S. Mense und U. Hoheisel

Lehrstuhl Neurophysiologie Universität Heidelberg, Medizinische Fakultät Mannheim

ASPEKTE ZU MUSKULÄREN UND FASZIENBEDINGTEN SCHMERZURSACHEN BEI

CHRONISCHEN RÜCKENSCHMERZEN

40+5

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1. FUNKTIONELLE STÖRUNGEN DER MUSKELN ALS URSACHE VON RÜCKENSCHMERZEN

3. VERHALTEN DES MUSKELS UND DER FASZIE BEI DEHNUNG

2. KANN DIE THORAKOLUMBALE FASZIE ZU NICHT- SPEZIFISCHEN RÜCKENSCHMERZEN BEITRAGEN?

THEMEN

Greggreendc.com

DAS PROBLEM

About 90% of the time sciatica is due to a spinal disc herniation pressing on one of the lumbar or sacral nerve roots. Valat et al. (2010). Clin rheum. 24: 241–52..

Travell and Simons 1992

SELBES PROBLEM, ANDERE URSACHE

Ursache: Myofasziale Triggerpunkte im M. glutaeus minimus Triggerpunkt = kleiner, druckempfindlicher Knoten im Muskelgewebe, der Schmerzen in andere Gebiete überträgt

Die funktionelle Störung eines Muskels kann neuropathischen Schmerz imitieren.

= Lage der Myofaszialen Triggerpunkte (MTrP)

= Gebiet des über- tragenen Schmerzes

Histamine

Mast cell

SP/CGRP

Noxious stimulus (e.g. low pH, ATP)

Unmyelinated (Group IV) fiber

Varicosity containing neuropeptides

Arteriole

Muscle fibers

REIZUNG UND SENSIBILISIERUNG VON MUSKELNOZIZEPTOREN

BK/PGs/H+/NGF

ATP

ATP

ATP=Adenosin triphosphate BK=Bradykinin CGRP=Calcitonin gene- related peptide H+=Protons NGF=Nerve growth factor PGs=Prostaglandins SP=Substance P

1. SP und CGRP bewirken Plasma-Extravasation 2. Aus dem Plasma werden entzündliche Substanzen freigesetzt (e.g. BK, PGs) 3. Die Substanzen sensibilisieren benachbarte Nozizeptoren

after Mense 2007

REZEPTORMOLEKÜLE IN DER MEMBRAN EINES MUSKELNOZIZEPTORS

,3

H : pH 6.25 in exhausted muscle +

Mense unpublished

ATP: high concentration in normal muscle

Exposed spinal cord

L3

Lumbar spinal cord

Stimulating electrodes (search stimulus)

Recording electrode

REGISTRIERUNG VON HINTERHORNNEURONEN MIT ANTRIEB VON DEN WEICHTEILEN DES KAUDALEN RÜCKENS

Recordings in lumbar segments

L2

after Taguchi et al. 2008

Soft tissues of low back

Stimulation

L1

HINTERHORNNEURON MIT ANTRIEB VOM KAUDALEN RÜCKEN

A) Location of receptive fields B) Responses to mechanical and chemical stimulation

L1 4 5 2 3

6 S1

Pinch (fascia) Touch (skin)

5 s

5 s 5 % NaCl into MF (50 µl)

20 s

Noxious pressure MF

Fascia

Spinous process

MF muscle

Skin

nach: Hoheisel et al 2011

MF

GS

Skin

TLF Other deep tissues

Other deep tissues

Other deep tissues

ineffective synapse

effective synapse

Jedes ZNS-Neuron hat bis zu 10 000 Synapsen auf seiner Oberfläche. Die meisten dieser Synapsen sind ineffektiv.

Axon

( effective)

Die Erregbarkeit der Neurone durch Reizung von mehreren Geweben könnte ein Grund für die diffuse Natur des Rückenschmerzes sein.

Ein typisches Beispiel für den Übergang von ineffektiven zu effektiven Synapsen ist die Schmerzübertragung.

