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Les facteurs déterminants de la résistance mécanique osseuse
PHARMACOLOGIE
Thérapie 2003 Sep-Oct; 58 (5): 403-407 0040-5957/03/0005-0403/$30.00/0 © 2003 Société Française de Pharmacologie
Les facteurs déterminants de la résistance mécanique osseuse Bone Strength and its Determinants Patrick Ammann Service des Maladies Osseuses, Département de Réhabilitation et Gériatrie, Hôpitaux Universitaires, Genève, Suisse
Résumé
Les propriétés mécaniques osseuses sont déterminées par la géométrie osseuse, l’épaisseur corticale et la porosité, la morphologie de l’os trabéculaire et les propriétés intrinsèques du tissu osseux. La complication majeure de l’ostéoporose est la fracture liée à une diminution de la résistance mécanique. Tout traitement de l’ostéoporose visant une amélioration des propriétés mécaniques implique une amélioration de ces déterminants. La densité minérale osseuse (DMO) explique 60–70 % de la variance de la résistance osseuse. Ainsi, de nombreux facteurs ne sont pas pris en compte par la DMO dans la progression de l’ostéoporose et l’effet des traitements anti-ostéoporotiques. L’investigation soigneuse de tous les déterminants des propriétés mécaniques incluant la qualité du tissu osseux lors des études précliniques permet une meilleure compréhension de la physiopathologie de l’ostéoporose et des mécanismes d’action des agents anti-ostéoporotiques. Mots clés : biomécanique, os, ostéoporose, rat, fracture
Abstract
Bone strength is determined by bone geometry, cortical thickness and porosity, trabecular bone morphology and the intrinsic properties of bony tissue. The major complication of osteoporosis, i.e. fracture, is due to a lower bone strength. Thus, any treatment of osteoporosis implies an improvement in bone strength. Bone strength is indirectly estimated by bone mineral density (BMD) using Dual-Energy X-ray Absorptiometry (DXA). Since, DXA-measured BMD accounts for part of the variance in bone strength, some important factors are not captured by DXA, in terms of the effects of anti-osteoporotic treatment and the progression of osteoporosis. Geometry and trabecular microarchitecture have also to be taken into account. Thus, the assessment of the intrinsic mechanical quality of bony tissue should provide a better understanding of the role of tissue quality in determining bone strength. The careful investigation of all the determinants of bone strength (bone tissue included) should be considered in the pathophysiology of osteoporosis and in the mechanisms of action of anti-osteoporotic drugs. Keywords: biomechanics, bone, osteoporosis, rat, fracture Texte reçu le 28 août 2003 ; accepté le 12 septembre 2003
1. Introduction L’ostéoporose est une maladie affectant une large proportion de la population. Elle est considérée dans le monde comme un problème de santé majeur. L’ostéoporose est définie comme une diminution de la masse osseuse, une altération de la microarchitecture conduisant à une augmentation de la fragilité osseuse et du risque de fracture après un traumatisme à basse énergie.[1] Le but des traitements anti-ostéoporotiques est d’améliorer la résistance mécanique et ainsi, de diminuer le risque de fracture.[2,3] Chez l’humain, on ne peut évaluer les propriétés mécaniques qu’en enregistrant le nombre de fractures, ce qui
implique le suivi d’une importante cohorte de patients. Les modèles animaux permettent une investigation objective de l’influence spécifique de traitements et de manipulations visant à induire une ostéoporose sur les propriétés mécaniques et leurs déterminants. Une telle approche est une étape incontournable qui permettra une intervention thérapeutique plus ciblée. 2. Evaluation des propriétés mécaniques Comme la complication majeure de l’ostéoporose est la fracture et le but de l’ensemble des traitements contre l’ostéoporose la diminution de l’incidence des fractures, il semble logique de
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considérer l’évaluation des propriétés mécaniques osseuses lors d’études précliniques comme objectif primaire.[2,3] Les propriétés mécaniques sont investiguées au niveau de différentes parties du squelette : compression axiale du corps vertébral ou du tibia proximal, test de flexion en trois ou quatre points des os longs (tibia, fémur ou humérus) et test de flexion du col du fémur.[2-4] Dans le but de tenir compte de l’ensemble des déterminants des propriétés mécaniques, l’intégrité de l’échantillon osseux investigué doit être préservée. Par exemple, au lieu de scier la partie proximale et distale du corps vertébral comme on le fait classiquement, il semble préférable de fixer les plateaux de la vertèbre intacte dans une résine (méthylmétacrylate). Cette procédure permet une répartition uniforme des stress sur l’échantillon osseux. De cette manière, la contribution de la microarchitecture peut être correctement appréciée. On doit aussi porter une attention particulière à tester les différents types d’os qui se différencient par leur proportion d’os cortical ou trabéculaire et par la charge qu’ils supportent. Ainsi, nous avons mis au point un test de compression axiale du tibia proximal (rat, souris).