Les disques intervertébraux

 

Sally Roberts et Jill P.G. Urban

 

Les disques intervertébraux représentent environ un tiers des structures du rachis. Comme ils ne sont pas seulement responsables de la souplesse de la colonne vertébrale, mais qu’ils transmettent également la charge, leur comportement mécanique a une grande influence sur la mécanique du rachis dans son ensemble. Une grande partie des douleurs lombaires est associée au disque soit directement en raison d’une hernie discale, soit indirectement à cause de la dégénérescence discale qui soumet d’autres structures rachidiennes à des contraintes anormales. Dans cet article, nous aborderons la structure et la composition du disque en relation avec sa fonction mécanique et nous traiterons des modifications pathologiques du disque.

 

L’anatomie

Le rachis humain se compose de vingt-quatre disques intervertébraux intercalés entre les corps vertébraux. Ensemble, ils constituent la structure antérieure (frontale) du rachis, alors que les facettes articulaires, ainsi que les apophyses transverses et épineuses forment les éléments postérieurs. La taille des disques augmente depuis le haut jusqu’au bas du rachis, avec approximativement 45 mm en dimension antéro-postérieure, 64 mm de large et 11 mm d’épaisseur dans la région lombaire.

 

Le disque qui est composé d’un tissu ressemblant au cartilage comporte trois régions différentes (voir figure 6.5). La région interne (noyau pulpeux ou nucleus pulposus) est une masse gélatineuse, en particulier chez les personnes jeunes. L’extérieur du disque (anneau fibreux ou annulus fibrosus) est ferme et sous tension. Les fibres de l’anneau sont entrecroisées de façon à résister à des forces de flexion et de torsion importantes. Avec l’avancée en âge, le noyau perd une partie de son eau, devient plus ferme et la distinction entre les deux régions est moins nette qu’à un stade moins avancé de la vie. Le disque est séparé de l’os par une fine couche de cartilage hyalin, la troisième partie. Chez l’adulte, le cartilage basal et le disque lui-même n’ont habituellement pas leurs vaisseaux sanguins propres, mais comptent sur les apports sanguins des tissus adjacents, tels que les ligaments et les corps vertébraux, pour assurer leurs besoins en éléments nutritifs et l’élimination des déchets. Seule la partie extérieure du disque est innervée.

 

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Figure 6.5 Proportions relatives des trois composants principaux du disque intervertébral adulte, humain, normal

 

 

 

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La composition

Le disque, comme les autres cartilages, contient principalement une matrice de fibres collagènes enrobée dans un gel de protéo-glycanes et d’eau. Le collagène et l’eau représentent 90 à 95% de la masse tissulaire totale, bien que les proportions varient avec la localisation à l’intérieur du disque, avec l’âge et avec l’état de dégénérescence. Des cellules dispersées à travers la matrice assurent la synthèse et le maintien de ces différents composants (voir figure 6.6). Pour un bilan de la biochimie du disque intervertébral, on pourra consulter l’ouvrage de Urban et Roberts, 1994.

 

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Figure 6.6 Schéma de la structure du disque montrant des fibres collagéniques entremêlées avec de nombreuses molécules de protéoglycanes en forme d’écouvillon et quelques cellules

 

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Les protéoglycanes: le protéoglycane le plus important du disque, l’aggrécane, est une grosse molécule composée d’une protéine centrale sur laquelle sont accrochés de nombreux glycosaminogly-canes (chaînes répétitives de disaccharides) (voir figure 6.7). Ces chaînes latérales ont une haute densité de charges négatives qui leur permettent d’attirer les molécules d’eau (hydrophiles). Cette propriété, que l’on appelle pression de gonflement, revêt une grande importance pour le fonctionnement du disque.

