Los discos intervertebrales ocupan alrededor de un tercio de la columna vertebral. Dado que no solo proporcionan flexibilidad a la columna vertebral sino que también transmiten carga, su comportamiento mecánico tiene una gran influencia en la mecánica de toda la columna. Una alta proporción de casos de dolor lumbar están asociados con el disco, ya sea directamente a través de una hernia discal o indirectamente, porque los discos degenerados someten a otras estructuras espinales a un estrés anormal. En este artículo, revisamos la estructura y composición del disco en relación con su función mecánica y analizamos los cambios en el disco en caso de enfermedad.
Anatomía
Hay 24 discos intervertebrales en la columna vertebral humana, intercalados entre los cuerpos vertebrales. Juntos, estos forman el componente anterior (frontal) de la columna vertebral, con las articulaciones facetarias y las apófisis transversa y espinosa que forman los elementos posteriores (posteriores). Los discos aumentan de tamaño a lo largo de la columna, hasta aproximadamente 45 mm anteroposteriormente, 64 mm lateralmente y 11 mm de altura en la región lumbar.
El disco está hecho de tejido similar al cartílago y consta de tres regiones distintas (ver figura 1). La región interna (núcleo pulposo) es una masa gelatinosa, particularmente en la persona joven. La región exterior del disco (anillo fibroso) es firme y con bandas. Las fibras del anillo están entrecruzadas en una disposición que le permite soportar altas cargas de flexión y torsión. Con el aumento de la edad, el núcleo pierde agua, se vuelve más firme y la distinción entre las dos regiones es menos clara que al principio de la vida. El disco está separado del hueso por una fina capa de cartílago hialino, la tercera región. En la edad adulta, la placa terminal del cartílago y el propio disco normalmente no tienen vasos sanguíneos propios, sino que dependen del suministro de sangre de los tejidos adyacentes, como los ligamentos y el cuerpo vertebral, para transportar nutrientes y eliminar los productos de desecho. Solo la porción externa del disco está inervada.
Figura 1. Las proporciones relativas de los tres componentes principales del disco intervertebral humano adulto normal y la placa terminal del cartílago.
Composición
El disco, como otros cartílagos, se compone principalmente de una matriz de fibras de colágeno (que están incrustadas en un gel de proteoglicano) y de agua. Estos juntos constituyen del 90 al 95% de la masa total de tejido, aunque las proporciones varían con la ubicación dentro del disco y con la edad y la degeneración. Existen células intercaladas a lo largo de la matriz que se encargan de sintetizar y mantener los diferentes componentes que la componen (figura 2). Se puede encontrar una revisión de la bioquímica del disco en Urban y Roberts 1994.
Figura 2. Representación esquemática de la estructura del disco, que muestra fibras de colágeno en bandas intercaladas con numerosas moléculas de proteoglicano similares a cepillos de botella y pocas células.
Proteoglicanos: El principal proteoglicano del disco, el agrecano, es una molécula grande que consta de un núcleo proteico central al que se unen muchos glicosaminoglicanos (cadenas repetitivas de disacáridos) (ver figura 3). Estas cadenas laterales tienen una alta densidad de cargas negativas asociadas a ellas, lo que las hace atractivas para las moléculas de agua (hidrofílicas), una propiedad descrita como presión de expansión. Es muy importante para el funcionamiento del disco.
Figura 3. Diagrama de parte de un disco agregado de proteoglicanos. G1, G2 y G3 son regiones plegadas globulares de la proteína del núcleo central.
Se pueden formar enormes agregados de proteoglicanos cuando las moléculas individuales se unen a una cadena de otro químico, el ácido hialurónico. El tamaño de los agrecanos varía (en un rango de peso molecular de 300,000 a 7 millones de dalton) dependiendo de cuántas moléculas componen el agregado. Recientemente también se han encontrado otros tipos más pequeños de proteoglicanos en la placa terminal del disco y el cartílago, por ejemplo, decorin, biglycan, fibromodulin y lumican. Su función generalmente se desconoce, pero la fibromodulina y la decorina pueden estar involucradas en la regulación de la formación de redes de colágeno.
Agua: El agua es el componente principal del disco y representa del 65 al 90 % del volumen del tejido, según la edad y la región del disco. Existe una correlación entre la cantidad de proteoglicanos y el contenido de agua de la matriz. La cantidad de agua también varía según la carga aplicada al disco, por lo que el contenido de agua difiere de día y de noche, ya que la carga será muy diferente al dormir. El agua es importante tanto para el funcionamiento mecánico del disco como para proporcionar el medio para el transporte de sustancias disueltas dentro de la matriz.
