LE CARTILAGE ARTICULAIRE

…à l’arthrose. Du chondrocyte …

Pr Arnaud Constantin Centre de Rhumatologie ILM – Hôpital purpan DFGASM2 – Rangueil

Sommaire

L’articulation Le cartilage L’arthrose

L’articulation

Fonction

Entité fonctionnelle

En pathologie

Schéma d’une articulation

Bourse graisseuse

Capsule articulaire

Membrane synoviale

Os Liquide synovial

Cartilage hyalin

Stabilité (statique articulaire)

Mouvement (dynamique articulaire)

La fonction de l’articulation

La fonction de l’articulation

Statique et dynamique

Statique : immobilité, stabilité Dynamique : mouvement, instabilité

MAIS …

stabilité statique

stabilité dynamique :

balance musculaire

L’articulation : entité fonctionnelle en physiologie …

Os sous-chondral propriétés biomécaniques

Membrane synoviale nutrition du cartilage via le liquide synovial

Cartilage articulaire

Tissu Pathologies

Synoviale

Arthrites (synovites) • Goutte • Polyarthrite rhumatoïde • Arthrite septique

Os sous-chondral

• Algodystrophie • Ostéonécrose • Fracture de fatigue

Cartilage Arthrose

L’articulation : entité fonctionnelle en conditions pathologiques …

L’articulation : entité fonctionnelle en conditions pathologiques …

Synovite

Cartilage Os sous-chondral

Cartilage articulaire =

cartilage hyalin

Anatomie macroscopique

Anatomie microscopique

Composition

Physiologie

Vieillissement

Anatomie macroscopique du cartilage

Blanc nacré, brillant Lisse à l’œil

Ferme mais dépressible

Épaisseur variable fonction des pressions

Maximum : rotule = 7 mm

Homme > femme

Pas d’amincissement avec l’âge

Ni vaisseau : travaille en anaérobie : nutrition par le liquide synovial Ni nerf : insensible à la douleur

Lamina splendens

C1 : couche superficielle (5-10%)

C2 : couche moyenne (40-50%)

C3 : couche profonde (40-50%)

Tide mark (ligne de démarcation) :

empêche vaisseaux de l’os de pénétrer

C4 : couche calcifiée (5-10%)

Anatomie microscopique du cartilage (histologie)

Surface cartilage (SEM x 950)

Lamina splendens + 4 couches

En surface du cartilage articulaire

Recouvrant la couche superficielle

Acellulaire

Accrochage des macromolécules du liquide

synovial (acide hyaluronique, lubricine)

Protection (notamment vis-à-vis des

radicaux libres)

Lamina splendens

Couche superficielle (C1)

Chondrocytes petits et plats Fibres collagènes parallèles à la surface (résistance aux forces de tension) Riche en fibronectine Pauvre en protéoglycanes (PG)

Les quatre couches du cartilage articulaire

Couche intermédiaire ou moyenne (C2)

Gros chondrocytes sphériques (30-40 µm)

Réseau de fibre collagène sans orientation

particulière

Les quatre couches du cartilage articulaire

Couche profonde (C3)

Chondrocytes disposés en colonnes le long des travées de collagène Réseau de fibres de collagène, épaisses, perpendiculaires à la surface Protéoglycanes en concentration élevée

Les quatre couches du cartilage articulaire

Couche dite calcifiée (C4)

Séparée de la couche profonde par une ligne de démarcation (tide mark) Au contact de la lame osseuse sous-chondrale Réseau de fibres de collagène gardant une orientation radiaire Pauvre en protéoglycanes (PG)

Les quatre couches du cartilage articulaire

Composition du cartilage : tissu conjonctif

cartilage

Chondrocytes Matrice extra-

cellulaire

(MEC)

Collagènes Protéoglycanes

(PG) Glycoprotéines

de structure Eau

Poids sec (≈ 25 %)

Eau (≈ 75 %)

Cellules volumineuses (30-40 µm)

