Contraintes mécaniques et métabolisme osseux
Transcription
Contraintes mécaniques et métabolisme osseux
L. Maïmoun Contr aintes mécaniques et méta bolisme osseux. Contraintes métabolisme Laurent Maïmoun Groupe de Recherche Interdisciplinaire Sur le Métabolisme Osseux (GRISMO) Centre Propara - Montpellier - Résumé En l’absence de toute pathologie, l’os présente une architecture et une densité minérale osseuse (DMO) bien déterminées, qui lui permettent de s’adapter aux sollicitations mécaniques qui lui sont appliquées. L’adaptation du tissu osseux aux différentes contraintes mécaniques est particulièrement mise en évidence chez les sujets pratiquant une activité physique intense. Ainsi, la DMO est augmentée au niveau des sites osseux sollicités, en particulier chez l’athlète participant à des activités qui induisent de forts impacts au sol et mettant en jeu le poids du corps. Dans les disciplines sportives telles que la natation ou le cyclisme, où l’activité musculaire est prépondérante dans la génération des contraintes osseuses, la DMO des athlètes est identique à celle de sujets sédentaires. Compte tenu des effets bénéfiques de l’activité physique sur le tissu osseux, de grands espoirs ont été fondés dans son action thérapeutique dans la prévention de l’ostéoporose. Néanmoins, il semblerait que ces effets sont limités chez le sujet âgé et qu’il serait plus probable que, chez l’enfant, l’activité physique jouerait un rôle préventif à long terme par l’augmentation du pic de masse osseuse. Par ailleurs la diminution des sollicitations mécaniques est responsable d’une perte osseuse. Ceci a pu être observé au cours de l’immobilisation, d’origine expérimentale ou clinique, ainsi que pour des séjours en microgravité. Bien que le degré de déminéralisation soit fonction de la situation étudiée, l’atteinte reste localisée et touche préférentiellement les os porteurs. Ce processus est lié à une altération de l’équilibre entre les activités de formation et de résorption osseuse et est souvent accompagné d’une perturbation de l’homéostasie phosphocalcique. Les différentes thérapies proposées, quelles soient de nature physique ou médicamenteuse se sont révélées à l’heure actuelle d’une efficacité limitée. Métabolisme osseux / Activité physique / Immobilisation / Microgravité / Patients paraplégiques Correspondance : Laurent Maïmoun Centre Propara, Parc Euromédecine - 263, rue du Caducée - 34195 Montpellier, France Tél. : 04 67 04 67 04 - Fax:: 04 67 54 35 36 - E-mail : [email protected] Médecine Nucléaire - Imagerie fonctionnelle et métabolique - 2004 - vol.28 - n°2 67 Contraintes mécaniques et métabolisme osseux INTRODUCTION !Le tissu osseux, de par sa structure, joue un rôle prépondérant dans les fonctions mécaniques de soutien et de protection des organes vitaux, ainsi que dans la régulation de l’homéostasie calcique. Contrairement à son apparence figée, le squelette est le siège d’un important processus de remodelage conduisant au renouvellement permanent du tissu osseux et par conséquent au maintien des caractéristiques quantitatives et qualitatives de l’os. Ce processus est finement régulé par un ensemble de facteurs locaux et systémiques, qui assurent le maintien de l’homéostasie minérale indispensable à la vie sur terre. La réponse du tissu osseux à une stimulation mécanique est un phénomène biologique fondamental qui permet au squelette de s’adapter aux contraintes environnementales auxquelles il est soumis. Dès 1892, Wolff [1] émettait déjà l’hypothèse que le tissu osseux s’adaptait aux contraintes mécaniques suivant des lois mathématiques. Plus récemment, Frost [2] proposa qu’un système régulateur, qu’il nomma "mécanostat", était présent dans le tissu osseux, pour ajuster en permanence la masse et l’architecture osseuse aux contraintes mécaniques imposées au squelette. Le statut hormonal et de nombreux autres facteurs interviennent aussi dans cette régulation. De façon schématique, on peut admettre qu’une réduction des contraintes mécaniques induit une atteinte concomitante de la masse [3-5] et de l’architecture de l’os [6, 7], tandis que l’augmentation des sollicitations mécaniques se traduit principalement par une augmentation de la masse osseuse [8]. Les mécanismes bio-cellulaires et biophysiques responsables de la réponse biologique à une action mécanique appliquée à l’os restent à préciser [9]. Différentes hypothèses ont été avancées sur le rôle joué dans ce processus régulateur par les ostéocytes et leurs réseaux canaliculaires, par le courant piezo-électrique ou par l’augmentation de la pro68 duction d’AMPc et de prostaglandines [10, 11]. Il apparaît néanmoins, que les modifications tissulaires semblent dépendre de deux paramètres essentiels, d’une part le type d’activité physique pratiquée et d’autre part l’âge du sujet [12]. Néanmoins, il n’est pas exclu que la réponse de l’os aux variations dynamiques de contraintes n’obéisse pas aussi à un déterminisme génétique [13]. ACTIVITÉ PHYSIQUE ET TISSU OSSEUX Types d’activités physiques !Les activités physiques peuvent être classées par "type", selon la nature des contraintes mécaniques qu’elles induisent sur les segments osseux. Ces contraintes peuvent être générées par des stimuli mécaniques externes (impact ou port de charge) et par des stimuli internes induits par les contractions musculaires [8, 14]. Actuellement, il est communément admis que les activités physiques conduisant à la mise en charge du corps et à un fort impact au sol telles que la gymnastique ou l’haltérophilie [15-17], ont un effet ostéogénique supérieur aux activités dites «actives» qui ont une composante énergétique prépondérante, telles que la natation ou le cyclisme sur route [14, 18]. De plus, il apparaît clairement que les contraintes mécaniques ont une action très localisée et non systémique sur le