Adaptation de l’os aux contraintes








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date de publication19.01.2018
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CONSOLIDATION OSSEUSE

ADAPTATION DE L’OS AUX CONTRAINTES 

ASPECTS FONDAMENTAUX
Professeur P. Chiron, service d'orthopédie CHU Rangueil.

Docteur Anne Brouchet, service Anatomopathologie Rangueil.

Le tissu osseux est un tissu vivant composé d’une partie inerte formée d’hydroxyapatite à 60% et de collagène type 1 à 35% et de cellules, ostéoclastes, ostéoblastes, ostéocytes, vaisseaux et nerfs pour 5%.

Ce tissu contient, notamment au niveau de l’os spongieux, la moëlle hématopoïétique.
Le tissu osseux permet grâce aux propriétés de sa matrice extra-cellulaire calcifiée d’assurer trois fonctions principales :
- une fonction mécanique assurant le support du poids de l’organisme,

- une fonction de protection des organes essentiels,

- une fonction métabolique liée à la capacité de stocker des minéraux en particulier le calcium et le phosphate.
Le tissu osseux est continuellement renouvelé par un processus de remodelage assuré par deux types cellulaires :
- les ostéoclastes qui résorbent la matrice osseuse,

- et les ostéoblastes qui synthétisent une nouvelle matrice ostéoïde.



Ce remodelage permet le maintien de la masse osseuse au cours de la vie adulte normale. Le bon déroulement du remodelage nécessite des interactions étroites entre les cellules osseuses, la moelle osseuse et la matrice extra-cellulaire calcifiée.

 

La fonction mécanique est de lutter contre un facteur constant de notre planète, la pesanteur. Entre la naissance et l’âge adulte, il participe à la croissance du corps humain sous l’influence d’une régulation systémique (parathormone, vitamine D3, calcitonine, hormones thyroïdiennes, oestradiol, testostérone, prostaglandine E2).

Nous allons nous intéresser essentiellement au fait que l’os adapte sa structure aux contraintes qu’il subit (loi de Wolff 1892). Ainsi lorsqu’un malade a un genou varum, il subit une contrainte médiale et une mise en tension latérale. Le compartiment fémoro-tibial interne va subir une condensation osseuse alors que le compartiment fémoro-tibial externe va subir au niveau osseux une déperdition calcique. De même lorsqu’il se produit une fracture, la consolidation osseuse va permettre d’obtenir la stabilisation des deux fragments et la restitution de la fonction. Il s’agit d’un phénomène local complexe que nous étudierons.

I – DEFINITIONS
L’ostéoconduction est le comblement d’une perte de substance osseuse le long d’un support inerte par colonisation des cellules des berges. Cette possibilité de formation osseuse est de l’ordre de un centimètre à partir de chaque berge et souvent insuffisante pour les grandes pertes de substance osseuse.

L’ostéoinduction est la formation de l’os en tout point d’une perte de substance osseuse à partir de cellules néoformées.Exemple : lorsqu’il existe une fracture avec perte de substance osseuse, il est possible si l’on conserve l’ambiance biologique du cal c’est à dire l’hématome, les fragments osseux encore vascularisés, d’obtenir la consolidation par ostéoinduction et formation d’os en toute partie de l’hématome péri-fracturaire. C’est le type de consolidation que l’on obtient avec un clou verrouillé (voir cours sur "principe de l’ostéosynthèse").

II - LA CONSOLIDATION OSSEUSE.
2 . 1 – Consolidation des fractures

Une fracture est une rupture de la continuité d’un os. Cela peut aller d’une simple fissure osseuse sans déplacement, jusqu’à une fracture très comminutive (fracture à nombreux fragments). Une fracture peut être ouverte ou fermée. Lorsque la peau est ouverte le foyer de fracture communique avec l’extérieur et le risque infectieux est important et doit être prévenu.

La fracture vient perturber un tissu vivant, structuré, vascularisé et en perpétuel remodelage, elle va déclencher un processus de réparation, l’ostéogénèse réparatrice destinée à reconstituer une continuité solide de l’os.

La consolidation est un phénomène physiologique complexe qui aboutit à la cicatrisation du tissu osseux. La consolidation est permise grâce à l’hématome péri-fracturaire, le périoste et les sollicitations mécaniques. La qualité de la consolidation sera directement liée au choix du traitement.

Toutes les fractures se consolident par l’intermédiaire d’un cal osseux dont la constitution peut être divisée en trois phases principales.

