Impact de la charge, de la décharge, de l’âge et des lésions sur le tendon
Introduction:
Depuis de nombreuses années les recherches sur le tendon ont été consacré principalement à l’influence de la charge sur ses propriétés mécaniques en négligeant les paramètres cellulaires. Pourtant, dans les années 1990 les travaux du groupe Vihko et al. ont démontré sur des rats que la charge imposée au tendon influençait l’activité enzymatique impliquée dans la synthèse collagénique. Cette constatation suggère qu’un certain niveau de contrainte est indispensable à la bonne santé tendineuse. Le tendon d’Achille est l’un des tendons le plus soumis aux contraintes et le plus souvent lésé. De plus, il a été suggéré que le collagène est constitué de deux types de tissus, l’un étant relativement stable dont la structure se forme durant l’enfance et un second soumis à un remaniement permanent afin de maintenir l’homéostasie tissulaire.
Effet de la charge
Aspect cellulaire et moléculaire:
L’augmentation de la production de fibroblastes et la sécrétion de certains facteurs de croissances participent à la synthèse du collagène suite à une contrainte mécanique.
Early Growth Response Transcription Factor 1 (EGR-1) est un important facteur embryologique et post-natal du développement tendineux. De plus, il a été constaté que l’EGR-1 est régulé par la contrainte mécanique et son manque est associé à un plus faible développement structurel.
En ce qui concerne les autres facteurs de croissance, il a été démontré que la phosphorylation de p38, S6K1 et ERK1 / 2 est associée à la contrainte mécanique. Ceux-ci semblent jouer un rôle dans la mécano-transduction plus que dans la croissance tendineuse.
Les facteurs de croissance impliqués dans la modulation comprennent le facteur de croissance transformant b1 (TGFb1), le facteur de croissance dérivé du plasma (PDGF) et le facteur de croissance du tissu conjonctif (CTGF). En outre, le facteur de croissance insulinomimétique I (IGF-I), peut également servir de lien entre la charge mécanique et la synthèse du collagène dans les tissus tendineux. Chez l'homme, l'administration d'hormone de croissance pendant 14 jours ou l'injection locale IGF-1 a entraîné une augmentation de la synthèse de collagène.
En outre, il convient de noter que chez un modèle de rat, il a été démontré que l'expression du collagène et de l'IGF-I était similaire, que le mode de contraction musculaire soit concentrique, isométrique ou excentrique.
Plusieurs expériences sur de petits animaux, avec entraînement musculaire induit, entraînent une augmentation substantielle de l'expression de l'ARNm des facteurs de croissance induisant le collagène, IGF-I et TGFb1, parallèlement à une expression accrue de l'ARNm du collagène de type I et III dans le tissu tendineux.
De plus, il a été démontré que des épisodes répétés de course sur tapis augmentaient les niveaux de protéine IGF-I dans les tendons de rats. Ainsi, il semble probable que les cellules tendineuses répondent à la charge en augmentant la production de facteur de croissance et que l'action de ces facteurs de croissance induise l'expression du collagène, bien que cela reste à prouver.
Le rôle de l'inflammation dans les modifications physiologiques aiguës du tendon a été étudié de plusieurs manières. Il a été démontré que l'inhibition des voies spécifiques de la COX-2 abolirait l'augmentation du flux sanguin tendineux induite par l'exercice. De plus, l’étirement a entraîné la libération de prostaglandine E2 et, chez l’homme, le blocage de l’inflammation au cours d’un exercice aigu a inhibé l’augmentation de la synthèse de collagène normalement observée en réponse à un exercice. Dans des modèles bovins, l’étirement des tendons a entraîné à la fois une augmentation de l’ARNm de IL-6 et du collagène de type I et, chez l’homme, une nette augmentation péritendineuse de la concentration tissulaire de IL-6 dans les tissus interstitiels (et de la synthèse du collagène) a été observée avec l'exercice, et a entraîné une augmentation de la synthèse de collagène.
Ceci suggère qu'une augmentation du nombre de médiateurs inflammatoires est importante pour le renouvellement du collagène et pour l'adaptation du tendon à l'exercice.
Des études ont porté sur l’expression des gènes dans les tissus du tendon patellaire en réponse à un exercice aigu. Dans deux de ces enquêtes, ils ont constaté une diminution ou une modification du facteur de croissance et de l'expression de l'ARNm du collagène dans des biopsies de la partie médiane du tendon (Sullivan et al., 2009; Heinemeier et al., 2013a), tandis qu'une étude a révélé des augmentations modestes de l’expression de l'ARNm du collagène et du CTGF dans les tissus de la partie proximale du tendon patellaire en réponse à l'exercice (Dideriksen et al., 2013).
En d'autres termes, la réponse du tendon adulte à une charge aiguë ne semble pas imiter celle des rongeurs.