[5,6] Ce site du squelette est sensible à l’ovariectomie et au traitement anti-ostéoporotique. Cette technique permet d’évaluer l’os trabéculaire et cortical en charge (contrairement à la vertèbre chez l’animal). Pour tous ces différents tests de biomécanique, une courbe peut être établie (figure 1) en mettant en relation la charge et la déformation de l’échantillon. La pente de la partie linéaire de la courbe correspond à l’élasticité, la charge la plus haute que peut Force maximale 140
Limite d'élasticíté
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Force (N)
100 80 Elasticité 60 40 20 0 0
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Déformation (mm)
Fig. 1. Représentation schématique de la courbe force/déflexion enregistrée lors des tests biomécaniques. La force la plus élevée mesurée avant la survenue de la fracture correspond à la force, la pente de la partie linéaire de la courbe à l’élasticité et la surface sous la courbe à l’énergie absorbée. La limite d’élasticité (« yield point ») correspond à la transition entre la phase élastique et plastique, la phase plastique représentant une déformation irréversible de l’échantillon.
2003 Société Française de Pharmacologie
supporter l’os avant de se fracturer correspond à la charge maximale avant la survenue de la fracture et la surface sous la courbe représente l’énergie absorbée.[4] D’autres paramètres peuvent en être dérivés comme la limite d’élasticité qui correspond à la transition entre la phase élastique et plastique, la phase plastique représentant la déformation irréversible de l’échantillon. Tous ces tests sont bien décrits et leur reproductibilité (3–5 %) est évaluée par mesure de la variation droite/gauche ou entre des segments adjacents des vertèbres chez le même animal.[5] Ces mesures peuvent évaluer objectivement la sévérité de la fragilité osseuse et représentent l’intégration des effets sur les différents déterminants des propriétés mécaniques. 3. Déterminants des propriétés mécaniques 3.1 Densité minérale osseuse
Chez l’humain, la mesure non invasive de la densité minérale osseuse (DMO) par DXA (Dual-Energy X-ray Absorptiometry) est la méthode de choix utilisée pour le diagnostic précoce de l’ostéoporose. Ainsi, la DMO est considérée comme un déterminant majeur des propriétés mécaniques. La plupart des études cliniques investiguant les inhibiteurs de la résorption, comme les bisphosphonates, les modulateurs sélectifs des récepteurs aux œstrogènes ou les œstrogènes, ont démontré une association entre l’augmentation de la DMO et la diminution du risque de fracture, mais ces modifications ne sont pas toujours proportionnelles.[7,8] Des études effectuées ex vivo, sur du matériel humain, permettent d’établir une excellente corrélation entre la DMO et les propriétés mécaniques évaluées par un test de flexion au niveau du col du fémur ou de compression axiale de la vertèbre.[9-13] Ces différentes études ex vivo indiquent que la DMO prédit entre 66 % et 72 % de la variance des propriétés mécaniques. Dans des études précliniques, la DMO a été systématiquement investiguée et, indépendamment du laboratoire réalisant l’étude ou de l’espèce mammifère investiguée (cochon, singe, rat, souris), prédit 50–75 % de la variance des propriétés mécaniques.[2-5,14] Chez le rat traité par du ranelate de strontium, le strontium distribué dans les os surestime le contenu minéral. Malgré tout, la valeur non corrigée de DMO prédit 55–80 % de la variance des propriétés mécaniques. Ceci souligne la capacité de cette mesure non invasive de la DMO à prédire les propriétés mécaniques. On doit aussi se rappeler que la DMO n’est pas une densité volumique (masse de minéral par volume), mais une densité de surface (masse par surface). La DMO correspond à une relation entre le contenu minéral (hydroxyapatite) et la surface scannée. Thérapie 2003 Sep-Oct; 58 (5)
Déterminants de la biomécanique osseuse
Ainsi, cette variable intègre non seulement la quantité de minéral mais aussi, indirectement, la dimension de l’os. Ce haut niveau de prédiction des propriétés mécaniques par la DMO peut être en partie expliqué par le fait que la taille de l’os (antéropostérieur) est indirectement intégrée dans cette mesure. La DMO est le seul déterminant de remplacement qui permet d’apprécier les propriétés mécaniques de manière non invasive, mais les déterminants plus spécifiques comme la géométrie osseuse, l’épaisseur corticale et sa porosité, l’architecture trabéculaire et la qualité intrinsèque du tissu osseux doivent être aussi pris en compte. A l’heure actuelle, une analyse systématique de ces différents déterminants des propriétés mécaniques ne peut être faite que chez l’animal.
