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THESE

Présentée devant

L’UNIVERSITE PAUL SABATIER DE TOULOUSE (SCIENCES)

En vue de l’obtention du

Doctorat de l’Université Paul Sabatier- Toulouse 3 Spécialité : Biomécanique

par

Franck ACCADBLED

Docteur en Médecine, Chef de Clinique-Assistant

CHU TOULOUSE

Contribution à l'analyse du transport convectif dans le segment vertébral: étude de la perméabilité macroscopique

du plateau vertébral

Soutenance le 25 septembre 2007 devant le Jury d’examen :

Pr J.P. Cahuzac, PU-PH, Hôpital des Enfants, Toulouse 3 Examinateur

Pr P. Chabrand, PU, Université de la Méditerranée Rapporteur

Pr C. Glorion, PU-PH, Hôpital Necker Enfants Malades, Paris V Rapporteur

Pr J. Sales de Gauzy, PU-PH, Hôpital des Enfants, Toulouse 3 Examinateur

Pr P. Swider, PU, Toulouse 3 Examinateur

Pr E. Viguier, Ecole Nationale Vétérinaire, Lyon Examinateur

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Remerciements

Je tiens à remercier sincèrement : Monsieur le Professeur Christophe Glorion pour m’avoir accueilli dans son service et avoir accepté d’être le rapporteur de ce travail. Monsieur le Professeur Patrick Chabrand, pour avoir accepté d’être le rapporteur de ce travail. Monsieur le Professeur Eric Viguier pour son accueil à l’Ecole Vétérinaire de Lyon. Monsieur le Professeur Jean-Philippe Cahuzac qui m’a donné le goût pour la recherche, clinique et fondamentale. Monsieur le Professeur Jérôme Sales de Gauzy, pour son soutien et ses conseils. Monsieur le Professeur Pascal Swider pour sa disponibilité et son aide précieuse. Monsieur le Professeur André Autefage, Mlle Sophie Palierne de l'Ecole Nationale Vétérinaire de Toulouse pour leur accueil et leur collaboration. Merci à Dominique Ambard, notre association en binôme a été particulièrement constructive et agréable au quotidien. Merci à Jean-Michel Laffosse pour sa précieuse participation à ce travail. Merci à Thierry Odent pour une collaboration qui va certainement perdurer Merci à Jérôme Briot et Erik Estivalèzes, du Laboratoire de Biomécanique EA 3697 de l’Hôpital Purpan à Toulouse pour leur collaboration, leur aide et leurs conseils. Enfin je remercie bien sûr ma famille, Stéphanie et tous mes amis ainsi que mes collègues du Women’s and Children’s Hospital d’Adélaide.

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SOMMAIRE

RESUME………………………………………………………...……………………………5

ABSTRACT…………………………………………………………………………………..6

INTRODUCTION & OBJECTIFS………………………………………………………….7

CHAPITRE 1 : Contexte, étude bibliographique…………..………………………………9

1.1 : Vertèbre et disque intervertébral…………………………………………………………9 1.1.1 : Développement……………………………………………………..…………..9 1.1.2 : Anatomie………………………………………………………..……………..11 1.1.3 : Histologie, Biochimie………………………………………………………....12 a - Disque intervertébral b - Plateau cartilagineux 1.1.4 : Fonction & biomécanique……………………………………………………..15 a- Disque intervertébral b - Plateau cartilagineux 1.1.5 : Maturation,dégénérescence……………………………………...…………….16 1.2 : Considérations sur les transports convectifs dans le segment vertébral………………...17 1.2.1 : Comportement d’un milieu poreux élastique……………………………….....17 a - Relation contrainte, déformation, pression de fluide b - Relation débit, pression de fluide, perméabilité 1.2.2 : Application au plateau vertébral, implication dans la physiologie rachidienne……………………………………………………………………………20 1.2.3 : Etude qualitative du transport convectif…………………………………..…..21 1.2.4 : Etude quantitative du transport convectif…………………………..….……...21 1.3 : Considérations sur les approches expérimentales………………………….….….…….22 1.3.1 : Modèle animal…………………………………………………………….…..22 1.3.2 : Conservation des échantillons……………………………………………..….22 a- Etat frais b- Congélation 1.4 Synthèse…………………………………………………………………………………..24 CHAPITRE 2 : Développement d’un dispositif de mesure de la perméabilité du plateau vertébral, application à un modèle animal porcin

2.1 : Objectif………………………………………………………………………………….25 2.2 : Matériel et méthodes……………………………………………………………….….. 25 2.2.1 : Echantillons biologiques………………………………………………..……..25 2.2.2 : Considérations théoriques……………………………………………….…….26 2.2.3 : Dispositif expérimental……………………………………………….……….27 2.3 : Résultats……………………………………………………………………...………….29 2.3.1 : Evaluation de la précision du dispositif de mesure……………………………29 2.3.2 : Etude microscopique……………………………………………………….….29

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2.3.3 : Perméabilité macroscopique du plateau vertébral……………….………..…..30 2.4: Discussion et conclusion……………………………………………………………...….31 CHAPITRE 3 : Influence de l’âge, de la localisation et du sens du flux sur la perméabilité du plateau vertébral; application à un modèle animal ovin 3.1 : Objectif…………………………………………………………………………….…....34 3.2 : Matériel et méthodes……………………………………………………………..…......34 3.2.1 : Echantillons biologiques……………………………………………….….…..34 3.2.2 : Dispositif de mesure & procédure expérimentale……………………………..35 3.3 : Résultats………………………………………………………………………………....36 3.3.1 : Perméabilité……………………………………………………………..…….36 3.3.2 : Etude microscopique………………………………………………….……….39 3.4 : Discussion et conclusion………………………………………………………………...40 CHAPITRE 4 : Influence d’une épiphysiodèse asymétrique sur la perméabilité du plateau vertébral; application à un modèle animal porcin 4.1 : Objectifs…………………………………………………………………………………42 4.2 : Scoliose expérimentale, étude bibliographique…………………………………...…….42 4.3 : Matériel et méthodes…………………………………………………………………….44 4.3.1 : Instrumentation et prélèvement des échantillons………………………..…….44 4.3.2 : Dispositif de mesure et procédure expérimentale………………………..……45 4.4 : Résultats…………………………………………………………………………..……..45 4.4.1 : Perméabilité macroscopique…………………………………………………..46 4.4.2 : Etude microscopique………………………………………………....………..47 4.5 : Discussion et conclusion………………………………………………………...………47

CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES………………………………………………..….49

REFERENCES………………………………………………………………………………52

ANNEXES…………………………………………………………………………………...57

Les travaux présentés ici ont été réalisés conformément aux textes réglementaires relatifs à la protection et l’utilisation des animaux à des fins expérimentales.

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RESUME Le comportement mécano-biologique du segment vertébral, sain et pathologique, est un problème complexe. La préoccupation clinique première de notre travail concerne la pathologie du rachis chez l'enfant et notamment la scoliose idiopathique de l’adolescent. L’hypothèse centrale a été que la modification de nutrition et d’homéostasie des disques pouvait être associée à une perturbation du transport convectif au niveau du plateau vertébral. Nous avons développé, à partir de modèles animaux, une démarche de recherche progressive, associée dans son questionnement à la problématique clinique chez l'enfant. L'étude bibliographique préliminaire a permis de mettre en évidence le rôle significatif des transports de masse (fluides, protéines, nutriments) dans le développement sain et pathologique du rachis. Ceci a abouti aux quatre points clés de la stratégie de recherche: variabilité topographique de la perméabilité, influence du sens de flux, rôle de la croissance et influence d'une perturbation mécanique associé à une courbure imposée. Dans la deuxième partie, une méthode originale de mesure de perméabilité macroscopique d'échantillons de tissus biologiques a été développée puis évaluée sur un modèle animal porcin. Cette étude a montré que la perméabilité macroscopique du plateau vertébral n'était pas uniforme, la zone centrale étant plus perméable que la périphérie. L'étude microscopique associée a montré une corrélation entre l'augmentation de la perméabilité et la diminution des épaisseurs de cartilage. Dans un troisième temps, l'évolution des perméabilités de plateaux vertébraux a été mesurée sur un modèle animal ovin en croissance normale. Il a été mis en évidence une diminution de la perméabilité macroscopique du plateau vertébral avec la maturation des tissus. Le flow-out, (exsudation de fluide hors du disque), a été associé à des perméabilités plus grandes qu'en flow-in (réhydratation du disque). Il est apparu que la séquence des tissus constitutifs et leurs propriétés intrinsèques (porosité, tortuosité évolutive) pouvaient modifier la perméabilité macroscopique du plateau vertébral. En dernier lieu, un modèle de croissance asymétrique de segment (épiphysiodèse en L1-L2) a été mis en place sur un modèle animal porcin. Ce modèle a confirmé les résultats précédents et les perméabilités globales des plateaux mécaniquement perturbés ont été inférieures à celle des témoins. L'effet de pincement dissymétrique a eu tendance à faire décroître la perméabilité des tissus comprimés. En conclusion, nous avons montré que la perméabilité macroscopique du plateau vertébral était dépendante de la zone d'intérêt, du sens de l'écoulement de fluide et dépendante de la maturité des tissus et donc de la croissance. Il est donc apparu que les propriétés de transport convectif du plateau pouvaient constituer un point clé du remodelage mécano-biologique du rachis en croissance, sain et pathologique. Mots clés: Biomécanique, transport convectif, perméabilité, scoliose, disque intervertébral

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ABSTRACT

The mechano-biological behaviour of the healthy or pathological vertebral segment is a complex problem. The clinical concern of our work related to the idiopathic scoliosis in adolescent. The central assumption was that the modification of nutrition and homeostasis of the intervertebral disc could be associated to a disorder of the convective transport through the vertebral end plate. We designed a progressive research based on experimental animal models keeping in mind the clinical relevance of our approach. The preliminary bibliographical study highlighted the significant role of mass transport (fluids, proteins, nutrients) in the physiological and pathological growth of the spine. This allowed four key points of our strategy to be defined: geometrical variability of the permeability, influence of the fluid-flow direction, role of the growth and influence of a mechanical disturbance associated to an imposed curve. In the second part of the study, an original method of measurement of the macroscopic permeability has been developed then evaluated in a porcine animal model. This study showed that the macroscopic permeability of the vertebral plate was not uniform, the central zone being more permeable than the periphery. Associated microscopic study demonstrated a correlation between the permeability increase and the reduction of cartilage thickness. Third, the variation of the vertebral plate permeability during growth was measured in the ovine animal model. We highlighted a decrease of the macroscopic permeability with tissue maturation. Flow-out, (exudation of fluid from the disc), showed greater permeability than flow-in (disc rehydration). It appeared that the sequence of constitutive tissue and their intrinsic properties (porosity, evolutive tortuosity) could modify the macroscopic permeability of the vertebral plate. Finally, an asymmetrical growth tether model was designed in L1-L2 in a porcine animal model and confirmed the preceding results. The permeability of the mechanically modified plates was lower than that of their unaffected counterparts. The effect of dissymmetrical growth tended to decrease the permeability of compressed tissue. In conclusion, we showed that the macroscopic permeability of the vertebral plate was dependent upon the zone of interest, the direction of fluid flow and the tissue maturity (growth). Thus, it appeared that the properties of convective transport of the end plate could constitute a key point of the mechano-biological remodelling in the physiological or pathological growth.

Keywords: Biomechanics, convective transport, permeability, scoliosis, intervertebral disc

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INTRODUCTION & OBJECTIFS

Le disque intervertébral (DIV) est un élément anatomique majeur du rachis. Il est structurellement constitué d'un squelette solide saturé par une solution aqueuse. La matrice solide est essentiellement composée de fibres de collagène et d’agrégats de protéoglycanes (Pg), dont les proportions varient suivant les différentes régions du DIV. Les cellules, chondrocytes et fibroblastes, participent à son homéostasie en synthétisant (ou en dégradant) les fibres de collagène et les chaînes de Pg. Le métabolisme cellulaire fournit l'énergie nécessaire (glucose, oxygène, …). Mais le DIV n'étant pas vascularisé, les nutriments indispensables à la croissance et à l'homéostasie du segment vertébral transitent majoritairement au travers des plateaux cartilagineux disposés de part et d'autre du DIV. Ce transport est effectué par la solution aqueuse saturante. Les déchets de la respiration cellulaire, doivent eux aussi être évacués via la phase liquide. Le transfert de ces nutriments est réalisé par différents phénomènes physiques, telle que la diffusion moléculaire, phénomène relativement lent, et par transport convectif. De plus, l'activité physique et les phases de repos entraînent des cycles de chargement mécanique et provoquent des circulations de fluide entre le DIV et les corps vertébraux. Cet effet de pompage est le vecteur principal de transport de nutriment vers le DIV. Le comportement mécano-biologique du segment vertébral, sain et pathologique, est donc un problème complexe et nous pouvons constater qu'il constitue encore à ce jour un problème scientifique et clinique totalement ouvert. Notre problématique clinique première est la scoliose idiopathique chez l'enfant. Dans ce contexte les interactions entre courbure, stimuli mécaniques et homéostasie des DIV ont été très peu étudiées. L'étude quantitative du transport convectif à l’interface DIV - corps vertébral demeure également peu développée or l'analyse rigoureuse des transferts moléculaires devrait contribuer à une meilleure compréhension de la pathologie et à l'amélioration de son traitement chirurgical notamment le choix du niveau inférieur de l’instrumentation. L’hypothèse centrale du projet consiste donc à supposer que la modification de nutrition et d’homéostasie des DIV peut être associée à une perturbation du transport convectif au niveau du plateau vertébral et le schéma synoptique de la Figure 1 permet de résumer la stratégie mise en place. Nous pensons donc que la perméabilité macroscopique du plateau vertébral peut être un point clé de la boucle de contrôle mécano-biologique du rachis. Nous pouvons observer que le point initial de la démarche est la scoliose idiopathique de l’adolescent, mais il est prématuré de développer des études quantitatives à partir des données cliniques. Dans ce cas une approche parallèle sur modèle animal est développée. Cette stratégie permet de développer les techniques expérimentales et grâce à une progression dans la complexité, elle s'efforce de jalonner le parcours qui devrait permettre à terme d'obtenir des conclusions robustes utilisables chez l'enfant scoliotique.

Dans un premier temps, le contexte général de l'étude est explicité dans le chapitre 1. Celui-ci est consacré à une description anatomique, biologique et fonctionnelle du DIV ainsi qu’à une analyse des travaux de la littérature concernant le transport convectif dans le segment vertébral et plus particulièrement, la perméabilité de tissus biologiques.

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Dans le deuxième chapitre, nous décrivons un dispositif original de mesure de la perméabilité intrinsèque du plateau vertébral et sa validation par une étude pilote sur un modèle animal porcin. Plusieurs facteurs sont susceptibles de modifier la perméabilité du plateau vertébral : l’âge du sujet, la région intéressée sur le plateau ou le sens d’écoulement. Ces facteurs sont étudiés dans le chapitre 3 par une expérimentation sur l’agneau en croissance normale. Dans le chapitre 4, nous étudions l’effet d’une épiphysiodèse vertébrale asymétrique sur la perméabilité dans le cas d'un modèle animal porcin en croissance. En dernier lieu, une synthèse des résultats obtenus est présentée, ainsi que des perspectives de développement concernant les aspects scientifiques et cliniques de l'étude dans le cadre général des recherches interdisciplinaires Sciences / Santé.

Etude du transport convectif dans des modèles animaux

Scoliose idiopathique chez l'enfant

Modèle porcin perméabilité macroscopique des

plateaux vertébraux

Modèle ovin perméabilité macroscopique des plateaux vertébraux

en croissance normale

Modèle porcin perméabilité macroscopique des plateaux vertébraux

en croissance pathologique

Fig. 1 - Schéma synoptique de la stratégie de recherche

aide au diagnostic & traitement chirugical

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CHAPITRE 1 - Contexte, revue bibliographique 1.1 : Vertèbre et disque intervertébral 1.1.1 : Développement La priorité accordée au rachis dans la morphogénèse du squelette souligne son importance et notre appartenance au groupe des vertébrés. Le développement du DIV et des vertèbres adjacentes débute très tôt durant la vie intra-utérine et sont étroitement liés. A la 3ème semaine, l’embryon est constitué de 3 feuillets : entobaste, ectoblaste et mésoblaste. Le mésoderme forme latéralement de part et d’autre de la chorde 2 colonnes longitudinales : le mésoderme para axial. Ce mésoderme se segmente pour former les somites (Fig. 2).

