Intra-osseux ou extra-osseux ? 2/2

A gauche : vue microscopique d’ostéoblastes (en jaune et brun) et d’ostéoclastes (en rouge) formant un couple cellulaire qui tisse et détisse le tissu osseux en permanence, leur étreintes nourrissent ou dépérissent nos os faisant le lit de notre robustesse ou notre fragilité intérieure.

A droite : Le Baiser de Gustav Klimt, réalisée entre 1907 et 1908. Vienne. Les corps enlacés de ce couple, isolé du monde dans leur intimité amoureuse et protégé par ce drapé de tissus en mosaïque dorée comme source nourrissante et donnant éternellement force à leur amour. 

Historique du périoste

les premières description sont faites par Henri louis Duhamel du Monceau (1700-1782) : botaniste et agronome, qui en 1758 (Duhamel 1758) est le premier à décrire la couche cambiale et son fonctionnement en physiologie végétale.

Couches de l’écorce des arbres.

Aubier = xylème secondaire, bois vivant. Conduit la sève brute des racines vers les feuilles. Liber = Phloème, écorce interne. Conduit la sève élaborée des feuilles vers le tronc. Duramen = bois dur.

Le cambium (du latin cambiare, changer) est une fine couche de cellules méristématiques située entre l’aubier et le liber.

Chez l’animal Flourens en 1847, à l’école vétérinaire de Lyon, disséqua un morceau de périoste de lapin avant de le poser autour des muscles à proximité et observa une calcification.

Ollier en 1867 dans son livre régénération des os, prouva le rôle du périoste et des sa couche sous-périostée osseuse dans leur capacité ostéogénique. A cette époque, ses découvertes permirent des résections salvatrices dans les arthrites, évitant ainsi l’amputation complète. Attaqué sur ses conclusions, et le rôle régénératif du périoste, il présenta des planches de préparation osseuses à des congrès ; ses détracteurs lui opposant le fait que ce n’était que des planches animales et non humaines.

Il a réussi à démontrer que la conservation intégrale de la gaine capsulo-périostée, des tendons, du conjonctif péri articulaire était nécessaire à la reformation d’une articulation. Il décrivit les lois d’accroissement des os longs, l’influence de l’irrigation des parties osseuses, des expérimentation de greffes osseuse par le périoste, la moelle osseuse, l’os entier.

Constitution

Le périoste est une membrane en deux couches : une couche externe fibreuse (feuillet stérile) et une couche interne cambiale (feuillet fertile et cellulaire) voir schéma. C’est une enveloppe externe de l’os comme une « peau ».

Une autre couche existe en interne, c’est l’endoste. Elle se situe entre la moelle jaune et l’os dans les os longs. 

Couches du périoste.

A partir des condensations mésenchymateuses initiales, les cellules se différentient en cartilage et périchondre, le cartilage hypertrophique est envahi par des vaisseaux et se différentie en os et moelle osseuse. Les ostéoblastes dans le périoste (vert), la moelle osseuse et l'endoste (brun) proviennent du perichondre embryonnaire. Chez l'adulte, après une blessure osseuse, les cellules qui forment le cartilage et l'os dans le cal sont recrutées localement à partir du périoste, de la moelle osseuse et du sang. 

Etapes de développement des os longs.

Ce processus d'ossification endochondrale est hautement régulé par plusieurs voies de signalisation, y compris Hedgehog, BMP, TGF-beta, PTH / PTHrP, FGF, Wnt, Notch, VEGF qui agissent au niveau des chondrocytes, du périchondre et des vaisseaux sanguins.

Lors d’un traumatisme (comme une fracture) et en l'absence de stabilisation, cette réaction périostée est particulièrement forte conduisant à la formation d'un grand cal et à une cicatrisation par ossification. Lorsque les fractures sont rigidement stabilisées, les cellules dans le périoste ne sont pas stimulées aussi efficacement et la formation de cal est minimale.

Le périoste contient des cellules progénitrices essentielles à la consolidation et la réparation osseuse. De nombreuses sources de cellules progénitrices ont été proposées pour participer à la réparation osseuse, y compris la moelle osseuse locale, le périoste, les tissus mous et les parois des vaisseaux sanguins, ainsi que les cellules apportées au site de fracture par les vaisseaux sanguins.

