Skolioza
Patofizjologia i mechanizm
Skolioza idiopatyczna (AIS) to trójwymiarowa deformacja kręgosłupa, charakteryzująca się bocznym skrzywieniem i rotacją kręgów, o nie do końca poznanej patogenezie. Genetyczne czynniki odpowiadają za około 38% ryzyka, zidentyfikowano pięć loci genetycznych (OS1-OS5) oraz nowy locus na chromosomie 20p11.22. Patogeneza obejmuje asymetryczną dysregulację wzrostu kości zgodnie z prawem Huetera-Volkmanna, gdzie po stronie wklęsłej krzywizny wzrost jest zahamowany przez wyższe ciśnienie, a po stronie wypukłej przyspieszony. Teoria podwójnego mechanizmu neuro-kostnego wskazuje na dysharmonię między somatycznym a autonomicznym układem nerwowym, nasiloną przez hormony, zwłaszcza leptynę i estrogeny, co prowadzi do systemowego przerostu szkieletowego i progresji krzywizny. U pacjentów z AIS obserwuje się zmniejszoną zdolność osteogenną mezenchymalnych komórek macierzystych szpiku kostnego (BM-MSCs) oraz zmiany w ekspresji białek i genów związanych z tworzeniem kości, co koreluje z niską gęstością mineralną kości.
Patogeneza skoliozy idiopatycznej
Skolioza idiopatyczna to trójwymiarowe zniekształcenie kręgosłupa, charakteryzujące się bocznym skrzywieniem połączonym z rotacją kręgów. Jak sugeruje nazwa, jej patogeneza pozostaje słabo poznana, mimo intensywnych badań prowadzonych w tym kierunku. Lepsze zrozumienie mechanizmów powstawania skoliozy idiopatycznej mogłoby znacząco poprawić obecne wyniki terapeutyczne12.
Czynniki genetyczne w patogenezie skoliozy
Genetyczne podłoże skoliozy idiopatycznej wydaje się niepodważalne, a badania wykazują, że około 38% ryzyka wystąpienia skoliozy związane jest z czynnikami genetycznymi, podczas gdy 62% z czynnikami środowiskowymi1. Choć dziedziczenie i genetyczne pochodzenie skoliozy jest powszechnie akceptowane, a wiele chromosomów zostało powiązanych z jej transmisją, dokładna rola poszczególnych chromosomów pozostaje niejasna1.
Badania wykazały pięć loci związanych ze skoliozą idiopatyczną: OS1 (chr19p13.3), OS2 (chr 17p11), OS3 (chr 8q12.1-12.2), OS4 (chr 9q31-q34) i OS5 (chr 17q25-qter)1. Niedawno zidentyfikowano również nowy locus podatności na skoliozę idiopatyczną w regionie około 100 kb chromosomu 20p11.22 poniżej genu PAX11.
Badania genów kandydujących wykazały związki między skoliozą idiopatyczną a genami uczestniczącymi w tworzeniu kości, metabolizmie kostnym oraz strukturze tkanki łącznej1. Uważa się, że skolioza idiopatyczna jest chorobą poligenową o złożonym tle genetycznym. Prawdopodobnie może być spowodowana spektrum wariantów genetycznych, od bardzo rzadkich lub nawet prywatnych do bardzo powszechnych w populacji ogólnej1.
Czynniki biomechaniczne
Kręgi kręgosłupa, szczególnie w odcinku piersiowym, są średnio asymetryczne. Silna asymetria kręgów i ich muskulatury może prowadzić do niestabilności mechanicznej kolumny, zwłaszcza podczas faz szybkiego wzrostu1. Skolioza była opisywana jako deformacja biomechaniczna, której progresja zależy od asymetrycznych sił, znanych również jako prawo Huetera-Volkmanna12.
Zgodnie z tą zasadą, siły kompresyjne mają tendencję do hamowania wzrostu szkieletowego, podczas gdy siły dystrakcyjne mają tendencję do przyspieszania wzrostu szkieletowego1. W skoliozie po wklęsłej stronie krzywizny płytki nasadowe mają nieprawidłowo wysokie ciśnienie, co prowadzi do zmniejszonego wzrostu, podczas gdy po wypukłej stronie krzywizny ciśnienie jest mniejsze, co powoduje przyspieszony wzrost1.
Stokes i współpracownicy wysunęli hipotezę, że asymetryczne obciążenie w mechanizmie błędnego koła powoduje klinowate zniekształcenie kręgów podczas wzrostu w postępujących krzywych skoliozy1. Dodatkowo, w skoliozie zachodzą zmiany anatomiczne w strukturach tkanek miękkich otaczających trzony kręgów. Więzadła podłużne przednie i tylne, więzadła żółte oraz więzadła międzykolcowe również ulegają skróceniu w kierunku strony wklęsłej, ograniczając zgięcie w stronę wypukłą1.