Chaque somite se creuse ensuite d’une cavité qui permet de distinguer du côté interne les sclérotomes qui vont former les vertèbres, et du côté externe les myotomes qui vont former les muscles, les dermatomes qui vont former le derme et le tissu sous cutané. Chaque sclérotome se clive ensuite horizontalement. La partie crâniale est à l’origine du DIV. Elle fusionne à la partie caudale du sclérotome sus-jacent qui est à l’origine du corps vertébral. Chaque vertèbre se développe donc à partir de 2 sclérotomes adjacents. La vertèbre est une structure intersegmentaire (Fig. 3). La chorde va régresser au sein des corps vertébraux lors de leur différenciation cartilagineuse puis osseuse. Sa dégénérescence mucoïde va former le nucleus pulposus (NP). Le disque péri-notochordal mésenchymateux se différencie en deux zones : une zone périphérique fibreuse faite de fibroblastes et de fibres de collagène et une zone centrale plus lâche. Ces 2 zones vont former l’annulus fibrosus (AF). Le DIV (NP + AF) est donc une structure d’origine mixte, chordale et somitique, mais elle n’est pas intersegmentaire.

Fig. 2 : Embryon 3 semaines (d’après JM. Clavert : Chirurgie et Orthopédie du Rachis, Sauramps24)

somite

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La maturation post-natale se traduit par la disparition des vestiges chordaux et la transformation du NP en fibrocartilage à mesure qu’il se charge en fibres de collagène (Fig. 4). Chez l’adulte, vers l’âge de 30 ans, le NP est solide, fibreux et n’est plus démarqué aussi clairement de l’AF. On parle alors, notamment en IRM, de complexe central ou interne composé du NP et de la partie centrale de l’AF, et de complexe périphérique constitué de la partie périphérique de l’AF qui s’insère à la périphérie des plateaux vertébraux. Quant à la croissance de la vertèbre, elle débute dès le 3ème mois in utero pour se terminer vers la 25ème année de vie (Fig. 5). Elle va se faire dans 2 directions, en hauteur et en largeur par ossification enchondrale.

Fig. 3 : La vertèbre est une structure inter segmentaire. A : Migration du sclérotome. B : Condensation mésenchymateuse. C : Organisation inter segmentaire. D : Morphogénèse du disque. E : Structure vertébrale définitive. 1. Chorde. 2. Somite. 3. Dermatome. 4. Myotome. 5 Artère inter segmentaire. 6. Nerf spinal. 7. Disque intervertébral. 8. Corps vertébral. (d’après JM. Clavert : Chirurgie et Orthopédie du Rachis, Sauramps24)

Fig.4 : Régression chordale et formation du NP (d’après Diméglio et Bonnel. Le rachis en croissance, Springer29)

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Les vertèbres ont une croissance différentielle; l’activité des cartilages de croissance croît du segment cervical au segment lombaire. Le phénomène d’ossification débute très tôt vers la 7ème semaine du développement pour se terminer à la fin de la croissance. Elle se fait progressivement par transformation des zones cartilagineuses. On retrouve 3 zones d’ossification pour chaque vertèbre : 1 point d’ossification volumineux par corps vertébral et 1 point d’ossification par hémi-arc postérieur. Ces 3 centres primaires sont retrouvés à la naissance. Durant la 1ère année de vie, les 2 hémi-arcs postérieurs fusionnent et entre 3 et 6 ans, l’arc postérieur fusionne avec le corps vertébral. La séparation entre corps vertébral et arc postérieur est matérialisée par le cartilage neurocentral, nécessaire à l’adaptation du canal vertébral à la taille de la moelle épinière. On dénombre 5 centres d’ossification secondaires: 1 pour l’apophyse épineuse, 1 pour chaque apophyse transverse et 1 plaque par plateau vertébral. En fin de croissance, les disques représentent 1/4 de la hauteur totale du rachis cervico-dorsal, et 1/3 de la hauteur totale dans la région lombaire. Le développement du rachis est directement lié aux contraintes auxquelles il est soumis et la verticalisation est nécessaire à une anatomie normale30. Il a été observé une hauteur plus importante des corps vertébraux et un diamètre antéro postérieur diminué chez des enfants grabataires ainsi que des DIV d’une épaisseur moindre et des NP hypotrophiques30,38.

1.1.2 : Anatomie

Les corps vertébraux sont unis entre eux par l'intermédiaire des DIV dont l'épaisseur varie entre 3mm (premiers disques thoraciques), 5 à 6mm (disques cervicaux) et 10 à 15mm (disques lombaires). Dans les régions cervicale et lombaire, le DIV est plus épais en avant qu'en arrière. Le DIV est une structure non vascularisée et peu innervée. Le plateau cartilagineux ou "cartilage end-plate" (CEP) s'intercale entre les plateaux vertébraux et le disque auquel il adhère très intimement. Il est constitué de cartilage hyalin et d’une mince couche d’os sous chondral. Son épaisseur moyenne chez l’humain est de 0,6mm (0,1 à 1,6mm) elle est d’environ 1mm en périphérie en regard de l’AF puis diminue en regard du NP68,88,89. Cette dépression de la partie centrale est appelée « stress bearing zone » de Schmorl30. L’épaisseur augmente des vertèbres crâniales vers les vertèbres caudales jusqu’en L3-L4. Elle est identique pour les plateaux supérieur et inférieur de chaque vertèbre. Les autres liaisons entre deux vertèbres adjacentes comportent les processus articulaires en postérieur, et un système ligamentaire. Ces ligaments (jaune, capsulaire, interépineux et supraépineux, longitudinaux postérieur et antérieur, intertransverse) sont liés à une unité fonctionnelle (ensemble de deux vertèbres et des tissus de liaison) représentée Figure 6.

Fig.5 : Disque et vertèbre chez le nouveau-né (d’après Diméglio et Bonnel Le rachis en croissance, Springer29)

Corps vertébral

Disque

Plateau vertébral

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Le DIV, participant à la flexibilité et à la stabilité du rachis, est constitué de deux éléments anatomiques distincts : l'AF et le NP. L’AF est une puissante enveloppe fibreuse fixée en périphérie aux plateaux vertébraux par des fibres de Sharpey. Elle est bordée par les ligaments longitudinaux antérieurs et postérieurs. Le NP est une matrice gélatineuse incompressible fortement hydratée localisée à la partie centrale du plateau vertébral. 1.1.3 : Composition, histologie Le NP et la partie centrale de l’AF sont en contact direct avec le cartilage hyalin du plateau vertébral.

a – Disque intervertébral Le NP est un gel hydrophile contenant plus de 90% d’eau dans l’enfance, cette valeur diminuant avec l’âge, environ 80% chez l’adulte jeune et moins de 70% chez le sujet âgé. Il représente environ 50% du volume d’un DIV adulte. La matrice extracellulaire est composée de collagène et de Pg. Le collagène constitue 20% du poids sec du NP, dont 80% de collagène de type II, 15% de type VI et 5% de collagènes IX et XI. Il ne contient pas de collagène de type I (qui est le collagène des structures tendineuses). Les Pg représentent 50% du poids sec du NP, ils lui confèrent son caractère hydrophile et sa consistance en gel visqueux. On observe avec l’âge, une diminution du pourcentage de Pg parallèlement à la perte d’eau. Le DIV contient peu de cellules, dont 3000/mm3 dans le NP. On distingue 2 types cellulaires : de petites cellules arrondies de type chondrocytaire et de grosses cellules vacuolaires qui synthétisent Pg et collagène de type II. L'AF est formé de 7 à 15 lamelles concentriques constituées de fibres de collagène de type I disposées de façon oblique d’une couche à l’autre et formant un angle de 120° entre elles et de 30° par rapport au plan du DIV. Entre ces lamelles sont enchâssées les cellules et leur matrice. L’AF contient 60 à 70% d’eau, cette valeur reste relativement constante au cours de la vie. Environ 65 à 70% de son poids sec proviennent du collagène. Le collagène de type II est un des principaux constituants de la matrice extra cellulaire. Les collagènes I et II représentent 80% du collagène total, mais l’AF contient également du collagène de type III, V, VI, IX et XI. Le rapport collagène de type I/collagène de type II diminue de la partie centrale vers la périphérie. Les Pg représentent 10 à 20% du poids sec et sont essentiellement concentrés dans la partie centrale de l’AF. La cellularité de l’AF est faible elle aussi avec

Fig. 6 : Une unité fonctionnelle: DIV + 2 vertèbres adjacentes et leurs liens ligamentaires (D'après spineuniverse.com94)

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9000/mm3 alors que le plateau cartilagineux en contient 1500/mm3. Il s’agit de petites cellules rondes semblables à celles du NP. Les 2 principaux constituants de la matrice extracellulaire du DIV sont les Pg et le collagène. La majorité des Pg sont capables de former des agrégats, ce sont principalement les agrécanes et en plus faible quantité les versicanes. Les agrécanes du DIV ont des propriétés physicochimiques semblables à celles des agrécanes du cartilage articulaire et peuvent être synthétisées par le NP comme par l’AF. Les agrécanes sont des molécules complexes formées d’une protéine centrale (core protein) possédant 2 domaines globulaires G1 et G2 dans la région N-terminale et un domaine globulaire G3 dans la région C-terminale. Entre G2 et G3, des glycosaminoglycanes (kératanes sulfates et chondroïtine sulfates) se fixent sur cette protéine porteuse3. Les glycosminoglycanes sont des sucres chargés négativement qui attirent les molécules d’eau et confèrent au DIV ses capacités de résistance à la compression. Le second élément essentiel de la matrice extracellulaire est le collagène. Il confère au DIV ses capacités de résistance en traction.

b - Plateau cartilagineux Le CEP est intimement accolé au DIV. Il est constitué d’une fine couche de cartilage hyalin associé à une épaisseur d’os sous-chondral88. Duncan et al.32 ont défini l’os sous chondral comme étant la zone séparant le cartilage articulaire de l’os spongieux. Il est constitué de 2 couches : la partie calcifiée du cartilage articulaire et une couche d’os lamellaire. Le CEP est directement accolé à la plaque de croissance. Ainsi, il n’existe pas à proprement parler chez l’humain d’épiphyse vertébrale contrairement à d’autres mammifères. (Fig. 7).

Les fonctions biologiques et mécaniques du CEP sont sous-tendues par une architecture complexe qui, comme celle du DIV évolue avec sa maturation et son vieillissement. Les fibres de collagène du DIV semblent se poursuivre dans le CEP, formant un angle de 120° avec l’AF périphérique et de 90° avec le NP (Fig. 8). Ainsi, il existe des connections directes entre CEP et DIV, alors que le CEP et le corps vertébral sont nettement distincts68. Au niveau de la partie périphérique de l’AF, il existe une ligne basophile ou « tidemark » soulignant une couche de cartilage calcifié. Dans la région du NP, cette couche est très mince voire indiscernable (Fig. 8).

Espace intervertébral (DIV réséqué) Cartilage hyalin Os sous-chondral Plaque de croissance Os spongieux

Fig. 7 : Deux coupes histologiques de plateaux vertébraux humains en croissance

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Fig. 10 : Contact direct entre espace médullaire (A) et CEP (B) (d’après Nachemson et al71)

Il existe un lit capillaire à l’interface CEP-corps vertébral. Des terminaisons capillaires sessiles viennent au contact du cartilage et réalisent un véritable réseau plexiforme (Fig. 9).

Il existe également des zones de contact direct entre moelle osseuse et le CEP appelées "marrow contacts" 27 (Fig. 10). Les terminaisons capillaires ainsi que les zones de contact direct sont plus nombreuses dans la région centrale du plateau, en regard du NP, qu’à la périphérie, en regard de l’AF19,71,88,100. A la partie la plus périphérique de l’AF, ce réseau est moins riche voire inexistant par endroit avec des terminaisons moins nombreuses et plus grêles27. Oki et al.75 ont étudié la morphologie des bourgeons vasculaires en microscopie électronique au contact du CEP. Le nombre de vaisseaux en regard du NP n’était pas plus important qu’en regard de l’AF, mais ils présentaient plusieurs boucles (tels des ressort), offrant ainsi une surface d‘échange plus importante, tels les glomérules rénaux.

Vaisseau sanguin

Nucleus pulposus

Annulus fibrosus

Fig.8 : Représentation de l’histologie normale (D’après Robert et al.88)

Disque intervertébral

Cartilage end-plate

CEP calcifié Os sous chondral

Fig. 9 : Terminaisons capillaires au contact du CEP (d’après Holm et al.45)

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On retrouve les mêmes éléments constituant le CEP vertébral et le cartilage articulaire, avec cependant un plus faible pourcentage d’eau pour le 1er90. Il n’existe pas de différence significative de composition entre les plateaux supérieurs et inférieurs ni entre les différentes vertèbres de L1 à S186. La matrice du CEP est composée d’un gel de Pg hydratés, renforcé d’un réseau de fibres de collagène et associé à d’autres substances inorganiques et organiques68. Le contenu du CEP en Pg est semblable à celui du DIV à savoir 0,2g pour 1g d’eau. Le contenu biochimique du CEP varie en fonction de la localisation88. Plus on se rapproche du corps vertébral, plus la quantité de Pg et la teneur en eau diminuent et plus la quantité de collagène augmente. Il existe une variation similaire dans le plan horizontal vers l’AF. Les fibres de collagène ont un diamètre de 300 à 800 Å avec des lacunes encore plus grandes; ainsi c’est le gel eau-Pg avec des pores très petits de 20 à 50 Å qui gouverne la porosité du milieu. La composition biochimique du CEP est importante pour le maintien de l’intégrité du disque4,5,10,45,50,68,74,88,89,102, notamment les Pg50,74,89 qui jouent un rôle fondamental dans la régulation des échanges du DIV. Ainsi, quand la quantité de Pg diminue dans le CEP, elle diminue aussi dans le NP. Les Pg contrôlent la distribution des ions et des macromolécules, La diffusion des solutés à travers le CEP est directement liée à la concentration en Pg. Plusieurs auteurs ont impliqué la survenue de perturbations de la composition biochimique du CEP durant la croissance dans le développement de déformations scoliotiques77,87.

1.1.4 : Fonction & biomécanique a- Disque intervertébral

La fonction principale du DIV est de maintenir un espace déformable entre les corps vertébraux offrant ainsi une mobilité mais aussi d’agir comme un amortisseur des forces compressives. Le DIV est plus résistant à la rupture que le corps vertébral ce qui explique la survenue de fractures sans lésions discales20. Le comportement biomécanique d’un segment rachidien est hautement non linéaire. Ceci est grandement lié à la composition complexe du DIV qui montre des propriétés à la fois viscoélastiques et poroélastiques54. L’hydratation du DIV varie selon la charge à laquelle il est soumis. Ainsi les échanges liquidiens jouent un rôle majeur dans le comportement mécanique du DIV49. Après une nuit de repos, les activités de la vie quotidiennes entrainent une augmentation de la pression intradiscale du fait de la gravité mais aussi et surtout des contractions musculaires. Il en résulte une fuite d’eau du NP et donc une augmentation de la concentration en Pg. La concentration discale en Pg est à l’origine d’une "pression de gonflement" c’est-à-dire d’un appel d’eau par phénomène osmotique jusqu’à ce qu’un équilibre soit atteint. Ainsi, in vivo, une période de repos ou « de décharge » de 7 à 24 heures est nécessaire au DIV pour retrouver son contenu hydrique63 et sa hauteur67,85. La mesure de la pression intradiscale in vivo a été initiée par Nachemson dans les années 6070 puis confirmée et précisée plus récemment par Wilke et al.106. La pression chez un sujet adulte allongé est de l’ordre de 0,08 MPa, assis ou debout au repos de 0,50 MPa et jusqu’à 1,72 MPa en portant une caisse de 20kg. La valeur de pression communément admise pour une activité modérée est 1 MPa23. b- Plateau cartilagineux

Il existe 2 grandes voies d’échanges liquidiens et d’apports nutritionnels entre DIV et circulation sanguine19,45,66 : (1) à travers les vaisseaux sanguins à la face périphérique de l’AF, (2) à travers le CEP par l’intermédiaire de bourgeons vasculaires à son contact (Fig.11).

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Cette dernière représente la principale voie d’apport de nutriments du corps vertébral vers le DIV19,35,71,93. Si elle est compromise, cela peut entrainer la mort cellulaire du NP69,83. Parallèlement, la perméabilité du CEP contrôle la fuite de catabolites et autres produits de dégradation de la matrice du DIV. Ses propriétés de transport dépendent de la composition de sa matrice et en particulier du contenu en Pg50,74,88,89. Le CEP prévient également la fuite de Pg de faible poids moléculaire15.

La pression absorbée par le DIV est redistribuée partiellement vers le CEP18,80. Des forces compressives importantes, en particulier si elles sont répétées, peuvent être à l’origine de lésions irréversibles du CEP. Il apparaît que l’intégrité du cartilage et de l’os sous-chondral, plutôt que le degré de dégénérescence discale détermine l’importance des lésions générées46. Le CEP empêche enfin la protrusion du NP dans l’os spongieux du corps vertébral80.

