochondries et, chez les plantes, les chloroplastes contiennent leur propre mat riel g n tique, et elles ont videmment volu partir de bact ries qui ont t absorb es dans le cytoplasme de cellules anciennes et ont surv cu en tant que symbiotes. Les cellules eucaryotes ont g n ralement 3 30 fois plus de g nes que les procaryotes, et souvent des milliers de fois plus d'ADN non codant. L'ADN non codant permet une grande complexit dans la r gulation de l'expression des g nes, comme requis pour la construction d'organismes multicellulaires complexes. De nombreux eucaryotes sont cependant unicellulaires, parmi lesquels la levure Saccharomyces cerevisiae, qui sert d'organisme mod le simple pour la biologie cellulaire eucaryote, r v lant la base mol culaire de nombreux processus fondamentaux qui ont t remarquablement conserv s au cours d'un milliard d'ann es d' volution. Un petit nombre d'autres organismes ont galement t choisis pour une tude intensive : un ver, une mouche, un poisson et la souris servent d' organismes mod les pour les animaux multicellulaires ; et une petite ascl piade sert de mod le aux plantes. De nouvelles technologies puissantes, comme le s quen age du g nome, font progresser consid rablement notre connaissance de l' tre humain et contribuent faire progresser notre compr hension de la sant et de la maladie humaines. Mais les syst mes vivants sont incroyablement complexes, et les g nomes des mammif res contiennent de multiples homologues troitement li s de la plupart des g nes. Cette redondance g n tique a permis la diversification et la sp cialisation des g nes de nouvelles fins, mais elle rend galement les m canismes biologiques plus difficiles d chiffrer. Pour cette raison, des organismes mod les plus simples ont jou un r le cl dans la r v lation des m canismes g n tiques universels du d veloppement animal, et la recherche utilisant ces syst mes reste essentielle pour faire avancer la science et la m decine. Quelles d clarations sont vraies ? Expliquez pourquoi ou pourquoi pas. Quelles nouvelles approches pourraient fournir une vision plus claire de l'arch on ana robie qui aurait form le noyau de la premi re cellule eucaryote ? Comment sa symbiose avec une bact rie a robie a-t-elle conduit la mitochondrie ? Quelque part sur Terre, y a-t-il des cellules qui n'ont pas encore t identifi es et qui peuvent expliquer en d tail l'origine des cellules eucaryotes ? Le s quen age de l'ADN a r v l un monde riche et jusqu'alors inconnu de cellules microbiennes, dont la grande majorit ne se d veloppe pas en laboratoire. Comment ces cellules pourraient-elles tre rendues plus accessibles pour une tude d taill e ? Quels nouveaux mod les de cellules ou d'organismes devraient tre d velopp s pour que les scientifiques les tudient ? Pourquoi une focalisation concert e sur ces mod les pourrait-elle acc l rer les progr s vers la compr hension d'un aspect critique de la fonction cellulaire qui est mal compris ? Comment les premi res membranes cellulaires sont-elles apparues ? 1 1 Chaque membre du g ne de l'h moglobine humaine illustr la figure Q1 1. Seulement un sur un million de computfamily, qui se compose de sept g nes dispos s dans deux codes al atoires g n r s par des clones, est plus r sistant aux erreurs que les ters sur diff rents chromosomes, est un orthologue l'ensemble du code g n tique naturel. Est-ce que la mutation extraordinaire d'autres membres. La r sistance du code g n tique plaide en faveur de son origine comme un accident fig ou comme le r sultat de la s lection naturelle ? Expliquez 1-2 Le transfert horizontal de g nes est plus r pandu dans le raisonnement. plus cellulaires que chez les organismes multicellulaires. 1 3 La plupart des s quences d'ADN d'un g nome bact rien codent pour des prot ines, alors que la plupart des s quences d'ADN du g nome humain ne le font pas. Discutez des probl mes suivants. Depuis qu'il a t d chiffr il y a quatre d cennies, certa |
Biologie moléculaire de la cellule | ins ont affirm que le code g n tique devait tre un nombre d'acci gel de codes (des milliers) dent, tandis que d'autres ont soutenu qu'il tait fa onn par la susceptibilit naturelle la s lection urale de mutation. Une caract ristique frappante du code g n tique est sa r sistance inh rente aux effets de la mutation. Par exemple, la sensibilit la mutation du code naturel montre une modification de la troisi me position d'un codon sp cifie souvent le relatif celui de millions de codes g n tiques alternatifs g n r s par ordinateur (Probl me 1-4). La susceptibilit mesure la variation moyenne d'un m me acide amin ou d'un acide chimique similaire. propri t s des acides amin s caus es par des mutations al atoires dans un code g n tique. Le code naturel r siste plus efficacement la mutation (est moins Une petite valeur indique que les mutations ont tendance provoquer des changements mineurs.susceptible d'erreur) que la plupart des autres versions possibles, comme (donn es fournies par steve Freeland.) 1 5 Vous avez commenc caract riser un chantillon obtenu dans les profondeurs des oc ans sur Europe, l'une des lunes de Jupiter. votre grande surprise, l' chantillon contient une forme de vie qui pousse bien dans un bouillon riche. Votre analyse pr liminaire montre qu'il est cellulaire et qu'il contient de l'ADN, de l'ARN et des prot ines. Lorsque vous montrez vos r sultats une coll gue, celle-ci sugg re que votre chantillon a t contamin par un organisme provenant de la Terre. Quelles approches pourriez-vous essayer de distinguer entre la contamination et une nouvelle forme de vie cellulaire bas e sur l'ADN, l'ARN et les prot ines ? 1 6 Il n'est pas si difficile d'imaginer ce que signifie se nourrir des mol cules organiques produites par les tres vivants. C'est, apr s tout, ce que nous faisons. Mais que signifie se nourrir de la lumi re du soleil, comme le font les phototrophes ? Ou, plus trange encore, de se nourrir de roches, comme le font les lithotrophes ? O se trouve la nourriture , par exemple, dans le m lange de produits chimiques (H2S, H2, CO, Mn+, Fe2+, Ni2+, CH4 et NH4+) qui jaillit d'un vent hydrothermal ? 1 7 Combien d'arbres diff rents (motifs ramifi s) peut-on th oriquement dessiner pour montrer l' volution des bact ries, des arch es et des eucaryotes, en supposant qu'ils proviennent tous d'un anc tre commun ? 1 8 Les g nes de l'ARN ribosomique sont hautement conserv s (relativement peu de changements de s quence) dans tous les organismes sur Terre ; Ainsi, ils ont volu tr s lentement au fil du temps. Les g nes de l'ARN ribosomique taient-ils n s parfaits ? 