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Rev Rhum [Ed Fr] 2000 ; 67 SuppI : 214-8 0 2000 fiditions scientifiques et medicales Elsevier SAS. Tous droits rtservks S1169833000000429/SSU Biochimie et biologie du disque intervertebral Frarqois Rannou’, Serge Poiraudeau’, Mait Corvol*, Michel Revel’* ‘Service de r&ducation et de r&adaptation de I’appareil locomoteur et des pathologies du rachis, hdpital Cochin, lJniversit6 Ren6 Descartes, 27, rue du Faubourg-Saint-Jacques, 75014 Paris, France ; ‘Inserm U 530 tour Lavoisier, h6pital Necker-Enfants-Malades, 149, rue de S&es, 75473 Paris cedex 15, France annulus fibrosus / collaghe / disque intervertebral / nucleus pulposus / prothoglycane annulus fibrosus / collagen / intervertebral disk / nucleus pulposus / proteoglycan On a longtemps assimile le disque intervertebral a une structure tissulaire de type ligamentaire au sein duquel se trouvait une population cellulaire inerte. Les travaux portant sur la degradation du disque intervertebral ont ete essentiellement cent& sur l’etude in vivo ou ex vivo de la biomtcanique du rachis et du disque, et la carac- ttrisation biochimique du tissu discal [l-3]. Recem- ment, des travaux ont CtC orient& sur l’ttude de la biologie du &sque intervertebral et du mttabolisme des cellules discales afin de tenter d’tlucider les mtcanismes de regulation de la synthbe et de la degradation des proteines matricielles du disque intervertebral. Le disque intervertebral non degtnere est constitut en son centre du nucleus pulposus et en periphtrie de I’annulus fibrosus, il est non vascularise et peu innerve. Le nucleus pulposus et la partie interne de l’annulus fibrosus sont en contact direct avec le cartilage hyalin des plateaux vertebraux. Le nucleus pulposus a une forme spherique, c’est un gel hydrophile lui conferant des proprietts hydrostatiques. L’annulus fibrosus est form& de sept a I5 lamelles concentriques constituees de fibres de collagtne de type I disposees de faGon oblique d’une couche B l’autre formant un angle de 120 ’ entre elles et de 30 o par rapport au plan du disque. Entre ces lamelles sont enchasstes les cellules et leur matrice [4-61. D’une espece B l’autre, cette organi- sation structurale est remarquablement conservee [7]. * Correspondance et tire? ri part. Adresse e-mail: [email protected] (M. Revel). CONTENU BIOCHIMIQUE DU DISQUE INTERVERTiBRAL La composition biochimique du disque intervertebral humain est maintenant bien connue [7-91. Le nucleus pulposus contient 90 % d’eau dans I’enfance et cette valeur diminue avec l’age, environ 80 % chez I’adulte jeune, puis moins de 70 % chez le sujet age. 11 reprtsente environ 50 % du volume d’un disque intervertebral adulte. La matrice extracellulaire est constitute de collagtne et de proteoglycanes. Le collagtne constitue 20 % du poids set du nucleus pul- posus. Le collagtne de type II represente 80 % du col- lagtne total, le collagene de type VI I5 % et les collagenes de type IX et XI 5 %, il n’y a pas de collagene de type I. Les proteoglycanes constituent environ 50 % du poids set du nucleus pulposus. 11s conferent au nucleus pulposus son caractere hydrophile et sa consis- tance en (C gel visqueux )). Avec l’age, on observe, paral- lelement a la perte d’eau, une diminution du pourcentage de prottoglycanes [ 10, 111. L’annulus fibrosus contient 60 B 70 % d’eau, valeur relativement stable avec l’age. Environ 65 % a 70 % de son poids set provient du collagene. Le collagtne de type I, qui compose les lamelles concentriques de l’annulus fibrosus, et le collagene de type II, qui est un des principaux constituants de la matrice extracellu- laire, sont majoritaires (80 % du collagene total). Les collagttnes de type III, V, VI, IX et XI representent 20 % du collagene total. Le rapport collagene de type II / collagtne de type I diminue de la partie interne

Biochimie et biologie du disque intervertébral

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Rev Rhum [Ed Fr] 2000 ; 67 SuppI : 214-8 0 2000 fiditions scientifiques et medicales Elsevier SAS. Tous droits rtservks

