Functies van discussen in de lage rug

Wetenschappelijk onderzoek naar de mechanische discusfunctie

Slechts aan enkele buitenlandse universiteiten wordt fundamenteel onderzoek uitgevoerd naar de precieze mechanische functies van discussen. In experimentele opstellingen belast men op meerdere manieren het onderste deel van wervelzuilen. Zo kan men o. a. nagaan welke dagelijkse activiteiten als ‘zwaar’ of ‘licht’ kunnen omschreven worden. Deze kennis is essentieel wil men ooit een efficiënte behandeling ontwikkelen die wereldwijd bij iedereen met ‘lage rugpijn’ zou kunnen werken (cf. Blog ‘Verklaringen voor eenvoudige en goedaardige lage rugpijn zijn onduidelijk in 80%-85% van de gevallen’).

Enkele belangrijke vaststellingen

Naarmate er onder toenemende samendrukkende krachten meer en meer water uit de discus wordt geperst, stelt men vast dat de kern steeds minder belast wordt en de vezelige buitenring steeds meer lasten moet dragen. Daarenboven zijn het niet de wervels maar de discussen die de grootste weerstand bieden aan de toenemende drukkrachten. Wanneer de compressiedruk almaar groter wordt, dan breken eerst de wervels^1,2,3 en vervolgens de eindplaten van de discus^4,5. Wat vooral opvalt, is dat het zowel in een gezonde als in een gedegenereerde discus bijzonder moeilijk is om de vezelige buitenring te scheuren en er kernmateriaal doorheen te persen^{6,7,8,9,10,11,12}. Er zijn veel belangrijkere factoren nodig dan ‘zwaar’ werk om een ‘hernia’ te veroorzaken (meer uitleg in volgende blogs).

De discus kan vergeleken worden met een opgepompte fietsband

Een goed functionerende discus kan men vergelijken met een stevig opgepompte fietsband die progressief onder druk wordt geplaatst door het toenemende lichaamsgewicht van bv. zwaarlijvige personen. Beschouw de vergelijking als volgt: de gelatineuze kern in een normaal gezonde discus is gevuld met water. Hij is omgeven door een externe vezelring, opgebouwd uit taaie collageenvezels (type 1). Deze vezelring is het sterkste discusonderdeel (cf. Blog ‘Lage rugpijn bij jonge mensen. Rol van de kern en de buitenring tot 15 jaar’). De buigzame eindplaten kan men dan vergelijken met de contactzone tussen band en fietswiel. In de discus zijn de contactzones ter hoogte van discus en wervellichaam wel de zwakste structuren omdat ze hoofdzakelijk uit fijne elastische collageenvezeltjes (type 2) bestaan (Fig. 1) (cf. Blog ‘Lage rugpijn bij jonge mensen. Eindplaten zijn de belangrijkste pijnbron’).

Iets moeilijker: discussen gedragen zich als vloeistoffen onder druk

Gezien zijn hoog watergehalte gedraagt een discus zich als een vloeistof onder druk. Aangezien water niet samendrukbaar is, zal - volgens de hydrostatische natuurwet van Pascal - de toenemende druk op het water in de kern in alle richtingen gelijkmatig uitdijen (Fig. 1).
Om weerstand te kunnen bieden en niet te scheuren moet dan, in een gezonde discus, elke verhoging in hydrostatische druk in de kern gecompenseerd worden door een gelijkwaardige spanning in de taaie collageenvezels van de omgevende vezelring te ontwikkelen. De vezelring zal hierdoor (tijdelijk) naar buiten uitpuilen, waardoor de discus in hoogte afneemt. De elastische eindplaten reageren hierop door in toenemende mate tot in de wervellichamen door te buigen13,14.

Fig. 1. Om het lichaamsgewicht, afwisselende houdingen, activiteiten, en inwerkende spierkrachten correct op te vangen, moet de kern omringd worden door een intacte buitenring en eindplaten. Deze figuur stelt het pompmechanisme voor in een intacte en gezonde discus. Lichaamsgewicht en dagelijkse activiteiten liggen aan de basis van alle compressiekrachten op de discuskern. Aangezien water niet samendrukbaar is, ontstaat er een voortdurend wisselende hydrostatische druk in de kern, die in alle richtingen gelijkmatig uitdijt (blauwe pijlen). Om aan de compressies te kunnen weerstaan, moet in de taaie vezels van de buitenring een voortdurend gelijke spanning ontwikkeld worden (gele pijltjes), waardoor hij lichtjes gaat uitpuilen. In discussen die niet langer een gezonde en intacte structuur bezitten, zal de buitenste vezelring langer dan nodig uitpuilen. Dit interpreteert men dikwijls als ‘discusbulging’. Ter vergelijking: wanneer een persoon van 120 kg van zijn fiets stapt, zal een goed opgepompte fietsband niet langer ‘platgedrukt’ worden, maar opnieuw zijn oorspronkelijke vorm aannemen.