WDR

WDR

SCHMERZÜBERTRAGUNG VON MUSKEL ZU MUSKEL

Simons et al 1999

= Location of myofascial trigger point (MTrP)

= Area of referred pain from MTrP

Local pain

Referred pain

Kranialer Muskel

Schmerzhafte Läsion

MÖGLICHE ERKLÄRUNG FÜR DIE ÜBERTRAGUNG VON SCHMERZEN VON EINEM KRANIALEN ZU EINEM KAUDALEN MUSKEL

Normaler Weg der Nozizeption (lokaler Schmerz)

Weg bei übertragenem Schmerz

Ineffektive (schlafende) Synapse

Effektive Synapse

Desz. schmerz- modulierende Bahnen

Übertragener Schmerz

Lokaler Schmerz

BDNF

after Graven-Nielsen and Mense 2010

Kaudaler Muskel

3.Möglichkeit: Freisetzung von Glutamat durch Astrozytenketten

2.Möglichkeit: Diffusion von BDNF etc

1. FUNKTIONELLE STÖRUNGEN DER MUSKELN ALS URSACHE VON RÜCKENSCHMERZEN

3. VERHALTEN DES MUSKELS UND DER FASZIE BEI DEHNUNG

2. K

THEMEN

2. KANN DIE THORAKOLUMBALE FASZIE ZU NICHT- SPEZIFISCHEN RÜCKENSCHMERZEN BEITRAGEN?

FASCIA THORACOLUMBALIS BEI RATTE UND MENSCH

NERVENFASERN AUF DER OBERFLÄCHE DER FASCIA THORACOLUMBALIS DER RATTE (HÄUTCHENPRÄPARAT MIT PGP 9,5-FÄRBUNG)

PGP 9.5 ist ein unspezifischer Marker für alle Nervenfasern

100 µm

20 µm

100 µm

Subcutaneous tissue

Multifidus muscle

Thoracolumbar fascia

SP- UND CGRP-HALTIGE NERVENENDIGUNGEN IN DER FASCIA THORACOLUMBALIS

10 µm SP (Ratte)

Fasziennozizeptor

Alle SP-haltigen und ein großer Teil der CGRP-haltigen Endigungen werden als nozizeptiv angesehen (Lawson et al. 1997).

10 µm

5 µm

25 µm

A B C

SP

SUBSTANZ P- UND CGRP-HALTIGE FREIE ENDIGUNGEN IN DER FASCIA THORACOLUMBALIS DES MENSCHEN

10 µm after Tesarz et al 2011

L 4

L 5 Fascia

Sampling site

CGRP D

SYMPATHISCHE FASERN UND ENDIGUNGEN IN DER FASZIE (RATTE)

50 µm TH

TH: tyrosine hydroxylase is a marker for postganglionic sympathetic nerve fibres.

50 µm

25 µm

B) Inner layer A) Subcutaneous layer

after Tesarz et al 2011

30-40% der Faszien- Gesamtinnervation bestanden aus sympa- thischen Fasern.

SYMPATHISCHE NERVENFASERN IN DER HUMANEN FASCIA THORACOLUMBALIS Tyrosinhydroxylase (TH)-Färbung

100 µm

25 µm after Tesarz et al 2011

Möglicher Schmerzmechanismus: 1. Stress aktiviert den Sympathikus, 2. Sympathische Fasern lösen Vasokonstriktion aus, 3. Diese führt zur Ischämie und Gewebsazidose, 4. ASIC-Rezeptormoleküle werden durch H aktiviert. 5. Faszienschmerz +

INJEKTION VON HYPERTONER NaCl IN LUMBALE WEICHTEILE

Schilder et al 2014

(MF)

(FTL) Von allen Weichteilen des kaudalen Rückens hat die FTL die höchste Schmerz- empfindlichkeit

Lowback

Control (fascia intact)

TLF inflamed

Low back muscles

Muscles outside the low back

Inflamed fascia (L5)

Muscles outside the low back

ANTWORTVERHALTEN DER HINTERHORNNEURONE NACH EINER CHRONISCHEN ENTZÜNDUNG DER FASZIE

Das Auftreten von neuen RFs in den Weichteilen des Beins könnte ein Mechanismus für die Ausbreitung von Rückenschmerzen sein.

Fasciitis for 12d; recording site: L3

200 µm

MF

Fascia

Die Faszie war entzündet, aber neue Verbindungen bestanden mit Muskeln (Wechselwirkung?)

0

20

40

60

%

(4 of 37) (11 of 36)

P < 0.05

Fascia inflamed Control

A) Proportion of neurons with input from muscle (MF)

VERHALTEN VON HINTERHORNNEURONEN NACH ENTZÜNDUNG DER FASCIA THORACOLUMBALIS UND DES M. MULTIFIDUS

0

% 20

10

(3 of 76) (9 of 61)

P < 0.03

MF inflamed

B) Proportion of neurons with input from fascia

Control

Entzündung des MF steigert die Erregbarkeit durch Faszie

after Hoheisel and Mense 2014

Entzündung der Faszie steigert die Erregbarkeit durch MF

Es scheint keine Rolle zu spielen, wo in den Weichteilen des Rückens eine Läsion auftritt. Ist überhaupt eine Läsion vorhanden, reagieren die Hinterhornneurone verstärkt auf Impulse aus allen tiefen Geweben des kaudalen Rückens. Der ganze Rücken kann dann schmerzhaft werden.