S1169833000000429/SSU

Biochimie et biologie du disque intervertebral

Frarqois Rannou’, Serge Poiraudeau’, Mait Corvol*, Michel Revel’* ‘Service de r&ducation et de r&adaptation de I’appareil locomoteur et des pathologies du rachis, hdpital Cochin, lJniversit6 Ren6 Descartes, 27, rue du Faubourg-Saint-Jacques, 75014 Paris, France ; ‘Inserm U 530 tour Lavoisier, h6pital Necker-Enfants-Malades, 149, rue de S&es, 75473 Paris cedex 15, France

annulus fibrosus / collaghe / disque intervertebral / nucleus pulposus / prothoglycane

annulus fibrosus / collagen / intervertebral disk / nucleus pulposus / proteoglycan

On a longtemps assimile le disque intervertebral a une structure tissulaire de type ligamentaire au sein duquel se trouvait une population cellulaire inerte. Les travaux portant sur la degradation du disque intervertebral ont ete essentiellement cent& sur l’etude in vivo ou ex vivo de la biomtcanique du rachis et du disque, et la carac-

ttrisation biochimique du tissu discal [l-3]. Recem- ment, des travaux ont CtC orient& sur l’ttude de la biologie du &sque intervertebral et du mttabolisme des cellules discales afin de tenter d’tlucider les mtcanismes de regulation de la synthbe et de la degradation des proteines matricielles du disque intervertebral.

Le disque intervertebral non degtnere est constitut en son centre du nucleus pulposus et en periphtrie de I’annulus fibrosus, il est non vascularise et peu innerve. Le nucleus pulposus et la partie interne de l’annulus fibrosus sont en contact direct avec le cartilage hyalin des plateaux vertebraux. Le nucleus pulposus a une forme spherique, c’est un gel hydrophile lui conferant des proprietts hydrostatiques. L’annulus fibrosus est form& de sept a I5 lamelles concentriques constituees de fibres de collagtne de type I disposees de faGon oblique d’une couche B l’autre formant un angle de 120 ’ entre elles et de 30 o par rapport au plan du disque. Entre ces lamelles sont enchasstes les cellules et leur matrice [4-61. D’une espece B l’autre, cette organi- sation structurale est remarquablement conservee [7].

* Correspondance et tire? ri part. Adresse e-mail: [email protected] (M. Revel).

CONTENU BIOCHIMIQUE DU DISQUE INTERVERTiBRAL

La composition biochimique du disque intervertebral humain est maintenant bien connue [7-91.

Le nucleus pulposus contient 90 % d’eau dans I’enfance et cette valeur diminue avec l’age, environ

80 % chez I’adulte jeune, puis moins de 70 % chez le sujet age. 11 reprtsente environ 50 % du volume d’un disque intervertebral adulte. La matrice extracellulaire est constitute de collagtne et de proteoglycanes. Le collagtne constitue 20 % du poids set du nucleus pul- posus. Le collagtne de type II represente 80 % du col- lagtne total, le collagene de type VI I5 % et les collagenes de type IX et XI 5 %, il n’y a pas de collagene de type I. Les proteoglycanes constituent environ 50 % du poids set du nucleus pulposus. 11s conferent au nucleus pulposus son caractere hydrophile et sa consis- tance en (C gel visqueux )). Avec l’age, on observe, paral- lelement a la perte d’eau, une diminution du pourcentage de prottoglycanes [ 10, 111.

L’annulus fibrosus contient 60 B 70 % d’eau, valeur relativement stable avec l’age. Environ 65 % a 70 % de son poids set provient du collagene. Le collagtne de type I, qui compose les lamelles concentriques de l’annulus fibrosus, et le collagene de type II, qui est un des principaux constituants de la matrice extracellu- laire, sont majoritaires (80 % du collagene total). Les collagttnes de type III, V, VI, IX et XI representent 20 % du collagene total. Le rapport collagene de type II / collagtne de type I diminue de la partie interne

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de l’annulus fibrosus vers la peripherie. Les proteogly- canes representent 10 a 20 % du poids set et sont concentrts essentiellement dans la partie interne de l’annulus fibrosus [7, 9, 121.