Hoe functioneert de discus wanneer hij minder belast wordt?

Wanneer we gaan liggen en ophouden rugbelastende activiteiten uit te voeren, gebeurt het omgekeerde. Daar een normale discus voldoende suikereiwitten (= proteoglycanen) aanmaakt, zuigt hij opnieuw water op uit zijn omgeving. Hierdoor neemt de spanning in de vezelring af en kan de discus zijn normale hoogte herstellen. Maar omdat het opnieuw absorberen van water bij rust veel trager gebeurt dan het uitpersen ervan tijdens belastingen, herstelt de discushoogte zich ook trager¹⁵. Slechts wanneer een intacte gezonde discus een nachtrust van normale duur ondergaat, kan hij zijn normale hoogte volledig herstellen (cf. Blog ‘Dag- en nachtritme van de discus’).

Wat gebeurt er wanneer de kern van een discus veroudert?

Vanaf de leeftijd van ongeveer 20 jaar beginnen de discogene verouderingsprocessen. Hierdoor neemt het metabolisme in de (weinig talrijke) cellen geleidelijk aan af en wordt het steeds lastiger om voldoende suikereiwitmoleculen aan te maken.
Rond de leeftijd van 20 jaar worden de geleidelijke gevolgen van watertekort vooral zichtbaar in de kern. Niet alleen neemt het discusvolume af¹⁰, maar ook zijn hydrostatische druk^10,16, waardoor het vernoemde werkingsmechanisme van de discus minder vlot verloopt (Fig. 1 en 2).

Wat gebeurt er wanneer het watergehalte in de kern afneemt?

Wanneer de kern niet meer in staat is om zich ’s nachts opnieuw volledig met water te vullen, krijgt hij het steeds moelijker om de grote inwerkende krachten probleemloos op te vangen. Omdat doorgaans dan ook de discushoogte afneemt, moeten de kraakbenige structuren van de buitenring en eindplaten steeds grotere lasten dragen.

De vezelige buitenring zal veel makkelijker uitpuilen en een bulging blijven vormen omdat in de taaie collagene vezels onvoldoende compenserende spanning kan opgebouwd worden¹⁷. Hij krijgt het ook steeds moeilijker opnieuw zijn oorspronkelijke niet-uitpuilende gedaante aan te nemen. Permanente buitenwaartse uitpuiling (= ‘bulging’) treedt steeds frequenter op, maar is pijnloos^{18,19,20,21,22}. Er is veel meer nodig dan een bulging om pijn te veroorzaken. Traag maar zeker beginnen van binnenuit scheurtjes op te treden, die zich tot aan de buitenzijde kunnen uitbreiden^23,24. Zodra echter de ring volledig gescheurd is, kunnen zich wel pijnopstoten voordoen. Vergelijk het met een wagen die voortdurend te zwaar belast wordt. De banden worden meer dan normaal samengedrukt. De wagen blijft rijden tot de banden scheuren of zich een klapband voordoet.

Door de verouderingsprocessen verliezen de eindplaten meer en meer elastische vezeltjes. Ze verharden en verliezen hun buigzaamheid. Er ontstaan scheurtjes en breukjes die pijnopstoten kunnen veroorzaken. Wanneer zowel de eindplaten als de buitenband scheuren of breuken vertonen, vermindert de discushoogte veel sneller²⁵.