3.2 Dimension
Parmi les déterminants des propriétés mécaniques, les dimensions des os comme les diamètres externes et l’épaisseur corticale jouent un rôle prépondérant.[4,5,15-17] D’un point de vue mécanique, il est démontré que l’augmentation du diamètre externe d’un cylindre augmente considérablement la résistance à la flexion.[4] L’élargissement de l’épaisseur corticale améliore aussi ce paramètre de résistance, mais dans une moindre mesure. La dimension externe des os longs prédit jusqu’à 55 % de la variance des propriétés mécaniques.[2,5] Un stimulateur de la formation osseuse, comme l’IGF-1 (insulin-like growth factor 1), l’hormone de croissance ou l’hormone parathyroïdienne (PTH) stimule l’apposition périostée et augmente ainsi le diamètre externe des os longs.[5,15,16] Cette augmentation du diamètre externe des os longs est associée à une amélioration proportionnelle des propriétés mécaniques. Une augmentation de l’épaisseur corticale peut être observée sous inhibiteur de la résorption et correspond à une inhibition de la résorption endostéale.[5] Un tel phénomène participe à l’amélioration des propriétés mécaniques. Après l’ovariectomie, une expansion du diamètre externe des os longs et du col du fémur est observée, et conduit à une augmentation de la résistance mécanique.[18,19] Ceci correspond probablement à une réaction compensatrice à la diminution de la masse osseuse et à l’altération de la connectivité trabéculaire. Ces modifications de diamètre externe sont associées à une augmentation du taux circulant d’IGF-1, qui pourrait être un des facteurs responsables de la stimulation de l’apposition périostée. En revanche, l’ovariectomie associée à un apport protéique isocalorique bas (50 % du minimum nécessaire à maintenir un métabolisme osseux normal et la masse osseuse) diminue les propriétés mécaniques et la densité minérale. Dans une telle situation, l’augmentation compensatrice du diamètre externe 2003 Société Française de Pharmacologie
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après ovariectomie n’a pas lieu, de même que celle du taux circulant d’IGF-1.[20,21] Une expansion du diamètre externe peut aussi être observée chez l’humain. Pendant la croissance, le diamètre est influencé par l’environnement nutritionnel, comme par exemple par l’apport protéique, en calcium et phosphate.[22] Chez la personne âgée, une expansion du diamètre externe a aussi lieu.[23] Sous traitement par PTH, une augmentation de la surface osseuse scannée peut être détectée correspondant à une expansion du diamètre osseux. Un excès d’hormone de croissance dans l’acromégalie augmente la taille osseuse. Ces différentes observations confirment qu’une expansion de la taille des os est possible chez des adultes. Son rôle spécifique dans la modification du risque de fracture doit encore être établi. 3.3 Architecture osseuse
La déficience en hormones sexuelles est associée à une altération de la connectivité des structures trabéculaires, comme une diminution du nombre de travées osseuses, une augmentation de l’espace entre les travées, une modification de la forme des travées osseuses qui passent de forme de plaques à celle de colonnes, et une altération des paramètres de connectivité investigués par l’histomorphométrie ou mieux, par des mesures de micro-scanner (évaluation en 3D).[24] Ces changements de structures trabéculaires peuvent influencer les propriétés mécaniques.[24] L’ovariectomie altère les propriétés mécaniques et la masse osseuse. Cependant, une modification significative des propriétés mécaniques peut être détectée après l’ovariectomie, avant la diminution de la DMO.[5,16,19,25,26] Une dissociation entre ces deux variables peut être expliquée par une altération précoce de la microarchitecture (perforation et ou disparition de travées osseuses), sans répercussion majeure sur la DMO.[2] Ces différentes observations soulignent l’importance de l’intégrité de la microarchitecture. 3.4 Qualité du tissu
