Les disques intervertébraux occupent environ un tiers de la colonne vertébrale. Étant donné qu'ils fournissent non seulement de la flexibilité à la colonne vertébrale mais transmettent également des charges, leur comportement mécanique a une grande influence sur la mécanique de l'ensemble de la colonne vertébrale. Une forte proportion de cas de lombalgie est associée au disque, soit directement par une hernie discale, soit indirectement, car les disques dégénérés soumettent d'autres structures vertébrales à un stress anormal. Dans cet article, nous passons en revue la structure et la composition du disque en relation avec sa fonction mécanique et discutons des changements du disque dans la maladie.
Anatomie
Il y a 24 disques intervertébraux dans la colonne vertébrale humaine, intercalés entre les corps vertébraux. Ensemble, ils constituent le composant antérieur (avant) de la colonne vertébrale, avec les articulations facettaires articulées et les apophyses transverses et épineuses constituant les éléments postérieurs (arrière). Les disques augmentent de taille le long de la colonne vertébrale, jusqu'à environ 45 mm antéro-postérieur, 64 mm latéralement et 11 mm de hauteur dans la région du bas du dos.
Le disque est fait de tissu semblable à du cartilage et se compose de trois régions distinctes (voir figure 1). La région interne (nucleus pulposus) est une masse gélatineuse, en particulier chez le jeune. La région externe du disque (annulus fibrosus) est ferme et baguée. Les fibres de l'anneau sont entrecroisées dans une disposition qui lui permet de résister à des charges de flexion et de torsion élevées. Avec l'âge, le noyau perd de l'eau, devient plus ferme et la distinction entre les deux régions est moins nette qu'au début de la vie. Le disque est séparé de l'os par une fine couche de cartilage hyalin, la troisième région. À l'âge adulte, la plaque d'extrémité du cartilage et le disque lui-même n'ont normalement pas de vaisseaux sanguins mais dépendent de l'apport sanguin des tissus adjacents, tels que les ligaments et le corps vertébral, pour transporter les nutriments et éliminer les déchets. Seule la partie externe du disque est innervée.
Figure 1. Les proportions relatives des trois composants principaux du disque intervertébral humain adulte normal et de la plaque d'extrémité du cartilage.
Composition
Le disque, comme les autres cartilages, est constitué principalement d'une matrice de fibres de collagène (qui sont noyées dans un gel de protéoglycane) et d'eau. Ceux-ci représentent ensemble 90 à 95% de la masse tissulaire totale, bien que les proportions varient selon l'emplacement dans le disque et avec l'âge et la dégénérescence. Il y a des cellules dispersées dans la matrice qui sont responsables de la synthèse et du maintien des différents composants qu'elle contient (figure 2). Une revue de la biochimie du disque peut être trouvée dans Urban et Roberts 1994.
Figure 2. Représentation schématique de la structure du disque, montrant des fibres de collagène en bandes entrecoupées de nombreuses molécules de protéoglycane en forme de goupillon et de quelques cellules.
Protéoglycanes: Le protéoglycane majeur du disque, l'aggrécane, est une grosse molécule constituée d'un noyau protéique central auquel sont attachés de nombreux glycosaminoglycanes (chaînes répétitives de disaccharides) (voir figure 3). Ces chaînes latérales ont une haute densité de charges négatives qui leur sont associées, ce qui les rend attractives pour les molécules d'eau (hydrophiles), une propriété décrite comme pression de gonflement. Il est très important pour le fonctionnement du disque.
Figure 3. Schéma d'une partie d'un agrégat de protéoglycanes de disque. G1, G2 et G3 sont des régions globulaires repliées de la protéine du noyau central.
D'énormes agrégats de protéoglycanes peuvent se former lorsque des molécules individuelles se lient à une chaîne d'un autre produit chimique, l'acide hyaluronique. La taille des aggrécanes varie (dont le poids moléculaire va de 300,000 7 à XNUMX millions de daltons) en fonction du nombre de molécules qui composent l'agrégat. D'autres types plus petits de protéoglycanes ont également été récemment trouvés dans le disque et la plaque d'extrémité du cartilage, par exemple la décorine, le biglycane, la fibromoduline et le lumican. Leur fonction est généralement inconnue mais la fibromoduline et la décorine peuvent être impliquées dans la régulation de la formation du réseau de collagène.
