Дино Самарцис

1 Катедра по ортопедия и травматология, Университет в Хонг Конг, Хонконг, SAR, Китай

Яро Карпинен

2 Катедра по физикална и рехабилитационна медицина, Институт по клинична медицина, Университет в Оулу и Център за медицински изследвания Оулу, Оулу, Финландия

Джейсън Пуй Ин Чън

1 Катедра по ортопедия и травматология, Университет в Хонг Конг, Хонконг, SAR, Китай

Джефри Лоц

3 Катедра по ортопедична хирургия, Калифорнийски университет в Сан Франциско, Сан Франциско, Калифорния, САЩ

Резюме

Болката в кръста (LBP) е най-изтощителното състояние в света. Дегенерацията на диска се разглежда като силна детерминанта, свързана с LBP. Наднорменото тегло и затлъстяването са опасения за общественото здраве, които засягат всяко население по света и чието разпространение продължава да расте. Проучванията показват силни връзки между наднорменото тегло/затлъстяването и дегенерацията на диска, както и LBP. Тази обща статия за преглед на разказа разглежда различните механизми, които могат да бъдат включени, водещи до дегенерация на диска и/или LBP при определяне на наднорменото тегло/затлъстяването. По-специално, нашата цел е да повишим осведомеността за ролята на мастните клетки и тяхното участие чрез променен метаболизъм или освобождаване на адипокини, както и други пътища, които могат да доведат до развитието на дегенерация на диска и LBP. Разбирането на ролята на мазнините в този процес може да помогне за разработването на нови биологични терапии и технологии за спиране на прогресията или регенериране на диска. Освен това, с генетичния напредък и оценката на генетичната епидемиология, по-персонализираният подход към грижата за гръбначния стълб може да разгледа ролята на мазнините във всякакви превантивни, терапевтични и/или прогнозни модалности към диска и LBP.

Болката в кръста (LBP) е сериозно инвалидизиращо състояние, което представлява вредни социално-икономически последици, засягащо 80% от общото население в даден момент от времето. 1, 2 В Съединените щати преките и непреки разходи за лечение на LBP се оценяват на billion90 милиарда щатски долара годишно, а подобни високи разходи са документирани и в други страни. 3 Като цяло LBP влияе на ежедневната функция, намалява качеството на живот и увеличава трудовите увреждания и разходите за здравеопазване. 4

Наднорменото тегло и затлъстяването (традиционно като мярка за индекса на телесна маса [BMI] или обиколката на талията) са опасения за общественото здраве, които засягат много популации по света и чието разпространение продължава да расте. 5, 6 Приблизително 23 и 10% от възрастното население на света съответно са с наднормено тегло и затлъстяване. 6 В действителност се очаква степента на разпространение да се увеличи експоненциално до 2030 г., ако не се използват превантивни мерки. Например в Съединените щати е изчислено, че една трета от децата са със затлъстяване, което е тревожно, защото детското затлъстяване увеличава риска от затлъстяване в зряла възраст. 7 В Европа няколко държави (напр. Обединеното кралство, Германия, Хърватия) отбелязват, че над 60% от населението им е с поне наднормено тегло. Дори в някои части на Азия (напр. Китай) преобладаването на наднорменото тегло и затлъстяването се е увеличило поради възхода на културата за бързо хранене, приемането на по-западен начин на живот и финансовото състояние. 8 В резултат на това епидемиологичните тенденции отбелязват, че обществото е навлязло във фазата на затлъстяването. 5