 

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Figure 6.7 Schéma d’un agrégat de protéoglycanes discal. Les domaines G1, G2 et G3 sont des structures globulaires localisées sur la protéine de soutien

 

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Des agrégats importants de protéoglycanes peuvent se former quand des molécules individuelles se fixent sur une chaîne d’un autre composé chimique, l’acide hyaluronique. La taille des ag-grécanes varie (avec des poids moléculaires allant de 300 000 à 7 millions de daltons) en fonction du nombre de molécules qui participent à l’agrégat. D’autres types plus petits de protéoglyca-nes ont récemment été également trouvés dans le disque et le cartilage basal: la décorine, le biglycane, la fibromoduline et le lumicane par exemple. Leur fonction est en général inconnue, mais la fibromoduline et la décorine pourraient être impliquées dans la régulation de la formation de la trame collagénique.

 

L’eau: constituant principal du disque, l’eau représente 65 à 90% du volume tissulaire, selon l’âge et la région du disque. Il existe une corrélation entre la quantité de protéoglycanes et la teneur en eau de la matrice. La quantité d’eau change également en fonction de la charge qui s’exerce sur le disque; c’est pourquoi la teneur en eau varie entre la nuit et le jour, la charge étant très différente pendant le sommeil. L’eau est importante et pour le fonctionnement mécanique du disque et pour le transport des substances dissoutes à l’intérieur de la matrice.

 

Le collagène: le collagène est la principale protéine de structure de l’organisme; il comporte une famille d’au moins dix-sept protéines différentes. Tous les collagènes ont des zones hélicoïdales et sont stabilisés par une série de ponts à l’intérieur et entre les molécules qui leur confèrent une importante résistance aux contraintes mécaniques et aux dégradations enzymatiques. La longueur et la forme des différents types de molécules de collagène et la proportion des zones hélicoïdales varient. Le disque est composé de plusieurs types de collagènes avec, dans la partie extérieure de l’annulus, une prédominance de collagène de type I et, dans le noyau et le cartilage basal, une prédominance de type II. Les deux types forment des fibrilles qui constituent la trame de la structure du disque. Les fibrilles du noyau sont beaucoup plus fines (≈0,05 µm de diamètre) que celles de l’annulus (0,1 à 0,2 µm de diamètre). Les cellules du disque sont souvent entourées par une capsule composée d’autres types de collagènes comme le collagène de type VI.

 

Les cellules: comparés à d’autres tissus, les disques intervertébraux ont une très faible densité cellulaire. Bien que cette densité soit faible, l’activité permanente des cellules est vitale pour la santé du disque, car elles produisent des macromolécules qui, tout au long de la vie, remplacent celles qui sont détruites et disparaissent au fil du temps.

 

La fonction

Le disque a surtout une fonction mécanique. Il transmet la charge le long du rachis et lui permet de se courber et de se tourner. Les charges qui s’exercent sur le disque proviennent du poids corporel et de l’activité musculaire et se modifient avec la position du corps (voir figure 6.8). Au cours des activités quotidiennes, le disque est soumis à des charges complexes. L’extension ou la flexion du rachis produisent sur le disque des forces de tension et de compression dont l’intensité, en raison des différences de poids corporel et de géométrie, augmente au fur et à mesure que l’on descend le long du rachis. La rotation de la colonne génère des forces de cisaillement.

 

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Figure 6.8 Pressions intradiscales relatives dans différentes postures par comparaison avec la station debout (100%)

 

 

Source: d’après Nachemson, 1992.

 

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Les disques sont soumis à une pression variant en fonction de la position du corps: de 0,1 à 0,2 MPa environ au repos, et de 1,5 à 2,5 MPa au cours des mouvements de flexion ou de levage. Cette pression est essentiellement liée à la pression hydraulique au niveau du noyau et de la partie interne de l’anneau dans un disque normal. Quand la charge sur le disque augmente, la pression se répartit uniformément à travers la lame basale et dans tout le disque.

