Anatomia del disco intervertebrale

Il disco intervertebrale [Figura 19] è una giunzione fibrocartilaginea che connette due vertebre adiacenti e funge come spaziatore tra di esse. Esso consente un movimento limitato tra le vertebre, a flessione e ad estensione nei piani coronale e sagittale e torsione nel piano assiale.

51 Il disco è la più grande struttura non vascolarizzata del corpo umano, per questo le cellule presenti in esso ricevono nutrienti attraverso diffusione dal letto capillare ai margini del disco.

Le due strutture principali del disco sono: (i) l’anulus fibroso

(ii) il nucleo polposo.

Figura 19 Sezione trasversale di un disco intervertebrale

Nel passaggio tra la prima struttura e la seconda si nota un minor ordine delle lamelle che costituiscono l’anulus fibroso e si ha una diminuzione di concentrazione del collagene di tipo I, mentre si osserva un aumento del collagene di tipo II e di proteoglicani idrofilici [3].

Nella colonna vertebrale vi è una struttura cartilaginea che separa le vertebre dai dischi intervertebrali: la limitante vertebrale.

Il sistema dei dischi intervertebrali è estremamente importante sia nella statica che nella dinamica della colonna vertebrale, in quanto essi agiscono come cuscinetti elastici rendendo possibili i movimenti di flessione, di estensione e di lateralità della colonna, ammortizzando inoltre i traumi che vengono trasmessi da un corpo vertebrale all’altro. Il carico dinamico sul disco intervertebrale ha inoltre la fondamentale funzione di trasporto dei nutrienti nelle zone più interne del disco.

52 Alterazioni patologiche di diversa natura a carico di queste strutture comportano costantemente limitazioni più o meno marcate nei movimenti articolari della colonna, spesso accompagnate a sintomi dolorosi anche molto intensi, come nel caso dell’ernia del disco. La degenerazione dei tessuti del disco intervertebrale avviene con alcuni passaggi consecutivi [14]: si ha inizialmente una diminuzione dell’apporto di nutrienti alle cellule più interne del disco, che è seguita da un accumulo di prodotti di scarto all’interno della struttura. Questo accumulo comporta un aumento dell’acidità all’interno del tessuto, che porta alla progressiva diminuzione della vitalità delle cellule. Gli effetti macroscopici della degenerazione sono una diminuzione del contenuto di fluido all’interno del disco, un aumento della rigidezza della struttura, e nei casi più gravi una diminuzione marcata delle proprietà meccaniche che porta a danneggiamenti strutturali di notevole entità.

1.2.1 Nucleo polposo

Il nucleo polposo [Figura 20] è la struttura più interna del disco intervertebrale e in condizioni fisiologiche occupa il 50% del volume dell’intera struttura [10].

Figura 20 Isolamento del nucleo polposo da un disco intervertebrale congelato

Il nucleo è composto da una matrice disordinata di collagene di tipo II ad elevata concentrazione acquosa e da una componente di proteoglicani (principalmente

53 aggrecano) e proteine della matrice [6]. La componente cellulare di questo tessuto è costituita da cellule con fenotipo assimilabile a quello dei condrociti, componente cellulare presente nella cartilagine ialina.

L’elevata concentrazione acquosa del nucleo polposo (oltre il 70%) è dovuta alla presenza di molecole idrofiliche a carica negativa legate a proteoglicani che trattengono le molecole d’acqua all’interno della struttura, determinando una condizione fisiologica di rigonfiamento.

Il nucleo polposo è vincolato lateralmente dall’anulus fibroso e superiormente e inferiormente dalle limitanti vertebrali cartilaginee [4]. In condizioni di carico sulla colonna vertebrale l’alta presenza di acqua all’interno del nucleo polposo genera una pressione idrostatica sufficiente a contrastare il carico applicato, se si mantiene in un range sopportabile per il tessuto.

In letteratura ci sono pochi dati disponibili rispetto al comportamento sotto carico del nucleo per la difficoltà di gestire un tessuto cosi altamente idrofilico effettuando prove sperimentali [11]. Inizialmente il nucleo polposo è stato descritto in modo computazionale come un fluido incomprimibile [22] [23] [24] [25] [26] [27], mentre in modelli più recenti esso è stato modellizzato come un materiale poroelastico [28] [10].

1.2.2 Anulus fibroso

L’anulus fibroso [Figura 21] è una struttura del disco intervertebrale che circonda il nucleo polposo e lo vincola in posizione. Esso può essere descritto come un materiale poroso e rinforzato da fibre, con un’elevata organizzazione e una distribuzione eterogenea di acqua, proteoglicani, collagene e altre proteine e glicoproteine. La componente cellulare presente in questo tessuto esprime un fenotipo compatibile con quello dei fibroblasti, caratteristici dei tessuti connettivi e cellule deputate alla sintesi di matrice extracellulare e collagene.

54 Figura 21 Schema della struttura dell’anulus fibroso

Le fibre dell’anulus formano delle lamelle concentriche alternate di fibre di collagene, che si connettono superiormente ed inferiormente ai corpi vertebrali. L´inclinazione delle fibre varia da 45° a 30° procedendo dal nucleo verso l’esterno.

Il maggior costituente di questo tessuto è l’acqua, che costituisce il 60-70% del peso totale [3]. Il collagene costituisce il 60-70% della matrice solida (principalmente collagene di tipo I e una piccola frazione di collagene di tipo II, in dipendenza dalla posizione radiale), la restante parte comprende proteoglicani e proteine di matrice. Nel disco intervertebrale sano le cariche negative (gruppi solfati e carbossilici) collocate in alta concentrazione sulle catene dei proteoglicani si legano con le molecole di acqua e generano un rigonfiamento mantenuto costante dalla struttura di collagene che influenza il comportamento meccanico. Lo stato di sforzo- deformazione è controllato da un bilancio dei carichi applicati che interagiscono con la struttura rigonfiata e la matrice solida.

Quando un carico è applicato alla spina dorsale il disco intervertebrale va incontro ad una redistribuzione di fluido all’interno delle sue strutture, che provoca una perdita di pressione di rigonfiamento a causa della fuoriuscita di liquidi dall’anulus. Da alcuni studi si è osservato che il comportamento meccanico dell’anulus fibroso è direttamente correlato alla concentrazione di fluidi al suo interno, quindi alla pressione di rigonfiamento [29] [30] [31].

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