squelette. Ainsi, seuls les segments osseux sollicités affichent un gain osseux [19] et il est relativement exceptionnel d’observer une augmentation de la densité minérale osseuse (DMO) corps entier [15-17]. En ce qui concerne les athlètes pratiquant des disciplines dites "actives" , ils présentent généralement une DMO identique à celle des sujets sédentaires [14,17,20,21]. Ces travaux suggèrent donc que, bien que le niveau de la stimulation musculaire soit élevé, il ne peut induire un effet ostéogénique mesurable. Médecine Nucléaire - Activité physique comme moyen de prévention de l'ostéoporose !Compte tenu des effets bénéfiques de l’activité physique sur le tissu osseux observés chez l’athlète, de grands espoirs ont été fondés sur son action thérapeutique dans la prévention de l’ostéoporose. A cet égard, deux stratégies basées sur l’évolution de la masse osseuse en fonction de l’âge peuvent être proposées. Une stratégie préventive destinée à augmenter le pic de masse osseuse au cours de la période de croissance ou une stratégie plus curative consistant à ralentir la vitesse de la perte osseuse chez le sujet âgé [22]. Chez l’enfant, les études se sont principalement focalisées sur les effets de la gymnastique et de la natation [17, 23, 24]. Ces deux activités présentent des caractéristiques opposées sur le plan mécanique et énergétique. L’ensemble des auteurs rapportent une DMO axiale et appendiculaire chez les gymnastes supérieure aux valeurs relevées chez les nageuses ou les contrôles, quel que soit le site osseux exploré ou l’âge des sujets. Le gain osseux observé au niveau des zones de charge pourrait être néanmoins acquis au détriment d’autres sites mécaniquement peu ou pas sollicités tel que le crâne. Ceci suggère une redistribution de la masse osseuse en fonction de l’activité [25]. Certaines disciplines sportives induisant moins de contraintes mécaniques au niveau du squelette, telles que le cyclisme sur route, ne semblent pas produire de modification notable de la DMO, chez l’enfant ou l’adolescent [26]. L’étude de Kannus et coll. [27] portant sur de jeunes joueuses de tennis ou de squash, précise néanmoins que l’effet de l’exercice physique sur le squelette variait au cours de la croissance. Ces études faites sur de jeunes athlètes ne permettent pas dans tous les cas de conclure à une action préventive de l’exercice chez les jeunes en période de croissance. Bradney et coll. [28] ont néanmoins montré chez de jeunes garçons d’âge moyen 10,4 ans, que la pratique pendant 30 minutes d’un exercice avec port de charge, 3 fois par semaine et pendant 8 mois, conduisait aussi à Imagerie fonctionnelle et métabolique - 2004 - vol.28 - n°2 L. Maïmoun une augmentation de DMO supérieure à celle observée chez des sujets contrôles. L’ensemble de ces résultats, ainsi que ceux de Mackelvie et coll. [29], suggèrent de ce fait, que la mise en place de programmes spécifiques et peu contraignants pourraitêtre proposée afin d’optimiser le capital osseux chez les sujets en période de croissance [30] et être préconisée plus particulièrement en période péripubertaire. L’ostéoporose qui est caractérisée par une faible masse osseuse et une détérioration de l’architecture microscopique conduit à une augmentation du risque fracturaire [31]. Chez le sujet âgé, le bénéfice attendu en terme de gain de DMO en réponse à un exercice physique semble néanmoins plus modéré que celui observé chez le sujet jeune. Ceci est vraisemblablement lié à une diminution avec l’âge de la sensibilité de l’os à la contrainte mécanique [32]. Les différentes études transversales ou longitudinales ont montré une grande hétérogénéité des résultats, liée vraisemblablement au type de l’exercice effectué, aux sites osseux explorés ou aux classes d’âges étudiées. Néanmoins, il a été démontré chez la femme ménopausée que l’exercice pouvait soit ralentir la perte osseuse [33] soit l’ augmenter [34, 35]. Chez le sujet âgé, Orwoll et coll. [36] ont montré une DMO supérieure au niveau vertébral et radial chez des hommes pratiquant la natation, comparée à la DMO de sujets sédentaires de même âge. Les études épidémiologiques font plus clairement ressortir les effets bénéfiques de l’activité physique.Ainsi, dans des populations anglaises, américaines ou chinoises, une corrélation négative existe entre le niveau d’activité physique et le risque de fracture du col du fémur [37-39]. Néanmoins, une des principales difficultés dans la prescription de l’exercice physique comme moyen de prévention de l’ostéoporose réside dans le développement d’un programme individualisé. De plus, il reste à préciser si le gain osseux acquis est maintenu à l’arrêt du programme d’entraînement. Des études préliminaires semblent montrer que, chez le sujet âgé, le gain de masse osseuse n’est pas conservé à l’arrêt du programme et que, par rap- Médecine Nucléaire - port à des sujets sédentaires, le taux de perte osseuse peut même être augmenté chez des sujets très entraînés arrêtant la compétition [35,40]. Effets délétères de l’activité physique !Chez l’enfant, l’entraînement intensif peut conduire à des troubles du développement pubertaire et de la maturation sexuelle se traduisant notamment par un retard d’apparition des premières menstruations [41] et des aménorrhées fréquentes [41,42]. Ces troubles ont été décrits pour des activités sportives d’endurance telles que la course de fond ou la natation [42], et démontrés de façon quasiment systématique dans certaines disciplines sportives requérant des morphologies corporelles particulières telles que la danse, le patinage artistique ou la gymnastique [42,43]. De plus chez les gymnastes, il a été observé un retard dans la maturation du squelette, qui n’aurait cependant pas d’implication directe sur la taille du sujet à l’âge adulte [41]. Néanmoins, la DMO axiale et appendiculaire des