Sphériques ou ovoïdes

Noyau arrondi, volumineux, nucléolé

Réticulum endoplasmique

Appareil de Golgi

Mitochondries

Vacuoles lysosomales

Pas de contact intercellulaire direct

Pas de migration possible

Densité diminue de surface profondeur

Fonctionnement en anaérobiose : gradient

d’hypoxie de surface (10% O2)

profondeur (1% O2)

Ch. hyperactif Ch. apoptotique Ch. mort

Les chondrocytes (1 à 10% du volume du cartilage)

Nutrition cellulaire

Cartilage articulaire avasculaire

Nutriments issus du liquide synovial

(capillaires synoviaux)

Seules les petites molécules peuvent

pénétrer le cartilage

Glucose: principal substrat énergétique

Ch. hyperactif Ch. apoptotique Ch. mort

Les chondrocytes (1 à 10% du volume du cartilage)

Fonction cellulaire

Maintien de l’homéostasie du cartilage

articulaire

Synthèse et dégradation des protéines

structurales de la matrice cartilagineuse

Régulée par contraintes mécaniques et

facteurs de croissance (TGFb, FGFb, IGF)

Interactions entre les chondrocytes et la matrice extracellulaire

Espace péricellulaire immédiat

De nombreuses molécules sont amarrées sur les chondrocytes.

Cet amarrage se fait grâce à des molécules transmembranaires appelées intégrines.

Le chondrocyte adapte son activité métabolique en fonction des informations qu’il reçoit

par l’intermédiaire de ses intégrines.

La matrice extra-cellulaire (MEC) 65-80% d’eau + 20-30% de macromolécules

Les collagènes

Collagène type II (≈ 95%) Spécifique (+ cornée + disque) 3 chaines alpha polypeptidiques enroulées en triple hélice Chaque chaine : domaine collagénique + domaines non-collagéniques Collagènes mineurs (≈ 5%) type VI : dans espace péricellulaire (adhésion cellule-matrice) type IX : collé à l’extérieur des fibrilles de coll II (stabilisation du réseau) type X : dans C4 (minéralisation extra-cellulaire) type XI : dans le Coll II (armature)

Produits par chondrocyte sous forme de pro-collagène En pathologie : ≈ 50e de mutations des gènes des collagènes dysplasies ± arthroses précoces

Les protéoglycanes (PG)

PG de petit PM (10 %)

Décorine Biglycane

Fibromoduline

Agrécanes (90%) Macroprotéoglycanes

Glycosaminoglycanes (GAG)

Protéoglycanes (PG)

Agrécanes = macroprotéoglycanes

La matrice extra-cellulaire (MEC) 65-80% d’eau + 20-30% de macromolécules

Glycosaminoglycanes (GAG) Longues chaînes polysaccharidiqes formées par la répétition de disaccharidiques composés d’un sucre aminé et d’un hexuronate

Kératane sulfate Chondroïtine sulfate

Charges négatives (COO-, SO4-) Captent les ions Ca++, Na+ hydrophilie

CS

Core protein =

Protéine porteuse

Acide hyaluronique

KS

Protéoglycanes de petit PM

Même protéine porteuse

Se différencient par la qualité et quantité

de leurs GAG

Décorine

Biglycane

Fibromoduline

Les glycoprotéines et protéines non collagéniques

Protéines non collagéniques

Adhésion des molécules entre elles « glu intercollagénique »

Rôle dans le maintien tridimensionnel de la MEC

Chondroadhérine, fibromoduline, fibronectine…

La matrice extra-cellulaire (MEC) 65-80% d’eau + 20-30% de macromolécules

Physiologie du cartilage articulaire: propriétés biomécaniques

Les propriétés biomécaniques du cartilage articulaire (hyalin) permettent de : Assurer le mouvement articulaire travail en glissement coefficient de friction très bas Maintenir la posture travail en compression amortisseur (rôle conjoint de l’os sous chondral): • Rigidité assurée par le réseau des fibres de collagène II • Élasticité assurée par l’hydrophilie des protéoglycanes permettant un

mouvement de va-et-vient de l’eau

Par le liquide synovial (LS) ≈ 300 cell/mm3 Dialysat du plasma (sauf les protéines à haut PM) petites molécules diffusent passivement (glucose) grosses molécules pénètrent lors des compressions cycliques macromolécules (albumine, Ig, …) ne pénètrent pas Glucose : principal substrat énergétique. vient de la glycolyse anaérobie glucosamine synthèse des GAG