En utilisant l’ensemble de ces déterminants, on ne peut prédire la totalité de la variance des propriétés mécaniques. Ainsi, d’autres paramètres contribuant à la détermination de la résistance osseuse restent à explorer afin de mieux comprendre la physiopathologie de l’ostéoporose et des modifications consécutives des propriétés mécaniques. La qualité du tissu pourrait être un bon candidat, puisque l’os est remodelé, modifié et remplacé en permanence sous influence hormonale, nutritionnelle ou thérapeutique. Dans une étude récente, l’administration d’un inhibiteur de la résorption (SERM [selective estrogen receptor modulator] ou bisphosphonates) restaure les propriéThérapie 2003 Sep-Oct; 58 (5)
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tés mécaniques et la DMO après ovariectomie, mais ne corrige pas le volume de masse trabéculaire.[25] Ces agents modulent différemment le remodelage osseux par différents mécanismes et peuvent augmenter les propriétés intrinsèques de l’os et de l’architecture trabéculaire plus que la masse trabéculaire. Cette observation implique que non seulement la quantité d’os, mais aussi les propriétés intrinsèques de l’os et l’architecture trabéculaire jouent un rôle important dans la résistance à la fracture. Un autre paramètre qui doit être considéré est le degré de minéralisation. Une augmentation des propriétés mécaniques est observée sous biphosphonates, sans modifications significatives de la masse d’os trabéculaire, évaluée par histomorphométrie.[27-29] Un degré de minéralisation plus homogène est observé. Il pourrait expliquer l’augmentation de la DMO et de la résistance mécanique. L’intensité du remodelage osseux pourrait aussi être impliquée. Des études cliniques indiquent que les marqueurs de la résorption osseuse et du remodelage peuvent être des prédicteurs indépendants du risque de fracture.[30] Par différentes répartitions du stress en relation avec le volume d’os en phase de remodelage, le haut remodelage peut diminuer la résistance mécanique et, inversement, la réduction du remodelage l’améliorer. D’autre part, la diminution du remodelage osseux peut influencer la géométrie trabéculaire et le degré de minéralisation de la matrice formée sous traitement. Plus récemment, la technique de nano-indentation a été appliquée à l’investigation du tissu osseux et permet la mesure de sa qualité avec une bonne résolution spatiale.[31,32] La nanoindentation consiste en la compression d’un diamant pyramidal dans le matériel et l’enregistrement simultané de la force et du déplacement en micro-Newton (µN) et nanomètre. A partir de cette courbe force-déplacement, la force par unité de surface, le modulus d’indentation et des propriétés purement élastiques peuvent être calculés. La méthode de nano-indentation permet de quantifier les propriétés mécaniques d’une unité osseuse. Peu de résultats sont actuellement disponibles, mais les propriétés élastiques locales des structures osseuses ont été démontrées comme variant de manière significative entre les individus et entre les régions anatomiques.[32-34] La nano-indentation pourrait représenter une méthode clé pour apprécier la qualité du tissu et pour mieux comprendre les mécanismes par lesquels les traitements de l’ostéoporose peuvent améliorer les propriétés mécaniques. Dans le futur, ceci pourrait aider à investiguer sur une biopsie osseuse la contribution de la qualité du tissu dans la détermination de la fragilité osseuse. 2003 Société Française de Pharmacologie
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4. Conclusion En conclusion, la DMO a un bon pouvoir de prédiction de la résistance mécanique, mais reste un substitut à l’ensemble des autres déterminants. Beaucoup d’évidences indiquent que les propriétés mécaniques sont aussi déterminées par des paramètres comme la géométrie osseuse, l’épaisseur corticale, la porosité et la morphologie trabéculaire osseuse. L’ensemble de ces déterminants prédit 60 % de la variance des propriétés mécaniques. Ainsi, on perçoit l’intérêt majeur de l’étude de la qualité intrinsèque du tissu comme déterminant des propriétés mécaniques. Références 1.
