Structural characteristics of lumbar paraspinal muscles in non-specific chronic low back pain: the effect of high intensity training

Abstract

Low back pain is an important global health problem. More than 80% of adult people experience low back pain at some point in their lifetime. The prevalence of low back pain is significantly increased in the last decades and will still rise in the next decades due to changes in lifestyle (e.g. introduction of modern technology) and due to aging of the population. In the majority of the patients, the pain is acute and self-limiting. However, some persons develop chronic low back pain in which the cause mainly remains unknown. This type of low back pain, called nonspecific chronic low back pain (NSCBLP), is often a multidimensional disorder in which biological factors interact with other factors (e.g. psychological factors, social factors) to contribute to its development. The lumbar paraspinal muscles (multifidus (MF) and erector spinae (ES)) play an important role in stabilizing the lumbar spine. Degeneration of these muscles, is associated with NSCLBP (i.e. biological factor). Macroscopically, this muscle degeneration is characterized by a decrease in muscle cross-sectional area (atrophy) and an increase in fat content. On a microscopic level, muscles consist of different types of muscle fibers (slow and fast contracting muscle fibers). Muscle changes at the microscopical level can manifest as reduced muscle fiber size (cross-sectional area) or as a change in fiber type distribution. Muscle degeneration usually results in muscle dysfunction which may (partly) explain the complaints of NSCLBP. For the treatment of NSCLBP, a multimodal approach is suggested, which consist of reassurance, education, exercise therapy and to stimulate the patients to stay active. Exercise training is an important factor in influencing muscle morphology and is therefore important in tackling muscle dysfunction. However, the effects of exercise training in persons with NSCLBP remain rather low. Research suggested that the training intensity might be an important factor in affecting the outcome of treatment and that the intensity used in the current protocols might be too low to induce changes in muscle morphology and therefore unable to improve muscle dysfunction and clinical outcome (e.g. pain, disability). To contribute to the knowledge on the role of paraspinal muscles in NSCLBP and the effect of high intensity training (HIT) on the muscle fiber characteristics (microscopic level) of these muscles, in this thesis three main research aims were formulated: 1) to evaluate the feasibility, accuracy and safety of a fine-needle muscle biopsy technique to obtain muscle samples of the MF and ES; 2) to evaluate muscle fiber characteristics of the MF and ES to determine the role of the different paraspinal muscles; and 3) to evaluate the effect of HIT on muscle fiber type characteristics of the MF and ES. Firstly, a new fine needle muscle biopsy technique needed to be developed to obtain muscle samples from the ES and MF (chapter 1). In a cadaveric study, the optimal vertebral level and the ideal puncture site was determined to obtain samples of the ES and MF through a single skin puncture. In the participants, the muscle biopsy was preceded by an ultrasound to determine the puncture site individually. This biopsy technique was proven to be feasible, accurate and safe. Moreover, this fine needle biopsy technique is useable for muscle research of the lumbar paraspinal musculature in healthy subjects and persons with NSCLBP. Subsequently, the differences in muscle fiber composition and muscle fiber size between the ES and MF were investigated to gain insight into their structural characteristics and to link them to the functional capacity of these muscles (chapter 2). Both muscles have a predominance of slow contracting (type I) muscle fibers, which reveals that both muscles can be considered as postural muscles. The MF is characterized by larger type I muscle fibers, which might suggest that this muscle tends to be a little bit more appropriate to provide lumbar stability compared to the ES. In chapter 3, a cross-sectional study was performed to investigate the muscle fiber characteristics in persons with NSCLBP and compare these with those of healthy subjects. Muscle fiber size and the percentage of muscle fibers were measured. The relative fiber distribution (proportional area occupied by a specific muscle fiber type) is a more accurate predictor of muscle function and needs to be calculated as it considers both muscle fiber size (muscle fiber cross-sectional area) and percentage of muscle fibers (muscle fiber distribution). This comparison reveals that the ES of persons with NSCLBP contained a significant smaller proportional area occupied by fast contracting (type II fibers) compared to healthy subjects. This might be the result from constant paraspinal muscle activity which may occur in persons with NSCLBP when they adopt a static posture because of fear of pain. Lastly, a randomized controlled trial was setup to evaluate the effects of a 12- week combined HIT program (cardiorespiratory, general resistance and core muscle training) on muscle fiber characteristics of the MF and ES in persons with NSCLBP, in comparison to a similar training program executed at moderate intensity (chapter 4). The HIT was shown to result in a significant larger proportional area occupied by fast-contracting (type II) muscle fibers in the MF and hence, could counteract the muscle fiber shift that was observed in NSCLBP. These effects were not present after training at moderate intensity. Finally, the main findings of this thesis, the strengths and limitations of the methodology and future research perspectives were critically discussed in the general discussion. In conclusion, the first chapter described a feasible, accurate and safe fine needle biopsy technique to obtain muscle samples of the ES and MF for muscle research in NSCLBP. The baseline studies (chapter 2 and 3) provided more insights in the muscle fiber characteristics of two different paraspinal muscles in relation to their function and between healthy subjects and persons with NSCLBP. As such, we argue that the MF as well as the ES act as postural muscles that stabilize the spine and that the relative fiber distribution of these muscles is disturbed in NSCLBP. Training at high intensity was shown to counteract the disturbed relative fiber distribution in the MF (chapter 4). As such, the results in this thesis have important clinical implications towards a new approach for physical therapy as part of the treatment for NSCLBP. However, it is currently unknown what the causes are of these changes at the microscopic levels and what this mean for the whole muscle. Additionally, studies should focus on the integration of changes at macroscopic, microscopic and molecular level to clarify the effect of HIT on the paraspinal muscles. Furthermore, longitudinal studies should try to unravel whether alterations in paraspinal muscle morphology render persons more prone to develop low back pain or whether these changes rather occur as a consequence of low back pain.

