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Manuskript

Trotz allem, was aus jahrzehntelanger Forschung bekannt ist, bleibt die Bandscheibe ein Rätsel. Es ist eine einzigartige und bemerkenswerte Einheit, und vielleicht ist der einzige Aspekt, der für einen Großteil ihres Geheimnisses verantwortlich ist, dass eine so große Struktur in der Lage ist, unter den schwierigsten physiologischen Bedingungen zu überleben und zu funktionieren. Die Scheiben der menschlichen Wirbelsäule sind die größten nicht vaskularisierten Strukturen im Körper, und in der größten von ihnen (in der Lendenwirbelsäule) können einige Zellen 20 mm von der nächsten direkten Blutversorgung entfernt sein. Trotz ihrer offensichtlichen Widerstandsfähigkeit sind die residenten Zellen jedoch nicht unsterblich. Es ist nicht ungewöhnlich, dass Bandscheiben im Alter von 25 Jahren Anzeichen einer Verschlechterung aufweisen, und in dieser Hinsicht spielt die Wirbelendplatte eine wichtige Rolle.

Bandscheiben sind grob zylindrische Strukturen, die in Größe und Form progressiv von der Halswirbelsäule bis zur Lendenwirbelsäule variieren. Sie alle bestehen aus einem gut hydratisierten zentralen Nucleus pulposus, der von den festen, aber flexiblen kollagenen Lamellen des Annulus fibrosus umgeben ist . An den kranialen und kaudalen Enden jeder Bandscheibe befinden sich die Endplatten, die den Wirbelknochen von der Bandscheibe selbst trennen und verhindern, dass sich der hoch hydratisierte Kern in die benachbarten Wirbel wölbt. Die Endplatten nehmen auch den erheblichen hydrostatischen Druck auf, der sich aus der mechanischen Belastung der Wirbelsäule ergibt. Die Endplatten sind typischerweise weniger als 1 mm dick, und während dies über die Breite einer einzelnen Scheibe beträchtlich variiert, neigen sie dazu, im zentralen Bereich neben dem Kern am dünnsten zu sein .

Die Endplatten sind ab einem frühen embryologischen Stadium identifizierbar und weisen sowohl einen knöchernen als auch einen hyalinen Knorpelanteil auf. Die knorpelige Komponente scheint großes Interesse zu wecken, da sie während der normalen Reifung anhält, während die benachbarten Wirbel verknöchert werden. Es besteht aus einem Gel aus hydratisierten Proteoglykanmolekülen, die durch ein Netzwerk von Kollagenfibrillen verstärkt werden. Im Gegensatz zum Gelenkknorpel der Synovialgelenke verbinden die Kollagenfibrillen die Endplatte nicht direkt mit dem Wirbelknochen , obwohl die Endplatte durch die Lamellen des inneren Ringes innigen Kontakt mit der Bandscheibe hat . Ein Netzwerk von mikroskopisch kleinen Blutgefäßen dringt während der Entwicklung der wachsenden Wirbelsäule in die Endplatten ein, hauptsächlich um die Bandscheibe mit Nahrung zu versorgen, bevor es um die Zeit der Skelettreife verschwindet . Abgesehen von einer spärlichen Gefäßversorgung in den äußeren Lamellen des Ringes sind reife Scheiben fast vollständig auf die Diffusion essentieller gelöster Stoffe über die Endplatten für Ernährung und Stoffwechsel angewiesen .

Die biochemische Zusammensetzung der Endplatten, von der Normalität über das Spektrum der degenerativen Erkrankungen, wurde ausführlich dokumentiert . Von den verschiedenen Kollagenarten, die in der Bandscheibe vorhanden sind, wird angenommen, dass Typ X die wichtigste in der Endplatte ist, da es ein Marker für hypertrophe Chondrozyten ist und an der Verkalkung beteiligt ist . Ferner wurde gezeigt, dass die Inaktivierung eines Kollagen-II-Genallels bei jungen Mäusen zu niedrigeren Glycosaminogloycan-Spiegeln in den Endplatten und dickeren, unregelmäßigeren Endplatten führt, die vorzeitig verkalken .