Les cellules à l'intérieur de la moelle osseuse locale et de l'endoste forment principalement l'os dans la cavité de la moelle osseuse et ne migrent pas hors du compartiment de la moelle osseuse pour former le cal. Ces résultats montrent que non seulement les tissus locaux, mais peut-être le plus important, le périoste sont les principaux contributeurs cellulaires à la réparation osseuse.

Les résultats d’études immuno-histochimiques ont montré que la majorité des cellules était constituée de cellules souches stromales et de cellules précurseurs ostéoblastiques.

Des cellules provenant des lignées ostéoblastes, chondrocytes et ostéoclastes ont été trouvées ainsi que des cellules immunitaires exprimant le CMH de classe II suggérant la présence de cellules dendritiques. toutes les cellules étaient situées dans la couche de cambium. La densité augmentait vers les couches plus profondes du cambium.

Ancrage du périoste

Dans le périoste, il existe deux mécanismes physiques d'ancrage. L'un implique d'étendre les processus cellulaires entre les ostéocytes ou les ostéoblastes au sein du réseau lacuno-canaliculaire. (Hirashima 2015)

L'autre est constitué de fibres perforantes qui relient la couche superficielle et fibreuse du périoste à l’os cortical. Ces fibres perforantes présentent un diamètre de 8–25μm. 

Fibres perforantes au microscope conventionnel.

Des fibres collagéniques (flèches) sont visibles traversant la couche cambiale, néanmoins on ne voit pas les fibres perforantes entre la couche fibreuse périostée et l’os cortical. Barre : échelle 20μm.

A l’aide d’autres procédés d’investigation notamment l’utilisation d’une sonde ionique focalisée utilisant un faisceau (focused ion beam : FIB) d’ions au microscope électronique (scanning electron microscope : SEM) permettant une très haute résolution.

La tomographie FIB/SEM permet de visualiser une structure en réseau de fibres liant la couche fibreuse du périoste à l’os cortical. Ce qui est intéressant c’est que l’angle d’ancrage se situe autour de 30° et non pas perpendiculaire à l’os. 

Angle d’ancrage des fibres perforantes périostées dans l’os.

Cette orientation du réseau de fibres prévient le décollement des structures, fixe solidement le périoste à l’os. De plus, ce réseau « sent » les forces mécaniques subies et module ainsi des réponses à ces contraintes par l’intermédiaire de cytokines, des facteurs de transcription influençant le remodelage osseux du fait de la présence de différents types de cellules au sein du périoste (fibroblastes, ostéoblastes, cellules mésenchymateuses, péricytes).

Structure 3D des fibres perforantes. Les flèches représentent les connexions entre les fibres perforantes (en réseau). P : fibre perforante. C : couche cambiale.

Structure en 3D des fibroblastes et du périoste. C : cytoplasme. N : Noyau. P : fibres perforantes.

La forme de la cellule (le fibroblaste) suit la direction des fibres perforantes (flèches). Les contraintes subies au niveau des fibres interfèrent ainsi directement sur la production matricielle des fibroblastes. 

Périoste et parodonte

Le périoste est fortement relié à l’os, excepté lors de traumatismes violents, par des fibres de Charpey, de type conjonctif collagénique, c’est en général ce qui est observé aussi dans le système d’accroche de la dent au sein de l’os alvéolaire et de la gencive, ce qui constitue le parodonte. Au sein des alvéoles dentaires, l’os spongieux (alvéolaire) est séparé de la dent et ses racines par une fine couche d’os cortical compact (la lamina dura)

Le cément est un tissu minéralisé qui recouvre toute la surface externe de la dentine radiculaire recouvert d’émail après le collet (jonction gencive-racine).

Sur le cément vient se fixer le ligament parodontal (ligament alvéolo-dentaire ou desmodonte ou péridonte) qui le relie à l’os alvéolaire. C’est ce qui maintient la dent dans sa loge, lui sert de suspension, amortit les pressions lors de l’occlusion et sert aussi à la proprioception et sert de barrière aux défenses immunitaire (la bouche étant pleine de bactéries).

A ce titre, il faut noter que l’implant est fixe, visé dans l’os alvéolaire en direct.

La plaque dentaire, véritable biofilm bactérien vient s’incruster au sein du parodonte créant une inflammation (parodontopathies : simples avec les gingivites, plus compliquées avec les parodontites) à l’origine de rougeurs, œdèmes, saignements, exsudations, hyperplasie gingivale, ulcérations, présence de plaque et de tartre, récessions gingivales, suppuration, halitose, sensibilités en l’absence de caries (au chaud, au froid, au sucre), mobilité́ dentaire.