Lage rugpijn is een veel voorkomend en wereldwijd gezondheidsprobleem. Een groot deel van de bevolking zal minstens een keer last hebben van lage rugpijn. De prevalentie van lage rugpijn is de afgelopen decennia aanzienlijk toegenomen en er wordt verwacht dat deze cijfers nog zullen blijven stijgen door een verandering in levensstijl (gebruik van moderne technologie) en de toenemende vergrijzing. Bij de meeste gevallen is de pijn acuut en zelflimiterend. Toch zullen sommige personen chronische lage rugpijn ontwikkelen waarvan de oorzaak vaak onbekend is. Deze vorm van lage rugpijn wordt niet-specifieke lage rugpijn (NSCLRP) genoemd en is meestal een multidimensionaal probleem waarbij niet enkel biologische factoren een rol spelen, maar er ook een interactie is met andere factoren zoals psychologische en/of sociale factoren die bijdragen aan de ontwikkeling van lage rugpijn. De paraspinale spieren in de lumbale regio (multifidus (MF) en erector spinae (ES)) zorgen voor stabilisatie van de wervelkolom. Degeneratie van deze spieren wordt dan ook vaak geassocieerd met NSCLRP (als biologische factor). Macroscopisch wordt spierdegeneratie gekenmerkt door een smallere dwarsdoorsnede (atrofie) en een toename van het vetgehalte in de spier. De spier bestaat microscopisch uit verschillende types spiervezels (trage en snelle spiervezels). Veranderingen op dit microscopisch niveau kunnen zich voordoen in een smallere spiervezel doorsnede of als een verandering in spiervezelsamenstelling. Spierdegeneratie is vaak gelinkt aan spierdysfunctie, die de klachten van NSCLRP (deels) kan verklaren. De multimodale behandeling van NSCLRP bestaat voornamelijk uit geruststelling, educatie en kinesitherapie. De recente klinische richtlijnen benadrukken het belang van oefentherapie en het stimuleren van de patiënt om actief te blijven. Oefentherapie is een belangrijke factor die de spiermorfologie kan beïnvloeden en is daarom van belang bij het behandelen van spierdysfunctie. De effecten van oefentherapie bij personen met NSCLRP blijven echter relatief laag. Onderzoek heeft reeds gesuggereerd dat trainingsintensiteit een belangrijke modaliteit kan zijn ter beïnvloeding van de uitkomsten van de behandeling en dat de intensiteit, gebruikt in de huidige protocollen, mogelijk onvoldoende zou kunnen zijn om veranderingen in spiermorfologie te induceren en daarom ook niet geschikt is om spierdysfunctie en klinische uitkomsten (bv. pijn en bewegingsbeperking) te verbeteren. Om bij te dragen aan de kennis over de rol van de paraspinale spieren in NSCLRP en het effect van hoog intensieve training (HIT) op de spiervezeleigenschappen (microscopisch niveau) van deze spieren, werden in dit proefschrift drie onderzoeksdoelen geformuleerd: 1) het evalueren van de haalbaarheid, nauwkeurigheid en veiligheid van een fijne naald biopsie techniek om spierstalen van de MF en ES te verkrijgen; 2) het evalueren van de spiervezeleigenschappen van de MF en ES om de rol van de verschillende paraspinale spieren te bepalen; en 3) het evalueren van het effect van HIT op de spiervezeleigenschappen van de MF en de ES. Eerst moest er een nieuwe biopsietechniek met een fijne naald worden ontwikkeld om spierstalen van de MF en de ES te kunnen verzamelen (hoofdstuk 1). In een kadaverstudie werd het optimale wervelniveau en de ideale punctieplaats bepaald die nodig is om spierstalen, van zowel de MF als de ES, te verkrijgen door één opening in de huid. De biopsieprocedure zelf werd bij elke geïncludeerde persoon voorafgegaan door een echografie om de punctieplaats individueel te bepalen. We hebben aangetoond dat deze biopsietechniek haalbaar, nauwkeuring en veilig is. Bovendien is deze fijne naaldbiopsietechniek uitermate geschikt om paraspinaal spieronderzoek uit te voeren bij gezonde proefpersonen en bij personen met NSCLRP. Vervolgens werden de verschillen in spiervezelsamenstelling en spiervezelgrootte tussen de ES en MF onderzocht