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Dischi intervertebrali

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I dischi intervertebrali occupano circa un terzo della colonna vertebrale. Poiché non solo forniscono flessibilità alla colonna vertebrale, ma trasmettono anche il carico, il loro comportamento meccanico ha una grande influenza sulla meccanica dell'intera colonna vertebrale. Un'alta percentuale di casi di lombalgia è associata al disco, direttamente attraverso l'ernia del disco, o indirettamente, perché i dischi degenerati sottopongono altre strutture spinali a uno stress anormale. In questo articolo, esaminiamo la struttura e la composizione del disco in relazione alla sua funzione meccanica e discutiamo i cambiamenti del disco nella malattia.

Anatomia

Ci sono 24 dischi intervertebrali nella colonna vertebrale umana, intervallati tra i corpi vertebrali. Insieme costituiscono la componente anteriore (anteriore) della colonna vertebrale, con le articolazioni delle faccette articolari e i processi trasverso e spinoso che costituiscono gli elementi posteriori (posteriori). I dischi aumentano di dimensioni lungo la colonna vertebrale, fino a circa 45 mm antero-posteriore, 64 mm lateralmente e 11 mm di altezza nella regione lombare.

Il disco è costituito da tessuto simile alla cartilagine ed è costituito da tre regioni distinte (vedi figura 1). La regione interna (nucleo polposo) è una massa gelatinosa, particolarmente nel giovane. La regione esterna del disco (anulus fibrosus) è solida e fasciata. Le fibre dell'anello sono incrociate in una disposizione che gli consente di sopportare elevati carichi di flessione e torsione. Con l'aumentare dell'età il nucleo perde acqua, diventa più solido e la distinzione tra le due regioni è meno netta che all'inizio della vita. Il disco è separato dall'osso da un sottile strato di cartilagine ialina, la terza regione. Nell'età adulta la placca terminale della cartilagine e il disco stesso normalmente non hanno vasi sanguigni propri ma dipendono dall'afflusso di sangue dei tessuti adiacenti, come i legamenti e il corpo vertebrale, per trasportare i nutrienti e rimuovere i prodotti di scarto. Solo la parte esterna del disco è innervata.

Figura 1. Le proporzioni relative dei tre componenti principali del normale disco intervertebrale umano adulto e della placca terminale della cartilagine.

MUS020F1

Composizione

Il disco, come le altre cartilagini, è costituito principalmente da una matrice di fibre di collagene (che sono incorporate in un gel di proteoglicano) e da acqua. Questi insieme costituiscono dal 90 al 95% della massa tissutale totale, anche se le proporzioni variano a seconda della posizione all'interno del disco e con l'età e la degenerazione. Ci sono cellule disseminate in tutta la matrice che sono responsabili della sintesi e del mantenimento dei diversi componenti al suo interno (figura 2). Una revisione della biochimica del disco può essere trovata in Urban e Roberts 1994.

Figura 2. Rappresentazione schematica della struttura del disco, che mostra fibre di collagene a bande intervallate da numerose molecole di proteoglicani simili a scovolini e poche cellule.

MUS020F2

proteoglicani: Il principale proteoglicano del disco, l'aggrecano, è una grande molecola costituita da un nucleo proteico centrale a cui sono attaccati molti glicosaminoglicani (catene ripetute di disaccaridi) (vedi figura 3). Queste catene laterali hanno un'alta densità di cariche negative ad esse associate, rendendole così attraenti per le molecole d'acqua (idrofile), una proprietà descritta come pressione di rigonfiamento. È molto importante per il funzionamento del disco.

 

 

 

 

 

Figura 3. Schema di una parte di un aggregato proteoglicano del disco. G1, G2 e G3 sono regioni globulari e ripiegate della proteina del nucleo centrale.