Eau: L'eau est le principal constituant du disque, constituant 65 à 90 % du volume tissulaire selon l'âge et la région du disque. Il existe une corrélation entre la quantité de protéoglycane et la teneur en eau de la matrice. La quantité d'eau varie également en fonction de la charge appliquée au disque, donc la teneur en eau diffère de nuit et de jour puisque la charge sera très différente pendant le sommeil. L'eau est importante à la fois pour le fonctionnement mécanique du disque et pour fournir le milieu de transport des substances dissoutes à l'intérieur de la matrice.
: Le collagène est la principale protéine structurelle de l'organisme et se compose d'une famille d'au moins 17 protéines distinctes. Tous les collagènes ont des régions hélicoïdales et sont stabilisés par une série de réticulations intra- et inter-moléculaires, qui rendent les molécules très résistantes aux contraintes mécaniques et à la dégradation enzymatique. La longueur et la forme des différents types de molécules de collagène et la proportion qui est hélicoïdale varient. Le disque est composé de plusieurs types de collagènes, l'anneau externe étant principalement du collagène de type I, et le noyau et la plaque d'extrémité du cartilage principalement de type II. Les deux types forment des fibrilles qui fournissent le cadre structurel du disque. Les fibrilles du noyau sont beaucoup plus fines (>> mm de diamètre) que celles de l'anneau (0.1 à 0.2 mm de diamètre). Les cellules du disque sont souvent entourées d'une capsule de certains des autres types de collagène, tels que le type VI.
Cellules: Le disque intervertébral a une très faible densité de cellules par rapport aux autres tissus. Bien que la densité des cellules soit faible, leur activité continue est vitale pour la santé du disque, car les cellules produisent des macromolécules tout au long de la vie, pour remplacer celles qui se décomposent et se perdent avec le temps.
Fonction
La fonction principale du disque est mécanique. Le disque transmet la charge le long de la colonne vertébrale et permet également à la colonne vertébrale de se plier et de se tordre. Les charges sur le disque proviennent du poids corporel et de l'activité musculaire, et changent avec la posture (voir figure 4). Au cours des activités quotidiennes, le disque est soumis à des charges complexes. L'extension ou la flexion de la colonne vertébrale produit principalement des contraintes de traction et de compression sur le disque, qui augmentent en amplitude en descendant la colonne vertébrale, en raison des différences de poids corporel et de géométrie. La rotation de la colonne vertébrale produit des contraintes transversales (de cisaillement).
Figure 4. Pressions intradiscales relatives dans différentes postures par rapport à la pression en position debout (100 %).
Les disques sont sous pression, qui varie avec la posture d'environ 0.1 à 0.2 MPa au repos, à environ 1.5 à 2.5 MPa en flexion et en levage. La pression est principalement due à la pression de l'eau à travers le noyau et l'anneau interne dans un disque normal. Lorsque la charge sur le disque augmente, la pression est répartie uniformément sur la plaque d'extrémité et sur tout le disque.
Lors du chargement, le disque se déforme et perd de la hauteur. Le renflement de la plaque d'extrémité et de l'anneau, augmentant la tension sur ces structures, et la pression du noyau augmente en conséquence. Le degré de déformation du disque dépend de la vitesse à laquelle il est chargé. Le disque peut se déformer considérablement, se comprimant ou s'allongeant de 30 à 60 % lors de la flexion et de l'extension. Les distances entre les processus vertébraux adjacents peuvent augmenter de plus de 300 %. Si une charge est retirée en quelques secondes, le disque revient rapidement à son état antérieur, mais si la charge est maintenue, le disque continue à perdre de la hauteur. Ce «fluage» résulte de la déformation continue des structures du disque et également de la perte de fluide, car les disques perdent du fluide en raison de l'augmentation de la pression. Entre 10 et 25% du liquide du disque est lentement perdu lors des activités quotidiennes, lorsque le disque est soumis à des pressions beaucoup plus importantes, et récupéré en position couchée au repos. Cette perte d'eau peut entraîner une diminution de la taille d'un individu de 1 à 2 cm du matin au soir chez les travailleurs de jour.
Lorsque le disque change de composition en raison du vieillissement ou de la dégénérescence, la réponse du disque aux charges mécaniques change également. Avec une perte de protéoglycane et donc de teneur en eau, le noyau ne peut plus répondre aussi efficacement. Ce changement entraîne des contraintes inégales sur la plaque d'extrémité et les fibres de l'anneau et, dans les cas graves de dégénérescence, les fibres internes peuvent se gonfler vers l'intérieur lorsque le disque est chargé, ce qui, à son tour, peut entraîner des contraintes anormales sur d'autres structures du disque, éventuellement causant leur échec. La vitesse de fluage est également augmentée dans les disques dégénérés, qui perdent ainsi de la hauteur plus rapidement que les disques normaux sous la même charge. Le rétrécissement de l'espace discal affecte d'autres structures vertébrales, telles que les muscles et les ligaments, et, en particulier, entraîne une augmentation de la pression sur les articulations facettaires, ce qui peut être la cause des changements dégénératifs observés dans les articulations facettaires des épines présentant des anomalies. disques.