Colágeno: El colágeno es la principal proteína estructural del cuerpo y consiste en una familia de al menos 17 proteínas distintas. Todos los colágenos tienen regiones helicoidales y están estabilizados por una serie de enlaces cruzados intra e intermoleculares, que hacen que las moléculas sean muy fuertes para resistir las tensiones mecánicas y la degradación enzimática. La longitud y la forma de los diferentes tipos de moléculas de colágeno y la proporción que es helicoidal, varían. El disco está compuesto de varios tipos de colágenos, siendo el anillo externo predominantemente colágeno tipo I, y el núcleo y la placa terminal del cartílago predominantemente tipo II. Ambos tipos forman fibrillas que proporcionan el marco estructural del disco. Las fibrillas del núcleo son mucho más finas (>> mm de diámetro) que las del anillo (0.1 a 0.2 mm de diámetro). Las células del disco a menudo están rodeadas por una cápsula de algunos de los otros tipos de colágeno, como el tipo VI.
Células: El disco intervertebral tiene una densidad de células muy baja en comparación con otros tejidos. Aunque la densidad de células es baja, su actividad continuada es vital para la salud del disco, ya que las células producen macromoléculas a lo largo de su vida, para reponer las que se descomponen y se pierden con el paso del tiempo.
Función
La función principal del disco es mecánica. El disco transmite carga a lo largo de la columna vertebral y también permite que la columna se doble y tuerza. Las cargas sobre el disco surgen del peso corporal y la actividad muscular, y cambian con la postura (ver figura 4). Durante las actividades diarias, el disco está sujeto a cargas complejas. Extender o flexionar la columna produce principalmente tensiones de tracción y compresión en el disco, que aumentan de magnitud al descender por la columna, debido a las diferencias en el peso corporal y la geometría. La rotación de la columna produce tensiones transversales (de corte).
Figura 4. Presiones intradiscales relativas en diferentes posturas frente a la presión en bipedestación (100%).
Los discos están bajo presión, que varía con la postura de alrededor de 0.1 a 0.2 MPa en reposo, a alrededor de 1.5 a 2.5 MPa al doblarse y levantarse. La presión se debe principalmente a la presión del agua a través del núcleo y el anillo interior en un disco normal. Cuando aumenta la carga en el disco, la presión se distribuye uniformemente a través de la placa final y por todo el disco.
Durante la carga el disco se deforma y pierde altura. La placa terminal y el anillo se abultan, lo que aumenta la tensión sobre estas estructuras y, en consecuencia, aumenta la presión del núcleo. El grado de deformación del disco depende de la velocidad a la que se carga. El disco puede deformarse considerablemente, comprimiéndose o extendiéndose entre un 30 y un 60 % durante la flexión y la extensión. Las distancias entre los procesos espinales adyacentes pueden aumentar en más del 300%. Si se retira una carga en unos pocos segundos, el disco vuelve rápidamente a su estado anterior, pero si se mantiene la carga, el disco sigue perdiendo altura. Este “deslizamiento” resulta de la continua deformación de las estructuras del disco y también de la pérdida de fluido, porque los discos pierden fluido como resultado del aumento de la presión. Entre el 10 y el 25 % del líquido del disco se pierde lentamente durante las actividades diarias, cuando el disco está bajo presiones mucho mayores, y se recupera al acostarse en reposo. Esta pérdida de agua puede conducir a una disminución de la altura de un individuo de 1 a 2 cm de la mañana a la noche entre los trabajadores diurnos.