MUS020F3Enormi aggregati di proteoglicani possono formarsi quando singole molecole si legano a una catena di un'altra sostanza chimica, l'acido ialuronico. La dimensione degli aggrecani varia (che varia in peso molecolare da 300,000 a 7 milioni di dalton) a seconda di quante molecole compongono l'aggregato. Recentemente sono stati trovati anche altri tipi più piccoli di proteoglicani nel disco e nella placca terminale della cartilagine, ad esempio decorina, biglicano, fibromodulina e lumicano. La loro funzione è generalmente sconosciuta, ma la fibromodulina e la decorina possono essere coinvolte nella regolazione della formazione della rete di collagene.

Water: L'acqua è il principale costituente del disco e costituisce dal 65 al 90% del volume del tessuto, a seconda dell'età e della regione del disco. Esiste una correlazione tra la quantità di proteoglicano e il contenuto di acqua della matrice. La quantità di acqua varia anche a seconda del carico applicato al disco, quindi il contenuto di acqua differisce giorno e notte poiché il carico sarà molto diverso durante il sonno. L'acqua è importante sia per il funzionamento meccanico del disco sia per fornire il mezzo per il trasporto delle sostanze disciolte all'interno della matrice.

Collagene: Il collagene è la principale proteina strutturale del corpo ed è costituito da una famiglia di almeno 17 proteine ​​distinte. Tutti i collageni hanno regioni elicoidali e sono stabilizzati da una serie di legami incrociati intra e intermolecolari, che rendono le molecole molto forti nel resistere alle sollecitazioni meccaniche e alla degradazione enzimatica. La lunghezza e la forma dei diversi tipi di molecole di collagene e la proporzione elicoidale variano. Il disco è composto da diversi tipi di collagene, con l'anello esterno prevalentemente collagene di tipo I e il nucleo e la placca terminale della cartilagine prevalentemente di tipo II. Entrambi i tipi formano fibrille che forniscono la struttura strutturale del disco. Le fibrille del nucleo sono molto più fini (>> mm di diametro) di quelle dell'anulus (da 0.1 a 0.2 mm di diametro). Le cellule del disco sono spesso circondate da una capsula di alcuni degli altri tipi di collagene, come il tipo VI.

Celle: Il disco intervertebrale ha una densità di cellule molto bassa rispetto ad altri tessuti. Sebbene la densità delle cellule sia bassa, la loro continua attività è vitale per la salute del disco, poiché le cellule producono macromolecole per tutta la vita, per sostituire quelle che si degradano e si perdono con il passare del tempo.

Funzione

La funzione principale del disco è meccanica. Il disco trasmette il carico lungo la colonna vertebrale e consente anche alla colonna vertebrale di piegarsi e torcersi. I carichi sul disco derivano dal peso corporeo e dall'attività muscolare e cambiano con la postura (vedi figura 4). Durante le attività quotidiane il disco è soggetto a carichi complessi. L'estensione o la flessione della colonna vertebrale produce principalmente sollecitazioni di trazione e compressione sul disco, che aumentano di entità scendendo lungo la colonna vertebrale, a causa delle differenze di peso corporeo e geometria. La rotazione della colonna vertebrale produce sollecitazioni trasversali (taglio).

Figura 4. Pressioni intradicali relative in diverse posture rispetto alla pressione in posizione eretta (100%).

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I dischi sono sotto pressione, che varia con la postura da circa 0.1 a 0.2 MPa a riposo, a circa 1.5 a 2.5 MPa durante la flessione e il sollevamento. La pressione è dovuta principalmente alla pressione dell'acqua attraverso il nucleo e l'anello interno in un disco normale. Quando il carico sul disco aumenta, la pressione viene distribuita uniformemente sulla piastra terminale e su tutto il disco.

