Choroba dyskowa Leczenie nieoperacyjne Physiotherapy & Medicine www.pandm.org Biomechanika kręgosłupa lędźwiowego oraz problemy niestabilności i rozkładu obciążeń na podstawie badań własnych i doniesień z piśmiennictwa. Biologia krążka międzykręgowego aktualny stan wiedzy Rozkład sił i obciążeń w segmencie ruchowym odcinka lędźwiowego kręgosłupa na podstawie badań własnych i doniesień z piśmiennictwa K. Rąpała, St. Łukawski Klinika Ortopedii CMKP w Otwocku W celu wyjaśnienia tych zjawisk przeprowadzono badania na trójwymiarowych modelach kręgu wykonanych z żywicy epoksydowej. 1

Elastooptyczna metoda naprężeń opiera się na szczególnych własnościach materiałów przeźroczystych takich jak, szkło, żywica epoksydowa. Narzędziem elastooptyki jest światło spolaryzowane, czyli uporządkowane fale elektromagnetyczne Płaskie modele rzeczywistych modelów obciążane i jednocześnie obserwowane w przechodzącym przez nie świetle spolaryzowanym wykazują efekty elastooptyczne ściśle związane z panującym w nich stanem odkształcenia Wyniki analizy płaskich próbek pobranych z modelu trójwymiarowego o nieznanych kierunkach naprężeń nie zawierają informacji o przestrzennym stanie naprężeń w badanym modelu Analiza płytek. Płytki wycinano z miejsc zaznaczonych na modelu 2

Analizę wytężeń materiału wg. hipotezy Hubera przeprowadzono w kostkach pobranych z więziny łuku, nasady łuku i ze środkowej części trzonu kręgowego. Pola przekrojów podzielono na prostokąty odpowiadające poszczególnym kostkom. Obszar najbardziej zagrożony zniszczeniem należał do węziny łuku. węzina łuku Zagrożenie zniszczeniem danego obszaru wykonanego z materiału plastycznego poddanego przestrzennemu stanowi naprężeń można opisać stosując hipotezę Hubera i obliczając tzw. naprężenie zredukowane Równanie hipotezy Hubera Znajomość tego stanu jest jednak konieczna dla oceny stanu zagrożenia zniszczenia modelu Ocena stopnia zagrożenia zniszczenia modelu może być dokonana metoda badania małych prostopadłościennych kostek pobieranych z zamrożonego modelu elastooptycznego Stanowi to podstawę do analizy naprężeń w modelu, który spełnia kryteria podobieństwa modelowego 3

Podjęte zostały badania, które umożliwiłyby prześledzenie udziału poszczególnych części kręgu w przenoszeniu obciążeń. Modele te spełniały jedynie kryterium podobieństwa geometrycznego Nieliczne dane z piśmiennictwa informują, że największe obciążenia przenoszone są przez trzony kręgowe, a znacznie mniejsze przez tylne elementy łuku kręgowego Galante J., Acta Orthop. Scand. 1967 Suppl. 100, Jaremko J., Mierzwa J.: Chir. Narz Ruchu i Ortop. Polska 1976, 41, 643 646; Nachemson A.: Acta Orthop. Scand 1973, 33, 183-207; Piwnica A., Guille J.C.: Ann. Chir., 1958, 12, 1958-1967 Obserwowane tylko u człowieka przerwanie węziny łuku sugeruje, że okolica ta jest najbardziej zagrożonym elementem łuku w związku ze zmniejszoną wytrzymałością mechaniczną i wysokich naprężeń działających w tym obszarze. Przedstawiona metoda badania naprężeń i zagrożenia zniszczeniem metodą cięcia modelu na płytki i kostki wskazuje, że nasada i więzina łuku są obszarem o wysokiej koncentracji naprężeń. Przeprowadzone eksperymenty potwierdzają, że czynnik przeciążenia w patogenezie kręgoszczeliny i wtórnej niestabilności segmentu ruchowego powinien być brany pod uwagę. 4

