1.3.3.1

Primary lesion

Acute traumatic SCI may result from a variety of mechanical stress applied to the spinal cord: (1) injuries to surrounding structures of the spinal cord (traumatisms of spinal column), (2) injuries to artery and/or vein vascularization, (3) direct isolated trauma to the spinal cord . Thus, acute traumatic SCI results from many mechanisms such as hyperbending, hyperstretching, axial compression, rotation or distraction . Most commonly, acute traumatic SCI consists on both impaction and persistent compression, in particular in cases of burst fractures, dislocation, post-traumatic compressive broken disc hernia and in rare cases, of compressive hematoma. A single impact without persistent compression is seen in hyperstretching or distraction injuries, spontaneous dislocation that had been reduced and blast injuries. Transection and/or loss of tissue may result from blade or firearm weapon injuries . One particular case consists on injuries, more often centrospinal, of narrow cervical canal enhanced by an even mild traumatism. Strength applied on the spinal cord, leads to transitory neurological deficits in its milder form (concussion) and to complete and permanent paralysis in its more serious form. At best, modifications of axonal conduction lead to transitory dysfunctions whereas at worse, primary axonal lesion (not the one of the neuron) results into axonal transection that ultimately leads to distal segment Wallerian degeneration. Locally, cell bodies may be destroyed and induce a “suspended” syndrome; the lesion then spreads from the epicenter to a secondary extend of injured tissues that constitutes secondary lesion initiation .

1.3.3.2

Secondary lesion

Secondary lesion starts just after initial tissue destruction and may progress over several days or weeks . In addition to locally restricted secondary injuries (see below), secondary systemic consequences such as hypotension, vasoplegia, hypoxia-associated respiratory dysfunction (with more or less hypercapnia), respiratory or even metabolic acidosis in polytraumatisms and finally ionic, glycolic, hormonal and thermal troubles are superimposed. All these factors may significantly worsen SCI outcome.

Primary tissular injury induces electrolyte, free radical, membrane fragments and excitatory amino acid releases leading to a toxic increase of intracellular calcium level. Microhemorrhages and thrombosis occur in microvessels. A variety of electrolytic pumps are thus not capable of regulating ionic fluxes anymore. As a consequence, excitatory amino acid release activates glutamate receptors such N -méthyl- d -aspartate (NMDA) and alpha-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid (AMPA) that ultimately lead to an increased mobilization of intracellular calcium and an increase in energy consumption. Concomitant increase of Na ⁺ , Ca ⁺⁺ and Cl ⁻ intracellular influx and K ⁺ efflux eventually lead to cell death by excitotoxicity. As a result glutamate and calcium are released, contributing to a vicious circle that contributes to the death of neighboring neuronal and glial cells. Cell death extends preferentially in a vertical direction through the gray matter whereas edema extends transversally through the white matter. Inflammatory processes already starts within the few minutes following the lesion and gradually increase from a few hours to several days after traumatism. Microglia becomes activated and blood monocytes and lymphocytes cross the lesioned blood brain barrier. These cells express several chemoattractive factors inducing leucocytes build-up within the lesion area as well as in the lumen of neighboring microvessels. Mechanical phenomena and thrombin release are the substrate of vascularization problems. In addition, energetic depletion worsens ischemic cell death phenomena. Moreover, inflammatory cells express proteolytic enzymes (proteases) that in turn, degrade extracellular matrix proteins and contribute to blood brain barrier degradation and edema extension. Cell death resulting from all these mechanisms occur through both necrotic or apoptotic phenomena or autophagia . Secondarily, but still at early stages of inflammation, macrophages also participate to the clearance of hemorrhagic areas and necrosed tissue. These two stages of inflammatory processes participate in the demyelination of still intact axons. These mechanisms start as early as 24 h after traumatism and increase during the first few days. Then Wallerian degeneration begins, with retarded death of oligodendrocytes, and cysts formation within the gray and white matters and the building of a scar (mainly constituted of astrocytes and fibroblasts ) represent the final stage of histopathologic evolution .

1.3.3.3

Conclusion

To conclude this brief and thus simplistic overview of the pathophysiology of acute spinal cord traumatisms, we would like to stress that the vast majority of the experimental studies had been carried in small rodents, in particular on ischemic models (more reproducible but less physiologic) and contusive and compressive models (with reproducibility that is harder to get). Moreover, histological analysis of acute spinal cord traumatisms are sparse in human .

1.3.4.1

Primary prevention

It consists on preventing the occurrence of diseases or accidents and has several axes such as road preventive campaigns (speed, alcohol, drugs), legislation for mandatory wearing of safety belt and presence of Airbags ^® in all vehicles. It has to be noted that in 2004 the WHO had edited a report on road traumatisms prevention .

1.3.4.2

Secondary prevention

It consists on early screening and treatments of the first traumatism onset. Secondary prevention of SCI includes the picking up of patients, neuroprotection and early decompresssive surgery. Picking up and fast, medicalized transportation (medical emergency units) to specialized medical and surgical centers (neurosurgery, orthopedic specialized on rachis) and early surgical intervention (mainly in the case of compression or major instability of the rachis) had been significantly developed in France during the last few years . We still need to progress in these areas in order to intervene as fast as possible (oxygenation, blood pressure control, possible decompression, etc.) on SCI in order to limit extension of the secondary lesion. All these medical acts have to be done in the best conditions, without haste and danger, by well-trained teams. Chemical neuroprotection (see below) is another aspect of early secondary prevention.

Secondary prevention also includes early screening of nontraumatic pathologies that progressively lead to irreversible SCI and that can be treated by anticipated surgery (meningioma, intra spinal neurinoma, etc.). Early screening depends, on the occurrence of early symptoms, on a full neurological examination and MRI analysis, in order to intervene before SCI leads to irreversible phenomena.

1.3.4.3

Tertiary prevention

It consists on minimizing the after-effects of disease or accident and on favoring patient reintegration. Several experimental spinal cord repair strategies may be used in the future on humans . Functional repair also belongs to tertiary prevention and may correspond to tendon, muscle and even nervous implantation, electrical stimulation of lateral and palmar grasps (freehand system ) of micturition (Brindley ) and of locomotion (SUAW project ). Some of these techniques are already well characterized and result in a functional improvement, whereas others still need to be developed. In addition, tertiary prevention includes medical treatments (pain, spasticity, trophic dysfunction, etc.), physiotherapies, rehabilitation and social and professional reintegration .

