Struktur und Funktion der Zwischenwirbelscheibe

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Struktur und Funktion der Zwischenwirbelscheibe* Wassil Wassilev Dod Wolfgang Kuhnel Lehrstuhl fiir Anatomie, Histologie und Embryologie, Medizinische Akademie, G. Sofiiski 1, BG-1431 Sofia, Bulgarien, und Institut fiir Anatomie, Medizinische Universitlit zu Lubeck, Ratzeburger Allee 160, D - W - 2400 Lubeck 1, Deutschland

Wer iiber physiologische und pathologische Veranderungen der Binde- und Stiitzgewebe arbeitet, sieht sich Schwierigkeiten des Vergleichs mit normalem Gewebe wie bei keinem anderen Gewebe gegeniiber. Die Kenntnis vom Bau normaler Bindegewebsstrukturen ist noch immer liickenhaft, die morphologischen Methoden ihrer Analyse sind oft unbefriedigend. Binde- und Schiitzgewebe ist nichts Einheitliches, sondem nach Standort und Aufgabe, Zusammensetzung und Stoffumsatz Verschiedenes. Deshalb ist auch vorgeschlagen worden, besser von Bindegeweben und von Stiitzgeweben zu sprechen und dabei den DifferenzierungsprozeB nicht aus dem Auge zu verlieren. Differenzierung meint dabei die Entwicklung funktionsspezifischer Bindeund Stiitzgewebstypen aus einem "undifferenzierten" Grundtyp. Betrachtet man unter diesem Blickwinkel die Zwischenwirbelscheiben, Disci intervertebrales, dann stoBt man schon beim Studium der Entwicklung auf Besonderheiten, obwohl gerade die Zwischenwirbelscheibe das wohl am besten bekannte Beispiel der Entwicklung funktioneller Strukturen bietet, deren Fasersysteme schon friihfetal angelegt werden (Knese 1979). In Segmentmitte des Achsenskeletts befindet sich die Anlage der Zwischenwirbelscheibe mit vollig abweichender histogenetischer Potenz. Hier liegen Fibroblasten in einer spezifischen Omung, die bereits die spatere Faserarchitektur der Zwischenwirbelscheibe vorzeichnet. Thr Zytoplasma gibt eine deutliche PAS-Reaktion, wahrend die benachbart liegenden Anlagen der Wirbelkorper eine Alcianophilie besitzen (Knese 1979). Die Entwicklung der Zwischenwirbelscheiben ist stets mit der Differenzierung der Wirbel eng verbunden. 1m mesenchymalen Stadium ist die Wirbelsaule in Wirbel- und Zwischenwirbelscheibenanlagen gegliedert. Sie wird in ihrer gesamten Lange von der Chorda dorsalis durchsetzt. Bei menschlichen Embryonen von

* Referat

auf der 86. Versammlung der Anatomischen Gesellschaft in Szeged, Ungarn, 2. bis 5. April 1991

~I

Ann. Anat. (1992) 174: 54-65 Gustav Fischer Verlag Jena

12 mm SSL zeichnen sich die Anlagen der Zwischenwirbelscheiben durch Kondensierung des urn die Chorda dorsalis gelegenen Mesenchyms bereits klar von den lockerer gefiigten Anlagen der Wirbelkorper abo Das Ordnungsprinzip der Fibroblasten wird deutlich und die ersten Kollagenfibrillen treten auf (20 mm SSL; Tondury 1958). In der chondralen Phase der Wirbelsaulenentwicklung (40 mm SSL) gelangen die Chordazellen unter dem Wachstumsdruck des Knorbelgewebes in die Anlagen der Zwischenwirbelscheiben, wo sie nun die Chordasegmente bilden. An den Zwischenwirbelscheiben lassen sich sodann zwei Abschnitte unterscheiden, das aus blasigen Zellen aufgebaute Chordasegment (Nucleus pulposus) und die Anlage des Anulus fibrosus, der sich wiederum in eine Innen- und in eine AuBenzone gliedert. Die nun folgenden Umbauvorgange im Bewegungssegment sind Folge mechanischer Faktoren (Rabischong et al. 1978). Der Bewegungsurnfang wird im Zusammenspiel aller Einrichtungen des Bewegungssegments begrenzt. Zusammen mit den hyalinknorpeligen Verankerungen sind die Zwischenwirbelscheiben zentraler Teil des Bewegungssegmentes, das noch die paarigen Wirbelgelenke, die paarigen Zwischenwirbellocher, den entsprechenden Abschnitt des Wirbelkanals sowie Muskeln, Bander, Nerven und GefaBe im Intervertebralbereich einschlieBt (Junghans 1933). Zusammen mit den iibrigen Bandem sichem die Zwischenwirbelscheiben die Stabilitat der segementierten Wirbelsaule, mit den Intervertebralgelenken deren Beweglichkeit, mit den Wirbelgelenken die Bewegungsrichtung. Bei aufrechter Korperhaltung ist die Wirbelsaule be sonders groBen Belastungen ausgesetzt (Bradford und Spurling 1947; Nachemson 1981). Die axialen Kompressions- und StoBkrafte werden in den Zwischenwirbelscheiben gedampft, sie wirken als "shok-absorber" fUr die Wirbelsaule (Humzah und Soames 1988). Die StoBdampfung erfolgt dabei, in Abhangigkeit von der StoBharte, gemeinsam von Discus und Spongiosaknochenmarksystem (u. a. MiillerGerbl et al. 1988). Schon nach dem 4. Lebensjahr werden in

