Approche Expérimentale
2. CHAPITRE 2 : APPROCHE EXPERIMENTALE :
Nous nous intéressons aux phénomènes convectifs au sein du segment
vertébral scoliotique. Cette partie du travail de recherche a pour objectif de mettre en lumière les approches expérimentales associées aux modèles animaux scoliotiques, à la perméabilité des tissus biologiques et notamment du plateau vertébral et à l'analyse par micro-tomodensitométrie des vertèbres.
2.1.
Considérations concernant le modèle de scoliose animal :
L’expérimentation rend nécessaire l’utilisation d’un nombre important d’échantillons pour s’affranchir de la dispersion des mesures due à la grande variabilité biologique afin d’obtenir les valeurs aussi précises et reproductibles possibles. Les disques humains étant peu disponibles, des animaux ont été étudiés. Ils permettent d’obtenir une population homogène en terme de race, d’âge, de sexe, et de paramètres biométriques (taille et poids) à la différence de ce que l’on pourrait obtenir chez l’homme. De plus, peu d’études ont étudié le résultat de contraintes appliquées sur le disque et sur la zone de croissance. Pour ces différentes raisons, le passage par des modèles animaux est indispensable pour la compréhension des mécanismes étiopathogéniques.
2.1.1. Rappels et analyse bibliographiques des modèles animaux de déformation rachidienne et de scoliose :
L’apparition spontanée d’une scoliose est rare chez le quadrupède. Néanmoins, l’animal peut participer à la connaissance de la scoliose en fournissant à l’expérimentateur des modèles expérimentaux 81. Les modèles animaux développés
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ont été nombreux depuis plus de 50 ans mais leurs résultats étaient souvent peu reproductibles. De plus, ces déformations n’étaient pas de véritable scoliose car les altérations n’étaient pas toujours tridimensionnelles, avec souvent seulement une inflexion rachidienne latérale. De nombreuses espèces animales ont été ainsi utilisées : petits animaux de laboratoire (souris 64, rat 44,123, lapin 4,17,126) ou animaux domestiques de plus grande taille (chien 38, porc 19,106, chèvre 28,29, bovin 100) voire même des primates 138. Ces modèles concernent essentiellement des animaux en croissance puisque la scoliose est un processus dynamique. Les techniques utilisées ont été très diverses.
Nous pouvons toutefois noter que seules deux espèces (le poulet et la souris) présentant une scoliose spontanée ont pu être étudiés 34. Chez le poulet, il s’agissait d’une scoliose héréditaire touchant le rachis cervical. Chez la souris, il s’agissait d’une maladie autosomique récessive responsable d’une cyphoscoliose thoracique chez des individus homozygotes. Le modèle scoliotique neurologique le plus développé à ce jour a été développé par Dubousset 86. Le principe du modèle repose sur l’ablation de la glande pinéale 86 au sein du diencéphale chez le poulet qui permet d’obtenir presque systématiquement une déformation spatiale du rachis cervical similaire en plusieurs points à la maladie humaine. La physiopathogénie de ce modèle reste encore mal expliquée. La transposition de ce modèle à d’autres mammifères tels que rat ainsi que le singe bipède s’est révélée très décevante. D’autres modèles de scolioses animales obtenus par atteinte du système musculo- squelettique ont été créés dans le but de comprendre les particularités tridimensionnelles des déformations de la scoliose idiopathique humaine. Les méthodes utilisées ont été variées pour altérer la symétrie de la croissance rachidienne et créer une courbure « scoliotique » 4,19,46,105,106,112,123,126,135 : résection d’os ou de tissus musculaire, immobilisation de la colonne vertébrale par un fixateur externe, élongation des côtes et destruction des plaques vertébrales par une irradiation, mise en place d’une contrainte asymétrique sur l’os ou sur les tissus mous, électrostimulation des muscles rachidiens postérieurs, implantations magnétiques.