Kliniczna definicja niestabilności Niestabilność jest to niezdolność do zachowania prawidłowych stosunków anatomicznych segmentu ruchowego w pozycji stojącej człowieka. Istnieje wiele obiektywnych pomiarów istniejącej niestabilności, które w tym wystąpieniu będą pominięte Podsumowanie 1. Elastooptyczne metoda badania naprężeń w obciążanym trójwymiarowym modelu kręgu wykazała, że: największe naprężenia znajdują się w obrębie nasady i więziny łuku kręgowego 2. Analiza wytężenia materiału (metoda kostek) wskazuje, że obszar najbardziej zagrożony zniszczeniem należy do węziny łuku. Dane z piśmiennictwa - nowe kierunki badań - Dokąd zmierzamy? 5

Zmiany zwyrodnieniowe krążka międzykręgowego i ich wpływ na rozkład obciążeń w przedniej części trzonu. Czy jest to przyczyna złamań osteoporotycznych?. Badanie i mechaniczne testowanie segmentu ruchowego kręgosłupa na zwłokach. Wstęp. Pomiary utraty kości nie w pełni tłumaczą wzór (rodzaj) złamań osteoporotycznych kręgosłupa. Metody. 33 segmenty ruchowe zwłok (w wieku 19-82 lata) były poddane kompresyjnemu obciążeniu 24 N podczas symulowanej pozycji stojącej i skłonie w przód. Obciążenie wewnątrz dyskowe było mierzone w każdym ustawieniu poprzez mini testerowy przekaźnik obciążenia wzdłuż osi strzałkowej krążka międzykręgowego. Profile obciążeń były następnie integrowane w celu obliczenia siły działającej na przednią i tylnią połowę trzonu. 6

Wyniki. W segmentach ruchowych z nieuszkodzonym krążkiem międzykręgowym L5 S1 procent sił kompresyjnych działał na łuk kręgowy a siły były zawsze przenoszone przez trzon. Niezależnie od postawy w krążkach z poważnymi zmianami zwyrodnieniowymi obciążenie na łuk kręgowy wzrastało do 40% w pozycji wyprostowanej. Siły ściskające działające na trzon skupiały się w części przedniej przy zgięciu i w części tylnej przy wyproście. Procentowy rozkład obciążeń segmentu ruchowego W przeproście 44 48 8 19 41 40 44 48 8 19 41 40 W zgięciu 58 40 2 59 38 3 Wielkość obciążeń na modelu geometrycznym jest zbliżona do obciążeń stwierdzanych na modelu anatomicznym kręgosłupa ustawionym w przeproście 7

Wnioski. Poważne zmiany zwyrodnieniowe powodują zmniejszenie obciążenia w części przedniej trzonu podczas stania i bardzo duże zwiększenie obciążenia podczas zgięcia. To może tłumaczyć, dlaczego obszar ten jest miejscem złamań osteoporotycznych. Dlatego zgięcie często prowadzi do urazu. Rozkład obciążeń przeprowadzony na modelu geometrycznym segmentu ruchowego przeprowadzony metodami elastooptycznymi był zbliżony do rozkładu sił na modelu anatomicznym, którego krążek międzykręgowy wykazywał zmiany zwyrodnieniowe Leczenie biologiczne zmian zwyrodnieniowych krążka międzykręgowego 8

Biologic Treatment for Intervertebral Disc Degeneration: Summary Statement Phillips Frank, An Howard Spine vol. 28 (15S) Suppl, August 1, 2003.S99 W ubiegłych dekadach dużo uwagi skupiono na biomechanice zmian zwyrodnieniowych krążka międzykręgowego Bardziej współczesne badania skupiły się na zrozumieniu biologii procesów zmian zwyrodnieniowych krążka Możliwości manipulowania architekturą i biologią krążka poprzez bezpośrednią aplikację czynników wzrostu lub poprzez terapię genową mogą zatrzymać lub zwolnić procesy degeneracji krążka. Badania z wykorzystaniem technik genowych potwierdziły istnienie możliwości zastępowania najważniejszych składników krążka. Zawartość ich zmniejsza się wraz z nasilaniem zmian zwyrodnieniowych Leczenie poprzez bezpośrednie wstrzyknięcie białek stymulujących do krążka w celu pobudzenia procesów naprawczych jest ograniczone przez stosunkowo krótki czas ich półtrwania. Może to ograniczać skuteczność leczenia in vivo przewlekłych zmian zwyrodnieniowych. Możliwości regulowania in vivo produkcji BMP wraz z technikami inżynierii tkankowej mogą wzmacniać potencjał naprawy krążka międzykręgowego w przypadkach, uszkodzenia pierścienia włóknistego (discectomia lub przepuklina jądra miażdżystego) 9