Sensibilité du périoste

La calcitonin-gene related peptide positive (CGRP) est une petite protéine neuromédiatrice intervenant dans le message nociceptif. Au niveau des méninges, elle est responsable d’une vasodilatation et d’une inflammation et à priori de même au niveau du périoste.

La reconstruction tridimensionnelle du périoste fémoral (Jimenez-Andrade 2009)

montre une densité élevée de fibres nerveuses sensorielles sensible au CGRP dans le périoste qui forment un maillage en réseau enveloppant l’os. Ces fibres sensitives peuvent être impliqués dans la détection de substances algogènes ainsi que la sensibilité des contraintes mécaniques de l'os minéralisé sous-jacent lors de traumatismes. 

Rôles du périoste

En premier lieu, il a un rôle mécanique : il permet de maintenir les os en place et limiter les déplacements lors d’une fracture et maintient l’hématome fracturaire, il isole l’os des parties molles conjonctives, il permet la croissance de l’os en épaisseur en favorisant l’apposition osseuse dans la partie périphérique de l’os. De même lors d’une fracture, il est essentiel à la création du cal osseux et peut ré-axer les os long (une fracture claviculaire ancienne, par exemple, se ré-axe avec le temps). 

Mais aussi le périoste a un rôle biologique, en apportant des cellules souches, des vaisseaux sanguins et des nerfs, des facteurs de croissance, des composés inflammatoires (cytokines) et immunitaires (interleukines). (Percy 2013). 

Croissance osseuse en longueur et apposition périostée

Périoste et potentialités régénératrices

Classiquement, pour régénérer un tissu osseux, on fait appel à un greffon osseux (morceau de crête iliaque) qui vient combler la zone défaillante ou on fait appel à des composites solide comme du corail.

L’os en pixel. CNRS images. 2011. Morad Bensidhoum. Equipe B2OA (laboratoire de biomécanique et biomatériaux ostéoarticulaires).

En haut : implantation de corail et consolidation 4 mois après la chirurgie. On peut discriminer la formation du tissu osseux avec le biomatériau restant (corail). Tissu osseux en gris et corail en vert. En bas : 4 mois après. Idem en 3D.

Le périoste a des potentialités régénératrices insoupçonnées intéressant au plus haut point les thérapies translationnelles, l’ingénierie tissulaire et la médecine régénératrice. (Colnot 2012)

Les propriété du périoste changent en fonction de l’état mécanique, chimique et biologique du tissu. Ces relations structure-fonction sont encore méconnues.

Les cellules dérivées du périoste contribuent beaucoup plus à la formation du cartilage et la régénération de l’os que ne peuvent le faire les cellules de la moelle osseuse ou de l’endoste tout simplement parce que ces dernières ne migrent pas et restent au niveau médullaire.

La recherche translationnelle est l’expression d’un besoin essentiel pour que les promesses de la recherche fondamentale se traduisent rapidement par une amélioration de la santé des individus et des populations ainsi qu’une meilleure prise en charge des patients. De ce fait, la recherche translationnelle en santé assure un continuum et constitue ainsi une passerelle directe et bidirectionnelle entre recherche exploratoire et recherche clinique en stimulant cette dernière par des innovations thérapeutiques, méthodologiques ou des outils d’investigation émanant de la recherche fondamentale, et réciproquement par la dissémination vers la recherche fondamentale d’observations nouvelles sur la nature et la progression des maladies.

ANR 2013

Le périoste possède un excellent potentiel régénératif en tant que source cellulaire, parfois bien supérieure à celui issu d’autres sources, connues, comme les cellules mésenchymateuses de la moelle osseuse. (Chang 2012)

Les cellules souches périostées font l’objet de nombreuses recherches en ingénierie tissulaire pour la médecine régénératrice. Ces recherches ont pour objet la connaissance des propriétés mécaniques des cellules du périoste et de la structure afin de définir l'environnement mécanique in vivo des PDC (periosteum derived cell = cellules dérivées du périoste), à savoir quels sont les signaux endogènes mécaniques et biophysiques que les PDC connaissent lors d'activités physiologiques et de traumatismes.

En outre, bien que la mécanique des cellules souches (y compris la mécanobiologie et la mécanotransduction) est devenue un domaine d'études actif, relativement peu d'études publiées ont abordé la mécanosensibilité et la mechanoadaptation des PDC.

