長期全身振動は、二足歩行マウスモデルに椎間板と椎間関節の変性を誘発します

背景：全身振動（WBV）は、近年、さまざまな筋骨格疾患の治療に使用されています。ただし、直立姿勢マウスの腰部セグメントに対するその影響に関する知識は限られています。この研究は、新しい二足歩行マウスモデルの椎間板（IVD）とファセットジョイント（FJ）に対する軸全身振動の効果を調査するために実施されました。方法：6週齢の雄マウスは、コントロール、二足歩行、および二足歩行 +振動群に分けられました。マウスの疎水性を活用して、二足歩行および二足歩行 +振動群のマウスを限られた水容器に入れたため、長い間立っている姿勢を構築しました。立っている姿勢は、1日に合計6時間、週7日間1日2回行われました。全身の振動は、二足歩行の第1段階で1日30分間行われました（45 Hzで、ピーク加速度0.3 g）。対照群のマウスを水のない容器に入れました。実験後の10週間で、椎間板間椎間板と椎間関節をマイクロコンピューター断層撮影（MICRO-CT）、組織学的染色、および免疫組織化学（IHC）によって調べ、リアルタイムポリメラーゼ連鎖反応を使用して遺伝子発現を定量化しました。さらに、有限要素（FE）モデルがマイクロCTに基づいて構築され、10、20、および45 Hzの脊椎モデルに動的な全身振動がロードされました。結果：10週間のモデルビルディングの後、椎間板は、線維環の障害や細胞死の増加など、変性の組織学的マーカーを示しました。MMP13やAdamts 4/5などの異化遺伝子の発現は、双極子群で強化され、全身の振動はこれらの異化遺伝子の発現を促進しました。全身振動負荷を伴う/伴わない10週間の二足歩行後の椎間関節の検査により、変形性関節症に似たファセットの関節軟骨で粗い表面と肥大性の変化が明らかになりました。さらに、免疫組織化学の結果は、肥大マーカー（MMP13およびコラーゲンX）のタンパク質レベルが長期的な姿勢によって増加することを実証し、全身の振動により、二次姿勢によって誘導されるファセット関節の変性変化も加速しました。本研究では、椎間板と椎間関節の同化の変化は観察されなかった。さらに、有限要素解析により、全身振動負荷条件の周波数が大きいほど、椎間板、接触力、および椎間関節の変位に高度なフォンミーゼスストレスが誘発されることが明らかになりました。結論：本研究では、二足歩行マウスモデルの椎間板と椎間関節に対する全身振動の重大な損傷効果が明らかになりました。これらの発見は、人間の腰部セグメントに対する全身振動の影響に関するさらなる研究の必要性を示唆しています。

Background: Whole body vibration (WBV) has been used to treat various musculoskeletal diseases in recent years. However, there is limited knowledge about its effects on the lumbar segments in upright posture mice. This study was performed to investigate the effects of axial Whole body vibration on the intervertebral disc (IVD) and facet joint (FJ) in a novel bipedal mouse model. Methods: Six-week-old male mice were divided into control, bipedal, and bipedal + vibration groups. Taking advantage of the hydrophobia of mice, mice in the bipedal and bipedal + vibration groups were placed in a limited water container and were thus built standing posture for a long time. The standing posture was conducted twice a day for a total of 6 hours per day, 7 days per week. Whole body vibration was conducted during the first stage of bipedal building for 30 min per day (45 Hz with peak acceleration at 0.3 g). The mice of the control group were placed in a water-free container. At the 10th-week after experimentation, intervertebral disc and facet joint were examined by micro-computed tomography (micro-CT), histologic staining, and immunohistochemistry (IHC), and gene expression was quantified using real-time polymerase chain reaction. Further, a finite element (FE) model was built based on the micro-CT, and dynamic Whole body vibration was loaded on the spine model at 10, 20, and 45 Hz. Results: Following 10 weeks of model building, intervertebral disc showed histological markers of degeneration, such as disorders of annulus fibrosus and increased cell death. Catabolism genes' expression, such as Mmp13, and Adamts 4/5, were enhanced in the bipedal groups, and Whole body vibration promoted these catabolism genes' expression. Examination of the facet joint after 10 weeks of bipedal with/without Whole body vibration loading revealed rough surface and hypertrophic changes at the facet joint cartilage resembling osteoarthritis. Moreover, immunohistochemistry results demonstrated that the protein level of hypertrophic markers (Mmp13 and Collagen X) were increased by long-durationstanding posture, and Whole body vibration also accelerated the degenerative changes of facet joint induced by bipedal postures. No changes in the anabolism of intervertebral disc and facet joint were observed in the present study. Furthermore, finite element analysis revealed that a larger frequency of Whole body vibration loading conditions induced higher Von Mises stresses on intervertebral disc, contact force, and displacement on facet joint. Conclusion: The present study revealed significant damage effects of Whole body vibration on intervertebral disc and facet joint in a bipedal mouse model. These findings suggested the need for further studies of the effects of Whole body vibration on lumbar segments of humans.