ZwischenwirbelAbb . 1 a-b. scheibe einer Ratte , Frontalschnitt, mit Nucleus pulposus, Anulus fibrosus und Knorpeldeckplatten (KDP) . Hiimatoxylin-Eosin. a) X 1l0, b) x 180

Abb. 2 a-b. Zwischenwirbelscheibe einer Katze. a) Medialer Anteil des Anulus fibrosus und Chordaretikulum des Nucleus pulposus. Trichromfarbung nach Masson-Goldner, x 204. b) Chordazellen mit dunnen Zytoplasmaausillufern, die ein Retikulum bilden. Trichromflirbung nach MassonGoldner, x 408. c) Chordazelle mit zwei groBen Vakuolen (V) . Das Zytoplasma enthlilt Glykogengranula (Pfeilk6pfe) und Mikrofilamente (Pfeile), x 4090.

pain" fUhrt beispielsweise jlihrlich mehr als zwei Millionen Kranke zu britischen Arzten; bei 70 % der Falle wird keine exakte Diagnose gestellt (Wells 1983). Deshalb ist die Zwischenwirbelscheibe noch immer ein interessantes "Organ", sowohl fUr Anatomen, Pathologen, Biochemiker als auch fUr Orthopaden und Neurologen. 1m iibrigen stammt die erste Beschreibung der Zwischenwirbelscheibe von Vesalius (1543), der sie "eine elastische Bildung von zwei Platten echten Knorpels, zwischen denen ein besonderer Knorpel liegt", nennt. Systematisch ist siedann von Luschka (1856) untersucht worden, und besonderes Verdienst zur Kenntnis

den Zwischenwirbelscheiben so gut wie keine Blutgefiille mehr gefunden, und bereits im zweiten Lebensjahrzehnt kommt es zu einer Dehydrierung und damit zu einer Abnahme des Quellungsdruckes im Nucleus pulposus. Dieser verliert schlieBlich seinen gallertartigen Charakter und schrumpft (Penning 1988; Oda et al. 1988). Diese strukturellen Veranderungen fUhren letztendlich zu einer Instabilitat des Bewegungssegmentes und in deren Folge zu komplizierten Schmerzsyndromen (z. B. Zervicobrachialgien, Lumbalgien; Naylor 1962), die nur zum Teil auf Nervenkompressionen zuriickgefUhrt werden konnen. Der sog. "low black

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Abb. 3 a-b. Zwischenwirbelscheibe einer Ratte. a) Chordazellen mit glykogenreichern Zytoplasrna und Glykogenansammlungen (0) in einer Vakuole (V), X 4100. b) Interzellularspalt zwischen zwei Chordazellen. Das Zytoplasrna enthrut Olykogengranula (0) und Mikromamente (pfeile), x 18000.