1 9 Les g nes participant aux processus d'information tels que la r plication, la transcription et la traduction sont transf r s entre les esp ces beaucoup moins souvent que les g nes impliqu s dans le m tabolisme. Le fondement de cette in galit n'est pas clair l'heure actuelle, mais l'une d'entre elles est qu'elle est li e la complexit sous-jacente des deux types de processus. Les processus informationnels ont tendance impliquer de grands agr gats de diff rents produits g niques, tandis que les r actions m taboliques sont g n ralement catalys es par des enzymes compos es d'une seule prot ine. Pourquoi la complexit du processus sous-jacent informationnel ou m tabolique aurait-elle un effet sur le taux de transfert horizontal de g nes ? 1 10 Les cellules animales n'ont ni parois cellulaires ni chloroplastes, tandis que les cellules v g tales ont les deux. Les cellules fongiques se situent quelque part entre les deux ; Ils ont des parois cellulaires mais manquent de chloroplastes. Les cellules fongiques sont-elles plus susceptibles d' tre des cellules animales qui ont acquis la capacit de fabriquer des parois cellulaires, ou des cellules v g tales qui ont perdu leurs chloroplastes ? Cette question repr sentait un probl me difficile pour les premiers chercheurs qui cherchaient attribuer des relations volutives bas es uniquement sur les caract ristiques et la morphologie des cellules. Comment pensez-vous que cette question a finalement t tranch e ? Figure Q1 2 Arbre phylog n tique des g nes de l'h moglobine de diverses esp ces (Probl me 1 11). Les l gumineuses sont surlign es en vert. Les longueurs des lignes qui relient les esp ces actuelles repr sentent les distances volutives qui les s parent. Orge ChlamydomonasParam cieN matode Palourde Insecte Ver de terre Goldfsh Grenouille Salamandre Cobra Poulet Lapin Baleine Chat Vache Humaine LotusLuzerneVERT BR S INVERT BR S PROTOZOAIRES PLANTES 1 11 Lorsque les g nes de l'h moglobine v g tale ont t d couverts pour la premi re fois dans les l gumineuses, il tait si surprenant de trouver un g ne typique du sang animal qu'on a mis l'hypoth se que le g ne v g tal provenait d'un transfert horizontal d'un animal. De nombreux autres g nes de l'h moglobine ont maintenant t s quenc s, et un arbre phylog n tique bas sur certaines de c |
Biologie moléculaire de la cellule | es s quences est illustr la figure Q1-2. Un. Cet arbre soutient-il ou r fute-t-il l'hypoth se selon laquelle les h moglobines v g tales sont apparues par transfert horizontal de g nes ? b. En supposant que les g nes de l'h moglobine v g tale soient l'origine d riv s d'un n matode parasite, par exemple, quoi vous attendriez-vous que l'arbre phylog n tique ressemble ? 1 12 Les taux d' volution semblent varier selon les lign es. Par exemple, le taux d' volution dans la lign e des rats est significativement plus lev que dans la lign e humaine. Ces diff rences de vitesse sont apparentes que l'on examine les changements dans les s quences nucl otidiques qui codent pour les prot ines et sont soumises une pression s lective ou les changements dans les s quences nucl otidiques non codantes, qui ne sont pas soumises une pression de s lection vidente. Pouvez-vous proposer une ou plusieurs explications possibles pour expliquer le taux plus lent de changement volutif dans la lign e humaine par rapport la lign e des rats ? Alberts B, Bray d, hopkin k et al. (2014) essential cell Biology, 4e d. new york : Garland science. Barton nh, Briggs deG, eisen JA et al. (2007) volution. Cold Spring Harbor, NY : Cold Spring Harbor Laboratory Press. Darwin C (1859) Sur l'origine des esp ces. Londres : Murray. Graur d & li W-h (1999) Fundamentals of molecular evolution, 2e d. sunderland, mA : sinauer Associates. madigan mT, martinko Jm, stahl d et al. (2010) Brock Biology of microorganisms, 13e d. menlo Park, cA : Benjamin-cummings. margulis L & Chapman MJ (2009) R gnes et domaines : un guide illustr des embranchements de la vie sur terre, 1 re d. san diego : Academic Press. moore JA (1993) La science comme mode de connaissance. cambridge, mA : Harvard University Press. moore JA (1972) H r dit et d veloppement, 2e d. new york : Oxford University Press. (T l chargement gratuit sur www.nap.edu) yang Z (2014) volution mol culaire : une approche statistique. Oxford : Oxford University Press. Les caract ristiques universelles des cellules sur terreAndersson sGe (2006) Le monde bact rien devient plus petit. Science 314, 259-260. Brenner s, Jacob F & meselson m (1961) Un interm diaire instable transportant des informations des g nes aux ribosomes pour la synth se des prot ines. Nature 190, 576 581. deamer d & szostak JW eds. (2010) Les origines de la vie (port de source froide : Perspectives en biologie). ny : cold spring harbor laboratory Press. Gibson dG, Benders GA, Andrews-Pfannkoch c et al. (2008) synth se chimique compl te, assemblage et clonage d'un g nome de Mycoplasma genitalium. Science 319, 1215 1220. Glass JI, Assad-Garcia n, Alperovich n et al. (2006) g nes essentiels d'une bact rie minimale. Proc. Natl Acad. Sci. USA 103, 425 430. harris Jk, kelley sT, spiegelman GB et al. (2003) Le noyau g n tique de l'anc tre universel. G nome Res. 13, 407 413. Koonin EV (2005) Orthologues, paralogues et g nomique volutive. Annu. R v rend Genet. 39, 309 338. noller h (2005) Structure de l'ARN : lecture du ribosome. Science 309, 1508-1514. Rinke c, schwientek P, sczyrba A et al. (2013) Aper u de la phylog nie et du potentiel de codage de la mati re noire microbienne. Nature 499, 431 437. Watson Jd & crick Fhc (1953) Structure mol culaire des acides nucl iques. Une structure pour l'acide nucl ique d soxyribose. Nature 171, 737-738. La diversit des g nomes et de l'arbre de la vie Blattner FR, Plunkett G, Bloch cA et al. (1997) La s quence g nomique compl te d'Escherichia coli k-12. Science 277, 1453-1474. Boucher y, douady cJ, Papke RT et al. (2003) transfert lat ral de g nes et origines des groupes procaryotes. Annu. R v rend Genet. 37, 283 328. cavicchioli R (2010) Arch es-chronologie du troisi me domaine. Nat. Rev. Microbiol. 9, 51 61. choudhuri s (2014) Bioinformatique pour les d butants : g nes, g nomes, volution mol culaire, bases de donn es et outils analytiques, 1 re d. san diego : Academic Press. dixon B (1997) Pouvoir invisible : comment les microbes r gnent sur le monde. Oxford : Oxford University Press. handelsman J (2004) M tag nomique : applications de la g nomique aux micro-organismes non cultiv s. Microbiol. Mol. Biol. Rev. 68, 669 685. kerr RA (1997) la vie atteint des extr mes dans les profondeurs de la Terre et ailleurs ? Science 276, 703-704. lee TI, Rinaldi nJ, Robert F et al. (2002) R seaux de r gulation transcriptionnelle chez Saccharomyces cerevisiae. Science 298, 799 804. olsen GJ & Woese cR (1997) G nomique arch ale : un aper u. Cellule 89:991-994. Williams TA, Foster PG, cox cJ & embley Tm (2013) Une origine arch ale des eucaryotes ne soutient que deux domaines principaux de la vie. Nature 504, 231 235. Woese c (1998) L'anc tre universel. Proc. Natl Acad. Sci. USA 95, 6854 6859. Adams md, celniker se, holt RA et al. (2000) La s quence du g nome de Drosophila melanogaster. Science 287, 2185 2195. Projet sur le g nome d'Amborella (2013) |