1.3.5.1

Corticoids

Corticoids and in particular high doses of methylprednisolone (MP) and Tirilazad (Lazaroïde) had been shown to decrease cytotoxic edema formation, inflammation, free radical production and, glutamate release . Results of National Spinal Cord Injury Study (NASCIS) clinical trials I, II et III are still under debate (moderate efficacy and secondary effects of corticoids). Intravenous injection of MP (30 mg/kg) within eight hours after injury followed by 5,4 mg/kg per hour for 23 h is frequently done in the United States but had not been recommended in Europe (in particular in France) in the frame of the “Care of adult spinal cord injured patient” meeting . Even if the efficacy of corticoids on complete thoracic SCI is non-existent, evaluation on a large scale of their efficacy on partial cervical SCI and, in particular for patients with cervico-arthrosic myelopathy decompensated by a mild traumatism is still of interest.

1.3.5.2

Gangliosids

Sphingolipid GM-1 is highly expressed in CNS cellular membranes of mammals. Even if its exact function remains unknown, experimental data suggest that GM-1 favors neuritic growth and synaptic transmission. The long term randomized, double-blinded and placebo-controlled Maryland GM-1 study evaluated functional locomotor improvement in a cohort of 34 SCI patients . Patients received intravenously either 100 mg GM-1 or placebo for three to four weeks; the first injection had been done during the first 72 h following injury. Authors concluded that patients treated with GM-1 presented a better neurological recovery than placebo treated patients. A controversial stage III clinical study did not show significant effects of GM-1.

1.3.5.3

Gacyclidine

This molecule is a non competitive antagonist of NMDA receptors derived from phencyclidin . Not only does it present similar affinity for NMDA receptors than MK801, the reference molecule, but due to its pharmacological profile does not present an intrinsic toxicity, conversely to MK801 . Multicentric phase II clinical trial conduced in France with gacyclidine (GK11) (randomized, double blinded and placebo controlled, three concentrations of GK11 tested, first intravenous injection within the first two hours after injury and second injection four hours after the first one) on 280 patients did not show significant general improvements. However, patients with partial cervical lesion treated with the highest dose presented a functional improvement of two metameric levels at Day 30 and still presented a mean 1.5 level gain one year after injury . Unfortunately, because of the low number of patients included in each subgroup, statistical significance was not reached. It would be of interest to repeat this trial with more restrictive inclusion criteria, but the methodology is complex and time consuming.

1.3.5.4

Erythropoietin (EPO)

This glioprotective and neuroprotective molecule may protect the white matter and long descending tracts and may soon be tested in a clinical trial for acute spinal cord injury.

1.3.5.5

Other molecules and processes

Secondary death by apoptosis in acute SCI had been demonstrated to occur in humans . Inhibitions of apoptosis as a therapeutical approach is still under controversy because we do not have the proof that preserved cells are still functional. Nevertheless, minocyclin (an antibiotic that decreases microglial activity) or anti-CD95 reduce neuron and glial apoptosis and lead to functional improvement in rodents . Insulin has also been shown to have an anti-apoptotic effects in experimental SCI in the rat . Iron chelators decrease inflammatory processes and favor functional repair of motricity in the mice . Local or general hypothermia has proved its efficiency on experimental SCI but not in the clinic .

One cannot conclude this chapter without mentioning direct intradural delivery of a given molecule using a flow-fix or adjustable pump. In human, such systems had been used to deliver baclofen (Lioresal ^® ) within the cerebral spinal fluid (CSF) with the aim of reducing spasticity observed in some para- and tetraplegic patients . It has also been used to deliver morphine in the CSF to fight back to a specific type of pain. Brain derived neurotrophic factor (BDNF) had been delivered in the CSF of ALS patients in the hope of decreasing motoneuron degeneration. Even though the technique was reliable no improvement was observed in patients (unpublished data, personal communication LB). In future trials, this approach may be used to deliver a given molecule to the lesioned spinal cord to favor axon regrowth and functional repair.

Several materials such as collagen, fibrin, Matrigel™, methylcellulose impregnated with neurotrophic and growth factors are currently tested in animals. When implanted in rat spinal lesion site, these materials favor, to various extent, axonal growth of neurons located in the brain stem; this approach may induce positive functional effects .

1.3.6.1

Regeneration

Pharmacological and molecular factors that alter axonal environment, control glial scar and decrease inhibitory effects on axonal regrowth .

Glial scar appears right after traumatisms. Within hours and days, astrocytes become hyperplasic and hypertrophic (reactive astrocytes) and other inflammatory cell types such as microglia, oligodendrocytes and fibroblasts also participate to scar formation. Moreover, inhibitory molecules, in particular those associated with myelin play a key role.

Experimental strategies aiming at glial scar formation decrease may act on several ways. Early low dose radiotherapy in rats favors functional restoration . Local injection of ethidium bromide (EtBr) or specific antibodies as well as systemic injection of interleukine-10 (IL-10) reduce inflammatory response and/or cell proliferation in experimental conditions and significantly decrease astrocytic barrier. Local injection of 7β-hydroxycholesteryl-oleate, known for cytotoxic effects and used in oncology, decreases astrocytic reaction and favors regrowth of serotoninergic pathways . Experimental use of gene therapy, using inactivated viral vectors directed toward a molecule expressed by astrocytes diminished astrocytic hyperplasia. The use of genetically modified mice had shown in vitro that blocking the expression of glial fibrillary acidic protein (GFAP) that is normally expressed by astrocytes is an important feature in astrocyte reactivity . In vivo, mice that lack GFAP and vimentin presented significant functional restoration after spinal cord hemisection. Work in progress using a siRNA approach directed towards GFAP and Vimentin, is intended to apply this approach in clinics.

Other strategies have been developed to counteract inhibitory factors. Local injection of chondroïtinase (an enzyme that degrade some elements of the extracellular matrix) induces a functional repair in rats that underwent either spinal hemisection or contusion . Combination of chondroïtinase treatment with Schwann or olfactory ensheathing cells grafting allows fibers regeneration in both sites of the spinal lesion and reconnected to some of brain stem nuclei .

