Rev Rhum [Ed Fr] 2000 ; 67 SuppI : 219-24

0 2000 Editions scientifiques et mtdicales Elsevier SAS. Tous droits re5erv.G

S1169833000000430/SSU

Contraintes mhaniques et disque interverthbral lom baire

Frangois Rannot&*, Serge Poiraudeau’, Mait Corvol*, Michel Revel’* ‘Service de &adaptation et r66ducation de I’appareil locomoteur et des pathologies du rachis, h6pital Cochin, universitb Re&Descartes, 27, rue du Faubourg-Saint-Jacques, 75014 Paris, France ; ‘Inserm U 530, tour Lavoisier, hdp,pital Necker-Enfants-Malades, 149. rue de SBvres, 75743 Paris cedex 15, France

annulus fibrosus / biomecanique / cisaillement / compression / disque intervert6bral / Btirement / nucleus pulposus

annulus fibrosus / biomtichanics / compression / intervertebral disk / nucleus pulposus / shear / stretching

Le disque intervertebral est l’eltment essentiel du seg- ment mobile rachidien qui permet une cohesion inter- vertebrale tout en autorisant une mobilite. C’est une structure tissulaire deformable, capable de supporter

une grande variCtC de contraintes. Ces contraintes sont caracterisees par leur type, leur intensitt et leur duree d’application. Elles sont gtnertes par les differentes

activites physiques exerctes par un individu. Schemati- quement on individualise : les contraintes d’intensitt

tlevte et de courte duree correspondant B des efforts violents, et les contraintes d’intensitt faible mais de longue duree correspondant a des activitts physiques quotidiennes [ 11. Le disque intervertebral a une fonc- tion d’absorption et de redistribution de ces contrain-

tes. Lorsque ces fonctions ne sont plus assurees (contraintes trop importantes ou survenant sur un dis- que degentrt), des lesions tissulaires macroscopiques irrtparables peuvent apparaitre, comparables aux lesions observees en pathologie articulaire traumatique. Des contraintes moins importantes mais repettes peuvent probablement entrainer des lesions microscopiques peut-@tre secondaires B la modulation du metabolisme des cellules discales. Ces lesions, qu’elles soient micros- copiques ou macroscopiques, ont pour principale conse-

* Coi-respondance et tire+ ripart. Adrem e-mail: michel.revel@cch.ap-hop-paris.fr (M. Revel).

quence l’apparition d’une dtgtnerescence discale et

favorisent vraisemblablement la formation de hernie

discale.

La structure anatomique trb particuliere du disque

intervertebral permet de comprendre son comporte-

ment biomtcanique. Le disque intervertebral non dtge-

ntrt est un tissu non vascularise, peu innerve, constitut

en son centre du nucleus pulposus et en ptripherie de

l’annulus fibrosus. Le nucleus pulposus a une forme

sphtrique, il est constitue d’un gel hydrophile expli-

quant ses proprietts hydrostatiques. L’annulus fibrosus

est forme de sept a 15 lamelles concentriques consti-

t&es de fibres de collagene dispostes de facon oblique

d’une couche a I’autre formant un angle de I20 o entre

elles et de 30 ’ par rapport au plan du disque interver-

tebral [2-41. Entre ces lamelles sont enchassees les cel-

lules et leur matrice. Les fibres de la partie interne de

l’annulus fibrosus sont attachees B la plaque cartilagi-

neuse du plateau vertebral tandis que les fibres de la

partie externe sont fixees sur le corps vertebral. L’annu-

lus fibrosus apparait comme un ligament intercorpo-

real. Des ligaments renforcent ses attaches aux corps

vertebraux adjacents. 11 s’agit du ligament vertebral

commun anttrieur, peu adhtrant au disque intervertt-

bral, et du ligament vertebral commun posttrieur qui adhere fortement par sa surface au disque intervertebral

et aux bords des plateaux verttbraux [4].

220s F. Rannou et al.