Contribution des principaux composants à la fonction
Protéoglycanes
La fonction du disque dépend du maintien de l'équilibre dans lequel la pression de l'eau du disque est équilibrée par la pression de gonflement du disque. La pression de gonflement dépend de la concentration des ions attirés dans le disque par les protéoglycanes chargés négativement, et dépend donc directement de la concentration des protéoglycanes. Si la charge sur le disque augmente, la pression de l'eau augmente et perturbe l'équilibre. Pour compenser, du liquide s'écoule du disque, augmentant la concentration de protéoglycanes et la pression osmotique du disque. Une telle expression fluide continue jusqu'à ce que l'équilibre soit rétabli ou que la charge sur le disque soit supprimée.
Les protéoglycanes affectent également le mouvement des fluides d'autres manières. Du fait de leur forte concentration dans les tissus, les espaces entre chaînes sont très réduits (0.003 à 0.004 mm). L'écoulement de fluide à travers ces petits pores est très lent, et donc même s'il existe un grand différentiel de pression, la vitesse à laquelle le fluide est perdu, et donc la vitesse de fluage du disque, est lente. Cependant, étant donné que les disques qui ont dégénéré ont des concentrations de protéoglycanes plus faibles, le fluide peut s'écouler plus rapidement à travers la matrice. Cela peut expliquer pourquoi les disques dégénérés perdent de la hauteur plus rapidement que les disques normaux. La charge et la concentration élevée de protéoglycanes contrôlent l'entrée et le mouvement d'autres substances dissoutes dans le disque. Les petites molécules (nutriments comme le glucose, l'oxygène) peuvent facilement pénétrer dans le disque et se déplacer à travers la matrice. Produits chimiques et ions électropositifs, tels que Na+ou Ca2+, ont des concentrations plus élevées dans le disque chargé négativement que dans le liquide interstitiel environnant. Les grosses molécules, telles que l'albumine sérique ou les immunoglobulines, sont trop volumineuses pour pénétrer dans le disque et ne sont présentes qu'à de très faibles concentrations. Les protéoglycanes peuvent également affecter l'activité cellulaire et le métabolisme. De petits protéoglycanes, tels que le biglycane, peuvent se lier à des facteurs de croissance et à d'autres médiateurs de l'activité cellulaire, les libérant lorsque la matrice est dégradée.
Eau
L'eau est le composant majeur du disque et la rigidité du tissu est maintenue par les propriétés hydrophiles des protéoglycanes. Avec la perte initiale d'eau, le disque devient plus flasque et déformable à mesure que le réseau de collagène se détend. Cependant, une fois que le disque a perdu une fraction importante d'eau, ses propriétés mécaniques changent drastiquement ; le tissu se comporte plus comme un solide que comme un composite sous charge. L'eau fournit également le milieu par lequel les nutriments et les déchets sont échangés entre le disque et l'approvisionnement en sang environnant.
Le réseau de collagène, qui peut supporter des charges de traction élevées, fournit un cadre pour le disque et l'ancre aux corps vertébraux voisins. Le réseau est gonflé par l'eau absorbée par les protéoglycanes ; à son tour, le réseau retient les protéoglycanes et les empêche de s'échapper du tissu. Ces trois composants forment ainsi ensemble une structure capable de supporter des charges de compression élevées.
L'organisation des fibrilles de collagène donne au disque sa souplesse. Les fibrilles sont disposées en couches, avec l'angle auquel les fibrilles de chaque couche s'étendent entre les corps vertébraux voisins, en alternance de direction. Ce tissage hautement spécialisé permet au disque de se caler largement, permettant ainsi la flexion de la colonne vertébrale, même si les fibrilles de collagène elles-mêmes ne peuvent s'étendre que d'environ 3 %.
Métabolisme
Les cellules du disque produisent à la fois de grosses molécules et des enzymes qui peuvent décomposer les composants de la matrice. Dans un disque sain, les taux de production et de dégradation de la matrice sont équilibrés. Si l'équilibre est rompu, la composition du disque doit finalement changer. Lors de la croissance, les taux de synthèse des molécules nouvelles et de remplacement sont supérieurs aux taux de dégradation, et les matériaux de la matrice s'accumulent autour des cellules. Avec le vieillissement et la dégénérescence, c'est l'inverse qui se produit. Les protéoglycanes durent normalement environ deux ans. Le collagène dure encore de nombreuses années. Si l'équilibre est perturbé, ou si l'activité cellulaire chute, la teneur en protéoglycanes de la matrice finit par diminuer, ce qui affecte les propriétés mécaniques du disque.