Certains de ces modèles étaient basés sur l’application d’une contrainte
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squelettique asymétrique 28,101. Cette contrainte était exercée sur le rachis soit par des moyens « orthopédiques » soit par des moyens « chirurgicaux ». Les moyens orthopédiques ont pour avantage de ne pas être invasifs et donc de ne pas entraîner de tissu cicatriciel qui auraient pu modifier les caractéristiques de la scoliose ainsi induite. Mais ils s’appliquent à distance du rachis, sans point fixe, et entraînent en général des déformations peu marquées et/ou peu reproductibles. L’expérimentation la plus concluante l’avait été sur des lapereaux 63 où l’immobilisation par un corset plâtré permettait d’obtenir une déformation rachidienne en tout point identique à la scoliose idiopathique humaine ; l’importance de la scoliose était fonction de l’âge de l’animal et de la durée de l’immobilisation. Les moyens chirurgicaux consistent soit à utiliser du matériel d’ostéosynthèse pour bloquer la croissance en des points ciblés du rachis et à distance des zones de croissance (« fusion-less »), soit à créer une épiphysiodèse par destruction partielle ou totale des plaques de croissance vertébrales. L’inhibition ou, à l’inverse, la stimulation de la croissance costale perturbent également la croissance harmonieuse du rachis et induisent une déformation rachidienne. Cette méthode a pu être utilisée avec succès chez le lapin. Mehta 92 a rapporté un modèle animal chez le lapin de race New Zealand où il a induit des troubles de croissance symétriques ou asymétriques du rachis et de la cage thoracique par une ligature spinale et des côtes de façon unilatérale ou bilatérale. Un modèle caprin a été développé récemment par Braun et coll. 29 nécessitant la réalisation d’un geste sur le thorax (ligature et résection costale controlatérale).
Deux zones de croissance peuvent être utilisées pour créer une déformation vertébrale : le cartilage de conjugaison du corps vertébral et le cartilage neurocentral situé à la jonction entre le corps de la vertèbre et l’arc vertébral. Les moyens chirurgicaux utilisés peuvent agir à distance ou directement sur le cartilage (exérèse, irradiation ou vissage). Les méthodes touchant directement le cartilage de croissance sont réalisées essentiellement sur des espèces de grande taille (porc, chèvre, chien et lapin) chez qui il peut être réalisé une épiphysiodèse sur 4 ou 5 vertèbres thoraciques par vissage direct ou agrafage du cartilage neuro-central. Les méthodes agissant à distance des cartilages de croissance ont été initialement utilisées chez des petits mammifères (rat, lapin). Dans le modèle de Harrington 64, un fil de suture
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unissant le coude au genou chez des souris crée un système de contraintes dissymétriques qui résulte en une scoliose structurale. Un modèle comparable a été développé chez le rat par Sarwak et coll. 123 en suturant l’angle caudal de la scapula à l’ilium homolatéral qui, après 6 semaines, permet d’obtenir une scoliose permanente. Dans ces deux modèles, la contrainte a été appliquée dans le plan frontal pour obtenir une inflexion latérale. Le modèle développé par Smith et Dickson 128 travaille plus dans un plan sagittal, en créant une lordose. La mise en position de lordose de lapins par un fil de suture placé unilatéralement sous l’arc vertébral et les ligaments jaunes de 7 vertèbres thoraciques a permis d’obtenir une scoliose structurale progressive. La résection des muscles paraspinaux d’un seul côté a accéléré l’apparition des lésions.
Il apparaît toutefois que la méthode la plus fiable consiste à réaliser une contrainte asymétrique postérieure sur le rachis chez un animal en croissance 29. Ceci donne, avec une assez bonne reproductibilité, une déformation progressive et significative dont les caractéristiques en 3 dimensions ressemblent à une scoliose idiopathique. Cependant, il faut privilégier les méthodes qui respectent au maximum les éléments rachidiens 28. Cet impératif est d’autant plus exigeant, qu’il est associé au désir d’utiliser des animaux de plus grande taille tout en préservant le potentiel de croissance pour développer des techniques chirurgicales 28. La réalisation d’une scoliose chez un animal de plus grande taille est également un challenge plus difficile à cause des intensités des contraintes mécaniques qui sont générées. Les deux animaux qui ont été principalement utilisés sont le porc 106 et la chèvre 28,29. Karaharju en 1967 avec un modèle porcin en croissance a obtenu une lordo-scoliose en réalisant la résection des cotes dans la convexité, une ligature des côtes dans la concavité au processus épineux. Mais cette technique a entraîné dans la convexité, non seulement la destruction des articulations costo-vertébrales et costo-transverses, mais également celle de l'annulus fibrosus. De plus l’abord chirurgical a provoqué des fusions osseuses avec un effet d’épiphysiodèse dans la concavité. L’intérêt de ce modèle pour l’étude des traitements préservant la croissance s'est avéré limité du fait de la destruction massive des tissus rachidiens et péri-rachidiens. Braun et coll. 29 ont développé un modèle de scoliose chez la chèvre en croissance visant à respecter au maximum l’intégrité des éléments anatomiques rachidiens et péri-