SCHLUSSFOLGERUNG

1. FUNKTIONELLE STÖRUNGEN DER MUSKELN ALS URSACHE VON RÜCKENSCHMERZEN

3. VERHALTEN DES MUSKELS UND DER FASZIE BEI DEHNUNG

2. K

THEMEN

2. KANN DIE THORAKOLUMBALE FASZIE ZU NICHT- SPEZIFISCHEN RÜCKEN SCHMERZEN BEITRAGEN?

MUSKEL MIT HILFSSTRUKTUREN

Endomysium

Perimysium umhüllt Muskelfaszikel

Epimysium = eigentliche Faszie

Septum

Purslow and Delage 2012

Muskelfasern herausgelöst

RASTER-EM DES ENDOMYSIUMS

HILLS ELASTIC MUSCLE MODEL (modifiziert nach HILL 1938)

F=Force CE=contractile element SE=series elastic element PE=parallel elastic element Muskelursprung

Kontraktiles Element (Sarkomer) gibt bei Dehnung praktisch widerstandslos nach

z.B.Titin Menge gering; trägt kaum zum Dehnungswiderstand bei Sehne/Muskelansatz

Endo-/Peri-/Epimysium Querverbindungen zwischen Muskelzellen und Endomysium sowie zwischen Muskeln

Die „Muskel“dehnung ist eigentlich eine Bindegewebs- (Faszien-) Dehnung

DREI PHASEN DER DEHNUNG AM BEISPIEL DER ACHILLESSEHNE

Nach: pt.ntu.edu.tw

Physiologischer Bereich, als ideal elastisch angenommen

Erste mikroskopische Läsionen (bei ca. 10 % Dehnung)

Gewellte Kollagenfasern richten sich aus

Kraft-Längen-Diagramm

(mm)

(Pas

cal)

Verklebungen

DEHNUNGSVERHALTEN EINES GESAMTMUSKELS (Kaninchen)

Der Gesamtmuskel verhält sich bei Dehnung viskoelastisch, wobei die visköse Komponente hauptsächlich vom Muskelgewebe herrührt; weniger vom Bindegewebe incl. der Faszien.

Restdehnung

Gary Larson, 1997

BEI STATISCHER DEHNUNG GIBT DIE FASZIE NACH

Statische (anhaltende) Dehnung ist effektiver als dynamische (kurzdauernde), weil die viskösen Anteile des Muskels und der Faszie nur langsam nachgeben.

100 µm

NERVE FIBERS AND ENDINGS IN RAT THORACOLUMBAR FASCIA

Middle layer

Inner layer

Subcutaneous tissue

Outer layer

2000

1000

0

Superficial layer

(Subcut. + outer layer)

n = 61

Middle layer Inner layer

L4-L6 (marker: PGP 9.5)

EINTEILUNG BINDEGEWEBE

Nach: Universität CH Fribourg

HAUPTBESTANDTEILE DER FASZIEN Kollagenfasern Typ I (von Fibrozyten gebildet) Freie Zellen (z.B. Makrophagen (Immunabwehr)) Interzellularsubstanz (Hyaluronsäure (Wasserspeicher))

Faszien

Sehnen

Sämtliches BG=Faszie?

QUERVERBINDUNGEN ZWISCHEN MUSKELFASERN UND ENDOMYSIUM

Muskelzelle

A=Aktin an Innenseite der Muskelzellmembran (Sarkolemm); D=Dystrophin; I=Integrin; K-IV=Kollagen Typ IV (Basallamina-Kollagen); L=Laminin; S=Sarkoglykan Z=Z-Streifen; ZS=Zytoskelett der Muskelfaser als Befestigung für Sarkomere

Mechanische Verbindung (Querverbindungen) zwischen Muskelfaser und Endomysium durch das Integrin- und Sarkoglykan-System

nach Huijing 2012

Z Z

Endomysium (Kollagen Typ I) Endomysium

Basalmembran, lamina rara

Basalmembran, lamina densa (Kollagen Typ IV)

Anker-Kollagen (eigentl. Querverb.)

Muskelfaser

10 µm 10 µm

TRPV1-POSITIVE NERVENFASERN IN DER FASCIA THORACOLUMBALIS DER RATTE

Hoheisel and Mense unpublished

Die Fascia thoracolumbalis besitzt eine reiche Innervation mit Nozizeptoren und kann daher als Quelle von Rückenschmerzen fungieren.