1.1.5 : Maturation, dégénérescence L’histologie et la composition du DIV et du CEP évoluent de manière importante après la naissance par une maturation progressive jusqu’à l’âge adulte (Fig. 12). Débute ensuite une dégénérescence en particulier au niveau lombaire, d’intensité variable selon les sujets. Le CEP d’un nouveau né est composé d’une plaque de croissance et d’un cartilage articulaire bordant le DIV. Le cartilage de croissance est caractérisé par des colonnes parallèles de cellules prolifératrices et hypertrophiques. A la naissance, la densité cellulaire des chondrocytes augmente. Entre 3 et 10 ans, le nombre de vaisseaux diminue et ils s’oblitèrent progressivement. A l’âge de 10 ans, l’épaisseur du cartilage de croissance diminue ainsi que le nombre de cellules prolifératrices organisées de manière plus irrégulières. A 18 ans le cartilage de croissance est calcifié. Après 45 ans, le cartilage calcifié est ossifié, les capillaires et espaces médullaires au contact du CEP sont presque totalement occlus. Le CEP est réduit après 65 ans à une mince couche de cartilage au contact du DIV14 (Fig. 13 et 14).

Fig. 11 : Les deux voies d’apport nutritif du DIV (d’après Holm et al.45)

Fig. 12 : Section parasagittale du corps vertébral d’un nouveau né. Le DIV a une forme biconcave. Le CEP et le cartilage de croissance sont très épais. D’après Donish et al.

17

Fig. 12c : 18ans

NAg

NAg

Fig. 14 : Minéralisation progressive du CEP (d’après Bernick et al.10)

PAS NAg Fig. 12a : nouveau-né Fig. 12b : 10ans

NAg PAS

Fig. 12d : 35 ans NAg PAS

Fig. 13 : Evolution de la structure du CEP avec l’âge. A : cartilage articulaire (CEP), B : os sous-chondral, NP : nucleus pulposus, G : cartilage de croissance. (Grossissement x 50) (d’après Bernick et al.10)

Fig. 12e : 65 ans NAg PAS

18

La composition biochimique du CEP et du DIV évolue avec l’âge parallèlement à ces modifications structurales. A l’âge adulte, la différenciation entre NP et AF est moins évidente, on parle alors de complexe central composé du NP et de la partie centrale de l’AF et de complexe périphérique constitué de la partie périphérique de l’AF qui s’insère sur le listel marginal du corps vertébral. La dégénérescence discale est caractérisée par une diminution des Pg agrégés et une augmentation des métalloprotéases lysant le lien protéique qui unit et stabilise l’acide hyaluronique au corps du Pg51. Il s’ensuit une perturbation du système osmotique discal et par conséquent une perte en eau et en éléments nutritifs. Cette déshydratation s’accompagnerait de mouvements discaux excessifs entrainant des microfissures qui augmenteraient la concentration discale en collagène. La dégénérescence discale est appréciée par la classification anatomopathologique de Nachemson106 :

1 : NP nettement individualisé et sain 2 : Minuscules ruptures du NP qui est moins bien délimité 3 : NP fibreux, non plus distinct de l’AF. Fissures de l’AF 4 : Larges fissures et cavités intéressant NP et AF. Présence d’ostéophytes sur les

corps vertébraux adjacents.

Si l’âge est la cause principale de la dégénérescence discale, l’application d’une contrainte mécanique est aussi un facteur déterminant qui entraine l’apoptose ou mort cellulaire au sein du CEP59,60. 1.2 : Considérations sur les transports convectifs dans le segment vertébral 1.2.1 : Comportement d'un milieu poreux élastique a - Relation contrainte, déformation, pression de fluide Le milieu poreux élastique déformable peut être modélisé par la superposition spatio-temporelle d'une matrice solide poreuse et d'un fluide la saturant (Fig. 15)13,26.

La mise en équation de chaque état (non développée ici) et leur superposition, permettent de mettre en place la loi de comportement d'un élément de volume macroscopique du milieu poreux. Comme le montre l'équation (1), le champ de contraintes total σ résulte d'une combinaison linéaire entre les déformations observables ε de la partie solide (squelette poreux) et la pression p du fluide. Les paramètres E, ν, K sont les propriétés mécaniques du

= + contrainte effective σ dans le domaine solide pression p dans le domaine fluide

contrainte effective nulle dans le domaine solide pression p dans le domaine fluide

contrainte effective σ dans le domaine solide pression nulle dans le domaine fluide

Fig. 15 : Superposition des états de comportement mécanique.

19

milieu poreux : module d'élasticité, coefficient de Poisson et coefficient de compressibilité. Cette relation peut être écrite sous la forme (2) qui permet de faire apparaître le coefficient de Biot noté b, G étant le module de cisaillement.

( )( ) ( )0 0 0 0

0 0 0 I 1 I

1 2 1 1 s

E E Ktr pK

υσ ε ευ υ υ

⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠

= + − −− + +

(1)

00 02 2

3 I IGK Gtr b pσ ε ε⎛ ⎞

−⎜ ⎟⎝ ⎠

= + − (2)

Sous l'hypothèse d'incompressibilité de la matrice solide, le coefficient Ks tend vers l'infini et par conséquent b tend vers 1. Cette hypothèse est souvent utilisée pour la modélisation des structures biologiques et implique que le milieu poreux se déforme sous l'action des gradients de pression. b - Relation débit, pression de fluide, perméabilité

La loi de comportement reliant la vitesse de filtration qf dans un milieu poreux saturé au gradient de pression p, est la loi empirique de Darcy exprimée par la relation (3). Le coefficient κ est la perméabilité intrinsèque ou spécifique (m2) et μ est la viscosité du fluide (Pa.s). On peut définir également la perméabilité relative κ/μ (m4/Ns).

grad fq pμκ= −

uur uuuuur (3)

La perméabilité κ est une propriété intrinsèque du milieu poreux et elle est donc par définition indépendante des propriétés du fluide et du procédé de mesure. Ce paramètre est principalement dépendant des caractéristiques géométriques du squelette poreux dont les paramètres les plus représentatifs peuvent être résumés à la porosité, le type et la topologie de leurs connexions (tortuosité équivalente unidimensionnelle). Le développement de modèles prédictifs de perméabilité à partir de la connaissance de la topologie des pores demeure un problème scientifique ouvert31. Dans le cas des applications au tissu osseux, on peut relever assez peu de travaux dans ce domaine. On peut noter toutefois certains résultats intéressants et notamment ceux de Arramon et al.6 établissant une loi empirique basée sur la porosité instantanée locale et reprenant l'approche de Carman-Kozeny basée sur des modèles capillaires22. La mesure de la porosité et de la perméabilité d'échantillons osseux (humains) a permis d'établir la loi de comportement (4) qui est représentée Figure 16. Ici la loi est établie en fonction de la fraction solide φs du milieu poreux (φs=1- φf); φf: étant la fraction fluide correspondant à la porosité saturée par le fluide.

( ) 4 210

BAS

φκ φ = avec 2 3 4 5323 939 1340 1010 288 S φ φ φ φ φ= − + − + (4)

et A = 2.6 10-5 , B = 4.67

20

1.2.2 : Application au plateau vertébral, implication dans la physiologie rachidienne Les solutés dissous peuvent être transportés dans et à travers la matrice du DIV par un mécanisme passif de diffusion régi par des gradients de concentration des métabolites, indépendamment d’échanges de liquide2,10,19,45,50,52,65,66,68,71,73,74,81,93,100. Les corps dissous peuvent également être transportés au cours des échanges de fluides "pompés" à l’intérieur et à l’extérieur du disque lors des mouvements ou de la mise en charge du rachis. Ce mécanisme actif, appelé "bulk-flow" ou convection 19,35,45,52,53,65,66,68,71,89,93,99,100, est dépendant d’échanges liquidiens. Un faible volume liquidien est mobilisé lors des modifications de charge physiologiques au niveau des disques : moins de 0,01 % du volume discal est échangé pendant un cycle de marche et on estime que 3 à 20 % du volume total du disque est échangé au cours d’un cycle nycthéméral. Ces échanges liquidiens sont le fait de la compression en position debout ou assise qui chasse le liquide hors du DIV et de la « dépression » lors de la position allongée qui à l’inverse crée un afflux de liquide19,35,100. On décrit ainsi de petits échanges oscillatoires au cours des mouvements et de la marche qui se surajoutent aux échanges plus importants au cours du cycle nycthéméral. Ferguson et al35. ainsi que Sélard et al.93 ont étudié l’influence des modifications de la perméabilité du CEP sur la composition discale. Ils ont démontré que des perturbations de cette perméabilité influencent les transports moléculaires aussi bien par diffusion que par convection, compromettant ainsi le métabolisme cellulaire par défaut d’apport en nutriments. La mort cellulaire qui en résulte avec risque de dégénérescence discale peut retentir sur la fonction mécanique du DIV93. La voie principale de nutrition du disque intervertébral se fait au travers du CEP19,35,45,71,93,100, comme l’ont démontré des études colorimétriques. Ferguson et al.35 ont montré que si on réduit la perméabilité du cartilage end-plate à 0, on constate une nette diminution du flux liquidien de 40 à 54 % alors qu’une perméabilité nulle en périphérie de l’AF ne réduit le flux que de 13 à 20 %. Selard et al. en 200393 ont développé un modèle en éléments finis de la diffusion de trois molécules (oxygène, glucose et lactate) à l’intérieur du DIV humain. Ils ont ainsi pu montrer que la concentration en corps dissous du NP est surtout sensible aux conditions aux limites au niveau du CEP et très peu au niveau de l’AF. La perméabilité du CEP a donc un rôle primordial dans les apports nutritionnels aux cellules discales et dans l’élimination des catabolites de la matrice88,89. Le transport de ces molécules dépend de nombreux facteurs liés aux vaisseaux (nombre, surface de contact)10,27,50,71, aux solutés (poids moléculaire, forme, charge)2,50,64,66,74,81,93,99,100, et au CEP (calcification4,40,79,

Fig. 16 : Modèle perméabilité / fraction solide des tissus osseux.

21

composition en Pg50,74,88,89). La composition du CEP est variable en fonction de la région, centrale ou périphérique. De même, sa perméabilité n’est pas uniforme. 1.2.3 : Etude qualitative du transport convectif Brodin19 le premier a étudié dès 1955 la perméabilité du CEP en injectant du fluorochrome en intraveineux à des lapins de 4 semaines. Il a ainsi mis en évidence les 2 voies possibles d’échanges entre DIV et circulation sanguine. La partie centrale du CEP, en regard du NP, était nettement plus perméable au colorant que sa partie périphérique. Ces résultats ont été confirmés sur des plateaux humains in vitro en 1970 par Nachemson et al.71 qui ont également observé que la perméabilité était liée à la présence d’espaces médullaires et de bourgeons vasculaires au contact du CEP27,53,66,71,88,89. Ces zones sont plus abondantes dans la région centrale des plateaux en regard du NP et diminuent vers la périphérie en regard de l’AF central. Elles sont quasi-inexistantes à la partie la plus périphérique des plateaux19,71,88,100. Environ 7 à 10% de la surface totale du CEP sont tapissés d’espaces médullaires directement à son contact et 20 à 30% soit directement à son contact, soit séparés du CEP par une épaisseur d’os sous chondral inférieure à 25µ66. Ces espaces étaient plus nombreux en regard du NP. L’examen microscopique de la partie latérale des plateaux vertébraux retrouvée imperméable a montré que le colorant était arrêté au niveau de la zone calcifiée du cartilage. Cette zone constitue une barrière pour le colorant comme elle pourrait l’être pour d’autres molécules71,100. L’étude in vitro de la perméabilité au glucose au niveau de plateaux vertébraux lombaires humains a montré une différence significative entre la partie centrale (0,58.10-6 cm2/s) et la partie latérale (0,18.10-6 cm2/s). Urban et al.100 ont utilisé la diffusion de traceurs radioactifs pour montrer que 85% de l’interface DIV-corps vertébral est effectivement perméable au niveau du NP, 35% en regard de l’AF central alors que l’AF périphérique est pratiquement imperméable. Ces valeurs calculées sont corrélées avec les résultats histologiques. Il n’y avait pas de différence entre plateaux vertébraux supérieurs ou inférieurs. Ce sont surtout l’épaisseur de la couche de cartilage calcifié et le nombre de vaisseaux et d’espaces médullaires qui semblent gouverner la perméabilité du CEP93. Ayotte et al.8 ont étudié l’influence de la direction du flux liquidien sur la perméabilité de CEP de moutons. La pression hydrostatique induite par les contraintes lors d’activités quotidiennes est de l’ordre de 0,6 à 1 MPa alors que la pression osmotique « de gonflement » du DIV est d’environ 0,15-0,2 MPa. Cette dernière est plus faible que la pression hydrostatique, alors que la période de repos (environ 8 heures) est plus courte que les périodes d’activité (environ 16 heures), le DIV retrouve une hydratation normale. Il semble donc qu’il existe une influence de la direction du flux sur les résistances à l’écoulement8. Ayotte et al. ont ainsi trouvé que la résistance à l’écoulement est près de 40 fois supérieure dans le sens DIV-corps vertébral (flow-out) que dans le sens corps vertébral-DIV (flow-in). 1.2.4 : Etude quantitative du transport convectif Les études sur la diffusion au niveau des DIV, du cartilage articulaire ou des CEP sont nombreuses. Il peut s’agir de méthodes semi quantitatives grâce à des reconstructions IRM associées à l’injection de produits de contraste2,50,56,73,74,81, ou l’utilisation de colorants19,71, ou de solutés marqués53,89,99,100,102. Ces méthodes, si elles apportent des informations intéressantes ne permettent pas d’approcher quantitativement la perméabilité. Gu et al.41, ont mesuré la perméabilité de l’AF dans différentes directions, et pour différents états de dégénérescence. Ils ont utilisé des rachis lombaires de cadavres humains avec comme étalon la mesure au niveau du cartilage articulaire de bovin (où k = 1.408 ±

22

0,135.10-15 m4/Ns). Cette valeur est cohérente avec celle trouvée par Mansour et al.64. Ils ont ainsi pu mesurer une perméabilité axiale de 1.530 à 1.640.10-15 m4/Ns, une perméabilité radiale de 1.675 à 1.924.10-15 m4/Ns et une perméabilité circulaire de 1.147 à 1.618.10-15 m4/Ns. Best et al.11, puis Houben et al.47 et enfin Iatridis et al.48, ont calculé par une méthode indirecte à l’aide de tests en compression confinée, la perméabilité radiale de l’AF de DIV humains ou canins et ont étudié son caractère anisotrope. Les valeurs retrouvées au cours de ces trois études sont très proches, respectivement 1 à 4.10-16 m4/Ns47, de 1,5 à 3.10-16 m4/Ns11, 1 à 2,3.10-15 m4/Ns48. Néanmoins pour plusieurs auteurs7,48, il semble que de telles mesures ne soient pas très fiables et que l’on doive leur préférer des mesures « directes » comme le permet la manipulation originale de Gu et al41. Le dispositif comprend 2 chambres étanches, un vérin et un capteur de pression. Un échantillon d’AF de 6mm sur 0,3mm est inséré entre 2 plaques perméables de polyéthylène. Il est alors soumis à un flux liquidien continu et à une compression correspondant à une pression de 0,1 à 0,15MPa pour éviter la fuite de Pg. Le débit nécessaire pour maintenir une pression de 69kPa est utilisé pour calculer la perméabilité de l’échantillon. La mesure directe de la perméabilité du CEP n’a, à notre connaissance, jamais été rapportée à ce jour.

1.3 : Considérations sur les approches expérimentales

1.3.1 : Modèle animal Les rachis ovins et caprins sont souvent utilisés dans les études biomécaniques animales25,84,105,107, malgré des différences anatomiques et morphométriques. Wilke et al.105 ont comparé l’anatomie des rachis ovin et humain. Ils ont conclu de leur étude qu’il existe des similarités importantes entre les deux espèces en ce qui concerne les principales dimensions des vertèbres et les variations en fonction de l’étage concerné. Les étages thoraciques et lombaires représentent des modèles raisonnables de rachis humain. Au niveau lombaire, les corps vertébraux du mouton sont plus hauts que chez l’humain et les DIV moins épais. Ce même auteur a également réalisé des tests statiques sur banc de segments rachidien de mouton et a validé le modèle ovin pour la chirurgie discale mais aussi l’instrumentation rachidienne42,43,107. Une étude de la composition biochimique du DIV ovin a confirmé la validation du modèle84. Ainsi même s’il s’agit d’un quadrupède ne présentant pas la même répartition des masses et n’étant pas soumis aux mêmes forces gravitationnelles qu’un bipède, l’ovin est un modèle animal fiable. Le modèle porcin a quant à lui largement été utilisé dans la littérature76, y compris pour l’instrumentation rachidienne28,55,61. Les propriétés mécaniques de l’os porcin se rapprochent beaucoup de celles de l’humain1.

1.3.2 : Conservation des échantillons Les manipulations nécessaires à la mesure de la perméabilité d’échantillons organiques demandent souvent beaucoup de temps. La conservation des tissus est donc une préoccupation majeure.