Des la deuxieme decade le disque intervertebral de&- n&e [lo]. Ceci se traduit par une diminution progres- sive du pourcentage d’eau, une augmentation du contenu en collagene et du rapport collagene de type I / collagtne de type II, et par une diminution du contenu en proteoglycanes [ 10, 11, 131. Ces modifications bio- chimiques correspondent a un processus de vieillisse- ment normal du tissu discal. Dans certains cas ces modifications peuvent apparaitre beaucoup plus prtco- cement et sont beaucoup plus s&&es, ttmoignant pro- bablement d’un processus pathologique. Kitano a compare le contenu biochimique de 14 disques inter- vertebraux sains (age moyen de 29 ans) et de 25 disques interverttbraux pathologiques (age moyen de 32 ans) provenant de discectomie pour lombosciatique d’ori- gine discale [ 141. Les disques intervertebraux sympto- matiques contenaient plus de collagene, moins d’eau et moins de proteoglycanes que les disques intervertt- braux sains. L’implication des cellules du disque inter- vertebral dans ces modifications biochimiques est inconnue, et on ne sait pas si cette dtgenerescence provient d’une degradation isolee des proteines matri- cielles, d’une modulation de leur synthbe ou de la conjonction de ces deux mtcanismes. Les travaux rtcents portant sur la biologie des cellules de disques interverttbraux permettent de repondre partiellement a ces interrogations.

BIOLOGIECELLULAIREDUDISQUE INTERVERTtBRAL

Les cellules et leur matrice

Le disque intervertebral humain contient peu de cellu- les, 9 000/mm3 dans l’annulus fibrosus, 3 OOO/mm3 dans le nucleus pulposus, alors que le cartilage des plateaux vertebraux en contient 15 000/mm3 [3]. La nature des cellules du disque intervertebral est encore discutte. Si morphologiquement les cellules de l’annu- lus fibrosus sont cornparables B des chondrocytes arti- culaires [ 15-201, la matrice extracellulaire synthttisee par ces cellules est encore l’objet de discussions. Elles produisent des prottoglycanes ayant un potentiel d’agre- gation comparable aux proteoglycanes du cartilage [ 15-17, 19-211. Toutefois, les etudes realistes chez l’homme en immunocytochimie montrent un mar- quage positif pour les collagenes de type II (specifique

du cartilage) et de type I (normalement absent de la matrice cartilagineuse) [9, 201. La specificite des anti- corps utilises n’ttant cependant pas parfaite, on ne peut exclure des reactions croisees. De plus, la seule etude portant sur l’expression des genes de collagene de type I et II dans ces cellules ne trouve pas d’expression de collagene de type I [19]. Cependant, cette etude a ete realisee chez de jeunes lapins et il est possible que le phenotype des cellules de l’annulus fibrosus dtpende de l’bge des sujets et de l’esptce etudiee. En l’absence d’ttude portant sur l’expression des differents collage- nes dans les cellules de l’annulus fibrosus chez l’homme en fonction de l’%ge, il est impossible de se prononcer actuellement sur l’origine exacte de ces cellules. Les cellules de l’annulus fibrosus sont done considertes par certains comme des chondrocytes B un stade de matu- ration different des chondrocytes articulaires, et par d’autres comme des fibrochondrocytes [15-I 91.

Le nucleus pulposus contient deux types cellulaires : des petites cellules arrondies identiques aux cellules de l’annulus fibrosus, et des grosses cellules vacuolaires

[16, 17, 191. C es g rosses cellules synthetisent des pro-

ttoglycanes de type agrecanes et du collagtne de type II [ 191. En revanche, elles n’expriment ni le collagene de type I ni le collagene de type X marqueur d’hypertro- phie des chondrocytes. L’origine notochordale de ces cellules est habituellement admise sans beaucoup d’arguments scientifiques en l’absence de marqueurs specifiques [20, 22, 231. D’autres auteurs emettent l’hypothese qu’elles puissent @tre des chondrocytes pre- hypertrophiques [ 191.