Myelin inhibitory molecules such as Nogo-A, MAG et Omgp prevent intrinsic axonal regrowth . The use of antibodies (generally associated to neurotrophic factors) allows some axonal regrowth, in particular those of the corticospinal tract but underlying mechanisms are still under controversy . Activated macrophage and/or lymphocytes injection may induce, on the long term, immune and even demyelination problems. Few clinical trials are under process .

1.3.6.2

Regeneration: cellular approaches

Several experimental designs and grafting protocols are known to favor axon regeneration . One successful example consists on the grafting of a peripheral nerve that serves as a “regrowth guiding bridge” between the spinal cord and either a denervated muscle, nerve or motor roots. This model, using an autologous grafted peripheral nerve (GPN), and developed in rats by Horvat et al. , allowed functional reconnection between the spinal cord and a denervated muscle. Methodology consists on the introduction of the nerve graft, on one side in the spinal cord and on the other side in a denervated muscle. Two months after grafting, nerve stimulation induced muscle contraction. Axonal retrograde tracers injected either in the muscle or at the grafted nerve stump showed a labeling in the spinal cord 48 h after injection thus proving axonal regrowth from the spinal cord to the denervated muscle. Histological, immunhistochemical and ultrastructural studies of the spinal cord showed that motoneurons participated to this axonal regrowth and histological studies of the re-innervated muscle demonstrated new neuromuscular junctions’ formation.

Using the previously described technique and through collaboration between teams in Nantes and in Paris (Kremlin-Bicêtre), three complete paraplegic patients underwent specific surgery. Surgical approach consisted on reconnection of the spinal cord (above the lesion site) through the GPN, directly to the ventral roots (L2 to L4, that depend on territories below the lesion site). Nine months after surgery, clinical and electromyographic signs of muscle re-innervation had been observed in one patient. Muscle contraction within abductor muscle and left quadriceps were discernable . This technique directly issued from basic research and that did not induce side effects, demonstrated that it is possible to direct axonal regeneration in human, but up to date no further improvement had been recorded for the patient. Human trials will certainly be developed but one cannot expect short-term “extraordinary” outcome, these clinical trials being intended to select the most appropriated strategies.

1.3.6.3

Olfactory ensheathing cells (OEC)

OECs are a particular type of glial cells and are located at the interface in between the CNS and the nasal mucous membrane (below and at the level of the olfactory bulb). In this location, small nerve fibers are submitted to particular constraints and develop a high level of turnover. It is thanks to the olfactory ensheathing cells that nerve cells are able to regenerate. Ramon-Cueto et al. and several other research teams had shown that OEC transplantation favor axonal regeneration . For example, OEC transplantation allows axonal entry in the dorsal root of the spinal cord, corticospinal axon regeneration after electrolytic lesion and peripheral nerve transection, remyelination of the dorsal columns after X-rays irradiation and regeneration of spinal cord axons. Functional improvement had also been observed when OEC are transplanted after corticospinal tract lesion, after section of dorsal sacrolumbar nerves. It has been shown that human OEC are capable to remyelinate demyelinated axons. Finally, therapeutical power of OEC had been demonstrated in an experiment on repair of breathing and locomotion after lesion of the upper part of the spinal cord. Three teams worldwide have grafted OEC in patients. Portuguese and Australian used adult autologous cells, directly removed by endonasal approach from the patient, whereas the Chinese team transplanted embryonic cell suspension that contained OEC (issued from aborted embryos). The latter had performed more than 500 surgeries, but his technique is controversial because of the lack of rigorous scientific evaluation . In a general point of view, these surgeries yield some informative elements (experimental, patient story, etc.) but nothing had been categorically evaluated in human. Due to the absence of identification of the grafted cells as well as the infectious and general risks linked to embryonic cells grafting, we do not recommend this approach. In the future, if a rigorous evaluation demonstrates beneficial effects, this technique may be developed but in conditions that strictly follow the good practices .

The only rigorous human clinical trial was done by the Australian team on three grafted patients and three controls with autologous OEC. No side effects were reported . Recent results concluded there were no significant functional changes in any patients and no neuropathic pain. In one transplant recipient, there was an improvement over three segments in light touch and pin prick sensitivity bilaterally, anteriorly and posteriorly . A clinical phase II trial that involves European teams is currently discussed.

1.3.6.4

Stem and/or progenitor cells

The dogma of the inability of new neurons genesis in the adult mammalian CNS had recently been contested. Indeed, it had been proved that in specific areas (hippocampus, periventricular zone) of mammals (including human) CNS, cells called stem cells, are able to divide and differentiate into neurons . Stem and/or progenitor cells exist in the mammalian spinal cord and they have been recently described in the human spinal cord . Stem cells are currently a source of hope in the treatment of numerous pathologies. Regarding repair of the CNS, three different stem cell types are predominantly used in experimental protocols: embryonic stem cells, bone marrow mesenchymal stem cells and neural stem cells . More often they are transplanted but they also may be recruited or combined with hydrogels and further monitored in vivo by MRI . Stem cells may also be genetically modified in order, for example, to synthesized neurotrophic factors. Amongst the numerous publications, we will focus on three examples (two in humans including a clinical trial and a basic research experiment and one in animals that combines several strategies). One clinical trial had been conducted on 20 patients . Stem cells had been collected in bone marrow of patients that had undergone an acute spinal cord injury; cells were collected in a time frame of 10 to 467 days after traumatism. These autologous cells had then been selected and injected either arterially or venously in the same patient. Functional results seem to be better when injection is done in the arteries and early after SCI. The only positive result was seen on one incomplete cervical patient. It is thus hard to imply the treatment rather than a spontaneous evolution. Complementary experimental studies are under way.