H20

H20 H20

(1) (2) (3)

Physiologie du cartilage articulaire: nutrition

Composants de la matrice

collagène(s)

protéoglycanes

Protéines non collagéniques

Enzymes de dégradation

des collagènes (MMP)

des protéoglycans (PGase)

des autres composants

Dégradation

HOMEOSTASIE

Synthèse

Physiologie du cartilage articulaire: renouvellement tissulaire

Contraintes mécaniques

Facteurs de croissance (TGFb, FGFb, IGF)

Chondrocyte

TGF-ß IGF-1 bFGF

Synthèse Dégradation

IL-1 TNF

TGF-ß IGF-1 IL-6

IL-1 TNF

+

-

+

-

Le renouvellement de la matrice extracellulaire est extrêmement lent. Pratiquement nul pour les collagènes. Plusieurs centaines de jours pour les protéoglycanes. Turnover augmentant dans el cartilage des sujets plus âgés. Activité métabolique et réponse au stress mécanique variables selon les articulations.

Physiologie du cartilage articulaire: régulation du renouvellement tissulaire

L’âge fait le lit de l’arthrose

Modifications avec l’âge

Biomécanique Élasticité

Macroscopie Couleur jaunâtre Fibrillation de surface

Microscopie nombre de chondrocytes

Biochimie Teneur en eau CS KS HA Coll II Fragmentation agrécane

Régulation Cytokines proinflammatoires + actives pour produire MMP Réponse aux facteurs de croissance

Vieillissement du cartilage articulaire:

L’arthrose

Heberden Bouchard

Définition de l’arthrose (OMS, 1994)

« L’arthrose est la résultante des phénomènes mécaniques et biologiques qui déstabilisent l’équilibre entre la synthèse et la dégradation du cartilage et de l’os sous-chondral. L’arthrose touche tous les tissus de l’articulation diarthrodiale (…) conduisant à une perte du cartilage articulaire, une sclérose de l’os sous-chondral avec prolifération d’ostéophytes et de kystes sous-chondraux. L’atteinte synoviale est secondaire ».

MEMBRANE

SYNOVIALE

LIQUIDE SYNOVIAL

CARTILAGE

OS SOUS-CHONDRAL

Stress mécanique

intégrines

NF-kB MAP

Kinases

Cox-2

PGE2

IL-6

intégrines

Cox-2

PGE2

IL-1ß

NO

NF-kB MAP

Kinases

Pro-MMPs

MMP1

MMP2

MMP3

MMP8

MMP9

MMP13

ADAMTS-4/5

MMPs

plasminogène

plasmine

mRNA MMPs

Synoviocyte B

Chondrocyte

Ostéoblaste

MEC

collagène

PG

IL1ß TNF MMP-1

PGE2

Gabay O et al. Joint Bone Spine, 2008, 75 : 675-9.

Physiopathologie de l’arthrose

Hyper pression

cartilage normal

Altération cartilagineuse

pression normale

Dysplasies

Instabilités

Surcharges

Incongruence

Cartilage (chondrocalcinose, ochronose, trauma)

Os (Paget, nécrose)

Synoviale (inflammation, infection)

Autres (génétique)

Mécanismes ± associés

Arthroses mécaniques

Arthroses structurales

Dégénérescence cartilagineuse = arthrose

Pathogénie de l’arthrose

Anatomopathologie de l’arthrose

100 Population générale > 50 ans

60 Arthrose anatomique

30 Arthrose radiologique

15 Arthrose symptomatique

5 Arthrosique qui consulte

Dissociation anatomo-clinique

Différents stades évolutifs de la maladie arthrosique

main (60 %)

hanche (10 %)

pied (< 10 %)

colonne cervicale

(75 %)

colonne lombaire

(70 %)

genou (30 %)