Основна детерминанта за честотата на LBP е дегенерацията на междупрешленните дискове, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, рискът от които е приписан на генетични фактори, фактори на околната среда и начин на живот. 17, 20, 21, 22, 23, 24 Сред тях наднорменото тегло и затлъстяването, или по-скоро телесните мазнини, са свързани с повишени нива на LBP. 17, 22, 24 Телесното тегло също е замесено като прогностичен фактор при пациенти с гръбначна хирургия, подложени на хирургическа интервенция за справяне с дискогенни болки в гърба и други гръбначни заболявания. 25, 26, 27 Въпреки че отдавна съществува убеждението, че телесното тегло оказва вредното си въздействие върху гръбначния стълб поради променена биомеханика (напр. Натоварване), все повече доказателства сочат, че биохимичните и метаболитните промени, предизвикани от мазнините, също могат да играят роля роля в развитието на дегенерация на диска и с това LBP. Вместо тези опасения, целта на този преглед е да представи потенциалните патомеханизми, участващи в асоциацията за затлъстяване/LBP, да обсъди ролята на мазнините в развитието на дегенерация на диска и LBP и, в по-малка степен, да опише последици от затлъстяването при пациенти с хирургия на гръбначния стълб.

Анатомия и физиология на междупрешленния диск

Междупрешленните дискове отделят гръбначните тела, за да улеснят предаването на товара и многоаксиалната гъвкавост, като същевременно играят ролята на „амортисьор“ в отговор на динамична гръбначна компресия. Освен това дискът действа като „дистанционер“, като осигурява височина на гръбначния стълб, позволявайки преминаване на нерви през междупрешленния отвор и улеснява биомеханичната синергия със задните фасетни стави.

Междупрешленният диск се състои от вътрешно желатинообразно ядро ​​(ядро пулпозус) и дебел външен пръстен от влакнест хрущял (пръстеновиден фиброз; Фиг. 1). Ядрото пулпозус се състои главно от протеогликан и колаген тип II в съотношение 20: 1. Протеогликаните имат хидрофилен характер, като по този начин създават налягане на набъбване, което осигурява скованост на сгъстяване на диска. 28, 29 Фиброзният пръстен служи като междупрешленна връзка, съставена от до 25 концентрични колагенови ламели, които осигуряват огъване и скованост/якост на срязване. 28 Ядрото е отделено от съседния прешлен с крайната плоча, която представлява тънък двуслой от хрущял и пореста субхондрална кост. Крайната плоча балансира две противоречиви изисквания да бъде пореста, за да улесни транспорта между ядрените клетки и гръбначните капиляри и да е твърда, за да устои на аксиални компресивни натоварвания. 30

диска

(А) Средносагитален разрез на човешки лумбален диск с междинна дегенерация (Томпсън степен III), показващ влакнеста консолидация на ядрото пулпус и липса на ядро ​​/ пръстеновидно разграничение. (B) Хистологичен разрез на средния сагитал, оцветен с оцветяване на съединителната тъкан Heidenhain, което ясно показва хрущялните крайни плочи. (C) Хистологични срезове на пръстеновиден фиброз, гледани с поляризирана светлина, която подчертава отчетливите външни пръстеновидни колагенови ламели, които са двойнопречупващи. (D) Изображение с голямо увеличение на кръстовището на пръстеновидната/крайната плоча, демонстриращо интегриране на ланулозните пръстени с крайната плоча на хрущяла.

Ранните дегенеративни процеси включват ензимно разграждане на ядрените протеогликани, което води до намалено подуване и намалена вода на диска. Тези промени се дължат на възрастовата прогресия и прекомерното физическо натоварване 31, които оказват неблагоприятно влияние върху дисковата биомеханика, което води до променено разпределение на тъканния стрес и биологични дейности, които от своя страна причиняват ядрена фиброза и дезорганизация на пръстеновидната архитектура (фиг. 2) 19, 20, 21, 22, 31, 32, 33 Биохимичните промени в извънклетъчния матрикс и натрупването на увреждания в дисковата периферия предизвикват възпалителни клетъчни реакции, които насърчават каскада от допълнителни структурни модификации, които постепенно компрометират дисковата биомеханика. 31, 34, 35 Освен това, прогресията на дегенерацията на диска може също да бъде свързана с оток на крайната плоча и субхондрален кост (напр. Модифицирани промени), които могат допълнително да допринесат за развитието на болка. 36, 37, 38 В действителност, наднорменото тегло/затлъстяването също е свързано с крайната плоча и модерните промени на лумбалния гръбначен стълб. 39, 40, 41