Les deux principaux constituants de la matrice extra- cellulaire du disque intervertebral sont les proteoglyca- nes et les collagtnes. La majorite des proteoglycanes du disque intervertebral est capable de former des agrtgats, ce sont principalement les agrecanes [24] et en quantitt beaucoup plus faible les versicanes [25]. De petits pro- teoglycanes (dtcorine, biglycane, fibromoduline et lumicane), n’ayant pas le pouvoir de s’agrtger sont aussi retrouves, essentiellement dans la matrice pericellulaire [24]. 11s jouent vraisemblablement un role dans la presentation de peptides a la cellule et dans l’organisa- tion et les proprietts physiques de la matrice extracellu- laire [26-291. Aucune etude n’a dtmontre qu’ils pouvaient @tre synthetises par les cellules discales. Les agrecanes du disque intervertebral ont des proprietts physicochimiques similaires a celles des agrtcanes du cartilage articulaire et peuvent etre synthttises par les cellules du nucleus pulposus et de l’annulus fibrosus [ 17, 191. Ce sont des molecules complexes form&es

216s F. Rannou et al.

d’une prottine porteuse (core protein) posstdant deux domaines globulaires Gl et G2 dans la region

N-terminale, et un domaine globulaire G3 en

C-terminal. Entre les domaines G2 et G3, des glycosa- minoglycanes (environ 30 keratane sulfates et

100 chondroi’tine sulfates par agrtcane) vont se fixer a cette proteine porteuse [8]. Les glycosaminoglycanes sont des sucres charges negativement qui attirent les molecules d’eau et conferent au tissu discal ses capacitts B resister aux forces compressives. Entre les domaines Gl et G2 se trouve le site de coupure d’une des princi- pales enzymes impliquees dans la degradation des agrt- canes (metalloprottase-3 ou stromelysine- 1) [29]. Les agrecanes, via leur domaine Gl, ont la propritte de se lier a une molecule d’acide hyaluronique par l’intermt- diaire d’une proteine de liaison (Link protein) pour former ainsi des polymeres d’agrecanes, macromoltcu- les de poids moltculaire de plusieurs millions de daltons [8]. L’assemblage des agrtcanes B l’acide hyaluronique s’effectue probablement, comme pour le chondrocyte, au niveau de la face externe de la membrane cytoplas- mique des cellules discales, sur laquelle les molecules d’acide hyaluronique sont ancrtes via une molecule

d’adhesion, le CD44 [8]. Le role du domaine G3 est encore inconnu.

Le deuxittme Clement principal de la matrice extracel- lulaire est le collagtne. On en trouve sept types dans l’annulus fibrosus (I, II, III, V, VI, IX et XI) et quatre types dans le nucleus pulposus (II, VI, IX et XI) [8, 13, 291. Quantitativement, les collagtnes de type I et de type II sont les plus importants et conferent au disque intervertebral des capacitts de resistance en tension. Les cellules discales peuvent synthetiser le collagtne de type I, de type II, aucune etude n’a port& sur la synthese des collagenes mineurs. Les principales mttalloprotta- ses impliquees dans la degradation du collagene sont les collagenases (metalloproteases 1, 8 et 13) et les gelati- nases (metalloprottases 2 et 9) [29].

Synthbe et ddgradation de la matrice extracellulaire

Une seule etude s’est vtritablement in&es&e au turn over de la matrice extracellulaire discale chez l’homme au tours du vieillissement [lo]. Le contenu en collagttne de type I et de type II ainsi qu’en agrecanes, de 12 1 dis- ques intervertebraux lombaires humains provenant de patients ages de 12 semaines a 79 ans, a et& analyse en fonction du stade de degradation discale. Trois phases ont pu &tre individualistes. A la phase I (de la naissance

a 15 ans) on observe une production d’agrtcanes, de collagene de type I et de type II, ainsi qu’une dtgrada- tion de collagtne de type II. La phase II (de 15 a 40 ans) correspond a une diminution de la production des prottines matricielles except6 pour le collagene de type I, et une diminution de la degradation du colla- gene de type II. La derniere phase (de 40 B 80 ans) correspond a une augmentation de la production de collagtne de type I, de la degradation du collagene de type II, ainsi qu’a une diminution de la production de collagene de type II et d’agrecanes. Les phenomtnes observes aux phases II et III sont d’autant plus marques que la degentrescence discale est importante. Tout se passe comme si au tours de l’age se succedaient une ptriode de croissance puis une ptriode de maturation et enfin une ptriode de dtgenerescence du disque inter- vertebral, et il est envisageable que ce processus de vieillissement normal du disque intervertebral soit acct- l&C dans le disque intervertebral pathologique [ 141. Ces modifications biochimiques de la matrice extracel- lulaire au tours du vieillissement pourraient correspon- dre a des modifications du phenotype des cellules discales avec l’age.