A medida que el disco cambia su composición debido al envejecimiento o la degeneración, también cambia la respuesta del disco a las cargas mecánicas. Con una pérdida de proteoglicano y, por lo tanto, de contenido de agua, el núcleo ya no puede responder de manera tan eficiente. Este cambio da como resultado tensiones desiguales en la placa terminal y las fibras del anillo y, en casos severos de degeneración, las fibras internas pueden abultarse hacia adentro cuando se carga el disco, lo que, a su vez, puede provocar tensiones anormales en otras estructuras del disco, eventualmente. provocando su fracaso. La tasa de fluencia también aumenta en los discos degenerados, que por lo tanto pierden altura más rápido que los discos normales bajo la misma carga. El estrechamiento del espacio discal afecta a otras estructuras de la columna, como los músculos y los ligamentos, y, en particular, conduce a un aumento de la presión sobre las articulaciones facetarias, lo que puede ser la causa de los cambios degenerativos observados en las articulaciones facetarias de la columna vertebral con anomalías. discos
Contribución de los componentes principales a la función
Proteoglicanos
La función del disco depende de mantener un equilibrio en el que la presión del agua del disco se equilibre con la presión de expansión del disco. La presión de hinchamiento depende de la concentración de iones atraídos hacia el disco por los proteoglicanos cargados negativamente y, por lo tanto, depende directamente de la concentración de proteoglicanos. Si se aumenta la carga sobre el disco, la presión del agua aumenta y altera el equilibrio. Para compensar, el líquido sale del disco, lo que aumenta la concentración de proteoglicanos y la presión osmótica del disco. Tal expresión fluida continúa hasta que se restablece el equilibrio o se elimina la carga del disco.
Los proteoglicanos también afectan el movimiento de fluidos de otras maneras. Debido a su alta concentración en el tejido, los espacios entre cadenas son muy pequeños (0.003 a 0.004 mm). El flujo de fluido a través de poros tan pequeños es muy lento y, por lo tanto, aunque existe un gran diferencial de presión, la velocidad a la que se pierde fluido y, por lo tanto, la velocidad de desplazamiento del disco es lenta. Sin embargo, dado que los discos que se han degenerado tienen concentraciones de proteoglicanos más bajas, el fluido puede fluir más rápido a través de la matriz. Esta puede ser la razón por la cual los discos degenerados pierden altura más rápidamente que los discos normales. La carga y alta concentración de proteoglicanos controlan la entrada y el movimiento de otras sustancias disueltas en el disco. Las moléculas pequeñas (nutrientes como glucosa, oxígeno) pueden ingresar fácilmente al disco y moverse a través de la matriz. Productos químicos e iones electropositivos, como Na+o Ca2+, tienen concentraciones más altas en el disco con carga negativa que en el líquido intersticial circundante. Las moléculas grandes, como la albúmina sérica o las inmunoglobulinas, son demasiado voluminosas para entrar en el disco y están presentes solo en concentraciones muy bajas. Los proteoglicanos también pueden afectar la actividad celular y el metabolismo. Los proteoglicanos pequeños, como el biglicano, pueden unirse a factores de crecimiento y otros mediadores de la actividad celular, liberándolos cuando se degrada la matriz.
Agua
El agua es el principal componente del disco y la rigidez del tejido se mantiene gracias a las propiedades hidrófilas de los proteoglicanos. Con la pérdida inicial de agua, el disco se vuelve más flácido y deformable a medida que se relaja la red de colágeno. Sin embargo, una vez que el disco ha perdido una fracción importante de agua, sus propiedades mecánicas cambian drásticamente; el tejido se comporta más como un sólido que como un compuesto bajo carga. El agua también proporciona el medio a través del cual se intercambian nutrientes y desechos entre el disco y el suministro de sangre circundante.
Colágeno
La red de colágeno, que puede soportar grandes cargas de tracción, proporciona un marco para el disco y lo ancla a los cuerpos vertebrales vecinos. La red se infla con el agua absorbida por los proteoglicanos; a su vez, la red restringe los proteoglicanos y evita que se escapen del tejido. Estos tres componentes juntos forman una estructura que es capaz de soportar altas cargas de compresión.
La organización de las fibrillas de colágeno proporciona al disco su flexibilidad. Las fibrillas están dispuestas en capas, con el ángulo en el que las fibrillas de cada capa discurren entre los cuerpos vertebrales vecinos, alternando en dirección. Este tejido altamente especializado permite que el disco se acuñe ampliamente, lo que permite la flexión de la columna, aunque las fibrillas de colágeno solo pueden extenderse aproximadamente un 3%.
Metabolismo
Las células del disco producen moléculas grandes y enzimas que pueden descomponer los componentes de la matriz. En un disco sano, las tasas de producción y descomposición de la matriz están equilibradas. Si se altera el equilibrio, la composición del disco debe cambiar en última instancia. En el crecimiento, las tasas de síntesis de moléculas nuevas y de reemplazo son más altas que las tasas de degradación, y los materiales de la matriz se acumulan alrededor de las células. Con el envejecimiento y la degeneración, ocurre lo contrario. Los proteoglicanos normalmente duran alrededor de dos años. El colágeno dura muchos años más. Si se altera el equilibrio, o si cae la actividad celular, el contenido de proteoglicanos de la matriz finalmente disminuye, lo que afecta las propiedades mecánicas del disco.
