Balanserad fysisk belastning och biologisk behandling

Transkript

1 Balanserad fysisk belastning och biologisk behandling aktiverar nervsystemet och stimulerar läkning i rörelseapparaten. Med ny molekylärbiologisk och immunohistokemisk teknik kan nervsystemets signalsubstanser och dess mottagare (receptorer) identifieras och aktivitet kartläggas i förhållande till olika grader av fysisk aktivitet efter skada i rörelseapparaten. Det framkommer bl.a. att nervtrådar förutom signalering av smärta även utsöndrar kemiska substanser som reglerar läkningsförlopp. Den läkande vävnadens mottaglighet för dessa signalsubstanser kan regleras av olika grader av fysisk aktivitet. Detta innebär att skräddarsydd fysikalisk rehabilitering och biologisk signalsubstans-terapi kan påskynda läkning och nedreglera smärta i våra stödjevävnader. Paul W. Ackermann docent och specialist i ortopedi vid Ortopedkliniken, Karolinska Universitetssjukhuset Daniel K-I Bring med dr och läkare vid Ortopedkliniken, Karolinska Universitetssjukhuset Båda vid Sektionen för Idrottsmedicin och Ortopedi, Ortopediska laboratoriet, Institutionen för Molekylär Medicin och Kirurgi, Karolinska Institutet Bakgrund Muskel-senskador, främst av överbelastningskaraktär står för uppemot 50% av skadorna inom idrotten och smärta är ett dominerande symptom. Orsakerna till smärta och otillfredsställande läkningsförmåga i senvävnad är i allt väsentligt okända. Man har länge antagit att smärtan beror på inflammation, men senare års forskning har visat att kroniskt skadad senvävnad sällan uppvisar inflammatoriska tecken. Mikroskopiskt ser man istället en oorganiserad vävnadsinväxt av celler, kärl och nerver. I enlighet med detta har man börjat intressera sig för hur man kan nedreglera denna överdrivna kärlinväxt exempelvis med skleroserande injektioner. Dock har det visat sig att kärlinväxten i sig inte orsakar smärta utan att smärtan är relaterad till nervinväxt och signalsubstanser. Idag saknas emellertid kunskap om hur fysisk aktivitet och lokalt riktad biologisk behandling kan påverka nervsystemet för att lindra smärta och stimulera muskel-senläkning. Orsaker till dålig läkning Immobilisering och överbelastning liksom rökning, ateroskleros och diabetes leder ofta till läkningsstörningar. Vid diabetes har man visat att inte bara kärlskador utan också nervskador med nedsatt förekomst av den sensoriska signalsubstansen substans P (SP), leder till försämrad läkning 1. Immobilisering efter skada ger inte bara ökad risk för blodpropp utan också minskat blodflöde och nedsatt läkningsförmåga 2 3. Därför kan man fastslå att bristande nerv- och kärlförsörjning utgör två essentiella faktorer vid nedsatt läkningsförmåga. Nerv- och kärlförsörjning i sena Följaktligen beslutade vi oss för att undersöka senans nerv- och kärlförsörjning. Kvantitativt och strukturellt kunde vi påvisa ett komplext nätverk av nerver och kärl under normaltillstånd i senans omslutande strukturer, senhinnorna 5. Dock har själva senvävnaden normalt nästan ingen nerv- och kärlförsörjning, vilket kan vara en orsak till sämre läkningsförmåga i sena än i andra vävnader (Figur 1). I senans omgivande vävnader uttrycker nervtrådarna s.k. neuropeptider som är signalsubstanser med en multifunktionell roll vid smärta, inflammation och vävnadsläkning 4. Detta innebär att smärta och nervreglering under normalförhållanden styrs från senans omslutande strukturer. Nerv-kärlinväxt efter skada För att närmare studera vad som 64

