Zytokine, Neuroplastizitätsmodulatoren und Biomarker bei Spinalkanalstenose und endoskopischer Dekompression

Spinalstenose ist eine häufige muskuloskelettale Erkrankung, die bei Patienten Schmerzen oder Behinderungen verursacht. Die Pathogenese dieser Krankheit ist jedoch komplex und noch nicht vollständig geklärt. Lumbale Spinalkanalstenose resultiert aus degenerativen Veränderungen in Strukturen hinter dem Rückenmark, wie Hypertrophie des Ligamentum flavum (LF), sowie Ligamentverkalkung, Degeneration und Hypertrophie der Facettengelenke und/oder Bandscheibenvorfällen anterior des Rückenmarks. Die Pathologie der LF-Hypertrophie umfasst fibrokartilaginäre Veränderungen mit Typ-II-Kollagenproliferation, Verknöcherung, Kalziumkristallablagerung, Degeneration von Kollagen- und Elastikfasern sowie chondroide Metaplasie von Ligamentfibroblasten. Zahlreiche wissenschaftliche Studien haben versucht, die Ätiologie der Hypertrophie und Verknöcherung von Spinalbändern unter Berücksichtigung systemischer, lokaler, genetischer und Umweltfaktoren zu erforschen. Der Mechanismus der Degenerationsentwicklung ist jedoch immer noch nicht vollständig verstanden. Neben mechanischem Stress und erhöhter Kollagensynthese (Fibrose) im Band, die das Alter zu einem Hauptrisikofaktor machen, gelten Entzündungen und Makrophageninfiltration als bedeutende Beiträger zur Degenerationsentwicklung.

Daher ist es vernünftig anzunehmen, dass das Vorliegen von Entzündungen im Zusammenhang mit anderen Gesundheitszuständen – insbesondere chronischen – in einem unbekannten Ausmaß den Verlauf der Degeneration spinaler Strukturen beeinflussen kann. Derzeit erhalten Fettleibigkeit und Sarkopenie besondere Aufmerksamkeit als Störungen, die alle Systeme des menschlichen Körpers betreffen. Da ihre Prävalenz zunimmt, hat ein gründliches Verständnis ihrer Auswirkungen auf einzelne Organe erhebliche soziale und praktische Bedeutung für Prävention und Gesundheitsschutz.

Immer mehr Berichte deuten darauf hin, dass Störungen des Lipidstoffwechsels und die Sekretion proinflammatorischer Adipokine und Zytokine tief in die Regulation zellulärer Phänotypen und Schicksale, den Extrazellulärmatrixstoffwechsel und Entzündungen bei den pathophysiologischen Prozessen degenerativer Wirbelsäulen- und Gelenkerkrankungen involviert sind. Stoffwechselstörungen können den Knochenstoffwechsel beeinflussen und zu ektopischer Verknöcherung und Fettablagerung nicht nur in Spinalbändern, sondern auch in anderen Wirbelsäulenstrukturen führen. Ebenso bemerkenswert ist der Einfluss des Adipokinoms auf die Entwicklung muskuloskelettaler degenerativer Störungen. Sogar anatomisch vorhandenes epidurales Fett im Spinalkanal kann sich entzünden und spontan entzündliche Zytokine sezernieren, wodurch möglicherweise die Funktion benachbarter Gewebe wie paravertebraler Muskeln und Bänder verändert wird. Erwähnenswert ist, dass spinale epidurale Lipomatose, gekennzeichnet durch überschüssiges Fettgewebe im Epiduralraum, das zur Spinalkanalstenose führt, stark mit Fettleibigkeit assoziiert ist.

Bisher wurde bestätigt, dass Adipokine und ihre Rezeptoren, obwohl primär im weißen Fettgewebe lokalisiert, auch in Gelenkknorpel und spinalem Knochenmark vorhanden sind. Adipokine können die Degeneration des Ligamentum flavum durch Stimulierung entzündlicher Reaktionen und Förderung pathologischer Veränderungen fördern. Es wurde gezeigt, dass Leptin signifikant mit der Anzahl der von bandbedingter Verknöcherung betroffenen Wirbel korreliert. Fan et al. entdeckten, dass Leptin die mRNA-Expression von alkalischer Phosphatase und Osteocalcin in Ligamentum-flavum-Zellen deutlich hochreguliert. Bei Patienten mit nachgewiesener Verknöcherung wurden auch hohe Visfatinspiegel in den Ligamenta flava gefunden. Es liegen keine verfügbaren Daten über das Vorhandensein und die Rolle anderer aus Fettgewebe stammender Zytokine wie Adipsin, Vaspin, Resistin, Lipocalin-2, Progranulin, Chemerin, Omentin-1 oder Wachstumsdifferenzierungsfaktor-15 (GDF-15) im Ligamentum flavum vor. Es ist sehr wahrscheinlich, dass diese Zytokine ebenfalls an der Entwicklung von Spinalkanalstenosen beteiligt sind, was unsere Forschungshypothese darstellt. Das Vorhandensein und die Spiegel dieser Zytokine in epiduralem Fettgewebe bei Patienten mit Stenose im Vergleich zu denen ohne Spinalkanalverengung wurden bisher nicht untersucht. Da Studien bestätigen, dass chronische systemische Entzündungen verschiedene Gewebe beeinflussen und lokale Entzündungen benachbarte Strukturen erheblich beeinträchtigen, hypothetisieren wir, dass Bänder, paravertebrale Muskeln, Bandscheiben usw. besonders anfällig für von epiduralem Fettgewebe sezernierte Zytokine sein könnten. Frühere In-vitro-Studien bestätigten, dass eine lokale Umgebung, reich an Zytokinen wie IL-6, IL-1α, Stickoxid-Donor (SNAP) und Prostaglandin E2, die Genexpression von Kollagenen I, V, XI und Osteocalcin in Ligamentum-flavum-Zellen verändert. Die Auswirkungen der genannten Adipokine auf die Entwicklung der Ligamentum-flavum-Degeneration wurden jedoch noch nicht bestimmt.

