Biochimie et biologie du disque intervertébral

François Rannou1, Serge Poiraudeau1, Maïté Corvol2, Michel Revel1*1Service de rééducation et de réadaptation de l’appareil locomoteur et des pathologies du rachis, hôpital Cochin,Université René Descartes, 27, rue du Faubourg-Saint-Jacques, 75014 Paris, France ; 2Inserm U 530 tour Lavoisier,hôpital Necker-Enfants-Malades, 149, rue de Sèvres, 75473 Paris cedex 15, France

annulus fibrosus / collagène / disque intervertébral / nucleus pulposus / protéoglycane

annulus fibrosus / collagen / intervertebral disk / nucleus pulposus / proteoglycan

On a longtemps assimilé le disque intervertébral à unestructure tissulaire de type ligamentaire au sein duquelse trouvait une population cellulaire inerte. Les travauxportant sur la dégradation du disque intervertébral ontété essentiellement centrés sur l’étude in vivo ou ex vivode la biomécanique du rachis et du disque, et la carac-térisation biochimique du tissu discal [1-3]. Récem-ment, des travaux ont été orientés sur l’étude de labiologie du disque intervertébral et du métabolisme descellules discales afin de tenter d’élucider les mécanismesde régulation de la synthèse et de la dégradation desprotéines matricielles du disque intervertébral.

Le disque intervertébral non dégénéré est constituéen son centre du nucleus pulposus et en périphérie del’annulus fibrosus, il est non vascularisé et peu innervé.Le nucleus pulposus et la partie interne de l’annulusfibrosus sont en contact direct avec le cartilage hyalindes plateaux vertébraux. Le nucleus pulposus a uneforme sphérique, c’est un gel hydrophile lui conférantdes propriétés hydrostatiques. L’annulus fibrosus estformé de sept à 15 lamelles concentriques constituéesde fibres de collagène de type I disposées de façonoblique d’une couche à l’autre formant un angle de120 ° entre elles et de 30 ° par rapport au plan dudisque. Entre ces lamelles sont enchâssées les cellules etleur matrice [4-6]. D’une espèce à l’autre, cette organi-sation structurale est remarquablement conservée [7].

CONTENU BIOCHIMIQUE DU DISQUEINTERVERTÉBRAL

La composition biochimique du disque intervertébralhumain est maintenant bien connue [7-9].

Le nucleus pulposus contient 90 % d’eau dansl’enfance et cette valeur diminue avec l’âge, environ80 % chez l’adulte jeune, puis moins de 70 % chez lesujet âgé. Il représente environ 50 % du volume d’undisque intervertébral adulte. La matrice extracellulaireest constituée de collagène et de protéoglycanes. Lecollagène constitue 20 % du poids sec du nucleus pul-posus. Le collagène de type II représente 80 % du col-lagène total, le collagène de type VI 15 % et lescollagènes de type IX et XI 5 %, il n’y a pas de collagènede type I. Les protéoglycanes constituent environ 50 %du poids sec du nucleus pulposus. Ils confèrent aunucleus pulposus son caractère hydrophile et sa consis-tance en « gel visqueux ». Avec l’âge, on observe, paral-lèlement à la perte d’eau, une diminution dupourcentage de protéoglycanes [10, 11].

L’annulus fibrosus contient 60 à 70 % d’eau, valeurrelativement stable avec l’âge. Environ 65 % à 70 % deson poids sec provient du collagène. Le collagène detype I, qui compose les lamelles concentriques del’annulus fibrosus, et le collagène de type II, qui est undes principaux constituants de la matrice extracellu-laire, sont majoritaires (80 % du collagène total). Lescollagènes de type III, V, VI, IX et XI représentent20 % du collagène total. Le rapport collagène detype II / collagène de type I diminue de la partie interne

* Correspondance et tirés à part.Adresse e-mail : michel.revel@cch.ap-hop-paris.fr (M. Revel).

Rev Rhum [Ed Fr] 2000 ; 67 Suppl 4 : 214-8© 2000 Éditions scientifiques et médicales Elsevier SAS. Tous droits réservés

S1169833000000429/SSU

de l’annulus fibrosus vers la périphérie. Les protéogly-canes représentent 10 à 20 % du poids sec et sontconcentrés essentiellement dans la partie interne del’annulus fibrosus [7, 9, 12].

