Figura: La estructura jerárquica del disco intervertebral (aproximadamente 45 a 55 mm de diámetro en la columna lumbar humana y 2,5 a 5 mm en la columna coccígea de la rata) está compuesta por el anillo fibroso externo reforzado con fibras y el núcleo pulposo gelatinoso interno. Las fibras de colágeno tipo 1 que refuerzan el anillo fibroso tienen un diámetro típico de aproximadamente μ y están formados por muchas fibrillas de colágeno con diámetros del orden de 100 nm. Las fibrillas contienen hélices alfa de colágeno, cada una de las cuales tiene alrededor de 1,6 nm de diámetro. 

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La diabetes tipo 2 altera el comportamiento de los discos de la columna vertebral, haciéndolos más rígidos y también hace que los discos cambien de forma antes de lo normal. Como resultado, la capacidad del disco para soportar la presión se ve comprometida. Este es uno de los hallazgos de un nuevo estudio en roedores realizado por un equipo de ingenieros y médicos de la Universidad de California en San Diego, UC Davis, UCSF y la Universidad de Utah.

El dolor lumbar es una causa importante de discapacidad, a menudo asociado con la degeneración del disco intervertebral. Las personas con diabetes tipo 2 enfrentan un mayor riesgo de sufrir dolor lumbar y problemas relacionados con los discos. Sin embargo, los mecanismos precisos de la degeneración del disco aún no están claros.

Investigar las propiedades biomecánicas del disco intervertebral es crucial para comprender la enfermedad y desarrollar estrategias efectivas para controlar el dolor lumbar. El equipo de investigación fue codirigido por Claire Acevedo, miembro de la facultad del Departamento de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial de la Universidad de California en San Diego, y Aaron Fields, profesor del Departamento de Cirugía Ortopédica de la UC San Francisco.

"Estos hallazgos proporcionan información novedosa sobre los mecanismos potenciales que subyacen al daño del tejido del disco relacionado con la diabetes y pueden informar el desarrollo de estrategias preventivas y terapéuticas para esta condición debilitante", escriben los investigadores.

El estudio enfatiza que los mecanismos de deformación a nanoescala de las fibrillas de colágeno se adaptan a la carga compresiva del disco intervertebral. En el contexto de la diabetes tipo 2, estos mecanismos se ven comprometidos, lo que provoca una fragilización del colágeno. Estos hallazgos proporcionan información novedosa sobre los mecanismos potenciales que subyacen al daño del tejido del disco relacionado con la diabetes y pueden informar el desarrollo de estrategias preventivas y terapéuticas para esta condición debilitante.

Los investigadores emplearon dispersión de rayos X de ángulo pequeño sincrotrón (SAXS), una técnica experimental que analiza la deformación y orientación de las fibrillas de colágeno a nanoescala. Querían explorar cómo las alteraciones en el comportamiento del colágeno contribuyen a los cambios en la capacidad del disco para resistir la compresión.

Compararon discos de ratas sanas con los de ratas con diabetes tipo 2 (modelo de rata de UC Davis). Las ratas sanas demostraron que las fibrillas de colágeno giran y se estiran cuando se comprimen los discos, lo que permite que el disco disipe la energía de manera efectiva.

"En las ratas diabéticas, la forma en que los discos vertebrales disipan la energía bajo compresión se ve significativamente afectada: la diabetes reduce la rotación y el estiramiento de las fibrillas de colágeno, lo que indica una capacidad comprometida para manejar la presión", escriben los investigadores.

Un análisis más detallado mostró que los discos de ratas diabéticas presentaban un endurecimiento de las fibrillas de colágeno, con una mayor concentración de enlaces cruzados no enzimáticos. Este aumento de la reticulación del colágeno, inducido por la hiperglucemia, limitó las deformaciones plásticas por deslizamiento fibrilar. Estos hallazgos resaltan que la reorientación, el enderezamiento, el estiramiento y el deslizamiento de las fibrillas son mecanismos cruciales que facilitan la compresión de todo el disco. La diabetes tipo 2 altera estos eficientes mecanismos de deformación, lo que lleva a una biomecánica alterada de todo el disco y a un comportamiento más frágil (de baja energía).

El equipo publicó sus hallazgos en PNAS Nexus. Esta investigación fue apoyada por el Comité de Asignación de Investigación de UCSF (AJF), ​​el Centro Central de Biología y Medicina Musculoesquelética de UCSF (AJF), ​​la Oficina del Presidente de la Universidad de California (PJH), los Institutos Nacionales de Salud (R01 DK095980, R01 HL107256, R01 HL121324, P30 AR066262, R01 AR070198), la Universidad de Utah (JLR) y la Fuente de Luz Avanzada (ALS07392; TNA, CA).