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Biologie moléculaire de la cellule | Parce que les liaisons covalentes sont g n ralement 100 fois plus fortes que les nergies thermiques l'int rieur d'une cellule, elles r sistent tre s par es par les mouvements thermiques et ne sont normalement rompues que lors de r actions chimiques sp cifiques avec d'autres atomes et mol cules. Deux mol cules diff rentes peuvent tre maintenues ensemble par des liaisons non covalentes, Les composants chimiochimiques d'une cellule CaTalYsis et l'utilisation des cellules eneRGY BY Figure 2 1 Les principaux l ments des cellules, mis en vidence dans le tableau p riodique. Lorsqu'ils sont ordonn s par leur num ro atomique et dispos s de cette mani re, les l ments tombent en colonnes verticales qui pr sentent des propri t s similaires. Les atomes d'une m me colonne verticale doivent gagner (ou perdre) le m me nombre d' lectrons pour obtenir une couche externe remplie, et ils se comportent donc de la m me mani re lors de la formation de liaisons ou d'ions. Ainsi, par exemple, mg et Ca ont tendance donner les deux lectrons dans leurs couches externes. C, n et o se trouvent dans la m me rang e horizontale et ont tendance compl ter leurs secondes couches en partageant des lectrons. Les quatre l ments surlign s en rouge constituent 99% du nombre total d'atomes pr sents dans le corps humain. Sept autres l ments, surlign s en bleu, repr sentent ensemble environ 0,9 % du total. Les l ments indiqu s en vert sont n cessaires l' tat de traces par l'homme. Il n'est pas clair si les l ments indiqu s en jaune sont essentiels chez l'homme. La chimie de la vie, semble-t-il, est donc principalement la chimie des l ments plus l gers. Les masses atomiques indiqu es ici sont celles de l'isotope le plus courant de chaque l ment. 1000 10 000 kJ qui sont beaucoup plus faibles (Figure 2 2). Nous verrons plus loin que les liaisons non covalentes sont importantes dans les nombreuses situations o les mol cules doivent s'associer et se dissocier facilement pour remplir leurs fonctions biologiques. L'eau est maintenue ensemble par des liaisons hydrog ne Les r actions l'int rieur d'une cellule se produisent dans un environnement aqueux. La vie sur Terre a commenc dans l'oc an, et les conditions de cet environnement primitif ont laiss une empreinte permanente sur la chimie des tres vivants. La vie d pend donc des propri t s chimiques de l'eau, qui sont examin es dans le panneau 2-2, pp. 92-93. Dans chaque mol cule d'eau (H2O), les deux atomes H sont li s l'atome O par des liaisons covalentes. Les deux liaisons sont tr s polaires parce que le O est fortement attractif pour les lectrons, tandis que le H n'est que faiblement attractif. Par cons quent, il y a une distribution in gale des lectrons dans une mol cule d'eau, avec une pr pond rance de charge positive sur les deux atomes H et de charge n gative sur les atomes O. Lorsqu'une r gion charg e positivement d'une mol cule d'eau (c'est- -dire l'un de ses atomes H) s'approche d'une r gion charg e n gativement (c'est- -dire le O) d'une deuxi me mol cule d'eau, l'attraction lectrique entre elles peut entra ner une liaison hydrog ne. Ces liaisons sont beaucoup plus faibles que les liaisons covalentes et sont facilement rompues par les mouvements thermiques al atoires qui refl tent l' nergie thermique des mol cules. Ainsi, chaque lien ne dure que peu de temps. Mais l'effet combin de nombreuses liaisons faibles peut tre profond. Par exemple, chaque mol cule d'eau peut former des liaisons hydrog ne travers ses deux atomes H avec deux autres mol cules d'eau, produisant un r seau dans lequel les liaisons hydrog ne sont continuellement rompues et form es. Ce n'est qu'en raison des liaisons hydrog ne qui lient les mol cules d'eau entre elles que l'eau est un liquide temp rature ambiante avec un point d' bullition lev et une tension superficielle lev e plut t qu'un gaz. Les mol cules, telles que les alcools, qui contiennent des liaisons polaires et qui peuvent former des liaisons hydrog ne avec l'eau se dissolvent facilement dans l'eau. Les mol cules porteuses de charges (ions) interagissent galement favorablement avec l'eau. Ces mol cules sont dites hydrophiles, ce qui signifie qu'elles aiment l'eau. De nombreuses mol cules de l'environnement aqueux d'une cellule entrent n cessairement dans cette cat gorie, notamment les sucres, l'ADN, l'ARN et la plupart des prot ines. Les mol cules hydrophobes (qui d testent l'eau), en revanche, sont non charg es et forment peu ou pas de liaisons hydrog ne, et ne se dissolvent donc pas dans l'eau. Les hydrocarbures en sont un exemple important. Dans ces mol cules, tous les atomes H sont li s de mani re covalente aux atomes C par une liaison largement non polaire ; ils ne peuvent donc pas former de liaisons hydrog ne efficaces avec d'autres mol cules (voir panneau 2-1, p. 90). Cela rend l'hydrocarbure dans son ensemble hydrophobe une propri t qui est exploit e dans les cellules, dont les membranes sont construit |
Biologie moléculaire de la cellule | es partir de mol cules qui ont de longues queues d'hydrocarbures, comme nous le voyons au chapitre 10. quatre types d'attractions non covalentes aident rassembler les mol cules dans les cellules Une grande partie de la biologie d pend de la liaison sp cifique de diff rentes mol cules caus e par trois types de liaisons non covalentes : les attractions lectrostatiques (liaisons ioniques), les liaisons hydrog ne et les attractions de van der Waals ; Et sur un quatri me facteur qui peut pousser les mol cules ensemble : la force hydrophobe. Les propri t s des quatre types d'attractions non covalentes sont pr sent es dans les panneaux 2-3 (pp. 94-95). Bien que chaque Figure 2 2 Certaines nergies sont importantes pour les cellules. Une propri t cruciale de toute liaison, qu'elle soit covalente ou non, est sa force. La force d'adh rence est mesur e par la quantit d' nergie qui doit tre fournie pour le rompre, exprim e en kilojoules par mole (kJ/mole) ou en kilocalories par mole (kcal/mole). Ainsi, si 100 kJ d' nergie doivent tre fournis pour rompre 6 1023 liaisons d'un type sp cifique (c'est- -dire 1 mole de ces liaisons), alors la force de cette liaison est de 100 kJ/mole. Notez que, dans ce sch ma, les nergies sont compar es sur une chelle