Abstract Low back pain (LBP) causes enormous costs to society. Certain magnetic resonance imaging (MRI) findings, including disc degeneration and disc herniation, have been associated with LBP in epidemiologic studies. Even though LBP should be considered a biopsychosocial condition, there is a need to define the possible existence of specific pathological conditions beyond LBP. One of these possible conditions is Modic change (MC). Modic changes are subchondral and vertebral bone marrow changes revealed by MRI. Although their association with LBP has been previously studied, some results remain contradictory, and we need to explore MC more thoroughly and to determine whether they are a feature of intervertebral disc degeneration or whether they exist in isolation. Moreover, it is unknown whether heritability is a contributing factor to MC. This study explored the heritability and morphology of MC and their association with severe, prolonged and disabling LBP. The data consisted of two general population samples, TwinsUK from the United Kingdom (mainly female), and the Hong Kong Disc Degeneration Cohort (HKDDC) from Hong Kong, China. The TwinsUK sample included a longitudinal ten-year follow-up, whereas the HKDDC sample was cross-sectional. The heritability of MC was found to be 30%. Modic changes were associated with other MRI findings such as disc degeneration, disc displacement and Schmorl’s nodes. A greater size of MC increased these associations. Type 1 MC were more strongly associated with disc displacement and disc degeneration than Modic type 2 change. Modic changes appeared to be independently associated with disabling LBP; severe, prolonged LBP; and back-related disability. Posterior MC and MC in the whole antero-posterior (AP) length of the vertebral body were more strongly associated with severe, prolonged LBP than other MC. A greater number and size of MC increased this association. In terms of disc degeneration, MC were independently associated with loss of disc height and disc signal intensity. Incident MC were independently associated with loss of disc height and disc bulge in a ten-year follow-up. Modic changes are heritable, and are associated with severe and disabling LBP. The location, size and number of MC affect the association of MC with other MRI findings, LBP and back-related disability. / Tiivistelmä Alaselkäkivusta aiheutuu valtavat kustannukset yhteiskunnalle. Tietyt magneettikuvauslöydökset, kuten välilevyrappeuma ja välilevytyrä, on yhdistetty alaselkäkipuun epidemiologisissa tutkimuksissa. Alaselkäkipua arvioidaan yleensä biopsykososiaalisen mallin avulla, koska sen syytekijät tunnetaan huonosti. Lannerangan Modic-muutoksia pidetään yhtenä mahdollisena alaselkäkivun syytekijänä. Modic-muutokset ovat rustonalaisia, nikaman luuytimen muutoksia, jotka näkyvät magneettikuvantamisella. Tulokset Modic-muutosten ja alaselkäkivun yhteydestä ovat kuitenkin ristiriitaisia. Modic-muutosten sijainnin, koon ja muodon vaikutus alaselkäkipuun tunnetaan edelleen puutteellisesti. Lisäksi niiden perinnöllisyys on epäselvä. Tässä tutkimuksessa tarkasteltiin Modic-muutosten perinnöllisyyttä ja tarkempaa morfologiaa, kuten sijaintia ja kokoa lannerangassa, sekä selvitettiin niiden yhteyttä haittaavaan ja voimakkaaseen alaselkäkipuun. Tutkimus perustui kahteen väestöperäiseen aineistoon: TwinsUK-kaksosaineistoon (pääosin naisia) Yhdistyneistä kuningaskunnista ja Hong Kong Disc Degeneration -kohorttiin Hongkongista, Kiinasta. TwinsUK-aineisto sisälsi seurantatietoja 10 vuoden ajalta, ja Hongkongin aineisto oli kerätty yhdestä aikapisteestä. Modic-muutosten perinnöllisen osuuden todettiin olevan 30 %. Modic-muutokset olivat yhteydessä muihin magneettikuvauslöydöksiin kuten välilevyrappeumaan, välilevypullistumaan ja Schmorlin keräsiin. Tyypin 1 Modic-muutokset olivat voimakkaammin yhteydessä välilevypullistumiin ja -rappeumaan kuin tyypin 2 muutokset. Modic-muutokset olivat yhteydessä toimintakykyä alentavaan ja voimakkaaseen, pitkittyneeseen alaselkäkipuun. Koko nikaman läpimitan käsittävät ja nikaman takaosassa sijaitsevat muutokset olivat voimakkaammin yhteydessä alaselkäkipuun. Muutosten suurempi koko ja yhteislukumäärä lannerangassa voimistivat sen yhteyttä alaselkäkipuun. Modic-muutokset olivat yhteydessä välilevyn madaltumiseen ja signaali-intensiteetin laskuun. Kymmenen vuoden seuranta-aikana ilmaantuneet Modic-muutokset olivat yhteydessä välilevyn madaltumiseen ja välilevypullistumaan. Modic-muutokset ovat perinnöllisiä ja ne ovat yhteydessä voimakkaaseen sekä toimintakykyä heikentävään alaselkäkipuun. Muutosten tyypin lisäksi niiden sijainti, koko ja lukumäärä tulee huomioida alaselkäkipua arvioitaessa.