der normalen und pathologischen Anatomie der Zwischenwirbelscheibe kommt der Dresdener Schule zu (Schmorl 1931; Junghans 1933). Die 23 Disci intervertebrales der menschlichen Wirbelsaule machen etwa Y4 ihrer Gesamtlange (l!J4 der KorperhOhe) aus. Belastungen vermindem ihren Wassergehalt, ihre Hohe nimmt ab (1 % KorperhOhendifferenz zwischen Morgen und Abend; Fick 1945). Die Zwischenwirbelscheibe besteht aus zwei verschiedenen Gewebsarten: Gallertartiges Bindegewebe (Nucleus pulposus) und Faserknorpel (Anulus fibrosus) (Abb. I a, b). Der Gallertkem, Nucleus pulposus, aus der Chorda dorsalis hervorgegangen, nimmt etwa 40 % der Zwischenwirbelscheibe ein. In jungen Jahren hat er eine gelartige Konsistenz und besteht aus einem losen Netzwerk von Kollagenfibrillen, das in ein Gel von Proteoglykanen

eingebettet ist. Der Wassergehalt des Nucleus pulposus betragt 70-90 %, ist am hochsten bei der Geburt und nimmt mit Zunahme des Lebensalters stetig ab (Pedrini-Mille et al. 1983). Neuerdings konnten zwei Proteoglykan-Populationen isoliert werden (Schultz 1990). Eine schwere Population zeichnet sich durch einen hohen Chondroitinsulfatgehalt und einen geringen Proteingehalt (17,6-18,0 %) aus. Der bei der Gleichgewichtsdichtegradientenzentrifugation leichtere Proteoglykantyp ist dagegen keratansulfatreicher und besitzt einen hohen Proteinanteil (52,5-67,1 %). Ferner wurde von Schultz (1990) nachgewiesen, daB die Coreproteine der zwei verschiedenen Proteoglykan-Populationen ein differentes Aminosauremuster besitzen. Die dominierenden Aminosauren des chondroitinsulfatreichen Typs sind Glutaminsaure, Glycin und Prolin, wlihrend die herausragenden Ami56

ander ein. Es werden sowohl Desmosomen als auch Zonulae occludentes beschrieben (Abb. 4a, b). Stellenweise weichen Chordazellen aber auch auseinander, so daB weite Interzellularspalten entstehen, in denen Safranin O-positives Material nachgewiesen wurde (Missankov et aI. 1989). Mit zunehmendem Alter gehen Chordazellen zugrunde, obwohl Trout et aI. (1982b) auch noch nach dem 30. Lebensjahr vollig "normale" Zellelemente gefunden haben. Die Degeneration geht offenbar mit einer Zunahme von Vakuolen und einer deutlichen Abnahme der Glykogengranula einher; gleichzeitig verschwinden die Zellorganellen. Unabhangig davon aber treten in der Peripherie des Nucleus pulposus fibroblastenahnliche Zellnester auf, deren Elemente chromatinreiche Keme besitzen und tiber ausgepragte GolgiApparate verftigen; Glykogengranula und Mikrofilamente sind dagegen eindeutig vermindert (Abb. 5a, b). Mit dem Auftreten dieser Zellen wird die Zunahme von Fibrillen in der Extrazelluliirmatrix bei alteren Menschen in Verbindung gebracht (Buckwalter et al. 1985). Aber auch kollagene Fasem kommen vor, femer grobe, geometrisch regelmiiBige Aggregate mit einer Periodizitat von 85 nm, vermutlich das Ergebnis einer gestorten Kollagenbiosynthese. Diese Aggregate enthalten feingranulare osmiophile, 40 nm breite Streifen und osmiophobe, 45 nm breite Blinder, in denen llingsorientierte Filamente vorkommen (Wassilev 1971, Buckwalteret al. 1979) (Abb. 6a, b). 1m Alternehmen die Kollagenfibrillen im Nucleus pulposus erheblich zu (Butler und Fujioka 1972; vgl. Meachim und Comah 1970). Rasterelektronenmikroskopisch kommen netzartige Strukturen zum Vorschein. Kollagene Fibrillen, mit granularen Partikeln beladen, durchkreuzen sich auf vielfiiltige Weise und bilden ein dreidimensionales Raumgitter (Abb. 7 a, b). Der Anulus fibrosus geht aus dem verdichteten Mesenchym des Invertebralsegmentes hervor und sichert die funktionelle Integritat der Zwischenwirbelscheibe (Hashizume 1980, Marchand und Ahmed 1990). Er besitzt einen lamellaren Bau. Man unterscheidet eine AuBenzone, in der die peripheren zellarmen Lamellen besonders ventral kraftig sind, und eine Innenzone, in der die Faserschichten insgesamt breiter,. lockerer und zellreicher sind; sie ahnelt dem Faserknorpel und geht ohne scharfe Grenze in den Nucleus pulposus tiber (Cassidy et al. 1989). Die parallel verlaufenden Fasem innerhalb einer Lamelle stehen in einem Winkel von etwa 62° zur spinalen Achse und in einem Winkel von ungefiihr 120° zu den Fasem der angrenzenden Lamelle (Eyre 1979). Mit der nach kranial angrenzenden Endplatte schlieBen sie einen Winkel von ca. 55° ein, wogegen sie nach kaudal hin in einem spitzen Winkel von ca. 20° verankert sind (Marchand und Ahmed 1990). Die kollagenen Fasem, die die Lamellen aufbauen, strahlen auBen in das Periost der Wirbelkorper ein, innen verankem sie sich an den Knorpeldeckplatten (Klein und Hukins 1982). 1m tibrigen sind die Kollagenfibrillen in den auBeren Lamellen mit 100 bis 200 nm dicker als jene der inneren Lamellen, deren Dicke mit 40 bis 100 nm angegeben wird (Inoue 1981). Nach Marchand und Ahmed (1990) nimmt die Anzahl der Lamellen mit zunehmendem Alter von 20 bis 25 auf 15 bis 10 abo Sie sind dann haufig inkomplett oder unterbrochen.