Les travaux portant sur les effets des contraintes mtca- niques sur le disque intervertebral se sont in&es& principalement aux mtcanismes d’apparition dune her- nie discale et a la genese de la dtgenerescence discale. Differentes approches ont ete utilisees : modtlisations mathematiques ou physiques pour kaluer les stress gtntrts au sein du disque intervertebral ; travaux ex vivo sur des segments fonctionnels vertebraux lombai- res pour elucider les mecanismes impliques dans la formation dune hernie discale ; travaux in vivo, ex vivo ou in vitro sur du tissu ou sur des cellules discales pour ttudier la degradation discale.

RkSULTATDESCONTRAlNTESEXTERNES SURLEDISQUE

Le disque intervertebral est une structure viscoelastique soumise en permanence B des contraintes qui peuvent &tre simples (flexion, compression ou torsion pure) ou plus complexes (compression combinte B une ladro- flexion et une torsion). II est important de caracteriser les stress intradiscaux gtnerts par ces contraintes pour pouvoir mieux comprendre les lesions tissulaires obser- vees en pathologie humaine. Deux types d’ttudes ont tent& de rtpondre a cette question : - appreciation des stress mtcaniques au sein du disque intervertebral en reponse a des contraintes externes simples appliqutes sur des segments fonctionnels vertb braux lombaires modtlises [5-81 ; - mesure des variations de pression intradiscale dttec- tees in vivo lors de certaines postures rachidiennes

impostes a l’individu [9].

Effets de contraintes simples

La reponse du disque intervertebral aux contraintes est directement 1iPe B sa structure anatomique et biochimi- que. Le nucleus pulposus se comporte comme une veritable chambre de pression gentrant des contraintes centrifuges sur les structures adjacentes [I, 41. I1 en resulte la mise sous tension de ces structures et plus particulitrement de I’annulus fibrosus, le stress princi- pal des lamelles de l’annulus fibrosus est alors une tension entrainant un ttirement [5]. Cet etirement a ttt tvalut entre un et 13 % suivant les auteurs [6-81. Pour la plupart des contraintes, l’ttirement est principale- ment observe sur les lamelles les plus internes. En revanche, les contraintes en torsion entrainent un Ctire- ment essentiellement localise en posttrolateral. Ces rtsultats sont B rapprocher des travaux de Farfan mon- trant I’importance du role des contraintes en torsion

dans la formation de dtchirures circonferencielles de la region posttrolattrale de l’annulus fibrosus. On peut alors tmettre l’hypothese de l’implication des contrain- tes en torsion dans l’apparition d’une hernie discale postCrolattrale par irruption de materiel nucltaire [lo].

Lorsque le disque intervertebral degenere, le nucleus pulposus se d&hydrate et ne peut plus remplir ses fonctions mecaniques hydrostatiques, il en rtsulte une modification de la distribution des stress au sein du disque intervertebral. L’annulus fibrosus n’est alors plus soumis majoritairement a des contraintes en tension mais subit directement les contraintes en compression [5]. On comprend alors aistment que sur un disque intervertebral dtgtntrt, les mecanismes impliquts dans l’apparition d’une hernie discale sont probablement differents de ceux observes sur un disque sain.

Pressions intradiscales enregistrCes in vivo

Les don&es proviennent essentiellement des travaux de Nachemson effect& in vivo chez l’homme [9]. Le

principe est d’tvaluer la pression au sein du nucleus pulposus chez un sujet auquel on impose des postures rachidiennes statiques (debout, flexion du rachis, assis, allongt, port de charges). La position de reference est la station debout. La pression intradiscale enregistrte est d’autant plus importante que le sujet est en position assise, les membres superieurs lest& par un poids et le rachis en flexion anttrieure. Lorsque le sujet est assis ou debout rachis flechi de 20 ‘, le disque intervertebral subit une contrainte correspondant B 200 % du poids du corps. Si I’on ajoute un poids de 20 kg Porte par le patient la contrainte est de 300 %. Grace a ces travaux, les localisations respectives des stress verticaux et des stress tangentiels au sein d’un disque intervertebral soumis B une force compressive ont pu &tre evaluees. Les stress verticaux sont dans la partie interne du disque intervertebral alors que les stress tangentiels sont essen- tiellement en periphtrie.