23

a - Etat frais

Dans leur étude sur les disques ovins, Costi et al.25 ont remarqué que les échantillons conservés dans de l’eau à 37°C commençaient à présenter des signes de décomposition après 4 à 5 heures. Si les propriétés mécaniques ont été peu modifiées jusqu’à la 8ème heure, elles se sont nettement dégradées à partir de la 20ème heure. De même, Rodrigo et al.91 ont montré que la viabilité des chondrocytes de cadavres conservés à 4°C sans milieu de culture chute rapidement de quasiment 100% à 6 h, à 80% à 12 h, 70 % à 24 h pour chuter ensuite plus rapidement. Malinin et al.62 ont montré que des lésions tissulaires n’apparaissent qu’après 20 jours de conservation à + 4°C dans un milieu de culture adapté. Le Ringer Lactate (solution contenant des concentrations physiologiques de sodium, potassium, chlorure et bicarbonate) est fréquemment utilisé comme solution de conservation des échantillons osseux et cartilagineux. Pourtant il semble préférable de conserver ces échantillons à 4°C dans un milieu de culture stérile contenant les nutriments nécessaires au métabolisme des chondrocytes108. Ce milieu doit être renouvelé toutes les 48 à 72 heures ce qui permet un apport régulier de nutriments tout en assurant l’élimination des enzymes de dégradation des chondrocytes lysés. Wayne et al.104 ont pu conserver des échantillons ostéochondraux jusqu’à 60 jours à 4°C dans une solution de conservation changée deux fois par semaine17. Ils n’ont pas trouvé de différence significative des propriétés mécaniques ou biochimiques (quantité et distribution des Pg). Ils ont montré par ailleurs que la conservation dans un milieu de culture à 37 °C induisait des lésions tissulaires. Williams et al.108 ont confirmé ces résultats mais une différence significative du nombre et de la densité de chondrocytes viables apparaissait dès après 14 jours de conservation. De la même façon, ils n’ont pas retrouvé de différence significative concernant les propriétés mécaniques (perméabilité, module d’élasticité) entre les échantillons conservés 7 ou 28 jours, laissant supposer que le délai d’attente n’a pas induit de lésions tissulaires importantes. Il ressort de l’analyse de l’ensemble de ces études qu’il est raisonnable de conserver des prélèvements ostéocartilagineux 14jours dans un milieu adapté à 4°C. b - Congélation

On retrouve des résultats contradictoires quant à l’influence de la congélation des échantillons sur les résultats des expérimentations dans la littérature8,9,108. L’origine des différences retrouvées n’est pas encore bien élucidée. Il semble que la congélation produise des dommages tissulaires soit directement par la formation de cristaux de glace, soit indirectement par la mort cellulaire8,9,91,97,98,104. Ces cellules relarguent dans la matrice des enzymes qui détériorent les Pg du cartilage. Ainsi, après congélation, on retrouve dans le cartilage une augmentation de la proportion des Pg de petite taille et une diminution de la quantité des Pg agrégés9. Ces altérations sont similaires à celles retrouvées au sein des disques de sujets âgés. Williams et coll.108 ont montré que la congélation à -80°C entraine la mort des chondrocytes. Ces observations ont été confirmées par les travaux de Enneking et Campanacci33,34. Bass et al.9 ont étudié l’effet de la congélation sur les propriétés biomécaniques de DIV de porc. Deux groupes d’échantillons ont été différenciés. Le premier était constitué de spécimens conservés à + 4°C. Les échantillons du deuxième groupe étaient congelés à -20 °C sans cryoprotecteur pendant 6 à 14 jours puis étudiés après décongélation rapide à température ambiante. Ils ont ainsi montré que la congélation modifie de façon très importante les propriétés mécaniques des échantillons; la perméabilité des disques congelés était 82% plus importante que celle des échantillons frais et la pression de gonflement des disques 25% plus faible. De plus, lors d’une série de 5 mesures consécutives sur un

24

échantillon congelé, même si la première mesure est proche de celle retrouvée sur le spécimen frais, les autres divergent et ce d’autant plus que l’on répète les cycles, avec des valeurs de plus en plus importantes. Ceci confirme que cette différence de comportement est certainement secondaire à des lésions tissulaires. Ainsi, la majorité des auteurs s’accordent sur l’utilisation de cryoprotecteurs ou des techniques de congélation plus perfectionnées62,91,92,97,98,104,108 qui évitent la formation de cristaux de glace et préviennent le choc osmotique induit par la déshydratation cellulaire lors de la congélation. Tomford et al.98 ont étudié la toxicité des cryoconservateurs. Le glycérol est plus toxique que le DMSO (DiMéthylSulfOxyde). Le meilleur taux de survie est obtenu avec une phase de pré-congélation par immersion des spécimens dans une solution de DMSO de 4 à 12 % pendant quelques minutes suivie d’une diminution lente de la température qui permet l’établissement d’un équilibre des milieux extra et intracellulaires, évitant ainsi les lésions cellulaires62,91,92,97,98,104,108. Il n’a pas été prouvé qu’une congélation à -196°C soit plus efficace qu’à -80°C92. En ce qui concerne la décongélation, les auteurs pratiquent pour la plupart une décongélation rapide à température ambiante, dans une solution de Ringer (avec ou sans DMSO) à laquelle sont ajoutés des inhibiteurs enzymatiques41,92,108. Ceci semblerait améliorer les résultats en évitant la dégradation de la matrice cartilagineuse par les enzymes relargués lors de la mort cellulaire. Néanmoins, ces notions ne sont applicables qu’aux chondrocytes isolés. Le problème semble plus complexe pour les pièces anatomiques car intervient la matrice extra-cellulaire qui constitue un obstacle à la diffusion du DMSO98 avec pour conséquence des taux de survie inférieurs92. Une étude colorimétrique a cependant montré que le DMSO peut diffuser dans des échantillons ostéochondraux de taille conséquente en moins de 2 heures97. Ainsi, ce protocole de congélation semble néanmoins acceptable pour des échantillons de petite taille de l’ordre de 5mm. Gu et al.41 ont conservé leurs segments lombaires à -20°C avant de procéder aux mesures sur les échantillons et leurs résultats n’en ont pas été altérés. Notons que dans une étude de 1998, Gleyzes et al. ne trouvaient aucune influence de la congélation sur les propriétés biomécaniques de DIV d’agneaux37.

1.4 : Synthèse Cette première partie a permis de développer une description anatomique, biologique et fonctionnelle du disque intervertébral. Le rôle des transferts de masse dans le segment intervertébral et notamment dans les problèmes de calcification des plateaux a été abordé. Les transferts de fluide, de protéine et de nutriments sont liés à la superposition complexe de phénomènes osmotiques et de convection - diffusion. Il apparaît donc que ces interactions entre transfert et comportement sain et pathologiques du rachis constituent actuellement un problème scientifique et clinique totalement ouvert. Notre démarche a été focalisée sur l'analyse des propriétés convectives des tissus et plus particulièrement de la perméabilité. Les données de la littérature, notamment en termes de propriétés des tissus biologiques, sont relativement dispersées car associées à des modèles et à des techniques expérimentales variées. De plus elles sont souvent éloignées de notre problématique clinique première qui concerne le rachis en croissance et la scoliose idiopathique. Cette étude bibliographique a donc permis de mettre en évidence l'intérêt de mener des études quantitatives des perméabilités de l'interface disque - vertèbre dans un cadre scientifique rigoureux notamment en utilisant des modèles animaux en croissance et des techniques expérimentales contrôlées.

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CHAPITRE 2 : Développement d’un dispositif de mesure de la perméabilité du plateau vertébral; application à un modèle animal porcin 2.1 : Objectif L’objectif a été de mettre en place une procédure théorique et expérimentale de mesure de la perméabilité macroscopique d'échantillons cylindriques prélevés dans le plateau vertébral. Après validation du dispositif expérimental nous avons mené une étude pilote sur un modèle animal porcin. 2.2 : Matériel et méthodes 2.2.1 : Echantillons biologiques Les échantillons biologiques ont été prélevés sur un cochon âgé de 4 mois. Une dose d’héparine de bas poids moléculaire (Innohep® tinzaparine 4500UI/ml, Léo Pharma) a été injectée en sous cutané les 2 jours précédents le prélèvement. Cette anticoagulation avait pour but de prévenir la formation de caillots sanguins au sein des échantillons et donc un biais potentiel de mesure de leur perméabilité57,103. Sous anesthésie générale et analgésie adaptée, les corps vertébraux de L4 et L5 ont été prélevés en bloc, puis l’animal a été sacrifié. Les 2 plateaux vertébraux de chaque vertèbre ont été découpés à scie oscillante avec une épaisseur de 6 mm. Le DIV a été réséqué à l’aide de bistouris ophtalmologiques sous microscope57,71. Cinq échantillons cylindriques de 3,5 mm de diamètre ont alors été prélevés dans le plateau caudal de L4 et le plateau crânial de L5 à l’aide d’un emporte pièce (Fig. 17a). Chaque échantillon était donc constitué d'une séquence d'empilement de tissus biologiques : CEP, os sous chondral, os spongieux assimilable à une épiphyse et cartilage de croissance. La hauteur des échantillons a été contrôlée par l’utilisation d’un guide de coupe pour la scie oscillante. La précision des coupes a été de 0,2 mm avec une marge d’erreur sur un échantillon de 6 mm de 0,2 / 6 ≈ 3 %.

Les échantillons (Fig.17b) ont été placés dans un tube en silicone (longueur l, diamètre intérieur ri, diamètre extérieur r0) (Fig. 17c), identifiés et immergés dans une solution de

(c)

(b)

Fig.17 : Plateau vertébral (face discale). (a) 5 prélèvements cylindriques (notés S1 à S5) ont été effectués. Chaque échantillon cylindrique (b) était introduit dans un tube en silicone (c). Les 9 coupes de l’étude microscopique sont visualisées en (a) (pointillés)

26

chlorure de sodium isotonique héparinée à 100UI/ml. Ils ont été conservés à 6°C et toutes les mesures ont été effectuées dans les 36 heures suivant le prélèvement. 2.2.2 : Considérations théoriques Le schéma hydraulique du dispositif expérimental est présenté Figure 18. Un débit de fluide transitoire était généré dans le circuit et en saturant totalement l'échantillon biologique, il permettait de déduire la perméabilité macroscopique à partir de la mesure de pression relative. Le déplacement contrôlé du vérin était quasi statique et l’effet de masse du à l’accélération du liquide négligeable.

L’équation (5) exprime la conservation de la masse liquide dans la zone à haute pression (Fig. 18). Le produit de la section du piston sp et de sa vitesse de déplacement pu& représente le débit généré dans la chambre à haute pression.

0=−++ pp21f

0 usqqpBv

&& (5)

Le débit du à la compressibilité du liquide Bf en transformation isotherme est dépendant de p&, la variation de pression dans le temps et de v0, la vitesse moyenne du fluide. Les variables qs, q1 et q2 représentent respectivement le débit à travers l’échantillon, les fuites autour de l’échantillon et les fuites de la durite. Le débit est laminaire avec un faible nombre de Reynolds. Le débit à travers l’échantillon (section ss, longueur ls) dépend de la pression relative p, de la perméabilité intrinsèque κs et de la viscosité du liquide μ, en appliquant la loi de Darcy (6a)31. De la même manière, les fuites sont proportionnelles à la pression différentielle en utilisant les coefficients λ1 et λ2 selon (6b) et (6c).

plsqs

sss

μκ

= (a) pq 11 λ= (b) pq 2 2 λ= (c) (6)

La déformation des composants du montage mis en pression est prise en compte de manière globale dans l’équation (7) exprimant la différence entre le déplacement imposé u et

q2(t)

qs(t)

q1(t)

capteur de pression

filtre

vis basse pression

vis haute pression

Echantillon

réservoir

chambre haute pression p(t)

chambre basse pression patm

up(t)

u(t)

Fig. 18 : Schéma hydraulique du dispositif

27

le déplacement effectif du piston up, k étant le coefficient de raideur linéaire globale du montage (piston, durite…).

( )p pp s k u u= − (7) L’introduction des équations (6a), (6b), (6c) et (7) dans l’équation (5) permet d’exprimer la pression relative p(t) par l’équation différentielle de 1er ordre, équation (8). La constante A représente la perte de charge due au passage du fluide à travers l’échantillon et aux fuites éventuelles (λ1, λ2). La constante B représente la compressibilité, Bf et v0 sont respectivement la compressibilité du liquide et sa vitesse moyenne.

uB

pτ

p &&11

=+ (8)

avec 1 Aτ B

= (a) ( )1

s s1 2

p s p

sAs l s

κλ λμ

= + + (b) 21 p0

p f

svBs B k

⎛ ⎞= +⎜ ⎟⎜ ⎟

⎝ ⎠ (c)

L’équation (8) montre que la variation de pression dépendait de la variable u&. La loi cinématique du vérin comprend donc 2 phases principales (Fig. 23). Au cours de la phase 1, Le piston se déplace à vitesse constanteu&entre 0 et t1. La pression p1(t1) est atteinte et la solution de l’équation (8) est exprimée par (9). La phase 2 débute en t1, la vitesse u& est nulle et le déplacement u constant. La relaxation de la pression amont à partir de la pression p1(t1) est exprimée par l’équation (10).

( )τ

κt1

1 eutp −+= 1)(&

avec [ ]11 ttuu ; 0 ∈∀= && (9)

( ) τtτt12 eeutp 1 −+= 1)(

κ&

avec [ [∞+∈∀== ; 0 12 ttuu && (10)

L’acquisition de la pression au cours du temps est représentée par le couple (ti, pi). Le paramètre τ est obtenu en utilisant une approximation par la méthode des moindres carrés appliquée à l'exponentielle décroissante (10), comme exprimé dans l’équation (11). En introduisant l’équation (8b) dans (10) on obtient la perméabilité de l’échantillon, et celle-ci est exprimée par la relation (12). L’utilisation préalable d’un échantillon non poreux (κs = 0) et complètement imperméable permet de déterminer par les équations (11), (12) et (8a) la perméabilité du dispositif (λ1 +λ2) et son coefficient de compressibilité B, tous les autres paramètres étant contrôlés.

∑ ∑∑−

∑−⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ∑

=

= ==

==n

i

n

ii

n

iiii

n

ii

n

ii

ptptn

tnt

1 11

1

22

1

lnlnτ (11)

( )2

2 2

1 1 1 1 1 11

ln ln

1 2

1

n n n n n n

i i i i i i ii i i i i i

t t p t p n t tp s pts

1s

s l su e e

sτκ

μ λ λ= = = = = =

⎛ ⎞⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟− −⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎝ ⎠

⎡ ⎤∑ ∑ ∑ ∑ ∑ ∑ ⎛ ⎞⎢ ⎥= + − ×⎜ ⎟⎢ ⎥+⎝ ⎠⎢ ⎥

⎣ ⎦

& (12)

28

Fig. 20 : Introduction de l’échantillon dans l’entretoise

2.2.3 : Dispositif expérimental Le dispositif expérimental correspondant au schéma hydraulique est présenté Figure 19. Le fluide utilisé était un chlorure de sodium isotonique (Baxter®) à température ambiante (22° +/-10%). La pression d’amont était contrôlée par un vérin hydraulique (Joucomatic®, diamètre 10 mm, course 10 mm, section 804,25 mm2) actionné par une machine d'essai électromagnétique asservie en déplacement (Elf 3200 Enduratec®). Durant la phase 1 ( [ ]01 1 u=u t ;t∀ ∈& & ), un débit constant de 2mm3/s était généré pendant 120 s pour atteindre une pression d’amont p1 (t1) de 1Mpa. Le vérin était immobilisé dans cette position pendant 1080 s représentant la phase 2 ( [ [0 ;2 1 u=u = t t∀ ∈ +∞& & ). L’évolution de la pression d’amont était mesurée par un capteur (TME®, 0-5bars) et elle était enregistrée par le logiciel Labview® (National Instruments). Le fluide traversait l’échantillon saturé et la perméabilité macroscopique était obtenue à partir du post-traitement de l’évolution de la pression en phase 2 (équation 12). Le fluide rejoignait par la suite, le réservoir basse pression (pression atmosphérique).

L’échantillon biologique préalablement glissé dans le tube silicone (§ 2.2.1), était introduit dans une entretoise en aluminium d'alésage intérieur très légèrement conique. Une deuxième entretoise de serrage, plus étroite était mise en place (Figure 2) et le tube silicone était soigneusement

u specimen 1

silicon tube 2

z r

θ

w0

ri

ro

l

ELF 3200 Enduratec®

échantillon

joint torique

tube silicone

entretoise conique entretoise de serrage vérin

réservoir

(b)

(c) capteur de pression (a)

Fig.19 : (a) Dispositif de mesure. (b) Positionnement de l’échantillon dans la chambre étanche. (c) Modélisation de l’échantillon.