Las células del disco también responden a cambios en el estrés mecánico. La carga afecta el metabolismo del disco, aunque los mecanismos no están claros. En la actualidad, es imposible predecir qué demandas mecánicas fomentan un equilibrio estable y cuáles pueden favorecer la degradación sobre la síntesis de la matriz.
Suministro de nutrientes
Debido a que el disco recibe nutrientes del suministro de sangre de los tejidos adyacentes, los nutrientes como el oxígeno y la glucosa deben difundirse a través de la matriz hacia las células en el centro del disco. Las células pueden estar a una distancia de entre 7 y 8 mm del suministro de sangre más cercano. Se desarrollan pendientes pronunciadas. En la interfase entre el disco y el cuerpo vertebral, la concentración de oxígeno está alrededor del 50%, mientras que en el centro del disco está por debajo del 1%. El metabolismo del disco es principalmente anaeróbico. Cuando el oxígeno cae por debajo del 5%, el disco aumenta la producción de lactato, un producto de desecho metabólico. La concentración de lactato en el centro del núcleo puede ser de seis a ocho veces mayor que la de la sangre o el intersticio (ver figura 5).
Figura 5. Las principales vías nutricionales hacia el disco intervertebral son por difusión desde la vasculatura dentro del cuerpo vertebral (V), a través de la placa terminal (E) hasta el núcleo (N) o desde el suministro de sangre fuera del anillo (A) .
A menudo se sugiere que una caída en el suministro de nutrientes es una de las principales causas de la degeneración del disco. La permeabilidad de la placa terminal del disco disminuye con la edad, lo que puede impedir el transporte de nutrientes al disco y podría provocar la acumulación de desechos, como el lactato. En discos donde se ha reducido el transporte de nutrientes, las concentraciones de oxígeno en el centro del disco pueden caer a niveles muy bajos. Aquí aumenta el metabolismo anaeróbico y, en consecuencia, la producción de lactato, y la acidez en el centro del disco puede descender hasta un pH de 6.4. Estos valores bajos de pH, así como las bajas tensiones de oxígeno, reducen la tasa de síntesis de la matriz, lo que da como resultado una caída en el contenido de proteoglicanos. Además, es posible que las propias células no sobrevivan a una exposición prolongada a un pH ácido. Se ha encontrado un alto porcentaje de células muertas en discos humanos.
La degeneración del disco conduce a una pérdida de proteoglicano y un cambio en su estructura, desorganización de la red de colágeno y un crecimiento interno de los vasos sanguíneos. Existe la posibilidad de que algunos de estos cambios puedan revertirse. Se ha demostrado que el disco tiene cierta capacidad de reparación.
Enfermedades
Escoliosis: La escoliosis es una curvatura lateral de la columna vertebral, donde se encajan tanto el disco intervertebral como los cuerpos vertebrales. Por lo general, se asocia con una torsión o rotación de la columna vertebral. Debido a la forma en que las costillas se unen a las vértebras, esto da lugar a una "joroba de costilla", visible cuando el individuo afectado se inclina hacia adelante. La escoliosis puede deberse a un defecto congénito en la columna, como una hemivértebra en forma de cuña, o puede ser secundaria a un trastorno como la distrofia neuromuscular. Sin embargo, en la mayoría de los casos se desconoce la causa, por lo que se denomina escoliosis idiopática. El dolor rara vez es un problema en la escoliosis y el tratamiento se lleva a cabo, principalmente para detener el desarrollo de la curvatura lateral de la columna. (Para obtener detalles sobre el tratamiento clínico de esta y otras patologías de la columna, consulte Tidswell 1992).
espondilolistesis: La espondilolistesis es un deslizamiento horizontal hacia adelante de una vértebra en relación con otra. Puede resultar de una fractura en el puente de hueso que conecta el frente con el posterior de la vértebra. Obviamente, el disco intervertebral entre dos de tales vértebras se estira y se somete a cargas anormales. La matriz de este disco y, en menor medida, de los discos adyacentes, muestra cambios en la composición típicos de la degeneración: pérdida de agua y proteoglicanos. Esta condición puede ser diagnosticada por rayos x.