I1 apparait done que le nucleus pulposus est soumis a des contraintes compressives alors que l’annulus fibro- sus subit plutot des contraintes en tension. Les contrain- tes compressives subies par le nucleus pulposus sont maximales lorsque le disque intervertebral est soumis B des sollicitations en flexion-compression. Pour l’annu- lus fibrosus, les contraintes en tension sont observees essentiellement dans sa partie interne sauf dans les mouvements de torsion ou elles sont localisees dans sa partie posterolattrale. Ces rtsultats suggerent qu’une hernie discale puisse resulter d’un mouvement combine

Contraintes mkcaniques et disque intervertebral lombaire 221s

de flexion, compression et torsion. Les etudes tissulaires vont en partie confirmer cette hypothese.

CONS~QUENCESTISSULAIRESDESCONTRAINTES MECANIQUES

L’hypothese de la formation d’une hernie discale par irruption Q travers l’annulus fibrosus de materiel nucleaire allant cornprimer les racines nerveuses a et& etudiee par des mtthodes experimentales kaluant les

mouvements du nucleus pulposus lors de I’application de contraintes sur le disque intervertebral. Les contrain- tes mecaniques responsables de I’apparition d’une her- nie discale ou d’un bombement discal ont ensuite Ctt caracttristes. Dans tous les cas le modele utilist est soit un segment fonctionnel vertebral comprenant le disque intervertebral et les deux verttbres adjacentes, soit un segment rachidien lombaire constitue du rachis lom-

baire en entier.

Mouvements internes au sein du disque intervertebral

Krag a ttudie ex vivo les deplacements du nucleus pulposus et de l’annulus fibrosus en implantant une

bille radio-opaque micrometrique en L4-L5 [ 111. Des contraintes en compression, en flexion et en extension ont alors ttt impostes a un segment fonctionnel verd- bral. Le deplacement de la bille Ctait apprtcie par des cliches radiologiques numerists. En compression, le dtplacement est essentiellement anttrieur. En flexion, le nucleus pulposus se deplace vers l’arriere alors que I’annulus fibrosus se deplace vers l’avant. En extension le nucleus pulposus se d&place vers l’avant et l’annulus fibrosus vers l’arriere. Sur un disque intervertebral denu- cl& chirurgicalement, l’annulus fibrosus se deplace vers le centre du disque lors des contraintes en compression et flexion, mais il existe paradoxalement un bombe- ment periphtrique du disque quel que soit le type de contraintes. Ces differentes constatations semblent indi- quer qu’en extension on induit plutbt un bombement posterieur du disque qu’il soit dtnucltt ou non. En flexion ce bombement n’est retrouve que si le disque est dtnuclte.

Hernie discale et bombement discal

Au tours d’une compression axiale, le nucleus pulposus transmet les forces de facon centrifuge. Ce phtnomene entraine une deflexion compressive des plateaux verte- braux adjacents, un bombement du disque et le dtve-

loppement de contraintes en tension dans l’annulus

fibrosus. L’augmentation de l’intensitt et/au de la frC-

quence de ces compressions axiales n’entrdne pas de

hernie discale ptriphtrique mais des fractures des pla-

teaux vertebraux s’accompagnant d’une migration de materiel nuckaire au sein du corps vertebral (hernie de

Schmorl) et une deformation du disque intervertebral

dans le plan horizontal [ 12- 151. Les memes experiences

renouvelees sur des disques intervertebraux dont l’annu-

lus fibrosus avait Ctt prtalablement lest en posdrolad-

ral ne montrent pas la formation de hernie discale

peripherique [ 141. Lors de contraintes en torsion, on

observe des dtchirures circonferencielles, principale-

ment localisees dans la partie posterieure et laterale de

l’annulus fibrosus, mais sans formation de hernie dis-

tale [lo]. Les effets de contraintes en torsion sur des

disques sains et des disques degtntrts ont et6 compares.

