Les fractures du col du fémur ne sont pas dues uniquement à une densité osseuse insuffisante. La nanostructure de l’os – c’est-à-dire l’orientation des fibres de collagène dont sont faits les os – joue elle aussi un rôle important. C’est ce que suggèrent les analyses conduites par des scientifiques de l’Institut Paul Scherrer PSI à l’aide d’une nouvelle méthode aux rayons X.

Lorsqu’une personne se fracture la hanche à la suite d’une chute, c’est très souvent au niveau du col du fémur, cette partie étroite de l’os située juste en dessous de l’articulation de la hanche. Souvent, ces accidents surviennent avec l’âge, lorsque l’os a perdu de sa densité. La plupart du temps, il se fracture au niveau de l’extrémité supérieure du col du fémur, où il est en général nettement plus poreux qu’au niveau de l’extrémité inférieure.

Mais ce lien n’existe pas toujours: parfois, le col du fémur se fracture alors qu’il n’est pas poreux. A l’aide de la Source de Lumière Suisse SLS et de mesures réalisées au synchrotron suédois MAX IV, des scientifiques du PSI viennent de découvrir à quoi ce phénomène pourrait être dû: à une modification de la nanostructure de l’os.

Une nouvelle méthode aux rayons X offre des aperçus détaillés
L’équipe emmenée par Marianne Liebi, cheffe de projet et chercheuse au Centre des sciences photoniques du PSI, a étudié des échantillons d’os, prélevés chaque fois par deux sur 78 cols du fémur, avec une nouvelle technique d’imagerie. Chaque paire d’échantillons provenait du même col du fémur: l’un des échantillons avait été prélevée au niveau de l’extrémité supérieure et l’autre au niveau de l’extrémité inférieure. L’équipe de l’Université de Berne les a réceptionnés et ses spécialistes ont participé à leur analyse dans le cadre d’un projet de recherche commun. Comme technique, les scientifiques ont utilisé la tomographie par tenseur de diffusion des rayons X aux petits angles, ou small-angle X-ray scattering tensor tomography en anglais (abrégée SAXS-TT). Elle combine l’analyse des signaux dits de diffusion aux petits angles d’une radiographie à haute résolution avec la tomographie 3D, c’est-à-dire avec une image prise sous différents angles. Cette méthode a été mise au point au PSI au cours de la dernière décennie et été testée pour l’analyse de différents matériaux, dont les os.

Visualiser l’agencement des fibres de collagène
L’analyse des paires d’échantillons prélevées sur les 78 cols du fémur a porté notamment sur les fibres de collagène dont l’os est composé et qui sont mille fois plus fines qu’un cheveu. Hormis la diminution de la densité osseuse au niveau de l’extrémité supérieure du col du fémur, ces travaux ont mis en évidence un autre facteur: la différence de disposition des fibres de collagène entre l’extrémité supérieure et l’extrémité inférieure. Au niveau de l’extrémité inférieure, elles sont alignées de manière bien parallèle, ce qui leur permet de bien amortir les forces qui s’exercent sur le col du fémur. Alors qu’elles sont plus désordonnées, plus obliques, voire carrément entrecroisées au niveau de l’extrémité supérieure, et donc moins flexibles. «A cela s’ajoute un autre aspect: au niveau de l’extrémité supérieure, les plaquettes minérales présentent une disposition moins régulière et sont formées différemment», ajoute Torne Tänzer, premier auteur de l’étude, qui travaille comme doctorant dans le groupe de Marianne Liebi. Les plaquettes minérales d’un os sont de minuscules lamelles de phosphate de calcium disposées entre les fibres de collagène, qui stabilisent ces dernières.

On suppose que la disposition des fibres et des plaquettes pourrait influencer la stabilité des os. «Nous voulons examiner la validité de cette thèse dans le cadre d’autres études, en menant des essais mécaniques avec des cols du fémur présentant des structures différentes», explique Torne Tänzer. Cela permettra de montrer si une structure irrégulière augmente bel et bien le risque de fracture osseuse: «Nous serons alors probablement en mesure de dire dans quelle mesure de telles modifications de la nanostructure sont également liées à l’âge», avance encore le chercheur.

Les scientifiques espèrent que leurs travaux contribueront à une meilleure compréhension générale de la structure des os et à leur analyse. Ils pourraient par ailleurs faire avancer la recherche fondamentale sur la mécanique de l’os: «Les méthodes permettant d’étudier les matériaux biologiques à l’échelle nanométrique, aussi bien sur le plan structurel que sur le plan mécanique, ne cessent d’évoluer, rappelle Marianne Liebi. Nous montrons ce que ces avancées permettent déjà d’accomplir aujourd’hui et dans quelle direction elles pourraient évoluer à l’avenir.»

Des prises de vue plus rapides grâce à la mise à niveau de la SLS
Lors de futures études, les scientifiques pourront profiter de la récente mise à niveau de la SLS, au cours de laquelle l’anneau complet de stockage d’électrons et son millier d’aimants de haute précision ont été remplacés, augmentant de plusieurs fois l’intensité et la brillance de la source de rayons X. Désormais, on peut obtenir des prises de vue nettement plus détaillées qu’auparavant moyennant un temps de mesure considérablement réduit.

«Nous n’avons pu réaliser des visualisations complètes en 3D que d’une seule paire d’échantillons sur les 78 cols du fémur, car la technologie utilisée jusque-là était très chronophage et incroyablement complexe», raconte Torne Tänzer. La tomographie 3D nécessitait une journée entière par cliché, alors que les mesures de couches minces en 2D, menées au synchrotron suédois MAX IV pendant la mise à niveau de la SLS, ne prenaient que vingt minutes. Sur la base de leurs rares exemples en 3D, les scientifiques ont réussi à tirer des conclusions pour les autres échantillons considérés uniquement en 2D, ce qui leur a permis de mieux interpréter les données en 2D. «Avec la mise à niveau de la SLS, nous pourrons désormais analyser beaucoup plus d’échantillons en 3D, conclut Torne Tänzer. Cela permettra d’enrichir considérablement les connaissances.»