logarithmique. Les r sistances et les longueurs typiques des principales classes de liaisons chimiques sont donn es dans le tableau 2-1. un joule (J) est la quantit d' nergie n cessaire pour d placer un objet sur une distance d'un m tre contre une force d'un newton. Cette mesure de l' nergie est d riv e des unit s si (syst me international d'unit s) universellement employ es par les physiciens. Une deuxi me unit d' nergie, souvent utilis e par les biologistes cellulaires, est la kilocalorie (kcal) ; une calorie est la quantit d' nergie n cessaire pour augmenter la temp rature de 1 gramme d'eau de 1 C. un kJ est gal 0,239 kcal (1 kcal = 4,18 kJ). Figure 2 3 : Sch ma montrant comment deux macromol cules surfaces compl mentaires peuvent se lier troitement l'une l'autre par des interactions non covalentes. Les liaisons chimiques non covalentes ont moins de 1/20 de la r sistance d'une liaison covalente. Ils ne sont capables de produire une liaison serr e que lorsque beaucoup d'entre eux sont form s simultan ment. bien que seules les attractions lectrostatiques soient illustr es ici, en r alit , les quatre forces non covalentes contribuent souvent maintenir deux macromol cules ensemble (film 2.1). L'attraction non covalente individuelle serait beaucoup trop faible pour tre efficace face aux mouvements thermiques, leurs nergies peuvent s'additionner pour cr er une force forte entre deux mol cules distinctes. Ainsi, des ensembles d'attractions non covalentes permettent souvent aux surfaces compl mentaires de deux macromol cules de maintenir ces deux macromol cules ensemble (Figure 2-3). Le tableau 2 1 compare les forces des liaisons non covalentes celles d'une liaison covalente typique, en pr sence et en l'absence d'eau. Notez qu'en formant des interactions concurrentes avec les mol cules impliqu es, l'eau r duit consid rablement la force des attractions lectrostatiques et des liaisons hydrog ne. La structure d'une liaison hydrog ne typique est illustr e la figure 2-4. Cette liaison repr sente une forme sp ciale d'interaction polaire dans laquelle un atome d'hydrog ne lectropositif est partag par deux atomes lectron gatifs. Son hydrog ne peut tre consid r comme un proton qui s'est partiellement dissoci d'un atome donneur, ce qui lui permet d' tre partag par un deuxi me atome accepteur. Contrairement une interaction lectrostatique typique, cette liaison est tr s directionnelle, tant la plus forte lorsqu'une ligne droite peut tre trac e entre les trois atomes impliqu s. Le quatri me effet qui rassemble souvent les mol cules dans l'eau n'est pas, proprement parler, une liaison du tout. Cependant, une force hydrophobe tr s importante est caus e par une pouss e des surfaces non polaires hors du r seau d'eau li l'hydrog ne, o elles interf reraient autrement physiquement avec les interactions tr s favorables entre les mol cules d'eau. Le rapprochement de deux surfaces non polaires r duit leur contact avec l'eau ; En ce sens, la force n'est pas sp cifique. N anmoins, nous verrons au chapitre 3 que les forces hydrophobes sont essentielles au bon repliement des mol cules de prot ines. L'un des types de r action chimique les plus simples, et qui a une signification profonde dans les cellules, se produit lorsqu'une mol cule contenant une liaison covalente hautement polaire entre un hydrog ne et un autre atome se dissout dans l'eau. L'atome d'hydrog ne d'une telle mol cule a c d presque enti rement son lectron l'atome compagnon, et existe donc comme un noyau d'hydrog ne charg positivement presque nu - en *une liaison ionique est une attraction lectrostatique entre deux atomes compl tement charg s. **Les valeurs entre parenth ses |
Biologie moléculaire de la cellule | sont kcal/mole. 1 kJ = 0,239 kcal et 1 kcal = 4,18 kJ. (A) liaison hydrog ne ~0,3 nm de long, liaison covalente ~0,1 nm de long Figure 2 4 Liaisons hydrog ne. (a) Mod le bille et b ton d'une liaison hydrog ne typique. La distance entre l'atome d'hydrog ne et l'atome d'oxyg ne est ici inf rieure la somme de leurs rayons de van der Waals, indiquant un partage partiel des lectrons. (B) Les liaisons hydrog ne les plus courantes dans les piles. H2O Mol cule H2O en H3O+ OH l'autre ion ion hydronium hydroxyle (B), autrement dit, un proton (H+). Lorsque la mol cule polaire est entour e de mol cules d'eau, le proton est attir par la charge n gative partielle sur l'atome O d'une mol cule d'eau adjacente. Ce proton peut facilement se dissocier de son partenaire d'origine et s'associer la place l'atome d'oxyg ne de la mol cule d'eau, g n rant un ion hydronium (H3O+) (Figure 2 5A). La r action inverse se produit galement tr s facilement, de sorte que dans la solution aqueuse, les protons volent constamment d'une mol cule l'autre. Les substances qui lib rent des protons lorsqu'elles se dissolvent dans l'eau, formant ainsi H3O+, sont appel es acides. Plus la concentration de H3O+ est lev e, plus la solution est acide. H3O+ est pr sent m me dans l'eau pure, une concentration de 10 7 M, en raison du mouvement des protons d'une mol cule d'eau une autre (Figure 2 5B). Par convention, la concentration en H3O+ est g n ralement appel e concentration en H+, voire bien que la plupart des protons dans une solution aqueuse soient pr sents sous forme de H3O+. Pour viter l'utilisation de nombres lourds, la concentration de H3O+ est exprim e l'aide d'une chelle logarithmique appel e chelle de pH. L'eau pure a un pH de 7,0 et est dite neutre, c'est- -dire qu'elle n'est ni acide (pH <7) ni basique (pH >7). Les acides sont caract ris s comme tant forts ou faibles, selon la facilit avec laquelle ils c dent leurs protons l'eau. Les acides forts, tels que l'acide chlorhydrique (HCl), perdent rapidement leurs protons. L'acide ac tique, en revanche, est un acide faible car il retient plus troitement son proton lorsqu'il est dissous dans l'eau. De nombreux acides importants dans la cellule, tels que les mol cules contenant un groupe carboxyle (COOH), sont des acides faibles (voir panneau 2-2, pp. 92-93). tant donn que le proton d'un ion hydronium peut tre transmis facilement de nombreux types de mol cules dans les cellules, modifiant ainsi leur caract re, la concentration de H3O+ l'int rieur d'une cellule (l'acidit ) doit tre troitement r gul e. Les acides, en particulier les acides faibles, abandonneront plus facilement leurs protons si la concentration de H3O+ en solution est faible et auront tendance les recevoir si la concentration en solution est lev e. L'oppos d'un acide est une base. Toute mol cule capable d'accepter un proton d'une mol cule d'eau est appel e base. L'hydroxyde de sodium (NaOH) est basique (le terme alcalin est galement utilis ) car il se dissocie facilement en solution