gymnastes était supérieure à celles des coureuses de fond, bien qu’elles aient la même prévalence pour les aménorrhées ou les oligoménorrhées [42]. Ces résultats suggèrent donc, qu’un exercice à fort impact au sol pourrait contrebalancer les effets négatifs sur le tissu osseux d’une faible concentration d’estrogène. Chez la femme, de nombreux cas de DMO diminuée ont été décrits chez des athlètes pratiquant la course à pied de longue distance [44-46]. En fait, l’effet délétère de l’activité physique sur le squelette semble induit de façon indirecte par une perturbation de l’axe hypothalamo-pituito-gonadique (HPG) qui se traduit par une perturbation des menstruations associée à un état d’hypoœstrogènie proche de celui retrouvé chez les femmes ménopausées. Ceci a été mis en évidence par des DMO systématiquement plus faibles au niveau de la colonne lombaire chez les athlètes aménorrhéiques comparées à celles des athlètes eumenorrhéiques ou des sujets sédentaires [44-46]. Chez l’homme adulte, seules des études portant sur des cyclistes sur route [47,48] et des marathoniens [49,50] ont démontré une DMO diminuée au niveau de la colonne lombaire. La déminéralisation spécifiquement observée au niveau de ce site osseux pourrait être multifactorielle, et principalement liée à des altérations hormonales (diminution des concentrations de testostérone et augmentation du cortisol) [49]. Contrairement à ce qui est observé chez les athlètes femmes, des résultats contradictoires ont été rapportés sur les effets d’une pratique en endurance intensive sur l’axe HPG [18,50-56]. Dans le domaine sportif, les effets d’une diminution modérée du taux de testostérone sur la masse osseuse ont été jusqu’à présent peu étudiés et restent donc à préciser [18,53,54]. CONSÉQUENCES DE LA RÉDUCTION DES CONTRAINTES MÉCANIQUES !La gravité terrestre est considérée comme un facteur important dans le maintien de la masse et de l’architecture osseuse chez l’homme et l’animal. Les mécanismes par lesquels les forces gravitaires affectent le remodelage osseux ne sont pas précisément connus, mais leur absence durant les vols spatiaux par exemple, se traduit dans la plupart des cas par une perte mesurable de la masse osseuse. Par ailleurs, l’immobilisation prolongée volontaire (bed rest) ou forcée (clinique) qui limite les effets de la gravité sur le corps, induit une diminution sensible de la masse osseuse. Vols spatiaux !Dès les années 70, des mesures effectuées au cours des missions Gemini, Skylab et Salyut ont clairement montré une déminéralisation osseuse durant les vols en apesanteur [57,58]. Au cours de la mission Skylab 4 (84 jours en apesanteur), la perte totale de calcium au niveau des selles et des urines était estimée à 210 mg par jour soit une perte globale de 1.5 % du calcium corporel et était principalement localisée au niveau du calcanéum (3.9%) [58]. Chez l’as- Imagerie fonctionnelle et métabolique - 2004 - vol.28 - n°2 69 Contraintes mécaniques et métabolisme osseux tronaute, la déminéralisation est principalement observée au niveau des segments osseux porteurs (bassin, fémur, tibia) [5,59] et plus rarement au niveau de la colonne lombaire [60]. Au contraire, la DMO du corps entier et des membres supérieurs (radius) ne serait pas affectée par la microgravité, quelle que soit la durée du vol [5,58,61]. Il semblerait néanmoins qu’il existe une redistribution du contenu minéral osseux, au profit des zones cervicales et céphaliques [61,62]. Au niveau des sites touchés, le degré de perte osseuse était fortement corrélé avec la durée passée en apesanteur, mais avec toutefois des vitesses de perte osseuse plus élevées au niveau de l’os trabéculaire qu’au niveau de l’os cortical, respectivement 0.9% et 0.3%/mois [5]. L’analyse histomorphométrique et l’utilisation de marqueurs biochimiques du remodelage osseux ont permis de préciser les modifications cellulaires à l’origine de cette déminéralisation. Ainsi les études parviennent unanimement à la conclusion que les vols spatiaux entraînent une diminution du nombre et de l’activité des ostéoblastes [62,66]. Par contre, les effets de l’apesanteur sur les ostéoclastes restent encore discutés [62, 65]. Néanmoins, 20 à 30 jours en microgravité sont nécessaires pour mettre en évidence l’altération de la formation osseuse [66,67]. Les marqueurs de la formation tendent à augmenter après cette phase initiale et retrouvent leur valeur basale 90 jours après le retour sur terre [66]. Les marqueurs de la résorption, la déoxypyridinoline (DPyr) ainsi que le C-télopeptide du collagène de type I augmentent au cours des 20 premiers jours en apesanteur et restent élevés pendant toute la durée du vol. Une durée de 30 jours au moins après le retour sur terre est nécessaire pour qu’ils retrouvent leurs valeurs initiales. Smith et collaborateurs [68,69] observent également une augmentation des marqueurs de la résorption osseuse (DPyr et pyrydinoline) durant les missions Skylab 2, 3 et 4, ayant duré respectivement 28, 59 et 84 jours, ainsi que chez 3 cosmonautes ayant séjourné pendant 115 jours dans la station MIR. Ces observations suggèrent un effet direct de l’apesanteur sur l’os, 70 indépendant d’une altération des paramètres hormonaux. Ainsi chez 2 cosmonautes, l’IGF-I et le cortisol ne sont pas modifiés, tandis que la parathormone (PTH) est significativement diminuée tout en restant dans des valeurs physiologiques normales [66]. Smith et coll. [69] et MoreyHolton et coll. [70] ne constataient pas de variation de PTH durant des missions de 8 à 115 jours. La diminution de PTH n’était pas induite par une augmentation de la calcémie [66,69]. Des résultats contradictoires ont été rapportés pour la 1.25 (OH)2 vitamine D [69,70], tandis que la calcitonine ne semble pas modifiée [69]. Au retour sur terre, la balance calcique et phosphorée redevient positive