La resistance des disques degenerts, evaluke par l’angle

de torsion de rupture, est environ 25 % plus faible que

celle des disques sains [lo]. Ces travaux suggerent que

l’apparition de h ernies posterolattrales resulte de

contraintes plus complexes que la simple compression

ou torsion.

Adams est le premier auteur a avoir mis en evidence

ex vivo les mtcanismes impliques dans l’apparition

d’une hernie discale [ 161. Des segments rachidiens

lombaires depourvus des arcs posterieurs ont subit une

flexion anttrieure couplte a une lateroflexion, puis une

compression violente et brutale. Une hernie discale

posterolattrale est survenue dans 43 % des cas. Ces

hernies sont observtes majoritairement aux &ages

L4-L5 et L5-S 1, sur des rachis de sujets ayant entre 40

et 49 ans et sur des disques intervertebraux degrades.

En revanche, lorsque la compression ttait cyclique et de

faible intensite, une hernie ne survenait que dans 12 %

des cas [ 171. 11 est done probable qu’en dehors de

traumatismes importants, les mecanismes d’apparition

d’une hernie discale soient multifactoriels. Un autre mecanisme pouvant expliquer certains

conflits discoradiculaires a Pgalement et6 mis en evi-

dence. Dans les mouvements combines de compression et ladroflexion, on observe un bombement discal [ 181.

Celui-ci est observe dans la region laterale et posterola-

t&ale de la concavitt. Si le disque est d&g&r&e ce

bombement est deux fois plus important [18]. Si l’on ajoute a ces observations le fait que la hauteur d’un

disque dtgtntrt diminue, on peut comprendre que l’espace foraminal soit alors retrtci et qu’il puisse exister

une irritation des racines sans presence de hernie discale

222s F. Rannou et al.

vraie [ 191. Sur des disques prealablement l&es (plateaux vertebraux prealablement fractures) Brinckmann a montre qu’une contrainte en compression majorait le bombement discal [2O]. Ce phtnomene est tgalement observe sur des segments fonctionnels vertebraux ayant subi une lesion chirurgicale radiaire du centre vers la partie posterolaterale du disque intervertebral [21]. L’association fracture vertebrale et lesions radiaires preexistantes majore encore plus le bombement. La preexistence de lesions discales traumatiques (fractures ou fissures) ou non (degentrescence discale), semble etre un facteur majorant le bombement discal en pos- ttrolateral, et done une source potentielle d’irritation radiculaire foraminale.

CONShJJENCESBlOCHlMlQUESETBlOLOGlQUES DESCONTRAlNTESMtCANIQUES

La degradation discale : de la mkcanique A la biologie cell&ire

La degradation discale est un des principaux facteurs associes aux phenomenes douloureux lombaires, et pro- bablement un prtrequis a l’apparition d’une hernie discale [22]. L’implication des contraintes mtcaniques dans cette degradation est admise depuis de nombreu- ses an&es mais reste encore trb obscure. Des etudes recentes ont permis de caracteriser les mecanismes bio- chimiques impliques dans cette degradation [22,23], et des mtthodes de culture des cellules du disque interver- tebral ont et& mises au point [24-271. Ces avanctes devraient permettre de mieux caracttriser les relations entre contraintes mtcaniques et rtponses biologiques au sein du disque intervertebral.

Les contraintes mecaniques ont un role modulateur dans le maintien et le remodelage du tissu conjonctif. L’integrite de la matrice extracellulaire contribue B une reponse mecanique efficace des tissus soumis B des contraintes externes [28]. Dans le disque intervertebral, l’integritt de la matrice extracellulaire est le rtsultat d’un equilibre entre synthese et degradation des protei- nes matricielles (proteoglycanes et collagtnes). Diffe- rents travaux ont etudit le role des contraintes mtcaniques dans la regulation de cet equilibre en ka- luant la production de prottines matricielles de disques intervertebraux entiers ou d’tchantillons d’annulus fibrosus et de nucleus pulposus. Deux travaux r&cents ont pu etudier directement les modulations de synthtse de la matrice par les cellules du disque intervertebral.