aqueuse pour former des ions Na+ et des ions OH-. En raison de cette propri t , le NaOH est appel une base solide. Cependant, les bases faibles sont plus importantes dans les cellules vivantes, c'est- -dire celles qui ont une faible tendance accepter de mani re r versible un proton de l'eau. De nombreuses mol cules biologiquement importantes contiennent un groupe amino (NH2). Ce groupe est une base faible qui peut g n rer OH en prenant un proton dans l'eau : NH2 + H2O NH3+ + OH (voir panneau 2 2, p. 92 93). Parce qu'un ion OH se combine avec un ion H3O+ pour former deux mol cules d'eau, une augmentation de la concentration OH force une diminution de la concentration de H3O+, et vice versa. Une solution pure d'eau contient une concentration gale (10 7 M) des deux ions, ce qui la rend neutre. L'int rieur d'une cellule est galement maintenu pr s de la neutralit par la pr sence de tampons : des acides et des bases faibles qui peuvent lib rer ou absorber des protons proches du pH 7, maintenant l'environnement de la cellule relativement constant dans diverses conditions. Figure 2 5 Les protons se d placent facilement dans les solutions aqueuses. a) La r action qui a lieu lorsqu'une mol cule d'acide ac tique se dissout dans l'eau. pH 7, la quasi-totalit de l'acide ac tique est pr sente sous forme d'ion ac tate. (B) Les mol cules d'eau changent continuellement des protons entre elles pour former des ions hydronium et hydroxyle. Ces ions, leur tour, se recombinent rapidement pour former des mol cules d'eau. une cellule est form e de compos s de carbone Apr s avoir examin la fa on dont les atomes se combinent en mol cules et comment ces mol cules se comportent dans un environnement aqueux, nous examinons maintenant les principales classes de petites mol cules trouv es dans les cellules. Nous verrons que quelques cat gories de mol cules, form es d'une poign e d' l ments diff rents, donnen |
Biologie moléculaire de la cellule | t naissance toute l'extraordinaire richesse de forme et de comportement dont font preuve les tres vivants. Si l'on fait abstraction de l'eau et des ions inorganiques tels que le potassium, presque toutes les mol cules d'une cellule sont bas es sur le carbone. Le carbone se distingue de tous les l ments par sa capacit former de grosses mol cules ; Le silicium est un mauvais deuxi me. Parce que le carbone est petit et a quatre lectrons et quatre vides dans sa couche la plus externe, un atome de carbone peut former quatre liaisons covalentes avec d'autres atomes. Plus important encore, un atome de carbone peut se lier d'autres atomes de carbone par des liaisons covalentes C-C tr s stables pour former des cha nes et des anneaux et ainsi g n rer de grosses mol cules complexes sans limite sup rieure vidente leur taille. Les compos s carbon s fabriqu s par les cellules sont appel s mol cules organiques. En revanche, toutes les autres mol cules, y compris l'eau, sont dites inorganiques. Certaines combinaisons d'atomes, telles que les groupes m thyle ( CH3), hydroxyle ( OH), carboxyle ( COOH), carbonyle ( C=O), phosphate ( PO32 ), sulfhydryle ( SH) et amino ( NH2), se produisent de mani re r p t e dans les mol cules fabriqu par des cellules. Chacun de ces groupes chimiques a des propri t s chimiques et physiques distinctes qui influencent le comportement de la mol cule dans laquelle le groupe se trouve. Les groupes chimiques les plus courants et certaines de leurs propri t s sont r sum s dans le panneau 2-1, pp. 90-91. Les cellules contiennent quatre grandes familles de petites mol cules organiques Les petites mol cules organiques de la cellule sont des compos s base de carbone qui ont des poids mol culaires compris entre 100 et 1000 et contiennent jusqu' environ 30 atomes de carbone. Ils se trouvent g n ralement l' tat libre en solution et ont de nombreux destins diff rents. Certains sont utilis s comme sous-unit s monom res pour construire des macromol cules polym res g antes - prot ines, acides nucl iques et grands polysaccharides. D'autres agissent comme des sources d' nergie et sont d compos es et transform es en d'autres petites mol cules dans un labyrinthe de voies m taboliques intracellulaires. De nombreuses petites mol cules ont plus d'un r le dans la cellule, par exemple, agissant la fois comme une sous-unit potentielle pour une macromol cule et comme une source d' nergie. Les petites mol cules organiques sont beaucoup moins abondantes que les macromol cules organiques, ne repr sentant qu'environ un dixi me de la masse totale de mati re organique dans une cellule. titre d'estimation, il peut y avoir un millier de types diff rents de ces petites mol cules dans une cellule typique. Toutes les mol cules organiques sont synth tis es et d compos es en un m me ensemble de compos s simples. En cons quence, les compos s d'une cellule sont chimiquement li s et la plupart peuvent tre class s en quelques familles distinctes. D'une mani re g n rale, les cellules contiennent quatre grandes familles de petites mol cules organiques : les sucres, les acides gras, les nucl otides et les acides amin s (Figure 2-6). Bien que de nombreux compos s pr sents dans les cellules n'entrent pas dans ces cat gories, ces quatre familles de petites mol cules organiques, ainsi que les macromol cules fabriqu es en les liant en longues cha nes, repr sentent une grande fraction de la masse cellulaire. Les acides amin s et les prot ines qu'ils forment feront l'objet du chapitre 3. Un r sum des structures et des propri t s des trois familles restantes sucres, acides gras et nucl otides est pr sent dans les panneaux 2-4, 2-5 et 2-6, respectivement (voir pages 96-101). La chimie des cellules est domin e par des macromol cules aux propri t s remarquables En poids, les macromol cules sont les mol cules contenant du carbone les plus abondantes dans une cellule vivante (Figure 2-7). Ce sont les principaux l ments constitutifs partir desquels une cellule est construite et aussi les composants qui conf rent les propri t s les plus distinctives des tres vivants. Les macromol cules dans les cellules sont des polym res qui sont construits en liant de mani re covalente de petites mol cules organiques (appel es monom res) dans la cellule de la cellule SUCRES ACIDES GRAS POLYSACCHARIDES ACIDES AMIN S NUCL OTIDES PROT INES GRAISSES, LIPIDES, MEMBRANES ACIDES NUCL IQUES Figure 2 6 Les quatre grandes familles de petites mol cules organiques dans les cellules. Ces petites mol cules forment les blocs de construction monom res, ou sous-unit s, de la plupart des macromol cules et autres assemblages de la cellule. Certains, comme les sucres et les acides gras, sont galement des sources d' nergie. Leurs structures sont d crites ici et montr es plus en d tail dans les panneaux la fin de ce chapitre et au chapitre 3. longues cha nes (figures 2 8). Ils ont des propri t s remarquables qui n'auraient pas pu tre pr di |