Teoria podwójnego mechanizmu neuro-kostnego
Teoria podwójnego mechanizmu neuro-kostnego dla patogenezy skoliozy idiopatycznej u dziewcząt postuluje rozwojową dysharmonię między somatycznym a autonomicznym układem nerwowym, wyrażoną w kręgosłupie i tułowiu, spotęgowaną przez hormony powodujące systemowy przerost szkieletowy1.
Teoria ta opiera patogenezę skoliozy idiopatycznej u dziewcząt na dysfunkcji jednego lub obu domniemanych normalnych mechanizmów zaangażowanych w wzrost tułowia, każdy nabyty w ewolucji i unikalny dla ludzi1. Komponent autonomiczny tej teorii obejmuje selektywnie zwiększoną wrażliwość podwzgórza na krążącą leptynę, z asymetrią jako niekorzystną odpowiedzią; ta asymetria jest kierowana obustronnie przez współczulny układ nerwowy do rosnącego szkieletu osiowego, gdzie może inicjować deformację skoliotyczną1.
U niektórych młodszych dziewcząt z AIS przed operacją, regulacja podwzgórza w górę w odpowiedzi na krążącą leptynę obejmuje również oś somatotropową (hormon wzrostu/IGF), która wzmaga asymetryczne efekty szkieletowe indukowane przez układ współczulny i przyczynia się do progresji krzywizny1.
Czynniki wzrostowe i hormonalne
Ryzyko progresji krzywizny w skoliozie idiopatycznej jest związane z niedojrzałością szkieletową1. Wykazano również, że dziewczęta z młodzieńczą skoliozą idiopatyczną są wyższe i mają wyższą prędkość wzrostu w czasie dojrzewania w porównaniu do zdrowych kontroli1.
W patogenezie skoliozy idiopatycznej badano gęstość mineralną kości, wzrost i hormony płciowe1. Zasugerowano, że niższe poziomy krążącej leptyny, hormonu sytości, mogą mieć wpływ na patogenezę skoliozy idiopatycznej1.
Wiele uwagi poświęcono potencjalnemu wpływowi melatoniny na rozwój skoliozy idiopatycznej. Wynikało to głównie z badań, w których usunięto szyszynkę u kurczaków i rozwinęła się skolioza1. Jednak czy niedobór melatoniny jest odpowiedzialny za rozwój AIS pozostaje kontrowersyjne, ponieważ badania wykazały przeciwstawne wyniki dotyczące oceny poziomu melatoniny w surowicy1.
Estrogeny mogą również odgrywać kluczową rolę w progresji skoliozy idiopatycznej poprzez swój wpływ na tworzenie kości, wzrost, dojrzewanie i przebudowę1.
Rola mezenchymalnych komórek macierzystych
Mezenchymalne komórki macierzowe szpiku kostnego (BM-MSCs) posiadają multipotencjalność różnicowania się w osteoblasty, chondrocyty lub adipocyty1. U pacjentów z AIS wykazano zmniejszoną zdolność osteogenną MSCs i skłonność MSCs do różnicowania się w kierunku adipogenicznym1.
Wynikający z tego niski status gęstości mineralnej kości był również zgłaszany u pacjentów z AIS, co sugeruje, że komórki macierzyste pochodzące ze szpiku kostnego mogą regulować tworzenie masy kostnej u pacjentów z AIS, tym samym uczestnicząc w rozwoju AIS1.
Na poziomie ekspresji, w analizie proteomicznej MSCs od pacjentów z AIS, zidentyfikowano pięć białek związanych ze wzrostem kości, w tym kinazę pirogronianową M2 (PKM2), aneksynę A2, białko szoku cieplnego 27 k (HSP27), γ-aktynę i β-aktynę, które uległy zmianie1.
W dalszym badaniu z użyciem mikromacierzy i analizy szlaków sygnałowych przez Zhuanga i wsp., odkryto kilka różnicowo ekspresjonowanych genów, spekulowano, że obniżona regulacja kinazy kinazy białkowej aktywowanej mitogenem 1, białka szoku cieplnego 70 kDa 6 i podwyższona regulacja członka 3 rodziny SMAD hamują różnicowanie osteogenne, podczas gdy podwyższona regulacja homeobox C6/9 wpływa na globalny wzór osiowego szkieletu kręgowego1.
Czynniki nerwowo-mięśniowe
Badania mięśni przykręgosłupowych sugerowały, że zmiana i asymetria mięśni przykręgosłupowych powodowały dysharmonię kontroli postawy i ruchu kręgosłupa, co w rezultacie prowadziło do progresji AIS1.