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Déterminants de la biomécanique osseuse
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Correspondance et offprints : Patrick Ammann, Service des Maladies Osseuses, Département de Réhabilitation et Gériatrie, HUG, CH–1211 Genève 14, Suisse. E-mail : [email protected]
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Thérapie 2003 Sep-Oct; 58 (5): 403-407 0040-5957/03/0005-0403/$30.00/0 © 2003 Société Française de Pharmacologie
Les facteurs déterminants de la résistance mécanique osseuse Bone Strength and its Determinants Patrick Ammann Service des Maladies Osseuses, Département de Réhabilitation et Gériatrie, Hôpitaux Universitaires, Genève, Suisse
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Les propriétés mécaniques osseuses sont déterminées par la géométrie osseuse, l’épaisseur corticale et la porosité, la morphologie de l’os trabéculaire et les propriétés intrinsèques du tissu osseux. La complication majeure de l’ostéoporose est la fracture liée à une diminution de la résistance mécanique. Tout traitement de l’ostéoporose visant une amélioration des propriétés mécaniques implique une amélioration de ces déterminants. La densité minérale osseuse (DMO) explique 60–70 % de la variance de la résistance osseuse. Ainsi, de nombreux facteurs ne sont pas pris en compte par la DMO dans la progression de l’ostéoporose et l’effet des traitements anti-ostéoporotiques. L’investigation soigneuse de tous les déterminants des propriétés mécaniques incluant la qualité du tissu osseux lors des études précliniques permet une meilleure compréhension de la physiopathologie de l’ostéoporose et des mécanismes d’action des agents anti-ostéoporotiques. Mots clés : biomécanique, os, ostéoporose, rat, fracture
Abstract
Bone strength is determined by bone geometry, cortical thickness and porosity, trabecular bone morphology and the intrinsic properties of bony tissue. The major complication of osteoporosis, i.e. fracture, is due to a lower bone strength. Thus, any treatment of osteoporosis implies an improvement in bone strength. Bone strength is indirectly estimated by bone mineral density (BMD) using Dual-Energy X-ray Absorptiometry (DXA). Since, DXA-measured BMD accounts for part of the variance in bone strength, some important factors are not captured by DXA, in terms of the effects of anti-osteoporotic treatment and the progression of osteoporosis. Geometry and trabecular microarchitecture have also to be taken into account. Thus, the assessment of the intrinsic mechanical quality of bony tissue should provide a better understanding of the role of tissue quality in determining bone strength. The careful investigation of all the determinants of bone strength (bone tissue included) should be considered in the pathophysiology of osteoporosis and in the mechanisms of action of anti-osteoporotic drugs. Keywords: biomechanics, bone, osteoporosis, rat, fracture Texte reçu le 28 août 2003 ; accepté le 12 septembre 2003
1. Introduction L’ostéoporose est une maladie affectant une large proportion de la population. Elle est considérée dans le monde comme un problème de santé majeur. L’ostéoporose est définie comme une diminution de la masse osseuse, une altération de la microarchitecture conduisant à une augmentation de la fragilité osseuse et du risque de fracture après un traumatisme à basse énergie.[1] Le but des traitements anti-ostéoporotiques est d’améliorer la résistance mécanique et ainsi, de diminuer le risque de fracture.[2,3] Chez l’humain, on ne peut évaluer les propriétés mécaniques qu’en enregistrant le nombre de fractures, ce qui
implique le suivi d’une importante cohorte de patients. Les modèles animaux permettent une investigation objective de l’influence spécifique de traitements et de manipulations visant à induire une ostéoporose sur les propriétés mécaniques et leurs déterminants. Une telle approche est une étape incontournable qui permettra une intervention thérapeutique plus ciblée. 2. Evaluation des propriétés mécaniques Comme la complication majeure de l’ostéoporose est la fracture et le but de l’ensemble des traitements contre l’ostéoporose la diminution de l’incidence des fractures, il semble logique de
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considérer l’évaluation des propriétés mécaniques osseuses lors d’études précliniques comme objectif primaire.[2,3] Les propriétés mécaniques sont investiguées au niveau de différentes parties du squelette : compression axiale du corps vertébral ou du tibia proximal, test de flexion en trois ou quatre points des os longs (tibia, fémur ou humérus) et test de flexion du col du fémur.