4b Abb. 4 a-b. Kontakte zwischen Chordazellen. a) Zonula occludens (Pfeilkopfe) und Extrazellulannatrix (M), X 15000. b) Drei hintereinander geschaltete Desmosomen mit einstrahlenden Filamenten (Pfeile), x 70000.

nosauren der keratansulfatreichen Population Glutaminsaure und Asparaginsaure sind. Die Proteoglykane sind fUr das Wasserbindungsvermogen verantwortlich (zur Biochemie s. u. Urban et aI., 1990). In Quellungsversuchen wurde festgestellt, daB Nucleus pulposus-Stticke, die zwei Stunden im Wasser liegen, ihr Volumen mehr als verdoppeln (Vasilev et al. 1972). Unter normalen Bedingungen herrscht im Nucleus pulposus ein Innendruck von 40 mm Hg ("Glose packsystem; Nachemson 1960). Bei Belastungen steigt der Innendruck erheblich an, so daB nun Druckkrafte auf den Anulus fibrosus und auf die knorpeligen Deckplatten wirken. Halten diese Strukturen den erhOhten Druck nicht aus, kommt es zu Diskushemien bzw. zur Bildung der bekannten Schmorlschen Knotchen (SchmorlI931). Die innere Struktur des Nucleus pulposus andert sich im Laufe des Lebens; Trout et aI. (1982) sprechen gar von "dramatischen Umwandlungen". Bei jungen Individuen trifft man auf die bekannten Chordazellen, die sich durch enorme Vakuolisierung ihres Zytoplasmas auszeichnen (Blaschengewebe von Luschka 1904) (Abb.2a, b, c). Leeson und Leeson (1958), femer Vasilev und Ruseva (1969) sprechen von einer "ungewohnlichen Ultrastruktur". In den dtinnen oder schmalen Zytoplasmastegen zwischen den Vakuolen werden reichlich Glykogengranula beschrieben (Abb. 3 a, b), auch Mikrofilamente kommen vor (Tondury und Tillmann 1987). Die Chordazellen liegen in einem epithelartigen Verband zusammen, benachbarte Zellen gehen Kontakte mitein-

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Abb. 5 a-b. Zwischenwirbe1scheibe eines Meerschweinchens. a) Drei dicht nebeneinander liegende Zellen in der Peripherie des Nucleus pulposus mit unterschiedlicher Strukturierung. Die Vakuolen (V) sind mit granuHirem Material gefiillt. x 6000. b) Zytoplasma einer Chordazelle mit ausgedehntem Oolgi-Apparat (0) und zahlreichen Vakuolen, x 11000.