Première phase : l’hématome et la réaction inflammatoire (J1 à J20).

Tout foyer de fracture est envahi par un hématome. Celui-ci s’organise rapidement à partir de néo-vaisseaux qui proviennent des tissus sains environnants. Il est colonisé par des polynucléaires et des macrophages chargés de la détersion du foyer de fracture. L’hématome est remplacé progressivement par un tissu fibroblastique très richement vascularisé, déjà abondant 24 heures après l’accident.



Deuxième stade : le cal conjonctif (J20 à J30).

Le foyer de fracture « s’englue » progressivement dans le cal fibreux qui assure une certaine stabilité et une diminution de la mobilité du foyer de fracture. Des sels minéraux vont progressivement se déposer et une métaplasie cartilagineuse puis osseuse, définissant le cal osseux primaire va apparaître. L’augmentation de l’apport d’oxygène par les vaisseaux favorise la transformation des chondrocytes périphériques en ostéocytes. Les ostéoclastes apparaissent et commencent à résorber les extrémités osseuses dévitalisées.



Troisième stade : l’ossification du cal (J30 à J60).

Le cal conjonctif est progressivement envahi par les cellules ostéoblastiques qui vont construire le cal osseux, visible dès le trentième jour sur la radiographie standard. Le cal va ensuite se modeler et s’organiser en formant une jonction efficace entre les deux fragments à condition que la détersion, la contention et l’immobilisation (contraintes en compression et en traction très utiles au développement du cal) soient de qualité, que l’espace entre les deux fragments soit minime et la brèche périostée petite. Le cal fibreux primaire sera remplacé progressivement par un cal secondaire ou définitif. Le cal va ensuite se remodeler et s’adapter aux conditions mécaniques pendant de nombreux mois.


2 . 2 – Facteurs de la consolidation
La transformation de cellules mésenchymateuses en chondroblastes puis en cellules osseuses est sous l’influence de différents facteurs de croissance. Ainsi il est difficile de comprendre comment des contraintes mécaniques en compression la création d’une fracture peut être à l’origine d’un phénomène cellulaire de multiplication des cellules mésenchymateuses contenues dans la moelle et dans les muscles, puis leur transformation en cellule cartilagineuse et ostéoblastes.
Il ne s’agit que d’hypothèses mais il est possible que le processus soit le suivant: La réalisation de contraintes ou d’une fracture entraîne une différence de potentiel osseuse. La zone en contrainte ou fracturée devient électro-négative par rapport au reste de l’os. Cette différence de potentiel crée par électrolyse une acidose et attire vers la zone électronégative les ions positifs et notamment le calcium Ca++. L’acidose entraîne l’activation de protéines ostéo-inductrices présentes dans l’os au moment de la contrainte ou de la fracture, piégées dans le tissu collagénique et fabriqué par les cellules de la moëlle et du périoste tout au long de la vie.

Ces protéines inductrices entraînent l’activation de la multiplication des cellules mésenchymateuses, puis leur différenciation soit directement en ostéoblastes pour l’os spongieux, soit en passant par des chondroblastes pour l’os cortical, ce qui explique d’ailleurs que la consolidation d’un os cortical soit plus longue que celle d’un os spongieux (40 jours pour un os spongieux, 120 jours pour un os cortical).



2.3 – Les protéines ostéo-inductrices
Ces protéines inductrices sont actuellement fabriquées par génie génétique. Des chercheurs fondamentaux dont le premier a été M. Urist dans les années 60, ont isolé la formule de protéines inductrices (actuellement 22 ont été isolées et publiées). Il est possible ainsi d’introduire dans des cellules de foie de souris le génome permettant de produire les protéines inductrices (génome bovin ou humain) et de faire produire à ces cellules des protéines ostéo-inductrices. Ces protéines se présentent sous forme d’un lyophylisat c’est à dire d’une poudre sèche . Il s’agit d’un médicament actif, pur à dose stable, stérile, qui peut être conservé à température ambiante et qui a actuellement l’autorisation de mise sur le marché. Ces protéines inductrices font partie d’un groupe appelé facteurs de croissance; parmi ce groupe de facteur de croissance elles appartiennent au groupe TGF-Béta (transforming growth factor béta) les autres groupes s’appellent FGF (fibroblaste growth factor), IGF insulin like growth factor et PDGF (platelet derived growth factor). Ces protéines permettent d’accélérer la vitesse de consolidation des fractures fraiches et permet de ponter les pertes de substance osseuse. Nous avons montré en cours des expériences mettant en évidence l’action des protéines ostéo-inductrices. L’image histologique ci-jointe est une image d’expérimentation montrant que l’adjonction de protéines inductrices multiplie de façon extraordinaire la présence des cellules mésenchymateuses qui formeront ensuite les cellules osseuses.