Disco roto o prolapsado: La ruptura del anillo posterior es bastante común en adultos jóvenes o de mediana edad físicamente activos. No se puede diagnosticar mediante rayos X a menos que se realice un discograma, mediante el cual se inyecta material radiopaco en el centro del disco. A continuación, se puede demostrar un desgarro mediante el seguimiento del fluido del discograma. A veces, piezas aisladas y secuestradas de material del disco pueden pasar a través de este desgarro hacia el canal espinal. La irritación o presión sobre el nervio ciático provoca dolor intenso y parestesia (ciática) en el miembro inferior.
Enfermedad degenerativa del disco: Este es un término aplicado a un grupo mal definido de pacientes que presentan dolor lumbar. Pueden mostrar cambios en la apariencia de rayos X, como una disminución en la altura del disco y posiblemente formación de osteofitos en el borde de los cuerpos vertebrales. Este grupo de pacientes podría representar la etapa final de varias vías patológicas. Por ejemplo, los desgarros anulares no tratados eventualmente pueden tomar esta forma.
Estenosis espinal: El estrechamiento del canal espinal que ocurre en la estenosis espinal provoca la compresión mecánica de las raíces nerviosas espinales y su suministro de sangre. Como tal, puede dar lugar a síntomas como debilidad, alteración de los reflejos, dolor o pérdida de sensibilidad (parestesia) o, en ocasiones, no presentar síntomas. El estrechamiento del canal puede, a su vez, ser causado por varios factores, incluida la protrusión del disco intervertebral en el espacio del canal, la formación de hueso nuevo en las articulaciones facetarias (hipertrofia facetaria) y la artritis con inflamación de otros tejidos conectivos blandos.
La interpretación de las técnicas de imagen más recientes en relación con la patología del disco no se ha establecido por completo. Por ejemplo, los discos degenerados en imágenes de resonancia magnética (MRI) dan una señal alterada de la que se ve en los discos "normales". Sin embargo, la correlación entre un disco de apariencia “degenerada” en la resonancia magnética y los síntomas clínicos es pobre, con un 45 % de discos degenerados en la resonancia magnética que son asintomáticos y un 37 % de pacientes con dolor lumbar que tienen una resonancia magnética normal de la columna.
Factores de riesgo
carga
La carga en los discos depende de la postura. Las mediciones intradiscales muestran que la posición sentada genera presiones cinco veces mayores que las de la columna en reposo (consulte la Figura 8). Si se levantan pesas externas, esto puede aumentar considerablemente la presión intradiscal, especialmente si el peso se mantiene alejado del cuerpo. Obviamente, un aumento de la carga puede provocar la rotura de discos que, de lo contrario, podrían permanecer intactos.
Las investigaciones epidemiológicas revisadas por Brinckmann y Pope (1990) coinciden en un aspecto: levantar o transportar objetos pesados de manera repetitiva o realizar trabajos en posturas flexionadas o hiperextendidas representan factores de riesgo para problemas lumbares. De manera similar, ciertos deportes, como el levantamiento de pesas, pueden estar asociados con una mayor incidencia de dolor de espalda que, por ejemplo, la natación. El mecanismo no está claro, aunque los diferentes patrones de carga podrían ser relevantes.
Fumar
La nutrición del disco es muy precaria, requiriendo sólo una pequeña reducción en el flujo de nutrientes para que sea insuficiente para el metabolismo normal de las células del disco. Fumar cigarrillos puede causar tal reducción debido a su efecto sobre el sistema circulatorio fuera del disco intervertebral. El transporte de nutrientes, como oxígeno, glucosa o sulfato, hacia el disco se reduce significativamente después de solo 20 a 30 minutos de fumar, lo que puede explicar la mayor incidencia de dolor lumbar en las personas que fuman en comparación con las que no lo hacen ( Rydevik y Holm 1992).
Vibración
Los estudios epidemiológicos han demostrado que existe una mayor incidencia de dolor lumbar en personas expuestas a altos niveles de vibración. La columna vertebral es susceptible al daño en sus frecuencias naturales, particularmente de 5 a 10 Hz. Muchos vehículos excitan vibraciones a estas frecuencias. Los estudios informados por Brinckmann y Pope (1990) han demostrado una relación entre tales vibraciones y la incidencia de dolor lumbar. Dado que se ha demostrado que la vibración afecta los vasos sanguíneos pequeños en otros tejidos, este también puede ser el mecanismo de su efecto en la columna vertebral.