Les cellules de disque réagissent également aux changements de contrainte mécanique. La charge affecte le métabolisme du disque, bien que les mécanismes ne soient pas clairs. À l'heure actuelle, il est impossible de prédire quelles exigences mécaniques favorisent un équilibre stable et lesquelles peuvent favoriser la dégradation par rapport à la synthèse de la matrice.
Apport de nutriments
Étant donné que le disque reçoit des nutriments de l'apport sanguin des tissus adjacents, les nutriments tels que l'oxygène et le glucose doivent diffuser à travers la matrice vers les cellules au centre du disque. Les cellules peuvent se trouver à 7 ou 8 mm de la source de sang la plus proche. Des pentes abruptes se développent. A l'interface entre le disque et le corps vertébral, la concentration en oxygène est d'environ 50 %, alors qu'au centre du disque elle est inférieure à 1 %. Le métabolisme discal est principalement anaérobie. Lorsque l'oxygène tombe en dessous de 5 %, le disque augmente la production de lactate, un déchet métabolique. La concentration de lactate au centre du noyau peut être six à huit fois supérieure à celle du sang ou de l'interstitium (voir figure 5).
Figure 5. Les principales voies nutritionnelles vers le disque intervertébral sont par diffusion depuis le système vasculaire à l'intérieur du corps vertébral (V), à travers le plateau vertébral (E) jusqu'au noyau (N) ou depuis l'apport sanguin à l'extérieur de l'anneau (A) .
Une baisse de l'apport de nutriments est souvent suggérée comme une cause majeure de dégénérescence discale. La perméabilité de la plaque motrice du disque diminue avec l'âge, ce qui peut entraver le transport des nutriments dans le disque et entraîner une accumulation de déchets, tels que le lactate. Dans les disques où le transport des nutriments a été réduit, les concentrations d'oxygène au centre du disque peuvent chuter à des niveaux très bas. Ici, le métabolisme anaérobie, et par conséquent la production de lactate, augmente et l'acidité au centre du disque peut tomber jusqu'à un pH de 6.4. Ces faibles valeurs de pH, ainsi que de faibles tensions d'oxygène, réduisent la vitesse de synthèse de la matrice, entraînant une chute de la teneur en protéoglycanes. De plus, les cellules elles-mêmes peuvent ne pas survivre à une exposition prolongée à un pH acide. Un pourcentage élevé de cellules mortes a été trouvé dans les disques humains.
La dégénérescence du disque entraîne une perte de protéoglycane et une modification de sa structure, une désorganisation du réseau de collagène et une croissance des vaisseaux sanguins. Il est possible que certains de ces changements soient annulés. Il a été démontré que le disque a une certaine capacité de réparation.
Maladies
Scoliose: La scoliose est une courbure latérale de la colonne vertébrale, où le disque intervertébral et les corps vertébraux sont coincés. Elle est généralement associée à une torsion ou une rotation de la colonne vertébrale. En raison de la manière dont les côtes sont attachées aux vertèbres, cela donne lieu à une « bosse de côte », visible lorsque l'individu affecté se penche vers l'avant. La scoliose peut être due à une anomalie congénitale de la colonne vertébrale, telle qu'une hémivertèbre en forme de coin, ou elle peut survenir secondairement à un trouble tel que la dystrophie neuromusculaire. Cependant, dans la majorité des cas, la cause est inconnue et on parle donc de scoliose idiopathique. La douleur est rarement un problème dans la scoliose et un traitement est effectué, principalement pour arrêter le développement ultérieur de la courbure latérale de la colonne vertébrale. (Pour plus de détails sur le traitement clinique de cette pathologie et d'autres pathologies de la colonne vertébrale, voir Tidswell 1992.)
Spondylolésistance: Le spondylolisthésis est un glissement horizontal vers l'avant d'une vertèbre par rapport à une autre. Elle peut résulter d'une fracture du pont osseux reliant l'avant à l'arrière de la vertèbre. Évidemment, le disque intervertébral entre deux de ces vertèbres est étiré et soumis à des charges anormales. La matrice de ce disque et, dans une moindre mesure, des disques adjacents, montre des changements de composition typiques de la dégénérescence - perte d'eau et de protéoglycanes. Cette condition peut être diagnostiquée par rayons X.
