Du cartilage normal au cartilage arthrosique








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Le cartilage articulaire :

du cartilage normal au cartilage arthrosique,

de la physiologie au traitement.

Bernard Mazières

Service de Rhumatologie

Hôpital de Rangueil

Institut Loco-Moteur des Hôpitaux de Toulouse

mazieres.b@chu-toulouse.fr

PLAN
Introduction

Le cartilage normal

Anatomie

Biochimie

Métabolisme

Physiologie

Du cartilage normal au cartilage arthrosique

Définition de l’arthrose

Epidémiologie

Etio-pathogénie

Physiopathologie

Perspectives thérapeutiques
liste des tableaux et des figures
Liste des tableaux

Tableau 1 : composition biochimique approximative du cartilage articulaire adulte (d’après Menkin, 1992).

Tableau 2. Famille des protéoglycannes (PG) selon les tissus

Tableau 3. Différences entre cartilage vieillissant et cartilage arthrosique.

Tableau 4. Prévalence radiologique de l'arthrose, selon la topographie et le sexe, dans la tranche d'âge 65-74 ans. Les stades radiologiques 2 à 4 de Kellgren et Lawrence englobent toutes les arthroses, les stades 3 et 4 représentent les stades les plus évolués (pincement de l'interligne articulaire ≥ 50 %), c'est-à-dire ceux qui ont le plus de chance d'être symptomatiques (d'après Van Sasse et al, 1989).

Tableau 5. Facteurs de risque de la gonarthrose (étude cas-témoins personnelle de 600 personnes)
Liste des figures

Figure 1. Coupe histologique et schéma d’un cartilage articulaire montrant les 4 couches. La couche profonde (C3) est séparée de la couche calcifiée (C4) par une fine ligne irrégulière (« tide mark »).

Figure 2. Microscopie électronique de transmission. (1) chondrocyte normal de la couche moyenne ; (2) chondrocyte apoptotique.

Figure 3. Micoscopie électronique de transmission. Fibres de collagène de type II dans la couche profonde.

Figure 4. Structure d’un glycoaminoglycanne (GAG).

Figure 5. Structure d’un protéoglycanne (PG).

Figure 6. Les différents collagènes du cartilage articulaire.

Figure 7. Organisation générale de la matrice extra-cellulaire selon la distance par rapport aux chondrocytes (espace péri-cellulaire, territorial, interterritorial).

Figure 8. Les différentes cytokines de la matrice extra-cellulaire .

Figure 9. Effets de la charge sur le cartilage. (1) les PGs baignent au milieu de la matrice extra-cellulaire ; (2) sous l’effet de la charge, les PGs se compriment et l’eau sort de la zone de compression, notamment vers la cavité articulaire ; (3) à la fin de la charge, retour à l’état antérieur.

Figure 10. Les différents « niveaux » d’arthrose

Figure 11. les deux classes étiopathogéniques d’arthrose.

Figure 12. La « cascade arthrogène » avec deux de ses voies : la voie des métalloprotéases et la voie de l’oxyde nitrique.

Figure 13. Schéma général de la physiopathologie de l’arthrose.

INTRODUCTION
L’articulation est une entité fonctionnelle comportant trois composants essentiels : le cartilage, la synoviale et l’os sous-chondral. Le bon fonctionnement articulaire implique que ces trois composants soient normaux.
En pathologie, les nombreuses affections qui touchent une articulation peuvent être classées en 3 groupes fondés sur ce constat et selon le tissu initialement touché :

  • Maladies commençant par le cartilage : principalement l’arthrose

  • Maladies commençant par la membrane synoviale : arthrites (infectieuses, inflammatoires, micro-cristallines)

  • Maladies commençant par l’os sous-chondral : ostéonécroses épiphysaires, algodystrophie sympathique réflexe, fracture de fatigue sous-chondrale, maladie de Paget, etc…


Mais toute maladie d’une de ces trois structures articulaires finira toujours par retentir sur les deux autres, rapidement (arthrite septique, en quelques jours) ou lentement (arthrose, en quelques années), mais inéluctablement.
La fonction articulaire
L’articulation est faite de deux pièces osseuses en regard, recouvertes d’un cartilage hyalin (vitreux) d’encroûtement, enchâssées dans un sac ou capsule articulaire dont la face interne, intra-articulaire, est tapissée par la membrane synoviale. Cette membrane sécrète le liquide synovial qui vient baigner la cavité articulaire, et assure la nutrition du cartilage. A l’extérieur de la capsule, des ligaments assurent le maintien passif et la coaptation de l’articulation. Ils sont eux-mêmes recouverts par les muscles dont les tendons se terminent à proximité de l’articulation et qui assurent le maintien actif de l’articulation, sa protection, sa mobilité et sa stabilité.
En effet, une articulation à une double fonction : assurer le maintien de la posture (l’articulation travaille alors en compression) et permettre le mouvement (l’articulation travaille alors en glissement).
Lois de Sappey (pression) et de Rouvière (surface) concernant le cartilage :

« L’épaisseur du cartilage articulaire est proportionnelle à la pression subie par unité de surface et elle est, pour une même pression, en raison inverse de l’étendue des surfaces qui la supporte ».