Collaborative work, coordinated by LB, is currently under process; it involves the hospital of Montpellier, the Inserm and the Établissement français des greffes . It consists on histological and biological analysis of human dorsolumbar spinal cord samples and of cell culture obtained from them. These spinal cord samples are collected in the event of therapeutical organs donation and follow the legislation of the Établissement français des greffes and the law for respect of corpse’s donation. The first objective is the search for neural and glial (astrocytes and oligodendrocytes) progenitor and/or stem cells in adult human spinal cord (work done by the group of J.-P. Hugnot). Such cells are isolated in vitro and in vivo studies will be completed in a therapeutic objective. First results obtained are the following : (1) CNS cells resist to protocol for sample collection, (2) some cells are capable of division and form first generation neurospheres; (3) some cells present ultrastructural characteristics (electron microscopy) of progenitor and/or stem cells, (4) some cells, once cultured, are able to differentiate into the three cell types (neurons, astrocytes and oligodendrocytes). This work is included in a preclinical European project coordinated by A.P. This project entitled RESCUE aims at the study and characterization of several cells types for further potential clinical application in spinal cord lesion.

The third experiment, done in animals, consists on stem cells (issued from the hippocampus of neonatal rats) and Schwann cells (issued from sciatic nerves and brachial plexus of neonatal rats) transplantation. These last cells had been genetically modified, using an inactivated adenovirus, to produce NT3, a neurotrophic factor . Grafted rats previously underwent a complete thoracic spinal cord section. Functional outcome after lesion is schematically as follows: transplanted rats with stem cells present a slightly better locomotor recovery than lesioned rats without grafting. Moreover, functional improvement is even enhanced in rats grafted with a combination of stem cells and Schwann cells. This experiment deserves several commentaries. First, these results need to be confirmed before being considered as valid. Second: is this experiment transposable to human? Moreover additional problems exist: (1) difference between human and rat spinal cord size, (2) stem cells injection, (3) sampling of Schwann cells and transfection. Applications are not out-of-reach, but in the present case, additional experiments are required. If a human clinical application is planned, it should be conducted in the frame of a clinical protocol allowing objective evaluation of positive and secondary effects. It will thus be applicable to a low number of patients.

2.3.3.1

Déterminants de la lésion primaire

Les lésions médullaires aiguës traumatiques peuvent être la conséquence de nombreux facteurs biomécaniques :

• •
  

  par lésion des structures qui l’entourent (traumatismes vertébraux médullaires) ;

  
  
• •
  

  par lésion de sa vascularisation artérielle et/ou veineuse ;

  
  
• •
  

  par lésion médullaire isolée .

Les TMA résultent donc de nombreux mécanismes : hyperflexion, hyperextension, compression axiale, rotation ou encore distraction . Le plus courant est la sommation d’un impact avec une compression persistante. Cela survient notamment dans les burst fractures (fractures compression), les fractures dislocations, les hernies discales rompues compressives post-traumatiques et les rares hématomes compressifs. Un impact seul, sans compression persistante, survient dans les lésions par hyperextension ou distraction, les luxations spontanément réduites et les lésions par effet de souffle. Une section et/ou une perte de substance peut faire suite à une blessure par arme blanche ou arme à feu . Un cas particulier est celui des lésions le plus souvent centromédullaires des canaux cervicaux étroits décompensés par un traumatisme parfois minime.

La force imprimée à la moelle aboutit à une lésion qui, dans sa plus faible expression (la commotion), entraîne de simples déficits neurologiques transitoires et dans sa plus grave, une paralysie complète et définitive. Dans le meilleur des cas, une modification de la conduction axonale prend naissance, se traduisant par une dysfonction transitoire. Dans les cas plus graves, la lésion primaire axonale (et neuronale) provoque la section des axones et la dégénérescence wallérienne du segment distal. Localement des corps cellulaires peuvent être détruits, constituant un syndrome suspendu. Cette lésion se propage par extension secondaire du tissu lésé progressant à partir de l’épicentre lésionnel et constitue l’initialisation de la lésion secondaire.

2.3.3.2

Déterminants de la lésion secondaire

La lésion secondaire débute donc immédiatement après la destruction tissulaire initiale et peut durer plusieurs jours, voire quelques semaines . À ces lésions secondaires locales qui seront résumées ci-dessous se surajoutent les conséquences systémiques secondaires du traumatisme (hypotension artérielle, vasoplégie, troubles respiratoires avec hypoxie plus ou moins hypercapnie, acidose respiratoire, voire métabolique dans les polytraumatismes, et enfin différents troubles de l’homéostasie ionique, glucidique, hormonale et thermique) qui peuvent de manière importante majorer les lésions médullaires.

La destruction tissulaire médullaire initiale entraîne la libération d’électrolytes, de radicaux libres, de fragments membranaires et de neurotransmetteurs excitateurs. Le calcium intracellulaire atteint des niveaux toxiques. Les microvaisseaux sont lieux de microhémorragies et de microthromboses. Les différentes pompes à électrolytes n’ont plus assez d’énergie pour réguler les flux ioniques, et la libération des neurotransmetteurs excitateurs active les récepteurs N -méthyl- d -aspartate (NMDA) et AMPA (activés par le α -Amino-3-hydroxy-5-méthylisoazol-4-propionates) du glutamate, induisant encore une augmentation de mobilisation du calcium intracellulaire et une consommation accrue d’énergie. Tout cela conduit à majorer l’influx intracellulaire de Na ⁺ , Ca ⁺⁺ et de Cl ⁻ et l’efflux de K ⁺ , et finalement entraîne la mort cellulaire (excitotoxicité). Celle-ci libère du glutamate, du calcium et il en résulte un cercle vicieux qui contribue à la mort neuronale et gliale des cellules voisines, et ainsi de suite. Préférentiellement, les lésions s’étendent verticalement à travers la substance grise et l’œdème transversalement dans la substance blanche. La réaction inflammatoire débute quelques minutes après la phase initiale, s’intensifie au bout de quelques heures et dure plusieurs jours. La microglie est activée ; les monocytes et lymphocytes sanguins franchissent la « barrière hématoencéphalique » lésée. Ces cellules secrètent différents facteurs chémoattractants, ce qui induit une accumulation de leucocytes au niveau de la lésion et dans la lumière des microvaisseaux adjacents. Les phénomènes mécaniques et la libération de thrombine majorent les troubles de la vascularisation. La déplétion énergétique aggrave les phénomènes de mort cellulaire par ischémie. De plus, ces cellules inflammatoires secrètent des enzymes protéolytiques (protéases) qui dégradent les protéines de la matrice extracellulaire. Cela contribue à détruire encore la barrière hématoencéphalique et favorise la propagation de l’œdème. La mort cellulaire qui résulte de tous ces mécanismes se fait soit par nécrose, soit par apopotose ou « mort programmée » , soit par autophagie . Secondairement, mais assez tôt dans la réaction inflammatoire, les macrophages participent à la résorption des zones hémorragiques et des tissus nécrosés. Ces deux phases de l’inflammation sont impliquées dans les processus de démyélinisation des axones encore épargnés. Cela débute dans les 24 premières heures après le traumatisme et augmente durant les premiers jours. Puis apparaissent une dégénérescence wallérienne, des cavitations dans la substance grise et la substance blanche et la cicatrice représente le stade final de l’évolution histopathologique . La cicatrice est composée principalement d’astrocytes et de fibroblastes .