2 Figur 2. Mikroskopisk översikt av en läkande Achillessena två veckor efter ruptur infärgad med antikroppar mot en markör för växande nerver, GAP-43. Bilden visar den proximala hälften av hälsenan i ökande förstorning (A-C). Pilarna visar på nervterminaler som ses i själva senan, vilket visar på en omfattande nervinväxt under läkning. pt = paratenon. m = muskel. t = sena. Figur 1. Mikroskopisk översikt av en frisk Achillessena infärgad med antikroppar mot en nervmarkör, PGP. Bilden visar den proximala hälften av hälsenan i ökande förstorning (A-C). Pilarna visar på nervterminaler som ses i senans omgivande vävnader, senhinnorna, medan själva senan nästan är helt utan nerver. pt = paratenon. m = muskel. t = sena. Figur 3. Immunfluorescensbild av en läkande Achillessena två veckor efter ruptur infärgad med antikroppar mot en sensorisk neuropeptid, substans P (SP). Bilden visar att SP, pilar, förekommer i inväxande nerver som ses i själva senan. t = sena. Storleksmarkering = 50 μm. (Figur 3). Flera studier visar att SP reglerar kärlinväxt, cellinväxt, och rekrytering av stamceller 7. Behandling med SP visade sig läka sår 10 dagar tidigare än kontrollbehandling. Dessutom uppvisade ledband behandlade med SP 2 veckor efter skada en draghållfasthet starkare än hos intakta ledband 8. Autonoma neuropeptider framträder i sen läkningsfas Vid analys i läkande sena av autonoma neuropeptider, vasoactive intestinal peptide (VIP ) och neuropeptid Y (NPY), fann vi att dessa uttrycks under remodelleringsfasen, läkningsvecka En ökad förekomst av autonoma neuropeptider sammanföll med en nedreglering av SP-förekomst och successiv nervtillbakabildning (nervretraktion) från den läkande vävnaden till de omgivande strukturerna. Sålunda är det troligt att autonoma neuropeptider hämmar de pro-inflammatoriska effekterna av sensoriska neuropeptider och därigenom påskyndar läkningsförloppet in i nästa fas 5. händer efter skada analyserade vi nerver, kärl och signalsubstanser i senan vid flera tidpunkter under 16 veckor efter senruptur. Vi kunde då påvisa att efter skada sker en kraftig nerv-kärlinväxt in i läkningsområdet med en tids- och rumsmässigt orkestrerad frisättning av neuropeptider inne i den läkande senan, som normalt är utan nerver 6 (Figur 2). Nerv-kärlinväxt i läkningsområdet kan således sägas vara en förutsättning för tillförsel av signalsubstanser, essentiella för vävnadsläkning 6. Nerv-kärlinväxt i sena ser vi som del av det tidiga normala fysiologiska läkningsförloppet. Sensoriska neuropeptider förekommer i tidig läkningsfas Under inflammations- och regenerationsfasen, läkningsvecka 1-6, upptäckte vi SP i nervändslut kring nybildade kärl och vävnader, sannolikt avspeglande regenererande funktioner 6 Tendinopati: SP överskott underskott autonoma peptider För att vidare undersöka om nerv- och kärlförsörjning och signalsubstanser är involverade i sensjukdom (tendinopati) analyserade vi senbiopsier från idrottare med besvär. Hos idrottare med hopparsena, patellarsenetendinopati, har vi påvisat att det förekommer en sensorisk nervinväxt i själva senan, vilket inte förekommer i friska senor. Dessa nervtrådar kan signalera smärta vid mekanisk belastning och 65

3 Figur 5. Genuttryck vid 8 och 17 dagar efter hälseneruptur av mrna för SP-receptorn (NK1) i läkande hälsena som blivit immobiliserad (immob) i gips eller fritt mobiliserad (mob). Vid 17 dagar fanns en stor ökning i förekomsten NK1 i den mobiliserade gruppen medan den immobiliserade gruppen hade liknande nivåer som kontrollgruppen. Figur 4. Immunfluorescensbild av en frisk (A) och en sjuk, tendinopatisk, (B) Achillessena infärgad med antikroppar mot en sensorisk neuropeptid, substans P (SP). Bilden visar SP-positiv nervinväxt intill kärlinväxt i den sjuka senan (B). t = sena. v = blood vessel. Storleksmarkering = 50 μm. vid kemisk retning pga lokal ischemi och ansamling av vissa signalsubstanser. Dessa patienter med hopparsenor visade högre förekomst av SP jämfört med kontroller vid semikvantitativ morfologisk