Ceci suggère que le tissu tendineux humain adulte est beaucoup moins sensible, et ces différences peuvent être liées au fait que les rats utilisés sont encore en phase de croissance, (généralement entre 10 et 12 semaines).
Les données provenant de chevaux montrent que les tendons soumis à des contraintes importantes ont un turnover plus lent que les tendons moins sollicités. Bien que ce soit contre-intuitif, il se peut que les tendons à forte contrainte ne puissent tout simplement pas « se permettre » d’avoir un remodelage constant. Par conséquent, le tendon d’Achille pourrait bien avoir un renouvellement plus lent que les tendons moins sollicités, comme le tendon rotulien.
Aspects structurels et mécaniques
La fonction principale du tendon est la transmission de force. Les fibres de collagène, dont le diamètre varie de 30 à 200 nm sont considérées comme la principale structure de transmission (Figure 1).
Elles sont entourées d’une matrice extracellulaire composée d’eau, de protéoglycanes, de glycosaminoglycanes (GAG), d’élastine et de glycoprotéines. Cette composition structurelle ressemble à celle d’un matériau composite dans lequel les fibres transmettent la force latéralement aux fibres adjacentes par le biais de la matrice.
La section du tendon aura un impact sur la contrainte moyenne (N / m2). Il est donc important de savoir si le tendon peut hypertrophier en réponse à l'exercice. Chez l’homme, les données transversales suggèrent que l’entraînement en endurance est associé à une plus grande section transversale du tendon d’Achille, et que l’entraînement en résistance entraîne une augmentation plus modeste de la surface transversale du tendon.
Couppe et al en 2008 ont montré que les sujets présentant une différence latérale (22%) de la force des extenseurs du genou en raison de fortes charges habituelles liées à une activité sportive unilatérale présentaient également une plus grande section transversale du tendon (20%) du côté le plus fort.
Ces données sont peut-être actuellement l'une des preuves les plus convaincantes que les tendons subissent une hypertrophie tissulaire en réponse à la charge.
On en sait relativement peu concernant les effets de l'exercice sur la fibre de collagène elle-même. Ces dernières années, il a été possible d'obtenir des biopsies percutanées de tendons humains, offrant de nouvelles possibilités. Il a été démontré que le collagène du tendon d’Achille n’est essentiellement pas renouvelé après l’âge de 17 ans et il a été suggéré que l’exercice pendant la maturation squelettique pouvait influencer le développement tendineux.
Cependant, une étude récente a montré que la morphologie des fibres des coureurs de longue distance ne différait pas de celles des sujets inactifs. De même, courir de manière régulière n'a pas semblé influencer sensiblement la morphologie des fibres. Bien que non concluantes, ces données suggèrent que les fibres de collagène ne sont en grande partie pas affectées par l'exercice.
Bien qu'il soit bien connu que les cellules tendineuses (fibroblastes) répondent à la contrainte, la relation dose-réponse à la magnitude de la charge n'est pas bien établie. La plupart des études mais pas toutes ont montré que la réponse adaptative des fibroblastes à la charge dynamique est supérieure à celle de la charge statique. Dans les tendons d’Achille humains en bonne santé, il a été montré que l’exercice à 90% de la MVC (~ 5% de contrainte tendineuse) donnait une rigidité et une section transversale accrues par rapport au travail à 55% de la MVC (~ 3% de contrainte tendineuse), et que la réponse tendineuse était plus importante sur une longue période (cycle de 6 secondes).
Contrairement aux muscles, le tendon est une structure mécaniquement passive qui s'allonge ou se raccourcit sous l'effet de la charge qui lui est appliquée. En fait, l'amplitude de l'étirement du tendon d'Achille humain est identique pendant la composante concentrique et excentrique. La réponse cellulaire à la contraction concentrique ou excentrique au même niveau de force est similaire en ce qui concerne l'expression du collagène et 12 semaines d'entraînement concentrique ou excentrique du quadriceps a produit une hypertrophie similaire du tendon.
Ces résultats renforcent la notion selon laquelle la réponse cellulaire et tissulaire dans un tendon sain est indépendante du mode de contraction.
Décharge
Aspect cellulaire et moléculaire
Dans des constructions tendineuses à base de ténocytes humains, il a été démontré que quelques jours après l’élimination de la traction, il existait une régulation négative de l’ARNm pour la ténomoduline et le collagène, accompagnée d’une désorganisation des fibres tendineuses. Cette régulation à la baisse n'a pas pu être contrecarrée par l'ajout de TGF-bêta.
Les résultats indiquent que la tension influence les caractéristiques phénotypiques du tendon. Il est clair que la signalisation des protéines et le renouvellement tissulaire dans ce modèle in vitro peuvent se produire beaucoup plus rapidement, mais déjà 2 à 3 semaines d'immobilisation chez des individus conduiront à une perte de 80% réduction du taux de synthèse du collagène, peu importe l’âge.