Connaître la mécanobiologie des B-MSC (bone-marrow mesenchymal stem cell = cellules souches de moelle osseuse mesenchymateuses) et PDC est nécessaire pour développer et adapter l'utilisation de ces types de cellules distinctes dans les thérapies de médecine régénératrice.

la repousse du périoste sur l'os après son élimination est mal comprise mais est impérative pour la progression de l'utilisation des PDC dans les applications cliniques orthopédiques.

De même la conception d’un périostome artificiel (ensemble des cellules progénitrices du périoste et de l’os), du périoste synthétique tissé ou du substitut de périoste sont un sujet de recherche d’avant garde.

De telles études pourraient élargir cliniquement les indications d'utilisation des PDC; Par exemple, des protocoles de physiothérapie (pourquoi pas ostéopathiques) pourraient être définis pour faciliter la régénération et la guérison des tissus par les cellules souches.

Lors d’un traumatisme avec perte de substance (osseuse en particulier) ou lors d’une ablation chirurgicale d’une partie d’un os atteint d’un cancer, cette perte provoque un défaut osseux de taille critique, c’est à dire de taille suffisante pour que la régénération et la consolidation ne soit pas possible seule. (Knothe tate 2007)

En effet les deux extrémités osseuses consolident chacune de leur coté si on ne met pas un greffon osseux dans l’espace laissé vide afin de le combler, de pouvoir cicatriser et surtout conserver une longueur osseuse correcte.

Certains protocoles ont été mis en place, notamment lors de résections de parties osseux malignes.

1 : On enlève la partie tumorale osseuse (résection),

2 : on ouvre le périoste au dessus de la zone du défaut osseux, et on le désolidarise de son os originel,

3 : on coupe et on fait glisser l’os sous périosté, ainsi dénudé, dans la zone du défaut d’origine,

4 : on suture le périoste ouvert (l’ensemble de l’os est fixé par un fixateur externe ou un clou centro-médullaire pour rigidifier l’ensemble et conserver sa longueur correcte).

Sauser B. Faster healing for severe fractures. MIT Tech Rev. 2011.

La répartition de l’os nouvellement formé est corrélée significativement avec les charges mécaniques prédominantes et la proximité du périoste. Autrement dit : après 16 semaines, la régénération osseuse est supérieure dans la zone vide et périostée que dans la zone dénudée.

Encore plus étonnant, si l’on remplit la cavité vide périostée par des morceaux d’os (greffon), la régénérations est retardée ! en effet, il faut résorber ce greffon osseux avant d’établir une vasculogénèse et une apposition osseuse venant du périoste lui-même, ce qui retarde d’autant plus la guérison.

L’objet de l’étude d’une autre étude (Knothe Tate 2011) est de vérifier les potentialités régénératrices du périoste et de ses substituts. Pour cela, on réalise trois groupes qui vont se différentier de la façon suivante :

Le groupe contrôle est constitué d’un implant une membrane élastomère de silicone isotrope simple (sans architecture de direction d'écoulement) autour du défaut de taille critique,

Le groupe 1 a été traité avec une membrane de collagène, incorporant une architecture de direction d'écoulement, ce qui permet un transport directionnel, axialement et radialement vers le clou centromédullaire.

Le groupe 2 a reçu la membrane comme dans le groupe 1, mais la membrane de collagène a été préalablement ensemencée avec des cellules isolées à partir du périoste de l'os autologue défectueux et incubées à 37 ° C.

Le groupe 3 a reçu la membrane en combinaison avec des bandes de transplantation de périoste autologues (isolées de l'os enlevé pour créer la zone de défauts).

Le clou centromédullaire est présent le long de l'axe longitudinal de tous les spécimens. Chaque groupe comprenait cinq moutons et les images d'échantillons montrant le moins et le plus grand nombre d'os neuf sont représentés pour chaque groupe (image fond bleu). Zone moyenne de l'os régénéré dans la zone de défaut, mesurée dans les coupes histologiques à travers la zone de défauts (en mm²).

La régénération osseuse et maximale pour le groupe 3. 

Coupes histologiques (colorés au Giemsa et à l'éosine) montrant les zones représentatives de régénération tissulaire pour chaque groupe. (A) groupe témoin. (B) groupe 1. (C) groupe 2. (D) groupe 3. (E) Image segmentée du Groupe 3 (D) mettant en évidence le tissu minéralisé.

Cette étude montre que l’orientation intrinsèque du substitut membraneux, donc son anisométrie, revêt une importance énorme dans la régénération osseuse, celle-ci étant maximale avec le périoste autologue entier et intact.