undersökning 10 (Figur 4). Våra data indikerar att SP är delaktig i regleringen av kronisk smärta och samtidig överdriven cellinväxt. Vi påvisade även en minskad halt av autonoma neuromediatorer i biopsier hos patienterna 10. Dessa data stöder slutsatsen att tendinopati karaktäriseras av en läkningsprocess som gått i stå och att olika signalsubstanser är involverade. Lokal tillförsel av SP stimulerar senläkning Baserat på studier som visar att SP stimulerar läkning av ledbandsskada, beslöt vi att undersöka om detta också gäller för sena. Vi kunde visa att injektioner av SP efter senskada, applicerad på vår senskademodell på råtta, stimulerar inflammatorisk/ regenerativ läkning. Redan vid 1 vecka efter SP tillförsel sågs ökad vävnadsproduktion: 41% ökad kollagen III förekomst och 94% ökad diameter av organiserat kollagen 11. Intressant att notera är att de SP-behandlade senorna uppvisade en 66 snabbare tillbakabildning av sensoriska nerver från senvävnaden, vilket kan tyda på att SP-behandling skulle kunna fungera också vid kroniskt smärtande svårläkta senor. Läkning utan nervinflöde För att ytterligare leda i bevis att nervsystemet och dess signalsubstanser, ex. SP, är viktiga för läkning har vi försökt selektivt att reducera dessa, vilket nu är möjligt via s.k. kemisk sensorisk denervering med capsaicin (spansk peppar). Våra studier visade att capsaicin-reduerade SP- nivåer var direkt korrelerade med minskad mekanisk hållfasthet i senan, vilket stöds av annan litteratur inom området 5 8. Immobilisering hämmar läkning Våra djurstudier av senskador visar att immobilisering har nedbrytande effekter på vävnadens struktur, biokemiska sammansättning och styrka vid läkning. Redan två veckors immobilisering efter senskada leder till minskad draghållfasthet med 80%, kollagen III mrna med 90% och kollagen III förekomst med 83% Dessa fynd kan delvis förklaras av en samtidig nästan total nedreglering i uttrycket av SP-receptorn (NK-1) (Figur 5) och samtidig nedreglering av tillväxtfaktorer 2 3. Belastning ökar vävnadens mottaglighet för signalsubstanser För att vidare studera betydelsen av fysisk belastning för senläkning undersöktes genuttrycket för SP-receptorn (NK-1) i skadad senvävnad 2 veckor efter gipsimmobilisering jämfört med fri mobilisering. I den grupp som mobiliserades fritt efter hälseneskada ökade förekomsten av SP-receptorn med 3-4 gånger jämfört med oskadad sena, medan gipsimmobilisering visade total nedreglering av NK-1 3 (Figur 5). Det är således sannolikt att fysisk belastning stimulerar läkning genom att öka den cellulära känsligheten för signalsubstansinflöde genom uppreglering av signalsubstansernas receptorer. Detta är en mycket viktig slutsats som visar att man inte bara kan injicera olika signalsubstanser för att få senan att läka utan att det behövs fysisk belastning för att den läkande vävnadens celler skall vara mottagliga. Belastning stimulerar produktionen av tillväxtfaktorer och strukturella proteiner Som ett troligt svar på det ökade signalsubstansinflödet till belastad vävnad ökar produktionen av tillväxtfaktorer och strukturella proteiner. Således 2 veckor efter senskada ledde fri mobilisering till uppreglerat genuttryck av tillväxtfaktorer (BDNF, bfgf) och strukturella proteiner (kollagen typ 1 och 3, versican, decorin, biglycan), medan gipsimmobilisering hämmade denna ökning 2 3. Fysisk aktivitet påskyndar läkning För att verifiera att ökad fysisk belastning och stimulerat genuttryck av tillväxtfaktorer och strukturella proteiner verkligen leder till bättre läkning, undersökte vi senan histologiskt med avseende på bl.a. förekomsten av organiserat kollagen. Det visade sig att mobilisering efter hälseneskada ger en snabbare läkning med mer mogen vävnad, mer organiserade kollagenbuntar och bättre kärlförsörjning än fixering med helbensgips. Vid jämförelse