Durante il caricamento il disco si deforma e perde altezza. La placca terminale e l'anulus si gonfiano, aumentando la tensione su queste strutture e di conseguenza la pressione del nucleo aumenta. Il grado di deformazione del disco dipende dalla velocità con cui viene caricato. Il disco può deformarsi notevolmente, comprimendosi o estendendosi dal 30 al 60% durante la flessione e l'estensione. Le distanze tra i processi spinali adiacenti possono aumentare di oltre il 300%. Se un carico viene rimosso entro pochi secondi, il disco ritorna rapidamente allo stato precedente, ma se il carico viene mantenuto, il disco continua a perdere altezza. Questo "scorrimento" deriva dalla continua deformazione delle strutture del disco e anche dalla perdita di fluido, poiché i dischi perdono fluido a causa dell'aumento della pressione. Tra il 10 e il 25% del fluido del disco viene lentamente perso durante le attività quotidiane, quando il disco è sottoposto a pressioni molto maggiori, e recuperato quando si è sdraiati a riposo. Questa perdita di acqua può portare a una diminuzione dell'altezza di un individuo da 1 a 2 cm dalla mattina alla sera tra i lavoratori a giornata.

Quando il disco cambia la sua composizione a causa dell'invecchiamento o della degenerazione, cambia anche la risposta del disco ai carichi meccanici. Con una perdita di proteoglicani e quindi di contenuto di acqua, il nucleo non può più rispondere in modo efficiente. Questo cambiamento si traduce in sollecitazioni irregolari attraverso la piastra terminale e le fibre dell'anulus e, in casi gravi di degenerazione, le fibre interne possono rigonfiarsi verso l'interno quando il disco viene caricato, il che, a sua volta, può portare a sollecitazioni anomale su altre strutture del disco, eventualmente causando il loro fallimento. Il tasso di scorrimento aumenta anche nei dischi degenerati, che quindi perdono altezza più velocemente rispetto ai dischi normali a parità di carico. Il restringimento dello spazio discale colpisce altre strutture spinali, come muscoli e legamenti, e, in particolare, porta ad un aumento della pressione sulle faccette articolari, che può essere la causa dei cambiamenti degenerativi osservati nelle faccette articolari delle spine con anomalie dischi.

Contributo dei componenti principali alla funzione

proteoglicani

La funzione del disco dipende dal mantenimento dell'equilibrio in cui la pressione dell'acqua del disco è bilanciata dalla pressione di rigonfiamento del disco. La pressione di rigonfiamento dipende dalla concentrazione di ioni attratti nel disco dai proteoglicani caricati negativamente, e quindi dipende direttamente dalla concentrazione di proteoglicani. Se il carico sul disco aumenta, la pressione dell'acqua aumenta e disturba l'equilibrio. Per compensare, il fluido fuoriesce dal disco, aumentando la concentrazione di proteoglicani e la pressione osmotica del disco. Tale espressione fluida continua fino a quando l'equilibrio non viene ripristinato o il carico sul disco viene rimosso.

I proteoglicani influenzano il movimento dei fluidi anche in altri modi. A causa della loro elevata concentrazione nel tessuto, gli spazi tra le catene sono molto piccoli (da 0.003 a 0.004 mm). Il flusso di fluido attraverso tali piccoli pori è molto lento, e quindi anche se vi è un grande differenziale di pressione, la velocità con cui il fluido viene perso, e quindi la velocità di scorrimento del disco, è lenta. Tuttavia, poiché i dischi che sono degenerati hanno concentrazioni di proteoglicani inferiori, il fluido può fluire più velocemente attraverso la matrice. Questo potrebbe essere il motivo per cui i dischi degenerati perdono altezza più rapidamente rispetto ai dischi normali. La carica e l'alta concentrazione di proteoglicani controllano l'ingresso e il movimento di altre sostanze disciolte nel disco. Piccole molecole (nutrienti come glucosio, ossigeno) possono facilmente entrare nel disco e muoversi attraverso la matrice. Sostanze chimiche e ioni elettropositivi, come Na+oro ca2+, hanno concentrazioni più elevate nel disco caricato negativamente che nel fluido interstiziale circostante. Le molecole di grandi dimensioni, come l'albumina sierica o le immunoglobuline, sono troppo voluminose per entrare nel disco e sono presenti solo in concentrazioni molto basse. I proteoglicani possono anche influenzare l'attività cellulare e il metabolismo. Piccoli proteoglicani, come il biglicano, possono legare fattori di crescita e altri mediatori dell'attività cellulare, rilasciandoli quando la matrice è degradata.