selon un délai qui dépend de la durée du vol. Rambaut et coll. [58] ont cependant montré que cette perte osseuse n’était toujours pas compensée 5 ans après le retour sur terre. Bed rest !L’alitement prolongé volontaire en position horizontale ou légèrement antiorthostatique (-6°) a été proposé afin de se rapprocher des conditions que l’on rencontre en apesanteur en limitant l’action sur le corps des forces gravitaires. Ces expérimentations sont dites de « bed rest ». L’étude de Leblanc [4] a montré chez 6 sujets après 17 semaines de bed rest, une perte osseuse importante au niveau des membres inférieurs (0.4%/mois) et de la colonne lombaire (1,45%/ mois). Chez 11 volontaires, alités pendant 12 semaines, Zerwekh [71] trouvait, une perte mensuelle de 1.3% au niveau du grand trochanter, de 1% au niveau de la colonne et de 0.4 % au niveau du col du fémur. Le taux de perte osseuse était plus élevé au niveau de l’os trabéculaire (4 % /mois) qu’à celui de l’os cortical (<1% / mois). Elle s’accompagne aussi d’une redistribution de la masse osseuse au profit du crâne [4]. Cette perte osseuse s’accompagne d’une modification des marqueurs biochimiques du remodelage osseux. Les marqueurs de la résorption chez des sujets alités sont significa- Médecine Nucléaire - tivement augmentés pour des périodes d’alitement de longue (84-120 jours) [68,71,72] ou de courte durée ainsi que durant la phase de remobilisation [73]. Contrairement aux indices de la résorption, les marqueurs de la formation ne présentaient pas une réponse homogène à l’immobilisation. Ainsi, la phosphatase alcaline osseuse (POA) n’était pas modifiée, contrairement à l’ostéo-calcine (OC) qui était augmentée de 16% dès les 24 premières heures et conservait ensuite une valeur significativement élevée. Ces résultats suggèrent soit une augmentation de la production d’OC, soit une augmentation de sa libération lors de la résorption osseuse. La première hypothèse semble la plus probable: l’ostéoblaste contrôlerait alors la résorption par l’effet "chemoattractant" de l’OC sur les ostéoclastes [73,74]. L’augmentation de l’OC semble cependant transitoire puisque Zerwekh [71] ne démontre aucune variation d’OC ni de PAO après 4, 8 et 12 semaines d’immobilisation. L’immobilisation entraîne peu ou pas d’altération au niveau des hormones calciotropes [71,72,74]. Ces modifications hormonales mineures résultent généralement de l’augmentation de la résorption de la phase minérale (Ca,P), celleci étant mise en évidence par une calciurie et une phosphaturie modérément élevées [71,72]. L’augmentation du Ca fécal et urinaire associée à une diminution de l’absorption calcique entraîne une négativité de la balance calcique [4,75], qui a tendance à se rééquilibrer au cours des 20 premiers jours de la phase de remobilisation [72]. D’autres paramètres hormonaux sont aussi modifiés par l’immobilisation. Ainsi Inoue et coll. [72] rapportaient une augmentation d’IGF-I et d’IGFBP-3, qui pourrait être expliquée par la résistance des tissus ou des récepteurs à l’IGF-I ou par une perturbation de la fonction hépatique. De nombreuse techniques destinées à lutter contre cette déminéralisation ont été proposées. La supplémentation nutritionnelle de calcium ou de composés fluorés, s’est avérée inefficace [76]. Pour remédier à la perte calcique, la pratique d’un entraînement physique sans remise en charge du squelette s’est Imagerie fonctionnelle et métabolique - 2004 - vol.28 - n°2 L. Maïmoun également avérée inconstante et incomplète [77]. Patients blessés médullaires !C’est en 1948 que la première constatation d’une ostéoporose chez le patient atteint d’une lésion de la moelle épinière a été décrite par Abramson [78] et confirmée quelques années plus tard en 1953 par Covalt [79]. La perte osseuse mise en évidence uniquement au niveau des territoires sous-lésionnels était associée à une augmentation modérée de la calcémie [80,81], une augmentation significative du calcium ionisé [82] et de la calciurie [81,82]. Les études histologiques, effectuées sur des biopsies trans-iliaques ont montré que cette pathologie était induite principalement par une élévation de la résorption osseuse, caractérisée par l’augmentation de la surface de résorption ostéoclastique [6]. A l’inverse, la formation osseuse évaluée en partie par la mesure de la surface ostéocytaire était peu modifiée. Cette déminéralisation était aussi accompagnée d’une modification de la composition biochimique de l’os nouvellement formé, traduisant un important processus de remodelage osseux [83]. Grâce à l’utilisation du DXA, la perte osseuse a pu être évaluée de façon plus précise. Ainsi, Biering-Sorensen [3] a montré chez des sujets paraplégiques et tétraplégiques, dont la durée post-lésionnelle était comprise entre 6 et 23 ans, une CMO abaissée de près de 25% au niveau du col du fémur et de 50 % au niveau la diaphyse fémorale. Leduc [84] observait 17 mois après le traumatisme, une perte osseuse de 35% au niveau du col du fémur, tandis que Leslie et Nance [85] avaient estimé à 14% la perte osseuse au niveau de ce même site. Dans cette dernière étude, la durée post-lésionnelle était cependant moins homogène et comprise entre 1 et 17 ans. Jones [86] a montré, chez des patients dont la durée post-lésionnelle était supérieure à 1 an, une déminéralisation de 30 % au niveau des jambes. Le niveau de perte osseuse au niveau des membres inférieurs était indépendante du niveau lésionnel [87,88]. Médecine Nucléaire - Contrairement aux membres inférieurs, la colonne vertébrale n’est pas affectée par la déminéralisation, quel que soit le délai post-traumatique [84,85,89,90]. La mise en charge du segment rachidien liée aux durées prolongées en station assise sur un fauteuil roulant, aurait un effet ostéogénique sur les vertèbres et contribuerait ainsi au maintien ou à l’augmentation