Dès la deuxième décade le disque intervertébral dégé-nère [10]. Ceci se traduit par une diminution progres-sive du pourcentage d’eau, une augmentation ducontenu en collagène et du rapport collagène de type I /collagène de type II, et par une diminution du contenuen protéoglycanes [10, 11, 13]. Ces modifications bio-chimiques correspondent à un processus de vieillisse-ment normal du tissu discal. Dans certains cas cesmodifications peuvent apparaître beaucoup plus préco-cement et sont beaucoup plus sévères, témoignant pro-bablement d’un processus pathologique. Kitano acomparé le contenu biochimique de 14 disques inter-vertébraux sains (âge moyen de 29 ans) et de 25 disquesintervertébraux pathologiques (âge moyen de 32 ans)provenant de discectomie pour lombosciatique d’ori-gine discale [14]. Les disques intervertébraux sympto-matiques contenaient plus de collagène, moins d’eau etmoins de protéoglycanes que les disques interverté-braux sains. L’implication des cellules du disque inter-vertébral dans ces modifications biochimiques estinconnue, et on ne sait pas si cette dégénérescenceprovient d’une dégradation isolée des protéines matri-cielles, d’une modulation de leur synthèse ou de laconjonction de ces deux mécanismes. Les travauxrécents portant sur la biologie des cellules de disquesintervertébraux permettent de répondre partiellement àces interrogations.

BIOLOGIE CELLULAIRE DU DISQUEINTERVERTÉBRAL

Les cellules et leur matrice

Le disque intervertébral humain contient peu de cellu-les, 9 000/mm3 dans l’annulus fibrosus, 3 000/mm3

dans le nucleus pulposus, alors que le cartilage desplateaux vertébraux en contient 15 000/mm3 [3]. Lanature des cellules du disque intervertébral est encorediscutée. Si morphologiquement les cellules de l’annu-lus fibrosus sont comparables à des chondrocytes arti-culaires [15-20], la matrice extracellulaire synthétiséepar ces cellules est encore l’objet de discussions. Ellesproduisent des protéoglycanes ayant un potentiel d’agré-gation comparable aux protéoglycanes du cartilage[15-17, 19-21]. Toutefois, les études réalisées chezl’homme en immunocytochimie montrent un mar-quage positif pour les collagènes de type II (spécifique

du cartilage) et de type I (normalement absent de lamatrice cartilagineuse) [9, 20]. La spécificité des anti-corps utilisés n’étant cependant pas parfaite, on ne peutexclure des réactions croisées. De plus, la seule étudeportant sur l’expression des gènes de collagène de type Iet II dans ces cellules ne trouve pas d’expression decollagène de type I [19]. Cependant, cette étude a étéréalisée chez de jeunes lapins et il est possible que lephénotype des cellules de l’annulus fibrosus dépende del’âge des sujets et de l’espèce étudiée. En l’absenced’étude portant sur l’expression des différents collagè-nes dans les cellules de l’annulus fibrosus chez l’hommeen fonction de l’âge, il est impossible de se prononceractuellement sur l’origine exacte de ces cellules. Lescellules de l’annulus fibrosus sont donc considérées parcertains comme des chondrocytes à un stade de matu-ration différent des chondrocytes articulaires, et pard’autres comme des fibrochondrocytes [15-19].

Le nucleus pulposus contient deux types cellulaires :des petites cellules arrondies identiques aux cellules del’annulus fibrosus, et des grosses cellules vacuolaires[16, 17, 19]. Ces grosses cellules synthétisent des pro-téoglycanes de type agrécanes et du collagène de type II[19]. En revanche, elles n’expriment ni le collagène detype I ni le collagène de type X marqueur d’hypertro-phie des chondrocytes. L’origine notochordale de cescellules est habituellement admise sans beaucoupd’arguments scientifiques en l’absence de marqueursspécifiques [20, 22, 23]. D’autres auteurs émettentl’hypothèse qu’elles puissent être des chondrocytes pré-hypertrophiques [19].

