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La pratique du sport a-t-elle des conséquences sur la masse osseuse avec l'âge ?
Le squelette humain est composé de 206 os lesquels constituent la charpente de l’anatomie humaine. Les os de notre corps, outre leur rôle de soutien, sont indispensables au mouvement mais permettent également de stocker des minéraux, de fabriquer des cellules sanguines mais aussi pour certains de protéger les organes internes. L’os est un tissu vivant constitué de cellules et il est en perpétuel remaniement, c’est-à-dire qu’il ne cesse d’évoluer et possède la capacité de s’adapter à l’environnement et aux contraintes auxquelles il pourrait être soumis notamment lors d’une activité sportive.
Notre croissance et la pratique de sport nous ont tout naturellement amené à choisir et à approfondir ce thème dans le cadre de nos Travaux Personnels Encadrés. En effet nous avons été curieux de savoir si notre alimentation avait un effet significatif sur notre croissance mais aussi si la pratique d’un sport (intensif ou pas) pouvait avoir un impact positif et/ou négatif sur la masse osseuse, et si les effets du sport sur le tissu osseux s’avéraient différents selon le sexe, l’âge, le type d’exercice et son intensité.
Afin de répondre à notre problématique « La pratique du sport a-t-elle des conséquences sur la masse osseuse avec l’âge ? » nous étudierons dans une première partie le tissu osseux avec sa composition et les métabolismes de synthèse et de dégradation qui lui sont propres. Puis nous nous attacherons à décrire quels sont les apports nutritionnels nécessaires pour le bon fonctionnement des os. Une troisième partie sera consacrée aux propriétés physiques des os avant de nous consacrer aux effets d’une activité sportive sur la masse osseuse.
Les os peuvent être considérés comme des organes car ils contiennent plusieurs types de tissus. Même si l’os est majoritairement composé de tissus osseux, il présente aussi des tissus nerveux et du tissu cartilagineux. Pour la suite de notre exposé nous nous intéresserons principalement au tissu osseux.
Le tissu osseux se caractérise par deux types d’os : l’os compact et l’os spongieux. Tous les os du squelette sont recouverts d'une membrane d'un blanc brillant, le périoste. Tous les os ont une paroi externe dense qui semble solide et lisse : c’est l’os compact (figure 1). On le nomme aussi os cortical. Il représente environ 80 % du squelette. A l’intérieur se trouve une autre couche, l’os spongieux (ou os trabéculaire) dont la structure ressemble à un nid d’abeilles et représente 20 % du squelette. Au centre on trouvera la moelle osseuse qui se situe dans le canal médullaire.
L’os compact, est constitué d’une unité structurale que l’on appelle ostéon (ou système de Havers). Un ostéon ressemble a un cylindre allongé. En fait il est constitué d’un ensemble de cylindres creux (6 à 15 par ostéon) qui s’emboîtent les uns dans les autres et chacun de ces cylindres est une lamelle. C’est la raison pour laquelle l’os compact est aussi appelé os lamellaire (figure 2).
L'os spongieux est quant à lui composé de travées. Elles forment un réseau tridimensionnel dont l’orientation est ajustée par les sollicitations mécaniques. Ces travées (figure 3) sont richement vascularisées. L’unité de base est cette fois un hémi-ostéon en forme de croissant ouvert sur la moelle. L'os spongieux représente une surface d’échange considérable avec les liquides interstitiels jouant ainsi un rôle dans l’équilibre phosphocalcique. De plus sa structure en nid d'abeilles fournit le soutien et la force à l'os.
Figure 1 : Structure d’un os long. (a) vue montrant l’intérieur de l’extrémité proximale (ou épiphyse). (b) Vue tridimensionnelle de l’os compact et l’os spongieux. (c) Coupe transversale grossie. (source : E.N. Marieb, 2005 )
Figure 2 : Structure microscopique de l’os compact. (a) schéma en 3 dimensions d’un segment d’os compact. (b) une partie d’un ostéon. (c) Photomicrographie d’un os présentant un ostéon (grossissement x140). (source : E.N. Marieb, 2005 )
Figure 3 : Couleur balayage micrographie électronique (SEM) de l'os spongieux, Grossissement x15.
Ce tissu, trouvé à l'intérieur des os, est caractérisé par un arrangement de nid d'abeilles de trabécules (colonnes) et des espaces.
(Source : masterfile)
Os spongieux ->
Os compact ->
Le tissu osseux est un tissu conjonctif particulier constitué d’une matrice organique minéralisée (matrice osseuse) qui confère à l’os sa dureté et sa résistance. Il présente aussi des cellules osseuses. Un os est donc constitué de 10 % d'eau, 65 % de minéraux et 25 % de matière organique.