Auch bei der rasterelektronenmikroskopischen Darstellung erkennt man, daB die Lamellen keine morphologische Selbstandigkeit besitzen. Die einzelnen Lamellen sind vielmehr durch Kollagenfaserbriicken untereinander verbunden. Fur die funktionelle Integritat der Fasem sollen die Proteoglykane der Matrix eine wichtige Rolle spielen. Mit Safranin o sind die quer verlaufenden Briicken auch histochemisch darzustellen (Missankov et al. 1989). Die extrazellulare Matrix wird auch hier von ortsstandigen Zellen sezemiert. Kollagene, Proteoglykane und vermutlich Hya1urane sind die Hauptgruppen der extrazellularen Matrix (Cole et al. 1985). Durch Interaktion der Proteog1ykane mit Wasser bildet sich eine gelartige Phase, in die Kollagenfasem eingebettet sind. Die relativen Konzentrationen der

Proteoglykane und des Kollagens andem sich yom Rand bis zum Innem der Zwischenwirbe1scheibe (Schultz 1990). 1m Anu1us fibrosus ist der Kollagenanteil am gr68ten, er nimmt allmahlich bis zum Nucleus pulposus abo Mit den Proteoglykankonzentrationen verha1t es sich umgekehrt (Eyre 1979). Neben diesen Hauptsubstanzen sind auch Elastin, Fibronectin und Laminin am Autbau der extrazelIu1aren Matrix beteiligt (Alberts et al. 1986). Etwa die Ha1fte des Trockengewichts der Zwischenwirbelscheibe besteht aus Kollagen (Schultz 1990), und bislang sind 7 Kollagentypen nachgewiesen worden (Urban et al. 1990). Die Kollagentypen I, II und III sind am besten bekannt, sie treten nebeneinander auf. Kollagen Typ I wird vorwiegend in der AuBenzone, Typ II in der Innenzone und

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Die Frage der zelluliiren Elemente in der Zwischenwirbelscheibe wird noch immer kontrovers diskutiert. Zwar werden in den hyalinknorpeligen Deckplatten typische Chondrozyten beschrieben, im Anulus fibrosus aber wird keine einheitliche Zellpopulation gefunden (Schultz 1990). Sylvest et al. (1977) fanden in beiden Gewebsanteilen Chondrozyten, Pritzker (1977) beschrieb nur Fibrozyten, Copius Peereboom (1970) diskutierte das Vorkommen beider Zellsorten im Anulus und Knese (1978) spricht von Sehnenzellen am auBeren Rand des Anulus fibrosus (Abb. 8a, b). Aufgrund unserer Untersuchungen gibt es tatsachlich lokale Unterschiede. In der zellarmen AuBenzone des Anulus kommen Fibrozyten vor, die hiiufig dtinn ausgezogen sind und somit den Eindruck von Sehnenzellen vermitteln. Sie verftigen aber auch im hoheren Alter noch tiber einen ausgepragten Organellenbestand. In den Faserlamellen der Innenzone finden wir sowohl Fibrozyten als auch Chondrozyten, ferner degenerierte Zellen. 1m Grenzbereich Anulus fibrosus und Nucleus pulposus werden Chondroblasten beobachtet, deren Organellenausstattung daflir spricht, daB es sich urn hoch aktive Zellen handelt (Wassilev 1970) (Abb. 9). Histoautoradiographisch ist in diesen Zellen ein starker S35-Einbau nachgewiesen worden (Taylor et al. 1981), was darauf hindeutet, daB hier Matrixbausteine synthetisiert und sezerniert werden. Es dtirfte sich also urn eine aktive Zone der Zwischenwirbelscheibe handeln (Bayliss et al. 1988). Nicht unerwiihnt soUte bleiben, daB von einigen Autoren auch elastische Fasern beschrieben worden sind, die ftir die "Elastizitat" der Zwischenwirbelscheibe eine besondere Rolle spielen sollen (Buckwalter et al. 1976; Johnson et al. 1984). Ob sie tatsachlich in die Ordnung der kollagenen Fasern innerhalb der Lamellen durch elastischen Zug eingreifen k6nnen, bleibt fraglich. Der Anulus fibrosus nimmt indirekt sowohl die zentrischen Kompressionskriifte als auch die exzentrischen Schubkrafte auf. Dabei spielt der Nucleus pulposus eine zentrale Rolle, der durch seinen Quellungsdruck flir eine Vorspannung des Anulus fibrosus sorgt. Die Innenzone des Anulus fibrosus besitzt strukturelle und chemische Eigenschaften des Knorpelgewebes; sie ist damit zur Aufnahme zentrischer Krafte geeignet. Die Innenzone unterliegt auch direkter axialer Druckbelastung (Horst 1982). Die AuBenzone, die eher einem Sehnengewebe entspricht, vermag Schubkrafte aufzufangen (vgl. Hickey und Hukins 1980). Sie wird immer auf Zug beansprucht. Bei exzentrischer Belastung verlagert sich der Nucleus pulposus zur entlasteten Seite. Nimmt die Widerstandsfiihigkeit des Anulus fibrosus ab oder geht gar das Strukturgeftige verloren, so wird der Gallertkern unter Belastung ausweichen (Prolaps des Nucleus pulposus, Bandscheibenvorfall). Die etwa 1 mm dicken hyalinknorpeligen Wirbelkorperdeckplatten verbinden die Zwischenwirbelscheiben mit den Wirbelkorpern. Sie bestimmen maBgeblich die Diffusion zwischen Korper und Bandscheibe und sind damit wichtiger ftir deren Stoffwechselregulation als der Anulus fibrosus. Die Deckplatten besitzen trotz ihrer morphologischen Ahnlichkeit mit dem Gelenkknorpel strukturelle und chemische Besonderheiten (Buckwalter et al. 1989) (Abb. 1Oa, b). Ihnen fehlt