Proteoglykanmoleküle innerhalb der Matrix sind entscheidend für die Kontrolle des gelösten Stofftransports und die Aufrechterhaltung des Wassergehalts, insbesondere in der gesamten Bandscheibe, und die Erschöpfung von Proteoglykanen aus dem Endplattenknorpel ist mit dem Verlust von Proteoglykanen aus dem Zellkern verbunden . Daraus folgt, dass ein Proteoglykanverlust letztendlich zu einer Degeneration der Bandscheibe führen würde . Veränderungen in der Bandscheibenbiochemie, insbesondere in der Endplatte, während der Skelettwachstumsphase können auch an der Entwicklung von Skoliose beteiligt sein .

Viel Aufmerksamkeit wurde dem Verständnis von Aspekten der Bandscheibenernährung und der allgemeinen Prozesse im Zusammenhang mit dem Bandscheibenstoffwechsel gewidmet. In-vitro-Studien mit kleinen Farbstoffmolekülen haben gezeigt, dass die lateralen Ränder der Endplatte in der Nähe des Wirbelrandes im Vergleich zum zentralen Teil oder dem gesamten Ring relativ undurchlässig sind . Quantitative Studien mit menschlichen Autopsieproben haben gezeigt, dass die Endplattenpermeabilität auf mikroskopisch kleine Blutgefäße in der zentralen Endplatte zurückzuführen ist, die zahlreicher sind als in den Rändern der Scheibe . Dieses Gefäßnetz wurde unter Verwendung einfacher Injektionstechniken demonstriert und zeigt, dass die Diffusion kleiner gelöster Stoffe aus diesen Gefäßen der Hauptmechanismus für die Übertragung von Nährstoffen in die Bandscheibe ist . Das Verfahren ist jedoch selektiv und basiert ausschließlich auf der Molekülgröße und der Ionenladung der beteiligten Moleküle. Die negative Nettoladung des Kerns, die durch die hohe Konzentration von Proteoglykanen im Kern übertragen wird, ermöglicht den Durchgang positiver Ionen wie Natrium und Calcium und ungeladener Moleküle wie Glucose und Sauerstoff, während die Bewegung negativ geladener Ionen wie Sulfat und Chlorid und Makromoleküle wie Immunglobuline und Enzyme behindert werden. Die Bedeutung der Endplatte für den Stoffwechsel der Bandscheibe wurde durch eine Vielzahl von Labortechniken bestätigt .

Bei Erreichen der Skelettreife wird der Knorpel der Endplatte erheblich umgebaut, was zu einer ausgedehnten Mineralisierung führt, die schließlich resorbiert und durch echten Knochen ersetzt wird . Wichtig ist, dass dieses neue Gewebe höchstwahrscheinlich die bisher kritische Diffusion und den Nährstoffaustausch zwischen dem Wirbelmark und der Bandscheibe behindert . Die kleinen Blutgefäße innerhalb der Endplatte werden durch diese Verkalkung ebenfalls ausgelöscht, was den Austausch lebenswichtiger Nährstoffe weiter einschränkt.

Überraschenderweise kann die Endplatte nach der Reife bei einigen Arten unter normalen und pathologischen Bedingungen revaskularisiert werden. In der letzteren Studie konnte die Revaskularisation, die als Versuch einer Gewebereparatur angesehen wurde, die unvermeidliche Degenerationskaskade, die durch eine ringförmige Störung verursacht wurde, nicht umkehren. Die Bildung von Blutgefäßen in der Endplatte erfolgt durch Aktivierung der matrixabbauenden Metalloproteinase (MMP) -Enzyme, die normalerweise durch Gewebeinhibitoren in latenter Form aufrechterhalten werden .