om inzicht te krijgen in hun structurele kenmerken en deze te kunnen koppelen aan de functionele capaciteit van deze spieren (hoofdstuk 2). Beide spieren hebben voornamelijk trage (type I) spiervezels waardoor deze spieren kunnen worden beschouwd als houdingsspieren die de wervelkolom stabiliseren. De MF wordt gekenmerkt door grotere type I spiervezels, wat erop zou kunnen wijzen dat deze spier mogelijk iets meer geschikt zou zijn om lumbale stabiliteit te bieden in vergelijking met de ES. In hoofdstuk 3 werd een cross-sectionele studie uitgevoerd om de spiervezeleigenschappen van personen met NSCLRP te vergelijken met deze van gezonde proefpersonen. De spiervezelgrootte en het percentage van de verschillende typen spiervezels, werd gemeten. De relatieve spiervezelverdeling (proportionele oppervlakte dat wordt ingenomen door een specifieke spiervezel) is een nauwkeurigere predictor voor de spierfunctie aangezien zowel spiervezelgrootte als spiervezelverdeling hieraan bijdragen. Deze uitkomstmaat wordt berekend. De vergelijking tussen gezonde proefpersonen en personen met NSCLRP toont dat de ES bij personen met NSCLRP een kleiner oppervlakte vertoont dat wordt ingenomen door de snellere type IIx vezels. Deze bevindingen kunnen het gevolg zijn van een constante spieractiviteit van de paraspinale spieren bij personen met NSCLRP omdat ze de neiging hebben om een statische houding aan te nemen uit angst voor pijn. Ten slotte werd een gerandomiseerde gecontroleerde klinische studie opgezet om de effecten van een 12 weken durend, gecombineerd HIT-programma (cardiorespiratoire training, algemene weerstandstraining en rompspiertraining), op de spiervezeleigenschappen van de ES en MF te evalueren bij personen met NSCLRP. Deze resultaten worden vergeleken met een vergelijkbaar trainingsprogramma met een matige intensiteit (hoofdstuk 4). De HIT resulteerde in een grotere proportionele oppervlakte die wordt ingenomen door de snelle type II vezels in de MF en was dus in staat om de verschuivingen in relatieve spiervezelverdeling, die voor de start van een revalidatieprogramma werden vastgesteld, teniet te doen. Deze effecten werden niet waargenomen na een training op matige intensiteit. Ten slotte worden de belangrijkste bevindingen van dit proefschrift, de sterktes en de beperkingen van de gebruikte methodologie en toekomstige onderzoeksperspectieven, kritisch besproken in een algemene discussie. In conclusie, toont het eerste hoofdstuk de haalbaarheid, nauwkeurigheid en veiligheid van een fijne naaldbiopsietechniek, om spierstalen van de ES en MF te verkrijgen voor spiercelonderzoek in NSCLRP. De baseline studies (hoofdstuk 2 en 3) geven meer inzicht in de spiervezeleigenschappen van de twee verschillende paraspinale spieren, in relatie tot hun functie, en tussen gezonde proefpersonen en personen met NSCLRP. Zo kunnen we stellen dat zowel de MF als de ES fungeren als houdingsspier om de wervelkolom te stabiliseren en dat de spiervezelverdeling van deze spieren afwijkt bij personen met NSCLRP. Trainen aan hoge intensiteit leek deze veranderingen in spiervezelverdeling teniet te kunnen doen in de MF (hoofdstuk 4). Op deze manier hebben de resultaten in dit proefschrift belangrijke klinische implicaties voor een nieuwe benadering voor oefentherapie als onderdeel van de multimodale behandeling van NSCLRP. Het is echt nog niet geweten wat de oorzaak is van deze microscopische veranderingen en wat deze veranderingen betekenen op spierniveau. Daarom is het belangrijk dat toekomstige studies zich richten op een integratie van veranderingen op macroscopisch, microscopisch en moleculair niveau om het effect van HIT op de paraspinale spieren volledig te ontrafelen. Bovendien zouden longitudinale studies moeten onderzoeken of de veranderingen in de paraspinale musculatuur, personen meer vatbaar maakt om lage rugpijn te ontwikkelen of dat deze veranderingen eerder een gevolg zijn van de lage rugpijn.