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rachidiens. Ils ont utilisé une contrainte asymétrique postérieure rigide en association avec une résection costale dans la convexité et une ligature costale dans la concavité. Ils ont obtenu avec cette méthode une déformation en 3 dimensions proche de celle d’une scoliose idiopathique. Cette méthode a permis d’obtenir une déformation en minimisant les lésions rachidiennes, mais a nécessité une procédure invasive sur la cage thoracique à l’origine d’une mortalité importante due à des problèmes pulmonaires et à des complications neurologiques (18 % de décès en postopératoire précoce). L’angulation postopératoire initiale a été de 40° et après une période d’observation de 6 à 15 semaines, les courbures ont été en moyenne de 60°. Dans le plan sagittal, la cyphose thoracique initiale a diminué de 10° à 2° jusqu’à 1° de lordose après 6 à 15 semaines d’observation. Les inconvénients de cette technique sont une rigidité très importante de la courbure obtenue même après ablation de la contrainte instrumentale postérieure (déformation totalement fixée après 10 semaines) et une évolution imprévisible de la déformation. Une modification de leur technique 28 avec remplacement de la tige par un ligament synthétique a permis d’obtenir 80 % d’animaux déformés ayant développé une courbure progressive structurelle lordo-scoliotique du rachis. La scoliose initiale moyenne a été de 55° en postopératoire et a augmenté à 74° après 8 semaines de contraintes. Dans le plan sagittal, la lordose thoracique initiale a été de – 20° et a augmenté jusqu’à – 40° après 8 semaines. Les déformations rachidiennes ont été intéressantes mais sont restées inconstantes et le geste thoracique, indispensable dans ce modèle, a limité la régularité des déformations et les possibilités de tester une chirurgie secondaire de correction.
2.1.2. Cahier des charges des modèles animaux :
L’analyse bibliographique précédente a permis d'établir le cahier des charges à respecter pour élaborer un modèle animal de scoliose :
Faisabilité : animal robuste, disponible, s’élevant facilement et déformation rapidement obtenue pour être économiquement acceptable.
Déformations rachidiennes reproductibles, régulières et semblables à celles rencontrées chez l’humain
Anatomie et morphométrie semblable à un enfant en croissance,
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Respect des structures rachidiennes et thoraciques pour étudier la fonctionnalité et tester des techniques dynamiques de correction
Potentiel de croissance important et conservé pour étudier les possibilités de modulation de croissance
Les porcins 107et ovins 40,150 sont de plus en plus employés comme modèle de rachis humains, aussi bien pour des études in vivo que in vitro. En effet, l’étude sur une modèle animal de petite taille (souris, lapin…) n’est pas adaptée à une étude chirurgicale car elle n’aboutirait pas à des techniques directement applicables chez l’homme. Le modèle porcin a quant à lui largement été utilisé dans la littérature 18,107, y compris pour l’instrumentation rachidienne. Le porc est un animal domestique sociable et facile à élever et disponible très jeune. Les porcs charcutier de race identique, sont de taille homogène, de très grande qualité sanitaire, facilement disponibles toute l'année et sont peu onéreux. Leur sevrage est précoce (3 semaines contre 2 mois pour les caprins). Les caractéristiques anatomiques de ses vertèbres et de ses côtes sont celles qui se rapprochent le plus de l’humain ; contrairement aux pédicules vertébraux des autres grands animaux (mouton, chèvre, vache) qui sont beaucoup moins développés rendant la fixation chez le très jeune animal assez difficile. De plus le sevrage de ces animaux étant plus tardif, le potentiel de croissance est diminué. Enfin leurs vertèbres et leur côtes sont plus larges et aplaties (caractéristique rencontrée chez les herbivores) et leur thorax plus trapézoïdal. Ces éléments peuvent aussi limiter les possibilités de déviation. Enfin, les propriétés mécaniques de l’os porcin se rapprochent beaucoup de l’os humain 3.
En conclusion, le porc apparaît comme un modèle animal bien adapté à l’étude de la scoliose. Cependant, les modèles animaux quadrupèdes garderont toujours une limitation qu’il faudra toujours intégrer dans le raisonnement. Les forces appliquées sur la colonne vertébrales sont différentes car la posture entre un quadrupède et un humain bipède affecte probablement les possibilités de modulation de croissance vertébrale. Les temps de croissance en l'animal et l'humain sont très différents et nous pouvons supposer que les phénomènes de remodelage mécanobiologique sous contraintes mécaniques ne sont pas strictement identiques.