[2-4] Dans le but de tenir compte de l’ensemble des déterminants des propriétés mécaniques, l’intégrité de l’échantillon osseux investigué doit être préservée. Par exemple, au lieu de scier la partie proximale et distale du corps vertébral comme on le fait classiquement, il semble préférable de fixer les plateaux de la vertèbre intacte dans une résine (méthylmétacrylate). Cette procédure permet une répartition uniforme des stress sur l’échantillon osseux. De cette manière, la contribution de la microarchitecture peut être correctement appréciée. On doit aussi porter une attention particulière à tester les différents types d’os qui se différencient par leur proportion d’os cortical ou trabéculaire et par la charge qu’ils supportent. Ainsi, nous avons mis au point un test de compression axiale du tibia proximal (rat, souris).[5,6] Ce site du squelette est sensible à l’ovariectomie et au traitement anti-ostéoporotique. Cette technique permet d’évaluer l’os trabéculaire et cortical en charge (contrairement à la vertèbre chez l’animal). Pour tous ces différents tests de biomécanique, une courbe peut être établie (figure 1) en mettant en relation la charge et la déformation de l’échantillon. La pente de la partie linéaire de la courbe correspond à l’élasticité, la charge la plus haute que peut Force maximale 140
Limite d'élasticíté
120 Energie
Force (N)
100 80 Elasticité 60 40 20 0 0
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Déformation (mm)
Fig. 1. Représentation schématique de la courbe force/déflexion enregistrée lors des tests biomécaniques. La force la plus élevée mesurée avant la survenue de la fracture correspond à la force, la pente de la partie linéaire de la courbe à l’élasticité et la surface sous la courbe à l’énergie absorbée. La limite d’élasticité (« yield point ») correspond à la transition entre la phase élastique et plastique, la phase plastique représentant une déformation irréversible de l’échantillon.
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supporter l’os avant de se fracturer correspond à la charge maximale avant la survenue de la fracture et la surface sous la courbe représente l’énergie absorbée.[4] D’autres paramètres peuvent en être dérivés comme la limite d’élasticité qui correspond à la transition entre la phase élastique et plastique, la phase plastique représentant la déformation irréversible de l’échantillon. Tous ces tests sont bien décrits et leur reproductibilité (3–5 %) est évaluée par mesure de la variation droite/gauche ou entre des segments adjacents des vertèbres chez le même animal.[5] Ces mesures peuvent évaluer objectivement la sévérité de la fragilité osseuse et représentent l’intégration des effets sur les différents déterminants des propriétés mécaniques. 3. Déterminants des propriétés mécaniques 3.1 Densité minérale osseuse
Chez l’humain, la mesure non invasive de la densité minérale osseuse (DMO) par DXA (Dual-Energy X-ray Absorptiometry) est la méthode de choix utilisée pour le diagnostic précoce de l’ostéoporose. Ainsi, la DMO est considérée comme un déterminant majeur des propriétés mécaniques. La plupart des études cliniques investiguant les inhibiteurs de la résorption, comme les bisphosphonates, les modulateurs sélectifs des récepteurs aux œstrogènes ou les œstrogènes, ont démontré une association entre l’augmentation de la DMO et la diminution du risque de fracture, mais ces modifications ne sont pas toujours proportionnelles.[7,8] Des études effectuées ex vivo, sur du matériel humain, permettent d’établir une excellente corrélation entre la DMO et les propriétés mécaniques évaluées par un test de flexion au niveau du col du fémur ou de compression axiale de la vertèbre.[9-13] Ces différentes études ex vivo indiquent que la DMO prédit entre 66 % et 72 % de la variance des propriétés mécaniques. Dans des études précliniques, la DMO a été systématiquement investiguée et, indépendamment du laboratoire réalisant l’étude ou de l’espèce mammifère investiguée (cochon, singe, rat, souris), prédit 50–75 % de la variance des propriétés mécaniques.[2-5,14] Chez le rat traité par du ranelate de strontium, le strontium distribué dans les os surestime le contenu minéral. Malgré tout, la valeur non corrigée de DMO prédit 55–80 % de la variance des propriétés mécaniques. Ceci souligne la capacité de cette mesure non invasive de la DMO à prédire les propriétés mécaniques. On doit aussi se rappeler que la DMO n’est pas une densité volumique (masse de minéral par volume), mais une densité de surface (masse par surface). La DMO correspond à une relation entre le contenu minéral (hydroxyapatite) et la surface scannée. Thérapie 2003 Sep-Oct; 58 (5)
Déterminants de la biomécanique osseuse
Ainsi, cette variable intègre non seulement la quantité de minéral mais aussi, indirectement, la dimension de l’os. Ce haut niveau de prédiction des propriétés mécaniques par la DMO peut être en partie expliqué par le fait que la taille de l’os (antéropostérieur) est indirectement intégrée dans cette mesure. La DMO est le seul déterminant de remplacement qui permet d’apprécier les propriétés mécaniques de manière non invasive, mais les déterminants plus spécifiques comme la géométrie osseuse, l’épaisseur corticale et sa porosité, l’architecture trabéculaire et la qualité intrinsèque du tissu osseux doivent être aussi pris en compte. A l’heure actuelle, une analyse systématique de ces différents déterminants des propriétés mécaniques ne peut être faite que chez l’animal.