2.3.3.3

Conclusion

Pour conclure ce très rapide et donc simpliste énoncé de la physiopathologie des TMA, il faut souligner que la très grande majorité des travaux ont été réalisés chez l’animal, souvent sur des modèles d’ischémie (plus reproductibles, mais moins physiologiques), parfois sur des modèles d’impaction ou de compression (de reproductibilité plus délicate). De plus, comme nous l’avons vu, les travaux sur l’analyse histologique des TMA chez l’homme sont plus rares .

2.3.4.1

La prévention primaire

Elle vise à empêcher la survenue de la maladie ou d’un accident, et peut prendre diverses formes, comme les campagnes préventives en matière de sécurité routière (vitesse, alcool, drogues), le fait d’obliger les individus à porter la ceinture de sécurité ou d’obliger l’industrie automobile à installer des Airbags ^® dans tous ses véhicules. En 2004, l’OMS a réalisé un rapport mondial sur la prévention des traumatismes dûs aux accidents de la circulation .

2.3.4.2

La prévention secondaire

Il s’agit du dépistage précoce et du traitement des premières atteintes. La prévention secondaire des lésions médullaires traumatiques concerne le ramassage, la neuroprotection et la chirurgie décompressive précoce. Le ramassage et le transport rapide et médicalisé (Samu, Pompiers) vers des centres médicochirurgicaux spécialisés (service de neurochirurgie ou d’orthopédie spécialisé dans le rachis) ainsi que la chirurgie précoce (principalement lorsqu’il existe une compression et/ou une instabilité majeure et que l’état du patient le permet) se sont considérablement développés ces dernières années en France . Il faut bien sûr encore progresser dans ces domaines afin d’intervenir au plus tôt (oxygénation, maintien de la pression artérielle, éventuellement décompression, etc.) sur une moelle épinière qui souffre pour limiter l’extension de la lésion secondaire. Cela devant se faire dans les meilleures conditions, sans précipitation ni dangerosité, par des équipes entraînées. La neuroprotection chimique est une autre forme de prévention secondaire qui sera traitée plus loin. La prévention secondaire concerne, par ailleurs, le dépistage des pathologies entraînant progressivement des lésions médullaires irréversibles chirurgicalement curables (par exemple : méningiome, neurinome intrarachidiens, etc.). Ce dépistage repose sur un examen clinique neurologique détaillé et la réalisation d’un examen IRM médullaire, afin d’intervenir avant que les lésions médullaires deviennent irréversibles.

2.3.4.3

La prévention tertiaire

Elle consiste à réduire les séquelles d’une maladie ou d’un accident et à favoriser la réinsertion du malade. Différentes stratégies expérimentales de réparation médullaire pourraient peut-être être appliquées dans l’avenir à l’Homme. La restauration fonctionnelle fait également partie de la prévention tertiaire et peut prendre la forme de transferts tendineux, musculaires, voire nerveux, ou de stimulation électrique (préhension : Freehand système ; miction : Brindley ; locomotion : projet SUAW ). Certaines de ces techniques sont déjà bien définies et apportent un gain fonctionnel aux patients, les autres devant être encore développées. En outre, la prévention tertiaire inclut les prises en charges médicales (douleur, spasticité, troubles trophiques, etc.), la rééducation, la réadaptation et la réinsertion socioprofessionnelle .

2.3.5.1

Les corticoïdes

Les corticoïdes et en particulier la méthylprednisolone (MP) à haute dose, et le Tirilazad (Lazaroïde) sont connus expérimentalement pour diminuer la formation de l’œdème cytotoxique, l’inflammation, la production de radicaux libres et la libération de glutamate . Les résultats des études cliniques National Spinal Cord Injury Study (NASCIS) I, II et III sont toujours débattus (efficacité modeste, complications des corticoïdes). En pratique, l’injection intraveineuse d’un bolus de 30 milligrammes par kilogramme suivi d’une injection continue à 5,4 mg/kg par heure pendant 23 heures de MP, débutée dans les huit heures après le TMA, est encore fréquemment réalisée aux États-Unis, alors que cette attitude ne fait plus partie des recommandations européennes, ni françaises d’après la conférence d’experts intitulée : « Prise en charge d’un blessé adulte présentant un traumatisme vertébromédullaire » . L’efficacité des corticoïdes sur les lésions médullaires dorsales complètes est donc probablement nulle, en revanche certaines équipes continuent à réaliser des injections de corticoïde dans les lésions médullaires cervicales incomplètes et en particulier sur les patients présentant une myélopathie cervico-arthrosique décompensée, cette pratique devrait faire l’objet d’une évaluation spécifique.

2.3.5.2

Les gangliosides

Le GM-1 est un complexe glycolipidique présent en grande quantité au niveau des membranes cellulaires du SNC des mammifères. Sa fonction exacte reste inconnue, mais son expérimentation laisse à croire qu’il favorise la croissance neuritique et la transmission synaptique. L’étude Maryland GM-1, prospective, randomisée en double insu, a évalué, contre placebo, l’efficacité du GM-1 sur la récupération motrice chez 34 patients traumatisés médullaires . Ces patients ont reçu, en intraveineux, une solution contenant 100 mg de GM-1, ou le placebo pendant trois à quatre semaines, la première injection étant réalisée avant 72 heures. Cette petite étude conclut à une récupération neurologique significativement meilleure avec le GM-1 versus le placebo. Une étude de phase III, dont la méthodologie a été critiquée, n’a pas montré formellement d’effets significatifs du GM-1.