Les deux principaux constituants de la matrice extra-cellulaire du disque intervertébral sont les protéoglyca-nes et les collagènes. La majorité des protéoglycanes dudisque intervertébral est capable de former des agrégats,ce sont principalement les agrécanes [24] et en quantitébeaucoup plus faible les versicanes [25]. De petits pro-téoglycanes (décorine, biglycane, fibromoduline etlumicane), n’ayant pas le pouvoir de s’agréger sont aussiretrouvés, essentiellement dans la matrice péricellulaire[24]. Ils jouent vraisemblablement un rôle dans laprésentation de peptides à la cellule et dans l’organisa-tion et les propriétés physiques de la matrice extracellu-laire [26-29]. Aucune étude n’a démontré qu’ilspouvaient être synthétisés par les cellules discales. Lesagrécanes du disque intervertébral ont des propriétésphysicochimiques similaires à celles des agrécanes ducartilage articulaire et peuvent être synthétisés par lescellules du nucleus pulposus et de l’annulus fibrosus[17, 19]. Ce sont des molécules complexes formées

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d’une protéine porteuse (core protein) possédant deuxdomaines globulaires G1 et G2 dans la régionN-terminale, et un domaine globulaire G3 enC-terminal. Entre les domaines G2 et G3, des glycosa-minoglycanes (environ 30 kératane sulfates et100 chondroïtine sulfates par agrécane) vont se fixer àcette protéine porteuse [8]. Les glycosaminoglycanessont des sucres chargés négativement qui attirent lesmolécules d’eau et confèrent au tissu discal ses capacitésà résister aux forces compressives. Entre les domainesG1 et G2 se trouve le site de coupure d’une des princi-pales enzymes impliquées dans la dégradation des agré-canes (métalloprotéase-3 ou stromélysine-1) [29]. Lesagrécanes, via leur domaine G1, ont la propriété de selier à une molécule d’acide hyaluronique par l’intermé-diaire d’une protéine de liaison (link protein) pourformer ainsi des polymères d’agrécanes, macromolécu-les de poids moléculaire de plusieurs millions de daltons[8]. L’assemblage des agrécanes à l’acide hyaluroniques’effectue probablement, comme pour le chondrocyte,au niveau de la face externe de la membrane cytoplas-mique des cellules discales, sur laquelle les moléculesd’acide hyaluronique sont ancrées via une moléculed’adhésion, le CD44 [8]. Le rôle du domaine G3 estencore inconnu.

Le deuxième élément principal de la matrice extracel-lulaire est le collagène. On en trouve sept types dansl’annulus fibrosus (I, II, III, V, VI, IX et XI) et quatretypes dans le nucleus pulposus (II, VI, IX et XI) [8, 13,29]. Quantitativement, les collagènes de type I et detype II sont les plus importants et confèrent au disqueintervertébral des capacités de résistance en tension. Lescellules discales peuvent synthétiser le collagène detype I, de type II, aucune étude n’a porté sur la synthèsedes collagènes mineurs. Les principales métalloprotéa-ses impliquées dans la dégradation du collagène sont lescollagénases (métalloprotéases 1, 8 et 13) et les gélati-nases (métalloprotéases 2 et 9) [29].

Synthèse et dégradation de la matriceextracellulaire

Une seule étude s’est véritablement intéressée au turnover de la matrice extracellulaire discale chez l’hommeau cours du vieillissement [10]. Le contenu en collagènede type I et de type II ainsi qu’en agrécanes, de 121 dis-ques intervertébraux lombaires humains provenant depatients âgés de 12 semaines à 79 ans, a été analysé enfonction du stade de dégradation discale. Trois phasesont pu être individualisées. À la phase I (de la naissance

à 15 ans) on observe une production d’agrécanes, decollagène de type I et de type II, ainsi qu’une dégrada-tion de collagène de type II. La phase II (de 15 à 40 ans)correspond à une diminution de la production desprotéines matricielles excepté pour le collagène detype I, et une diminution de la dégradation du colla-gène de type II. La dernière phase (de 40 à 80 ans)correspond à une augmentation de la production decollagène de type I, de la dégradation du collagène detype II, ainsi qu’à une diminution de la production decollagène de type II et d’agrécanes. Les phénomènesobservés aux phases II et III sont d’autant plus marquésque la dégénérescence discale est importante. Tout sepasse comme si au cours de l’âge se succédaient unepériode de croissance puis une période de maturation etenfin une période de dégénérescence du disque inter-vertébral, et il est envisageable que ce processus devieillissement normal du disque intervertébral soit accé-léré dans le disque intervertébral pathologique [14].Ces modifications biochimiques de la matrice extracel-lulaire au cours du vieillissement pourraient correspon-dre à des modifications du phénotype des cellulesdiscales avec l’âge.