de la DMO au niveau de ce site osseux [3,84]. Jaovisidha [91] mit néanmoins en évidence qu’une spondylopathie neuropathique pouvait conduire à une surévaluation de la DMO lombaire. Au niveau des membres supérieurs, les résultats rapportés semblent dépendre du niveau lésionnel. Ainsi, seuls les patients tétraplégiques étaient atteints par une diminution de la CMO et de la DMO au niveau du bras ou de l’avant bras [87,89,92,95]. Le processus de la perte osseuse chez le patient blessé médullaire n’est toutefois pas linéaire et peut se diviser arbitrairement en deux grandes phases. Une phase précoce et aiguë qui débute dès les premiers jours et qui atteint un maximum entre le 3ème et le 6ème mois après la lésion, caractérisée principalement par une augmentation très nette de l’activité ostéoclastique [6,80,82,95-98]. Durant cette période, Kiratli [99] rapporte chez 15 patients blessés médullaires récents une vitesse de perte osseuse au niveau du fémur de 2.1% /mois pendant les 5 premiers mois, puis de 0.9% /mois pour la première année. La deuxième phase constitue un retour progressif à un état d’équilibre entre les processus de formation et de résorption osseuse au-delà du 16ème mois [83,89, 93]. La CMO obtenue au delà de ce nouvel "état stable" ne représente que 40-70 % des valeurs de la CMO initiale suivant les sites osseux considérés [84,89]. Bauman et coll. [100] ont démontré néanmoins chez des jumeaux dont l’un était paralysé, que la perte osseuse se poursuivait tout au long de la phase chronique au niveau des membres inférieurs et du bassin. La perte osseuse chez le blessé médullaire est à l’origine de nombreuses fractures sans traumatisme important, au niveau des os longs des membres inférieurs [101,102]. En raison du risque fracturaire élevé, diverses modalités thérapeutiques ont été évaluées. L’électrostimulation musculaire pourrait retarder la perte osseuse et diminuer les hypercalcémies, à condition qu’elle soit effectuée précocement [103,104]. Mais cette technique est toutefois inefficace chez les patients chroniques [105]. L’administration de diphosphonates [106,107,108] diminue le niveau des marqueurs de la résorption osseuse en réduisant l’activité ostéoclastique, qui demeure néanmoins nettement supérieure à celle des sujets valides. D’autres méthodes appliquées chez le patient blessé médullaire telles que l’utilisation d’attelles de marche [109], la verticalisation [110] et l’exercice physique sur ergocycle associée à la stimulation électrique [111], se sont avérées inefficaces dans le traitement de l’ostéoporose. CONCLUSION !Les différentes données de la littérature montrent clairement que l’exercice physique a un effet bénéfique sur le tissu osseux, comme en témoignent les altérations de la masse et de la structure osseuse rencontrées dans les situations de microgravité ou d’immobilisation prolongée. Néanmoins, il s’avère que la réponse du tissu à l’exercice physique dépend de l’âge. Par conséquent, l’utilisation de l’activité physique comme moyen thérapeutique pour lutter contre l’ostéoporose, doit être d’avantage envisagé chez l’enfant comme un moyen de prévention par l’augmentation du pic de masse osseuse, plutôt que dans une stratégie curative chez le sujet âgé. Les résultats des différentes études mettent en évidence que l’impact et le port de charge sont des déterminants importants de l’augmentation de la masse osseuse, alors que l’activité musculaire a un effet limité sur l’ostéogénèse. Outre le type de l’activité physique, les effets sur l’ostéogénèse d’autres paramètres tels que l’intensité, la durée, et la fréquence de l’activité. restent cependant encore à déterminer. L’utilisation Imagerie fonctionnelle et métabolique - 2004 - vol.28 - n°2 71 Contraintes mécaniques et métabolisme osseux de nouvelles techniques issues des recherches concernant notamment les marqueurs du remodelage osseux, devrait conduire à une meilleure compréhension des effets de l’exer- cice physique et de l’immobilisation sur l’activité des cellules osseuses. Normal bone has a well-defined architecture and bone mineral density (BMD) adapted to mechanical strain. Bone tissue response to biomechanical stress has been studied in sportmen and athletes during strong physical activity. BMD was the same in sedentary subjects and in gymnasts, cyclists or swimmers. Taking on account its positive effects on the musculoskeletal system, physical activity was suggested as a preventive tool in osteoporosis prevention. Nevertheless, these effects seem to be limited in elderly whereas in children, physical activity could play a role in the long term increase of bone mass. On the other hand, clinical or experimental immobilization or during space flight induces bone loss, mainly in bearing bones. This process is related to an alteration in the balance between bone formation and resorption and is often asociated to phosphocalcic dysfunction. The currently suggested therapeutic schedules, either physical or pharmacological, have until now demonstrated a poor efficiency. Bone metabolism / Physical activity / Immobilization / Microgravity / Paraplegic patients RÉFÉRENCES 1 . Wolff J.D.. Das gesetz der transformationde knochen. Berlin 1892;Ahirschwald. 2. Frost H.M. A determinant of bone architecture. The minimum effective strain. Clin. Orthop 1983; 28692. 3. Biering-Sfrensen F., Bohr H., Schaadt O. Bone mineral content of the lumbar spine and lower extremities years after spinal cord lesion.Paraplegia 1988; 26: 293-301. 4. Leblanc A., Schneider V., Evans H.J et al. Bone mineral density and recovery after 17 weeks of bed rest. J Bone Miner Res 1990; 8: 843-850. al. Effects of long-term microgravity exposure on cancellous and cortical weight-bearing bones of cosmonauts. Lancet 2000; 355: 160711. 