Disque rompu ou prolapsus: La rupture de l'anneau postérieur est assez fréquente chez les adultes jeunes ou d'âge moyen physiquement actifs. Il ne peut pas être diagnostiqué par rayons X à moins qu'un discogramme ne soit effectué, dans lequel un matériau radio-opaque est injecté au centre du disque. Une déchirure peut alors être mise en évidence par le suivi du liquide du discogramme. Parfois, des morceaux isolés et séquestrés de matériau discal peuvent passer à travers cette déchirure dans le canal rachidien. L'irritation ou la pression sur le nerf sciatique provoque une douleur intense et une paresthésie (sciatique) dans le membre inférieur.
Maladie du disque dégénératif: Il s'agit d'un terme appliqué à un groupe mal défini de patients qui présentent une lombalgie. Ils peuvent montrer des changements dans l'apparence des rayons X, comme une diminution de la hauteur du disque et éventuellement la formation d'ostéophytes au bord des corps vertébraux. Ce groupe de patients pourrait représenter le stade terminal de plusieurs voies pathologiques. Par exemple, des déchirures annulaires non traitées peuvent éventuellement prendre cette forme.
Sténose spinale: Le rétrécissement du canal rachidien qui se produit dans la sténose rachidienne provoque une compression mécanique des racines nerveuses rachidiennes et de son apport sanguin. En tant que tel, il peut entraîner des symptômes tels que faiblesse, altération des réflexes, douleur ou perte de sensation (paresthésie), ou parfois ne présenter aucun symptôme. Le rétrécissement du canal peut, à son tour, être causé par divers facteurs, notamment la protrusion du disque intervertébral dans l'espace canalaire, la formation de nouveaux os dans les articulations facettaires (hypertrophie facettaire) et l'arthrite avec inflammation d'autres tissus conjonctifs mous.
L'interprétation des techniques d'imagerie plus récentes en relation avec la pathologie discale n'a pas été complètement établie. Par exemple, les disques dégénérés à l'imagerie par résonance magnétique (IRM) donnent un signal altéré par rapport à celui observé pour les disques "normaux". Cependant, la corrélation entre un disque d'aspect « dégénéré » en IRM et les symptômes cliniques est faible, 45 % des disques dégénérés en IRM étant asymptomatiques et 37 % des patients lombalgiques ayant une IRM normale du rachis.
Facteurs de risque
chargement
La charge sur les disques dépend de la posture. Les mesures intradiscales montrent que la position assise conduit à des pressions cinq fois supérieures à celles de la colonne vertébrale au repos (voir Figure 8). Si des poids externes sont soulevés, cela peut augmenter considérablement la pression intradiscale, en particulier si le poids est éloigné du corps. Évidemment, une charge accrue peut entraîner une rupture de disques qui, autrement, pourraient rester intacts.
Les enquêtes épidémiologiques passées en revue par Brinckmann et Pope (1990) s'accordent sur un point : soulever ou porter des objets lourds de manière répétitive ou effectuer un travail en flexion ou en hyperextension représentent des facteurs de risque de problèmes de lombalgie. De même, certains sports, comme l'haltérophilie, peuvent être associés à une incidence plus élevée de maux de dos que, par exemple, la natation. Le mécanisme n'est pas clair, bien que les différents modèles de chargement puissent être pertinents.
Fumeur
La nutrition du disque est très précaire, ne nécessitant qu'une petite réduction du flux de nutriments pour le rendre insuffisant pour le métabolisme normal des cellules du disque. Le tabagisme peut entraîner une telle réduction en raison de son effet sur le système circulatoire à l'extérieur du disque intervertébral. Le transport des nutriments, tels que l'oxygène, le glucose ou le sulfate, dans le disque est significativement réduit après seulement 20 à 30 minutes de tabagisme, ce qui peut expliquer l'incidence plus élevée de lombalgie chez les personnes qui fument par rapport à celles qui ne le font pas ( Rydevik et Holm 1992).
Vibration
Des études épidémiologiques ont montré qu'il existe une incidence accrue de lombalgies chez les personnes exposées à des niveaux élevés de vibrations. La colonne vertébrale est susceptible d'être endommagée à ses fréquences naturelles, en particulier de 5 à 10 Hz. De nombreux véhicules excitent des vibrations à ces fréquences. Des études rapportées par Brinckmann et Pope (1990) ont montré une relation entre ces vibrations et l'incidence des lombalgies. Puisqu'il a été démontré que les vibrations affectent les petits vaisseaux sanguins dans d'autres tissus, cela peut également être le mécanisme de son effet sur la colonne vertébrale.