Die Studie umfasst die Untersuchung der Konzentrationen von Zytokinen (insbesondere Adipokinen) und Neuroplastizitätsmodulatoren sowie ihrer mRNA-Expression in Geweben, die routinemäßig während Operationen von Patienten mit Spinalstenose und Bandscheibenvorfall entfernt werden, sowie die zweimalige Blutentnahme von Patienten, vor dem Eingriff und während eines Nachsorgetermins zwei Monate nach dem Eingriff.

Ziele

1. Unterschiede in den Konzentrationen ausgewählter Biomarker in Proben von Ligamentum flavum, paravertebralen Muskeln und epiduralem Fett, die aus der Lendenregion von Patienten mit Stenose im Vergleich zu solchen ohne Spinalkanaldegeneration entnommen wurden, zu identifizieren.
2. Zu bestimmen, ob die Expression ausgewählter Biomarker in Geweben mit ihrer Präsenz im Blut der Patienten korreliert und ob sie mit dem Grad der Degeneration, Behinderung, Schmerzintensität und Körpermasse zusammenhängen.
3. Potenzielle Biomarker zur Überwachung der Wirksamkeit der Spinalkanaldekompressionschirurgie durch Vergleich der Biomarkerspiegel vor der Operation und zwei Monate in der Erholungsphase auszuwählen.
4. Potenzielle Proteine zu identifizieren, die den Stoffwechsel und die Entzündung im Ligamentum flavum modulieren.
5. Den Einfluss ausgewählter Zytokine und des Adipokinoms von epiduralem Fettgewebe auf Stoffwechsel und Entzündung in Ligamentum-flavum-Zellkulturen zu bewerten.

Beschreibung der Studienpopulation

An der Studie werden 100 Patienten der Orthopädisch-Rehabilitativen Klinik der Medizinischen Universität Posen teilnehmen, sowohl Männer als auch Frauen:

• 50 Patienten mit lumbaler Spinalkanalstenose, im Alter von 40-90 Jahren
• 50 Patienten mit Bandscheibenvorfall, im Alter von 18-40 Jahren, die eine chirurgische Behandlung benötigen Teilnehmer werden operiert, sofern sie eine Einwilligung nach Aufklärung zur Verwendung ihrer Gewebe in der wissenschaftlichen Forschung geben.
• Die Studiengruppe wird sich einer endoskopischen Spinalkanaldekompression unterziehen, bei der Gewebe (Knochen, Band, Gelenk), die neuralen Strukturen komprimieren, entfernt werden, und möglicherweise ein verlagertes Bandscheibenfragment entfernt wird.
• Die Kontrollgruppe wird sich einer isolierten Bandscheibenvorfalloperation unterziehen, bei der das verlagertes Bandscheibenfragment entfernt wird.

Methoden Vor der Operation (innerhalb von 48 Stunden) und zwei Monate postoperativ werden jedem Patienten 20 ml venöses Blut entnommen.

Während der Operation werden folgende Proben gesammelt:

• Paravertebrales Muskelgewebe
• Ligamentum flavum
• Epidurales Fettgewebe

In der Studie werden folgende Methoden/Werkzeuge verwendet:

1. Standardisierte Fragebögen für Behinderung und Schmerzintensität
2. MRT der Lendenwirbelsäule (routinemäßig vor der Operation durchgeführt)

3. Molekulare Tests

   1. Die mRNA-Expression von Zytokinen (GDF-15, Adipsin, Vaspin, Resistin, Lipocalin-2, Progranulin, Chemerin, Omentin-1) wird mittels PCR gemessen.
   2. Immunassays mit kommerziellen ELISA-Kits werden an Gewebehomogenaten und Serum durchgeführt, um die Proteinkonzentrationen (GDF-15, Adipsin, Vaspin, Resistin, Lipocalin-2, Progranulin, Chemerin, Omentin-1) zu bestimmen.
4. Zellkultur und Stimulation von Zellen mit Zytokinen und Medium aus Fettgewebe Ein Drittel des biologischen Materials wird für Zellkulturstudien zugeteilt. Proben des Ligamentum flavum, der paravertebralen Muskeln und des epiduralen Fettgewebes werden direkt nach der Operation gesammelt und in sterilen Behältern mit geeigneten Transportmedien platziert.

Alle Proben werden sofort unter sterilen Bedingungen in kürzestmöglicher Zeit nach der Entnahme in das Zellkulturlabor transportiert. Bei Ankunft im Labor durchlaufen sie geeignete, vorab festgelegte Zellisolationsprotokolle, die auf die Eigenschaften jedes Gewebetyps zugeschnitten sind.

Nach der Expositionsperiode werden die Expression von mRNA und Proteinebenen von Zytokinen, Fibrosemarkern, Knochenmarkern, extrazellulären Matrixproteinen, Matrixabbauenzymen im konditionierten Medium gemessen, das aus den Kulturen von Myozyten und Ligamentum-flavum-Fibroblasten gesammelt wurde.