Conformément à ces changements, deux semaines d'immobilisation ont entraîné une régulation à la baisse de LOX et de la scléraxie et une régulation à la hausse de MMP2 dans le tendon rotulien. Il est intéressant de noter que la GH et, dans une certaine mesure, les AINS sont capables d’agir en stabilisant la matrice aussi bien pendant l’immobilisation que pendant la rééducation.
Aspects structurels et mécaniques
Les effets de l'immobilisation sur le tendon ont été étudiés chez des modèles animaux et montrent un déclin des propriétés mécaniques. Il est intéressant de noter qu’une déchargeme à court terme (1-2 semaines) peut réduire considérablement la rigidité du tendon. De plus, les modifications des propriétés mécaniques ont lieu en l’absence de modification de la section du tendon.
En fait, il semble que le CSA ne sera réduit que pendant des périodes d'inactivité extrêmement longues. Le mécanisme de ce changement relativement rapide des propriétés mécaniques en l'absence d'un changement global de la taille (déterminée par IRM) de la structure reste difficile à identifier.
Vieillissement
Aspect cellulaire et moléculaire
Le nombre et la densité des cellules du tendon n’ont pas été étudiés de manière systématique chez l’homme. Chez les lapins et les rats, il a été montré que la densité cellulaire diminuait avec l’âge, ce qui ne fut pas le cas pour le cheval. Cela suggère que la capacité de synthèse des cellules tendineuses ne diminue que de façon limitée avec le vieillissement, et les observations sur des modèles animaux pourraient être davantage un effet de la maturation que le vieillissement en soi.
Lorsque la fonction cellulaire est évaluée par la capacité de migration et de prolifération, des données utilisant des cellules progénitrices de tendons âgés chez l'homme et l'animal suggèrent à la fois une prolifération et une migration plus faible avec le vieillissement.
Cela indique que le vieillissement altère la capacité cellulaire. Dans l'étude sur les cellules progénitrices, il a été démontré que le potentiel de différenciation en cellules adipogènes, chondrogéniques et ostéogéniques n'était pas altéré par le vieillissement.
Compte tenu des données humaines très limitées, il est difficile de conclure, et les résultats sur les modèles animaux sont encore compromis par la capacité limitée de séparer le vieillissement et la maturation des tissus. En ce qui concerne l'expression et la synthèse des protéines des cellules tendineuses, il a été démontré que les rats plus âgés démontraient une expression réduite de l'ARNm du collagène (I, III et V), tandis que la teneur en protéines, estimée par immunohistochimie, n'était pas modifiée par le vieillissement.
En outre, une diminution de l'expression de l'élastine a été observée avec le vieillissement, tandis qu'une expression inchangée des facteurs impliqués dans la croissance des tissus (CTGF et TGF-bêta) a été démontrée avec le vieillissement chez le rat. Enfin, chez les souris âgées, une grande quantité de protéoglycanes extracellulaires, de dépôts de calcium et de lipides a été découverte. Dans une étude récente portant sur des rats jeunes et âgés, il a été démontré que le vieillissement était associé à une régulation négative des gènes régulant le remodelage de la matrice. En outre, les rats âgés présentent une densité réduite de vaisseaux sanguins et des calcifications dans les tendons plus anciens ont été présentés.
Il est intéressant de noter que l'intervention avec l'entraînement en force chez des rats âgés a permis de mieux réguler l'expression des ARNm du CTGF, de la décorine et du VEGF, sans aucune calcification dans les tendons de vieux rats entraînés. Bien que l’étude ait mis en évidence des différences entre les rats jeunes et âgés, elle a également montré que l’entraînement physique pouvait neutraliser plusieurs modifications du tissu conjonctif tendineux liées au vieillissement.
Aspects structurels et mécaniques
L'effet du vieillissement est difficile à étudier car il est difficile de séparer l'âge en soi de l'inactivité associée au vieillissement. Les données montrent que le CSA peut augmenter ou rester inchangé avec le vieillissement.
Récemment, il a été démontré que les hommes jeunes et âgés, de taille, de poids et de niveau d'activité similaires présentaient également un CSA similaire, ce qui suggère que contrairement au muscle, il n'y a pas de perte de tissu tendineux avec l'âge. À l'appui de cela, la teneur totale en fibres de collagène (fraction volumique) reste en grande partie inchangée avec le vieillissement chez les modèles animaux et humains.
Les données in vitro sur les tendons humains suggèrent qu'il n'y a pas de changement ni de réduction des propriétés mécaniques du tendon avec le vieillissement.
