Research methods

El disco intervertebral (DIV) proporciona flexibilidad, actúa como amortiguador y transmite carga. La degeneración del DIV incluye alteraciones en la biomecánica, la matriz extracelular (MEC) y la actividad celular. Estos cambios no siempre se perciben; sin embargo, la degeneración del DIV puede provocar problemas de salud graves, incluida una discapacidad a largo plazo. Para comprender la patogénesis de la degeneración del DIV y los métodos de prueba adecuados para tratamientos y terapias emergentes, esta revisión documenta modelos in vitro de degeneración del DIV que incluyen alteración física, carga hiperfisiológica, degradación de la ECM por digestión enzimática o una combinación de estos métodos. Este artículo revisa y analiza críticamente los modelos de degeneración publicados desde el año 2000, ya sea en especímenes humanos o animales. Los resultados se clasifican en términos de biomecánica del DIV, atributos físicos, composición de la ECM, daño tisular y celularidad para evaluar los modelos con respecto a la degeneración humana natural y proporcionar recomendaciones para modelos clínicamente relevantes para las distintas etapas de la degeneración. No existe un modelo que reproduzca la amplia gama de cambios degenerativos que ocurren como parte de la degeneración normal. Sin embargo, la sobrecarga cíclica replica muchos aspectos de la degeneración, con la ventaja de una dosis-respuesta que permite ajustar el daño iniciado. Actualmente faltan modelos de degeneración grave, pero existe la posibilidad de que la combinación de sobrecarga cíclica y digestión enzimática proporcione un modelo que se parezca mucho a la degeneración IVD humana. Esto proporcionará una forma efectiva de investigar los efectos de la degeneración severa y la evaluación de tratamientos para el DIV, que generalmente estarían indicados en esta etapa avanzada de degeneración.

La función de la columna vertebral humana es soportar y transmitir cargas, proteger las estructuras neuronales y estabilizar la postura y el movimiento humanos (Oxland, 2016). La compleja estructura comprende huesos vertebrales conectados a través de discos intervertebrales (DIV) y articulaciones facetarias, con estabilidad adicional proporcionada a través de ligamentos y una musculatura extensa (Adams y Dolan, 2005, Shapiro y Risbud, 2014). La enfermedad degenerativa del disco (DDD) es una de las principales causas de dolor lumbar (lumbalgia) (Iatridis et al., 2013, Vergroesen et al., 2015), que supone una carga mundial para los sistemas sanitarios, no solo por el número de pacientes con esta condición sino también los altos costos asociados con los tratamientos y terapias (Belfiore et al., 2018, Whatley y Wen, 2012).

La degeneración del DIV es un proceso multifactorial que implica alteraciones en la biomecánica, la estructura de la matriz extracelular (MEC) y la actividad genética y celular (Daly et al., 2016, Vergroesen et al., 2015) (Fig. 1). La degeneración del DIV suele ser asintomática, mientras que la DDD se puede definir como cuando la degeneración del DIV progresa hasta volverse sintomática, por ejemplo, a través del dolor resultante del crecimiento nervioso hacia el interior del DIV (Freemont et al., 1997). Aunque la degeneración por DIV es extremadamente común y cierto nivel de degeneración ocurre como parte del proceso de envejecimiento, la etiología de la DDD sigue sin estar clara (Kushchayev et al., 2018, Urban y Roberts, 2003, van Dieën et al., 1999), y Esto conduce a un gran desafío en el desarrollo de estrategias de tratamiento para mitigar, reparar o regenerar el DIV dañado.

El envejecimiento conduce a que las células notocordales en el núcleo pulposo (NP) del DIV sean reemplazadas gradualmente por células similares a los condrocitos, y esto se acompaña de un cambio en el NP de tejido vacuolado a fibrocartilaginoso (Kim et al., 2003). Después de esto, los PEC se vuelven gradualmente más delgados y calcificados. Como el DIV es predominantemente una estructura avascular, el transporte de nutrientes se produce mediante difusión y transporte convectivo a través del anillo fibroso (AF) y los CEP, que se ve afectado por la carga y la recuperación relacionadas con las actividades diarias y el ciclo diurno (De Geer, 2018). , Ferguson et al., 2004, Gullbrand et al., 2015, Urban et al., 2004, Zhu et al., 2012). El envejecimiento y la degeneración pueden afectar negativamente el suministro de nutrientes, lo que puede disminuir la actividad celular y causar la muerte celular (Adams y Roughley, 2006), lo que compromete aún más la estructura del DIV y, en última instancia, conduce a una cascada degenerativa (Huang et al., 2014, Urban et al., 2004).

