Inflammatorische Reaktion und Apoptose in humanen Bandscheibe nach Frakturen der thorakolumbalen Wirbelsäule

Abstract

Ein zentrales Problem nach Frakturen im Bereich der thorakolumbalen Wirbelsäule ist der sowohl nach konservativer als auch nach operativer Behandlung im Verlauf auftretende Korrekturverlust, der nicht nur im betroffenen Wirbelkörper, sondern vor allem in den angrenzenden Bandscheiben stattfindet. Aus Untersuchungen der Degeneration von Bandscheiben ist bekannt, dass beim Prozess der Degeneration sowohl eine lokale Entzündungsreaktion als auch Apoptose eine zentrale Rolle spielt. Damit stellte sich die Frage, ob auch in einmaliges und schweres Trauma, welches zu Frakturen der an die Bandscheibe angrenzenden Wirbel führt, in der Lage ist, zu intradiskalen Veränderungen zu führen, wie sie aus degenerativen Bandscheiben bekannt sind. Zur Beantwortung dieser Fragestellung wurden Bandscheiben von Patienten mit Wirbelkörperfrakturen, welche im Rahmen der operativen Versorgung ohnehin entnommen werden mussten, auf posttraumatische inflammatorische Reaktionen (Migration von Entzündungszellen, Aktivierung der Komplementkaskade) und auf Apoptose und deren Aktivierungswege hin untersucht. Als Vergleichsgruppe wurden operativ zu versorgende Patienten mit degenerativ bedingten Pathologien der Wirbelsäule und als Kontrollgruppe gesunde Bandscheiben von Patienten, bei denen der angrenzende Wirbelkörper entfernt werden musste, verwendet. Dabei konnten in Bandscheiben aus der Traumagruppe regelmässig CD66-positive neutrophile Granulozyten, T-Lymphozyten (CD3-positive- und Perforin-positive zytotoxische-T-Lymphozyten) und Makrophagen (CD68-positive und CD163-positive Makrophagen) ebenso wie zentrale Mediatoren der Komplementkaskade (C3c, C5b und der MAC/C5b-9) nachgewiesen werden. Ebenso konnte regelhaft die Caspase- vermittelte Apoptose ortständiger intradiskaler Zellen in der Traumagruppe nachgewiesen werden. Die Analyse der Pathways der Apoptose zeigte eine Aktivierung über den intrinsischen mitochondrial vermittelten Weg und Hinweise für eine Aktivierung über den extrinsischen Rezeptor vermittelten Weg. Die vorliegenden Ergebnisse zeigen, dass in Bandscheiben, die an frakturierte Wirbelkörper angrenzen, eine posttraumatischen Entzündungsreaktion ausgelöst und Apoptose hervorgerufen wird. Es kommt zur Migration einer Reihe verschiedener Entzündungszellen und zur Aktivierung von Bestandteilen der Komplementkaskade. Weiterhin lässt sich Caspase vermittelte Apoptose sowohl über den extrinsischen (Rezeptor vermittelt) als auch über den intrinsischen (mitochondrial vermittelt) Weg aktiviert, nachweisen. Damit konnte erstmalig gezeigt werden, dass ein einmaliges und schweres Trauma zu intradiskalen inflammatorischen Reaktionen und zur Apoptose intradiskaler Zellen führt.

In the follow up of both conservatively treated or surgically stabilized thoracolumbar spine fractures consecutive loss of reduction remains a key concern. Correlating to the scale of fracture, the resulting deformity is further determined by the condition and functionality of its adjacent intervertebral discs. Previous studies from degenerative disc diseases have reported that the disc degenerating process not only involves local inflammation, but also significant apoptotic induced changes of the cellular matrix. Therefore, the hypothesis was to investigate whether a single traumatic incident causing fracture of the spine was capable of mounting intradiscal changes, otherwise related to degenerating discs. Adjacent intervertebral discs from patients with a spine fracture were resected within the procedure of surgical stabilization and analyzed in regard to posttraumatic inflammation (migration of inflammatory cells, complement activation) and apoptosis-related changes. Discs from patients with degenerative spinal disorders were analysed for comparison. The control group consisted of healthy discs from patients where resection of the pathologic vertebral body was necessitated. Trauma specimens continuously presented with CD66+ neutrophils, CD3+ and perforin-positive cytotoxic T lymphocytes, as well as CD68+ and CD163+ macrophages. Furthermore, analyses from traumatic discs demonstrated significant increases of key complement-associated mediators including C3c, C5b and the MAC/C5b-9 complex. These data were complemented by significant increases of caspase-3 induced apoptosis of intervertebral disc cells. Continuing analyses of the apoptotic pathways in traumatic discs revealed a significant activation of the intrinsic apoptosis signalling cascade and, in part, the extrinsic receptor-mediated apoptotic sequence. In conclusion, these data indicate, for the first time in human samples, that trauma induces inflammation and apoptosis in intervertebral disc cells adjacent to the fractured vertebra. Respectively, trauma-induced inflammation is characterized by migration of diverse inflammatory cells and activation of components involved in the complement cascade. Along with the caspase- dependent activation of both the extrinsic (receptor-mediated) and intrinsic (mitochondria-mediated) apoptotic signalling pathway it may thus be suggested, that such trauma-induced intradiscal changes may alter the functional integrity of the extracellular matrix and promote disc degeneration.