Water

L'acqua è il componente principale del disco e la rigidità del tessuto è mantenuta dalle proprietà idrofile dei proteoglicani. Con la perdita iniziale di acqua, il disco diventa più flaccido e deformabile mentre la rete di collagene si rilassa. Tuttavia, una volta che il disco ha perso una frazione significativa di acqua, le sue proprietà meccaniche cambiano drasticamente; il tessuto si comporta più come un solido che come un composito sotto carico. L'acqua fornisce anche il mezzo attraverso il quale i nutrienti e i rifiuti vengono scambiati tra il disco e l'afflusso di sangue circostante.

Collagene

La rete di collagene, che può supportare carichi di trazione elevati, fornisce una struttura per il disco e lo ancora ai corpi vertebrali vicini. La rete è gonfiata dall'acqua assorbita dai proteoglicani; a sua volta la rete trattiene i proteoglicani e impedisce loro di fuoriuscire dal tessuto. Questi tre componenti insieme formano così una struttura in grado di sopportare elevati carichi di compressione.

L'organizzazione delle fibrille di collagene fornisce al disco la sua flessibilità. Le fibrille sono disposte a strati, con l'angolo con cui le fibrille di ogni strato corrono tra i corpi vertebrali vicini, alternandosi in direzione. Questa trama altamente specializzata consente al disco di incunearsi ampiamente, consentendo così la flessione della colonna vertebrale, anche se le stesse fibrille di collagene possono estendersi solo del 3% circa.

Metabolismo

Le cellule del disco producono sia grandi molecole che enzimi che possono abbattere i componenti della matrice. In un disco sano, i tassi di produzione e rottura della matrice sono bilanciati. Se l'equilibrio viene sconvolto, la composizione del disco alla fine deve cambiare. Durante la crescita, i tassi di sintesi per le molecole nuove e sostitutive sono superiori ai tassi di degradazione e i materiali della matrice si accumulano attorno alle cellule. Con l'invecchiamento e la degenerazione avviene il contrario. I proteoglicani normalmente durano circa due anni. Il collagene dura per molti altri anni. Se l'equilibrio è disturbato o se l'attività cellulare diminuisce, il contenuto di proteoglicani della matrice alla fine diminuisce, il che influisce sulle proprietà meccaniche del disco.

Le cellule del disco rispondono anche ai cambiamenti dello stress meccanico. Il carico influisce sul metabolismo del disco, sebbene i meccanismi non siano chiari. Allo stato attuale è impossibile prevedere quali esigenze meccaniche favoriscano un equilibrio stabile e quali possano favorire il degrado rispetto alla sintesi della matrice.

Fornitura di nutrienti

Poiché il disco riceve i nutrienti dall'afflusso di sangue dei tessuti adiacenti, i nutrienti come l'ossigeno e il glucosio devono diffondersi attraverso la matrice alle cellule al centro del disco. Le cellule possono trovarsi a una distanza compresa tra 7 e 8 mm dall'afflusso di sangue più vicino. Si sviluppano forti pendenze. All'interfaccia tra il disco e il corpo vertebrale la concentrazione di ossigeno è intorno al 50%, mentre al centro del disco è inferiore all'1%. Il metabolismo del disco è principalmente anaerobico. Quando l'ossigeno scende al di sotto del 5%, il disco aumenta la produzione di lattato, un prodotto di scarto metabolico. La concentrazione di lattato al centro del nucleo può essere da sei a otto volte superiore a quella nel sangue o nell'interstizio (vedi figura 5).