2.3.5.3

La gacyclidine

Cette molécule dérivée de la phencyclidine présente une affinité pour les récepteurs NMDA égale à celle de la meilleure molécule de référence (MK801), et à l’inverse de cette dernière ne présente pas de toxicité propre, en raison de son profil pharmacologique original . L’essai clinique multicentrique de phase II, conduit en France avec la gacyclidine ou GK11 (étude randomisée, en double insu, pour laquelle chaque patient a reçu le placebo ou un des trois dosages du GK 11, la première injection intraveineuse étant faite au maximum deux heures après le traumatisme et la seconde injection quatre heures après la première injection) n’a pas eu globalement de résultat statistiquement significatif. En revanche, les patients présentant des lésions cervicales incomplètes ont eu un gain fonctionnel de deux niveaux métamériques à j30 et ont conservé un gain de 1,5 niveau en moyenne à un an . Mais l’effectif de cette sous-classe était insuffisant pour conclure. Il faudrait sans doute refaire une étude spécifique, mais la méthodologie est difficile, coûteuse et énergivore.

2.3.5.4

L’érythropoïétine (EPO)

Cette substance glioprotectrice et neuroprotectrice protégerait en particulier la substance blanche et les grands faisceaux descendants et pourrait prochainement faire l’objet d’un essai clinique dans les TMA.

2.3.5.5

Autres molécules et autres procédés

La mort cellulaire secondaire par apoptose (mort retardée) lors des TMA a été montrée chez l’Homme . Cependant, l’inhibition de l’apoptose comme cible thérapeutique demeure controversée, car il n’est pas sûr que les cellules préservées restent fonctionnelles. Cela étant, l’utilisation de minocycline (antibiotique réduisant l’activité microgliale) ou d’anticorps dirigés contre le CD95, réduit expérimentalement l’apoptose neuronale et gliale et s’accompagne d’effets fonctionnels chez le rongeur. De même, il a été montré que l’insuline possédait un effet anti-apoptotique dans les lésions médullaires expérimentales du rat . Des chélateurs du fer diminuent l’inflammation et favorisent la récupération motrice chez la souris .

L’hypothermie (par voie locale et/ou générale) est une méthode de neuroprotection prouvée expérimentalement, mais qui n’a jusqu’à présent fait aucune preuve de son efficacité en clinique humaine concernant les traumatismes médullaires .

Avant de conclure ce bref chapitre sur la neuroprotection, il paraît important de citer le procédé permettant de délivrer une substance neuroprotectrice à la moelle épinière par une pompe avec injection intradurale. Ces pompes peuvent être à débit fixe ou réglable. Chez l’Homme, une pompe injectant du baclofene (Lioresal ^® ) dans le liquide céphalorachidien spinal est utilisée pour limiter la spasticité chez certains patients para- ou tétraplégiques . Ce type de pompe est employé aussi pour lutter contre certains types de douleurs (pompe injectant de la morphine dans le liquide céphalorachidien spinal). Cette technique a été utilisée pour délivrer un facteur neurotrophique, le brain derived neurotrophic factor (BDNF) dans le liquide céphalorachidien de patients atteints de SLA dans le but de diminuer la mort neuronale consécutive à cette maladie. Si la technique utilisée s’est avérée fiable, l’essai n’a malheureusement montré aucun résultat bénéfique pour les patients (essai international multicentrique non publié, auquel a participé le premier auteur). Dans le futur, cet outil pourrait être utilisé pour délivrer une substance x à la moelle épinière. Cela dans le but de favoriser la repousse axonale et/ou d’injecter une substance ayant une action pharmacologique permettant à une fonction médullaire de s’exprimer ou de réapparaître.

Différents matériaux (collagène, fibrine, Matrigel™, méthylcellulose, etc.) contenant différents facteurs neurotrophiques et autres facteurs de croissance sont actuellement à l’étude chez l’animal. Lorsque ces guides sont implantés au niveau d’une section médullaire chez le rat, ils favorisent plus ou moins la repousse axonale de certains neurone issus du tronc cérébral et peuvent s’accompagner d’effets fonctionnels .

2.3.6.1

Régénération : moduler la cicatrice gliale et diminuer l’inhibition de la repousse axonale [50,129]

La formation de la cicatrice gliale débute dès les premiers jours après le traumatisme. Les astrocytes deviennent hyperplasiques et hypertrophiques (astrocytes réactifs). Participent également la microglie, et autres cellules inflammatoires, des oligodendrocytes, des fibroblastes et diverses molécules inhibitrices de la repousse axonale (dont les protéines associées à la myéline). Les stratégies expérimentales visant à diminuer la formation de la cicatrice gliale peuvent être de plusieurs ordres. La radiothérapie précoce à faible dose chez le rat favorise la récupération fonctionnelle . L’injection locale d’éthidium bromide (EtBr) ou d’anticorps spécifiques, ou l’injection systémique d’interleukine-10 (IL-10) diminuent la réaction inflammatoire et/ou la prolifération cellulaire et diminuent la formation de la barrière astrocytaire de manière significative en conditions expérimentales. L’injection locale de 7β-hydroxycholestéryl-oléate (connu pour des effets cytotoxiques en cancérologie) diminue la réaction astrocytaire, et favorise la repousse des voies sérotoninergiques . L’utilisation expérimentale de la thérapie génique (virus dirigés contre les astrocytes) neutralise l’hyperplasie astrocytaire. L’utilisation de souris transgéniques a montré que le blocage de la synthèse de la protéine gliofibrillaire acide ( glial fibrillary acidic protein [GFAP]), normalement fabriquée par les astrocytes activés, est un élément important pour la permissivité astrocytaire .

Les stratégies visant à bloquer les molécules inhibitrices de la repousse axonale sont également de divers ordres. L’injection locale de chondroïtinase (enzyme dégradant certaines molécules de la matrice extracellulaire) favorise la récupération fonctionnelle chez le rat lésé par hémisection ou contusion médullaire ; et la combinaison avec des transplantations de cellules de Schwann, et/ou des cellules engainantes olfactives permet une régénération des fibres de chaque côté d’une section médullaire et reconnecte différents noyaux du tronc cérébral .