Le cartilage normal
Le tissu cartilagineux est un tissu conjonctif spécialisé qui recouvre les deux extrémités épiphysaires des os, pour constituer l’articulation. Son rôle essentiel, dû à ses caractéristiques biomécaniques particulières, est d'assurer un bon glissement entre les pièces osseuses articulaires avec un coefficient de friction extrêmement bas (inférieur à celui d'un patin sur la glace) tout en amortissant et en répartissant les pressions, rendant les stress de contact les plus faibles possibles.
ANATOMIE
Macroscopiquement, à l’ouverture d’une articulation, le cartilage articulaire apparaît blanc nacré, lisse à l’œil nu, ferme mais légèrement dépressible à la palpation. Avec l’âge, il devient blanc jaunâtre. A la périphérie de l’articulation, il se poursuit par une zone de transition avec la couche fibreuse de la capsule synoviale et avec le périoste épiphysaire. Son épaisseur est variable selon l’articulation ; elle est plus importante aux articulations des membres inférieurs, plus chargées. Elle est maximale sur la rotule où il atteint jusqu’à 7 mm. Dans une articulation donnée, l’épaisseur est maximale dans les zones supportant le maximum de charge. Les cartilages articulaires sont un peu plus épais chez l’homme que chez la femme, ils ne s’amincissent pas avec l’âge.
Microscopiquement, le cartilage est un tissu sans vaisseau et sans nerf. Sous le microscope, sous une surface acellulaire, on observe une plage faite d’un tissu homogène dans lequel sont disposées, plus ou moins en colonnettes, dont l’axe principal est perpendiculaire à la surface, des cellules (les chondrocytes) enchassées dans des logettes (les chondroplastes). A l’opposé de la surface, le cartilage est posé sur l’os sous-chondral dont on distingue bien la structure (figure 1). Ces cellules représentent 3 % du volume du cartilage. Elles vivent en milieu anaérobie.

Figure 1. Coupe histologique et schéma d’un cartilage articulaire montrant les 4 couches. La couche profonde (C3) est séparée de la couche calcifiée (C4) par une fine ligne irrégulière (« tide mark »).



La surface du cartilage joue un rôle important dans la physiologie de ce tissu puisque c’est elle qui reçoit en premier les pressions, c’est elle qui est soumise aux forces de cisaillement. Elle est le filtre sélectif à travers lequel passe les substances nutritives venant du liquide synovial, seule source d’alimentation des chondrocytes, dans des conditions physiologiques. Elle joue enfin un rôle majeur, avec le fin film du liquide synovial qui la recouvre, dans la lubrification de l’articulation. C’est à son niveau qu’apparaissent les premiers signes histologiques de la désorganisation structurale de l’arthrose.
En microscopie électronique de transmission, les chondrocytes sont des cellules arrondies et volumineuses (20 – 40 µm) ; elles possèdent un noyau volumineux, arrondi et nucléolé dans sa région centrale. Le cytoplasme contient un reticulum endoplasmique bien développé, des mitochondries et un appareil de Golgi, ainsi que des inclusions, des lysosomes et des flaques de glycogène (figure 2). Certaines cellules sont groupées par deux, mais on ne voit jamais de division cellulaire. Les chondrocytes sont enchassés dans une atmosphère périchondrocytaire, elle-même au sein d’une matrice territoriale (selon les teneurs locales en collagènes et en PGs).
Figure 2. Microscopie électronique de transmission. (1) chondrocyte normal de la couche moyenne ; (2) chondrocyte apoptotique.


  1. (2)



Ces chondrocytes sont enchassés dans une matrice extracellulaire (MEC) composée d’eau, de fibres de collagène et de protéoglycanes. Ce sont les cellules qui élaborent cette substance fondamentale ou MEC et la détruisent, assurant ainsi l’homéostasie du tissu cartilagineux. Les fibres de collagène de type 2 (le collagène le plus abondant, spécifique du tissu cartilagineux articulaire) sont bien visualisées avec leur striation caractéristique tous les 640 A° et leur diamètre de 30 à 80 nm (figure 3). Ces fibres sont constituées de trois chaînes tor­sadées.
Figure 3. Micoscopie électronique de transmission. Fibres de collagène de type II dans la couche profonde.