Prévalence de l’arthrose radiologique chez les 65-75 ans (hommes + femmes)

Plus fréquente des pathologies articulaires

Prévalence de l’arthrose radiographique (45 - 75 ans)

Guillemin F, Rat MC, Mazières B et al. Cohorte KHOALA. Osteoarthritis & Cartilage, 2011 (in press) Le Pen C et al. Etude COART. Joint Bone Spine, 2005, 72 : 567.

Population Française1

métropolitaine 45-75 ans

Coxarthrose

Gonarthrose

% Nbre % Nbre

Femmes 11 480 420 2,5 287 011 6,6 757 708

Hommes 10 658 836 1,9 202 518 4,7 500 965

Total 22 139 256 — 489 528 — 1 258 673

1données démographiques INSEE, 1er janvier 2011

≈ 2 millions de coxarthroses et gonarthroses symptomatiques en France

Coût de l’arthrose en France en 2003 (étude COART) ≈ 1,6 milliard € / an (en augmentation de 160 % en 10 ans)

Prévalence des arthroses symptomatiques de la hanche (coxarthrose) et du genou (gonarthrose) en population

générale (45 - 75 ans) en France

Mazières B et al. ARD, 2002, 61 (suppl 1): 39-40.

Facteurs de risque RR de gonarthrose

Surpoids (BMI > 27) 3,60

Obésité (BMI > 30) 7,53

Activité sport. Importante

2,76

Histoire familiale 3,24

Chondrocalcinose 2,75

Hyperostose vertébrale 10,06

Arthrose des doigts 1,95

Fracture genou 6,45

Entorse, contusion 2,02

Genu varum/valgum 2,84

Méniscectomie 8,55

Analyse multivariée de 300 gonarthroses vs 300 témoins

(appariés par âge et sexe)

Un facteur de risque : 99,7 % des malades

En moyenne :

2,7 facteurs de risque / malade

Facteurs de risque de l’arthrose du genou (gonarthrose)

Fréquence des nodules d’Heberden chez les mères et les sœurs de malades et chez celles de témoins

RM Stecher 1941

5/109 (4,6 %) 0/43 (0,0 %) 43 femmes Heberden (-)

33/129 (25,6 %) 21/66 (31,8 %) 66 femmes Heberden (+)

chez les sœurs chez les mères

d’Heberden Fréquence

Hérédité

Facteurs de risque de l’arthrose digitale

Surcharge localisée par désaxation

exemple du genu valgum

Facteurs de risque

Facteurs de risque exemple du genu varum

Structures articulaires normales pas d’hyperlaxité pas d’arthrose familiale

Sports de loisir Pas d’accident Arthrose (-)

Arthrose (+++)

Dysplasies hyperlaxité arthrose familiale

Compétition débutée < puberté

accidents

Sélection Certificat d’aptitude

Encadrement entrainement échauffement

Prévention encadrement technique traitement précoce reprise progressive

Sports et prévention du risque d’arthrose

Facteurs de risque

Perspectives thérapeutiques

Type de prise en charge

Non-pharmacologiques

Pharmacologiques actuels

En cours d’étude

Cartilage Anti-arthrosiques symptomatiques d’action lente* Infiltration d’acide hyaluronique

Facteurs de croissance Anti-cytokines

Os sous-chondral Bisphosphonates Calcitonine

Synoviale Chaud/froid Antalgiques AINS Infiltration cortisone

Anti-NGF Anti-bradykinine

Toute l’articulation Exercices Aides techniques** Chirurgie(s)

Greffe cartilage Distraction articulaire

Tout l’individu Éducation thérapeutique Régime amaigrissant Cure thermale

** Aides techniques : canne, orthèses * AASAL : glucosamine, chondroïtine, diacerheine, extraits avocat-soja

Remerciements au Pr Bernard MAzières