A. Cellules osseuses
Les cellules osseuses vont trouver leur origine dans la moelle. On trouve 3 grands types de cellules (figure 4) :
les ostéoblastes : ce sont des cellules formatrices du tissu osseux. Leur fonction première est de synthétiser la matrice (= production de collagène, de glycoprotéines1 et de diverses enzymes comme les phosphatases alcalines2) et de participer à la minéralisation. Au fur et à mesure que la matrice est synthétisée et minéralisée, les ostéoblastes deviennent moins actifs et s’aplatissent. Certains deviennent des ostéocytes d’autres des cellules bordantes3. Les cellules ostéogéniques sont des cellules souches non spécialisées qui vont se diviser pour donner des ostéoblastes
les ostéocytes : cellules de forme étoilée dont les prolongements longs et fins unissent les cellules osseuses entre elles. Ce sont les cellules du tissu osseux mature. Leur rôle est la nutrition du tissu osseux et la participation aux mécanismes de résorption4 (destruction du tissu minéralisé) et de remodelage osseux.
les ostéoclastes : énormes cellules mobiles qui détruisent l'os tandis que parallèlement les ostéoblastes le reconstruisent.
1Protéine qui est associée à un glucide complexe.
2Enzyme qui participe à la minéralisation
3Cellule aplatie, peu active, qui forme une mono-couche à la surface du tissu osseux minéralisé.
4Processus par lequel les ostéoclastes décomposent le tissu osseux et libèrent les minéraux, entraînant un transfert du calcium (ou autres minéraux) du tissu osseux vers le sang.
B. Matrice osseuse
La partie organique contient des protéines fibreuses, essentiellement ducollagène (90 %) et des protéines globulaires environ 10 % que l’onnomme protéines non collagéniques (PNC) lesquelles contribuent à la minéralisation et à l'adhésion des cellules (Burr et Allen, 2014).Parmi ces protéines on trouve l’ostéopontine qui permet de lier les cellules osseuse (ostéocytes) aux cristaux d'hydroxyapatite. L’ostéonectine permet de se fixer aux cellules et donc joue un rôle de cohésion cellulaire. Enfin l’ostéocalcine est une hormone protéique qui permet la fixation du calcium. Sa synthèse dépend de la vitamine K et sa concentration dans le sang est un indicateur de la formation osseuse (Constantin, 2013).
Les fibres de collagène sont des protéines extracellulaires présentent chez les vertébrés. On peut les retrouver dans les os, la peau, les tendons, les dents, le cartilage et dans les vaisseaux sanguins ainsi que les organes internes. Les fibres sont principalement des fibres de collagène de type I. On ne trouve jamais de collagène de type II qui est rencontré uniquement dans le cartilage. Les fibres de collagène sont parallèles les unes aux autres (figure 5A) et sont organisées en fonction des forces de pressions exercées (figure 4B).
Le collagène est fabriqué par les cellules osseuses (ostéoblastes) sous forme de lamelles pour qu’il puisse conférer à l’os sa résistance à l’étirement.
La partie minérale représente environ 70 % du poids de l'os sec. Parmi ces minéraux on trouve en faible quantité du magnésium, du sodium, du potassium.
A l’inverse des quantités plus importantes en calcium et en phosphates seront caractéristiques des os. Ces deux derniers composés forment des hydroxyapatites:
[Ca5 (PO4)3 OH]
Pour que cette fraction inorganique se fixe aux protéines de l’os il faut qu’il existe des sites particuliers (sites de nucléation) situés au niveau des fibres de collagène de type I : ceci favorise la formation des cristaux d’hydroxyapatite (figure 6).
D’autres types de cristaux se formeront également : phosphates de magnésium, carbonates de calcium…
Les cristaux, qui forment des petites plaques hexagonales, sont serrés les uns contre les autres et leur présence explique la dureté et la rigidité de l’os ce qui lui permet de résister à la compression.