3.2 Dimension
Parmi les déterminants des propriétés mécaniques, les dimensions des os comme les diamètres externes et l’épaisseur corticale jouent un rôle prépondérant.[4,5,15-17] D’un point de vue mécanique, il est démontré que l’augmentation du diamètre externe d’un cylindre augmente considérablement la résistance à la flexion.[4] L’élargissement de l’épaisseur corticale améliore aussi ce paramètre de résistance, mais dans une moindre mesure. La dimension externe des os longs prédit jusqu’à 55 % de la variance des propriétés mécaniques.[2,5] Un stimulateur de la formation osseuse, comme l’IGF-1 (insulin-like growth factor 1), l’hormone de croissance ou l’hormone parathyroïdienne (PTH) stimule l’apposition périostée et augmente ainsi le diamètre externe des os longs.[5,15,16] Cette augmentation du diamètre externe des os longs est associée à une amélioration proportionnelle des propriétés mécaniques. Une augmentation de l’épaisseur corticale peut être observée sous inhibiteur de la résorption et correspond à une inhibition de la résorption endostéale.[5] Un tel phénomène participe à l’amélioration des propriétés mécaniques. Après l’ovariectomie, une expansion du diamètre externe des os longs et du col du fémur est observée, et conduit à une augmentation de la résistance mécanique.[18,19] Ceci correspond probablement à une réaction compensatrice à la diminution de la masse osseuse et à l’altération de la connectivité trabéculaire. Ces modifications de diamètre externe sont associées à une augmentation du taux circulant d’IGF-1, qui pourrait être un des facteurs responsables de la stimulation de l’apposition périostée. En revanche, l’ovariectomie associée à un apport protéique isocalorique bas (50 % du minimum nécessaire à maintenir un métabolisme osseux normal et la masse osseuse) diminue les propriétés mécaniques et la densité minérale. Dans une telle situation, l’augmentation compensatrice du diamètre externe 2003 Société Française de Pharmacologie
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après ovariectomie n’a pas lieu, de même que celle du taux circulant d’IGF-1.[20,21] Une expansion du diamètre externe peut aussi être observée chez l’humain. Pendant la croissance, le diamètre est influencé par l’environnement nutritionnel, comme par exemple par l’apport protéique, en calcium et phosphate.[22] Chez la personne âgée, une expansion du diamètre externe a aussi lieu.[23] Sous traitement par PTH, une augmentation de la surface osseuse scannée peut être détectée correspondant à une expansion du diamètre osseux. Un excès d’hormone de croissance dans l’acromégalie augmente la taille osseuse. Ces différentes observations confirment qu’une expansion de la taille des os est possible chez des adultes. Son rôle spécifique dans la modification du risque de fracture doit encore être établi. 3.3 Architecture osseuse
La déficience en hormones sexuelles est associée à une altération de la connectivité des structures trabéculaires, comme une diminution du nombre de travées osseuses, une augmentation de l’espace entre les travées, une modification de la forme des travées osseuses qui passent de forme de plaques à celle de colonnes, et une altération des paramètres de connectivité investigués par l’histomorphométrie ou mieux, par des mesures de micro-scanner (évaluation en 3D).[24] Ces changements de structures trabéculaires peuvent influencer les propriétés mécaniques.[24] L’ovariectomie altère les propriétés mécaniques et la masse osseuse. Cependant, une modification significative des propriétés mécaniques peut être détectée après l’ovariectomie, avant la diminution de la DMO.[5,16,19,25,26] Une dissociation entre ces deux variables peut être expliquée par une altération précoce de la microarchitecture (perforation et ou disparition de travées osseuses), sans répercussion majeure sur la DMO.[2] Ces différentes observations soulignent l’importance de l’intégrité de la microarchitecture. 3.4 Qualité du tissu
