Wichtige Erklärung Schmerzen im unteren Rücken gehören zu den Hauptursachen für Behinderungen und stehen häufig im Zusammenhang mit einer Bandscheibendegeneration. Typ-2-Diabetes ist ein unabhängiger Risikofaktor für Schmerzen im unteren Rückenbereich, Bandscheibendegeneration und Schäden am Bandscheibengewebe, die zugrunde liegenden Mechanismen sind jedoch noch wenig verstanden. Hier zeigen wir, dass die Druckbelastung der gesamten Bandscheibe durch nanoskalige Verformungsmechanismen von Kollagenfibrillen angepasst wird, die durch Kollagenversprödung bei Typ-2-Diabetes beeinträchtigt werden. Diese Ergebnisse liefern neue Einblicke in mögliche Mechanismen, die einer diabetesbedingten Schädigung des Bandscheibengewebes zugrunde liegen, und können die Entwicklung präventiver und therapeutischer Strategien für diese schwächende Erkrankung beeinflussen. |
Abbildung: Die hierarchische Struktur der Bandscheibe (ca. 45 bis 55 mm Durchmesser bei der menschlichen Lendenwirbelsäule und 2,5 bis 5 mm bei der Steißbeinwirbelsäule der Ratte) besteht aus dem faserverstärkten äußeren Anulus fibrosus und dem inneren gallertartigen Nucleus pulposus. Die Kollagenfasern vom Typ 1, die den Anulus fibrosus verstärken, haben einen typischen Durchmesser von etwa μ und werden von vielen Kollagenfibrillen mit Durchmessern in der Größenordnung von 100 nm gebildet. Die Fibrillen enthalten Kollagen-Alpha-Helices mit einem Durchmesser von jeweils etwa 1,6 nm.
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Typ-2-Diabetes verändert das Verhalten der Bandscheiben in der Wirbelsäule, macht sie steifer und führt auch dazu, dass sich die Form der Bandscheiben früher als normal ändert. Dadurch wird die Druckfestigkeit der Bandscheibe beeinträchtigt. Dies ist eines der Ergebnisse einer neuen Studie an Nagetieren, die von einem Team aus Ingenieuren und Ärzten der University of California San Diego, UC Davis, UCSF und der University of Utah durchgeführt wurde.
Schmerzen im unteren Rückenbereich sind eine der Hauptursachen für Behinderungen und gehen oft mit einer Bandscheibendegeneration einher. Menschen mit Typ-2-Diabetes haben ein erhöhtes Risiko für Kreuzschmerzen und Bandscheibenprobleme. Die genauen Mechanismen der Bandscheibendegeneration bleiben jedoch unklar.
Die Untersuchung der biomechanischen Eigenschaften der Bandscheibe ist entscheidend für das Verständnis der Krankheit und die Entwicklung wirksamer Strategien zur Kontrolle von Rückenschmerzen. Das Forschungsteam wurde gemeinsam von Claire Acevedo, einem Fakultätsmitglied der Abteilung für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik der University of California, San Diego, und Aaron Fields, einem Professor der Abteilung für orthopädische Chirurgie der UC San Francisco, geleitet.
„Diese Ergebnisse liefern neue Einblicke in mögliche Mechanismen, die einer diabetesbedingten Schädigung des Bandscheibengewebes zugrunde liegen, und können die Entwicklung präventiver und therapeutischer Strategien für diese schwächende Erkrankung beeinflussen“, schreiben die Forscher.
Die Studie betont, dass sich die nanoskaligen Verformungsmechanismen der Kollagenfibrillen an die Druckbelastung der Bandscheibe anpassen. Im Zusammenhang mit Typ-2-Diabetes sind diese Mechanismen beeinträchtigt, was zu einer Kollagenversprödung führt . Diese Ergebnisse liefern neue Einblicke in mögliche Mechanismen, die einer diabetesbedingten Schädigung des Bandscheibengewebes zugrunde liegen, und können die Entwicklung präventiver und therapeutischer Strategien für diese schwächende Erkrankung beeinflussen.
Die Forscher verwendeten Synchrotron-Kleinwinkel-Röntgenstreuung (SAXS), eine experimentelle Technik, die die Verformung und Ausrichtung von Kollagenfibrillen im Nanomaßstab analysiert. Sie wollten untersuchen, wie Veränderungen im Kollagenverhalten zu Veränderungen in der Fähigkeit der Bandscheibe, einer Kompression zu widerstehen, beitragen.
Sie verglichen Bandscheiben von gesunden Ratten mit denen von Ratten mit Typ-2-Diabetes (UC-Davis-Rattenmodell). Gesunde Ratten zeigten, dass sich Kollagenfibrillen drehen und dehnen, wenn die Bandscheiben zusammengedrückt werden, wodurch die Bandscheibe Energie effektiv ableiten kann.
„Bei diabetischen Ratten wird die Art und Weise, wie Bandscheiben unter Druck Energie abbauen, erheblich beeinflusst: Diabetes verringert die Rotation und Dehnung der Kollagenfibrillen, was auf eine beeinträchtigte Fähigkeit hindeutet, mit Druck umzugehen“, schreiben sie. die Forscher.
Eine detailliertere Analyse zeigte, dass die Bandscheiben von diabetischen Ratten eine Verhärtung der Kollagenfibrillen mit einer höheren Konzentration an nicht-enzymatischen Vernetzungen aufwiesen. Dieser durch Hyperglykämie induzierte Anstieg der Kollagenvernetzung begrenzte plastische Verformungen aufgrund des Fibrillengleitens. Diese Ergebnisse verdeutlichen, dass die Neuausrichtung, Begradigung, Dehnung und das Gleiten der Fibrillen entscheidende Mechanismen sind, die die Kompression der gesamten Bandscheibe erleichtern. Typ-2-Diabetes stört diese effizienten Verformungsmechanismen, was zu einer veränderten Biomechanik der gesamten Bandscheibe und einem spröderen (energiearmen) Verhalten führt.
Das Team veröffentlichte seine Ergebnisse in PNAS Nexus . Diese Forschung wurde vom UCSF Research Allocation Committee (AJF), dem UCSF Core Center for Musculoskeletal Biology and Medicine (AJF), dem University of California Office of the President (PJH) und den Institutes National Health Organizations (R01) unterstützt DK095980, R01 HL107256, R01 HL121324, P30 AR066262, R01 AR070198), der University of Utah (JLR) und der Advanced Light Source (ALS07392; TNA, CA).