Biologie moléculaire de la cellule | tes partir de leurs simples constituants. Les prot ines sont abondantes et spectaculairement polyvalentes, remplissant des milliers de fonctions distinctes dans les cellules. De nombreuses prot ines servent d'enzymes, les catalyseurs qui facilitent les nombreuses r actions covalentes de cr ation et de rupture de liaisons dont la cellule a besoin. Les enzymes catalysent toutes les r actions par lesquelles les cellules extraient de l' nergie des mol cules alimentaires, par exemple, et une enzyme appel e ribulose bisphosphate carboxylase aide convertir le CO2 en sucres dans les organismes photosynth tiques, produisant ainsi la majeure partie de la mati re organique n cessaire la vie sur Terre. D'autres prot ines sont utilis es pour construire des composants structurels, tels que la tubuline, une prot ine qui s'auto-assemble pour fabriquer les longs microtubules de la cellule, ou les histones, des prot ines qui compactent l'ADN dans Chromosomes. D'autres prot ines agissent comme des moteurs mol culaires pour produire de la force et Figure 2 7 La distribution des mol cules dans les cellules. La composition approximative d'une cellule bact rienne est indiqu e en poids. La composition d'une cellule animale est similaire, m me si son volume est environ 1000 fois plus important. Notez que les macromol cules dominent. Les principaux ions inorganiques sont na+, K+, mg2+, Ca2+ et Cl . mouvement, comme pour la myosine dans le muscle. Les prot ines remplissent de nombreuses autres fonctions, et nous examinerons la base mol culaire de beaucoup d'entre elles plus loin dans ce livre. Bien que les r actions chimiques pour l'ajout de sous-unit s chaque polym re soient diff rentes dans le d tail pour les prot ines, les acides nucl iques et les polysaccharides, elles partagent des caract ristiques importantes. Chaque polym re se d veloppe par l'ajout d'un monom re l'extr mit d'une cha ne de croissance dans une r action de condensation, dans laquelle une mol cule d'eau est perdue avec chaque sous-unit ajout e (Figure 2 9). La polym risation par tapes des monom res en une longue cha ne est un moyen simple de fabriquer une grosse mol cule complexe, car les sous-unit s sont ajout es par la m me r action effectu e encore et encore par le m me ensemble d'enzymes. l'exception de certains polysaccharides, la plupart des macromol cules sont fabriqu es partir d'un ensemble limit de monom res l g rement diff rents les uns des autres par exemple, les 20 acides amin s diff rents partir desquels les prot ines sont fabriqu es. Il est essentiel pour la vie que la cha ne polym re ne soit pas assembl e au hasard partir de ces sous-unit s ; Au lieu de cela, les sous-unit s sont ajout es dans un ordre pr cis, ou s quence. Les m canismes labor s qui permettent aux enzymes d'accomplir cette t che sont d crits en d tail dans les chapitres 5 et 6. Les liaisons non covalentes sp cifient la fois la forme pr cise d'une macromol cule et sa liaison d'autres mol cules La plupart des liaisons covalentes d'une macromol cule permettent la rotation des atomes qu'elles joignent, ce qui conf re la cha ne polym re une grande flexibilit . En principe, cela permet une macromol cule d'adopter un nombre presque illimit de formes, ou conformations, car l' nergie thermique al atoire provoque la torsion et la rotation de la cha ne polym re. Cependant, les formes de la plupart des macromol cules biologiques sont tr s contraintes en raison des nombreuses liaisons non covalentes faibles qui se forment entre diff rentes parties d'une m me mol cule. Si ces liaisons non covalentes sont form es en nombre suffisant, la cha ne polym re peut fortement pr f rer une conformation particuli re, d termin e par la s quence lin aire des monom res dans sa cha ne. La plupart des mol cules de prot ines et de nombreuses petites mol cules d'ARN pr sentes dans les cellules se replient troitement dans une conformation tr s pr f r e de cette mani re (Figure 2-10). Les quatre types d'interactions non covalentes importantes dans les mol cules biologiques ont t pr sent s plus t t, et ils sont discut s plus en d tail dans les panels 2-3 (pp. 94-95). En plus de plier les macromol cules biologiques en formes uniques, elles peuvent galement s'additionner pour cr er une forte attraction entre deux mol cules diff rentes (voir Figure 2-3). Cette forme d'interaction mol culaire offre une grande sp cificit , dans la mesure o les contacts multipoints troits n cessaires une liaison forte permettent une macromol cule de s lectionner par liaison l'un des milliers d'autres types de mol cules pr sentes l'int rieur d'une cellule. De plus, comme la force de la liaison d pend du nombre de liaisons non covalentes qui se forment, des interactions de presque toutes les affinit s sont possibles, ce qui permet une dissociation rapide le cas ch ant. Comme nous le verrons ci-dessous, la liaison de ce type est la base de toute catalyse biologique, ce qui permet a |
Biologie moléculaire de la cellule | ux prot ines de fonctionner comme des enzymes. De plus, les interactions non covalentes permettent d'utiliser les macromol cules comme l ments constitutifs pour la formation de Figure 2 8 Trois familles de macromol cules. Chacun est un polym re form de petites mol cules (appel es monom res) li es entre elles par des liaisons covalentes. Figure 2 9 La condensation et l'hydrolyse sont des r actions oppos es. Les macromol cules de la cellule sont des polym res qui sont form s partir de sous-unit s (ou monom res) par une r action de condensation, et ils sont bris s par hydrolyse. Les r actions de condensation sont toutes nerg tiquement d favorables ; Ainsi, la formation de polym res n cessite un apport d' nergie, comme nous le d crirons dans le texte. Figure 2 10 Le repliement des prot ines et des mol cules d'ARN en une forme tridimensionnelle particuli rement stable, ou conformation. Si les liaisons non covalentes maintenant la conformation stable sont rompues, la mol cule devient une cha ne flexible qui perd son activit biologique. des structures plus grandes, formant ainsi des machines complexes avec de multiples pi ces mobiles qui effectuent des t ches aussi complexes que la r plication de l'ADN et la synth se des prot ines (Figure 2 11). Les organismes vivants sont des syst mes chimiques autonomes qui s'auto-propagent. Ils sont form s partir d'un ensemble distinctif et restreint de petites mol cules base de carbone qui sont essentiellement les m mes pour toutes les esp ces vivantes. Chacune de ces petites mol