Les protéines inhibitrices issues de la myéline (Nogo-A, MAG et Omgp) bloquent la capacité intrinsèque des axones à repousser . L’application d’anticorps (associés le plus souvent à des facteurs neurotrophiques) permet la repousse axonale de différents neurones, dont les corticospinaux. Les mécanismes d’action restent controversés . L’injection de macrophages et/ou de lymphocytes activés pourrait entraîner des problèmes d’immunisation à long terme et éventuellement des phénomènes de démyélinisation. Quelques essais cliniques sont en cours .

2.3.6.2

Régénération : facteurs favorisant la repousse axonale

De nombreuses substances, dispositif expérimentaux, ou greffes sont connues pour favoriser la régénération axonale . L’un des plus démonstratifs, concernant l’interface SNC-SNP, est l’exemple de greffe « pont » entre, d’une part, la moelle épinière et, d’autre part, un muscle dénervé, un nerf ou des racines motrices, par l’intermédiaire d’un fragment de nerf périphérique qui sert de tuteur à la repousse axonale depuis la moelle épinière jusqu’à la cible choisie. Plus précisément, illustrons le modèle de base développé par Jean-Claude Horvat . Il s’agit d’un modèle de reconnexion fonctionnelle entre la moelle épinière et un muscle dénervé par un greffon de nerf périphérique (GNP) autologue, chez le rat adulte. Un fragment de nerf est introduit d’un côté dans la moelle épinière et de l’autre côté dans un muscle dénervé. Après un à deux mois, le GNP est stimulé ; on obtient alors une contraction du muscle. Ensuite on peut effectuer un marquage axonal de manière rétrograde dans le muscle ou à l’extrémité du GNP ; après 48 heures, ce marqueur est transporté jusque dans la moelle épinière. Des neurones médullaires ont donc repoussé des axones depuis la moelle jusqu’au muscle reconnecté. Au niveau médullaire, les analyses histologiques, immunohistochimiques et ultrastructurales ont montré que des neurones moteurs avaient participé à cette repousse axonale observée. De l’autre côté, au niveau du muscle réinnervé, les analyses histologiques ont montré que de nouvelles jonctions neuromusculaires avaient été formées.

Les équipes de Nantes et du Kremlin-Bicêtre ont, en collaboration, réalisé une intervention (reposant sur la méthodologie décrite précédemment) chez quelques patients paraplégiques complets et stabilisés. L’opération a constitué à reconnecter, par l’intermédiaire de GNP, la moelle épinière sus-lésionnelle (au-dessus de la lésion) directement aux racines ventrales (L2 à L4) (dépendantes avant cette intervention du territoire sous-lésionnel). Neuf mois après l’opération, des signes électromyographiques (EMG) et cliniques de ré-innervation musculaire des muscles du patient ont été observés. La contraction des muscles adducteurs et du quadriceps gauche était visible . Cette technique née de la réflexion et des expérimentations préalables a montré qu’il était possible d’influer sur la régénération axonale chez l’homme, qu’elle était réalisable sans complication particulière, mais elle n’a pas apporté, encore à ce jour, de fonctionnalité supplémentaire pour le patient. D’une manière générale, les essais chez l’Homme vont très probablement se développer, mais il ne faut pas en attendre des résultats extraordinaires dans l’immédiat ; ces essais permettront, en revanche, de faire avancer la recherche et de sélectionner les stratégies les plus prometteuses.

2.3.6.3

Cellules engainantes olfactives ou olfactory ensheathing cells (OEC)

Les cellules OEC sont des cellules gliales particulières. Elles se situent à l’interface entre le système nerveux central et la muqueuse nasale (sous et au niveau du bulbe olfactif). À cet endroit, les petites fibres nerveuses sont soumises à des contraintes très particulières et nécessitent un renouvellement. Grâce à ces cellules de soutien appelées cellules engainantes olfactives, les cellules nerveuses peuvent se régénérer. Les travaux de Ramon-Cueto et al. , et de nombreuses autres recherches ont montré que des transplants d’OEC favorisaient la régénération neuronale . Par exemple, des transplants d’OEC permettent l’entrée d’axones de la racine dorsale dans la moelle épinière, la régénération d’axones corticospinaux après lésion électrolytique et transsection des nerfs périphériques, la remyélinisation des colonnes dorsales après irradiation aux rayons X et la régénération d’axones de la moelle épinière. Une amélioration fonctionnelle a également été observée lorsque les cellules engainantes ont été greffées après lésion du tractus corticospinal, après transsection de la moelle épinière ou section de nerfs dorsaux sacrolombaires. Il a été montré que des cellules engainantes extraites de bulbes olfactifs humains peuvent remyéliniser des axones démyélinisés. Enfin, le pouvoir thérapeutique des cellules engainantes a été mis en évidence lors d’expérience sur la restauration de la respiration et de la locomotion après lésion de la partie supérieure de la moelle épinière. Trois équipes dans le monde ont, pour l’heure, greffé des cellules engainantes olfactives chez l’Homme. Les équipes portugaise et australienne utilisent des cellules adultes autologues, c’est-à-dire directement prélevées sur l’individu, de plus ce prélèvement peut-être réalisé très simplement par voie endonarinaire. Tandis que l’équipe chinoise transplante des suspensions cellulaires embryonnaires contenant des cellules engainantes olfactives (provenant de fœtus humains prélevés lors d’avortement). Le Dr Huang a opéré plus de 500 patients, mais cette technique est critiquée dans la littérature, puisqu’elle n’a fait l’objet d’aucune évaluation scientifique rigoureuse . La technique consiste à introduire, au-dessus et en dessous de la lésion médullaire, environ un million de cellules embryonnaires. Sous l’incision cutanée, il est effectué une petite laminectomie, puis une ouverture durale. L’injection des cellules engainantes olfactives embryonnaires est effectuée directement dans la moelle épinière sous microscope opératoire. D’une manière générale, ces opérations ont apporté des éléments intéressants (expérimentaux, témoignages, etc.), mais rien n’a été formellement évalué chez l’Homme. Compte tenu de l’absence d’identification des cellules greffées et des risques (infectieux et généraux) liés à l’implantation de cellules embryonnaires, les auteurs ne conseillent pas, actuellement, cette technique. En revanche, si une évaluation à venir montrait des effets positifs importants, cette technique pourrait être développée dans des conditions conformes aux bonnes pratiques . Concernant le seul véritable essai clinique réalisé chez l’homme avec des OEC autologues, prélevées par voie narinaire, c’est-à-dire celui réalisé en Australie avec trois patients greffés et trois patients témoins, il n’y a eu aucune complication . Les résultats récents concluent à l’absence d’effet fonctionnel significatif et à l’absence de phénomène douloureux suite à cette intervention chirurgicale. Il est cependant noté qu’un patient transplanté a présenté une amélioration de plus de trois métamères concernant la sensibilité au tact fin et à la piqûre, de manière bilatérale . Un essai de phase II pourrait peut-être être envisagé en impliquant des équipes européennes.