Des travaux plus nombreux, realists chez l’homme sur des fragments de disques intervertebraux pathologi- ques (hernies discales) maintenus en survie, se sont inttresses aux mtcanismes de degradation de la matrice extracellulaire du disque intervertebral et aux pheno- mtnes inflammatoires locaux. La presence de cytokines pro-inflammatoires (interleukine-1, interleukine-6, TNF-a), de mtdiateurs de l’inflammation, comme la forme secrCtCe de phospholipase A2 de type II (sPLA2) et les prostaglandines E2 (PGE2), de mttalloprottases impliqutes dans la degradation des proteoglycanes et du collagtne (stromtlysine et collagenase) [30-331, a ete observte. Plusieurs hypotheses ont Ctt avanctes sur l’origine cellulaire de ces divers facteurs impliques dans la degradation du disque intervertebral. La premiere suggtre que les cytokines et les mediateurs de l’inflam- mation puissent @tre initialement synthetises par les cellules discales en reponse B des stimuli exterieurs. En effet, les cellules de l’annulus fibrosus peuvent &re stimulees par l’interleukine 1 entrainant une produc- tion locale de mttalloprottases, de sPLA2 et de PGE2 [34]. De plus, les cellules discales sont capables de secreter de l’interleukine-I [ 15, 33, 351. Cela suggtre- rait l’existence d’une regulation autocrine paracrine au sein du tissu discal. En revanche, on ignore quels sont les stimuli capables d’initier et de moduler la synthese d’interleukine-I par les cellules discales. Une des

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hypotheses serait qu’un stimulus mecanique puisse ini- tier et moduler cette synthbe comme cela a et& suggtre in vitro pour les chondrocytes [36,37]. D’autres auteurs suggerent que les cytokines et les mediateurs de l’inflam- mation puissent etre initialement synthetists par des cellules participant B la reaction inflammatoire locale (macrophages, lymphocytes) et ayant infiltre le disque intervertebral soit par contigtiid soit par le biais d’une ntovascularisation [38, 391.

Recemment, des travaux ont pu mettre en evidence des mecanismes impliquts dans la resorption des her- nies discales [40,4 11. Haro a mis au point un modele de hernie discale in vitro. C’est une coculture soit de tissu discal, soit de cellules discales, et de macrophages pro- venant du m&me animal. L’auteur a considert qu’une resorption du tissu discal devait se traduire par une diminution de son poids et de son contenu en protto-

glycanes. Les macrophages activts produisent du TNF-a qui va induire la production de stromtlysine- 1

par les cellules discales et aboutir a une resorption du tissu discal. II semble Cgalement que la stromtlysine-1 (metalloprotease-3) synthttisee par les cellules discales soit essentielle a la migration des macrophages et done a l’infiltration du disque intervertebral, et que la matrily- sine (mttalloprottase-7) synthttisee par les macropha- ges permette de solubiliser le TNF-a. Ces resultats soulignent done l’importance des metalloproteases dans la resorption du tissu discal via une cooperation macro-

phages-cellules discales. La meilleure maitrise de la biologie cellulaire et mole-

culaire de la cellule discale a deja permis de mettre en evidence I’importance de certains genes (proteines matricielles, enzymes de degradation, cytokines) dans la synthese et la degradation du tissu discal. Le controle de I’expression de ces genes pourrait, dans I’avenir, ouvrir des perspectives therapeutiques interessantes. Une pre- miere etude a deja permis la transfection in vivo du gene d’un facteur de croissance (TGF-fi) chez le lapin. Cette transfection entraine une augmentation du contenu discal en prottoglycanes [42]. L’utilisation de ces tech- niques chez l’homme conduira peut-&tre au dtveloppe- ment de nouvelles thtrapeutiques dans la prise en charge de la pathologie rachidienne degenerative.

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