29

recoupé pour émerger de manière tangente à ces deux entretoises. L'assemblage obtenu était positionné dans la chambre intégrée au circuit hydraulique de telle sorte que le débit de fluide soit dirigé du CEP vers l’os spongieux. Le déplacement axialement imposé w0 sur le tube silicone (Fig.19), induisait un

déplacement radial u(r), un déplacement axial w(z), des contraintes (σr, σθ, σz) et des forces (εr, εθ, εz) sur l’échantillon (Fig.19c). Ceci permettait la fixation et l'étanchéité de l'assemblage. La méthode permet de générer une pression de contact homogène et relativement bien contrôlée au contact entre l’échantillon et le tube silicone. Les champs de déplacement, de force et de contrainte sont exprimés dans l’annexe 1. L’équation (A5) montre que les champs de déplacement et de contrainte sont indépendants des propriétés mécaniques de l’échantillon, mais dépendent uniquement des côtes du tube silicone et du déplacement imposé w0. Le champ des contraintes (A6) est dépendant des propriétés mécaniques de l’échantillon (E, ν). Pour r0 = 3mm, ri = 1,75mm, l = 6mm et w0 = 0,1mm, on obtient u(ri) = -0,014mm pour la compression radiale et w(l) = 0,095mm pour l’allongement axial. En utilisant des valeurs moyennes issues de la littérature pour le module d’Young (10 MPa) et le coefficient de Poisson (0,1)31, nous obtenons εr = εθ = -1,61% pour la déformation radiale, εz = 3,23% pour la déformation axiale, σr = σθ = -0,09 MPa pour la contrainte radiale et σz = 0,18 MPa pour la contrainte axiale. 2.3 : Résultats 2.3.1: Evaluation de la précision du dispositif de mesure L’identification de (λ1 +λ2) et de B a été obtenue en utilisant un tube de silicone rempli de colle silicone (CAF33 Rhône Poulenc®). La reproductibilité de la méthode a été testée par la mesure de la perméabilité de cylindres poreux d’hydroxyapatite (Interpore®, Pro Osteon HA500). Ce matériel avait été préalablement étudié lors de travaux concentrés sur l’IRM haute résolution et la perméabilité dérivée par perfusion directe78,95. Les tests d’étalonnage ont donné pour les coefficients B et (λ1 +λ2) les valeurs respectives 3,61mm/MPa (± 5%) et 3096x10-4 mm3 / MPa.s (± 5%). Vingt mesures ont été réalisées pour un intervalle de confiance à 95%. Le test sur cylindre poreux d’hydroxyapatite (Interpore® Pro Osteon HA500) a donné une perméabilité relative κs/μ de 2,9x10-7 m4/N*s (± 5 %). 2.3.2: Etude microscopique Une étude microscopique a été réalisée sur le plateau crânial de L4 préalablement fixé dans du formol. L’épaisseur des différentes structures anatomiques constitutives de l’échantillon (Fig. 21) a été mesurée à partir de 9 coupes sagittales représentées Fig. 17a.

30

CEP

thic

knes

s (x1

0-2 m

m)

1 2 3 4 5 6 7 8 90

20

40

60

80

100

120

140

160

Location of sagittal slices

12

34

5 6

78

9

10

11

12 1314

15

16 17

18

19

20

2122 23 24

25

2627

anterior

rightleft

posteriorr

1 2 3 4 5 6 7 8 9

1

23

4 5 67

8

9

1011

12 13 14 15

16 17 18

1920 21

2223 24 25 26

27

s1

s4

s5

s2 s3

Fig. 22 : Distribution de l’épaisseur du CEP: ( ─ ) zone médiane, ( − − ) zone antérieure, ( − · − ) zone postérieure.

La Figure 22 montre la distribution de l’épaisseur du plateau cartilagineux (CEP) de gauche (coupe 1), à droite (coupe 9), pour les parties antérieure, moyenne et postérieure. L’épaisseur moyenne du CEP pour la partie antérieure (coupes 1 à 9) était 50x10-2 mm ± 20 %. L’épaisseur moyenne du CEP pour la partie moyenne (coupes 10 à 18) était 72x10-2mm ±26%. L’épaisseur moyenne du CEP pour la partie postérieure (coupes 19 à 27) était 108x10-2mm ± 12 %. Les valeurs de l’épaisseur du CEP des échantillons cylindriques ont été obtenues par interpolation quadratique (Tableau 1). Cette distribution d'épaisseur est visualisée Figure 22. 2.3.3 : Perméabilité macroscopique du plateau vertébral Lors de la mesure de perméabilité des échantillons cylindriques de plateau vertébral, la pression d’amont a varié entre 0,07 et 0,1MPa. La résultante axiale sur l’échantillon a été de l’ordre de 1 N. A titre illustratif, l'acquisition d'une mesure de pression relative à l’échantillon s1 est représenté Figure 23. Nous pouvons constater que la pression augmente en phase 1 de 0 à t1 pour atteindre 0,087 MPa. Ensuite, elle diminue en phase 2 pour un temps de mesure de

Fig. 21 : Coupe histologique d’un échantillon, à droite, détail de l’interface CEP - épiphyse.

os sous chondral

reliquat de DIVCEP

épiphyse cartilage de croissance

épiphyse

reliquat de DIV, CEP et os sous

chondral

31

1200 s, après immobilisation du vérin. Le flux dans le circuit est caractérisé par un très faible nombre de Reynolds, de l’ordre de 0,02. Cinq mesures ont été effectuées pour chaque échantillon et les valeurs de perméabilité (κs/μ) ont été comprises entre 1,21x10-13 m4/N*s (± 12 %) et 3,69x10-13 m4/N*s (± 10 %). Ces valeurs sont regroupées dans le Tableau 1. Nous pouvons observer que les valeurs maximales de perméabilité ont été obtenues pour les échantillons centraux (s1).

Tableau 1 : Perméabilité des échantillons et épaisseur du plateau cartilagineux.

Echantillon s1 s2 s3 s4 s5

Interpolation points 14 11-12-13 15-16-17 4-5-6 22-23-24

Epaisseur plateau cartilagineux (10-2 mm) 59,62 70,13 56,96 44,77 101,76

κs/μ (10-13 m4/Ns) 3,69 ± 10 %

2,02 ± 11 %

2,81 ± 11 %

1,47 ± 12 %

1,21 ± 12 %

t1

0,07

0,08

0,09

0,06

0,05

0,04

0,03

p1

0,02

0,01

0 200 400 600 800 1000 1200 t(s)

Pres

sion

(MPa

)

0 mm / su =& et u = 0,3 mm

-3 2.5x10 mmu =&

Fig. 23 : Résultats expérimentaux ( ─ ) pression amont pour l’échantillon s1, ( - - - ) loi cinématique du vérin.

32

2.4 : Discussion et conclusion Nous avons proposé une méthode originale pour mesurer la perméabilité macroscopique du plateau vertébral. Cette méthode présente l'avantage de mimer les conditions in-vivo du transport convectif entre le disque et les corps vertébraux. Contrairement à des études comme celle de Gu et al.41 qui s’adressaient à des échantillons de très faible épaisseur (0,351mm), nous avons pris le parti d’étudier des échantillons massifs multicouches qui correspondent à une approche plus physiologique des transferts de fluides. Notre démarche s'est efforcée de respecter au mieux les concepts de poroelasticité. Le très faible débit de fluide a permis d'annuler les effets dynamiques. Les faibles pressions induites ont eu des effets très limités sur la compression des matrices poreuses, leur porosité et leur perméabilité. De plus, le contrôle des conditions aux limites de l'échantillon en termes de contrainte et d'étanchéité a renforcé la bonne fiabilité du protocole. Les coefficients de fuite et la compressibilité des circuits hydrauliques étaient deux problèmes potentiels. Le procédé de calibrage a permis de quantifier la compressibilité très élevée du dispositif et l'influence des fuites. Nous avons également mesuré l'influence de la compression axiale w0 (figure 19c et annexe 1) en utilisant l'obturateur en silicone non poreux et avec un spécimen biologique. Nous n'avons détecté aucune variation de pression du liquide après un seuil de 0,1 millimètre. Nous avons raisonnablement supposé que les fuites étaient négligeables. De plus pour obtenir l'état de fluide-saturé du spécimen, les bulles d'air ont été supprimées en couplant le procédé de calibration et au minimum 2 tests avant chaque prise de mesure. Pour évaluer la précision de notre méthode de mesure, nous avons successivement envisagé trois options. D'abord, un modèle théorique d'écoulement de conduite a été étudié. Pour une perméabilité ciblée de 4 x 10-13 m4/N*s, un capillaire unique de longueur 6 millimètres aurait exigé un diamètre de 0,097 millimètre31. Ce modèle était intrinsèquement très sensible au diamètre de conduite (puissance 4) et son usinage suffisamment précis aurait été critique. Il nous a paru raisonnable qu'un tel cas ne pouvait pas être considéré comme référence pour nos applications. Deuxièmement, il a été envisagé une comparaison avec des résultats de la littérature. Or ceux-ci présentent de grandes variations liées au type d'espèce étudiée, à la région d'intérêt, au type de tissu et au protocole expérimental (conditions aux limites, pression). Compte tenu de ces limitations, nous avons décidé d'étudier un échantillon de matériau poreux (pro Osteon HA500, Interpore©) précédemment étudié par notre groupe avec une méthode concurrente (perfusion continue de fluide)78,95. Des résultats très satisfaisants ont été obtenus puisque des écarts inférieurs à 5 % ont été observés. Nos résultats ont également été en accord avec la littérature44,58. Les résultats de l'étude pilote sur le modèle animal porcin ont eu tendance à montrer que la perméabilité macroscopique du plateau vertébral n'était pas uniforme, la zone centrale étant plus perméable que la périphérie. Ce résultat est en accord avec les résultats histologiques et avec les études qualitatives de la littérature. L'étude microscopique associée a permis d'observer la séquence d'empilement des tissus dans le plateau vertébral. L'épaisseur variable du CEP a été quantifiée avec notamment une diminution dans la zone centrale. En utilisant les valeurs du Tableau 1, une régression linéaire a été établie entre cette épaisseur et la perméabilité macroscopique mesurée. Un coefficient de -0,4 a été obtenu. Ceci signifie que lorsque l'épaisseur de cartilage diminue, la perméabilité macroscopique de l'échantillon cylindrique augmente. Ce résultat qui mérite d'être renforcé

33

par une base augmentée d'échantillons statistiques, présente toutefois des convergences avec les travaux qualitatifs de la littérature décrivant le rôle significatif du CEP dans le transport convectif au sein du segment vertébral. Notre but initial était de proposer une méthode pour mesurer la perméabilité macroscopique d'échantillons cylindriques de plateau vertébral et les résultats de cette étude pilote originale sur modèle animal ont été très satisfaisants.

34

CHAPITRE 3 : Influence de l’âge, de la localisation et du sens de flux sur la perméabilité macroscopique du plateau vertébral; application à un modèle animal ovin 3.1 : Objectif Nous avons supposé que la perméabilité macroscopique du plateau vertébral pouvait évoluer au cours de la croissance du rachis. Dans cette partie du travail de recherche nous avons réalisé une étude expérimentale sur un modèle ovin en croissance. Les rôles de la localisation de l'échantillon, de la maturation osseuse de l’animal et du sens d'écoulement du fluide ont été étudiés. Ce chapitre a été réalisé en collaboration avec le Dr JM Laffosse et le Pr A Autefage de l’ENV Toulouse. 3.2 : Matériel et méthodes 3.2.1 : Echantillons biologiques Trois groupes de 2 agneaux ont été isolés. Les animaux ont été sacrifiés à l’âge de 2 mois pour le groupe I, 4 mois pour le groupe II et 6 mois pour le groupe III. Pour éviter la formation de caillots sanguins, une injection sous cutanée d’héparine de bas poids moléculaire (Innohep® 4500UI, tinzaparine, Leo Pharma) a été administrée la veille et le jour du sacrifice57,103. La procédure de prélèvement des échantillons biologiques mise au point précédemment (chapitre 2) a été renouvelée. Le rachis lombaire a été prélevé en bloc de L1 à L5. Les plateaux vertébraux ont été isolés par 2 coupes horizontales à l’aide d’une scie oscillante et le DIV a été réséqué de chaque plateau à l’aide d’un bistouri beaver ophtalmologique sous microscope. Trois échantillons cylindriques de 5 mm de diamètre et 6 mm de long ont ensuite été prélevés avec un emporte pièce réalisé sur mesure en acier inoxydable. Un échantillon a été prélevé dans la partie centrale du plateau et 2 autres de part et d’autre sur les parties latérales. Ces prélèvements sont représentés Figure 24a. Les 135 échantillons prélevés ont été introduits dans leur tube silicone, la procédure étant identique à celle présentée au chapitre 2. La mesure de perméabilité d’un échantillon étant une procédure assez longue de l’ordre de 20 min, il n’était matériellement pas possible de réaliser l’ensemble de celles-ci à l’état frais. Par conséquent, 71 échantillons ont été congelés à -23°C dans les 6 heures suivant le sacrifice dans une solution de Ringer, de DMSO à 10% et de 100UI/ml d’héparine non fractionnée. Les 64 autres échantillons ont été conservés à l’état frais dans un milieu de culture standard (RPMI 1640®, Cambrex, Verviers, Belgique) également hépariné à la même concentration (100UI/ml) et changé toutes les 24 heures. Toutes les mesures ont été effectuées dans les 72 heures suivant le sacrifice dans ce groupe. La répartition des types d'échantillons est explicitée dans le tableau 2.

Tableau 2: Nombre d’échantillons par groupe, localisation et conditions de conservation

échantillons groupe I groupe II groupe III central latéral central latéral central latéral

frais 9 9 8 16 8 14 congelés 10 13 7 16 6 19

35

3.2.2 : Dispositif de mesure & procédure expérimentale Le dispositif expérimental et les équations de comportements associées qui ont été mis en place précédemment pour la mesure de perméabilité du modèle animal porcin ont également été utilisés dans cette partie du travail de recherche. Le dispositif de maintien et d'étanchéité de l'échantillon cylindrique est présenté Figure 24c mais on peut noter que pour améliorer la reproductibilité et la précision des mesures, la liaison mécanique entre la machine d'essai et le vérin a été améliorée. Son isostatisme a été obtenu grâce à la mise en place de deux liaisons par roulements orthogonales et une liaison sphérique. Le dispositif complet a été immergé pour supprimer la formation de bulles d'air et pour maintenir une température constante (22°C ±10 %) grâce à un dispositif de thermorégulation. Un dispositif adapté de vannes, a permis l'inversion de sens d'écoulement de fluide sans manipulation de l'échantillon. La perméabilité macroscopique de chaque échantillon a comme précédemment, été déterminée en utilisant les relations (11) & (12) (chapitre 2 §2.2.2). Les calculs statistiques ont été réalisés sous Statview® (SAS Institute Inc., USA). Pour les comparaisons, nous avons préalablement comparé les variances des séries de valeurs par un test F de Fisher. Le nombre

specimens latéraux

specimen central emporte-pièce

Enduratec

capteur de pression

dispositif immergé

vérin sens du flux

glissière

(a)

(b)

specimen tube silicone joint torique

entretoise conique

entretoise de serrage

(c)

sens du flux

Figure 24 : Dispositif expérimental : (a) plateau vertébral et localisation des prélèvements; (b) dispositif de mesure; (c) localisation et étanchéité de l'échantillon biologique

36

d’échantillons au sein de chaque série étant inférieur à 30, nous avons réalisé un test T de Student pour comparer les moyennes. Le seuil retenu a été p < 0,05. Une étude microscopique a été associée à la mesure des perméabilités. Cette étude a porté sur 25 échantillons issus du groupe I (14 centraux, 11 latéraux), 11 du groupe II (7 centraux et 4 latéraux) et 11 du groupe III (5 centraux et 6 latéraux). Ces 47 échantillons ont été fixés dans une solution de formol à 10% puis inclus et colorés à l’hématéine-éosine, immédiatement après la mesure de la perméabilité. Nous avons réalisé une étude semi quantitative en mesurant l’épaisseur de chaque couche constituant un échantillon, soit : reliquat de DIV, CEP, cartilage de croissance et épiphyse. La densité de vaisseaux et contacts médullaires à l’interface CEP / os sous chondral a été mesurée et classifiée comme suit : 1 = faible, 2 = moyenne, 3 = forte. 3.3 : Résultats 3.3.1 : Perméabilité La prise de mesure a été de l'ordre de 20 mn par échantillon et la pression d’amont maximale de l'ordre de 0,1 MPa. Cette pression limitée a permis d’éviter d'altérer l’échantillon et également de se rapprocher des pressions rencontrées in vivo23. Trois mesures ont été réalisées pour chaque échantillon et pour chaque sens d’écoulement. A titre illustratif, une acquisition relative à un échantillon central est reproduite Figure 25.

Les valeurs obtenues pour les deux échantillons latéraux ont été moyennées et l'ensemble des résultats est présenté dans tableau 3. La Figure 26 permet de synthétiser les résultats sous forme graphique.