Des travaux plus nombreux, réalisés chez l’hommesur des fragments de disques intervertébraux pathologi-ques (hernies discales) maintenus en survie, se sontintéressés aux mécanismes de dégradation de la matriceextracellulaire du disque intervertébral et aux phéno-mènes inflammatoires locaux. La présence de cytokinespro-inflammatoires (interleukine-1, interleukine-6,TNF-α), de médiateurs de l’inflammation, comme laforme sécrétée de phospholipase A2 de type II (sPLA2)et les prostaglandines E2 (PGE2), de métalloprotéasesimpliquées dans la dégradation des protéoglycanes etdu collagène (stromélysine et collagénase) [30-33], a étéobservée. Plusieurs hypothèses ont été avancées surl’origine cellulaire de ces divers facteurs impliqués dansla dégradation du disque intervertébral. La premièresuggère que les cytokines et les médiateurs de l’inflam-mation puissent être initialement synthétisés par lescellules discales en réponse à des stimuli extérieurs. Eneffet, les cellules de l’annulus fibrosus peuvent êtrestimulées par l’interleukine 1 entraînant une produc-tion locale de métalloprotéases, de sPLA2 et de PGE2[34]. De plus, les cellules discales sont capables desécréter de l’interleukine-1 [15, 33, 35]. Cela suggére-rait l’existence d’une régulation autocrine paracrine ausein du tissu discal. En revanche, on ignore quels sontles stimuli capables d’initier et de moduler la synthèsed’interleukine-1 par les cellules discales. Une des

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hypothèses serait qu’un stimulus mécanique puisse ini-tier et moduler cette synthèse comme cela a été suggéréin vitro pour les chondrocytes [36, 37]. D’autres auteurssuggèrent que les cytokines et les médiateurs de l’inflam-mation puissent être initialement synthétisés par descellules participant à la réaction inflammatoire locale(macrophages, lymphocytes) et ayant infiltré le disqueintervertébral soit par contiguïté soit par le biais d’unenéovascularisation [38, 39].

Récemment, des travaux ont pu mettre en évidencedes mécanismes impliqués dans la résorption des her-nies discales [40, 41]. Haro a mis au point un modèle dehernie discale in vitro. C’est une coculture soit de tissudiscal, soit de cellules discales, et de macrophages pro-venant du même animal. L’auteur a considéré qu’unerésorption du tissu discal devait se traduire par unediminution de son poids et de son contenu en protéo-glycanes. Les macrophages activés produisent duTNF-α qui va induire la production de stromélysine-1par les cellules discales et aboutir à une résorption dutissu discal. Il semble également que la stromélysine-1(métalloprotéase-3) synthétisée par les cellules discalessoit essentielle à la migration des macrophages et donc àl’infiltration du disque intervertébral, et que la matrily-sine (métalloprotéase-7) synthétisée par les macropha-ges permette de solubiliser le TNF-α. Ces résultatssoulignent donc l’importance des métalloprotéases dansla résorption du tissu discal via une coopération macro-phages–cellules discales.

La meilleure maîtrise de la biologie cellulaire et molé-culaire de la cellule discale a déjà permis de mettre enévidence l’importance de certains gènes (protéinesmatricielles, enzymes de dégradation, cytokines) dans lasynthèse et la dégradation du tissu discal. Le contrôle del’expression de ces gènes pourrait, dans l’avenir, ouvrirdes perspectives thérapeutiques intéressantes. Une pre-mière étude a déjà permis la transfection in vivo du gèned’un facteur de croissance (TGF-�) chez le lapin. Cettetransfection entraîne une augmentation du contenudiscal en protéoglycanes [42]. L’utilisation de ces tech-niques chez l’homme conduira peut-être au développe-ment de nouvelles thérapeutiques dans la prise en chargede la pathologie rachidienne dégénérative.

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