Dichiarazione di importanza La lombalgia è tra le principali cause di disabilità ed è spesso correlata alla degenerazione del disco intervertebrale. Il diabete di tipo 2 è un fattore di rischio indipendente per la lombalgia, la degenerazione del disco e il danno al tessuto del disco, ma i meccanismi sottostanti rimangono poco compresi. Qui, mostriamo che il carico di compressione dell’intero disco intervertebrale è adattato da meccanismi di deformazione su scala nanometrica delle fibrille di collagene, che sono compromesse dall’infragilimento del collagene nel diabete di tipo 2. Questi risultati forniscono nuove informazioni sui potenziali meccanismi che sono alla base del danno tissutale del disco correlato al diabete e potrebbero informare lo sviluppo di strategie preventive e terapeutiche per questa condizione debilitante. |
Figura: La struttura gerarchica del disco intervertebrale (circa 45-55 mm di diametro nella colonna lombare umana e 2,5-5 mm nella colonna coccigea del ratto) è composta dall’anello fibroso esterno rinforzato con fibre e dal nucleo polposo interno gelatinoso. Le fibre di collagene di tipo 1 che rinforzano l’anello fibroso hanno un diametro tipico di circa μ e sono formate da numerose fibrille di collagene con diametri dell’ordine di 100 nm. Le fibrille contengono alfa eliche di collagene, ciascuna delle quali ha un diametro di circa 1,6 nm.
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Il diabete di tipo 2 altera il comportamento dei dischi nella colonna vertebrale, rendendoli più rigidi e causando anche un cambiamento di forma dei dischi prima del normale. Di conseguenza, la capacità del disco di resistere alla pressione è compromessa. Questo è uno dei risultati di un nuovo studio sui roditori condotto da un team di ingegneri e medici dell’Università della California a San Diego, dell’UC Davis, dell’UCSF e dell’Università dello Utah.
La lombalgia è una delle principali cause di disabilità, spesso associata alla degenerazione del disco intervertebrale. Le persone con diabete di tipo 2 affrontano un rischio maggiore di lombalgia e problemi legati al disco. Tuttavia, i meccanismi precisi della degenerazione del disco rimangono poco chiari.
Lo studio delle proprietà biomeccaniche del disco intervertebrale è fondamentale per comprendere la malattia e sviluppare strategie efficaci per controllare la lombalgia. Il gruppo di ricerca è stato co-guidato da Claire Acevedo, membro della facoltà del Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale dell’Università della California, San Diego, e Aaron Fields, professore del Dipartimento di Chirurgia Ortopedica dell’UC San Francisco.
"Questi risultati forniscono nuove informazioni sui potenziali meccanismi alla base del danno tissutale del disco correlato al diabete e potrebbero informare lo sviluppo di strategie preventive e terapeutiche per questa condizione debilitante", scrivono i ricercatori.
Lo studio sottolinea che i meccanismi di deformazione su scala nanometrica delle fibrille di collagene si adattano al carico di compressione del disco intervertebrale. Nel contesto del diabete di tipo 2, questi meccanismi sono compromessi, portando all’infragilimento del collagene . Questi risultati forniscono nuove informazioni sui potenziali meccanismi alla base del danno tissutale del disco correlato al diabete e potrebbero informare lo sviluppo di strategie preventive e terapeutiche per questa condizione debilitante.
I ricercatori hanno utilizzato lo scattering di raggi X a piccolo angolo di sincrotrone (SAXS), una tecnica sperimentale che analizza la deformazione e l’orientamento delle fibrille di collagene su scala nanometrica. Volevano esplorare in che modo le alterazioni nel comportamento del collagene contribuiscono ai cambiamenti nella capacità del disco di resistere alla compressione.
Hanno confrontato i dischi di ratti sani con quelli di ratti con diabete di tipo 2 (modello di ratto UC Davis). Ratti sani hanno dimostrato che le fibrille di collagene ruotano e si allungano quando i dischi vengono compressi, consentendo al disco di dissipare l’energia in modo efficace.
"Nei ratti diabetici, il modo in cui i dischi vertebrali dissipano l’energia sotto compressione è significativamente influenzato: il diabete riduce la rotazione e lo stiramento delle fibrille di collagene, indicando una capacità compromessa di gestire la pressione", scrivono. i ricercatori.
Un’analisi più dettagliata ha mostrato che i dischi dei ratti diabetici presentavano un indurimento delle fibrille di collagene, con una maggiore concentrazione di legami incrociati non enzimatici. Questo aumento della reticolazione del collagene, indotto dall’iperglicemia, ha limitato le deformazioni plastiche dovute allo scorrimento fibrillare. Questi risultati evidenziano che il riorientamento, il raddrizzamento, l’allungamento e lo scorrimento delle fibrille sono meccanismi cruciali che facilitano la compressione dell’intero disco. Il diabete di tipo 2 interrompe questi efficienti meccanismi di deformazione, portando a un’alterata biomeccanica dell’intero disco e a un comportamento più fragile (a bassa energia).
Il team ha pubblicato i risultati su PNAS Nexus . Questa ricerca è stata supportata dal Research Allocation Committee (AJF) dell’UCSF, dall’UCSF Core Center for Musculoskeletal Biology and Medicine (AJF), dall’Ufficio del Presidente dell’Università della California (PJH), dall’Institute National Health Organizations (R01 DK095980, R01 HL107256, R01 HL121324, P30 AR066262, R01 AR070198), l’Università dello Utah (JLR) e Advanced Light Source (ALS07392; TNA, CA).