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2.1.3. Caractéristique du modèle porcin de scoliose développé au sein de l’ENV de Lyon (Pr Eric Viguier, Dr Thierry Odent et Thibault Cachon) :
2.1.3.1. Mise au point du modèle :
La mise au point du modèle porcin de scoliose a nécessité la connaissance de la croissance de l’animal témoin ; ces données n’étant pas disponibles dans la littérature. Les points suivants ont été étudiés afin de vérifier l’adaptation de l’animal au modèle scoliotique :
Adaptation du modèle aux caractéristiques morphométriques de l’enfant Vitesse de croissance vertébrale
Détermination de l’âge cible pour la création et la correction des déformations Croissance témoin en fonction d’un repère vertébral pour évaluer l’impact du
dispositif chirurgical sur la croissance
Un porc charcutier a été suivi de 1 à 3 mois. Un bilan radiographique standard avec repère millimétré et sans effet de parallaxe a été réalisé grâce à des radiographies standard du rachis (face et profil) tous les 30 jours sous sédation. Les porcs charcutiers étant destinés à produire de la viande, ils sont sélectionnés pour des raisons économiques afin d’avoir le plus de côtes possible (jusqu’à 15 vertèbres thoraciques et en 6 lombaires). Par convention, pour neutraliser la variabilité du nombre de vertèbres, nous avons déterminé un rachis humain comportant 12 vertèbres thoraciques et 5 vertèbres lombaires en prenant comme référence la charnière thoraco-lombaire.
Croissance relative des vertèbres : (Tableau 2.1, page suivante) La
participation relative de chaque vertèbre a été mesurée au cours du temps (à 1, 2 et 3 mois) sur les radiographies de face et profil. Nous avons observé au cours du temps une stabilité parfaite de la part relative de chaque vertèbre dans la croissance rachidienne et des ratio longueur rachis thoracique et longueur rachis lombaire/longueur totale rachis. A partir de ces données, il a été déterminé la longueur théorique de T1-S1 et du segment intéressé par le dispositif de contrainte
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chirurgicale avec la croissance (T6-T12 ou T7-T12).
Vitesse de croissance : Le porc a une vitesse de croissance très rapide (120
mm/mois entre le premier et le deuxième mois). Il atteint à 4 mois la taille définitive d’un rachis humain adulte. La vitesse de croissance décroît avec le temps dans la période étudiée.
Il a été conclu que la déformation devait être créée le plus tôt possible pour avoir la meilleure adaptation aux caractéristiques morphométriques de l’enfant et profiter de la vitesse de croissance optimale. A 3 mois, la longueur rachidienne T1-L5 est celle d’un humain à maturité squelettique (45 cm ± 2 chez le garçon et 42 ± 2 cm chez la fille ; moyenne ± 2 DS). La stabilité de la part relative de chaque vertèbre au cours du temps sur la longueur rachidienne va permettre d’évaluer l’impact du dispositif chirurgical sur la croissance en permettant de calculer une longueur rachidienne théorique en fonction d’un segment rachidien non intéressé par l’instrumentation.
2.1.3.2. Instrumentation du modèle de scoliose et procédure chirurgicale (ENV Lyon) :
Le principe de ce modèle porcin repose sur un implant rachidien latéralisé (ou « offset ») qui accroît les contraintes en déformation latérale et préserve du risque d’épiphysiodèse après abord chirurgical. Entre les offset, un câble est passé en sous-cutané dans les masses musculaires et va être progressivement mis en tension
Longueur 1 mois 2 mois 3 mois
T1 – L5 (mm) 246 365 442
T7 – T12 (mm) 87 127 153
T6 – T12 (mm) 102 145 172
L4 – L5 (mm) 32 47,5 57,5
Rapport 7,7 7,7 7,7
Vitesse croissance T1 – L5 (mm/mois) 119 77
Tableau 2.1 : Croissance des vertèbres chez le porc charcutier de la naissance à 3 mois APPROCHE EXPERIMENTALE
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avec la croissance de l’animal tout en permettant de conserver une mobilité dans la zone instrumentée (Figure 2.1).
