Dégénérescence discale et hernie discale :rôle des contraintes mécaniques

François Rannou1,2*, Maïté Corvol2, Michel Revel1, Serge Poiraudeau1,21Service de rééducation, hôpital Cochin, 27, rue du Faubourg-Saint-Jacuqes, 75014 Paris, France ; 2Inserm U530,hôpital Necker–Enfants Malades, université René-Descartes, Paris, France

Résumé – Ce travail se propose de passer en revue les travaux expérimentaux portant sur le rôle descontraintes mécaniques dans la survenue de la dégénérescence discale et de la hernie discale. Desstimulations mécaniques simples de segments fonctionnels vertébraux ne peuvent entraîner l’apparitiond’une hernie discale. Seules les stimulations mécaniques complexes associant une flexion antérieure durachis couplée à une latéroflexion, puis à une compression violente peuvent induire la formation d’une herniediscale postérieure. La dégénérescence du disque intervertébral semble influer sur l’apparition d’une herniediscale postérieure ou d’un bombement discal foraminal. Par ailleurs, la stimulation mécanique directe dutissu ou des cellules discales génèrent des réponses métaboliques et cellulaires complexes aboutissant àune modulation qualitative et quantitative des protéines matricielles discales. Ainsi se développe laconception d’une intrication de facteurs physiques et métaboliques dans la survenue de la pathologiediscale. © 2001 Éditions scientifiques et médicales Elsevier SAS

chondrocyte / contrainte mécanique / dégénérescence discale / disque / disque intervertébral / herniediscale / lombalgie

Summary – Intervertebral disk degeneration and herniation: the role of mechanical stimulation.Experimental studies on the role for mechanical stresses in the genesis of disk degeneration and herniationare reviewed. Simple mechanical stimulations of functional vertebral segments cannot cause a diskherniation: a complex mechanical stimulation combining forward and lateral bending of the spine followedby violent compression is needed to produce posterior herniation of the disk. Intervertebral disk degenera-tion seems to influence the development of posterior disk herniation or foraminal disk protrusion.Furthermore, direct mechanical stimulation of the disk tissue or cells generates complex metabolic andcellular responses that lead to qualitative and quantitative modulation of disk matrix proteins. Thus, it isbecoming increasingly likely that physical and metabolic factors act in concert to produce disk herniation.© 2001 Éditions scientifiques et médicales Elsevier SAS

chondrocyte / disk degeneration / disk herniation / intervertebral disk / low back pain / mechanicalstimulation

La dégénérescence discale et la hernie discale sont lesdeux principales entités anatomopathologiques actuel-

lement identifiées dans la pathogénie de la pathologielombaire commune [1]. Le disque intervertébral (DIV)étant en permanence soumis à des contraintes mécani-ques, certains auteurs ont étudié le rôle de ces contrain-tes dans la genèse de la dégénérescence discale et de la*Correspondance et tirés à part.

Adresse e-mail : frannou@hotmail.com (F. Rannou).

Rev Rhum [Ed Fr] 2001 ; 68 : 908-12© 2001 Éditions scientifiques et médicales Elsevier SAS. Tous droits réservés

S1169833001002125/SSU

hernie discale. Deux types d’approches expérimentalesont été développées.

La première approche (la plus ancienne) est uneapproche mécanique et traumatique. Les auteurs ontcherché à identifier les contraintes mécaniques externescapables d’induire un bombement discal ou une herniediscale. Le DIV est alors considéré comme une struc-ture ligamentaire capable de résister aux sollicitationsmécaniques. Lorsque cette fonction n’est plus assurée(contraintes trop importantes ou survenant sur un dis-que dégénéré), des lésions tissulaires macroscopiquesirréparables peuvent apparaître, comparables aux lésionsobservées dans la pathologie ligamentaire des articula-tions périphériques.

La deuxième approche (plus récente) est biochimiqueet biologique. Les auteurs ont émis l’hypothèse que leDIV n’était pas qu’une structure ligamentaire acellu-laire résistante aux contraintes mécaniques mais que descontraintes mécaniques pouvaient à l’échelle cellulaireet moléculaire moduler le métabolisme du DIV et doncparticiper à la genèse de la dégénérescence discale et dela hernie discale.