D’autres études montrent que désolidariser partiellement le périoste de son os originel tout en conservant sa vascularisation et de la rattacher à un muscle adjacent permet la création d’un os surnuméraire. (Pithioux 2016). 

Ce tissu musculaire enrobé de périoste va, sur un organisme vivant normalement, donc soumis à des contraintes physiologiques, au bout de 60 jours fabriquer de l’os.

Le périoste est un tissu précontraint et possède des propriétés anisotropiques, en l’occurrence son module d’élasticité dépend de façon significative de la direction de la charge. (McBride 2011)

Chargée axialement, une région compliante (module d’Young : 1.93 ±0.14 MPa) est suivie d'une région beaucoup plus rigide (avant décohésion du matériau) 25.67 ±6.87 MPa dans la courbe contrainte-déformation. Chargé de façon circonférentielle, le périoste présente une courbe compliante unique (4.41±1.21 MPa).

Courbe contrainte déformation et module de Young.

D’autres études font état d’un module de Young du périoste très bas. D’une valeur de 0,05 MPa comparé à celui de l’os compact 15000 MPa (15 GPa). Un tissu fibreux a une valeur proche de 2 MPa. Un tissus cartilagineux a une valeur moyenne de 50 MPa. 

Module de Young de différents tissus.

Le périoste est donc une membrane souple, vascularisée, élastique. Les perspectives sont énormes en médecine régénératrice, le changement de paradigme l’est tout autant. 

On peut régénérer du tissu osseux dur (calcifié) avec une matrice molle.

Perspectives ostéopathiques

Les questions sur la pratique ostéopathiques et les perspectives qui en découlent sont nombreuses.

Le changement de paradigme en médecine régénératrice est le même pour l’ostéopathie. Certes, on a pour habitude de dire que « le mou gouverne le dur » à l’instar de la matrice fonctionnelle de Moss (cf article).

Que penser des techniques du type recoïl sur l’os et les perspectives d’actions sur celui-ci par l’intermédiaire des effets piézoélectriques et streaming potentiels ?

Se pourrait-il, et j’en fais l’hypothèse, que nos actions manuelles, et surtout légères, puissent agir non pas sur l’os mais en amont sur le périoste ?

Quelles sont les forces à mettre en actions sur le tissu pour déséquilibrer et corriger la dynamique auto organisée du périoste ?

Quelle direction, avec quelle intensité et durée d’action, nos mains doivent avoir pour tenter de réorganiser ce tissu ?

Quelle peuvent être les effets de nos actions manuelles sur la croissance osseuse d’un jeune patient ou d’un bébé ?

Se pourrait-il que nos mais agissent sur le périoste en amont, dans des instants court, rééquilibrant celui-ci préalablement à d’autre modifications osseuses plus lentes ? 

et surtout, peut-on encore parler de dysfonctions et de traitements intra osseux ?

Références

Duhamel du Monceau Henri louis. 1758. Traité de physique des arbres. Paris.

Ollier Louis. 1867. Traité expérimental et clinique de la régénération des os et de la production artificielle du tissu osseux. Masson.

Hirashima Shingo. Ohta Keisuke. Dec 2015. Anchoring structure of the calvarial periosteum revealed by focused ion beam/scanning electron microscope tomography. Nature. Scientific Reports. 5:17511. DOI: 10.1038/srep17511.

Jimenez-Andrade Juan Miguel. 2009. Capsaicin-sensitive sensory nerve fibers contribute to the generation and maintenance of skeletal fracture pain. Neuroscience. September 15; 162(4): 1244–1254. doi:10.1016/j.neuroscience.2009.05.065.

Percy Frey Sönke. Jansen Hendrik. Immunohistochemical and Molecular Characterization of the Human Periosteum. The Scientific World Journal
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Colnot Céline. Zhang Xinping. Knothe Tate Melissa L. 2012. Current Insights on the Regenerative Potential of the Periosteum: Molecular, Cellular & Endogenous Engineering Approaches. J Orthop Res. December ; 30(12): 1869–1878. doi:10.1002/jor.22181.

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Knothe Tate ML. 2007. Testing of a new one-stage bone-transport surgical procedure exploiting the periosteum for the repair of long-bone defects. J Bone Joint Surg Am. 89:307–316.

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Pithioux Martine. 5 Dec 2016. Communication de Congrès : « Comment réparer l’homme élastique ? ». CNRS.

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