Il est nécessaire d’obtenir des ancrages osseux solides afin de pouvoir y appuyer un câble résistant. La fixation par vissage pédiculaire a été choisie en raison de sa résistance (Figure 2.2). Le système de vis vertex™ a été retenu en raison de son faible encombrement ((Vertex multiaxial screws™, diamètre de 4 mm, Medtronic Sofamor Danek, Memphis, TN, USA)). Des tests d’arrachement ont été réalisés sur pièces anatomiques fraîches. L’arrachement du système (offset fixé par 2 vis pédiculaires) se produit en moyenne avec une tension de 300 N en thoracique et 400 N en lombaire sur des animaux de 1 mois (8 – 9 kg) avec des vis de 4 mm diamètre. Les vis ont été volontairement émergeantes en avant du corps vertébral (15 mm) afin
Croissance 2 ancrages pédiculaires crâniaux Longueur instrumentée Offset Croissance 2 ancrages pédiculaires crâniaux Longueur instrumentée Offset 2 ancrages pédiculaires caudaux C â b le a c ie r i n o x
Fig 2.1 Vue de face du schéma du montage expérimental du modèle porcin de scoliose (ENV Lyon) d’après Odent et coll.
Fig 2.2 Radiographies post-opératoires de face (A) et de profil (B) montrant la fixation par vis pédiculaire. De face : décalage anatomique entre la vis pédiculaire et la ligne médiane. De profil : vis vertex™ émergeante en avant du corps vertébral d’après Odent et coll.
A
B
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d’augmenter leur résistance à l’arrachement avec l’augmentation du volume du corps vertébral (Figure 2.2 B, page précédente). Le décalage anatomique entre la vis pédiculaire et la ligne médiane du rachis est alors d’environ 20 mm. L’offset a été conçu de manière à obtenir une section suffisante et sans soudure (Medtronic, Sofamor Danek, Memphis, TN, USA) afin d’éviter toute zone de contrainte et donc d’éviter toute faillite en fatigue du matériel. Le câble choisi a été un câble inox tressé de 2 mm de diamètre présentant une charge de rupture de 2,4 kN. Un système sans contrainte initiale a été retenu et pour assurer la pérennité de la fixation rachidienne, nous avons également réalisé un système de « cage osseuse » en basculant autour de l’offset le processus épineux correspondant pour avoir une fixation osseuse secondaire supplémentaire de l’implant. La fixation du
câble sur l’offset a été réalisé par une rotule permettant d’une part, un meilleur contrôle du serrage, et d’autre part, une angulation naturelle du câble et une traction pure (Figure 2.3). Le choix de la longueur des offsets est lié à la longueur du montage instrumenté, à la courbure recherchée et à la vitesse de croissance du rachis : plus le montage est long, plus l’offset doit être
important et plus la vitesse est rapide, plus l’offset peut être réduit. L'instrumentation chirurgicale a concerné 8 niveaux pour préserver la mobilité du rachis et éviter des sollicitations trop importantes sur les implants. Ce choix permet également de libérer des niveaux et de créer une contre-courbure crâniale et caudale.
L’ensemble de l’instrumentation a été réalisée sur des animaux ayant bénéficié d’une anesthésie générale dans des conditions d’asepsie chirurgicale et dans le strict respect des règles d’hygiène et de respect des espèces animales au sein du Laboratoire de Pathologie Chirurgicale de l’Ecole Nationale Vétérinaire de Lyon. L’instrumentation est réalisée par deux incisions minimales postérieures (une crâniale et une caudale) afin de permettre la mise en place des vis pédiculaires supportant les offset (Figures 2.4 A et 2.4 B, page suivante). Le câble d’acier est ensuite passé en sous-cutané avant d’être fixé sur les offset par les olives. Un traitement antalgique post-opératoire a été administré systématiquement à chaque animal : administration sous-cutanée de carprofen à la dose de 4 mg/kg/jour
Fig 2.3 Offset utilisé dans le montage. Fixation du câble par une rotule. d’après Odent et coll. APPROCHE EXPERIMENTALE
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pendant 8 jours associé à un patch de fentanyl pendant 3 jours.
2.1.3.3. Quantification de la déformation scoliotique :
Par convention et pour neutraliser la variabilité du nombre de vertèbres (jusqu’à 15 vertèbres thoraciques et en 6 lombaires), il a été déterminé un rachis humain comportant 12 vertèbres thoraciques et 5 vertèbres lombaires en prenant comme référence la charnière thoraco-lombaire. Chez l’homme, la position de référence est "au garde-à-vous"; chez l’animal, la position est debout sur ses quatre