[Rothman 7th ed] S1 BASIC SCIENCE - 7. Nerve Root Pain in Disc Herniation and Spinal Stenosis

 

Introduction

• Nerve root pain은 주로 lumbar disc herniation 또는 spinal stenosis에 의해 발생하며, 해당 증상은 흔히 radiculopathy, sciatica, 또는 neurogenic claudication으로 표현된다.
• 이는 단순한 기계적 압박 외에도 다양한 생물학적, 생화학적 요인들이 복합적으로 작용한 결과로 이해되고 있다.

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Pathoanatomy of Nerve Root Compression

• Nerve root compression은 다양한 해부학적 경로에서 발생할 수 있으며, 그중 가장 흔한 위치는 intervertebral foramen 또는 lateral recess이다.
• 압박의 주요 원인:
  • Disc herniation: 특히 posterolateral 돌출이 흔함
  • Facet hypertrophy, ligamentum flavum thickening, osteophyte formation, synovial cyst
  • Spondylolisthesis나 segmental instability에 의한 역동적 협착
• Root compression은 대개 **dorsal root ganglion (DRG)**에 가까운 부위에서 발생하며, 이는 통증 유발의 민감도가 높은 구조이다.
• 특히 lateral recess는 해부학적으로 nerve root가 하방으로 진행되는 구간으로, disc–facet complex에 의해 압박받기 쉬운 부위이다.

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Mechanical Effects on Nerve Roots

• 기계적 압박은 단순히 공간을 차지하는 것 이상으로 neural ischemia, axonal transport impairment, inflammatory response 등을 유발할 수 있다.
• 압박 강도와 시간에 따라 다음과 같은 반응이 발생함:
  • Short-term compression: 가역적 전도 저하 및 conduction block
  • Prolonged compression: intrafascicular edema, demyelination, fibrosis, Wallerian degeneration
• Nerve root blood flow는 특히 압박에 민감하여, 10~20 mmHg의 낮은 압력에서도 epineural 및 endoneural circulation 감소가 발생할 수 있다.
• Microvascular compromise는 pain, paresthesia, motor weakness로 이어질 수 있으며, 이때의 증상은 단순한 신경차단보다 훨씬 복합적인 양상을 보인다.

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Biologic and Biochemical Effects on Nerve Roots

Overview

• Nerve root compression으로 인한 증상은 단순한 기계적 압박으로 설명되지 않으며, biochemical mediator, inflammatory response, immune activation이 복합적으로 관여한다.
• 특히 disc herniation의 경우, nucleus pulposus가 경막 외 공간에 노출되면서 강력한 생물학적 반응을 유발할 수 있다.

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Inflammatory Mediators

• Nucleus pulposus는 정상 상태에서는 immune-privileged 조직으로 간주되지만, 돌출되어 epidural space에 노출되면 면역 반응을 유도한다.
• 주요 염증 유발 인자:
  • Tumor necrosis factor–alpha (TNF-α)
  • Interleukin-1 beta (IL-1β)
  • Interleukin-6 (IL-6)
  • Prostaglandin E2 (PGE2)
  • Nitric oxide
• 이러한 인자들은 nerve root 주변 조직에 neuroinflammation을 유발하고, axon conduction을 저해하며, nociceptor sensitization을 증가시킨다.
• **Dorsal root ganglion (DRG)**에 대한 연구에서는 TNF-α의 주입만으로도 통증 반응을 유발할 수 있음이 입증되었다.

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Immune Response and Autoimmunity

• 일부 연구에서는 disc herniation 이후 T-lymphocyte, macrophage, mast cell의 침윤이 관찰되었으며, 이는 자가면역 반응의 가능성을 시사한다.
• Macrophage는 특히 matrix metalloproteinases (MMPs), elastase, cathepsin 등을 분비하여 tissue degradation, angiogenesis, nerve ingrowth를 유도한다.
• 이로 인해 annulus fibrosus와 posterior longitudinal ligament 주변에 neovascularization과 neo-innervation이 동반되며, 이는 만성 통증의 기전과 밀접하다.

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Chemical Radiculitis

• Chemical radiculitis는 disc-derived inflammatory mediator가 nerve root를 직접 자극하거나 손상시키는 현상을 설명하는 개념이다.
• 이는 herniated disc와 mechanical compression이 없어도 통증을 유발할 수 있다는 점에서 중요한 병태 생리학적 모델이다.
• Rabbit model 실험에서는 autologous nucleus pulposus를 척추강에 주입한 경우, 압박 없이도 nerve conduction block, axonal degeneration, behavioral pain response가 유발되었다.

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Clinical Implications

• Disc herniation에 의한 통증은 압박 자체보다 화학적 자극이 더 주요 인자일 수 있으며, 이는 anti-inflammatory therapy, TNF-α inhibitor, steroid injection 등의 치료 기전과 연관된다.
• Chronic nerve root compression에 이차적으로 발생하는 fibrosis, demyelination, Wallerian degeneration은 비가역적인 변화일 수 있으므로 조기 진단 및 개입이 중요하다.

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Cytokines as Mediators of Nerve Dysfunction and Pain

• Disc herniation과 nerve root compression에 의해 유도되는 통증과 신경 손상의 중요한 매개체로 cytokine이 제시된다.
• **Tumor necrosis factor–alpha (TNF-α)**는 그중 가장 핵심적인 인자로, 다음과 같은 작용을 가진다:
  • Neuronal hyperexcitability 증가
  • Ion channel modulation
  • Nociceptor sensitization
• 실험적으로 TNF-α를 dorsal root ganglion (DRG) 주위에 투여하면 allodynia, hyperalgesia, nerve conduction slowing이 발생한다.
• Interleukin-1 beta (IL-1β) 역시 nociceptor gene expression 조절, glial activation, axon damage에 기여한다.
• 이러한 cytokine은 direct neurotoxicity 외에도 glial–neuronal interaction을 통해 central sensitization을 촉진할 수 있다.
• 일부 연구에서는 TNF-α inhibitor (예: infliximab) 투여 시 통증 감소 효과가 입증되었고, 이는 non-surgical pain management의 한 방향성을 제시한다.

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Summary

• Disc herniation이나 spinal stenosis로 인한 nerve root pain은 단순한 기계적 압박만으로 설명되지 않으며, 복합적인 biomechanical, biological, inflammatory, immunologic 기전이 관여한다.
• Mechanical compression은 blood flow, axoplasmic transport, nerve conduction을 변화시키며, edema, ischemia, fibrosis로 이어질 수 있다.
• Nucleus pulposus 노출 시 immune response가 유발되고, proinflammatory cytokines는 nerve root dysfunction, chemical radiculitis, chronic pain의 핵심 병태 요소가 된다.
• TNF-α, IL-1β, PGE2 등의 염증 매개체는 향후 치료 표적이 될 수 있으며, 특히 early intervention이 중요한 예후 결정 요소로 작용한다.
• Spinal surgery를 시행할 경우, 이러한 생물학적 반응을 이해하고 고려하는 것은 수술 후 통증 조절 및 예후 향상에 중요하다.