200 1000 0 400 600 800 1200 t (s) 1400 1600

0.02

0.06

0.04

0.08

0.10

0.12

0.14

p1

t1

Pres

sion

(MPa

)

vérin immobile et déplacement fixé à 0,3mm

dépl

acem

ent (

mm

)

0.2

0.4

Figure 25 : (─) pression d’amont pour l'échantillon central, (- -) loi cinématique du piston

37

échantillons centraux échantillons latéraux flow-in flow-out flow-in flow-out

groupe I

animal 1 1,22x10-14

DS 3,49x10-15 1,57x10-14

DS 4,60x10-15 1,03x10-14

DS 3,91x10-15 1,19x10-14

DS 3,27x10-15

animal 2 1,24x10-14

DS 8.29x 10-15 1,76x10-14

DS 4.18x 10-15 1,02x10-14

DS 2.59x 10-15 1,19x10-14

DS 2.70x 10-15

moyenne 1,23x10-14

DS 6,36x10-15 1,66x10-14

DS 4,52x10-15 1,03x10-14

DS 3,36x10-15 1,19x10-14

DS 2,99x10-15

groupe II

animal 1 1,09x10-14

DS 2.56x10-15 1,35x10-14

DS 5.39x10-15 9,60x10-15

DS 2.76x10-15 9,25x10-15

DS 2.06x10-15

animal 2 9,64x10-15

DS 4,16x10-15 1,23x10-14

DS 1,09x10-15 1,21x10-14

DS 3,19x10-15 1,06x10-14

DS 2,68x10-15

moyenne 1,03x10-14

DS 3,51x10-15 1,29x10-14

DS 3,81x10-15 1,10x10-14

DS 3,26x10-15 1,0x10-14

DS 2,52x10-15

groupe III

animal 1 8,59x10-15

DS 1,39x10-15 10,4x10-15

DS 2,58x10-15 8,30x10-15

DS 1,54x10-15 9,39x10-15

DS 1,81x10-15

animal 2 7,36x10-15

DS 2,13x10-15 9,72x10-15

DS 3,56x10-15 7,15x10-15

DS 1,58x10-15 7,95x10-15

DS 1,82x10-15

moyenne 7,92x10-15

DS 1,93x10-15 10,0x10-15

DS 3,20x10-15 7,65x10-15

DS 1,66x10-15 8,63x10-15

DS 1,82x10-15

Tableau 3 : Valeurs de perméabilité macroscopique par groupe d'animaux, par localisation et par sens d'écoulement.

2 mois 4 mois 6 mois

(a) centre & flow-out

perm

éabi

lité

(m4 /N

s)

2 mois 4 mois 6 mois

(b) centre & flow-in

perm

éabi

lité

(m4 /N

s)

2 mois 4 mois 6 mois

(d) latéral & flow-in

perm

éabi

lité

(m4 /N

s)

2 mois 4 mois 6 mois

(c) latéral & flow-out

perm

éabi

lité

(m4 /N

s)

Figure 26 - Perméabilité macroscopique: (a) - échantillon central flow-out, (b) - échantillon central flow-in, (c) - échantillon latéral flow-out, (d) - échantillon latéral flow-in.

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Aucune différence significative n'a été détectée entre les animaux d'une même catégorie d'âge (groupe I, II & III, p>0,5). Nous n’avons pas trouvé de différence de perméabilité entre les plateaux supérieur et inférieur d’un même corps vertébral pour les animaux d'un même groupe. Enfin, les conditions de stockage des spécimens (frais & congelés) n'ont montré aucune influence significative sur la mesure de la perméabilité des tissus (p > 0,4). Pour le groupe I (2 mois), la perméabilité macroscopique moyenne (κ / μ) des échantillons centraux était de 1,23x10-14 m4/Ns en flow-in et 1,66x10-14 m4/Ns en flow-out. La différence de +35% était significative (p=0,015). Pour les prélèvements périphériques, la perméabilité moyenne était de 1,03 10-14 m4/Ns en flow-in et 1,19 10-14 m4/Ns en flow-out et le différentiel de perméabilité n'était pas significatif (p=0,19). Le centre du plateau vertébral a été caractérisé comme plus perméable que la périphérie (+28,5%, p=0,002) en flow-out et dans une moindre mesure en flow-in (+16,5%, p=0,3). Pour le groupe II (4 mois), la perméabilité macroscopique des échantillons centraux était de 1,03x10-14 m4/Ns en flow-in et 1,29x10-14 m4/Ns en flow-out. La différence de +20% était significative (p=0.038). Pour les spécimens périphériques, la perméabilité moyenne était de 1,094x10-14 m4/Ns en flow-in et 1,001x10-14 m4/Ns en flow-out; la différence étant de +8.5% (p=0,39). Lorsque les perméabilités centrales et périphériques ont été comparées, les mesures effectuées en flow-out ont montré une augmentation significative de +22.3% (p=0,012) alors que les résultats associés au flow-in ont révélé une différence non significative de -6.8% (p=0,6). Pour le groupe III (6 mois), la perméabilité moyenne des échantillons centraux était de 7,92x10-15 m4/Ns en flow-in et 10x10-15 m4/Ns en flow-out. Ceci a révélé une différence significative +21% (p=0,05). En périphérie, les perméabilités moyennes ont été de 7,65x10-15 m4/Ns en flow-in et 8,63x10-15 m4/Ns en flow-out; la différence était de +8,5% (p=0,39). Nous avons mesuré une différence de +43% (p=0,16) et +14% (p=0,71) entre le centre et la périphérie respectivement pour le flow-in et le flow-out. Il a été observé une tendance générale à la diminution globale de la perméabilité avec la maturation des tissus. Ce résultat apparaît assez clairement Figure 26. Les valeurs p sont récapitulées dans le tableau 4. Cette diminution a été particulièrement significative dans la zone centrale du plateau vertébral. On peut noter toutefois que la différence entre 2 et 6 mois était toujours statistiquement significative quelle que soit la zone d'intérêt.

Tableau 4 : Comparaison statistique des perméabilités macroscopiques par groupe d'âge,

localisation et sens de flux (les différences significatives sont grisées).

p échantillons centraux échantillons latéraux flow-in flow-out flow-in flow-out

2 mois (grI) - 4 mois (grII) 0.44 0.044 0.57 0.08 4 mois (grII) - 6 mois (grIII) 0.006 0.045 0.002 0.09 2 mois (grI) - 6 mois (grIII) 0.03 0.0003 0.02 0.0009

39

3.3.2 : Etude microscopique La coupe histologique représentée Figure 27 met en évidence la séquence de juxtaposition des tissus composant le plateau vertébral. Nous pouvons observer le plateau cartilagineux, l'os sous-chondral, le cartilage de croissance et l'os trabéculaire ou épiphyse. Des canaux de connexion (ou "marrow contact channels") reliant la couche sous-chondrale au plateau cartilagineux peuvent être distingués. Ces canaux sont le site privilégié des phénomènes de transport convectif8,99,102.

Pour tous les groupes, le tableau 5 récapitule la distribution d'épaisseur des tissus biologiques composant le plateau vertébral. Les échantillons n’étaient pas différents en ce qui concerne l’épaisseur du DIV laissé en place. Nous avons pu observer un CEP moins épais pour les échantillons centraux que pour les échantillons latéraux pour les 3 groupes d'âge. Ce résultat a été significatif pour le groupe III (p=0,03). Le cartilage de croissance est apparu plus épais pour les échantillons latéraux de manière significative pour les groupes I (p<0,01) et II (p=0,03). L’épaisseur totale de cartilage (CEP+cartilage de croissance) était plus importante pour les échantillons latéraux, et ceci de manière significative pour les groupes I (p<0,01) et II (p=0,02). Enfin, il est apparu une diminution de cette épaisseur avec l'âge alors que l’épaisseur totale des échantillons demeurait relativement constante. Le tableau 6 récapitule les résultats de l'étude semi quantitative de la vascularisation du plateau vertébral. Des différences très faibles dans le réseau vasculaire (capillaires & espaces médullaires) ont été détectées quelle que soit la zone d'intérêt et la maturité des tissus. Cependant, une augmentation de densité des espaces médullaires a été détectée de la zone centrale, et plus particulièrement pour le groupe I. Nous avons également observé une tendance à la calcification périphérique dans le groupe III.

cartilage de croissance

épiphyse

CEP

vaisseau sanguin au contact du CEP

espace médullaire

marrow contact

Figure 27 - Coupe histologique montrant la distribution des tissus dans le plateau vertébral

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DIV CEP (1) épiphyse (2) CC (3) 1 + 3 1 + 2 + 3

groupe I (2 mois)

central 0,95 DS 0,28 0,25 DS 0,10 1,97 DS 0,27 0,36 DS 0,08 0,61 DS 0,12 2,59 DS 0,34 latéral 1,00 DS 0,4 0,32 DS 0,12 1,74 DS 0,53 0,55 DS 0,20 0,86 DS 0,25 2,60 DS 0,68 p 0,72 0,10 0,10 < 0,01 < 0,01 0,95

groupe II (4 mois)

central 1,13 DS 0,53 0,23 DS 0,07 2,21 DS 0,42 0,34 DS 0,08 0,52 DS 0,13 2,73 DS 0,40 latéral 1,75 DS 0,36 0,27 DS 0,08 2,14 DS 0,93 0,87 DS 0,45 1,14 DS 0,44 3,27 DS 0,86 p 0,10 0,48 0,87 0,03 0,02 0,23

groupe III (6 mois)

central 0,69 DS 0,32 0,17 DS 0,03 1,84 DS 0,38 0,3 DS 0,11 0,47 DS 0,13 2,3 DS 0,29 latéral 1,22 DS 0,96 0,25 DS 0,05 1,52 DS 0,53 0,45 DS 0,22 0,70 DS 0,23 2,23 DS 0,65 p 0,32 0,03 0,34 0,22 0,12 0,82

Tableau 5 - Epaisseur des tissus biologiques constituant le plateau vertébral et comparaison entre les échantillons centraux et latéraux (les différences significatives sont grisées). DIV: disque intervertébral, CEP: plateau cartilagineux, CC: cartilage de croissance.

n échantillons vaisseaux marrow contacts densité → 1 2 3 1 2 3

groupe I central 9 5 0 0 2 12 latéral 4 6 1 0 2 9

groupe II central 4 1 2 0 5 2 latéral 1 3 0 0 3 1

groupe III central 1 4 0 0 5 0 latéral 4 2 0 0 6 0

Tableau 6 : Evaluation semi-quantitative de la densité des contacts médullaires et des

vaisseaux à l’interface os - CEP : 1 - faible; 2 - moyenne ; 3 - forte 3.4 : Discussion & conclusion Nous avons initialement supposé que la perméabilité macroscopique du plateau vertébral pouvait évoluer au cours de la croissance du rachis. Pour développer notre démarche de recherche nous avons travaillé sur un modèle animal ovin âgé de 2, 4 et 6 mois. Ce choix du modèle expérimental a été initialement justifié par des similarités anatomiques et biomécaniques comparativement à l'adolescent en croissance. La littérature montre que les dimensions globales des vertèbres et des disques ainsi que la mobilité rachidienne tendent à affirmer que le rachis de mouton est un modèle satisfaisant pour le rachis humain105. En outre, la composition biochimique des disques est relativement semblable à celle de l'humain84, le niveau d'hydratation et la réponse à la pression de fluide confirment également ce choix25. Les résultats de l'étude sur modèle animal ont montré que la perméabilité macroscopique du plateau vertébral n'est pas uniforme, la zone centrale étant plus perméable que la périphérie. Cette conclusion a été étayée par les résultats de l'étude microscopique était en accord avec les études qualitatives de la littérature. Quel que soit le groupe d'âge, les épaisseurs cumulées de cartilage incluant le CEP et le cartilage de croissance ont montré des épaisseurs variables et toujours moindres dans la zone centrale du plateau vertébral. Le cartilage étant le tissu le moins perméable, nous avons pu conclure que pour chaque animal de la même catégorie d'âge, une corrélation pouvait exister entre les épaisseurs de cartilage et la

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perméabilité macroscopique du plateau vertébral. Le réseau vasculaire et les espaces médullaires ont semblé également plus denses dans la zone centrale. Ceci contribue à définir le domaine central du disque comme zone privilégiée pour le transport convectif dans le segment. Le sens d'écoulement de flux a montré une influence significative sur la perméabilité macroscopique du plateau vertébral. Pour les zones centrales et périphériques, nous avons constaté que le flow-out, correspondant à une exsudation du fluide hors du disque, a été associé à des perméabilités plus grandes (+35%) que celles mesurées pour le flow-in, flux de réhydratation du disque. Notre expérimentation a mis en évidence une diminution de la perméabilité macroscopique du plateau vertébral avec la maturation des tissus et ce résultat a été statistiquement significatif. Il a été montré que cette évolution était indépendante de la zone d'intérêt et du sens du flux. Pendant la croissance, nous avons mesuré une épaisseur relativement constante du plateau vertébral avec une diminution globale des épaisseurs de cartilage. Ici nous avons pu conclure que non seulement la séquence d'empilement des tissus constitutifs pouvait modifier la perméabilité macroscopique du plateau vertébral mais la constitution intrinsèque du tissu tel que la porosité et la tortuosité évolutive en croissance pouvait jouer un rôle significatif. La calcification partielle de la zone périphérique du plateau notée à 6 mois a tendance à étayer cette observation. En conclusion, nous avons montré dans cette partie du travail de recherche, que la perméabilité macroscopique du plateau vertébral était dépendante de la zone d'intérêt, du sens de l'écoulement de fluide et dépendante de la maturité des tissus et donc de la croissance. Ceci a permis de renforcer notre hypothèse initiale qui supposait que l'analyse du transport convectif dans le segment vertébral, étudié par le biais de la perméabilité macroscopique du plateau pouvait constituer une approche pertinente mécano-biologique du rachis en croissance, sain et pathologique.

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Fig. 28 : Présence de calcifications dans la convexité d’une courbure neuromusculaire (flèches A), peu ou pas de calcifications dans la concavité (flèches B). d’après Urban et al 102

Fig. 29 : Pince postérieure chez le chien. A droite, vue postérieure du montage sur os sec. Au centre, radiographie de face du montage en place. A gauche résultat après 3 mois, pincement de l’espace intervertébral. d’après Taylor et al.

CHAPITRE 4 : Influence d’une épiphysiodèse asymétrique sur la perméabilité du plateau vertébral 4.1 : Objectifs Nous avons précédemment étudié l'évolution des perméabilités macroscopiques sur un modèle animal en croissance sain. Or, la problématique clinique sous-jacente à notre démarche concerne la scoliose idiopathique de l’adolescent. Pour progresser dans notre stratégie nous avons développé un modèle de croissance asymétrique de segment vertébral sur un modèle animal porcin. Cette étude pilote a donc analysé l'influence d'une pince latérale sur la perméabilité et l'histologie du plateau vertébral. Ce chapitre a été réalisé en collaboration avec le Dr Th.Odent (Hôpital Ncker, Paris) et le Pr E Viguier de l’ENV de Lyon. 4.2 : Scoliose expérimentale & étude bibliographique Plusieurs études ont mis en évidence les rapports étroits entre déformation scoliotique, composition du DIV et perméabilité du CEP. Urban et al. en 2001102 ont pu mettre en évidence une diminution de perméabilité du CEP dans la convexité d’une scoliose, en relation avec la présence de calcifications du CEP. Cette perméabilité ne représentait que 6% de la valeur attendue. Ils ont pour cela étudié la diffusion in vivo de protoxyde d’azote (drogue anesthésique volatile) dans le DIV chez l'humain. Cette étude a été réalisée lors de la correction de scolioses neuromusculaires (Fig. 28). La modification de perméabilité a été accompagnée d'une modification de la composition biochimique du DIV du rachis scoliotique avec en particulier une diminution de la concentration en Pg87,101. Le nombre de cellules viables était plus faible dans la convexité que dans la concavité et la concentration de lactates était supérieure dans la convexité12. En ce qui concerne le cartilage de croissance, il n’est pas apparu de différence majeure de structure et d’épaisseur entre concavité et convexité21.