Der Blutfluss im Bereich der Endplatten ist nicht vollständig passiv, da Muskarinrezeptoren vorhanden sind, die die Ernährung der Bandscheiben unter veränderten physiologischen Bedingungen beeinflussen können . Zusätzliche Studien haben Nervenfasern und Blutgefäße in den Endplatten und dem subchondralen Knochen in degenerierten Bandscheiben identifiziert, was darauf hindeutet, dass die Gewebereparatur mit Rückenschmerzen verbunden sein kann .Morphologische Veränderungen an den Endplatten treten normalerweise mit zunehmendem Alter auf, sind aber auch in Verbindung mit pathologischen Veränderungen des Kerns und des Ringes in fortgeschrittenen Stadien der degenerativen Bandscheibenerkrankung offensichtlich . Die frühesten mikroskopischen Veränderungen sind Risse und Spalten entlang der Länge der Endplatte in der horizontalen Ebene mit gelegentlichem Tod der Chondrozyten. Es ist nicht ungewöhnlich, eindringende Blutgefäße mit angrenzender knöcherner Endplattenossifikation zu sehen. Schließlich wird der Knorpel durch Verknöcherung überwunden. Wenn es noch einigermaßen gesund ist, füllt der Kern die Hohlräume, die entstehen, wenn Blutgefäße die Endplatte perforieren, obwohl diese Defekte die knöcherne Endplatte nicht verletzen. Im fünften Jahrzehnt ragt Kernmaterial mit fokaler knöcherner Sklerose, die aus dem aktiven Umbau resultiert, in das Wirbelmark hinein. Oft ist der Knorpel vollständig verloren. In einem Tiermodell der Spondylolyse Disc-Degeneration, einschließlich Verlust der Endplatte, wurde gesehen und wurde von einer erhöhten Apoptose der Endplatte Chondrozyten begleitet, was auf eine mögliche Beteiligung des programmierten Zelltods bei der altersbedingten Bandscheibendegeneration hinweist .Die theoretische Finite-Elemente-Modellierung stimmt mit detaillierten mikroskopischen Beobachtungen überein, dass die Endplatte fast ausnahmslos an der Stelle der Befestigung am subchondralen Knochen und vermutlich aufgrund der schlechten Befestigung der Kollagenfibrillen am Knochen anfällig für mechanisches Versagen ist, wie bereits erwähnt . Autopsiestudien zeigen auch, dass Teile der Endplatte vom Wirbelkörper getrennt werden und zusammen mit anhaftenden Ringfasern von der Bandscheibe abfallen können . Es scheint, dass der Punkt, an dem sich die ringförmigen Fasern in den Wirbelkörper in der Nähe des epiphysären Rings einfügen, von Natur aus schwach ist, und es scheint mehr als zufällig, dass dies eine häufige Frakturstelle bei Jugendlichen ist . Experimentelle Studien mit den Stacheln jugendlicher Schweine haben ähnliche Ergebnisse nach mechanischer Kompression reproduziert . Es ist zu beachten, dass sich dieses Verletzungsmuster stark von dem der erwachsenen Wirbelsäule unterscheidet, an der die Endplatte und der angrenzende Trabekelknochen beteiligt sind .

Der häufigste beobachtete Endplattendefekt ist wahrscheinlich der Schmorl-Knoten, bei dem es sich um einen vertikalen Vorsprung des Kerninhalts in den benachbarten Wirbelkörper handelt . Schmorl-Knoten sind in mehr als 70% der Stacheln bei der Autopsie mit gleicher Häufigkeit über und unter dem Alter von 50 Jahren zu sehen, was darauf hindeutet, dass sie relativ früh im Leben erscheinen . Dass sie bei Männern bis zum Alter von 59 Jahren doppelt so häufig sein sollten, deutet darauf hin, dass sie als Folge eines Berufstraumas auftreten. Seltsamerweise gibt es jedoch einen Geschlechtswechsel nach 60 Jahren und sie sind bei Frauen doppelt so häufig! Dies geschieht zu einem Zeitpunkt, an dem die Bandscheibe aufgrund von Veränderungen wie Osteoporose, die im Allgemeinen mit fortgeschrittenem Alter einhergehen, eher reißt. In jedem Fall sind Scheiben mit Schmorls-Knoten in einem frühen Alter degenerierter als andere Scheiben .