Une partie de la divergence sur les données in vivo chez l'homme peut être liée à l'analyse des données : la force a tendance à diminuer avec l'âge et, par conséquent, une réduction de la déformation du tendon peut être la conséquence d'une force reduite (et par conséquent moins de déformation). Par conséquent, il est nécessaire d’évaluer la déformation à une force commune lors de la comparaison des propriétés mécaniques entre les groupes d’âge.
Comme mentionné précédemment, il est probablement primordial de prendre en compte le niveau d'activité lié à l'âge.
Récemment, il a été démontré que les personnes âgées (66 ans) avaient un module de Young inférieur à celui des jeunes (26 ans), mais lorsque l'âge correspondaient au niveau d'activité, il n'y avait pas de différence de propriétés mécaniques. Dans l'ensemble, les données suggèrent qu'avec l'âge, il n'y a pas de changement ni de diminution du module du tendon.
Lésion tendineuse
Aspect cellulaire et moléculaire
La pathogénie exacte du développement de la tendinopathie n'est toujours pas complètement résolue. On sait que ces zones tendinopathiques sont associées à des fibroblastes plus arrondis et à une accumulation cellulaire.
Après la rupture du tendon, une signalisation anabolique et inflammatoire est généralisée. Une réponse inflammatoire marquée a été démontrée à la fois dans la phase précoce, dans la phase de prolifération et dans la phase de remodelage de la guérison du tendon chez des modèles animaux. Il est intéressant de noter que l’ajout d’une charge mécanique au cours de la cicatrisation a stimulé la réponse au NO et réduit la réponse inflammatoire comme l’indiquent le TNF-alpha et l’IL-1. En même temps, il a entraîné une amélioration de la synthèse des tissus de la matrice tendineuse
Aspects structurels et mécaniques
En plus de l'arrondi des fibroblastes, de l'augmentation du nombre de cellules, de la teneur en protéoglycanes glycosaminoglycanes (GAG), de l'eau et de l'hypervascularisation (avec la croissance nerveuse), les fibres de collagène semblent désorganisées. L'augmentation de la teneur en eau ainsi que l'hypervascularisation laisse le tendon avec une augmentation globale de CSA. On a signalé que la rigidité tendineuse diminuait avec la tendinopathie ou restait inchangée. On ignore si un tel changement concerne la pathologie elle-même ou s'il s'agit d'une réponse d'inactivité (décharge) liée à une blessure.
Les interventions basées sur la charge sont devenues un thème principal dans le traitement des tendinopathies, avec des résultats cliniques, structurels et biochimiques. Le paradigme de la charge excentrique isolée a généralement été considéré comme le traitement de choix, bien qu’il existe un manque de soutien pour son efficacité supérieure.
D'autres régimes d'exercices, y compris l'entraînement concentrique isolé, l'entraînement en résistance lourd et lent et l'excentrique concentrique progressant vers l'entraînement excentrique semblent également être efficaces.
Dans quelle mesure un régime de charge influence la composition du tendon chez les patients atteints de tendinopathie est très peu étudiée. Il a été démontré que la morphologie des fibres est anormale dans la tendinopathie, mais qu'un entraînement de résistance lent et lourd peut modifier la morphologie vers une densité et un volume normal.
Malgré la capacité remarquable de transférer de grandes forces musculaires sur le système squelettique à des fins de locomotion, il existe des cas de rupture complète du tendon. L'étiologie reste en grande partie inconnue, et de nombreuses recherches ont été consacrées à la réparation, la réadaptation et aux résultats cliniques afin de revenir rapidement à une fonction normale. Cependant, il a été récemment montré que l'activité cellulaire mesurée par l'absorption de glucose associée à la déambulation est plus élevée dans les tendons d'Achille réparés que dans les tendons d'Achille intacts à trois (6x), six (3x) et même 12 mois (1,6x) après réparation chirurgicale. De plus, il a été récemment démontré que le tendon d’Achille réparé augmente sa rigidité jusqu’à au moins 6 mois. Collectivement, ces données indiquent que la réponse des tendons à la charge est plutôt lente et normalisée 6 à 12 mois après la lésion.
En conclusion, l’évolution des techniques d’investigation a permis de déterminer les modifications cellulaires, moléculaires et mécaniques en réponse à la variation de charge du tissu tendineux (tableau 1). Cette nouvelle connaissance de la physiologie des tendons contribuera sans aucun doute à la détermination de l'adaptation optimale du tendon à la charge tout au long de la vie ainsi qu'à l'étiologie des blessures. Avec cette connaissance, il sera possible de développer des stratégies de traitement et de prévention plus efficaces que celles connues aujourd'hui.
Article de référence :
Magnusson, S. P., & Kjaer, M. (2019). The impact of loading, unloading, ageing and injury on the human tendon. The Journal of Physiology, 597(5), 1283-1298.