Figure 4 : Les différents types de cellules osseuses
Figure 5 : (A) Structure des fibres de collagène. (B) Assemblage des fibres de collagène pour l’obtention de l’os (sources : d’après Ding et coll., 2017 et Majlergaard E., 2014 )
Figure 6 : Formation des cristaux d’hydroxyapatite. (source : d’après Peng, date inconnue : article scientifique « Bone-structure-shows-carbonated-HAp-and-collagen-and-the-surface-of-HAp.png »)
A. Matériels et méthodes
Pour mettre en évidence la présence de minéraux qui entrent dans la composition de l'os nous avons réalisé 2 expériences. La première permet de révéler la présence de phosphore (sous sa forme d'ions phosphates), la seconde celle des ions calcium et magnésium. Étant donné que nous n'avons pas accès à des os humains nous avons réalisé nos expériences sur des os de poulet. Nous nous sommes basés sur un protocole existant et mis au point en anthropologie légale par Lemonnier et ses collaborateurs (2012).
Avant de pouvoir mettre en évidence la présence de ces ions, nous avons laissé macérer 4 jours les os dans 300 mL d'acide éthanoïque (ou acide acétique, CH3COOH) à 25 % (figure 7). L'expérience a été réalisée sur 2 os (os n°1 et os n°2). Chaque os, bien sec (1h à 50°C), a été mesuré et pesé avant d'être mis en contact avec 300 ml d'acide éthanoïque.
Figure 7: Os de poulet utilisés pour l'expérimentation. La pesée à gauche, la mesure de l'os à droite et en bas la macération dans l'acide éthanoïque à 25 %. (source : Photos personnelles)
Protocole pour les ions phosphates :
prélever 50 ml de la solution d'acide acétique ayant été mise en contact avec l'os
ajouter quelques gouttes d'une solution de nitrate d'argent à 1 mol/L (déjà prête à l'emploi).
La solution à tester en présence d'une solution de nitrate d'argent, va former un précipité jaune de phosphate d'argent Ag3PO4 tel que :
3 Ag+ + PO43- -> Ag3PO4
La formation d'un précipité jaune plus ou moins intense est fonction de la quantité d'ions phosphate PO43-présents.
Protocole pour les ions calcium et magnésium :
prélever 50 ml de la solution d'acide acétique ayant été mise en contact avec l'os
ajouter quelques gouttes d'une solution d'oxalate d'ammonium à 0,25 mol/L
La solution à tester en présence d'une solution d'oxalate d'ammonium (2 NH4+ + C2O42-), va former un précipité blanc d'oxalate de calcium (a) ou de magnésium (b) tel que :
(a) : Ca2+ + C2O42- -> CaC2O4
(b) : Mg2+ + C2O42- -> MgC2O4
La formation d'un précipité blanc plus ou moins intense est fonction de la quantité d'ions calcium (Ca 2+) ou d'ions magnésium (Mg2+) présents. Avec cette méthode il n'est pas possible de différencier ces deux cations bivalents.
Préparation de l' oxalate d'ammonium :
M = 142,11 g/mol
Nous avons préparé 100 ml d'une solution à 0,25 mol/L.
Nous avons donc pesé une masse m = n x M = 0,025 x 142,11 = 3,55 g (car n = 0,025 mole pour 0,1 L). Nous avons ensuite complété la fiole jaugée avec de l'eau distillée et agité jusqu'à parfaite solubilisation.
B. Résultats
Au bout des 4 jours de macération dans l'acide acétique à 25 %, les os sont devenus plus souples et cassants alors que la solution est légèrement colorée (figure 8).
La souplesse de l'os nous indique que l'acide acétique a agi sur les éléments minéraux en les retirant de la structure osseuse, lesquels ont migré dans la solution. D'après la littérature il reste dans l'os mou, un composé organique majeur (plus de 90%), le collagène qui est une protéine fibreuse.
La formation de précipités blanc et jaune respectivement en présence d'oxalate d'ammonium et de nitrate d'argent confirme la présence de calcium, de magnésium (même s'il est en moins grande quantité) et de phosphore sous sa forme « phosphates » lesquels étaient préalablement contenus dans l'os.
Résultat
Figure 8 : Vidéo du passage des éléments minéraux de l'os
dans la solution d'acide acétique au bout de 4 jours de macération. (a) ajout de l'oxalate d'ammonium. (b) ajout du nitrate d'argent.
(source : personnelle)
Il est généralement établi qu’il y a une relation entre la structure (la forme) et la fonction. Ceci est valable pour les os. En général ils sont classés en fonction de leur forme. Il y a donc les os courts, les os longs, les os plats et les os irréguliers (figure 9).
Le rôle premier du tissu osseux est de résister à la pression et à de grandes forces de traction. Ceci est rendu possible grâce à sa composition en collagène et la présence de cristaux d’hydroxyapatite.