Fig. 2. Biomechanische fenomenen in een ‘nog normale’ L3-L4 discus en een ‘ernstige degeneratieve’ L4-L5 discus.
In een normale, gezonde en minimaal gedegenereerde discus (witte L3-L4 zone bovenaan) bestaat er een perfecte interactie tussen de kern, de omringende buitenste vezelring en de eindplaten. Lichaamsgewicht, dagelijkse bezigheden en actieve rug- en buikspieren (witte pijltjes) veroorzaken wisselende compressiekrachten op het water in de discuskern. Aangezien water niet samendrukbaar is, zal de hydrostatische druk in de kern toenemen en overal gelijkmatig uitdijen (blauwe pijltjes). De buitenste vezelring biedt weerstand door in zijn vezels een grotere spanning op te bouwen en zal minimaal uitpuilen maar niet scheuren (rode pijltjes). Omdat de verouderingsprocessen in de discuskern reeds op vroege leeftijd beginnen, kan er snel een einde komen aan deze perfect complementaire hydrostatische eigenschappen.
Ter hoogte van L4-L5 (bruine zone onderaan tussen de L4 en L5 wervellichamen) ziet men hoe de zeer vergevorderde degeneratie van de discus de wetten van de fysica parten speelt. Men bemerkt de desintegratie en fragmentatie van kern en eindplaten. De hydrostatische eigenschappen zijn verloren gegaan. Het discuswater werd doorheen de eindplaatscheuren in het wervellichaam geperst. De duidelijk zichtbare vezels in de buitenring zijn niet meer in staat voldoende spanning op te bouwen, worden van elkaar losgetrokken en gaan uitpuilen (= degeneratieve annulaire bulging). De hoogte van de discus is sterk vernauwd.
(Declerck, Kakulas, Neuropathology, Perth, Western Australia. A90-139 /M/ 50 jaar).
Noot: de meeste eindplaatscheuren doen zich voor ter hoogte van L1-L2 en L2-L3 en de meeste scheuren in de buitenste vezelring vooral ter hoogte van L4-L5 en L5-S1 (cf. volgende blogs).

De oorspronkelijke elasticiteit van de discus gaat verloren

Alle wervelzuilstructuren (wervels en discusonderdelen) bezitten door de aanwezigheid van collagene vezels een zekere elasticiteit. Hierdoor kunnen ze normalerwijze (licht) vervormen en zich dan, zonder optreden van letsels of breuken, opnieuw in hun oorspronkelijke toestand herstellen. Men noemt dat plastische stress. Wanneer daarentegen hun elastische grens overschreden wordt, ontstaan er onherstelbare letsels. Vergelijk dit met het burnout-fenomeen waar veel mensen in onze 21ste eeuw onder lijden.
Door herhaalde belasting van de verschillende discusstructuren worden hun collageenvezels stukgetrokken. In tegenstelling tot andere lichaamsweefsels zijn de discusonderdelen niet in staat hun letsels te herstellen. De meest voor de hand liggende redenen zijn de afwezigheid van bloedvoorziening, het te geringe aantal cellen en een veel te lage stofwisseling. Erger nog, eenmaal beschadigd, worden de collageenvezels verder afgebroken (door matrixdegraderende enzymen)²⁶. Omdat we rechtop lopende zoogdieren zijn, kunnen we niet anders dan onze lage rug blijvend te belasten, wat zal leiden tot verdere afbraak van de drie discusonderdelen (= degeneratie).

In de volgende blogs wordt uitgelegd wat veroudering betekent en welke aanslagen de verouderingsprocessen plegen op de drie verschillende discusonderdelen.

Gratis E-boek “Oefeningen om chronische pijn te verlichten” downloaden

73% van de chronische pijnpatiënten zijn niet in staat dingen te doen die voor gezonde mensen normaal zijn: stappen, fietsen, met je kinderen spelen, etc. Naast medische behandelingen kan ook lichaamsbeweging heel nuttig zijn om je mobiliteit te bewaren of verbeteren. Dit e-boek wil je vertrouwd maken met enkele eenvoudige lichaamsoefeningen die je pijn kunnen verminderen.