2.3.6.4

Cellules souches et/ou progénitrices

Le dogme d’absence de possibilité de genèse de nouveau neurone dans le SNC des mammifères adultes a récemment été contredit. Il existe dans certaines régions du SNC des mammifères et y compris chez l’homme (hippocampe, région périventriculaire), des cellules dites souches, capables de se multiplier et de se différentier en neurone . Des cellules souches et/ou progénitrices existent dans la moelle épinière de mammifère et sont retrouvées dans la moelle épinière humaine . Les cellules souches représentent actuellement un espoir dans le traitement de nombreuses pathologies. Concernant la réparation du SNC, trois types différents de cellules souches sont principalement utilisés en expérimentation : les cellules souches embryonnaires, les cellules souches mésenchymateuses de la moelle osseuse et les cellules souches neurales . Elles sont le plus souvent transplantées, mais elle peuvent aussi être recrutées . Elles peuvent être combinées avec des hydrogels , et suivies après la greffe, in vivo, par IRM . Elles peuvent également être génétiquement modifiées pour, par exemple, synthétiser un facteur neurotrophique. Parmi les nombreuses publications à ce sujet, nous détaillerons trois exemples (deux chez l’Homme – un essai clinique et un travail de recherche fondamental – et un chez l’animal qui est une combinaison de différentes stratégies).

Un essai clinique a été mené par nos collègues de Tchéquie sur un groupe de 20 patients . Des cellules souches ont été prélevées dans la moelle osseuse chez des patients ayant eu un TMA dans un délai de dix à 467 jours après le traumatisme. Ces cellules autologues ont été triées puis réinjectées par voie artérielle ou veineuse chez le même patient. Les résultats fonctionnels semblent meilleurs lorsque l’injection a été faite au niveau artériel et lorsque l’injection a été précoce. Cependant, le seul résultat important est retrouvé chez un patient cervical incomplet. Il est difficile de faire la part des choses entre l’évolution spontanée et l’effet du traitement dans ce dernier cas ; des études expérimentales complémentaires sont en cours.

Un travail collaboratif coordonné par le premier auteur (LB), est actuellement mené par le CHU de Montpellier, l’Inserm U583, et l’Établissement français des greffes. Ce travail porte sur l’analyse histologique, biologique et la culture de cellules obtenues à partir de moelle épinière humaine dorsolombaire, prélevée lors de dons d’organes à visée thérapeutique, selon les règles de l’Établissement français des greffes et le respect du don du corps. Le premier objectif de ce travail est de rechercher des cellules progénitrices et/ou souches neurales et gliales (astrocytaires et oligodendrogliales) dans la moelle épinière humaine (travail réalisé par le groupe de J.-P. Hugnot). Si de telles cellules sont isolées, des études in vitro, puis in vivo seront menées dans un but thérapeutique.

Les premiers résultats sont les suivants :

• •
  

  des cellules du système nerveux central survivent aux modalités du prélèvement ;

  
  
• •
  

  certaines de ces cellules sont capables de se multiplier et de former des neurosphères de première génération ;

  
  
• •
  

  certaines de ces cellules ont les caractères ultrastructuraux (analyse en microscopie électronique) des cellules souches et/ou progénitrices ;

  
  
• •
  

  certaines de ces cellules mises en culture sont capables de se différencier dans les trois lignées (neuronale, astrocytaire et oligodendrocytaire).

Cette étude est incorporée dans un projet européen préclinique, coordonné par l’un des auteurs (A.P.). Intitulé RESCUE, ce projet européen a pour mission d’étudier et de caractériser différents types de cellules souches en vue d’une application clinique éventuelle dans les lésions médullaires.

Le troisième exemple est une expérimentation menée chez l’animal concernant une cotransplantation de cellules souches (provenant de l’hippocampe de rats néonataux) et de cellules de Schwann (cellules provenant de nerfs sciatiques et de plexus brachiaux de rats néonataux). Ces dernières ont été génétiquement modifiées par un adénovirus pour produire du NT3 qui est un facteur neurotrophique . Les rats greffés ont subi une section médullaire dorsale complète. Sur le plan fonctionnel et schématiquement, les rats lésés ont les pattes arrières qui traînent ou tombent dans les trous de la grille qu’ils tentent de gravir ; les rats transplantés avec des cellules souches parviennent à fléchir partiellement les pattes ; et les rats ayant bénéficié d’une cotransplantation de cellules souches et de cellules de Schwann génétiquement modifiées sont, quant à eux, capables de grimper sur un plan incliné. Cette expérimentation suscite quelques commentaires. Tout d’abord, ces résultats doivent être confirmés avant d’être considérés comme validés. Ensuite, cette expérimentation est-elle applicable à l’homme ? En outre, se posent des problèmes concernant : (1) les dimensions de la moelle épinière chez l’Homme par rapport à celle du rat, (2) l’injection de cellules souches, (3) le prélèvement de cellules de Schwann et la transfection virale. La difficulté n’est pas toujours insurmontable, mais dans le cas présent des expérimentations complémentaires sont nécessaires. Si une application à l’Homme est envisagée, elle devra être menée dans le cadre d’un protocole clinique permettant d’évaluer objectivement les effets positifs et secondaires observés et en premier lieu chez un nombre limité de patients.