CONSÉQUENCES TISSULAIRES DES CONTRAINTESMÉCANIQUES

L’hypothèse de la formation d’une hernie discale parirruption à travers l’annulus fibrosus (AF) de matérielnucléaire allant comprimer les racines nerveuses a étéétudiée par des méthodes expérimentales évaluant lesmouvements du nucleus pulposus (NP) lors de l’appli-cation de contraintes sur le DIV. Les contraintes méca-niques responsables de l’apparition d’un bombementdiscal ou d’une hernie discale ont ensuite été caractéri-sées. Dans tous les cas le modèle utilisé est soit unsegment fonctionnel vertébral comprenant le DIV et lesdeux vertèbres adjacentes soit un segment rachidienlombaire constitué du rachis lombaire en entier.

Mouvements internes au sein du DIVet bombement discal

Krag et al. ont étudié ex vivo les déplacements du NP etde l’AF en implantant des billes radio-opaques micro-métriques en L4-L5 [2]. Des contraintes en compres-sion, en flexion et en extension ont alors été imposées àun segment fonctionnel vertébral. En compression, ledéplacement est essentiellement antérieur. En flexion,le NP se déplace vers l’arrière alors que l’AF se déplacevers l’avant. En extension le NP se déplace vers l’avantet l’AF vers l’arrière. Sur un DIV dénucléé chirurgica-

lement (modèle de dégénérescence discale), l’AF sedéplace vers le centre du disque lors des contraintes encompression et flexion mais il existe paradoxalement unbombement périphérique du disque quel que soit letype de contraintes. Les mouvements internes du NP etde l’AF, en réponse à une sollicitation mécaniqueexterne, semblent participer au bombement postérieurdu disque. De plus l’état initial du DIV semble être unfacteur important : la dégénérescence discale prédis-pose à l’apparition d’un bombement postérieur discal.Mais dans aucune des expériences l’auteur n’a pu met-tre en évidence d’irruption de matériel nucléaire àtravers l’AF.

Conflit discoradiculaire avec ou sans hernie discale

Au cours d’une compression axiale, le NP transmet lesforces de façon centrifuge. Ce phénomène entraîne unedéflexion compressive des plateaux vertébraux adja-cents, un bombement du DIV et le développement decontraintes en tension dans l’AF. L’augmentation del’intensité et/ou de la fréquence de ces compressionsaxiales n’entraîne pas de hernies discales périphériquesmais des fractures des plateaux vertébraux s’accompa-gnant d’une migration de matériel nucléaire au sein ducorps vertébral (hernie de Schmorl) et une déformationdu DIV dans le plan horizontal [3-6]. Les mêmesexpériences renouvelées sur des DIV dont l’AF avait étépréalablement lésé en postérolatéral ne montre pas laformation de hernies discales périphériques [5]. Lors decontraintes en torsion on observe des déchirures circon-férentielles principalement localisées dans la partie pos-térieure et latérale de l’AF mais sans formation dehernie discale [7]. La résistance à la torsion des disquesdégénérés est environ 25 % plus faible que celle desdisques sains [7]. Ces travaux suggèrent que l’appari-tion de hernies postérolatérales résulte de contraintesplus complexes que la simple compression ou torsion.

Adams est le premier auteur à avoir mis en évidenceex vivo les mécanismes impliqués dans l’apparitiond’une hernie discale [8]. Des segments rachidiens lom-baires dépourvus des arcs postérieurs ont subi uneflexion antérieure couplée à une latéroflexion, puis unecompression violente et brutale. Une hernie discalepostérolatérale est survenue dans 43 % des cas. Ceshernies sont observées majoritairement aux étagesL4–L5 et L5–S1, sur des rachis de sujets ayant entre 40et 49 ans et sur des DIV dégénérés. En revanche,lorsque la compression était cyclique et de faible inten-sité, une hernie ne survenait que dans 12 % des cas [9].

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Il est donc probable qu’en dehors de traumatismesimportants, les mécanismes de formation d’une herniediscale ne sont pas uniquement liés à la capacité derésistance du tissu discal.