Strategia ta wymaga biointegracji tkanki wszczepionej do krążka i korzystnych zachowań biomechanicznych implantu. Strategie terapii genowej oferują możliwości utrzymania syntetycznych białek w krążku. Informacje z literatury podają, że krążek międzykręgowy wydaje się być uprzywilejowany immunologicznie i działanie podanych genów trwa co najmniej rok Prowadzone są badania i poszukiwania specyficznych genów, które będą optymalnie korzystne do zastosowania Większość aktualnych modeli zwierzęcych związana jest z uszkodzeniem fizycznym lub chemicznym krążka międzykręgowego. Nie zawsze odpowiada to biologii zmian zwyrodnieniowych ludzkiego krążka. Bezpośrednie zastosowanie wyników doświadczeń biologicznych na zwierzętach, dotyczących uzupełniania matrycy dysku, mają pewne ograniczenia w zastosowaniu tej terapii u ludzi. Naukowcy nadal pracują nad technikami i modelami, które mogą pomóc w badaniach dotyczących biologicznego leczenia choroby dyskowej. 10

Rozważając przyszłościowe zastosowanie tych technologii należy docenić delikatną granicę pomiędzy fizjologicznym procesem starzenia się krążka, a jego chorobą, która może powodować objawy bólowe Wprowadzenie nowych technologii, zdolnych do zatrzymania procesów zwyrodnieniowych krążka poprzez pobudzenie matryc dysku, jest uzasadnione biologicznie. Jednak nie zawsze może to być właściwe w leczeniu normalnego procesu starzenia się krążka. Prawdopodobne jest to, że te techniki będą stosowane w leczeniu bolesnego dysku we wczesnym okresie zmian zwyrodnieniowych. Tylko próby kliniczne mogą określić, czy uzupełnienie matrycy dysku i odbudowanie wysokości krążka zmniejszy bóle pochodzenia dyskowego. Zanim jednak strategie te będą brane pod uwagę w próbach klinicznych potencjalna toksyczność białek i genów musi być bardzo dokładnie przebadana. Dodatkowy wpływ tych produktów na elementy nerwowe musi być oceniony przed zastosowaniem klinicznym. 11

Złe doświadczenia z leczeniem chymopapainą potwierdziły, że mimo iż była to logiczna metoda postępowania, to została zaniechana ze względu na powikłania związane z wstrzyknięciami leku do krążka międzykręgowego Leczenie chymopapainą zostało zarzucone ze względu na niekorzystny wpływ na rdzeń kręgowy, korzenie nerwowe i naczynia krwionośne (Zespół Brown-Sequarda, paraplegia, zapalenia rdzenia) Smith L. Enzyme dissolution of nucleous pulposus in humans. JAMA 1964;1:97-137. Biologiczny i biomechaniczny wpływ obciążeń międzykręgowych na krążek międzykręgowy ogona myszy. 1998 Volvo Award Winner in Biomechanical Studies: Compression Induced Degeneration of the Intervertebral Disc: An in Vivo Mouse Model and Finite Element Study Lotz Jeffrey, Colliou Olivier Spine, Vol. 23 (23) December 1, 1998. 2493-2506 Celem badań było Ustalenie, czy statyczny docisk in vivo zmienia biologiczną aktywność krążka i czy prowadzi do zmniejszenia wytrzymałości biomechanicznej. Założenie pracy Statyczna kompresja, która przewyższa ciśnienie krążka, zmienia uwodnienie i wewnątrzdyskowy rozkład obciążeń 12