6. Minaire P., Meunier P.J., Edouard C. et al. Quantitative histologic data on disuse osteoporosis, comparison with histological data. Calcif Tssue Int 1974; 17: 57-73. 7. Palle S., Vico L., Bourrin S., Alexandre C. Bone tissue response fourmonth anthiorthostatic bedrest: a bone histomorphometric study. Calcif Tissue Int 1992; 51: 189-194. 8. 5. Vico L., Collet P., Guignandon A. et 72 Nilsson B.E. & Westlin N.E. Bone density in athletes. Clin. Orthop Médecine Nucléaire - 1971; 77: 179-182. 9. Duncan R.L. & Turner C.H. Mechanotransduction and the functional response of bone to mechanical strain. Calcif Tissue Int 1995; 57: 344-358. 10. Binderman I, Shimshoni Z, Somjen D.. Biochemical pathways involved in the translation of physical stimulus into biological message. Calcif Tissue Intern 1984; 36: S82-S85. 11. Klein-Nulend J., Van der Plas A., Semiens C.M. et al. Sensitivity of osteocytes to biomechanical stress in vitro. FASEB J 1995; 9: 441-445. 12. Rubin C. T. and Lanyon L.E. Imagerie fonctionnelle et métabolique - 2004 - vol.28 - n°2 L. Maïmoun Osteoregulatory nature of mecanical stimuli: Function as a determinant for adaptative remodelling in bone. J Orthop Res 1987; 5: 300-310. 13. Etherington J., Mac Gregor A.J., Spector T.D. Genes determine the BMD response to exercise. J Bone Miner Res 1997; 12:Abs S 559. 22. Dalsky G.P. Exercise: its effect on bone mineral content. Clin Gynecol 1987; 30: 820-831. 23. Cassell C., Benedict M., Specker B. Bone mineral density in elite 7-to9-year-old female gymnasts and swimmers. Med Sci Sports Exerc 1996; 28: 1243-1246. 14. Fehling P.C., Alekel L., Clasey J. et al. A comparison of bone mineral densities among female athletes in impact loading and active loading sports. Bone 1995; 17: 205-210. 24. Nickols-Richardson S., Modlesky C.M., O’Connor P.J., Lewis R.D. Premenarcheal gymnasts possess higher bone mineral density than controls. Med Sci Sports Exerc 2000; 32: 63-69. 15. Conroy B.P., Kraemer W.J., Maresh C.M. et al. Bone mineral density in elite junior olympic weightlifters. Med Sci Sports Exerc. 1993; 25: 11031109. 25. Courteix D., Lespessailles E., Obert P., Benhamou C.L. Skull bone mass deficit in prepubertal highly-trained gymnast girls. Int J Sports Med 1999; 20: 328-333. 16. Karlsson M.K., Johnell O., Obrant K.J. Bone mineral density in weight lifters. Calcif Tissue Int 1993; 52 : 212-215. 26. Rico, H., Revilla M., Hernandez E.R. et al. Bone mineral content and body composition in postpubertal cyclist boys. Bone 1993; 15: 93-95. 17. Courteix D., Lespessailles E., Peres S.L. et al. Effect of physical training on bone mineral density in prepupertal girls: a comparative study between impact-loading and non-impact-loading sports. Osteoporosis Int 1998; 8: 152-158. 27. Kannus P., Haapasalo H., Sankelo M., et al. Effect of starting age of physical activity on bone mass in the dominant arm of tennis and squash players. Annal Intern Medical 1995; 123: 27-31. 18. Maimoun L, Lumbroso S, Manetta J, et al. Testosterone is significantly reduced in endurance athletes without impact on bone mineral density. Horm Res 2003; 59: 285-92. 19. Morel J., Combe B., Francisco J., Bernard J. Bone mineral density of 704 amateur sportsmen involved in different physical activities. Osteoporosis Int 2001; 12: 152-157. 20. Taaffe D.R., Duret C., Cooper C.S., Marcus R. Comparaison of calcaneal ultrasound and DXA in young women. Med Sci Sports Exerc 1999; 31: 1484-1489. 21. Warner S.E., Shaw J.M., Dalsky G.P. Bone mineral density of competitive male mountain and road cyclists. Bone 2002; 30: 281-286. Médecine Nucléaire - 28. Bradney M., Pearce G., Naughton G. et al. Moderate exercise during growth in prepubertal boys: changes in bone mass, size, volumetric density, and bone strength: a controlled prospective study. J Bone Miner Res 1998; 13: 1814-21. 29. Mackelvie K.J., McKay H.A., Khan K.M., Crocker P.R. A school-based exercise intervention augments bone mineral accrual in early pubertal girls. J Pediatr 2001; 139: 501-8. 30. Fuchs R.K., Bauer J.J., Snow C.M. Jumping improves hip and lumbar spine bone mass in prebubescent children: a randomized controlled trials. J Bone Miner Res 2001; 16: 148-156. 31. Consensus Development Conference. Diagnosis, prophylaxis and treatment of osteoporosis.Am J Med 1993; 94: 646-650. 32. Frost H.M. Why do bone strength and “mass” in aging adults become unresponsive to vigorous exercise? Insights of the Utah paradigm. J Bone Miner Metabol 1999; 17: 90-7. 33. Smith E.L., Gilligan C., McAdam M. et al. Deterring bone loss by exercise intervention in premenopausal and post-menopausal women. Calcif Tissue Int 1989; 44: 312-321. 34. Dalsky GP, Stocke KS, Eshani A.A et al.Weight bearing exercise training and lumbar bone mineral content. Ann Int Med 1988, 108: 824-828. 35. Winters K.M., Snow C.M. Detraining reverses positive effects of exercise on the musculoskeletal system in premenopausal women J Bone Miner Res 2000; 15: 2495-2503. 36. Orwoll E., Ferar J., Oviatt S., et al. The relationship of swimming exercise to bone mass in men and women.Arch Inter Med 1989, 149: 2197-2200. 37. Cooper C, Barker D.J., Wickham C., Physical activity, muscle strengh, and calcium intake in fracture of the proximal femur in Britain. Br Med J 1988; 297: 1443-1446. 38. Lau E., Donnan S., Barker D.J., Cooper C . Physical activity and calcium intake in fracture of the proximal femur in Hong Kong. Br Med J 1988; 297: 1441-1443. 39. Paganini-Hill, Chao A., Ross R.K., Henderson B.E. Exercise and others factors in the prevention of hip fracture: the leisure World Study. Epidemiology 1991; 2: 16-25. 40. Lane N.E., Bloch D.A., Hubert H.B. et al. Running, osteoarthristis, and bone density : initial 2-year longitudinal study. Am J Med 1990; 88: 452-459. 41. Georgopoulos N., Markou K., Theodoropoulou A. et al. Growth and pubertal developement in elite Imagerie fonctionnelle et métabolique - 2004 - vol.28 - n°2 73 Contraintes mécaniques et métabolisme osseux female rhythmic gymnasts. J Clin Endocrinol Metab 1999 ; 84: 45254530. 