4 Resultaten visar att fysisk belastning efter hälseneskada ger snabbare läkning än fixering med gips. Här ser vi Kajsa Bergqvist när hon slet av hälsenan vid en höjdhoppstävling Bildbyrån i Hässleholm Diameter (mm) Area fraction (%) ,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 A. NEW ORGANIZED COLLAGEN MOB Weeks after rupture RUN B. CGRP OCCURENCE CGRP W4 O Weeks after rupture RUN Areafraction (%) emellan råttor mobiliserade i springhjul efter hälseneskada jämfört med fri mobilisering i bur fann vi vid 4 veckor efter skada en 40% ökad sendiameter i springhjulsgruppen jämfört med den i bur mobiliserade gruppen 13. Den bur-mobiliserade gruppen uppnådde först vid 14 veckor en motsvarande sendiameter som springhjulsgruppen uppvisade vid 4 veckor (Figur 6). Fysisk aktivitet stimulerar nervretraktion I samma försök som ovan visade vi att den förbättrade senläkningen efter fysisk aktivitet korrelerade med snabbare tillbakabildning av sensoriska nerver i själva senan. Vid 4 veckor efter senskada fann vi 55% färre nerver inne i senan hos de fysiskt aktiva jämfört med de mindre aktiva försöksdjuren 13 (Figur 6). Dessa resultat kan ge oss en förklaring till varför träning kan leda Figur 6. Förekomsten av nybildad kollagen i läkande sena under 0-16 veckor post-ruptur (A). Dessutom uppmäts förekomsten av nybildad kollagen vid 4 veckor i tre grupper försöksdjur som undergått 3 olika grader av fysisk aktivitet efter ruptur; (gipsbehandlad grupp), MOB (fritt mobiliserad grupp), och RUN (springhjuls grupp). Arean av nerver som vuxit in i själva senan (%) positiva för den sensoriska neuropeptiden CGRP (B) i motsvarande upplägg som ovan (A). 67

5 till minskad smärta och reducerad förekomst av sendegeneration (tendinos) genom retraktion av sensoriska nerver. Ny fysikalisk behandling kan stimulera senläkning För att undersöka om fysikalisk terapi kan påskynda läkning vid senskada i de fall där patienten inte själv kan belasta senan, exempelvis under gipsning efter senruptur analyserade vi effekten av en ny fysikalisk behandlingsmetod, intermittent pneumatisk muskelkompression (IPC). IPC applicerad på vår senskademodell, stimulerar inflammatorisk/proliferativ läkning genom cellnybildning, ökad nerv- och kärlinväxt samt 110% ökad halt av SP 14. Preliminära experimentella data visar att blodflödet ökar med 20-25% efter tre veckors IPC-behandling. Daglig behandling med IPC kan också signifikant motverka de nedbrytande effekterna av två veckors immobilisering efter senskada. Mest noterbart är ökningarna av draghållfasthet med 65% och kollagen III med 150% 12. Detta innebär att vi med IPC på patienter får möjlighet att påskynda läkning efter senskada. Sammanfattning Våra studier visar att frisk sena i sina omgivande vävnader, senhinnorna, innehåller ett komplext nätverk av nerver med signalsubstanser, som sannolikt bidrar till att upprätthålla normal vävnadsfunktion. Efter skada sker en nervinväxt i själva senan, och signalsubstanser frisätts tids- och rumsmässigt orkestrerat för att aktivt delta i läkningsprocessen. Avsaknad av signalsubstanser hämmar läkningsprocessen medan extra tillförsel kan påskynda den. Likaså viktigt för läkningsprocessen är fysisk aktivitet. Belastning av den läkande vävnaden ökar dess mottaglighet (ökad nybildning av receptorer) för stimulering med signalsubstanser. Denna stimulering leder i sin tur till inväxt av stamceller och ökad produktion av tillväxtfaktorer och vävnadsproteiner vilket regenererar skadad sena. Sammantaget står vi inför projektet att påbörja en riktad biologisk behandling med signalsubstanser kombinerad med skräddarsydd fysikalisk terapi för att öka mottagligheten