Zmiany w uwodnieniu i obciążeniu są związane ze zmianami aktywności komórek krążka i innych tkanek kolagenowych in vivo. Metody. 1. Ogon myszy obciążano in vivo aparatem zewnętrznym przez tydzień. Z trzech różnych pomiarów obciążeń analizowano krążki pod względem wytrzymałości biomechanicznej, morfologii, aktywności komórkowej i zdolności do życia 2. Kolejna grupa myszy miała możliwości regeneracji przez miesiąc po jednotygodniowym obciążaniu w celu oceny zdolności krążka do regeneracji. cd. 2 Pomocą w interpretacji danych histologicznych i biologicznych była analiza elementów skończonych w celu przewidywania specyficznych zmian obciążanych tkanek Wnioski. Wyniki badań wskazują, że statyczne obciążenia zapoczątkowują wiele szkodliwych działań w zależności od dawki obciążenia: dezorganizację pierścienia włóknistego, wzrost apoptozy, spadek liczby jąder w komórkach, zmniejszenie regulacji kolagenu 2 zmniejszenie ekspresji genu proteoglikanu Agrrecan. Aggrecan jest skrótową nazwą AGGREGATING CHONDROITIN SULPHATE PROTEOGLICAN. Jest najlepiej przebadanym proteoglicanem, występuje w obfitości, stanowi 10% suchej masy chrząstki (chrząstka jest zbudowana w 75% z wody) 13

Zawartość Aggrecan w zależności od wieku Model elementów skończonych wykazuje spadek napięcia włókien kolagenowych i zwiększenie obciążenia w matrycy w tych obszarach pierścienia, w których podczas obciążenia doszło do śmierci komórek, a które zostały zastąpione przez chondrocyty w czasie 4 tygodniowej regeneracji Jest to zgodne z sugestiami innych autorów, że fenotyp komórkowy w tkankach kolagenowych jest wrażliwy na wielkość obciążenia działającego na tkanki Czynniki odpowiedzialne za apoptozę i różnicowanie fenotypu komórek w wyniku działającego obciążenia pozostają niezmienne, to badania i wyniki sugerują, że utrzymanie prawidłowego obciążenia krążka może być ważną podstawą strategii łagodzenia zmian zwyrodnieniowych i zapoczątkowania naprawy dysku. Transport chondrocytów krążka międzykręgowego na modelu psa. Disc Chondrocyte Transplantation in a Canine Model: A Treatment for Degenerated or Damaged Invertebral Disc. Ganey Timothy, Libera Jeanette. Spine vol. 28 (23), December 1, 2003.2609-2620. 14

Zmiany zwyrodnieniowe krążka to choroby tzw. matrycy. Chondrocyty, które zostały usunięte z uszkodzonej tkanki chrzęstnej utrzymują swoje zdolności do proliferacji i sekrecji komponentów matrycy oraz odpowiadają na stymulacje fizyczne jakim jest obciążenie dynamiczne. Cel badań Celem badań było zbadanie czy komórki kontynuują funkcje metaboliczne po transplantacji. Uwaga Nie ma dowodów na długoterminową integrację przeszczepionych komórek u takich gatunków jak: szczury i króliki. Nie ma również badań kontrolnych o czasie obserwacji dłuższym od 1 roku. Materiał i metody. Chondrocyty krążka były pobrane i rozmnażane w określonych warunkach i następnie dokonano transplantacji własnych chondrocytów temu samemu zwierzęciu przezskórnie Wyniki. - wszczepiane chondrocyty były badane po 12 tyg. Stwierdzono, że miały one możliwość rozwoju, co zostało potwierdzone histopatologicznie. - wszczepione chondrocyty produkowały matrycę o podobnym składzie do normalnej tkanki krążka. - po transplantacji kolagen 1 i 2 był widoczny w krążku. - istniała istotna statystycznie różnica pomiędzy transplantacją komórek, a zwiększeniem się dysku. Informacja końcowa Autologiczna transplantacja jest technicznie możliwa i ważna biologicznie w naprawie uszkodzeń i zmniejszenia zmian zwyrodnieniowych. 15

Może to mieć szczególne znaczenie w technikach leczniczych w których odległa ekspresja produktów końcowych są prawdopodobne 16