42. Robinson T.L., Snow-harter C., Taaffe D.R. et al. Gymnast exhibit higher bone mass than runners despite similar prevalence of amenorrhea and oligomenorrhea. J Bone Miner Res 1995; 10: 26-35. 43. Kirchner E.M., Lewis R.D., O’Connor P.J. Bone mineral density and dietary intake of female college gymnasts. Med Sci Sports Exerc 1995; 27: 543-549. untrained males. Med Sci Sports Exerc 1988; 20: 60-65. 52. Wheeler G.D., Singh M., Pierce W.D. et al. Endurance training decreases serum testosterone levels in men without change in luteinizing hormone pulsatile release. J Clin Endocrinol Metab 1991; 72: 422-425. 53. MacDougall J.D., Webber C., Martin J.et al. Relationship among running mileage, bone density, and serum testosterone in male runners. J Appl Physiol 1992; 73: 1165-1170. change in fat and lean body mass. J Bone Miner Res 1992; 7(Suppl 1): S122. 62. Vico L., Chappard D., Palle S. et al. Trabecular bone remodeling after 7 days of weightlessness exposure (Biocosmos 1667). Am J Physiol 1988; 255: 242-7. 63. Morey E.R. & Baylink D.J. Inhibition of bone formation during spaceflight. Science 1978; 201: 11381141. 44. Cann C.E., Martin M.C., Genant H.K., Jaffe R.B. Decreased spinal mineral content in amenorrheic women. J A M A 1984; 251: 626-629. 54. Smith R. & Rutherford O.M. Spine and total body bone mineral density and serum testosterone levels in male athletes. Eur J App Physiol 1993; 67: 330-334. 64. Shaw S.R., Vailas A.C., Grindelan R.E., Zernecke R.F. Effects of 1 week spaceflight on morphological and mechanical properties of growing bone.Am J Physiol 1988; 254: R78R83. 45. Myburgh K.H., Bachrach L.K., Lewis B. et al. Low bone mineral density at the axial and appendicular sites in amenorrheic athletes. Med Sci Sports Exerc 1993; 25: 1197-1202. 55. Lucia A., Chicharro J.L., Perez M. et al. Reproductive function in male endurance athletes: sperm analysis and hormonal profile. J Appl Physiol 1996; 81: 2627-2636. 65. Zerath E., Holy X., Malouvier A. et al. Rat an monkey bone study in the biocosmos 2044 space experiment. Physiologist 1991; 1:194-195. 46. Gremion G., Rizzoli R., Slosman D. et al. Oligo-amenorrheic long-distance runners may lose more bone in spine than in femur. Med Sci Sports Exerc 2001; 33: 15-21. 56. Hoogeveen A.R. & Zonderland ML. Relationships between testosterone, cortisol and performance in professional cyclists. Int J Sports Med 1996; 17: 423-428. 66. Caillot-Augusseau A., Lafarge-Proust M.H., Soler C. et al. Bone formation and resorption biological markers in cosmonauts during and after a 180-day space flight (Euromir 95). Clin Chem 1998; 44: 578-585. 47. Sabo D., Bernd L., Pfeil J., Reiter A. Bone quality in lumbar spine in high-performance athletes.Eur Spine J 1996; 5: 258-263. 57. Lutwak L., Whedon G.B., Lahance P.A. et al. Mineral electrolyte and nitrogen balance studies of the Gemini-VII fourteen day orbital space flight. J Clin Endocrinol Metab 1969; 29: 1140-1156. 48. Stewart A.D. & Hannan J. Total and regional bone density in male runners, cyclists, and controls. Med Sci Sports Exerc 2000; 32: 1373-1377. 49. Bilamin J.E., Blanchard M.S., Russek-Cohen E. Lower vertebral bone density in male long distance runners. Med Sci Sports Exerc 1989; 21: 66-70. 50. Heatland M.L., Haardo J., Christiansen C. Low bone mass and high bone turnover in male long distance runners. J Clin Endocrinol Metab 1993; 77: 770-775. 51. Hackney A.C., Sinning W.E., Bruot B.C. Reproductive hormonal profiles of endurance-trained and 74 58. Rambaut P.C., Leach C.S., Hebon G.D. A study of metabolic balance in crewmembers of skylab IV. Acta Astraunautica 1979; 6: 1313-1322. 59. LeBlanc A., Schneider V., Schackelford L. Bone Mineral and lean tissue loss after long duration spaceflight. J Bone Miner Res 1996 ; 11(Suppl): 323. 60. Leblanc A., Schackelford L., Schneider V. Future human bone research in space. Bone 1998; 22(suppl): 113116. 61. Schneider V., Oganov V., LeBlanc A. et al. Spaceflight bone loss and Médecine Nucléaire - 67. Collet P, Uebelhart D., Vico L. et al. Effects of 1- and 6-month spaceflight on bone mass and biochemistry in two humans. Bone 1997; 20: 547-51 68. Smith S.C., Nillen J.L., Leblanc A. et al. Collagen Cross-link excretion during space flight and bed rest. J Clin Endocrinol Metab 1998; 83: 3584-3591. 69. Smith S.M., Wastney M.E., Morukov B.V. et al. Calcium metabolism before, during and after a 3-mo spaceflight: kinetic and biochemical changes.Am J Physiol 1999; 277: R1R10. 70. Morey-Holton E.R., Schnoes H.K., Delucia H.F. et al. Vitamin D metabolites and bioactive parathyroid hormone levels during Spacelab 2.Aviat Space Environ Med 1988; 59: 1038-41. Imagerie fonctionnelle et métabolique - 2004 - vol.28 - n°2 L. Maïmoun 71. Zerwekh J.E., Ruml L.A., Gottschalk F., Pack C.Y.C. The effects of twelve weeks of bed rest on bone histology, biochemical markers of bone turnover, and calcium homeostasis in eleven normal subjects. J Bone Miner Res 1998; 13: 594-1601. 72. Inoue H., Tanaka H, Moriwake T et al:Altered Biochemical markers of bone turnover in humans during 120 days of bed rest. Bone 2000; 26; 281-286. 73. Lueken S.A., Arnaud S.B., Taylor A.K., Baylink D.Changes in markers of bone formation and resorption in a bed rest model of weightlessness. J Bone Miner Res 1993; 8 : 1433-1437. 74. Mundy G.R., Poser J.W: Chemotactic activity of the g-carboxyglutamic acid containing protein in bone. Calcif Tissue Int 1983; 35: 164-168. 75. Leblanc A., Schneider V., Spector E. et al. Calcium absorption, endogenous excretion, and endocrine changes during and after longterm bed rest. Bone 1995; 16: 301304. 76. Maheshwari U.R., Schneider V.S., McDonald J. Fluoride balance studies in healthy men during bed rest with and without fluoride supplement. Am J Clin Nutr 1982; 36: 211-8. 