Spinale Osteosarkopenie – Assoziation zwischen dem intramuskulären Fett der paraspinalen Muskulatur und pathologischen Modifikationen der Kollagenstruktur in humanen Knochenbiopsien

Abstract-Text deutsch

Einleitung:Beeinträchtigte Knochenintegrität und Muskelfunktion werden als Osteosarkopenie bezeichnet. Die Knochenintegrität setzt sich aus der Quantität (Knochenmineraldichte) und der Qualität (Mikroarchitektur und Kollagenmatrix) zusammen. Die Akkumulation von advanced glycation endproducts (AGEs) durch nicht-enzymatische Kollagenvernetzung versteift die Kollagenfasern und erhöht die Knochenbrüchigkeit. Bislang wurde der Zusammenhang zwischen der lumbalen Muskelqualität und den Kollageneigenschaften des Knochen noch nicht untersucht. Wir stellten die Hypothese auf, dass eine Akkumulation von AGEs, als Marker für verminderte Knochenqualität, mit einer verminderten Muskelqualität (erhöhtes intramuskuläres Fett), assoziiert ist.

Methoden:Prospektiv erhobene Daten von Patienten die sich einer posterioren lumbalen Wirbelsäulenfusion unterzogen haben, wurden analysiert. Die präoperativen MRT-Messungen auf der Ebene L4 umfassten den M. psoas und den kombinierten M. multifidus und Erector spinae (posteriore paraspinale Muskulatur,PPM). Es wurde eine Muskelsegmentierung auf axialen T2-gewichteten Bildern (cross-sectional-area,CSA) mit ITK-SNAP und Anwendung einer automatisierten Pixelintensitätsschwellenmethode (Matlab Version R2019a) zur Unterscheidung von Muskel (functional-cross-sectional-area,fCSA) und intramuskulärem Fett (FAT) durchgeführt. Intraoperative Knochenbiopsien aus der hinteren oberen Darmbeinwirbelsäule wurden entnommen und mit Multiphotonen-Fluoreszenzmikroskopie auf die fluoresecent AGE crosslink density (fAGEs) untersucht. An der Lendenwirbelsäule wurden quantitative Computertomographie-Messungen durchgeführt. Korrelationen zwischen fAGEs (trabekulär und kortikal) und Parametern der paraspinalen Muskelmorphologie (CSA,FAT,fCSA) wurden mit Spearman's ρ analysiert. Multivariable lineare Regressionsmodelle mit Anpassungen für Alter, Geschlecht, BMI, Ethnie und Diabetes Mellitus wurden verwendet, um Zusammenhänge zwischen fAGEs und paraspinaler Muskulatur zu untersuchen.

Ergebnisse:107 prospektiv eingeschlossene Patienten (50,5% weiblich, 60,7 Jahre, BMI 28,9kg/m2) wurden analysiert. 41,1 % und 15,0 % der Patienten wiesen eine Osteopenie bzw. Osteoporose in der Lendenwirbelsäule auf. Die univariate Analyse zeigte einen signifikanten Zusammenhang zwischen kortikalen fAGEs und CSA im m. psoas (ρ=0,220,p=0,039), jedoch nicht in der PPM. In der multivariablen Analyse waren höhere kortikale fAGEs mit erhöhtem FAT (β=1,556;p=0,002) und CSA (β=1,305;p=0,005) im PPM nach Adjustierung für Kofaktoren assoziiert.

Schlussfolgerung:Die Studie zeigte, dass eine Akkumulation der Kollagen-Vernetzungsprodukte fAGEs im kortikalen Knochen mit erhöhtem intramuskulärem Fett in der lumbalen paraspinalen Muskulatur assoziiert ist. Dies könnte auf entscheidende Wechselwirkungen hinweisen, die über die Knochendichte hinaus zum Verständnis der Osteosarkopenie der Wirbelsäule beitragen.

Abstract-Text englisch

Background:Impaired bone integrity and muscle function are described as osteosarcopenia. Bone integrity is composed of bone quantity (bone mineral density) and quality (microarchitecture and collagen). The accumulation of advanced glycation end products (AGEs) by non-enzymatic collagen cross-linking stiffens collagen fibers and increases bone fragility. The relationship between lumbar muscle quality and bone collagen properties has not yet been assessed. We hypothesized that an accumulation of AGEs, a marker of impaired bone quality, is associated with impaired muscle quality (increased intramuscluar fat).

Methods:A cross-sectional analysis using prospectively collected data of patients undergoing posterior lumbar spinal fusion for degenerative conditions was conducted. Preoperative MRI measurements at level L4 included m. psoas and combined m. multifidus and erector spinae (posterior paraspinal musculature, PPM). Manual muscle segmentation on axial T2-weighted images (cross-sectional-area,CSA) using ITK-SNAP and subsequent calculation of an automated pixel intensity treshold method (Matlab version R2019a) to differentiate muscle (functional-cross-sectional-area,fCSA) and intramuscular fat (FAT). Intraoperative bone biopsies from the posterior superior iliac spine were obtained and evaluated with multiphoton fluorescence microscopy for fluoresecent AGE crosslink density (fAGEs). Quantitative computed tomography (QCT) measurements were performed at the lumbar spine. Correlations between fAGEs (trabecular and cortical) and paraspinal muscle morphology parameters (CSA,FAT,fCSA) were assessed with Spearman"s ρ. Multivariable linear regression models with adjustments for age, sex, BMI, race and diabetes mellitus were used to investigate associations between fAGEs and paraspinal musculature.

Results:107 prospectively enrolled patients (50.5% female, age 60.7years, BMI 28.9kg/m2) were analyzed. 41.1% and 15.0% of the patients demonstrated osteopenia and osteoporosis in the lumbar spine respectively. Univariate analysis demonstrated a significant association between cortical fAGEs and CSA in the m. psoas (ρ=0.220,p=0.039), but not in the PPM. Trabecular fAGEs revealed no significant associations to PPM or psoas musculature.In the multivariable analysis higher cortical fAGEs were associated with increased FAT (β=1.556;p=0.002) and CSA (β=1.305;p=0.005) in the PPM after adjusting for covariates.

Conclusion:This study demonstrated that an accumulation of the non-enyzmatic collagen cross-linking products fAGEs in cortical bone is associated with increased intramuscular fat in the lumbar paraspinal musculature. Our findings elucidate the relationship between bone collagen modifications and paraspinal mucle composition. This might reflect crucial interactions contributing to osteosarcopenia in the spine beyond bone mineral density.