Niektórzy autorzy sugerowali, że uszkodzenie kolumny tylnej w centralnym układzie nerwowym (CNS) może być obecne u pacjentów z skoliozą idiopatyczną. Taką dysfunkcję CNS hipotetycznie manifestowano jako zmniejszone odczuwanie wibracji1.
Zasugerowano również pierwotne zaburzenie mięśniowe jako możliwą etiologię skoliozy idiopatycznej1. Defekt systemu włókien elastycznych (nieprawidłowy metabolizm fibryliny) został zaproponowany jako jedno z potencjalnych wyjaśnień etiologicznych dla skoliozy idiopatycznej1.
Teoria profilu strzałkowego
Długo utrzymywane założenie w patogenezie AIS mówi, że wyprostowany kręgosłup u człowieka odgrywa ważną rolę w indukcji skoliozy1. Badania dostarczyły silnych dowodów, że kształt profilu strzałkowego u jednostek może być główną przyczyną trójwymiarowej deformacji kręgosłupa, jaką obserwuje się w populacji AIS1.
Unikalna kształt ludzkiego kręgosłupa został zasugerowany jako związany z indukcją skoliozy. Grzbietowe obciążenie wyprostowanego kręgosłupa u człowieka zostało zaproponowane jako prowadzące do niestabilności kręgosłupa i zostało sugerowane jako biomechaniczna przyczyna skoliozy1.
Aktualna analiza wykazała, że w pręcie elastycznym, bez uwzględnienia różnic w składnikach kręgosłupa (dyski, kręgi) i pod tym samym obciążeniem zewnętrznym, niektóre podtypy strzałkowe nie skręcają się i deformują tylko w jednej płaszczyźnie, podczas gdy inne typy krzywizny strzałkowej są podatne na skoliotyczną-podobną deformację 3D z jednym lub dwoma skręceniami w kręgosłupie1.
Względny przedni przerost kręgosłupa
Względny przedni przerost kręgosłupa (RASO) i obkurczenie z przedniej części tułowia prowadzą do asymetrii wzrostu kręgosłupa1. Somerville jako pierwszy opisał piersiową skoliozę idiopatyczną jako połączenie lordozy, rotacji osiowej i bocznego zgięcia oraz zasugerował, że lordoza powstaje z powodu niewydolności wzrostu tylnych elementów segmentu kręgosłupa1.
Teoria podwójna neuro-kostna, zaproponowana przez Burwella i wsp., podsumowuje teorie patogenezy AIS jako rozwojową dysharmonię między autonomicznym a somatycznym układem nerwowym kręgosłupa i tułowia, która jest dodatkowo spotęgowana przez hormony, co prowadzi do systemowego przerostu szkieletowego1.
Zaburzenia układu przedsionkowego w patogenezie skoliozy
Interesującym kierunkiem badań są zaburzenia układu przedsionkowego w patogenezie skoliozy. Młodzież ze skoliozą idiopatyczną wykazuje morfologiczną asymetrię przedsionkową, prawdopodobnie określoną na długo przed urodzeniem1. Ponieważ układ przedsionkowy wpływa na drogę przedsionkowo-rdzeniową, podwzgórze i móżdżek, wskazuje to, że układ przedsionkowy jest możliwą przyczyną późniejszych anomalii morfologicznych, hormonalnych i neurosensorycznych obserwowanych w AIS1.
Mechanizm skoliozy indukowanej przedsionkowo jest prawdopodobnie związany z asymetrią drogi przedsionkowo-rdzeniowej prowadzącą do nierównowagi w mięśniach przykręgosłupowych1. Układ współczulny przedsionkowy może przyczyniać się do deformacji kości i demineralizacji kości wykazanej w skoliozie młodzieńczej1.
Badania wskazują na zaburzenia w układzie przedsionkowym, boczne przesunięcie reprezentacji ręki i nieprawidłową zmienność lokalizacji mapy ruchowej mięśni prostowników grzbietu w korze ruchowej, które mogą być zaangażowane w tę chorobę1.
Współczesne teorie patogenezy
Żadna z proponowanych hipotez patogenetycznych nie zyskała jednomyślnej akceptacji, a kontrowersje pozostają trwałe1. Jednak hipoteza błędnego koła jest wyraźnie dominująca1. Niemniej jednak, żaden istniejący model patogenetyczny nie wyjaśnia adekwatnie powstawania skolioz1.
Zaproponowano cztery główne mechanizmy patogenetyczne: asymetryczną dysregulację wzrostu kości, podatność kości na deformację, nieprawidłowe bierne utrzymanie układu kręgosłupa i zaburzone aktywne utrzymanie układu kręgosłupa1.