77. Grigoriev A.I., Morukov B.V., Oganov V.S. et al. Effect of exercise and biphosphonate on mineral balance and bone density during 360 day antiorthostatic hypokinesia. J Bone Miner Res 1992; 7:449-55. 78. Abramson A.S.Bone disturbances in injuries to the spinal cord and cauda equina paraplegia. Their prevention by ambulation. J Bone Jt Surg 1948, 30A: 982. 79. Covalt D.A., Cooper I.S., Hoen T.L., Rusk H.A. Early management of patients with spinal cord injury. JAMA 1953; 151: 89. 80. Bergmann P, Heilporn A, Schoutens A et al: Longitudinal study of cal- Médecine Nucléaire - cium and bone metabolism in paraplegic patients. Paraplegia 1977-78; 15: 147-159. 81. Stewart AF, Adler MD, Byers CM et al: Calcium homeostasis in immobilization: an example of resorptive hypercalciuria. N Engl J Med 1982; 306: 1136-40. 82. Roberts D, Lee W, Cuneo RC, et al: Longitudinal study of bone turnover after acute spinal cord injury. J Clin Endocrinol Metab 1998; 83: 415-422. 83. Chantraine A., Nusgens B., Lapiere C.M. Bone remodeling during the development of osteoporosis in paraplegia.Calcif Tissue Int 1986;38: 323-327. 84. Leduc B.E., Lefebvre B., Puig P., Daigneault L. L’osteoporose souslesionnelle chez le blessé médullaire évaluée par ostéodensitométrie.Ann Readaptation Med Phys 1991; 34: 199-204. 85. Leslie W. D. & Nance P.W. Dissociated hip and spine demineralization : a specific finding in spinal cord injury.Arch Phys Med Rehabil 1993; 74: 960-964. 86. Jones L.M., Goulding A., Gerrard D.F. DEXA: a practical and accurate tool to demonstrate total and regional bone loss, lean tissue loss and fat mass gain in paraplegia. Spinal Cord 1998; 36: 637-640. 87. Demirel G., Yilmaz H., Paker N., Önel S. Osteoporosis after spinal cord injury. Spinal Cord 1998; 36: 822-825. 88. Tsuzuku S., Ikegami Y.,Yabe K. Bone mineral density differences between paraplegic and quadriplegic patients : a crosssectional study. Spinal Cord 1999; 37: 358-361. 89. Biering-Sfrensen F., Bohr H., Schaadt O. Longitudinal study of bone mineral content in the lumbar spine, the forearm and the lower extremities after spinal cord injury. Eur J Clin Invest 1990; 20: 330-335. 90 90. Kannisto M., Alaranta H., Merikanto J. et al. Bone mineral status after pediatric spinal cord injury. Spinal Cord 1998; 36: 641646. 91. Jaovisidha S, Sartoris DJ, Martin EME et al. Influence of heterotipic ossification of the hip on bone densitometry: a study in spinal cord injured patients. Spinal Cord 1998; 36 647-653. 92. FinsenV., Indredavik B., Fougner K.J. Bone mineral and hormonal status in paraplegics.Paraplegia 1992; 30: 343-347. 93. Garland D.E., Stewart C.A., Adkins R.H. et al. Osteoporosis after spinal cord injury. J Orthop Res 1992; 10: 371-378. 94. Dauty M., Perrouin Verbe B., Maugars Y. et al. Supralesional and sublesional bone mineral density in spinal cord-injured patients. Bone 2000; 27: 305-309. 95. Chantraine A. Clinical investigation of bone metabolism in spinal cord lesion. Paraplegia 1971; 8: 253-259. 96. Pietschmann P, Pils P., Woloszczuk W. et al.Increased serum osteocalcin levels in patients with paraplegia. Paraplegia 1992; 30: 204-209. 97. Uebelhart D., Hartmann D.,Vuagnat H. et al. Early modifications of biochemical markers of bone metabolism in spinal cord injury patients.A preliminary study. Scand J Rehabil Med 1994; 26: 197-202. 98. Maïmoun L., Couret I., Micallef J.P. et al. Use of bone biochemical markers with DEXA to determine early bone loss in patients with spinal cord injury. Metabolism 2002; 51: 958-953. 99. Kiratli B.J., Agre J.C., Wilson M.A., Smith E.L. Comparaison of early vs late changes in bone mineral density in the first 18 months after spinal cord injury. Arch Phys Med Rehabil 1988; 69: 711. 100. Bauman W.A., Spungen A.M., Wang Imagerie fonctionnelle et métabolique - 2004 - vol.28 - n°2 75 Contraintes mécaniques et métabolisme osseux J. et al. Continuous loss of bone during chronic immobilization: a monozygotic twin study.Osteoporos Int 1999; 10: 123-127. 101. Vestergaard P., Krogh K., Rejnmark L., Mosekilde L. Fracture rates and risk factors for fractures in patients with spinal cord injury. Spinal Cord 1998; 36: 790-796. 102. Keating JF, Kerr M, Delargy M: Minimal trauma causing fractures in patients with spinal cord injury. Disabil Rehabil 1992; 14: 108-109. 103. Sipski M.L., Findley T.W., Glaser R.M. et al. Prevention of osteoporosis through early use of electrical stimulation after spinal cord injury. Arch Phys Med Rehabil 1990; 71: 795. 76 104. Mysiw W.J., Jackson R.D., Bloomfield S. Hypercalciuria prevented by fonctional electrical stimulation. Arch Phys Med Rehabil 1990, 71: 795 105. Pacy P. J., Hesp R., Halliday D. A. et al. Muscle and bone paraplegic patients, and effect of functionnal electrical stimulation. Clin Sci 1988; 75: 481-487. 106. Minaire P., Depassio J., Berard E. et al. Effect of clodronate on immobilisation bone loss. Bone 1987; 8: S6368. 107. Pearson E.G., Nance P.W., Leslie W.D., Ludwog S. Cyclical etidronate: its effect on bone density in patients with acute spinal cord injury.Arch Phys Med Rehabil 1997; 78: 269-272. Médecine Nucléaire - 108. Chappard D., Minaire P., Privat C. et al. Effects of tiludronate on bone loss in paraplegic patients. J Bone Miner Res 1995; 10: 112-8. 109. Olgivie C., Bowker P., Rowley D.I. The physiological benefits of paraplegic orthotically aided walking. Paraplegia 1993, 31: 11113. 110. Kunkel C.F., Scremin E., Eisenberg B. et al. Effect of “standing” on spasticity, contracture, and osteoporosis in paralysed males. Arch Phys Med Rehabil 1993; 74: 7378. 111. Leeds E.M., Klose K.J., Ganz W. et al. Bone mineral density after bicycle ergometry training.Arch Phys Med Rehabil 1990; 71: 207-209. Imagerie fonctionnelle et métabolique - 2004 - vol.28 - n°2