 

Lorsqu’il est en charge, le disque se déforme et perd de sa hauteur. La lame basale et le débord de l’anneau discal sont soumis à une pression croissante et, de ce fait, la pression sur le noyau s’élève. Le degré de déformation du disque dépend de la vitesse de la mise en charge. Le disque peut se déformer de façon considérable, se comprimant ou s’expansant de 30 à 60% au cours de la flexion ou de l’extension du rachis. Les distances entre les apophyses épineuses adjacentes peuvent augmenter de plus de 300%. Si la charge cesse, en quelques secondes, le disque reprend rapidement sa taille initiale, mais si elle est maintenue, le disque continue à perdre de sa hauteur. Cet «affaissement» résulte de la poursuite de la déformation des structures discales, mais aussi de la perte hydrique, puisque le disque perd ses liquides du fait de l’augmentation de la pression. Au cours des activités quotidiennes, le disque perd progressivement entre 10 et 25% de ses liquides quand il est soumis à de fortes pressions et il les regagne lors du repos en position couchée. Cette perte d’eau peut conduire à une diminution de stature de 1 à 2 cm entre le matin et le soir chez les travailleurs diurnes.

 

Au fur et à mesure que la composition du disque se modifie avec l’âge ou la dégénérescence, sa réaction aux charges mécaniques change également. Du fait de la perte des protéoglycanes et donc de la teneur en eau, le noyau ne peut plus réagir aussi efficacement. Ce changement se traduit par une répartition non uniforme des contraintes sur la lame basale et sur les fibres de l’anneau et, en cas de dégénérescence sévère, les fibres internes peuvent faire saillie à l’intérieur quand le disque est en charge, ce qui peut alors causer des contraintes anormales sur d’autres structures discales pouvant aller jusqu’à leur rupture. La vitesse d’affaissement est également augmentée dans les disques dégénérés qui, ainsi, perdent de la hauteur plus vite que des disques normaux soumis à la même charge. L’étroitesse de l’espace discal affecte d’autres structures rachidiennes telles que les muscles et les ligaments et conduit, en particulier, à une augmentation de la pression sur les facettes articulaires, responsable des changements dégénératifs au niveau des disques anormaux.

 

Le rôle des principaux composants dans la fonction discale

 

Les protéoglycanes

La fonction discale dépend du maintien de l’équilibre entre la pression de l’eau dans le disque et sa pression de gonflement. La pression de gonflement est fonction de la concentration en ions attirés à l’intérieur du disque par les protéoglycanes chargés négativement et dépend ainsi directement de la concentration en pro-téoglycanes. Si la charge sur le disque augmente, la pression de l’eau s’élève et perturbe cet équilibre. L’augmentation de la concentration en protéoglycanes, ainsi que celle de la pression osmo-tique du disque compensent la fuite des liquides à l’extérieur du disque. Un tel mouvement liquidien se poursuit jusqu’à ce qu’un nouvel équilibre soit atteint ou que la charge sur le disque cesse.

 

Les protéoglycanes exercent un rôle sur les mouvements liqui-diens également par d’autres biais. Du fait de leur haute concentration dans les tissus, les espaces entre les chaînes sont très fins (0,003 à 0,004 µm). A travers des pores aussi petits, les courants liquidiens sont très lents, et quand bien même la différence de pression est importante, la vitesse à laquelle les liquides disparaissent et donc la vitesse d’aplatissement du disque, est lente elle aussi. Cependant, puisque les disques dégénérés ont des concentrations de protéoglycanes plus basses, les liquides peuvent circuler plus vite à travers la matrice. Cela pourrait expliquer que les disques dégénérés perdent de la hauteur plus rapidement que les disques normaux. La charge et la concentration élevée en protéoglycanes contrôlent l’entrée et les mouvements des autres substances dissoutes à l’intérieur du disque. Des petites molécules d’éléments nutritifs telles que le glucose et l’oxygène peuvent facilement entrer dans le disque et se répartir dans la matrice. Les substances chimiques chargées positivement et les ions tels que le Na+ou Ca2+ (le sodium ou le calcium) se trouvent en concentration plus élevée dans le disque chargé négativement que dans les liquides interstitiels environnants. Les grosses molécules, telles que l’albumine sérique ou les immunoglobulines, sont trop volumineuses pour pénétrer dans le disque et sont présentes uniquement en concentrations très faibles. Les protéoglycanes peuvent également avoir des répercussions sur l’activité et le métabolisme cellulaires. Les petits protéoglycanes tels que le biglycane peuvent lier des facteurs de croissance et d’autres médiateurs de l’activité cellulaire, les relarguant quand la matrice est dégradée.