Figura 5. Le principali vie nutrizionali verso il disco intervertebrale sono per diffusione dalla vascolarizzazione all'interno del corpo vertebrale (V), attraverso la placca terminale (E) fino al nucleo (N) o dall'afflusso di sangue all'esterno dell'anulus (A) .

MUS020F5

Si suggerisce spesso che una diminuzione dell'apporto di nutrienti sia una delle principali cause della degenerazione del disco. La permeabilità della piastra terminale del disco diminuisce con l'età, il che può impedire il trasporto di nutrienti nel disco e potrebbe portare all'accumulo di rifiuti, come il lattato. Nei dischi in cui il trasporto dei nutrienti è stato ridotto, le concentrazioni di ossigeno nel centro del disco possono scendere a livelli molto bassi. Qui il metabolismo anaerobico, e di conseguenza la produzione di lattato, aumenta e l'acidità nel centro del disco può scendere fino a pH 6.4. Valori così bassi di pH, così come basse tensioni di ossigeno, riducono il tasso di sintesi della matrice, determinando una caduta del contenuto di proteoglicani. Inoltre, le cellule stesse potrebbero non sopravvivere all'esposizione prolungata al pH acido. Un'alta percentuale di cellule morte è stata trovata nei dischi umani.

La degenerazione del disco porta a una perdita di proteoglicano e uno spostamento nella sua struttura, disorganizzazione della rete di collagene e crescita interna dei vasi sanguigni. C'è la possibilità che alcuni di questi cambiamenti possano essere annullati. È stato dimostrato che il disco ha una certa capacità di riparazione.

Malattie

Scoliosi: La scoliosi è una curvatura laterale della colonna vertebrale, in cui sono incuneati sia il disco intervertebrale che i corpi vertebrali. Di solito è associato a una torsione o rotazione della colonna vertebrale. A causa del modo in cui le costole sono attaccate alle vertebre, questo dà origine a una "gobba costale", visibile quando l'individuo colpito si piega in avanti. La scoliosi può essere dovuta a un difetto congenito della colonna vertebrale, come un'emivertebra a forma di cuneo, o può insorgere in seguito a un disturbo come la distrofia neuromuscolare. Tuttavia, nella maggior parte dei casi la causa è sconosciuta ed è quindi definita scoliosi idiopatica. Il dolore è raramente un problema nella scoliosi e il trattamento viene eseguito, principalmente per arrestare l'ulteriore sviluppo della curvatura laterale della colonna vertebrale. (Per i dettagli sul trattamento clinico di questa e di altre patologie spinali vedere Tidswell 1992.)

spondilolistesi: La spondilolistesi è uno slittamento orizzontale in avanti di una vertebra rispetto a un'altra. Può derivare da una frattura nel ponte osseo che collega la parte anteriore alla parte posteriore della vertebra. Ovviamente il disco intervertebrale tra due di queste vertebre è allungato e sottoposto a carichi anomali. La matrice di questo disco e, in misura minore, dei dischi adiacenti, mostra cambiamenti nella composizione tipici della degenerazione: perdita di acqua e proteoglicano. Questa condizione può essere diagnosticata dai raggi X.

Disco rotto o prolasso: La rottura dell'anulus posteriore è abbastanza comune negli adulti giovani o di mezza età fisicamente attivi. Non può essere diagnosticata con i raggi X a meno che non venga eseguito un discogramma, per cui viene iniettato materiale radiopaco nel centro del disco. Uno strappo può quindi essere dimostrato dal tracciamento del fluido del discogramma. A volte pezzi isolati e sequestrati di materiale discale possono passare attraverso questa lacerazione nel canale spinale. L'irritazione o la pressione sul nervo sciatico provoca dolore intenso e parestesia (sciatica) nell'arto inferiore.