cules est compos e d'un petit ensemble d'atomes li s les uns aux autres dans une configuration pr cise par des liaisons covalentes. Les principales cat gories sont les sucres, les acides gras, les acides amin s et les nucl otides. Les sucres sont une source primaire d' nergie chimique pour les cellules et peuvent tre incorpor s dans des polysaccharides pour le stockage de l' nergie. Les acides gras sont galement importants pour le stockage de l' nergie, mais leur fonction la plus critique est la formation des membranes cellulaires. De longues cha nes d'acides amin s forment les macromol cules remarquablement diverses et polyvalentes connues sous le nom de prot ines. Les nucl otides jouent un r le central dans le transfert d' nergie, tout en servant de sous-unit s pour les macromol cules informatives, l'ARN et l'ADN. La majeure partie de la masse s che d'une cellule est constitu e de macromol cules qui ont t produites sous forme de polym res lin aires d'acides amin s (prot ines) ou de nucl otides (ADN et ARN), li s de mani re covalente les uns aux autres dans un ordre exact. La plupart des mol cules de prot ines et de nombreux ARN se replient dans une conformation unique qui est d termin e par leur s quence de sous-unit s. Ce processus de pliage cr e des surfaces uniques, et il d pend d'un grand nombre d'attractions faibles produites par des forces non covalentes entre les atomes. par exemple, les sucres, les acides amin s et les nucl otides, par exemple, les prot ines globulaires et l'ARN, par exemple, les ribosomes Figure 2 11 De petites mol cules se lient de mani re covalente pour former des macromol cules, qui leur tour s'assemblent par des interactions non covalentes pour former de grands complexes. De petites mol cules, des prot ines et un ribosome sont dessin s approximativement l' chelle. Les ribosomes sont un l ment central de la machinerie que la cellule utilise pour fabriquer des prot ines : chaque ribosome est form d'un complexe d'environ 90 macromol cules (mol cules de prot ines et d'ARN). Ces forces sont de quatre types : les attractions lectrostatiques, les liaisons hydrog ne, les attractions de van der Waals et une interaction entre groupes non polaires caus e par leur expulsion hydrophobe de l'eau. Le m me ensemble de forces faibles r git la liaison sp cifique d'autres mol cules aux macromol cules, rendant possible la myriade d'associations entre les mol cules biologiques qui produisent la structure et la chimie d'une cellule. CaTalYsis et l'utilisation des cellules eneRGY BY Une propri t des tres vivants par-dessus tout les fait para tre presque miraculeusement diff rents de la mati re non vivante : ils cr ent et maintiennent l'ordre, dans un univers qui tend toujours plus au d sordre (Figure 2-12). Pour cr er cet ordre, les cellules d'un organisme vivant doivent effectuer un flux sans fin de r actions chimiques. Dans certaines de ces r actions, de petites mol cules organiques (acides amin s, sucres, nucl otides et lipides) sont d mont es ou modifi es pour fournir les nombreuses autres petites mol cules dont la cellule a besoin. Dans d'autres r actions, de petites mol cules sont utilis es pour construire une gamme extr mement diversifi e de prot ines, d'acides nucl iques et d'autres macromol cules qui dotent les syst mes vivants de toutes leurs propri t s les plus distinctives. Chaque cellule peut tre consid r e comme une minuscule usine chimique, e |
Biologie moléculaire de la cellule | ffectuant plusieurs millions de r actions chaque seconde. Le m tabolisme cellulaire est organis par des enzymes Les r actions chimiques qu'une cellule effectue ne se produiraient normalement qu' des temp ratures beaucoup plus lev es que celles qui existent l'int rieur des cellules. Pour cette raison, chaque r action n cessite une augmentation sp cifique de la r activit chimique. Cette exigence est cruciale, car elle permet la cellule de contr ler sa chimie. Le contr le est exerc par des catalyseurs biologiques sp cialis s. Il s'agit presque toujours de prot ines appel es enzymes, bien qu'il existe galement des catalyseurs d'ARN, appel s ribozymes. Chaque enzyme n'acc l re ou catalyse qu'un seul des nombreux types de r actions possibles qu'une mol cule particuli re peut subir. Les r actions catalys es par des enzymes sont connect es en s rie, de sorte que le produit d'une r action devient le mat riau de d part, ou substrat, de la suivante (figures 2 13). De longues voies de r action lin aires sont leur tour li es les unes aux autres, formant un labyrinthe de r actions interconnect es qui permettent la cellule de survivre, de cro tre et de se reproduire. Deux courants oppos s de r actions chimiques se produisent dans les cellules : (1) les voies cataboliques d composent les aliments en mol cules plus petites, g n rant ainsi la fois une forme d' nergie utile pour la cellule et certaines des petites mol cules dont la cellule a besoin comme l ments constitutifs, et (2) les voies anaboliques, ou biosynth tiques, utilisent les voies 20 nm 50 nm 10 m 0,5 mm 20 mm Les structures biologiques de la figure 2 12 sont tr s ordonn es. Des motifs spatiaux bien d finis, orn s et beaux peuvent tre trouv s tous les niveaux d'organisation des organismes vivants. par ordre croissant de taille : (a) les mol cules de prot ines dans l'enveloppe d'un virus (un parasite qui, bien que n' tant pas techniquement vivant, contient les m mes types de mol cules que celles trouv es dans les cellules vivantes) ; (B) l'ensemble r gulier de microtubules observ s dans une coupe transversale d'une queue de spermatozo de ; (C) les contours de la surface d'un grain de pollen (une seule cellule) ; (D) coupe transversale d'une tige de foug re, montrant la disposition motifs des cellules ; et (e) un arrangement en spirale de feuilles dans une plante succulente. (a, avec l'aimable autorisation de Robert Grant, st phane Crainic et James M. Hogle ; B, avec l'aimable autorisation de Lewis Tilney ; C, avec l'aimable autorisation de Colin MacFarlane et Chris Jeffree ; D, avec l'aimable autorisation de Jim Haseloff.) Figure 2 13 Comment un ensemble de r actions catalys es par des enzymes g n re une voie m tabolique. Chaque enzyme catalyse une r action chimique particuli re, laissant l'enzyme inchang e. Dans cet exemple, un ensemble d'enzymes agissant en s rie convertit la mol cule A en mol cule F, formant une voie m tabolique. (Pour un sch ma de nombreuses r actions dans une cellule humaine, abr g comme indiqu , voir la figure 2-63.) les petites mol cules et l' nergie exploit e par le catabolisme pour entra ner la synth se des nombreuses autres mol cules qui forment la cellule. Ensemble, ces deux ensembles de r actions constituent le m tabolisme