 

L’eau

L’eau est la principale composante du disque et la rigidité du tissu est assurée grâce aux propriétés hydrophiles des protéoglycanes. Lors d’une perte en eau, le disque devient plus flasque et déforma-ble, au fur et à mesure que la trame collagénique se relâche. Cependant, dès que le disque a perdu une proportion importante de son eau, ses propriétés mécaniques changent du tout au tout, le tissu se comportant davantage comme un solide que comme une structure composée soumise à une charge. L’eau fournit également le milieu grâce auquel les éléments nutritifs et les déchets sont échangés entre le disque et le sang environnant.

 

Le collagène

La trame collagénique, qui peut supporter des charges d’étire-ment élevées, fournit une structure au disque et permet son ancrage aux corps vertébraux voisins. Cette trame est gonflée par l’eau retenue par les protéoglycanes; la trame retient alors les protéoglycanes et les empêche de s’échapper du tissu. Ces trois composés ainsi réunis forment une structure qui est capable de supporter des charges de compression élevées.

 

L’organisation des fibres collagènes fournit au disque sa flexibilité. Les fibres sont disposées en couche d’orientation alternée, avec une angulation telle que celles de chaque couche s’orientent en direction des corps vertébraux voisins. Le tissage hautement spécialisé assure aux disques des angulations extrêmes, permettant ainsi la flexion du rachis, même si les fibres collagènes elles-mêmes ne peuvent s’étirer que d’environ 3%.

 

Le métabolisme

Les cellules du disque produisent de grosses molécules, ainsi que des enzymes qui peuvent détruire les composants matriciels. Dans un disque sain, les vitesses de production et de destruction de la matrice sont équilibrées. Si cet équilibre est rompu, la composition du disque change. Pendant la croissance, les vitesses de synthèse des molécules nouvelles ou de remplacement sont plus élevées que les vitesses de dégradation et les matériaux matriciels s’accumulent autour des cellules. Avec l’âge et la dégénérescence, le processus s’inverse. Normalement, les protéoglycanes sont renouvelés tous les deux ans environ, le collagène bien moins souvent. Si l’équilibre est perturbé ou si l’activité cellulaire baisse, la teneur de la matrice en protéoglycanes finit par diminuer, ce qui affecte les propriétés mécaniques du disque.

 

Les cellules du disque répondent également aux changements de contrainte mécanique. La mise en charge affecte le métabolisme discal, bien que les mécanismes n’en soient pas clairement établis. Actuellement, il est impossible de dire que tel type de sollicitation mécanique favorise un équilibre stable, alors que tel autre encourage la dégradation de la matrice par rapport à sa synthèse.

 

L’apport d’éléments nutritifs

Le disque reçoit des éléments nutritifs tels que l’oxygène et le glucose à partir du sang des tissus adjacents; ceux-ci doivent diffuser à travers la matrice jusqu’aux cellules situées au centre du disque. Les cellules peuvent être distantes de 7 à 8 mm du vaisseau sanguin le plus proche. Des gradients très importants se développent. A l’interface entre le disque et le corps vertébral, la concentration en oxygène se situe aux alentours de 50%, alors qu’au centre du disque elle est inférieure à 1%. Le métabolisme du disque se fait, pour l’essentiel, en condition anaérobie. Quand l’oxygène tombe au-dessous de 5%, le disque augmente sa production de lactate qui est un déchet métabolique. La concentration en lactate dans le centre du noyau peut être six à huit fois plus élevée que celle du sang ou du milieu interstitiel (voir figure 6.9.)