Le tissu osseux a aussi un rôle dans le stockage des minéraux dont les plus importants sont le calcium et le phosphore, sous forme de phosphates. En fonction des besoins, ces minéraux sont libérés dans la circulation sanguine sous forme d’ions puis distribués aux différentes parties du corps qui en ont besoin. En réalité, des « dépôts » et des « retraits » de minéraux s’effectuent de manière presque continuelle au niveau des os (figure 10).
Le tissu osseux permet aussi la production des cellules sanguines. Chez l’adulte la synthèse des globules rouges, des globules blancs et des plaquettes se réalise au niveau des cavités médullaires de certains os lesquelles contiennent la moelle osseuse.
Enfin c’est l’ensemble « tissu osseux – muscles squelettiques » qui permet le mouvement. Les muscles sont reliés au tissu osseux par les tendons.
(B)
(A)
Figure 10 : Cycle sur 24h des deux minéraux les plus importants : (A) le calcium et (B) le phosphore, sous forme de phosphates. (source : d’après polycopiés du cours de Schmitt, 2011)
Figure 9 : Classification des os selon leur forme (source : Marieb, 2005)
L’ostéogenèse (ou l’ossification) désigne le processus de formation des os.
Le tissu osseux évolue avec l’âge. Les os de l'enfant sont plus mous que ceux de l'adulte et contiennent plus d'eau. L'ossification, c'est-à-dire le durcissement des tissus fibreux ou cartilagineux qui se transforment en os, se fait graduellement de l'enfance à la puberté. L'ossature de tout le corps se consolide selon la règle des développements proximo-distal (du plus proche au plus loin) et céphalo-caudal (du cerveau à la queue). Par exemple, les os des épaules durcissent avant ceux du pied.
La formation de l'os débute vers la 9e semaine chez le fœtus (figure 11) et se décompose en 5 stades. Elle se fait à partir d'une « maquette » de cartilage, de deux façons : l'ossification intramembraneuse1 et l'ossification endochondrale2. L'ossification intramembraneuse est celle des os de la voûte crânienne et du maxillaire. Tous les os situés au dessous de la base du crâne auront une ossification endochondrale (os longs, os des vertèbres, …) .
1Processus de formation d’un os à partir d’une membrane fibreuse
2Processus de formation d’un os à partir du cartilage hyalin.
Les stades ➊, ➋, ➌ se font pendant la période foetale (de la 9eme semaine au 9eme mois du développement). Le stade ➍ se passe avant ou juste après la naissance et enfin le stade ➎ correspond au processus de croissance de l’os long pendant l’enfance et l’adolescence.
L’os, nous l’avons vu, est un tissu vivant qui se renouvelle en permanence (remodelage osseux) grâce au fonctionnement continu de deux types de cellules osseuses : les ostéoclastes et les ostéoblastes. Ainsi les ostéoclastes doivent d’abord détruire l’ancien os en creusant des lacunes : on parle alors de résorption osseuse. Les ostéoblastes vont quant à eux synthétiser un os nouveau en comblant les lacunes par des protéines : on parle alors de formation osseuse. Ce tissu osseux nouvellement synthétisé correspond au tissu ostéoïde. Il va ensuite se calcifier grâce à l’intervention, en autre, des phosphatases alcalines. C’est alors le processus de minéralisation osseuse (figure 12).
Les os commencent à se développer dès la vie embryonnaire puis continuent leur croissance pendant l'enfance et l'adolescence. Ensuite, l'ossification sert à consolider les os. L’os se reconstruit en permanence pour conserver sa solidité, et de ce fait le squelette d’un adulte est complètement régénéré tous les 10 ans. Avec le vieillissement, tant chez la femme que chez l’homme, il y a une diminution « naturelle » de la masse osseuse (figure 13). Cette perte osseuse est d'autant plus prononcée chez la femme après la ménopause. Quelque soit le sexe le risque de fractures augmente au fur et à mesure que la perte osseuse augmente.
Il y a de nombreux facteurs qui interviennent dans la régulation du remodelage osseux, les plus connus sont les hormones sexuelles avec les œstrogènes (avec l'oestradiol chez les femmes) et les androgènes (avec la testostérone chez les hommes). La privation des œstrogènes à la ménopause conduit à une perte osseuse responsable de l’ostéoporose post-ménopausique. Il a été montré que les oestrogènes vont inhiber la formation des ostéoclastes et du coup ils ont un effet inhibiteur sur la résorption osseuse (cf figure 12). Les androgènes ont quant à eux des effets stimulants sur certaines cellules osseuses. C'est l'une des raisons pour lesquelles la perte osseuse est moins importante chez les hommes.
