Efectele torsiunii asupra exprimării genei discului intervertebral și a biomecanicii, folosind un model de coadă de șobolan
Ana Barbir
* Școala de inginerie, Universitatea din Vermont, Burlington, VT
Carolyn E. Godburn
* Școala de inginerie, Universitatea din Vermont, Burlington, VT
Arthur J. Michalek
* Școala de inginerie, Universitatea din Vermont, Burlington, VT
Alon Lai
† Departamentul de tehnologie și informatică a sănătății, Universitatea Politehnică din Hong Kong, Hong Kong, China
Robert D. Monsey
‡ Departamentul de Ortopedie și Reabilitare, Universitatea din Vermont, Burlington, VT
James C. Iatridis
* Școala de inginerie, Universitatea din Vermont, Burlington, VT
‡ Departamentul de Ortopedie și Reabilitare, Universitatea din Vermont, Burlington, VT
Abstract
Design de studiu
Model de coadă de șobolan in vitro și in vivo pentru a evalua efectele torsiunii asupra biomecanicii discului intervertebral și a expresiei genice.
Obiectiv
Investigați efectele torsiunii asupra promovării biosintezei și a producerii leziunilor pe discurile intervertebrale caudale de șobolan.
Rezumatul datelor de fundal
Torsiunea este un mod important de încărcare pe disc și creșterea intervalului de mișcare torsională este asociată cu simptome clinice de la întreruperea discului. Conținutul modificat de elastină este implicat în degenerarea discului, dar efectele sale asupra încărcării torsionale sunt necunoscute. Deși efectele compresiei au fost studiate, efectul torsiunii asupra expresiei genei discului intervertebral este necunoscut.
Metode
Testele biomecanice in vitro au fost efectuate în torsiune pe segmente de mișcare a cozii șobolanilor supuse la 4 tratamente: elastază, colagenază, genipină, martor. Testele in vivo au fost efectuate pe șobolani cu fixatoare de tip Ilizarov implantate pe segmente de mișcare caudală cu cinci grupuri de încărcare de 90 de minute: 1 Hz torsiune ciclică la ± 5 °, ± 15 ° și ± 30 °, torsiune statică la + 30 °, și fals. Anulusul și țesuturile nucleului au fost analizate separat folosind qRT-PCR pentru expresia genică a markerilor citokinici anabolici, catabolici și proinflamatori.
Rezultate
Testele in vitro au arătat o rigiditate torsională scăzută după tratamentul cu elastază și nicio modificare a rigidității cu frecvența. Testele in vivo nu au arătat modificări semnificative ale rigidității dinamice în timp. Expresia elastică a torsiunii ciclice reglată în sus în anulus fibrosus. Reglarea în sus a TNF-a și IL-1β a fost măsurată la ± 30 °.
Concluzie
Concluzionăm că diferențele puternice în răspunsul discului la torsiunea și compresia ciclică sunt evidente cu torsiunea crescând expresia și compresia elastinei, rezultând o creștere mai substanțială a metabolismului discului în nucleul pulpos. Rezultatele evidențiază importanța elastinei în încărcarea torsională și sugerează că elastina se remodelează ca răspuns la forfecare. Încărcarea torsională poate provoca leziuni ale discului la amplitudini excesive care sunt detectabile biologic înainte de a fi biomecanice.
Cauzele degenerării discului intervertebral (IVD) sunt polifacetice, cu contribuții ale factorilor de îmbătrânire, mecanici, genetici și nutriționali. 1 Degenerarea IVD se manifestă biochimic prin pierderea glicozaminoglicanilor, modificări regionale în compoziția matricei de colagen 2, precum și modificări ale structurii elastinei 3, 4 și ale conținutului. 5 O creștere a expresiei proteazei și a inhibitorilor acestora, 6, 7 incluzând MMP-3, ADAMTS-4 și TIMP-1, precum și citokinele IL-1β 8 și TNF-α 9 au fost, de asemenea, asociate cu degenerarea. Din punct de vedere biomecanic, degenerarea IVD se caracterizează printr-o scădere a presiunii intradiscale și osmotice, 10, 11 o gamă modificată de mișcare și o zonă neutră redusă, 12 - 14 și o scădere a vitezei de fluare și fluaj. 15, 16