La degeneración del IVD también se caracteriza por una pérdida de proteoglicanos (PG) y alteraciones en las cadenas de colágeno, que pueden reducir la capacidad de unión de agua (Vergroesen et al., 2015) y conducir a una reducción de la presión intradiscal (IDP). ). En las primeras etapas de la degeneración, el IDP disminuye ligeramente, pero una degeneración más severa conduce a reducciones drásticas (Stefanakis et al., 2014), lo que puede aumentar la deformación de la FA, provocando desgarros, delaminación y fisuras (Adams y Roughley, 2006). ). Además, la pérdida de contenido de agua puede resultar en una reducción en la altura del DIV (aproximadamente un 3 % por año) (Adams y Dolan, 2012), lo que puede comprometer la capacidad de transporte de carga del DIV y la transferencia de carga a través de la columna vertebral. , lo que lleva a la degeneración de estructuras como las articulaciones facetarias.

A medida que avanza la degeneración, la estabilidad y rigidez de los segmentos espinales se ven afectadas (Maquer et al., 2014). Mediciones realizadas en DIV degenerados humanos (clasificados con los métodos de Pfirrmann (Emanuel et al., 2015), Thompson (Amin et al., 2016), Otsu (Maquer et al., 2014) y Boos (Boos et al., 2002) ) han demostrado que la degeneración leve y moderada del DIV conduce a una disminución de la rigidez, mientras que la degeneración grave en la que puede producirse contacto hueso a hueso conduce a un aumento de la rigidez (Emanuel et al., 2015).

Se han utilizado diversos métodos para promover y replicar los aspectos anteriores de la degeneración del DIV para proporcionar una mayor comprensión de los mecanismos de la degeneración y para la evaluación preclínica de tratamientos y terapias novedosos, que pueden diseñarse para eliminar el dolor y restaurar la función y la biomecánica. El uso de modelos in vitro puede ser ventajoso en comparación con los modelos in vivo debido a (1) menor tiempo de experimentación, (2) mayor rentabilidad, (3) mayor control de las condiciones experimentales y (4) consideraciones éticas (An y Masuda, 2006, Daly et al., 2016).

Los modelos in vitro de degeneración del disco se pueden definir en términos generales según tres esquemas experimentales: mecánico; bioquímico; e híbrido (Fig. 2). Los modelos mecánicos implican una interrupción directa del DIV (Elliott et al., 2008, Korecki et al., 2008a, Michalek y Iatridis, 2012) o la aplicación de carga para inducir daño (Adams et al., 2000, Berger-Roscher et al., 2017, Wade et al., 2014, Wilke et al., 2016). Los modelos bioquímicos emplean enzimas digestivas o agentes químicos similares para replicar la degradación de la MEC que ocurre como parte de la degeneración (Chan et al., 2013, Roberts et al., 2008, Smith, 1964). Finalmente, los modelos híbridos combinan aspectos de modelos mecánicos y bioquímicos (Gawri et al., 2014, Growney Kalaf et al., 2014).

El propósito de esta revisión es examinar, discutir y evaluar el estado del arte en la replicación in vitro de la degeneración del disco humano. La revisión incluye los métodos utilizados para compilar y evaluar los modelos de degeneración existentes (Sección 2), descripciones de la gama de iniciadores degenerativos y protocolos de prueba utilizados en los modelos de degeneración IVD (Sección 3), discusión relacionada con las ventajas y desventajas, relevancia clínica. y comparaciones entre modelos (Sección 4), y recomendaciones de los modelos más adecuados de degeneración del disco, junto con áreas potenciales para futuras investigaciones (Sección 5).

Conclusión
No existe un modelo in vitro que pueda replicar todas las características y etapas de la degeneración del DIV humano. La mayoría de los modelos incluidos en esta revisión logran una degeneración de leve a moderada en términos de biomecánica, composición de la ECM o daño microestructural. Los métodos que inician la degeneración con carga cíclica brindan el mejor potencial para reproducir fallas estructurales y cambios biomecánicos similares a los de la degeneración natural, y tienen una dosis-respuesta que permite a los investigadores ajustar el nivel de…

In-vitro models of disc degeneration – A review of methods and clinical relevance – PubMed (nih.gov)

In-vitro models of disc degeneration – A review of methods and clinical relevance – ScienceDirect

Rivera Tapia ED, Meakin JR, Holsgrove TP. In-vitro models of disc degeneration – A review of methods and clinical relevance. J Biomech. 2022 Sep;142:111260. doi: 10.1016/j.jbiomech.2022.111260. Epub 2022 Aug 17. PMID: 36027637.

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