Abstract Low back pain (LBP) is a highly prevalent musculoskeletal condition and the leading cause for workplace absenteeism. Lumbar disc degeneration (DD) is considered as a contributing factor to LBP. The role of genetic factors in the development of lumbar DD has been demonstrated to be significant, with heritability estimates ranging from 64% to 81%. Modic change (MC), a distinct phenotype of lumbar DD, is a subchondral and vertebral bone marrow change revealed only by magnetic resonance imaging (MRI). MC has been associated with LBP in both clinical samples and the general population. The genetic background of MC is largely unknown, and the heritability of MC has not previously been assessed. The aim of this study was to assess the heritability of MC using a twin study, identify predisposing genetic factors for MC in a family-based design using whole-exome sequencing and to identify genetic loci associated with MC using genome-wide association study (GWAS) meta-analysis. An additional aim was to study the prevalence, incidence and morphology of MC. The data consisted of two general population samples, the Northern Finland Birth Cohort 1966 (NFBC1966) and TwinsUK from the United Kingdom, as well as two Finnish families from the Oulu region. MC was found to be partly heritable with a heritability estimate of 30%. Two novel candidate genes, HSPG2 and MAML1, were found co-segregating with MC in two Finnish families. Both genes are important in the growth and differentiation of chondrocytes. Finally, a genetic locus on chromosome 9 was found to be significantly associated with MC using genome-wide meta-analysis of NFBC1966 and TwinsUK. These results showed that genetic factors play a role in the development of MC. In conclusion, this thesis increased the knowledge on the genetics of MC. However, the specific roles of these genes need to be studied further. / Tiivistelmä Alaselkäkivun kansaterveydellinen merkitys on suuri, sillä jopa 84% aikuisista kärsii siitä elämänsä aikana. Selkäkivun vuoksi Suomessa kertyy yli 2 miljoona sairauslomapäivää vuodessa. Välilevyrappeumaa pidetään merkittävänä tekijänä alaselkäkivun synnyssä ja perinnölliset tekijät selittävät välilevyrappeuman synnystä jopa 74%. Modic-muutokset ovat selkärangan välilevyjen päätelevyjen ja subkondraalisen luun muutoksia, jotka voidaan havaita ainoastaan magneettikuvauksella. Niitä pidetään välilevyrappeuman alatyyppinä. Modic-muutosten on osoitettu olevan yhteydessä alaselkäkipuun, mutta etiologia tunnetaan huonosti. Perinnöllisyyden osuutta Modic-muutoksien synnyssä ei ole aiemmin tutkittu ja niiden taustalla vaikuttavat geneettiset tekijät ovat pääasiassa tuntemattomia. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli arvioida perinnöllisyyden osuutta Modic-muutoksissa kaksoisaineistossa, tunnistaa Modic-muutoksille altistavia geneettisiä muutoksia perheaineistossa käyttäen eksomisekvensointia ja tunnistaa genomin alueita, jotka assosioituvat Modic-muutoksiin. Tutkimus perustui kahteen väestöperäiseen aineistoon: Pohjois-Suomen Syntymäkohorttiin 1966 ja TwinsUK-kaksosaineistoon Yhdistyneistä kuningaskunnista sekä kahteen pohjois-suomalaiseen perheeseen. Tutkimuksessa osoitettiin, että Modic-muutokset ovat perinnöllisiä ja, että perinnölliset tekijät selittävät noin 30% niiden ilmenemisestä. Lisäksi tutkimuksessa tunnistettiin kaksi uutta alttiusgeeniä; HSPG2- ja MAML1-geenit. Molemmilla geeneillä on tärkeä rooli rustosolujen kasvamisessa ja erilaistumisessa. Tutkimuksessa myös tunnistettiin kromosomista 9 genomin alue, joka assosioituu Modic-muutoksiin. Väitöskirjassani osoitettiin, että perinnöllisillä tekijöillä on merkitystä Modic-muutosten synnyssä. Kokonaisuudessaan tämä väitöskirja kasvattaa ymmärrystä Modic-muutoksista, mutta lisätutkimusta aiheesta tarvitaan.