De la surface à la profondeur on divise morphologiquement le cartilage articulaire en quatre couches :

  • C1 : couche superficielle ou tangentielle (les fibres de collagène étant parallèle à la surface), d’environ 3 % de l’épaisseur,

  • C2 : couche moyenne ou transitionnelle (≈ 5 %),

  • C3 : couche profonde, radiée (à fibres verticales) la plus épaisse

  • C4 : couche calcifiée (2-3 %).

Ces couches correspondent à des teneurs variables des composants de la matrice et à une organisation différente des fibres de collagène dans chaque couche (voir infra). Cette organisation fait penser que les fibres de collagène sont organisées en arceaux dont les extrémités s’implantent dans la couche calcifiée et dont la réflexion se fait dans les zones moyennes et superficielles, assurant une véritable « armature » au tissu cartilagineux.
BIOCHIMIE
La composition biochimique du cartilage articulaire est indiquée dans le tableau 1.
Tableau 1 : composition biochimique approximative du cartilage articulaire adulte

(d’après Menkin, 1992).


Eau

≈ 70 %

Poids sec

Matière inorganique (cendres)

Matière organique

Collagènes

Protéines non collagéniques

Glycoaminoglycannes

Hyaluronate

Acide sialique

Lipides

Lysozyme

Glycoprotéines

≈ 30 %

≈ 5 %
≈ 55 %

≈ 12 %

≈ 20 %

< 1 %

< 1 %

< 1 %

< 1 %

?



Les pro­téoglycannes (PG)
Les PG sont présents dans tous les tissus conjonctifs (tableau 2).
Tableau 2. Famille des protéoglycannes (PG) selon les tissus.


Familles

Dénomination

Localisation

Lecticannes

Agrécannes

Cartilage hyalin, ménisques, disque intervertébral




Versicannes

Autres tissus conjonctifs (peau, tendons, capsule et synoviale, os)




Neurocannes

Tissu nerveux central




brévicannes

Tissu nerveux central

Petits PGs riches en leucine

Biglicanne







Décorine







Fibromoduline




PGs associés à la membrane cellulaire

Syndécannes, glypicannes

La portion extra-cellulaire porte des chaînes d’héparane-sulfate.

La portion intra-cellulaire, connectée au cytosquelette, transmet à celui-ci les informations venant de l’environnement péro-cellulaire.



Ce sont des molécules formées par une protéine porteuse (« core protéine ») sur laquelle vi­ennent se brancher des molécules de glycoaminoglycannes (GAG), longues chaînes disac­charidiques de chondroïtine-sulfates ou de kératane-sulfates (figure 4). Ces PG monomères viennent se brancher sur une longue chaîne d'acide hyaluronique pour former des polymères de PG de poids moléculaire de plusieurs millions. Cet amarrage est stabilisé par des protéines de liaison (figure 5).

Figure 4. Structure d’un glycoaminoglycanne (GAG).

Les GAG ont des charges négatives sur leurs sulfates carboxylés et peuvent ainsi capter les ions Ca++ et Na+ qui, eux-mêmes, attirent l'eau. Ces protéoglycannes constituent un véritable gel hydrophile qui occupe un volume considérable par rapport à son contenu glucidique et l'eau constitue ainsi 70-75 % du poids humide du cartilage articulaire adulte.
Figure 5. Structure d’un protéoglycanne (PG).

Les collagènes
Cette capacité du cartilage à s'imbiber d'eau est bridée par le réseau des fibres de collagène. Le collagène spécifique du cartilage est de type II. Le collagène de type II est constitué de trois chaînes tor­sadées. A lui seul ce collagène II constitue 95 % des collagènes du cartilage nor­mal. On a décrit ces dernières années des collagènes dits "mineurs" dans le carti­lage : collagène IX qui constitue une armature au sein du collagène II, collagène XI qui, au contraire, est situé à la surface du collagène II et assure des liaisons avec les PG (figure 6). Ils sont dits "mineurs" car ils représentent 5 % des collagènes du car­tilage, mais leur rôle, incomplètement connu, semble capital dans le maintien de la structure entre PG et collagène II ainsi que dans la limitation de la crois­sance du collagène II.

Figure 6. Les différents collagènes du cartilage articulaire.


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