Plusieurs modèles de scoliose expérimentale ont été décrits. Taylor et al. ont étudié en 1976 l’effet d’une courte pince postérieure pontant 2 DIV lombaires chez des chiens en croissance (Fig. 29)96. La croissance rachidienne asymétrique a entraîné une déformation lordotique mais aussi un pincement de l’espace intervertébral. Après 3 mois, l’analyse histologique et la composition biochimique des DIV n'ont pas montré de différence par rapport au groupe témoin. Cette étude a montré la capacité d’adaptation du DIV à la contrainte mécanique, même non physiologique. En revanche, après 6 mois, une lordose s’est développée ainsi qu’une diminution du collagène du NP. Des études comparables

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Fig. 30 :Radiographies du rachis instrumenté. Après 3 mois, pincement discal asymétrique (Au bas de l’image de gauche), d’après Newton et al.

menées sur du cartilage articulaire ont conduit à la nécrose chondrocytaire36,39,82. Newton et al. ont réalisé une pince latérale par vissage antérieur (thoracotomie) sur des veaux en croissance 72. Deux vis placées dans 2 corps vertébraux consécutifs ont été reliées par un câble pré tendu à 183N (instrumentation Dwyer©). Un seul DIV a été pincé de manière asymétrique par l’effet de la croissance. Un segment témoin était instrumenté de 2 vis sans câble au niveau sus-jacent (Fig. 30). Après 3 mois, il a été détecté au contrôle radiographique, un pincement discal asymétrique significatif de 6,8° et une courbure rachidienne de 11,6°. Il a été noté une tendance à une hauteur moindre du corps vertébral du côté de la pince. Braun et al. ont proposé en 2003 un modèle abouti de scoliose expérimentale chez la chèvre en croissance par l’effet d’une instrumentation postérieure16. Ils ont pour cela utilisé 2 crochets sous lamaires aux niveaux T5 et L1, reliés par une tige tunnelisée en sous fascial (instrumentation TSRH© pédiatrique). Sur l’hémi thorax homolatéral, les 6 dernières côtes ont été liées à l’aide d’un fil tendu (Fig. 31). Une costectomie a été réalisée sur les 6 derniers étages du côté controlatéral. Le taux de complication a été de 18% (5 décès, 2 paraplégies). Il a été toutefois obtenu 82% de scolioses progressives (27 cas sur les 33 survivants) de 60° en moyenne (44-73°) en 15 semaines (Fig. 32). Une analyse biochimique des DIV a montré une diminution de la concentration en Pg dans le NP des DIV scoliotiques et une diminution globale de l’hydroxyproline par rapport aux DIV sains. Il a également été enregistré une diminution en Pg et une augmentation en hydroxyproline dans l'AF de la concavité par rapport à l’AF de la convexité des DIV apicaux.

Fig. 31 : Radiographies au recul de 3 mois (à gauche, de face; à droite de profil), d’après Braun et al.

Fig. 32 : Coupes histologiques de segments sains à gauche et scoliotique à droite; pincement de l’espace intervertébral à droite,d’après Braun et al.

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4.3 : Matériels & Méthodes 4.3.1 : Instrumentation & prélèvement des échantillons Trois porcs âgés de 4 semaines ont été instrumentés par voie postérieure sous anesthésie générale. Il a été réalisé un vissage pédiculaire gauche en T3 et T4 (vis titane ∅ 4mm, longueur 28mm, Medtronic®) ainsi qu’en L1 et L2 (vis titane ∅ 4mm, longueur 30mm, Medtronic®). Ces vis ont été reliées par une tige fixe en « T ». Les 2 montages thoracique et lombaire ont été reliés par un câble tunnelisé en sous fascial et pré-tendu (Fig. 33). Lors de l'évolution post-opératoire, le câble n’a pas résisté aux contraintes mécaniques en traction dues notamment à la croissance des animaux et s’est rompu au bout de quelques semaines. Le modèle de scoliose n'a donc pas pu être mené à son terme. Toutefois les épiphysiodèses associées aux vissages vertébraux ont permis d'obtenir des pincements significatifs par la croissance locale du segment. Les prélèvements ont été réalisés à 4 mois. Ce modèle de pincement dissymétrique des segments a donc été exploité dans la suite de cette étude pilote. Cette étude pilote a été développée au niveau du segment L1 - L2 (pince inférieure).

Après 3 mois, les 3 animaux, notés A, B et C, ont été sacrifiés et leur rachis a été prélevé en entier. Une injection sous cutanée d’héparine de bas poids moléculaire (LOVENOX® enoxaparine 4000UI, Laboratoire Sanofi Aventis), a été réalisée la veille et le jour du sacrifice. Le rachis a été immédiatement conditionné dans un container étanche rempli de sérum isotonique hépariné à 100UI/ml.

Fig. 33 : Radiographie de face et de profil du montage et détail de la pince lombaire par vissage pédiculaire

câble vissage T3 - T4

vissage L1 - L2

tige en "T"

spécimen A

spécimenB1

spécimenB2

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Fig. 34 : Schéma d’un plateau vertébral et des sites de prélèvement. Les échantillons du coté de la pince ont été notés B2.

Postérieur

Fig. 35 : Localisation des sites de mesure microscopique de part et d’autre des sites de prélèvement d'échantillons cylindriques

Postérieur

Le prélèvement des échantillons cylindriques a été effectué selon le protocole précédemment décrit aux chapitres 2 et 3. Les 2 plateaux vertébraux adjacents au DIV pincé ont été prélevés ainsi qu’un plateau lombaire témoin à distance de la voie d’abord initiale (L5 et L6). Les localisations des prélèvements de chaque plateau (témoins et pincés) sont visualisées Figures 33 & 34. L'échantillon A été prélevé au centre du plateau, l'échantillon B2 été prélevé du côté du pincement et l’échantillon B1 du côté opposé. Les échantillons numérotés et insérés dans leur tube silicone ont été congelés dans les 12 heures suivant le sacrifice selon un protocole identique aux précédents modèles animaux de l'étude (chapitre 2 & 3). 4.3.2 : Dispositif de mesure & procédure expérimentale La perméabilité macroscopique de 27 échantillons cylindriques (témoins et pincés) a été mesurée. Le dispositif de mesure décrit au chapitre 3 a été utilisé pour chaque échantillon et pour les deux sens de flux, flow-in et flow-out.

Dans cette étude expérimentale et comme précédemment, une approche histologique a également été effectuée. Après le prélèvement des échantillons, les plateaux vertébraux ont été fixés dans le formol. L’épaisseur des couches tissulaires constitutives du plateau a été mesurée. Nous rappelons que les tissus concernés ont été le reliquat de DIV, le plateau cartilagineux (CEP), l'épiphyse et le cartilage de croissance. Comme le montre la Figure 35, ces mesures ont été effectuées dans les parties antérieure (AA, B1A, B2A) et postérieure (AP, B1P, B2P) de chacun des sites de prélèvement. Trois acquisitions de

mesure ont été effectuées pour chaque couche de chaque site et la moyenne a été retenue. Pour ce qui concerne le traitement statistique des données, la vérification de l’égalité des variances et de la normalité des paramètres comparés ont été respectivement évalués par des Tests de Levene et de Shapiro-Wilk. En cas d’égalité des variances et de non écart à la normalité, des tests t de Student ont été réalisés. Dans le cas contraire, des tests de rang de Wilcoxon (tests non paramétriques) ont été utilisés. Des intervalles de confiance à 95% des paramètres estimés ont également été déterminés. 4.4 : Résultats Après 3 mois de croissance des rachis, nous avons constaté un pincement significatif des espaces intervertébraux au niveau des épiphysiodèses. Comme le montre la Figure 36a l'examen macroscopique des pièces anatomiques a permis de mettre en évidence une dissymétrie de l'ordre de 2 mm. Ceci a été confirmé par un examen radiographique (Figure 36b). Cette modification de distance, importante, a pu être à priori associé à des perturbations

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mécano-biologiques fortes notamment concernant l'accroissement des contraintes mécaniques de compression.

4.4.1 : Perméabilité macroscopique Les valeurs mesurées de perméabilité macroscopique des plateaux ont été rassemblées dans le tableau A2-1 de l'annexe 2. La perméabilité centrale des plateaux était plus élevée qu'en périphérie. Pour les échantillons A, la valeur moyenne de perméabilité a été de 1,66x10-13 m4/Ns (IC 7,34x10-14 - 2,58x10-13) alors que les mesures latérales pour les échantillons B1 et B2, étaient en moyenne de 9,96x10-14 m4/Ns (IC 7,27x10-14 - 1,27x10-13). La perméabilité moyenne mesurée en B1 correspondant à la zone non pincée, était plus élevée que la perméabilité de la zone comprimée, zone B2. La perméabilité mesurée était de 1,04x10-13 m4/N*s (IC 7,12x10-14 - 1,37x10-13) pour B1 et 9,50x10-13 m4/N*s (IC 4,93 x10-14 - 1,41x10-13) pour B2. En ce qui concerne le sens de flux, les mesures en flow-out, correspondant donc à un transport disque - corps vertébral, étaient plus élevées que les valeurs mesurées en flow-in, associée à une réhydratation du disque. Les perméabilités moyennes ont respectivement été de (κ / μ) = 1,23x10-13 m4/N*s (IC 7,92x10-14 - 1,68x10-13) et (κ / μ)= 1,17x10-13 m4/N*s (IC 6,41x10-14 - 1,70x10-13). Lorsque les plateaux comprimés ont été comparés aux plateaux témoins, il est apparu que la perméabilité moyenne des plateaux comprimés était globalement inférieure à celle des plateaux témoins. Les valeurs moyennes mesurées ont été les suivantes (κ / μ) = 1,05x10-13

m4/N*s (IC 6,91x10-14 - 1,41x10-13) pour les segments pincés et (κ / μ) = 1,39x10-13 m4/N*s (IC 7,64x10-14 - 2,01x10-13) pour les segments témoins.

Fig. 36 : Evolution post-opératoire de l'épiphysiodèse; (a) aspect macroscopique du pincement de l’espace L1-L2 du côté de la pince; (b) radiographie montrant le pincement de l’espace L1-L2

(a) (b)L2

L1 disque intervertébral

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4.4.2 : Etude microscopique Les valeurs mesurées des épaisseurs des tissus constitutifs des plateaux vertébraux ont été rassemblées dans le tableau A2-2 de l'annexe 2. Il n’existait aucune différence significative d'épaisseur de résidus de DIV entre les différents plateaux. Dans un premier temps, les épaisseurs de tissus des plateaux pincés ont été comparées aux témoins. L'épaisseur du CEP des échantillons comprimés a présenté des valeurs moyennes inférieures à celles des plateaux témoins. Les valeurs moyennes ont été respectivement de 36µm (IC 32-41) contre 65µm (IC 68-19). Ce résultat a été significatif pour l'animal C (p=0,036). Le cartilage de croissance des plateaux comprimés a présenté une épaisseur moyenne inférieure à celle des plateaux témoins pour les 3 animaux. Cette différence a été significative pour les sujets B (421µm, IC 338-503 contre 649µm IC 397-902, p=0,01) et C (179µm IC 151-207 contre 246µm IC 199-292, p=0,007). L'épiphyse des plateaux comprimés était moins épaisse que celle des plateaux témoins pour les 3 animaux. Cette différence a été significative pour l'animal C (495µm IC 372-618 contre 769µm IC 514-1023, p=0,02). Lorsque les plateaux comprimés ont été examinés de manière intrinsèque, il est apparu que le CEP était moins épais dans la partie centrale (échantillons AA et AP, moyenne 133µm DS 87) que dans la partie latérale (B1A, B1P, B2A, B2P, moyenne 160 µm DS 114). Le cartilage de croissance était également moins épais dans la partie centrale (AA et AP, moyenne 335µm DS 163) que dans la partie latérale (B1A, B1P, B2A, B2P, moyenne 362 µm DS 170) Un dernier point a concerné l'étude comparative des épaisseurs latérales moyennes qui à priori ont été les plus sollicités par la dissymétrie de croissance. Les valeurs d'épaisseur du CEP en zone antérieure et postérieure, étaient plus élevées pour les échantillons B2 (zone comprimée) que pour les échantillons B1, soit B2A :198µm IC 56-340 contre B1A : 117µm IC 44-189 et B2P: 122µm IC 39-206 contre B1P : 109µm IC 43-74. De manière similaire, le cartilage de croissance présentait des épaisseurs plus importantes pour les échantillons B2 que pour les échantillons B1. Les valeurs moyennes ont été les suivantes : B2A : 375µm IC 230-519 contre B1A : 349µm IC 217-482 et B2P : 285µ IC 206-364 contre B1P : 259µ IC 181-337. L'épaisseur de l’épiphyse a présenté la même tendance allant vers une augmentation en B2 (pincement) comparativement à la zone B1, soit : B2A : 1196µm IC 583-1809 contre B1A : 1045µm IC 673-1416 et B2P : 994µm IC 601-1387 contre B1P : 926µm IC 627-1225. 4.6 : Discussion et conclusion Pour progresser dans notre stratégie nous avons étudié un modèle de croissance asymétrique de segment vertébral sur un modèle animal porcin. Le cœur de ce modèle a été l'étude des conséquences d'une épiphysiodèse asymétrique au niveau du segment lombaire L1-L2 chez trois animaux. La distribution des perméabilités macroscopiques du plateau vertébral et son histologie ont été étudiées. Plusieurs tendances principales ont pu être observées. Comme sur les deux modèles animaux précédents, il est apparu que le plateau était plus perméable en son centre que dans sa zone périphérique. Le sens de flux a également montré une influence en accord avec les résultats précédents. La perméabilité en flow-out correspondant donc à l'exsudation du fluide a été mesurée comme plus élevée que celle relative au flow-in ou réhydratation.

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Concernant l'effet compressif de l'épiphysiodèse, les perméabilités globales des plateaux mécaniquement perturbés ont été inférieures à celle des témoins. De plus l'effet de pincement dissymétrique a eu tendance à faire décroître la perméabilité de la zone la plus comprimée. L'étude histologique a fait apparaître, comme précédemment, une épaisseur moindre des couches cartilagineuses dans la zone centrale du plateau. En revanche, et ce malgré une dissymétrie globale d'épaisseur de disque dans la zone de pincement, il a été mesuré des épaisseurs globalement supérieures pour le CEP, le cartilage de croissance et l’épiphyse dans la zone la plus fortement comprimée en comparaison avec le côté moins comprimé. Nous voyons peut-être ici une influence d'un stimulus mécanique de type compression qui peut avoir eu pour conséquence un retard de différentiation cartilage-os. Il n'a pas été noté de tendance pathologique à la calcification. Ces résultats ont également eu tendance à rejoindre la précédente corrélation établie entre la diminution de la perméabilité macroscopique et l'augmentation des zones cartilagineuses à priori moins poreuses. Ceci aurait donc tendance à rejoindre les conclusions partielles établies sur le modèle d'animal en croissance et pourrait également renforcer la conclusion partielle établissant le lien entre porosité, tortuosité et perméabilité. Dans ce cadre, nous pouvons prévoir un remodelage mécano-biologique fortement altéré par une modification du transport convectif entre disque et corps vertébral. Les conclusions obtenues dans cette partie du travail, qui nous devons le préciser est une étude pilote, doivent être interprétées avec précaution en regard du faible nombre d'échantillons. Bien que certains résultats aient pu être caractérisés par des valeurs p admissibles, les mesures de perméabilité, notamment dans le cas de l'étude des perméabilités différentielles dans les zones latérales (pincement) ont révélé des valeurs de l'ordre de 0,4. La robustesse des conclusions sera donc à établir dans des modèles expérimentaux à venir.