Was genau die Bildung von Schmorls Knoten verursacht, bleibt ein Rätsel. Es scheint wenig Zweifel, dass sie als kleine Defekte beginnen und daher auf klinischen Röntgenaufnahmen nicht immer so oft zu sehen sind wie bei der Autopsie . Sie werden radiologisch deutlicher, da der nukleare Prolaps zu einer verringerten Bandscheibenhöhe und einer knorpeligen Kappe führt und sich schließlich neue Knochen um den Prolaps bilden. Obwohl die meisten Endplatten keine Hinweise auf natürliche Perforationen zeigen, schlug Schmorl vor, dass diese Läsionen von fokalen Schwachstellen herrühren, die durch degenerierten Knorpel verursacht werden . In Ermangelung eines direkten Traumas oder einer Zerstörung infolge einer neoplastischen Beteiligung sind die Endplatten intakt und es wird allgemein angenommen, dass Narbengewebe, das nach dem Schließen der kleinen Gefäßkanäle in der sich entwickelnden Wirbelsäule verbleibt, eine Protrusion durch diese Schwachstellen ermöglicht . Es kann signifikant sein, dass Proben mit Schmorl-Knoten signifikant mehr Markkontakte in den Endplatten aufweisen, was darauf hindeutet, dass diese Läsionen zu einer zusätzlichen Pathologie wie der Scheuermann-Krankheit beitragen können, bei der sie eine herausragende Rolle spielen.Obwohl es völlig falsch wäre zu behaupten, dass die Bandscheibendegeneration per se die einzige Ursache für Rückenschmerzen ist, wäre es dennoch naiv, die starke Korrelation zwischen den beiden Entitäten zu ignorieren. Als Ergebnis spannender Entwicklungen auf dem Gebiet der Wirbelsäulenforschung sind wir uns heute mehr denn je der zellulären Prozesse bewusst, die bei der Bandscheibendegeneration auftreten, und mit dem Eintritt in die aufregende Ära der „regenerativen Medizin“ oder „biologischen Behandlungen“ steigt das Interesse und sogar die Erwartung, dass degenerative Erkrankungen mit einem „Wundermittel“ behandelt werden können.Die Behandlungen, die insbesondere für die Regeneration der Endplatten potenziell zur Verfügung stehen könnten, sind zahlreich und vielfältig, und tatsächlich werden die meisten aufgrund der komplexen Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Komponenten der Scheibe im Zusammenhang mit der Scheibe als Ganzes betrachtet. Solche Ansätze umfassen die Verwendung von rekombinanten Proteinen, Zytokinen oder Wachstumsfaktoren , molekulare Therapie, Gentransfertechniken , Zelltherapie . Diese einzelnen Themen sind so detailliert, dass jeder Versuch, sie in wenigen Absätzen zusammenzufassen, ihnen nicht gerecht wird. Der Leser wird stattdessen auf die umfassende Literatur (einschließlich der oben genannten Rezensionen) verwiesen, die viele hervorragende Arbeiten zu jedem Thema enthält.

Die meisten dieser Konzepte sind kaum von In-vitro-Tests fortgeschritten und werden daher in naher Zukunft wahrscheinlich keine praktische klinische Anwendung finden. Dies ist keine Kritik an diesen Werken. Im Gegenteil, es ist eine vorsichtige Warnung, dass es viele Jahre dauern kann, bis wir die Ergebnisse angemessen durchgeführter Studien sehen, die ihre klinische Wirksamkeit bewerten. Realistisch gesehen werden diese Behandlungen den degenerativen Prozess nicht vollständig umkehren, aber sie können das Potenzial bieten, die unvermeidlichen Folgen zu stoppen oder zumindest zu verzögern. Der Schlüssel zu diesem Ansatz wird darin bestehen, geeignete Ziele zu identifizieren, sei es Gene, bioaktive Moleküle, bestimmte Zelltypen oder vor allem der Patient. Die Empfänger dieser Behandlungen müssen sorgfältig ausgewählt werden, da es überzeugende Beweise dafür gibt, dass so unterschiedliche Faktoren wie Genetik, Zigarettenrauchen, Beruf und Immobilisierung den Zellstoffwechsel durch Endplattendiffusion und damit die Ernährung der Zellen beeinflussen. Ebenso wichtig ist es, sicherzustellen, dass die Zellen in der Bandscheibe überleben und angemessen funktionieren, um den maximalen Nutzen solcher Behandlungen zu erzielen.

Die Bandscheibendegeneration ist ein komplexes Problem, das unzählige Faktoren umfasst, von denen die Endplatte nur ein Beispiel ist. Sorgfältige inkrementelle Forschung enträtselt langsam seine Geheimnisse und es gibt Grund, optimistisch zu sein, dass es eines Tages Behandlungen geben wird, um die universellen Probleme im Zusammenhang mit Rückenschmerzen anzugehen.