Malattia degenerativa del disco: Questo è un termine applicato a un gruppo mal definito di pazienti che presentano dolore lombare. Possono mostrare cambiamenti nell'aspetto ai raggi X, come una diminuzione dell'altezza del disco e possibilmente la formazione di osteofiti sul bordo dei corpi vertebrali. Questo gruppo di pazienti potrebbe rappresentare lo stadio finale di diversi percorsi patologici. Ad esempio, le lacrime anulari non trattate possono eventualmente assumere questa forma.

Stenosi spinale: Il restringimento del canale spinale che si verifica nella stenosi spinale provoca la compressione meccanica delle radici del nervo spinale e il suo afflusso di sangue. In quanto tale, può portare a sintomi come debolezza, riflessi alterati, dolore o perdita di sensibilità (parestesie) o, talvolta, assenza di sintomi. Il restringimento del canale può, a sua volta, essere causato da vari fattori tra cui la protrusione del disco intervertebrale nello spazio canalare, la formazione di nuovo osso nelle faccette articolari (ipertrofia delle faccette) e l'artrite con infiammazione di altri tessuti connettivi molli.

L'interpretazione delle tecniche di imaging più recenti in relazione alla patologia del disco non è stata completamente stabilita. Ad esempio, i dischi degenerati sulla risonanza magnetica (MRI) danno un segnale alterato da quello visto per i dischi "normali". Tuttavia, la correlazione tra un disco di aspetto "degenerato" alla risonanza magnetica e sintomi clinici è scarsa, con il 45% dei dischi degenerati alla risonanza magnetica asintomatici e il 37% dei pazienti con dolore lombare con una normale risonanza magnetica della colonna vertebrale.

Fattori di rischio

Caricamento in corso

Il carico sui dischi dipende dalla postura. Le misurazioni intradiscali mostrano che la posizione seduta porta a pressioni cinque volte maggiori di quelle all'interno della colonna vertebrale a riposo (vedi Figura 8). Se vengono sollevati pesi esterni, ciò può aumentare notevolmente la pressione intradiscale, specialmente se il peso è tenuto lontano dal corpo. Ovviamente un aumento del carico può portare alla rottura di dischi che altrimenti potrebbero rimanere intatti.

Le indagini epidemiologiche esaminate da Brinckmann e Pope (1990) concordano su un aspetto: il sollevamento o il trasporto ripetitivo di oggetti pesanti o l'esecuzione di lavori in postura flessa o iperestesa rappresentano fattori di rischio per problemi lombari. Allo stesso modo, alcuni sport, come il sollevamento pesi, possono essere associati a una maggiore incidenza di mal di schiena rispetto, ad esempio, al nuoto. Il meccanismo non è chiaro, anche se i diversi schemi di caricamento potrebbero essere rilevanti.

Sigarette

La nutrizione del disco è molto precaria, richiede solo una piccola riduzione del flusso di nutrienti per renderlo insufficiente per il normale metabolismo delle cellule del disco. Il fumo di sigaretta può causare tale riduzione a causa del suo effetto sul sistema circolatorio al di fuori del disco intervertebrale. Il trasporto di sostanze nutritive, come ossigeno, glucosio o solfato, nel disco è significativamente ridotto dopo soli 20-30 minuti di fumo, il che può spiegare la maggiore incidenza di dolore lombare nelle persone che fumano rispetto a quelle che non lo fanno. Rydevik e Holm 1992).

Vibrazione

Studi epidemiologici hanno dimostrato che vi è un'aumentata incidenza di dolore lombare in individui esposti a livelli elevati di vibrazioni. La colonna vertebrale è suscettibile di danni alle sue frequenze naturali, in particolare da 5 a 10 Hz. Molti veicoli eccitano vibrazioni a queste frequenze. Gli studi riportati da Brinckmann e Pope (1990) hanno mostrato una relazione tra tali vibrazioni e l'incidenza del dolore lombare. Poiché è stato dimostrato che la vibrazione influenza i piccoli vasi sanguigni in altri tessuti, questo potrebbe anche essere il meccanismo del suo effetto sulla colonna vertebrale.

 

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