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CONCLUSION & PERSPECTIVES Le comportement mécano-biologique du segment vertébral, sain et pathologique, est un problème complexe. La préoccupation clinique première de notre travail concerne la scoliose idiopathique de l’adolescent. Nous pouvons constater que cette problématique constitue encore à ce jour un problème scientifique et clinique totalement ouvert. L’hypothèse centrale du projet a consisté à supposer que la modification de nutrition et d’homéostasie des disques pouvait être associée à une perturbation du transport convectif au niveau du plateau vertébral. Nous avons donc supposé que la perméabilité macroscopique du plateau vertébral pouvait être un point clé de la boucle de contrôle mécano-biologique du rachis. Nous avons développé, à partir de modèles animaux, une démarche de recherche progressive, associée dans son questionnement à la problématique clinique chez l'enfant. Notre démarche a été focalisée sur l'analyse des propriétés convectives du plateau vertébral. La première partie du travail, basée sur une étude bibliographique, a permis de mettre en évidence le rôle significatif des transports de masse (fluides, protéines, nutriments) dans le développement normal et pathologique du rachis. Ces transports sont associés à la superposition complexe de phénomènes osmotiques, de convection et de diffusion. Nous nous sommes intéressés à l'aspect convection par le biais de l'étude de la perméabilité. Il a été mis en évidence l'intérêt de développer une approche quantitative des perméabilités de l'interface disque - vertèbre dans un cadre scientifique rigoureux et notamment en utilisant des modèles animaux en croissance et des techniques expérimentales contrôlées. Les quatre points clés ont été la variabilité topographique de la perméabilité, l'influence du sens de flux, le rôle de la croissance et l'influence d'une perturbation mécanique associé à une compression asymétrique. La deuxième partie du travail de recherche a permis de proposer une méthode originale de mesure de la perméabilité macroscopique du plateau vertébral. Cette méthode, tout en respectant au mieux les concepts de poroelasticité, a présenté l'avantage de mimer les conditions in vivo du transport convectif entre le disque et les corps vertébraux. Par l'étude d'échantillons cylindriques macroscopiques et multicouches, nous nous sommes donc efforcés de suivre une approche relativement physiologique des transferts de fluides. Les résultats de l'étude pilote sur un modèle animal porcin ont eu tendance à montrer que la perméabilité macroscopique du plateau vertébral n'était pas uniforme, la zone centrale étant plus perméable que la périphérie. L'étude microscopique associée a permis de suggérer une corrélation entre l'augmentation de la perméabilité et la diminution de l’épaisseur du CEP. Ceci est en accord avec les travaux qualitatifs de la littérature décrivant le rôle significatif du cartilage du plateau dans le transport convectif au sein du segment vertébral. Nous avons initialement supposé que la perméabilité macroscopique du plateau vertébral pouvait évoluer au cours de la croissance du rachis et pouvait également être dépendante du sens de flux. La validation de ces hypothèses a fait l'objet de la troisième partie du travail de recherche. Ceci a été mené sur un modèle animal ovin à 2, 4 et 6 mois en croissance normale. Comme précédemment chez le modèle animal porcin, nous avons pu mesurer une perméabilité supérieure au centre du plateau et nous avons constaté que le flow-out, correspondant à une exsudation du fluide hors du disque, était associé à une perméabilité plus importante que celle mesurée pour le flow-in, assimilable à une imbibition du disque. Notre expérimentation a mis en évidence une diminution de la perméabilité macroscopique du

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plateau vertébral corrélée avec la maturité des tissus. Il a été montré que cette évolution était indépendante de la zone d'intérêt et du sens du flux. L'association des ces conclusions aux résultats d'une étude microscopique nous a permis de conclure que non seulement la séquence d'empilement des tissus constitutifs pouvait modifier la perméabilité macroscopique du plateau vertébral mais la constitution intrinsèque du tissu tel que la porosité et la tortuosité évolutive en croissance pouvait jouer un rôle significatif. En dernier lieu, nous avons étudié un modèle de croissance asymétrique de segment vertébral sur un modèle animal porcin. Le coeur de ce modèle a été l'étude des conséquences d'une épiphysiodèse dissymétrique au niveau du segment lombaire L1-L2 chez trois animaux. Comme sur les deux modèles animaux précédents, il est apparu que le plateau était plus perméable en son centre qu’en périphérie. Le sens de flux a également montré une influence en accord avec les résultats précédents. La perméabilité en flow-out (exsudation du fluide) a été mesurée comme plus élevée que celle relative au flow-in (imbibition). Concernant l'effet de l'épiphysiodèse, les perméabilités globales des plateaux mécaniquement perturbés ont été inférieures à celle des témoins. De plus l'effet de pincement dissymétrique a eu tendance à faire décroître la perméabilité des tissus de la zone la plus comprimée. L'étude histologique a fait apparaître, une augmentation des zones cartilagineuses à priori peu poreuses. Compte tenu du nombre relativement faible d'échantillons statistiques, nous ne pouvons pas établir de conclusions définitives. Toutefois il semblerait que les tendances observées puissent permettre d'associer une modification du transport convectif entre disque et corps vertébral, à une altération du remodelage mécano-biologique. En conclusion, nous avons montré que la perméabilité macroscopique du plateau vertébral était dépendante de la zone d'intérêt, du sens de l'écoulement de fluide et dépendante de la maturité des tissus et donc de la croissance. Les résultats que nous avons obtenus sont originaux. Toute notre démarche a permis de renforcer notre hypothèse initiale qui supposait que l'analyse du transport convectif dans le segment vertébral, étudiée par le biais de la perméabilité macroscopique du plateau pouvait constituer une approche pertinente de la boucle mécano-biologique du rachis en croissance, sain et pathologique. Perspectives: Nous rappelons que notre préoccupation clinique est l'amélioration du diagnostic et du traitement de la scoliose idiopathique de l'adolescent. Nous pensons donc qu'un lien réaliste entre les modèles expérimentaux et la clinique peut passer par la création d'un modèle de scoliose chez l'animal, notamment chez le porc. Tel est notre première perspective de recherche. La perméabilité du plateau vertébral, et au delà celles des composants tissulaires du segment vertébral a été associée au caractère convectif des phénomènes de transport, or les phénomènes osmotiques et diffusifs sont également importants. La deuxième orientation du travail aura donc trait à la mesure de ces propriétés physiques chez l'animal et au développement associés de modèles numériques mécano-biologiques (poroélasticité, diffusion, osmose). L'utilisation de ces modèles numériques pourra alors être mise en place avec précaution pour des patients scoliotiques, et ceci à partir de géométries réelles acquises à partir de l'IRM et incluant par conséquent les niveaux d'hydratation des tissus. Compte tenu de la méconnaissance des propriétés des tissus in vivo, des analyses de sensibilité seront développées. Ceci devrait pouvoir aider à mieux comprendre le fonctionnement mécano-

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biologiques du rachis in-vivo et à mieux comprendre le remodelage post-opératoire des segments vertébraux.

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57

ANNEXE 1 Considérations théoriques sur les conditions de fixation de l'échantillon cylindrique de plateau vertébral dans le dispositif expérimental de mesure de la perméabilité macroscopique. Le dispositif de positionnement de l'échantillon et son modèle son visualisé Figure A1. Le déplacement imposé w0 induit un déplacement radial u(r), un déplacement axial w(z),des contraintes (σr, σθ, σz) et des forces (εr, εθ, εz) sur l’échantillon. Ceci permet la fixation et l'étanchéité de l'assemblage. La méthode permettait une pression de contact homogène et contrôlée entre l’échantillon et le tube silicone.

Les champs de déplacement dans le tube silicone 1 et dans l’échantillon biologique 2 sont indépendants de θ et sont défini par u(r,z) et w(r,z) dans le référentiel (r,θ, z). Nous postulons que l’influence des frottements à l’interface 1-2 est négligeable. L’équation (A-1) exprime l’équation de Navier en déplacement et sa solution est sous la forme (A-2).

0=∂

∂++

∂∂

zw

ru

ru iii pour i = 1, 2 (A-1)

zazrwrb

razru iii

ii 2),( ),( −=+= (A-2)

Le rayon extérieur ro du tube 2 étant fixé, l’entretoise de serrage permet de contrôler le déplacement w0. Ces conditions aux limites permettent d'obtenir les constantes a2 et b2 (A-3) et le champ de déplacement à l’intérieur du tube, équation (A-4).

lw

awlrw 020 2

),(2 =⇔−= et lrw

bzru o02o 2

0),(

2

2−

=⇔= (A-3)

( )2 ( , ) 120

2 ow ru r z r r

l⎡ ⎤= −⎣ ⎦ ( , ) 02v r z = et ( , ) 0

2w zw r zl

−= (A-4)

Pour l’échantillon, la constante b1 éliminée car le déplacement u1(0,z)devient infini pour r = 0. L’équation de continuité pour r = ri permet d'obtenir la constante a1 et finalement le

u specimen 1

silicon tube 2

z r

θ

w0

ri

ro

l

échantillon

joint torique

tube silicone

entretoise conique entretoise de serrage

Fig.A1 : (a) Dispositif de positionnement de l’échantillon dans la chambre étanche & modélisation

58

champ de déplacement est déterminé par (A-5). Les équations (A-6) et (A-7) représentent respectivement les champs de déformation et de contrainte.

( , ) ( , ) 21 i 2 i 1

Cu r z u r z a= ⇔ = et ( , )

21C ru r z = 0),( =zrv1 ( , ) 1w r z C z= − (A-5)

2

1r1

u Cr

ε ∂= =

∂

21

1u Crθε = = -z1

w Cz

ε ∂= =

∂ (A-6)

. r1 1 G Cθσ σ= = 2 . z1 G Cσ = − avec ( )2 10o i

wC r rl

⎡ ⎤= −⎣ ⎦ et ( )

2 1

EGυ

=+

(A-7)

L’équation (A5) montre que les champs de déplacement et de contrainte sont indépendants des propriétés mécaniques de l’échantillon, mais dépendent uniquement des cotes du tube silicone et du déplacement imposé w0. Le champ des contraintes (A6) est dépendant des propriétés mécaniques de l’échantillon (E, ν). Pour r0 = 3mm, ri = 1.75mm, l = 6mm et w0 = 0.1mm, on obtient u (ri) = -0.014mm pour la compression radiale et w(l) = 0.095mm pour l’allongement axial . En utilisant des valeurs moyennes issues de la littérature pour le module d’Young (10 MPa) et le coefficient de Poisson (0.1)31, nous obtenons εr = εθ = -1.61% pour la déformation radiale, εz = 3.23% pour la déformation axiale, σr = σθ = -0.09 MPa pour la contrainte radiale et σz = 0.18 MPa pour la contrainte axiale.

59

ANNEXE 2 Influence d'une épiphysiodèse asymétrique sur la perméabilité du plateau vertébral animal plateau site sens de

flux perméabilité

(m4/N*s) animal plateau site sens de flux

perméabilité (m4/N*s)

A Témoin supérieur A Flow in 3,45 x10-13 B Témoin

inférieur B1 Flow in 1,22 x10-13

A Témoin supérieur A Flow out 7,53 x10-14 B Témoin

inférieur B1 Flow out 8,98 x10-14

A Témoin supérieur B1 Flow in 9,69 x10-14 B Témoin

inférieur B2 Flow in 2,92 x10-14

A Témoin supérieur B1 Flow out 5,97 x10-14 B Témoin

inférieur B2 Flow out 2,41 x10-14

A Témoin supérieur B2 Flow in 1,05 x10-14 B Témoin

supérieur B1 Flow in 1,48 x10-13

A Témoin supérieur B2 Flow out 8,13 x10-14 B Témoin

supérieur B1 Flow out 2,56 x10-13

A Témoin inférieur A Flow in 7,22 x10-13 B Témoin

supérieur B2 Flow in 1,03 x10-13

A Témoin inférieur A Flow out 4,09 x10-13 B Témoin

supérieur B2 Flow out 2,42 x10-13

A Inférieur A Flow in 6,88 x10-14 C Inférieur A Flow in 5,14 x10-14

A Inférieur A Flow out 4,23 x10-13 C Inférieur A Flow out 4,95 x10-14

A Inférieur B1 Flow in 2,56 x10-14 C Inférieur B1 Flow in 5,25 x10-14

A Inférieur B1 Flow out 6 x10-14 C Inférieur B1 Flow out 1,21 x10-13

A Inférieur B2 Flow in 1,62 x10-13 C Inférieur B2 Flow in 4,2 x10-14

A Inférieur B2 Flow out 1,32 x10-13 C Inférieur B2 Flow out 3,54 x10-14

A Supérieur B2 Flow in 1,11 x10-13 C Supérieur A Flow in 5,08 x10-14

A Supérieur B2 Flow out 6,87 x10-14 C Supérieur A Flow out 8,14 x10-14

B Inférieur A Flow in 4,38 x10-14 C Supérieur B1 Flow in 3,06 x10-13

B Inférieur A Flow out 1,2 x10-13 C Supérieur B1 Flow out 5,52 x10-14

B Inférieur B1 Flow in 4,52 x10-14 C Supérieur B2 Flow in 7,33 x10-14

B Inférieur B1 Flow out 8,55 x10-14 C Supérieur B2 Flow out 4,52 x10-14

B Inférieur B2 Flow in 1,3 x10-13 C Témoin inférieur A Flow in 4,71 x10-14

B Inférieur B2 Flow out 4,34 x10-13 C Témoin inférieur A Flow out 7,2 x10-14

B Supérieur A Flow in 8,35 x10-14 C Témoin inférieur B1 Flow in 5,57 x10-14

B Supérieur A Flow out 1,23 x10-13 C Témoin inférieur B1 Flow out 6,14 x10-14

B Supérieur B1 Flow in 1,19 x10-13 C Témoin inférieur B2 Flow in 6,15 x10-14

B Supérieur B1 Flow out 7,81 x10-14 C Témoin inférieur B2 Flow out 2,65 x10-14

B Supérieur B2 Flow in 4,89 x10-14 C Témoin supérieur A Flow in 7,38 x10-14

B Supérieur B2 Flow out 4,01 x10-14 C Témoin supérieur A Flow out 1,47 x10-13

C Témoin supérieur B1 Flow in 1,61 x10-13

C Témoin supérieur B1 Flow out 8,43 x10-14

Tableau A2-1 - Perméabilité macroscopique du modèle porcin pathologique

60

animal plateau site DIV CEP épiphyse CC animal plateau site DIV CEP épiphyse CC A Témoin B1A - - - - B Inférieur B1A 376 125 1693 614 A Témoin B1P 167 196 1862 399 B Inférieur B1P 426 191 1389 310 A Témoin AA 691 198 1558 497 B Inférieur AA 231 248 1825 586 A Témoin AP 153 200 2015 447 B Inférieur AP 82 172 1525 341 A Témoin B2A 473 257 1533 578 B Inférieur B2A 531 383 2342 480 A Témoin B2P 222 189 1753 411 B Inférieur B2P 382 204 1501 362 A Supérieur B1A 394 137 1247 398 C Témoin supérieur B1A - - - 280 A Supérieur B1P 131 160 1019 315 C Témoin supérieur B1P - - 713 227 A Supérieur AA 186 206 1884 511 C Témoin supérieur AA 89 57 885 177 A Supérieur AP 691 281 - - C Témoin supérieur AP 211 106 287 193 A Supérieur B2A 59 246 1594 437 C Témoin supérieur B2A 107 55 706 234 A Supérieur B2P 749 246 1410 309 C Témoin supérieur B2P 51 76 887 211 A Inférieur B1A 418 217 1299 535 C Témoin inférieur B1A 134 44 806 241 A Inférieur B1P 708 157 1102 315 C Témoin inférieur B1P 105 32 865 210 A Inférieur AA 290 176 1861 445 C Témoin inférieur AA 138 37 861 194 A Inférieur AP 189 245 2730 452 C Témoin inférieur AP 36 29 648 202 A Inférieur B2A 228 193 1996 685 C Témoin inférieur B2A - 143 737 281 A Inférieur B2P - - 1381 418 C Témoin inférieur B2P 172 61 552 251 B Témoin B1A 1139 297 2103 872 C Supérieur B1A 110 47 524 233 B Témoin B1P 135 343 1900 596 C Supérieur B1P 78 32 343 161 B Témoin AA 1254 164 1804 596 C Supérieur AA 125 46 649 182 B Témoin AP - - - - C Supérieur AP 58 44 806 136 B Témoin B2A 623 138 1497 631 C Supérieur B2A 45 32 502 197 B Témoin B2P 0 312 1503 499 C Supérieur B2P 129 30 582 165 B Supérieur B1A 418 214 1038 342 C Inférieur B1A 92 34 707 151 B Supérieur B1P 196 148 1338 408 C Inférieur B1P 17 40 638 129 B Supérieur AA 239 116 2155 376 C Inférieur AA 103 33 639 224 B Supérieur AP - - - - C Inférieur AP 71 30 772 133 B Supérieur B2A 463 495 1331 476 C Inférieur B2A 42 36 358 207 B Supérieur B2P 329 199 1332 375 C Inférieur B2P 69 40 306 191

Tableau A2-2 Epaisseur (μm) des tissus biologiques composant le plateau vertébral.

DIV: disque intervertébral, CEP: plateau cartilagineux, CC: cartilage de croissance.

61

PRODUCTION SCIENTIFIQUE RELATIVE A CETTE THESE PUBLICATIONS F. Accadbled, D. Ambard, M. Chabanas, A. Brouchet, J. Sales de Gauzy, P. Swider.

A measurement technique to evaluate the permeability distribution in the vertebral end-plate.

Med. Eng. Phys. 2007, Apr 17

F. Accadbled, JM. Laffosse, D. Ambard, A. Gomez-Brouchet, J. Sales de Gauzy, P. Swider

Influence of location, fluid flow direction and tissue maturity on the macroscopic

permeability of vertebral end plates (soumis Spine)

COMMUNICATIONS

F. Accadbled, D. Ambard, M. Chabanas, A. Brouchet, J. Sales de Gauzy, P. Swider.

Measurement of the permeability of vertebral end-plate: influence of location and fluid flow

direction. EREMPO 2004 (European Research Meeting in Paediatric Orthopaedics),

Marseille, nov. 2004.

JM. Laffosse, D. Ambard, A. Fromentin, A. Brouchet, F. Accadbled, J. Sales de Gauzy, P.

Swider. Permeability of vertebral end plate: influence of growth, location, flow direction and

microscopic structure. EREMPO 2004 (European Research Meeting in Paediatric

Orthopaedics), Marseille, nov. 2004.

POSTERS

F. Accadbled, D. Ambard, M. Chabanas, A. Brouchet, J. Sales de Gauzy, P. Swider.

Measurement of the permeability of vertebral end-plate:influence of location and fluid flow

direction. 6th International Symposium on Computer Methods in Biomechanics. Madrid. 25-

26 février 2004.

JM. Laffosse, D. Ambard, F. Accadbled, A. Gomez-Brouchet, A. Fromentin, J. Sales de

Gauzy, P. Swider. Influence of location, fluid flow direction and bone tissue maturity on the

62

permeability of vertebral end plates. Poster n° 1588. Orthopaedic Research Society, 51st

annual meeting, Washington, D.C. February 20-23 2005.