GRATIS DOWNLOADEN

Referenties

1. Perey O, ‘Fracture of the vertebral endplate in the lumbar spine. An experimental biomechanical investigation’,
Acta Orthop Scand, 1957, 28 (Suppl):1
2. Liu YK, Njus G, Buckwalter J et al., ‘Fatigue response of lumbar intervertebral joints under axial cyclic loading’,
Spine, 1983, 8:857
3. Brinckmann P, Biggemann M, Hilweg D, ‘Fatigue fracture of human lumbar vertebrae’,
Clin Biomech, 1988, 3 (Suppl 1):S1
4. Virgin WJ, ‘Experimental investigations into the physical properties of the intervertebral disc’,
J Bone Jt Surg, 1951, 33B:607
5. Brinckmann P, ‘Injury of the annulus fibrosus and disc protrusions. An in vitro investigation on human lumbar discs’,
Spine, 1986, 11:149
6. Markolf KL, Morris JM, ‘The structural components of the intervertebral disc. A study of their contributions to the ability of the disc to withstand compressive forces’,
J Bone Jt Surg, 1974, 56A:675
7. Hutton WC, Adams MA, ‘Can the lumbar spine be crushed in heavy lifting?’,
S9pine, 1982, 7:586
8. Brinckmann P, Biggemann M, Hilweg D, ‘Prediction of the compressive strength of human lumbar vertebrae’,
Spine, 1989, 14:606
9. McNally DS, Adams MA, ‘Internal intervertebral disc mechanics as revealed by stress profilometry’,
Spine, 1992, 17:66
10. Adams MA, McNally DS, Dolan P, ‘'Stress' distributions inside intervertebral discs. The effects of age and degeneration’,
J Bone Jt Surg, 1996, 78B:965
11. Adams MA, McMillan DW, Green TP et al. ‘Sustained loading generates stress concentrations in lumbar intervertebral discs’,
Spine, 1996, 21:434
12. Adams MA, Freeman BJ, Morrison HP et al., ‘Mechanical initiation of intervertebral disc degeneration’,
Spine, 2000, 25:1625
13. Brinckmann P, Frobin W, Hierholzer E et al., ‘Deformation of the vertebral end-plate under axial loading of the spine’,
Spine, 1983, 8:851
14. Holmes AD, Hukins DW, Freemont AJ, ‘End-plate displacement during compression of lumbar vertebra-disc-vertebra segments and the mechanism of failure’,
Spine, 1993, 18:128
15. Van der Veen AJ, van Dieën JH, Nadort A et al., ‘Intervertebral disc recovery after dynamic or static loading in vitro. Is there a role for the endplate?’,
J Biomech, 2007, 40:2230
16. Sato K, Kikuchi S, Yonezawa T, ‘In vivo intradiscal pressure measurement in healthy individuals and in patients with ongoing back problems’,
Spine, 1999, 24:2468
17. Adams MA, Dolan P, Hutton WC, ‘Diurnal variations in the stresses on the lumbar spine’,
Spine, 1987, 12:130
18. Stokes IA, ‘Surface strain on human intervertebral discs’,
J Orthop Res, 1987, 5:348
19. Lu YM, Hutton WC, Gharpuray VM, ‘Can variations in intervertebral disc height affect the mechanical function of the disc?’,
Spine, 1996, 21:2208
20. Wenger KH, Schlegel JD, ‘Annular bulge contours from an axial photogrammetric method’,
Clin Biomech, 1997, 12:438
21. O’Connell GD, Johannessen W, Vresilovic EJ et al., ‘Human internal disc strains in axial compression measured noninvasively using magnetic resonance imaging’,
Spine, 2007, 32:2860
22. Heuer F, Schmidt H, Wilke HJ, ‘The relation between intervertebral disc bulging and annular fiber associated strains for simple and complex loading’,
J Biomech, 2008, 41:1086
23. Antoniou J, Steffen T, F Nelson et al., ‘The human lumbar intervertebral disc. Evidence for changes in the biosynthesis and denaturation of the extracellular matrix with growth, maturation, ageing, and degeneration’,
J Clin Invest, 1996, 98:996
24. Haefeli M, Kalberer F, Saegesser D et al., ‘The course of macroscopic degeneration in the human lumbar intervertebral disc’,
Spine, 2006, 31:1522
25. Adams MA, McNally DS, Wagstaff J et al., ‘Abnormal stress concentrations in lumbar intervertebral discs following damage to the vertebral bodies: a cause of disc failure?’
Eur Spine J, 1993, 1:214
26. Willett TL, Labow RS, Lee JM, ‘Mechanical overload decreases the thermal stability of collagen in an in vitro tensile overload tendon model’,
J Orthop Res, 2008, 26:1605
* Guy Declerck, MD
. 1964, Grieks-Latijnse Humaniora
. 1978, Dokter in de Genees-,Heel-, en Verloskunde (KUL)
. 1983, Medische Specialist in de Orthopedie (KUL & Exeter, UK)
. 1988, Postgraduate Orthopedic Surgery (Plymouth & Liverpool, UK)
. 1989, Spinal Fellow in Adult Spinal Surgery (Perth, Australia)
. 1989, Research Fellow in Spinal Injuries & Rehabilitation (Perth, Australia)
. 1989, Neuromuscular Foundation of Western Australia Postgraduate Studentship
. 1992, Spinaal Orthopedisch Chirurg (Vlaanderen en buitenland)
. 1992, Medical Doctor National Belgian Judo Team
. 1993, European Spine Research Fellowship ‘Bionic Walking’ (Stoke-on-Trent, UK)
. 1994, Worldwide Encyclopaedia Invited Surgeon and SAFIR Spinal Travel Fellowship
. 2003, Rugchirurg-op-rust in Vlaanderen
. 2003-2006, Sabbatical
. 2007-2014, International Spinal Research, Spinal Scientific Advisory Consultant & Instructor
. 2007-now, Consultant Research & Development Innovative & Restorative Spinal Technologies
. 2007-now, Spinal Lecturing & Writing, Surgical Education (www.guy-declerck.com en www.hhp.be/nl/blog)
. 2012-now: President International Association Andullation Therapy (www.iaat.eu)