(А) Средносагитален участък на човешкия лумбален диск с напреднала дегенерация (степен на Томпсън V), ​​показващ хоризонтални цепнатини в ядрото, радиални и периферни цепнатини в пръстена и дефекти в крайната плоча на хрущяла и субхондралната кост. (B) Оцветена с Heidenhain секция, подчертаваща обширни тъканни увреждания и фиброваскуларен субхондрален костен мозък в областта на дефекта на хрущяла. (C) Хистологични разрези на пръстеновидния фиброз, гледани с поляризирана светлина, показващи загуба на нормално двойно пречупване (вж. Фиг. 1С за сравнение), показващи денатурирани и дезорганизирани пръстеновидни колагенови ламели. (D) Изглед с голямо увеличение на увреждането на хрущяла на крайната плоча и субхондралната кост.

Дегенерация на диска и болки в кръста

Индекс на телесна маса и дегенерация на лумбалния диск

Въз основа на проучване на Samartzis et al, което е съставено от 2 599 субекта от Южна Китай на възраст от 21 до 63 години, авторите отбелязват значителна връзка между повишените стойности на ИТМ, по-специално затлъстяването, и общото присъствие на дегенерация на лумбалния диск и брой дегенеративни нива, глобална тежест на дегенерация и крайна фаза на дегенерация на диска със стеснение на дисковото пространство при ЯМР. 22 В конкретна първоначална находка авторите отбелязват значително положителна линейна тенденция на връзка между ИТМ и дискова дегенерация на лумбалния отдел на гръбначния стълб, при които хората с наднормено тегло и затлъстяване имат повишена вероятност да имат дегенерация на диска (съответно 30 и 80%) в сравнение с индивиди с нормално тегло. Дегенерацията на диска в краен стадий със стесняване на дисковото пространство често е съчетана с дегенеративни промени през сегмента на гръбначното движение (напр. Стеноза на канал и неврофораминали, удебеляване на връзките) и променена лумбална кинематика, която увеличава риска от LBP. 12 Такава тежест на дегенерацията на диска може да помогне да се обясни увеличеното разпространение на продължителна и хронична LBP при лица с наднормено тегло и затлъстяване, заключени в неотдавнашния мета-анализ. 23.

Адипокини и болести

Мастната тъкан е хлабава съединителна тъкан, която се състои от адипоцити или мастни клетки, които съхраняват енергия под формата на липиди, както и помощ при амортизиране и изолиране на тялото. Съществуват два вида мастна тъкан, бяла и кафява. Въпреки че се смята, че кафявата мастна тъкан съществува главно при кърмачета, тя може да се намери и в области на шията и гръдния кош, обграждащи големи кръвоносни съдове. По този начин по-голямата част от мастните клетки са бяла мастна тъкан, която обикновено се отбелязва в коремната област, бедрата, седалището и други части на тялото. Разпределението на мастната тъкан в тялото се определя от половите хормони, което обяснява преобладаването на разпределението на мазнините в седалището и гърдите при жените и коремните мазнини при мъжете. Въпреки това между адипоцитите съществуват и малки кръвоносни съдове, фибробласти и макрофаги.

Освен че е чудесен резервоар за производство на енергия, мастната тъкан е призната за основен ендокринен орган, който отделя различни протеини и хормони, които имат пряка роля в развитието на различни заболявания, свързани със затлъстяването, като диабет тип 2 и сърдечно-съдови патологии . С увеличаване на теглото макрофагите проникват в мастната тъкан, представлявайки nting60% от мастната тъкан. 60, 61 Адипоцитите имат множество рецептори, които усещат наличието на патогени и възпаление. При рецепторна стимулация и кръстосано говорене с макрофаги, адипоцитите активират каскади от трансдукция на възпалителен сигнал, секретирайки множество провъзпалителни цитокини (Фиг. 3). Тези цитокини са ключови медиатори на метаболизма, известни като „адипокини“. 60 Адипокини също са замесени като играещи роля в развитието на множество състояния, вариращи от мозъчни (напр. Болест на Алцхаймер, деменция) до мускулно-скелетни нарушения. 62, 63, 64

Производството на адипокини при затлъстяване и техните ефекти върху дисковите клетки. Съкращения: ADAMTS, дезинтегрин и металопротеиназа с мотиви на тромбоспондин; IL, интерлевкин; MCP-1, моноцитен хемотактичен протеин-1; ММР, матрични металопротеинази; NO, азотен оксид; TNF-α, фактор на туморна некроза-α.