En utilisant l’ensemble de ces déterminants, on ne peut prédire la totalité de la variance des propriétés mécaniques. Ainsi, d’autres paramètres contribuant à la détermination de la résistance osseuse restent à explorer afin de mieux comprendre la physiopathologie de l’ostéoporose et des modifications consécutives des propriétés mécaniques. La qualité du tissu pourrait être un bon candidat, puisque l’os est remodelé, modifié et remplacé en permanence sous influence hormonale, nutritionnelle ou thérapeutique. Dans une étude récente, l’administration d’un inhibiteur de la résorption (SERM [selective estrogen receptor modulator] ou bisphosphonates) restaure les propriéThérapie 2003 Sep-Oct; 58 (5)
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tés mécaniques et la DMO après ovariectomie, mais ne corrige pas le volume de masse trabéculaire.[25] Ces agents modulent différemment le remodelage osseux par différents mécanismes et peuvent augmenter les propriétés intrinsèques de l’os et de l’architecture trabéculaire plus que la masse trabéculaire. Cette observation implique que non seulement la quantité d’os, mais aussi les propriétés intrinsèques de l’os et l’architecture trabéculaire jouent un rôle important dans la résistance à la fracture. Un autre paramètre qui doit être considéré est le degré de minéralisation. Une augmentation des propriétés mécaniques est observée sous biphosphonates, sans modifications significatives de la masse d’os trabéculaire, évaluée par histomorphométrie.[27-29] Un degré de minéralisation plus homogène est observé. Il pourrait expliquer l’augmentation de la DMO et de la résistance mécanique. L’intensité du remodelage osseux pourrait aussi être impliquée. Des études cliniques indiquent que les marqueurs de la résorption osseuse et du remodelage peuvent être des prédicteurs indépendants du risque de fracture.[30] Par différentes répartitions du stress en relation avec le volume d’os en phase de remodelage, le haut remodelage peut diminuer la résistance mécanique et, inversement, la réduction du remodelage l’améliorer. D’autre part, la diminution du remodelage osseux peut influencer la géométrie trabéculaire et le degré de minéralisation de la matrice formée sous traitement. Plus récemment, la technique de nano-indentation a été appliquée à l’investigation du tissu osseux et permet la mesure de sa qualité avec une bonne résolution spatiale.[31,32] La nanoindentation consiste en la compression d’un diamant pyramidal dans le matériel et l’enregistrement simultané de la force et du déplacement en micro-Newton (µN) et nanomètre. A partir de cette courbe force-déplacement, la force par unité de surface, le modulus d’indentation et des propriétés purement élastiques peuvent être calculés. La méthode de nano-indentation permet de quantifier les propriétés mécaniques d’une unité osseuse. Peu de résultats sont actuellement disponibles, mais les propriétés élastiques locales des structures osseuses ont été démontrées comme variant de manière significative entre les individus et entre les régions anatomiques.[32-34] La nano-indentation pourrait représenter une méthode clé pour apprécier la qualité du tissu et pour mieux comprendre les mécanismes par lesquels les traitements de l’ostéoporose peuvent améliorer les propriétés mécaniques. Dans le futur, ceci pourrait aider à investiguer sur une biopsie osseuse la contribution de la qualité du tissu dans la détermination de la fragilité osseuse. 2003 Société Française de Pharmacologie
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4. Conclusion En conclusion, la DMO a un bon pouvoir de prédiction de la résistance mécanique, mais reste un substitut à l’ensemble des autres déterminants. Beaucoup d’évidences indiquent que les propriétés mécaniques sont aussi déterminées par des paramètres comme la géométrie osseuse, l’épaisseur corticale, la porosité et la morphologie trabéculaire osseuse. L’ensemble de ces déterminants prédit 60 % de la variance des propriétés mécaniques. Ainsi, on perçoit l’intérêt majeur de l’étude de la qualité intrinsèque du tissu comme déterminant des propriétés mécaniques. Références 1.
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Correspondance et offprints : Patrick Ammann, Service des Maladies Osseuses, Département de Réhabilitation et Gériatrie, HUG, CH–1211 Genève 14, Suisse. E-mail : [email protected]
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