Un autre mécanisme pouvant expliquer certainsconflits discoradiculaires a également été mis en évi-dence. Dans les mouvements combinés de compressionet latéroflexion on observe un bombement discal [10].Celui-ci est observé dans la région latérale et postérola-térale de la concavité. Si le disque est dégénéré cebombement est deux fois plus important [10]. Si l’onajoute à ces observations le fait que la hauteur d’undisque dégénéré diminue, on peut comprendre quel’espace foraminal est alors rétréci et qu’il puisse existerune irritation des racines sans présence de hernie discalevraie [11]. Sur des disques préalablement lésés (plateauxvertébraux préalablement fracturés) Brinckmann amontré qu’une contrainte en compression majorait lebombement discal [12]. Ce phénomène est égalementobservé sur des segments fonctionnels vertébraux ayantsubi une lésion chirurgicale radiaire du centre vers lapartie postérolatérale du DIV [13]. L’association frac-ture vertébrale et lésions radiaires préexistantes majo-rent encore plus le bombement. La préexistence delésions discales traumatiques (fractures ou fissures) ounon (dégénérescence discale) semblent être un facteurmajorant le bombement discal en postérolatéral et doncune source potentielle d’irritation radiculaire forami-nale.

CONSÉQUENCES BIOCHIMIQUES ET BIOLOGIQUESDES CONTRAINTES MÉCANIQUES

La dégénérescence discale : de la mécaniqueà la biologie cellulaire

La dégénérescence discale se traduit par des modifica-tions biochimiques associant une augmentation du col-lagène de type I au dépend du collagène de type II ainsiqu’une diminution de l’hydratation et du contenu enprotéoglycanes [14]. L’implication des contraintesmécaniques dans cette dégénérescence est admise depuisde nombreuses années mais reste encore très obscure.Des études récentes ont permis de caractériser les méca-nismes biochimiques impliqués dans cette dégénéres-cence [15, 16] et des méthodes de culture des cellulesdu DIV ont été mises au point [17-20].

Les contraintes mécaniques ont un rôle modulateurdans le maintien et le remodelage du tissu conjonctif.L’intégrité de la matrice extracellulaire contribue à uneréponse mécanique efficace des tissus soumis à des

contraintes externes [21]. Dans le DIV, l’intégrité de lamatrice extracellulaire est le résultat d’un équilibre entresynthèse et dégradation des protéines matricielles (pro-téoglycanes et collagènes). Différents travaux ont étudiéle rôle des contraintes mécaniques dans la régulation decet équilibre en évaluant la production de protéinesmatricielles de DIV entiers ou d’échantillons d’AF et deNP. Deux travaux récents ont pu étudier directementles modulations de synthèse des protéines matriciellespar les cellules du DIV.

Expériences sur des DIV entiers

Une relation entre des contraintes mécaniques appli-quées in vivo et la composition de la matrice extracel-lulaire du DIV a pu être mise en évidence [22, 23].Hutton et al. ont observé une corrélation positive entrel’intensité et la durée de contraintes en compressionappliquées à des DIV de chiens et l’augmentation dansle NP de la production de collagène de type I. Dans lemême temps, une diminution de production du colla-gène de type II et de protéoglycanes était objectivée. Enrevanche, des contraintes en traction ne modulent pasla synthèse de PG par le NP mais diminuent la synthèsede PG par l’AF [23]. Les réponses métaboliques duDIV semblent donc tissu (NP ou AF) et stimulusdépendant.

Expériences sur des échantillons tissulaires discaux

Les études sur des échantillons tissulaires discaux ontmis en évidence une modulation de la synthèse de lamatrice extracellulaire par les contraintes mécaniques[24, 25]. Ishihara et al. rapportent que l’applicationd’une pression hydrostatique élevée (10 MPa) prolon-gée (deux heures) ou brève (20 secondes) sur des échan-tillons d’AF (partie interne) ou de NP diminue laproduction des protéoglycanes [25]. En revanche,l’application d’une pression hydrostatique plus faible (1MPa) durant 20 secondes augmente cette synthèse.Handa et al. montrent que la synthèse de PG est inhibéeaprès application d’une pression hydrostatique de 3 atm(atmosphère normale) durant deux heures alors qu’unepression hydrostatique de 30 atm pendant la mêmedurée stimule la synthèse de PG des échantillons de NPet de l’AF (partie interne) [24]. Dans ces deux étudesaucun effet n’était observé dans l’AF périphérique. Unseul type de contrainte (compression) appliqué sur deséchantillons tissulaires discaux peut donc induire des

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réponses métaboliques opposées en fonction de l’inten-sité et de la durée de cette stimulation ainsi que de larégion du disque étudiée.