La concentration sanguine en calcium (calcémie) joue un rôle dans ce phénomène de remodelage osseuse grâce à l'action de la parathormone et la calcitonine. Ainsi quand la calcémie est élevée (hypercalcémie), la calcitonine favorise le dépôt des ions calcium sur l'os, et à l'inverse lorsqu'elle est trop faible (hypocalcémie) c'est la parathormone qui va favoriser la dégradation de l'os en stimulant les ostéoclastes : cette action permet alors la libération du calcium dans le système sanguin (figure 14). Chez un adulte sain la calcémie est de l'ordre de 90 à 110 mg/L.
Figure 11 : Ossification endochondrale dans un os long. (source : Marieb, 2005)
Figure 12 : Remodelage osseux. (source : d’après Dreamstime.com)
Figure 13 : Evolution de la masse osseuse avec l’âge. (source : Fordham, 2004)
Les hormones calciotropes interviennent aussi dans le remodelage osseux en agissant sur l'équilibre phospho-calcique. Les plus importantes sont la parathormone (PTH), la vitamine D et la calcitonine (Constantin, 2013). La PTH stimule la résorption osseuse, favorisant ainsi un apport de calcium de l'os vers le sang. La vitamine D3 joue aussi un rôle essentiel dans l'équilibre phospho-calcique et la croissance du squelette, en stimulant l'absorption intestinale du calcium, en stimulant la résorption osseuse, en favorisant la minéralisation osseuse. La calcitonine est synthétisée par la thyroïde. Elle va inhiber directement la résorption osseuse, en se fixant sur des récepteurs présents sur les ostéoclastes.
3 d'origine cutanée et synthétisée à partir du cholestérol grâce aux UV. Elle peut aussi être apportée par l'alimentation.
Figure 14 : Régulation de la calcémie et donc du remodelage osseux par 2 hormones clés, la parathormone et la calcitonine.
(source : Hagström Bex L., STAPS Bobigny, date inconnue)
L'ostéoporose correspond à une accélération pathologique du remodelage osseux, de ce fait cette maladie est caractérisée par une diminution de la densité osseuse et des modifications de la structure osseuse. Ces modifications rendent l'os plus fragile et augmentent le risque de fracture (Surbone et coll., 2016). Il ne faut pas la confondre avec l'ostéopénie, qui est une perte de la masse osseuse naturelle due au vieillissement.
Chez certaines personnes, cette perte de la masse osseuse est sans conséquence grave. Chez d'autres, l’accélération pathologique de la résorption osseuse non compensée par une formation osseuse suffisante conduit à une perte excessive de la masse osseuse et de sa résistance : une ostéoporose apparaît (figure 15).
En France, on estime que l’ostéoporose chez la femme est 2 à 3 fois plus fréquente que chez l’homme en raison de la ménopause, soit entre 2 et 3 millions de françaises. En effet La carence hormonale qui suit la ménopause, entraîne une accélération de la perte osseuse qui porte sur l'ensemble du squelette. Après la ménopause, l’organisme produit moins d’œstrogènes, or ceux-ci agissent sur la formation de l’os « nouveau ». Le déficit en hormones œstrogéniques constitue le facteur de risque d'ostéoporose le plus important. Il va entraîner un déséquilibre entre les phénomènes de construction (via les ostéoblastes) et de destruction de l'os (via les ostéoclastes), au profit de la destruction.
Autour de l’âge de 65 ans, on estime que 39% des femmes souffrent d’ostéoporose. Chez celles âgées de 80 ans et plus, cette proportion monte à 70%. Une part significative d’entre elles ont un risque élevé de fracture justifiant de les traiter pour réduire ce risque.
Figure 15 : Vue schématique de la structure d'un os sain ou atteint d'ostéoporose.
(source : web Docteurclic)
Les hommes ne sont pas pour autant épargnés. L’ostéoporose chez l’homme qui est liée à l’âge est moins fréquente, plus tardive que chez la femme, mais elle n'est pas sans conséquence, puisqu’un quart des fractures dues à une fragilité osseuse surviennent chez l’homme.
En France, chaque année, l’ostéoporose est responsable de (data nationale de 2013 – Assurance maladie) :
d’environ 40 à 65 000, fractures vertébrales
35 000 fractures du poignet
51 000 fractures de la hanche ou du col du fémur
12 000 fractures de l’humérus
68 000 hospitalisations dont 83 % chez des personnes de plus de 75 ans (durée moyenne : 12 jours)
plus de 40 000 séjours en centres de rééducation (durée moyenne : 43 jours)
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