De nombreuses expérimentations ont été réalisées chez l’animal montrant que ces protéines activent la formation de l’os. La photo ci-joint montre qu’une perte de substance osseuse pontée par un fixateur externe (voir cours sur les principes du traitement) peut consolider si l’on ajoute une éponge des collagènes imbibées des protéines inductrices. Le cal osseux obtenu dépend de la dose de protéine déposée.



Les études portent actuellement sur l’injection de protéines inductrices mélangées à du phosphate de calcium, ces  injections se font à travers la peau.



III - LES TROUBLES DE LA CONSOLIDATION OSSEUSE

3 . 1 – Un cal vicieux : c’est à dire une consolidation dans une mauvaise position peut être à l’origine d’une inégalité de longueur des membres inférieurs par exemple ou de contrainte anormale au niveau des articulations qui entraîne des douleurs et une arthrose. Il est possible de corriger un cal vicieux par une ostéotomie c’est à dire en réalisant une nouvelle fracture chirurgicale pour réaligner la direction de l’os. Il faudra ensuite obtenir de nouveau la consolidation en bonne position. La stabilisation est obtenue par une ostéosynthèse (voir cours traitement des fractures).



3 . 2 – L’ouverture de la peau en regard d’un foyer de fracture entraîne la perte de l’hématome péri-fracturaire et crée le risque d’une contamination par un germe. Il convient en urgence d’administrer des antibiotiques, de réaliser une vaccination anti-tétanique et de laver et parer la plaie dans les six premières heures. Il faut si possible reformer la peau immédiatement ou ultérieurement par des lambeaux. Le risque d’une infection au niveau de la plaie est d’entraîner une pseudarthrose septique c’est à dire une non consolidation du foyer de fracture associée à une infection sous jacente qui est une des complications les plus graves de la traumatologie des os longs.




3 . 3 – Pseudarthrose aseptique : il est également possible qu’un os consolide mal dans les suites d’une fracture soit parce que les fragments sont mal vascularisés, soit parce que le foyer est trop mobile.
Lorsqu’une fracture ne consolide pas et qu’il se produit une dévascularisation de l’os en regard du foyer de fracture, l’on parle de pseudarthrose athrophique. L’aspect des extrémités est effiloché en queue de radis
Lorsqu’une fracture ne consolide pas mais que le foyer bouge trop, on parle de pseudarthrose hypertrophique. Il se forme de l’os au niveau des jonctions bien qu’il persiste une ligne séparant les deux fragments osseux. On parle d’un aspect en patte d’éléphant ou de pseudarthrose hypertrophique.



Rappel histologique :



IV – TRAITEMENT DES PSEUDARTHROSES
Les principes de traitement d’une pseudarthrose sont d’une part la stabilisation du foyer par une ostéosynthèse et d’autre part, de relancer la consolidation osseuse. Dans certains cas, seule la stabilisation suffit.

Lorsqu’il existe une pseudarthrose hypertrophique, l’on peut faire consolider cette pseudarthrose uniquement en mettant le foyer de fracture en compression après l’avoir stabilisé. Une autre technique consiste à aviver les berges de la pseudarthrose en découpant avec un ciseau à frapper des petits fragments osseux attenant aux muscles. Il s’agit de la technique de la « décortication greffe de Judet ». Cette technique crée un nouvel hématome péri-fracturaire et relance la consolidation osseuse. Bien entendu, il faut associer à ce traitement une stabilisation du foyer par une ostéosynthèse.



Il est possible également de relancer la consolidation osseuse en ajoutant dans le foyer de fracture des greffes qui ont un pouvoir ostéo-conducteur et ostéo-inducteur. La seule greffe qui a ce double pouvoir est une auto-greffe d’os spongieux c’est à dire de l’os prélevé sur le malade lui-même le plus souvent au niveau des crêtes iliaques. Il est possible également d’envisage l’injection locale de protéines ostéo-inductrices.


CONCLUSION
Bien comprendre la consolidation osseuse permet de comprendre le principe du traitement des fractures :


  • conserver l’hématome péri-fracturaire,

  • favoriser les forces de compression

  • essayer d’éviter par tous les moyens un phénomène infectieux.

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