Abb. 6 a-b. Zwischenwirbelscheibe eines alten Kaninchens. a) Grobe, geometrisch regelmiillige Aggregate (Pfeile) in der Extrazellularmatrix, X 15000. b) Osmiophile granuliire Bander (Pfeilkopfe) und osmiophile Streifen (Pfeile), X 60000

Typ III fast ausschlieBlich perizelluliir gefunden (Beard et al. 1981). Allerdings schwankt das Verhaltnis von Typ lund Typ II innerhalb der Zwischenwirbelscheibe. In der Bandscheibe des Rindes wird im externen Anulus mehr als 95 % Typ I, im internen Anulus mehr als 95 % Typ II, in der intermediiiren Zone 60 % Typ II und 40 % Typ I gefunden. 1m Nucleus pulposus kommt fast ausschlieBlich Typ II Kollagen vor (Berthet Colominas et al. 1982). 1m Anulus fibrosus der menschlichen Zwischenwirbelscheibe betragt das Verhiiltnis 60 % Typ lund 40 % Typ II Kollagen. Altersbedingte Veranderungen der Zwischenwirbelscheiben betreffen in erster Linie das Kollagen, wobei es zunachst zu mengenmiiBigen Verschiebungen der beiden Kollagentypen kommt, aber auch den Wassergehalt. In der normalen Bandscheibe nimmt der Wassergehalt yom Nucleus pulposus zum Anulus fibrosus hin abo 1m Laufe des Lebens sinkt der Wassergehalt im Nucleus pulposus von 90% in jungen Jahren auf 60% im Alter von 80 Jahren (Gower und Pedrini 1969, Urban et al. 1990). Der Wasserverlust in der Peripherie des Anulus fibrosus ist allerdings geringer (Lyons et al. 1981).

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Abb. 7 a-b. Zwischenwirbelscheibe eines Kaninchens. In der Extrazelluliirmatrix des Nucleus pulposus liiBt sich rasterelektronenmikroskopisch ein dreidimensionales Netzwerk von Fibrillen darstellen, denen granuliire Partikel auflagern. a) X 16000; b)

x

20000

markierter Substanzen nachweisen konnten. Dieser Stofftransport ist fiir den Metabolismus der Zwischenwirbelscheibe von groBer Bedeutung, da sie nach dem 4. Lebensjahr praktisch gefaBfrei ist. BlutgefliBe sind nur in der Fetalzeit nachweisbar, und zwar ausschlieBlich in der AuBenzone des Anulus fibrosus (T6ndury 1958, Hassler 1970). Wir fanden Kapillaren lediglich in den auBeren Lamellen des Anulus fibrosus bei Mausen. Dabei handelt es sich urn radiare Zweige eines GefiiBplexus an der auBeren Oberflache der Zwischenwirbelscheiben. Ein weiteres GefaBgeflecht kommt in der Grenzzone Wirbelk6rperspongiosa und Deckplatten vor. Von hier dringen kurze und kaum verzweigteAstchen in die knorpeligen Deckplatten ein (Wassilev und Vladimirov 1968). Eine Reihe von

