Rückenschmerzen gelten als «Volksleiden» und sorgen hierzulande für einen Grossteil der Arbeitsausfälle und bis zu 9 Mia. Franken Gesundheitskosten pro Jahr. Fast jede Person hat in ihrem Leben mindestens einmal Rückenschmerzen. In gut 10 Prozent der Fälle liegt die Ursache der Beschwerden in einer klar identifizierbaren Struktur: der Bandscheibe. Als Stossdämpfer zwischen den Wirbelkörpern unterliegt sie einem natürlichen Verschleiss. Heilen lässt sich die Bandscheibe bis heute nicht. Gängige Therapien zielen daher auf den Funktionserhalt. An der HSLU arbeiten zwei Institute daran, die Funktionsweise und Belastungsgrenzen von Bandscheiben besser zu verstehen und damit langfristig wirksamere Therapien zu ermöglichen.
Was Schwerelosigkeit mit Bandscheiben macht
Am Institut für Medizintechnik und Life Science (IMT) in Hergiswil nähert man sich dem Phänomen von einer ungewöhnlichen Seite: mit Daten von Astronautinnen und Astronauten. «Im Weltall laufen degenerative Prozesse deutlich schneller ab», sagt Marcel Egli, Institutsleiter des IMT. «Das ist Altern im Zeitraffer und erlaubt uns, Veränderungen der Bandscheibe schneller zu beobachten.» In der Schwerelosigkeit wird die Wirbelsäule entlastet und Muskeln bauen sich ab. Dass komplette körperliche Schonung Gift ist gegen Rückenschmerzen, ist unter Ärztinnen und Therapeuten schon länger bekannt. «Doch welche Bewegungen in welcher Intensität und Frequenz tatsächlich helfen, ist noch unklar», sagt Egli. «Wir liefern genau diese Daten: Welche Belastungsmuster schädigen die Bandscheibe, welche stabilisieren sie?»
Das Team um Egli macht dies, indem es die bei Astronautinnen und Astronauten erhobenen Belastungsmuster in einem speziellen Bioreaktor simuliert. Hier finden Langzeitexperimente mit lebendem Gewebe statt, und zwar mit Rinderschwänzen, die mit menschlichen Bandscheiben vergleichbar sind. Der Bioreaktor kann nebst Druck, Drehung und Beugung auch Schwerelosigkeit simulieren.
«Welche Belastung schädigt die Bandscheibe, welche stabilisiert sie? Wir liefern nun die Daten dazu.»
Prof. Dr. Marcel Egli, Institutsleiter Medizintechnik & Life Science an der Hochschule Luzern
Vom All zur Pflege am Bett
Allfällige Zellschäden oder Veränderungen im Gewebe macht der industrielle Computertomograf «Luci» – kurz für Lucerne Computed Tomography Imaging – sichtbar. Das Gerät auf dem Campus Horw erzeugt dreidimensionale Bilder mit mikroskopischer Auflösung: bis zu hundertmal präziser als medizinische Geräte in Spitälern. Damit lassen sich kleinste strukturelle Veränderungen in Bandscheiben sichtbar machen, ohne das Gewebe zu verändern.
Die gewonnenen Erkenntnisse sind nicht nur für die Raumfahrt von Interesse, sondern für alle, die im Berufsalltag erheblichen körperlichen Belastungen ausgesetzt sind, wie zum Beispiel Pflegefachkräfte.
Gemeinsam mit der Abteilung Herzchirurgie des Luzerner Kantonsspitals arbeiten Marcel Egli und sein Team an einem Leitfaden, der zeigt, wie sich Rückenbelastungen im Arbeitsalltag reduzieren lassen. «Zudem rückt der Einsatz technischer Hilfsmittel wie Exoskelette näher», sagt Egli. «Diese tragbaren Assistenzsysteme – bisher vor allem in der Industrie erprobt – sollen im Rahmen unserer Studie auf ihre Alltagstauglichkeit im Pflegebereich untersucht werden.»
Dem Schmerz auf der Spur
Während die Medizintechnik den Fokus auf die Bandscheibe selbst legt, geht die Maschinentechnik einer grundsätzlichen Frage nach: Wie ensteht chronischer Rückenschmerz und was hält in aufrecht? «Zwischen einer strukturellen Veränderung im Rücken und der tatsächlichen Wahrnehmung im Gehirn liegen komplexe neuronale Prozesse», sagt Philipp Schütz, Forschungsgruppenleiter im Kompetenzzentrum Thermische Energiespeicher.
Um diese Prozesse sichtbar zu machen, entwickeln Louis Schibli (Titelbild) und er zusammen mit der Universitätsklinik Balgrist und der Psychiatrischen Universitätsklinik Zürich ein Stimulationsgerät, das in einem Magnetresonanztomograph eingesetzt werden kann. Es ermöglicht, gezielte Reize bzw. Vibrationen entlang der Wirbelsäule ohne das Einwirken einer Person auszuüben und parallel dazu die Aktivität im Gehirn zu messen. «So können wir erstmals eine sensorische Landkarte des Rückens im Gehirn erstellen und testen, ob diese bei Patientinnen und Patienten mit chronischen Rückenschmerzen verändert ist», erklärt Schütz. Langfristig könnte dieses Wissen zudem helfen, Behandlungserfolge objektiver zu vergleichen.
«Wir können erstmals systematisch untersuchen, wo der Schmerz im Gehirn verarbeitet wird.»
Prof. Dr. Philipp Schütz, Forschungsgruppenleiter Kompetenzzentrum Thermische Energiespeicher an der Hochschule Luzern
Stammzellen als Hoffnungsträger
Was wäre, wenn sich die Bandscheiben künftig selbst heilen könnten? Als weiterer Mosaikstein zum besseren Verständnis von der Ursache und Behanldung von Rückenschmerzen trägt eine Forschungsgruppe im Bereich der regenerativen Medizin bei. Sie beschäftigt sich mit der Frage, wie sich beschädigte Bandscheiben aktiv zur Heilung anregen lassen. «Unsere Hypothese ist, dass bestimmte mechanische Stimulationsmuster diese Stammzellen aktivieren könnten», sagt Marcel Egli vom IMT. «Wenn wir verstehen, welche Signale sie brauchen, könnte sich die Bandscheibe künftig zumindest teilweise selbst reparieren. Dies würde einen Paradigmenwechsel in der Therapie bedeuten.»