 

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Figure 6.9 Les principales filières nutritionnelles du disque intervertébral utilisent la diffusion à partir des vaisseaux du corps vertébral (V), à travers les plateaux (P) jusqu’au noyau (N), ou à partir du sang provenant de l’extérieur de l’annulus (A)

 

 

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On explique souvent la dégénérescence discale par la baisse de l’apport d’éléments nutritifs. La perméabilité de la plaque basale du disque diminue avec l’âge, ce qui peut entraver l’acheminement des éléments nutritifs au disque et entraîner une accumulation de déchets tels que le lactate. Dans les disques où l’apport d’éléments nutritifs est réduit, les concentrations d’oxygène dans le centre du disque peuvent descendre à des niveaux très bas. Le métabolisme en anaérobie augmente et la production de lactate et l’acidité peut alors tomber à cet endroit à un pH de 6,4. A des valeurs de pH et à des pressions d’oxygène aussi basses, la vitesse de synthèse matricielle est réduite, aboutissant à une chute de la teneur en protéoglycanes. De plus, les cellules elles-mêmes peuvent ne pas survivre à des expositions prolongées à un pH acide. Un pourcentage élevé de mort cellulaire a été relevé dans les disques humains.

 

La dégénérescence du disque conduit à une perte en protéogly-canes et à une modification de sa structure, avec une désorganisation de la trame collagénique et une pénétration de vaisseaux sanguins. Il est possible que certains de ces changements puissent être réversibles puisqu’il a été montré que le disque possédait certaines capacités de réparation.

 

Les pathologies

La scoliose: la scoliose est une déviation latérale du rachis dans laquelle et les disques intervertébraux et les corps vertébraux sont soumis à angulation. Elle est habituellement associée à une torsion ou à une rotation du rachis. Etant donné la façon dont les côtes sont attachées aux vertèbres, il se produit une «bosse costale», visible quand les individus atteints se penchent en avant. La scoliose peut être due à un défaut congénital du rachis tel qu’une hémivertèbre en coin, ou peut apparaître secondairement à une affection telle qu’une dystrophie neuromusculaire. Cependant, dans la majorité des cas, la cause est inconnue et c’est pourquoi on parle de scoliose idiopathique. La scoliose est rarement douloureuse et le traitement est proposé principalement pour éviter l’aggravation de la déformation latérale du rachis (pour de plus amples précisions sur le traitement clinique de cette pathologie et des autres atteintes rachidiennes, voir Tidswell, 1992).

 

Le spondylolisthésis: le spondylolisthésis est un glissement horizontal vers l’avant d’une vertèbre par rapport à une autre. Il peut provenir d’une fracture du pont osseux reliant la partie frontale à la partie postérieure de la vertèbre. De toute évidence, le disque intervertébral situé entre ces deux vertèbres est étiré et soumis à des charges anormales. La matrice du disque et, à un moindre degré, les disques adjacents, présentent des changements dans leur composition qui sont typiques d’une dégénérescence — perte d’eau et de protéoglycanes. Cette anomalie est diagnostiquée par radiographie.

 

La rupture et la saillie discale: la rupture de l’anneau postérieur du disque est assez courante chez les adultes jeunes ou d’âge moyen physiquement actifs. Le diagnostic ne peut pas être fait par rayons X en dehors de la réalisation d’une discographie au cours de laquelle un produit de contraste est injecté au centre du disque. Une déchirure peut alors être mise en évidence par le cheminement du liquide de discographie. Parfois, des fragments isolés ou séquestrés de matériel discal peuvent passer à travers la fissure à l’intérieur du canal rachidien. L’irritation ou la pression exercée sur le nerf sciatique sont responsables de douleurs intenses et de paresthésie (sciatique) dans les membres inférieurs.

