Quand l’os se fissure de fatigue

13/11/2014

Un pictogramme avec un homme qui fait du sport. © Horizons

Des microfissures apparaissent dans les os lorsque ceux-ci sont soumis à un stress mécanique répété. Ces dommages microscopiques sont souvent indétectables avant que l’os ne se fracture. Comment les déceler, les prévenir, voire les traiter? Par Anton Vos

Les fractures de fatigue des os représentent près de 20% de toutes les blessures dans le sport. Le problème, c’est que les prémisses de ces ruptures, provoquées par un stress mécanique chronique imposé au squelette, sont des microfissures éminemment fines quasiment indétectables par radiographie médicale avant la rupture fatidique. Afin de mieux connaître leur apparition et les mécanismes qui président à leur propagation dans le tissu osseux, Claire Acevedo, post-doctorante au Lawrence Berkeley National Laboratory (Université de Berkeley) en Californie, a récemment testé un modèle de souris capable de reproduire et d’étudier le phénomène. Une publication sur le sujet est en préparation.

"Les fractures de fatigue sont particulièrement insidieuses, car elles touchent des os en bonne santé et surviennent en l’absence de choc important, explique Claire Acevedo. Les microfissures se font jour généralement sur les os supportant le poids du corps comme le tibia, le péroné ou les métatarses. Elles sont aussi fines que des cheveux et se propagent lentement. Ce sont les sportifs de haut niveau (coureurs, danseurs, etc.) ou les militaires suivant un entraînement intensif qui sont le plus touchés. Le processus d’autoréparation de l’os n’est alors pas assez rapide pour prévenir l’accumulation de ces fissures."

Semblable fracture ne touche cependant pas que les sportifs. Son incidence augmente en effet avec l’âge, le risque d’ostéoporose, la présence de certaines maladies comme l’ostéogenèse imparfaite (appelée aussi la maladie dite des "os de verre") ou, paradoxalement, la prise sur le long terme de certains médicaments contre l’ostéoporose.

Expériences sur les animaux

N’étant pas détectables par les radiographies médicales aux rayons X classiques, les mécanismes de fissuration par fatigue à travers la microstructure complexe de l’os sont encore largement méconnus. Et la seule manière d’étudier leur naissance et leur évolution ainsi que la capacité de l’os à résister et à se réparer lui-même consiste à mener des expériences sur des animaux vivants.

Claire Acevedo a choisi la souris comme objet d’étude. "La microstructure des os de cochon ou de chien aurait présenté davantage de similarités avec l’être humain, estime-t-elle. Mais les expériences seraient beaucoup plus compliquées à mettre en place et prendraient plus de temps que de travailler avec des rongeurs."

Les essais sur les animaux ont été menés en collaboration avec l’AO Foundation à Davos et l’EPFL. Une première série de tests sur des souris mortes a permis d’évaluer les paramètres de résistance du tibia lorsqu’il est soumis à des charges cycliques mimant les efforts subis au quotidien par le squelette de sportifs.

Ces expériences ont permis d’observer, grâce à des mesures au synchrotron à rayons X offrant une résolution nettement supérieure à l’imagerie médicale, le démarrage et la propagation de microfissures. En parallèle, Claire Acevedo a développé un modèle numérique en trois dimensions des tibias de souris. Elle a pu en déduire que les zones d’où partent préférentiellement les fissures de fatigue correspondent aux zones de concentration de contraintes (stress) qui dépendent de la forme ainsi que de la microarchitecture de l’os.

Elle a également pu identifier que ces microfissures naissent de discontinuités à la surface de l’os compact, notamment de petits canaux (contenant des nerfs ou des vaisseaux sanguins). Elles se propagent ensuite à travers les zones les plus fragiles, via d’autres canaux et petites cavités. Grâce à sa microstructure complexe, l’os met en place un dispositif ingénieux qui arrête ou dévie l’avancée des microfissures.

Dans un deuxième temps, la chercheuse a soumis une douzaine de rongeurs vivants – et anesthésiés – à des conditions de stress mécanique similaires mais en s’arrêtant bien avant la fracture de l’os. Les animaux ont ensuite été sacrifiés pour l’analyse de leur squelette après des périodes de repos variables (entre 0 et 14 jours). "Les rayons X de laboratoire ne nous permettant pas de visualiser les lésions microscopiques, il était difficile de savoir si les tibias commençaient à se fissurer tant que les souris étaient vivantes, souligne la scientifique. Heureusement, nous avons pu atteindre notre objectif dès la première tentative."


Musique d’avenir

A l’aide de mesures au microscope confocal à balayage laser, la chercheuse a en effet pu observer la présence de dommages diffus – qui donnent ensuite naissance aux microfissures de fatigue – à différents stades de développement ainsi que le processus d’autoréparation sous la forme d’une production de matière osseuse. "Il s’agit d’un résultat majeur de notre travail, estime-t-elle. Cela suggère que même les dommages diffus, habituellement considérés comme trop fins pour donner le signal à l’os de se réparer, participent néanmoins à l’activation des mécanismes d’autoréparation."

L’objectif de ces études consiste à mettre au point une méthode capable de détecter, de prévenir, voire de traiter les microfissures de fatigue avant qu’elles ne provoquent la fracture chez l’être humain. Semblable perspective relève encore de la musique d’avenir, mais Claire Acevedo a pu montrer que le modèle de souris qu’elle a étudié est capable de reproduire un certain nombre d’effets dus à la fatigue des os et ce, dans un temps raisonnablement court. Un tel outil permettra donc de poursuivre le travail scientifique et d’améliorer la compréhension du phénomène.

"Aujourd’hui, un des seuls traitements efficaces dont on dispose, c’est le repos total permettant à l’os de s’auto-réparer, précise-t-elle. Pas durant un ou deux jours mais pendant plusieurs semaines au moins. La personne sujette à des microfissures ressent bien une douleur importante à un certain stade, ce qui devrait constituer une sorte de signal d’alarme. Mais si au lieu d’arrêter l’enchaînement des entraînements, elle prend un antidouleur et poursuit ses efforts, les microfissures vont s’accumuler jusqu’à la fracture complète."

   
(De "Horizons" no 102, septembre 2014)

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