ExpCriences sur des disques intervertkbraux entiers

Une relation entre des contraintes mecaniques appli- q&es in vivo et la composition de la matrice extracel- lulaire du disque intervertebral a pu etre mise en

evidence [29, 301. Hutton et al. ont observe une corre- lation positive entre l’intensid et la duree de contraintes en compression appliquees a des disques intervertt- braux de chiens et l’augmentation dans le nucleus pul- posus de la production de collagene de type I. Dans le m&me temps, une diminution de la production du collagene de type II et de proteoglycanes etait objecti- vee. En revanche, des contraintes en traction ne modu- lent pas la synthttse de prottoglycanes par le nucleus pulposus mais diminuent la synthese de proteoglycanes par I’annulus fibrosus [30]. Les rtponses metaboliques du disque intervertebral semblent done dependre du tissu (nucleus pulposus ou annulus fibrosus) et du stimulus.

Exptriences sur des Cchantillons tissulaires discaux

Les etudes sur des echantillons tissulaires discaux ont mis en evidence une modulation de la synthtse et de la degradation de la matrice extracellulaire par les contrain- tes mecaniques [31, 321. Ishihara rapporte que I’appli- cation d’une pression hydrostatique &levee (1 kPa) prolongte (deux heures) ou breve (20 secondes) sur des echantillons d’annulus fibrosus (partie interne) ou de nucleus pulposus diminue la production des proteogly- canes [32]. En revanche, l’application d’une pression hydrostatique plus faible (0,I kPa) durant 20 secondes augmente cette synthese. Handa montre que la syn- these de prottoglycanes est inhibte apri-s application dune pression hydrostatique de O,3 kPa durant deux heures alors qu’une pression hydrostatique de O,O3 kPa pendant la meme durte stimule la synthese de protto- glycanes des echantillons de nucleus pulposus et de I’annulus fibrosus (partie interne) [3I]. Dans ces deux etudes aucun effet n’etait observe dans l’annulus fibro- sus ptripherique. Un seul type de contrainte (compres- sion), applique sur des tchantillons tissulaires discaux, peut done induire des reponses mttaboliques opposees en fonction de l’intensite et de la duree de cette stimu- lation ainsi que de la region du disque ttudite.

Stimulation mtcanique des cellules du disque

Deux etudes se sont inttresstes aux effets mttaboliques de stimulations mtcaniques directement appliqutes sur les cellules de disques interverttbraux in vitro [33, 341.

Contraintes mecaniques et disque intervertebral lombaire 223s

La premiere montre qu’une pression hydrostatique de 0,l kPa appliquee pendant 48 heures induit une aug- mentation de la production de collagene de type I et II, et de proteoglycanes par les cellules de l’annulus fibro- sus et du nucleus pulposus [33]. La quantite d’acides ribonucltiques messagers de collagene de type I et II et d’aggrecanes augmente dans les cellules du nucleus pulposus mais diminue dans les cellules de I’annulus fibrosus, suggerant des mtcanismes de regulation diffe- rents pour chaque type cellulaire, renfor$ant ainsi l’idee d’une rtponse metabolique du tissu specifique B un stress mecanique don&. Dans la dew&me etude, des contraintes de type etirement et cisaillement, d’une frequence de 0,05 Hz et dune intensitt de 20 %, ont et6 directement appliqutes B des cellules de nucleus pulposus pour des durees variant de un B huit jours. Une augmentation de la synthese de I’acide desoxyribo- nucleique et des proteines collageniques a et6 observee

[341. Des contraintes mecaniques directement appliqutes

aux cellules peuvent done moduler la synthese des proteines matricielles. Les effets observes sont vraisem- blablement dtpendant du type de la contrainte, de son intensitt, de sa frtquence et de sa duree et les recherches doivent maintenant s’orienter vers la caracterisation (( d’effets doses )). Les mediateurs impliques dans la transduction du signal mecanique dans les cellules dis- tales sont actuellement inconnus. Leur mise en &vi- dence devrait permettre de mieux comprendre les mtcanismes impliquts dans la degradation discale.

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