de la cellule (Figure 2 14). Les d tails du m tabolisme cellulaire forment le sujet traditionnel de la biochimie et la plupart d'entre eux n'ont pas nous concerner ici. Mais les principes g n raux selon lesquels les cellules obtiennent de l' nergie de leur environnement et l'utilisent pour cr er de l'ordre sont au c ur de la biologie cellulaire. Nous commen ons par une discussion sur les raisons pour lesquelles un apport constant d' nergie est n cessaire pour soutenir tous les tres vivants. L'ordre biologique est rendu possible par la lib ration d' nergie thermique des cellules La tendance universelle des choses devenir d sordonn es est une loi fondamentale de la physique la deuxi me loi de la thermodynamique qui stipule que dans l'univers, ou dans tout syst me isol (un ensemble de mati re compl tement isol du reste de l'univers), le degr de d sordre augmente toujours. Cette loi a des implications si profondes pour la vie que nous la reformulerons de plusieurs fa ons. Par exemple, nous pouvons pr senter la deuxi me loi en termes de probabilit en affirmant que les syst mes changeront spontan ment vers les arrangements qui ont la plus grande probabilit . Si l'on consid re une bo te de 100 pi ces toutes couch es t te haute, une s rie d'accidents qui perturbe la bo te aura tendance d placer l'arrangement vers un m lange de 50 t tes et 50 queues. La raison est simple : il y a un grand nombre d'arrangements possibles des pi ces individuelles dans le m lange qui peuvent atteindre le r sultat 50-50, mais un seul arrangement possible qui maintient toutes les pi ces orient es t te haute. Parce que le m lange 50-50 est donc le plus probable, on dit qu'il est plus d sordonn |
Biologie moléculaire de la cellule | . Pour la m me raison, c'est une exp rience courante que l'espace de vie d'une personne deviendra de plus en plus d sordonn sans effort intentionnel : le mouvement vers le d sordre est un processus spontan , n cessitant un effort p riodique pour l'inverser (Figure 2 15). La quantit de d sordre dans un syst me peut tre quantifi e et exprim e comme l'entropie du syst me : plus le d sordre est grand, plus l'entropie est grande. Ainsi, une autre fa on d'exprimer la deuxi me loi de la thermodynamique est de dire que les syst mes changeront spontan ment vers des arrangements avec une plus grande entropie. Les cellules vivantes, en survivant, en se d veloppant et en formant des organismes complexes, g n rent de l'ordre et peuvent donc sembler d fier la deuxi me loi de la thermodynamique. Comment est-ce possible ? La r ponse est qu'une cellule n'est pas un syst me isol : elle absorbe de l' nergie de son environnement sous forme de nourriture, ou sous forme de photons du soleil (ou m me, comme chez certaines bact ries chimiosynth tiques, de mol cules inorganiques seules). Il utilise ensuite cette nergie pour g n rer de l'ordre en lui-m me. Au cours des r actions chimiques qui g n rent de l'ordre, la cellule convertit une partie de l' nergie qu'elle utilise en chaleur. La chaleur est vacu e dans l'environnement de la cellule et d sorganise l'environnement. En cons quence, l'entropie totale celle de la cellule plus son environnement augmente, comme l'exige la deuxi me loi de la thermodynamique. Pour comprendre les principes qui r gissent ces conversions d' nergie, il suffit de penser une cellule entour e d'une mer de mati re repr sentant le reste de l'univers. Au fur et mesure que la cellule vit et se d veloppe, elle cr e un ordre interne. Mais il lib re constamment de l' nergie thermique en synth tisant des mol cules et en les assemblant en structures cellulaires. La chaleur est de l' nergie dans sa forme la plus d sordonn e la bousculade al atoire de mol cules. Quand on se nourrit les nombreuses mol cules mol cules qui forment la cellule Figure 2 14 Repr sentation sch matique de la relation entre les voies cataboliques et anaboliques dans le m tabolisme. Comme le sugg re ce sch ma, une grande partie de l' nergie stock e dans les liaisons chimiques des mol cules alimentaires est dissip e sous forme de chaleur. De plus, la masse de nourriture requise par tout organisme qui tire toute son nergie du catabolisme est beaucoup plus grande que la masse des mol cules qu'il peut produire par anabolisme. La cellule lib re de la chaleur vers la mer, elle augmente l'intensit des mouvements mol culaires (mouvement thermique), augmentant ainsi le caract re al atoire, ou d sordre, de la mer. La deuxi me loi de la thermodynamique est satisfaite parce que l'augmentation de la quantit d'ordre l'int rieur de la cellule est toujours plus que compens e par une diminution encore plus importante de l'ordre (augmentation de l'entropie) dans la mer de mati re environnante (Figure 2-16). D'o provient la chaleur lib r e par la cellule ? Ici, nous rencontrons une autre loi importante de la thermodynamique. La premi re loi de la thermodynamique stipule que l' nergie peut tre convertie d'une forme une autre, mais qu'elle ne peut pas tre cr e ou d truite. La figure 2 17 illustre certaines interconversions entre diff rentes formes d' nergie. La quantit d' nergie sous diff rentes formes changera la suite des r actions chimiques l'int rieur de la cellule, mais la premi re loi nous dit que la quantit totale d' nergie doit toujours tre la m me. Par exemple, une cellule animale absorbe des denr es alimentaires et convertit une partie de l' nergie pr sente dans les liaisons chimiques entre les atomes de ces mol cules alimentaires ( nergie de liaison chimique) en mouvement thermique al atoire des mol cules ( nergie thermique). La cellule ne peut tirer aucun b n fice de l' nergie thermique qu'elle lib re moins que les r actions g n ratrices de chaleur l'int rieur de la cellule ne soient directement li es aux processus qui g n rent l'ordre mol culaire. C'est le couplage troit de la production de chaleur une mer de mati re croissante Figure 2 15 : une illustration quotidienne de la pulsion spontan e vers le d sordre. Inverser cette tendance au d sordre n cessite un effort intentionnel et un apport d' nergie : il n'est pas spontan . En fait, d'apr s la deuxi me loi de la thermodynamique, nous pouvons tre certains que l'intervention humaine requise lib rera suffisamment de chaleur dans l'environnement pour plus que compenser la r organisation des articles dans cette pi ce. Figure 2 16 : une analyse thermodynamique simple d'une cellule vivante. Dans le sch ma de gauche, les mol cules de la cellule et du reste de l'univers (la mer de mati re) sont repr sent es dans un tat relativement d sordonn . Dans le sch ma de droite, la cellule a absorb de l' nergie partir de mol cules alimentaires et a lib r de l |
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