beispielsweise die zonale Organisation, die fUr den Gelenkknorpel charakteristisch ist, und in deren Matrix liegt eine andere Zusammensetzung der Glykosarninoglykane vor (Donohue et al. 1988). Die oberflachennahen Chondrozyten sind organellenreich, die tiefer gelegenen enthalten Mineralsalze und lihneln eher Knochenzellen. Die Mineralisierung nimmt im Alter zu (Abb. 11 a, b). Die hyalinknorpeligen Deckplatten decken die Wirbelk6rperspongiosa ab und wirken damit bei der gleichmiiBigen Druckverteilung auf die Spongiosa mit. Sie spielen aber auch fiir die Trophik der Zwischenwirbelscheibe eine Rolle (Katz et al. 1986). Dafiir sprechen u. a. die experimentellen Befunde von Nachemson et al. (1970), die eine "Durchlassigkeit" der Deckplatten mit Hilfe radioaktiv

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Abb. 8 a-b. Zwischenwirbelscheibe einer Katze. a) Organellenreicher Fibroblast, X 11 000; b) Chondroblast aus der Innenzone des Anulus fibrosus, X 16000.

Autoren (siehe bei Holm 1990) weist darauf hin, daB die Diffusionsrate einerseits im Zentrum der Endplatten und andererseits uber den Anulus fibrosus wesentlich hOher ist als in der Randzone der Knorpelplatten. Die haufige Schmerzsymptomatik hat schon vor 150 Jahren die Frage nach der Innervation der Wirbelsaule aufgeworfen. Luschka (1850) beschrieb einen N. sinuvertebralis (R. memingeus), dessen Zweige fur die Liingsbander, die Zwischenwirbelscheiben und fUr die Wirbelgelenke spater prazisiert wurden (Pedersen et al. 1956). Neben somatosensiblen Nervenfasem konnte auch eine sympathische Beteiligung nachgewiesen werden (Bogduk et al. 1981), und erst kurzlich sind komplizierte Nervenfasergeflechte mit Hilfe der AChEsterase-Technik in den Langsbandem dargestellt

worden (Kozjima et al. 1990). Als QueUe der schmerzhaften Symptomatik durften nach wie vor die Langsbiinder, die Gelenkkapseln und das Periost in Frage kommen (Hirsch et al. 1963, Groen et al. 1990). Allgemein akzeptiert wird die Tatsache, daB schon sehr fruh in der Zwischenwirbelscheibe degenerative Veranderungen auftreten, die als altersbedingte Veranderungen aufgefaBt werden. Nach eigenen Untersuchungen lassen sich bei etwa 40 % der Zwischenwirbelscheiben in der HWS von 25 bis 30 Jahre alten Probanden strukturelle Veriinderungen nachweisen. Sie steigen auf 80% bei 40 bis 50 Jahre alten Menschen, und jenseits des 70. Lebensjahres wird praktisch keine normal strukturierte Zwischenwirbelscheibe gefunden (Wassilev 1964). Die ersten strukturellen Veranderungen 61

Abb. 9. Zwischenwirbelscheibe einer Ratte. Organellenreicher Fibroblast aus der Ubergangszone des Anulus fibrosus - Nucleus pulposus, x 16000.

Kohlenhydratabnahme von 47,5 auf 32,9 % ermittelt. Diese biochemischen Daten stimmen mit dem vermehrten Auftreten von Kollagen Typ II und Typ III im Nucleus pulposus uberein (Beard et al. 1981; Pearse et al. 1989). Schultz (1990) konnte bei ihren Untersuchungen zur Altersabhangigkeit der Proteoglykanverteilung in der menschlichen Zwischenwirbelscheibe femer nachweisen, daB bei beiden Proteoglykan-Populationen die Glykosaminoglykankettenzahl abnimmt. Auch hierbei waren die Vedinderungen im keratansulfatreichen Typ mit einer Keratansulfatkettenabnahme von 21 auf 12 starker ausgepragt. Auch die Galaktosaminoglykankettenzahl sank von 13 auf 5. Anderungen des Disaccharid-Musters mit fortschreitendem Alter zeigten sich im keratansulfatreichen Typ durch eine Abnahme des Chondroitin-4- und -6-sulfat- sowie des Dermatansulfatgehaltes (Schultz 1990). Die Ursachen fur diese schon in jungen lahren beginnenden degenerativen Veriinderungen sind noch immer unklar, viele Faktoren werden diskutiert. Strukturelle Veranderungen der Zwischenwirbelscheibe wurden auch bei Hunden, Katzen und Nagem beschrieben (Hansen 1959; Moscovitz et aJ. 1990; Samson und Trzeciakowski 1990), und man sprach in diesen Fallen von einer genetischen Disposition. Fur die menschliche Wirbelsaule wurden dagegen die ungunstigen mechanischen Einwirkungen auf die Zwischenwirbelscheiben ins Feld gefuhrt (vgJ. Hurnzah und Soames 1988). Da