TRPV1=Transient receptor potential vanilloid subtype 1

WDR Neuron

Facilitating input from muscle

Brainstem and Thalamus Muscle

Fascia

Skin

HYPOTHETICAL WIRING IN THE SPINAL CORD

Muscle

Facilitating input from muscle

Facilitating input from fascia

Effective synapses

Ineffective synapse

HISTOLOGIE EINER FASZIENENTZÜNDUNG

200 µm

Middle layer

Inner layer

Subcutaneous tissue

Outer layer

MF muscle

10 µm

Histology 12 days after CFA injection (Giemsa staining, 40 µm)

A) Intrafascial injection of complete Freund’s adjuvant (CFA)

1 cm

B)

Zweck: Imitierung von Faszienschmerzen im kaudalen Rücken

0

10

20

INFLAMMATION-INDUCED EXPANSION OF TLF INPUT TO SEGMENT L3

A) Proportion of neurons

B) Location of receptive fields in inflamed fascia

%

L5

(4 of 36) (0 of 37)

Injection site in TLF

P = 0.05

TLF inflamed Control

Central sensitisation: Expansion of input area in spinal cord

0

10

20

A) Proportion of neurons in L3 with input from TLF

%

(4 of 36) (0 of 37)

P = 0.05

TLF inflamed Control

0

20

40

60

%

(4 of 37) (11 of 36)

P < 0.05

TLF inflamed Control

Entzündung der Fascia thoracolumbalis steigert den Antrieb vom MF-Muskel.

B) Proportion of neurons in L3 with input from muscle

ANTWORTVERHALTEN VON HINTERHORNNEURONEN NACH 12 TAGEN ENTZÜNDUNG DER FASCIA THORACOLUMBALIS (TLF)

Es scheint keine Rolle zu spielen, wo in den Weichteilen des kaudalen Rückens eine Läsion auftritt. Ist überhaupt eine Läsion vorhanden, reagieren die Hinterhornneurone verstärkt auf Impulse aus allen tiefen Geweben des kaudalen Rückens. Der ganze Rücken kann dann schmerzhaft werden.

ÜBERTRAGUNG VON EINEM MUSKEL ZUM ANDEREN

3. Ineffektive Verbindung wird durch starken nozizeptiven Impulseinstrom effektiv.

2. Synaptische Verbindung mit sakralem Muskel ursprünglich ineffektiv

Zur Beseitigung der Schmerzen ist Behandlung vom thorakalen Muskel erforderlich.

nach: Mense and Gerwin 2010

Lokaler Schmerz im thorakalen Muskel

Sakrales Segment

Normaler Weg für die Information von Nozizeptoren im thorakalen Muskel

Weg für Schmerz- übertragung vom thorakalen zum glu- täalen Muskel

Thorakales Segment

Übertragener Schmerz im glutäalen Muskel

1. Kollateralen von afferenten Fasern können im Rückenmark bis zu 7 Segmente nach kaudal reichen (Devor et al 1977)

7/38 L1 4 5

2 3 6 S1 2 3

L1 4 5 2 3 6 S1 2 3

9/28 Receptive fields of LB neurons

inhibitory RF

2/38 L1 4 5 2 3

6 S1 2 3

1/38

L1 4 5 2 3 6 S1 2 3

7/33 L1 4 5 2 3

6 S1 2 3

WIRKUNG EINER MUSKEL- (MF-) ENTZÜNDUNG AUF HINTERHORNNEURONE MIT ANTRIEB VOM KAUDALEN RÜCKEN

Segment L 2 Segment L 3 Segment L 5

Control

MF inflammation for 6 days

p<0.05

skin

muscle

fascia other deep tissues

CFA (200µl) L4 L5

after Taguchi et al. 2008

Das Auftauchen von Neuronen in L3 mit neuen RFs im kaudalen Rücken könnte der kraniokaudalen Ausbreitung von Rückenschmerzen zugrunde liegen.

GS Muskel

GS Nerv

Triggerpunkt

HYPOTHETISCHE ERKLÄRUNG FÜR DIE ÜBERTRAGUNG VON TrP-SCHMERZEN

Normaler Weg der Nozizeption (lokaler Schmerz)

Weg bei chronischem TrP (übertragener Schmerz)

Ineffektive (schlafende) Synapse

Effektive Synapse

Desz. schmerz- modulierende Bahnen

Übertragener Schmerz

Lokaler Schmerz

BDNF

8000-10000 Synapsen/Neuron

Mense, unpublished

Kaudaler Muskel