През 1995 г. е открит лептин, ключов адипокин. Оттогава изследванията, фокусирани върху адипокините, набраха огромна скорост. Към днешна дата са идентифицирани над 50 адипокини, като адипсин, катепсин, IL-6, IL-8, лептин, нервен растежен фактор, ретинол свързващ протеин-4 (RBP-4), TNF-α и тромбопоетин. Оценката на адипокините е направена чрез високочувствителни имуноанализи или чрез униплексни, или с висока производителност мултиплексни подходи, използващи серум. 65, 66, 67 По-често срещаните, като лептин, адипонектин, резистин и RBP-4, са подробно разгледани в литературата по отношение на тяхната роля при заболявания, свързани със затлъстяването. 60 Тези адипокини са отбелязани като маркери за хомеостазата на глюкозата, за регулиране на мастната тъкан и телесно тегло, за предизвикване на дисфункция на имунната система, за повлияване на метаболизма, стимулиране на енергийния разход и играят роля в костната формация/функция и локално/системно възпалително държави. 68 Повишеното серумно ниво на лептин е пряко свързано със затлъстяването и се предполага, че участва в реорганизирането на цитоскелета на ядрените пулпозни клетки; по този начин, променяйки организацията и структурата на диска. 69, 70 Това ни кара да вярваме, че лептинът участва в патогенезата на дегенерацията на диска.

Въз основа на проучване на Dumond et al, високите нива на лептин, независимо от ИТМ, са свързани с развитието на остеоартрит на коляното при хората. 71 Установени са повишени нива на лептин при разрушаване на хрущяла на коляното, което предполага, че адипокините могат да играят критична роля в патофизиологията на остеоартрита. Установено е, че лептинът увеличава производството на матрична металопротеиназа (ММР) -1, ММР-3 и ММР-13 в хрущяла на коляното, допринасяйки за катаболните ефекти на остеоартрита. 72 Други адипокини (напр. Адипонектин) също са замесени в развитието и тежестта на остеоартрита на коляното. 73, 74

В проучване на Yusuf et al, оценяващо ролята на серумния лептин, резистин и адипонектин в рентгенологичната прогресия на остеоартрит на ръцете по време на 6-годишно проследяване, авторите отбелязват, че адипонектинът има независима роля от други рискови фактори в прогресията и патофизиология на заболяването. 75 Последните проучвания също така отбелязват, че нивата на адипокин (напр. Лептин, висфатин, резистин, адипонектин, TNF-α, IL-6), независимо от ИТМ, са предсказващи за рентгенографската прогресия на ревматоидния артрит за период от 4 години. 76 Всъщност проучванията също така отбелязват, че съотношенията на различни адипокини (напр. Адипонектин/лептин) могат да предскажат тежестта на болката в коляното при пациенти с остеоартрит. 77

Проучванията показват, че адипокините, като лептин, могат да бъдат свързани с кардиометаболитен риск и могат да предскажат метаболитен синдром; като такива, ранното идентифициране на адипокини може да доведе до ранна диагностика или профилактика на метаболитния синдром. 78 Ефектите върху болестта на тези адипокини също могат да бъдат синергични с наличието на променен метаболизъм (например метаболитен синдром), който може да се разпространи или да възпрепятства ефекта им. Например, според проучване на Shah et al за оценка на адипокините и мастните състави при южноазиатски субекти, авторите отбелязват, че нивата на лептин могат да се увеличат с увеличаване на затлъстяването, докато адипонектинът може да бъде медииран и от метаболитни фактори (т.е. висока плътност липопротеин, триглицериди и глюкоза). 79