treten ohne Zweifel im Nucleus pulposus auf, er verliert seine Homogenitat. Gleichzeitig kommt es. zur Ausbildung von Spalten, gelbbraune Areale treten auf. In der HWS k6nnen sich diese Spalten mit den Unkovertebralgelenken vereinigen, so daB die Zwischenwirbelscheibe in zwei Teile getrennt wird (T6ndury und Tillmann 1987). 1m Anulus fibrosus kommt es zu RiBbildungen innerhalb der Lamellen, die Deckplatten werden dunner oder zeigen partielle Unterbrechungen, so daB es hier leicht zu einem Prolaps des Nucleus pulposus in der Wirbelk6rperspongiosakommen kann (Schmorlsche Kn6tchen). Bei einer fortgeschrittenen Degeneration beobachtet man oft eine v611ige Destrukturierung der Zwischenwirbelscheibe. Charakteristisch ist zunachst die H6henabnahme: Der Wassergehalt hat abgenommen, der Glykosaminoglykangehalt ist reduziert (Pearse et al. 1987). Kurzlich wurde nachgewiesen, daB sich das Proteoglykanverteilungsmuster nach dem 40. Lebensjahr deutlich zugunsten des keratansulfatreichen Typs andert (Schultz 1990). Das Verhiiltnis von der chondroitinsulfat- zu der keratansulfatreichen Proteoglykan-Population verringert sich von 3,45 auf 1,2 nach dem 40. Lebensjahr (Schultz 1990). Mit zunehmendem Alter konnten auch struktureIle Veranderungen innerhalb der zwei Proteoglykan-Populationen festgestellt werden, wobei die strukturellen Unterschiede im keratansulfatreichen Typ deutlicher waren. Hier wurde eine Proteinzunahme von 52,5 auf 61,1 % und eine

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Abb. 10 a-b. Zwischenwirbelscheibe eines Kaninchens. a) Knorpeldeckplatte mit intakten und degenerierenden Zellen (Pfeilkopfe), X 560. b) Chondrozyt mit Lamellen eines granularen ER und Golgi-Apparat, X 26000.

Abb. 11 a-b. Zwischenwirbelscheibe einer Katze, Knorpeldeckplatte. a) Proteoglykankomplexe (PG) in der perizelluliiren Matrix eines Chondrozyten. Safranin 0 ~~~~,,~~S; Fiirbung, X 9490. b) Chondrozyt mit Mineralsalzen X 14600.

(Pfeilkopfe),

~1a~~~I!~~III~,;~

,

verstarkten mechanischen Einwirkungen verfolgen zu konnen, werden sog. bipedale Mause (vordere Extremitaten amputiert) herangezogen. An diesen bipedalen Mausen wurden sechs Monate nach der Amputation Konfigurationsanderungen der Wirbelsaule beobachtet: Verstarkung

man aber bei derartigen experimentellen Studien wegen der unterschiedlichen Statik den bipedalen Menschen schlecht mit quadrupedalen Spezies vergleichen kann, sind experimentelle Modelle entwickelt worden (Jamada et al. 1960). Urn die Dynamik struktureller Veranderungen unter

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der Halslordose und Brustkyphose mit gleichzeitiger struktureHer Desorganisation der Zwischenwirbelscheiben (Wassilev und Dimova 1970). Die ersten, diskreteren Erscheinungen betrafen den Nucleus pulposus, in dem vermehrt degenerierende ChordazeHen und eine Hiiufung der geometrisch quergestreiften Strukturelemente beobachtet wurden. Rupturen der Lamellensysteme im Anulus fibrosus und dorsale Protrusionen des Nucleus pulposus traten erst spiiter auf (Wassilev 1970).

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