Etiologia skoliozy wydaje się być wieloczynnikowa, z genetyczną tendencją do deformacji, która jest wyzwalana u różnych osób przez różne czynniki, niektóre medyczne, niektóre mechaniczne i niektóre genetyczne1.
Teoria błędnego koła
Teoria błędnego koła sugeruje, że początkowe niewielkie skrzywienie kręgosłupa prowadzi do asymetrycznego obciążenia kręgów, co powoduje zahamowanie wzrostu po stronie wklęsłej i przyspieszenie wzrostu po stronie wypukłej. Te zmiany wzrostu prowadzą do dalszego zwiększenia skrzywienia, co z kolei zwiększa asymetryczne obciążenie, zamykając tym samym błędne koło1.
Teoria krótkiego rdzenia kręgowego
Krótki rdzeń kręgowy i związane z nim napięcia nerwowe zostały zaproponowane jako przyczyna i model skoliozy idiopatycznej1. Ta teoria zakłada, że w miarę wzrostu kręgosłupa, rdzeń kręgowy nie nadąża za tym wzrostem, co prowadzi do napięcia w rdzeniu i w konsekwencji do deformacji kręgosłupa1.
Zasugerowano kilka mechanizmów wyjaśniających, dlaczego wzrost rdzenia kręgowego mógłby stać się odłączony od wzrostu kostnego1.
Kaskadowa koncepcja patogenezy
Clark i współpracownicy zasugerowali również, że pochodzenie skoliozy znajduje się w embrionalnych etapach życia z typów komórek, w tym adipocytów i osteoblastów, pochodzących z tych samych komórek progenitorowych, oraz mioblastów z mezodermalnych somitów1.
Udział typów komórek z różnych pochodzeń rozwojowych sugeruje proces działający w życiu embrionalnym w podobnym czasie, prawdopodobnie środowiskowy, jak wcześniej zaproponowano z badań antropometrycznych1.
Kaskadowa koncepcja patogenezy AIS zaproponowana przez Burwella i wsp. zakłada, że kwantum rozwojowej rotacji osiowej kręgów może być zwiększone przez co najmniej cztery czynniki1.
Współczesne wyzwania w zrozumieniu patogenezy skoliozy
Mimo znacznych postępów w zrozumieniu patogenezy i biomechaniki młodzieńczej skoliozy idiopatycznej (AIS) w ciągu ostatnich dwóch dekad, dokładny mechanizm powstawania i progresji tej choroby pozostaje nieznany1.
Asymetria płaszczyzny pośrodkowej jest kluczowa dla progresji skoliozy idiopatycznej. Podkreślano znaczenie lordozy piersiowej lub hipokifozy w rozwoju AIS. Zmiany w chrząstkowej płytce końcowej i krążku międzykręgowym są kluczowymi czynnikami w progresji skoliozy i sposobie, w jaki krzywa reaguje na różne schematy terapeutyczne1.
Nasz brak zrozumienia etiologii i patogenezy skoliozy utrudnia jej leczenie1. Zrozumienie mechanizmu rozwoju deformacji kręgosłupa w AIS jest pierwszym krokiem w skutecznym zarządzaniu chorobą, które ma na celu zapobieganie rozwojowi deformacji lub odwrócenie procesu deformacji1.
Nowe podejście może wprowadzić zmieniający się paradygmat w klinicznej opiece nad skoliozą idiopatyczną, przesuwając opiekę kliniczną z korekcji deformacji na profilaktykę w tej populacji pacjentów1.
Normalny kręgosłup u rosnącej osoby ma precyzyjną, niepewną, delikatną równowagę mechaniczną. Asymetryczne zmiany w strukturach pierwotnych, strukturach podporowych, centrach wzrostu, pozycji kręgosłupa i powiązanych komponentach nerwowych lub mięśniowych mogą prowadzić do rozwoju skoliozy12.
Podsumowując, skolioza to trójwymiarowa deformacja kręgosłupa o złożonej patogenezie. Liczne hipotezy i teorie próbują wyjaśnić jej mechanizm rozwoju, jednak żadna z nich nie wyjaśnia w pełni wszystkich aspektów tej choroby. Prawdopodobnie skolioza jest wynikiem interakcji wielu czynników genetycznych, biomechanicznych, hormonalnych i środowiskowych, które razem wpływają na rozwój i progresję tej deformacji kręgosłupa.
Kolejne rozdziały
Zapraszamy do dalszego czytania naszego leksykonu.
Wybierz kolejny rozdział z menu poniżej, aby otworzyć nową podstronę kompedium wiedzy i uzyskać szczegółowe informację o leku, substancji lub chorobie.