Затлъстяване, адипокини, дегенерация на лумбалния диск и болки в кръста

Напоследък се появиха многобройни проучвания, които осигуряват стабилна основа, свързваща връзката между активността на мастната тъкан или по-скоро секрецията на адипокин, с тази на дегенерацията на диска и LBP. Urquhart и сътр. Проведоха проучване при 135 индивида, оценяващи телесния състав чрез двойна рентгенографска абсорбциометрия и връзката с интензивността на LBP и увреждането. 80 Авторите заключават, че телесните мазнини, а не чистата тъканна маса са в значителна корелация с по-висок интензитет на LBP и по-лоша инвалидност. Въпреки че някои могат да твърдят, че увеличаването на мастната маса или затлъстяването, по-специално в коремната област, може да увеличи стреса и напрежението в долната част на гръбначния стълб, като по този начин допринесе за дегенеративни промени на диска, може да се възрази срещу това схващане. От една страна, Urquhart и сътр. Отбелязват значителна независима връзка между увеличаването на телесните мазнини на крайниците спрямо LBP. 80 Второ, проучванията отбелязват, че затлъстяването е рисков фактор за остеоартрит на ръката, която не носи тегло. 81, 82

Сагитално Т2-претеглено магнитно-резонансно изображение на лумбалната част на гръбначния стълб. (A) Затлъстял обект с дегенерация на диска и изпъкналост на L2-L5, със стеснение на дисковото пространство, неравности на крайната плоча и Модически промени при L4-L5. Също така обърнете внимание на наличието на сакрална киста. (B) Индивид с нормално тегло с недегенерирани лумбални дискове.

Променен метаболизъм и ендотелен компромис при дегенерация на диска

Организацията на кръвоносните съдове, разклоняващи се от сегментната артерия, влизащи в гръбначното тяло и завършващи като капиляри.

Крайни продукти за усъвършенствани Glycation

Роля на затлъстяването при пациенти с гръбначна хирургия

Затлъстяването може да увеличи техническата трудност и степента на усложнения на операцията поради проблеми с експозицията и свързаните с тях сърдечно-белодробни нарушения. Това директно води до увеличаване на разходите за здравеопазване с увеличена продължителност на престоя, консумация на ресурси и вътреболнична заболеваемост и смъртност. 105 Също така затлъстяването може допълнително да повлияе на следоперативния статус на субективния резултат.

Обобщение

Тъй като наднорменото тегло/затлъстяването продължава да нараства в много популации, това теоретично може също да увеличи разпространението на дегенерация на диска и LBP. Въпреки че се натрупват доказателства, които показват, че дегенерацията на лумбалния диск също е част от спектъра на „заболявания, свързани със затлъстяването“, както и диабетът и сърдечно-съдовите заболявания, разбирането на взаимодействието между генетиката, метаболизма, факторите на околната среда и адипокините ще разшири патофизиологичното разбиране на диска дегенерация. В допълнение, подобно разбиране може също да помогне за предсказване на прогресията на дегенерацията на диска и развитието на LBP. Като такива могат да се разработят превантивни мерки или целенасочени терапии за дегенерация на диска. Тъй като телесните мазнини и последиците от тях (т.е. променен метаболизъм) могат да повлияят на диска и профила му на дегенерация на диска, потенциалните биологични терапии, технологиите за възстановяване на тъканите и дори генетичната оценка трябва да вземат предвид този текущ рисков фактор, който може да допринесе за жизнеспособността на всеки нова интервенция, нейната ефикасност и резултати. Като такъв, по-персонализираният подход към разбирането на дегенерацията на диска и неговите лечения, като се вземат предвид телесните мазнини, може да бъде практична платформа, която изисква по-нататъшно проучване в бъдеще.

Финансиране

Тази работа беше подкрепена от безвъзмездни средства от Хонконгската тематична изследователска схема (T12-708/12N), програма за отлични постижения в Хонконг (AoE/M-04/04), Хонконгски GRF (HKU 775912M), AOSpine Hansjorg Wyss Награда, Финландска академия (номер на проект 129504) и Националните здравни институти на САЩ (R01 AR052811).

Бележки под линия

Разкриване Dino Samartzis, None Jaro Karppinen, None Jason Pui Yin Cheung, None Джефри Лоц, None