Stimulation mécanique des cellules du disque

Deux études se sont intéressées aux effets métaboliquesde stimulations mécaniques directement appliquées surles cellules de DIV in vitro [26, 27]. La premièremontre qu’une pression hydrostatique de 1 MPa appli-quée pendant 48 heures induit une augmentation de laproduction de collagène de type I et II, et de protéogly-canes par les cellules de l’AF et du NP [26]. La quantitéd’ARNm de collagène de type I, II et d’agrécanesaugmente dans les cellules du NP mais diminue dans lescellules de l’AF suggérant des mécanismes de régulationdifférents pour chaque type cellulaire, renforçant ainsil’idée d’une réponse métabolique tissu spécifique à unstress mécanique donné. Dans la deuxième étude, descontraintes de type étirement et cisaillement d’unefréquence de 0,05 Hz et d’une intensité de 20 % ont étédirectement appliquées à des cellules de NP pour desdurées variant de un à huit jours. Une augmentation dela synthèse de l’ADN et des protéines collagéniques aété observée [27].

Des contraintes mécaniques directement appliquéesaux cellules peuvent donc moduler la synthèse desprotéines matricielles. Les effets observés sont vraisem-blablement dépendant du type de la contrainte, de sonintensité, de sa fréquence et de sa durée et les recherchesdoivent maintenant s’orienter vers la caractérisation« d’effets doses ». Les médiateurs impliqués dans latransduction du signal mécanique dans les cellules dis-cales sont actuellement inconnus. Leur mise en évi-dence devrait permettre de mieux comprendre lesmécanismes impliqués dans la dégénérescence discale.

CONCLUSION

La participation des contraintes mécaniques dans lagenèse de la dégénérescence discale et de la herniediscale est établie. La mise en évidence au niveau cellu-laire et moléculaire des mécanismes impliqués dans cesprocessus vont permettre d’isoler des gènes cibles méca-nosensibles. Un contrôle de l’expression de ces gènespourrait alors ouvrir des perspectives thérapeutiquesspécifiques, les traitements proposés dans la pathologielombaire commune étant actuellement uniquementsymptomatiques.

REFERENCES

1 Kang JD, Stefanovic-Racic M, McIntyre LA, Georgescu HI,Evans CH. Toward a biochemical understanding of humanintervertebral disc degeneration and herniation contributions ofnitric oxide, interleukins, prostaglandin E2, and matrix metal-loproteinases. Spine 1997 ; 22 : 1065-73.

2 Krag MH, Seroussi RE, Wilder DG, Pope MH. Internal dis-placement distribution from in vitro loading of human thoracicand lumbar spinal motion segments : experimental results andtheorical predictions. Spine 1987 ; 12 : 1001-7.

3 Brown T, Hansen RJ, Yorra AJ. Some mechanical tests on thelumbo-sacral spine with particular reference to the interverte-bral discs. J Bone Joint Surg 1957 ; 39A : 1135-64.

4 Farfan HF. Mechanical disorders of the low back. In : Far-fan HF, Ed. Philadelphia : Lea and Febiger ; 1973.

5 Virgin WJ. Experimental investigations into physical propertiesof intervertebral disc. J Bone Joint Surg 1951 ; 33B : 607-11.

6 Hirsch C. The reaction of intervertebral discs to compressionforces. J Bone Joint Surg 1955 ; 37A : 1188-96.

7 Farfan HF, Cossette JW, Robertson GH, Wells RV, Kraus H.The effects of torsion on the lumbar intervertebral joints : therole of torsion in the production of disc degeneration. J BoneJoint Surg 1970 ; 52A : 468-97.