för signalsubstanserna. Detta sker i strävan att optimera läkningen vid både akut och kronisk vävnadsskada. Projektet syftar till att omfatta vävnadsläkning vid alla rörelseapparatens mjukdelsskador 68 för påskyndad rehabilitering och full återgång i idrott. Adress: Ortopediska kliniken Karolinska Universitetssjukhuset Stockholm mailadress: paul.ackermann@karolinska.se daniel.bring@karolinska.se Referenser 1. Scott JR, Tamura RN, Muangman P, Isik FF, Xie C, Gibran NS. Topical substance P increases inflammatory cell density in genetically diabetic murine wounds. Wound Repair Regen 2008;16(4): Bring D, Reno C, Renstrom P, Salo P, Hart D, Ackermann P. Prolonged immobilization compromises up-regulation of repair genes after tendon rupture in a rat model. Scand J Med Sci Sports Bring DK, Reno C, Renstrom P, Salo P, Hart DA, Ackermann PW. Joint immobilization reduces the expression of sensory neuropeptide receptors and impairs healing after tendon rupture in a rat model. J Orthop Res 2009;27(2): Martin P. Wound healing--aiming for perfect skin regeneration. Science (New York, N.Y 1997;276(5309): Ackermann PW, Salo PT, Hart DA. Neuronal pathways in tendon healing. Front Biosci 2009;14: Ackermann PW, Ahmed M, Kreicbergs A. Early nerve regeneration after achilles tendon rupture--a prerequisite for healing? A study in the rat. J Orthop Res 2002;20(4): I D R O T T S FORSKNING Organ för Centrum för Idrottsforskning Nummer Årgång 18 Organ för Centrum för Idrottsforskning Nummer Årgång 18 Temanummer: Idrottsforskning vid Malmö Högskola I D R O T T S FOR S K N I NG Forskning & elitidrott i AUSTRALIEN T a n d - skador vid idrott Varför FaR? CIFs FORSKNINGSBIDRAG Hong HS, Lee J, Lee E, Kwon YS, Ahn W, Jiang MH, et al. A new role of substance P as an injury-inducible messenger for mobilization of CD29(+) stromal-like cells. Nat Med 2009;15(4): Grorud KW, Jensen KT, Provenzano PP, Vanderby R, Jr. Adjuvant neuropeptides can improve neuropathic ligament healing in a rat model. J Orthop Res 2007;25(6): Ackermann PW, Li J, Lundeberg T, Kreicbergs A. Neuronal plasticity in relation to nociception and healing of rat achilles tendon. J Orthop Res 2003;21(3): Lian O, Dahl J, Ackermann PW, Frihagen F, Engebretsen L, Bahr R. Pronociceptive and antinociceptive neuromediators in patellar tendinopathy. The American journal of sports medicine 2006;34(11): Carlsson O, Dahl J, Schizas N, Li J, Ackermann PW. Substance P (SP) Injections Improves Tissue Proliferation and Decreases Endogenous SP Expression During Rat Tendon Repair. Scand J Med Sci Sports 2009; In press. 12. Schizas N, Li J, Andersson T, Fahlgren A, Aspenberg P, Ahmed M, et al. Compression therapy promotes proliferative repair during rat Achilles tendon immobilization. J Orthop Res 2010 Jan 7. [Epub ahead of print] 13. Bring DK, Kreicbergs A, Renstrom PA, Ackermann PW. Physical activity modulates nerve plasticity and stimulates repair after Achilles tendon rupture. J Orthop Res 2007;25(2): Dahl J, Li J, Bring DK, Renstrom P, Ackermann PW. Intermittent pneumatic compression enhances neurovascular ingrowth and tissue proliferation during connective tissue healing: a study in the rat. J Orthop Res 2007;25(9): Organ för Centrum för Idrottsforskning Nummer Årgång 19 PRENUMERERA PÅ Svensk idrottsforskning I DROT T S FORSKNINGOrgan för ARTUR FORSBERG hyllad Varför elitidrott? Idrottspedagogikens och idrottshistorians framväxt i Sverige Damhockey: Genus och fysiologi Centrum för Idrottsforskning Nummer Årgång 19 Prenumerationen kostar 200 kr för en helårsprenumeration. Beställ din prenumeration via CIF:s webbplats: I DROT TS FORSKNING CIF hyllar Bengt Saltin 75 år! Vad händer i hjärnan vid mental träning? När ska man byta tränare? Vad vet vi om konditionsträning?