 

La maladie discale dégénérative: c’est un terme employé pour désigner un groupe de patients à la pathologie mal définie qui souffrent de douleurs lombaires et présentent parfois des modifications de leur image radiologique telles qu’une diminution de hauteur du disque et, éventuellement, la formation d’ostéophytes en bordure des corps vertébraux. Il pourrait s’agir du stade terminal de certaines situations pathologiques, par exemple d’une déchirure de l’anneau discal non traitée.

 

La sténose rachidienne: le rétrécissement du canal qui survient dans les sténoses rachidiennes est responsable d’une compression mécanique des racines nerveuses et d’une limitation de leur apport sanguin. Ce rétrécissement peut conduire à des symptômes tels qu’une faiblesse motrice, une altération des réflexes ostéoten-dineux, des douleurs ou une perte de sensibilité (paresthésie), mais il peut aussi parfois ne se manifester par aucun symptôme. Le rétrécissement du canal peut, quant à lui, être causé par divers facteurs tels qu’une protrusion du disque intervertébral à l’intérieur de l’espace canalaire, par une néoformation osseuse au niveau des facettes articulaires (hypertrophie des apophyses articulaires) ou par des lésions arthrosiques avec inflammation des autres tissus mous.

 

L’interprétation des techniques d’imagerie récentes en relation avec la pathologie discale n’a pas été complètement établie. En résonance magnétique nucléaire (RMN), par exemple, les disques dégénérés donnent un signal anormal alors que ce n’est pas le cas pour un disque «normal». Cependant, la corrélation entre un disque d’aspect «dégénéré» en RMN et les symptômes cliniques est faible, avec 45% de disques dégénérés en RMN qui sont asymptomatiques et 37% des patients avec des douleurs lombaires présentant une RMN rachidienne normale.

 

Les facteurs de risque

 

La charge

La charge sur les disques dépend de la posture. D’après les mesures intradiscales, les pressions qui s’exercent sur la colonne sont cinq fois plus grandes en posture assise qu’au repos en position couchée (voir figure 6.8). Si en plus le sujet lève une charge, surtout à distance du corps, la pression intradiscale peut augmenter de façon considérable. Il peut alors se produire une rupture du disque qui, dans d’autres circonstances, aurait pu rester intact.

 

D’après Brinckmann et Pope (1990) qui ont établi une synthèse des études épidémiologiques sur cette question, le levage ou le port répétés de charges lourdes ou l’exécution de tâches en position fléchie ou en hyperextension représentent un facteur de risque pour les troubles lombaires. De même, certains sports, tels que l’haltérophilie, peuvent être associés à une incidence plus élevée de douleurs lombaires que la natation, par exemple. Le mécanisme qui intervient n’est pas clair, bien que les différentes circonstances de charge soient en rapport.

 

Le tabagisme

La nutrition du disque est très précaire, une réduction même minime du flux des éléments nutritifs pouvant compromettre le métabolisme normal des cellules discales. Le tabagisme peut être responsable d’une telle réduction à cause de son effet sur le système circulatoire à l’extérieur du disque intervertébral. Le transport des éléments nutritifs tels que l’oxygène, le glucose ou le sulfate à l’intérieur du disque diminue de façon significative dans les vingt à trente minutes après qu’une personne a fumé, ce qui peut expliquer l’incidence plus élevée des lombalgies chez les fumeurs que chez les non-fumeurs (Rydevik et Holm, 1992).

 

Les vibrations

Des études épidémiologiques ont montré que l’incidence des douleurs lombaires augmentait chez les individus exposés à des vibrations de forte intensité. Le rachis peut être endommagé à des fréquences naturelles de résonance, particulièrement entre 5 et 10 Hz. Or, de nombreux véhicules produisent des vibrations dans cette gamme de fréquences. Les études analysées par Brinckmann et Pope (1990) ont mis en évidence une relation entre de telles vibrations et l’incidence des lombalgies. Ayant pu montrer que les vibrations affectaient les petits vaisseaux sanguins dans d’autres tissus, on peut supposer que c’est le même mécanisme qui agit sur le rachis.