8 Adams MA, Hutton WC. Prolapsed intervertebral disc. A hyper-flexion injury. Spine 1982 ; 7 : 184-91.

9 Adams MA, Hutton WC. Gradual disc prolapse. Spine 1985 ;10 : 524-31.

10 Reuber M, Schultz A, Denis F, Spencer D. Bulging of lumbarintervertebral disks. J Biomech Eng 1982 ; 104 : 187-92.

11 Revel M, Mayoux-Benhamou MA, Aaron C, Amor B. Varia-tions morphologiques des trous de conjugaison lombaires lorsde la flexion–extension et de l’affaissement discal. Rev RhumMal Ostéoartic 1988 ; 5 : 361-6.

12 Brinckmann P, Horst M. The influence of vertebral bodyfracture, intradiscal injection, and partial discectomy on theradial bulge and height of human lumbar discs. Spine 1985 ;10 : 138-45.

13 Brinckmann P. Injury of the annulus fibrosus and disc protru-sions. Spine 1986 ; 11 : 149-53.

14 Antoniou J, Steffen T, Nelson F. The human lumbar interver-tebral disc. J Clin Invest 1996 ; 98 : 996-1003.

15 Kang JD, Goergescu HI, McIntyre-Larkin L, Stefanovic-Racic M, Donaldson W, Evans CH. Herniated lumbar inter-vertebral discs spontaneously produce matrixmetalloproteinases, nitric oxide, interleukin-6, and prostaglan-din E2. Spine 1996 ; 21 : 271-7.

16 Rannou F, Corvol M, Hudry C, Anract P, Blanchard O,Tsagris L, et al. Sensitivity of annulus fibrosus cells to IL1-� :comparison with articular chondrocytes. Spine 2000 ; 25 :17-23.

17 Chiba K, Andersson GBJ, Masuda K, Momohara S,Williams JM, Thonar EJMA. A new culture system to study themetabolism of the intervertebral disc in vitro. Spine 1998 ; 23 :1821-8.

18 Chiba K, Andersson GBJ, Masuda K, Thonar EJMA. Metabo-lism of the extracellular matrix formed by intervertebral disccells cultured in alginate. Spine 1997 ; 22 : 2885-93.

19 Maldonado BA, Oegema TR. Initial characterization of themetabolism of intervertebral disc cells encapsulated in micros-pheres. J Orthop Res 1992 ; 10 : 677-90.

20 Poiraudeau S, Monteiro I, Anract P, Blanchard O, Revel M,Corvol M. Phenotypic characteristics of rabbit intervertebraldisc cells : comparison with cartilage cells from the same ani-mals. Spine 1999 ; 24 : 837-44.

Dégénérescence discale et hernie discale 911

21 Urban JP. The chondrocyte : a cell under pressure. Br J Rheu-matol 1994 ; 33 : 901-8.

22 Hutton WC, Toribatake Y, Elmer WA, Ganey TM, Tomita K,Whitesides TE. The effect of compressive force applied to theintervertebral disc in vivo. Spine 1998 ; 23 : 2524-37.

23 Terahata N, Ishihara H, Ohshima H, Hirano N, Tsuji H.Effects of axial traction stress on solute transport and proteogly-can synthesis in the porcine intervertebral disc in vitro. EurSpine J 1994 ; 3 : 325-30.

24 Handa T, Ishihara H, Ohshima H, Osada R, Tsuji H, Obata K.Effects of hydrostatic pressure on matrix synthesis and matrix

metalloproteinase production in the human lumbar interverte-bral disc. Spine 1997 ; 22 : 1085-91.

25 Ishihara H, McNally DS, Urban JPG, Hall AC. Effects ofhydrostatic pressure on matrix synthesis in different regions ofthe intervertebral disk. J Appl Physiol 1996 ; 80 : 839-46.

26 Hutton WC, Elmer WA, Boden SD, Hyon S, Toribatake Y,Tomita K, et al. The effect of hydrostatic pressure on interver-tebral disc metabolism. Spine 1999 ; 24 : 1507-15.

27 Matsumoto T, Kawakami M, Kuribayashi K, Takenaka T,Tamaki T. Cyclic mechanical stretch stress increases the growthrate and collagen synthesis of nucleus pulposus cells in vitro.Spine 1999 ; 24 : 315-9.

912 F. Rannou et al.