Pathophysiological pro-inflammatory and pain-inducing mechanisms in degenerative intervertebral discs

Abstract

The intervertebral disc (IVD) is thought to be the source of specific back pain as it suffers prominent age-related (degenerative) alterations. A precarious nutrition can cause serious cellular and tissue stress altering the phenotype of IVD cells and their embedding extracellular matrix (ECM). These alterations can be mediated partly by oxidative stress which involves post-translational protein modifications at cellular and ECM level in the IVD. Such modifications include the deposition of advanced glycation end-products (AGE) and tyrosine nitration mediated by the highly oxidising agent peroxynitrite. Their presence or accumulation can potentially affect a vast number of cellular processes ranging from pro-inflammatory signaling cascades to a disruption in tissue homeostasis. Nuclear factor κB (NF-κB) is a transcription factor that regulates the expression of hundreds of target genes in response to numerous stimuli. However, aberrant regulation of NF-κB is associated to many inflammatory and degenerative diseases. The aim of this thesis was to elucidate the physiological impact of oxidative stress in terms of AGE and tyrosine nitration in cells from the centre of the IVD, the nucleus pulposus (NP). Both AGE and tyrosine nitration induced nuclear translocation of the large subunit of NF-κB i.e. p65(RelA) in NP cells. The activated targeted genes varied according to the stimuli; AGE induced MMP-13 expression implying a role in matrix remodelling, whereas peroxynitrite as the source of tyrosine nitration induced a pro-inflammatory response involving a prolonged p65(RelA) nuclear shuttling. Taken together, these results suggest a putative implication of both, AGE and peroxynitrite, as the source of tyrosine nitration, in the age-related changes of the IVD. Die Bandscheibe durchläuft mit zunehmendem Alter degenerative Veränderungen, die an der Entstehung von Rückenschmerzen beteiligt zu sein scheinen. Die schlechte Ernährung in der Bandscheibe kann schwerwiegenden Stress in Zellen und Gewebe auslösen, der zu Veränderungen im Phänotyp der Zellen und in der extrazellulären Matrix führen kann. Diese Veränderungen können auf oxidativem Stress basieren und zu posttranslationalen Proteinmodifikationen in Zellen und Matrix führen, z.B. zur Bildung von Advanced Glycation End Products (AGE) oder zur Nitrierung von Tyrosin durch Peroxynitrit. Die Anreicherung dieser Produkte kann u.a. eine proinflammatorische Kaskade aktivieren oder das Gleichgewicht im Gewebeumbau stören. Der nukleare Faktor kB (NF-kB) ist ein Transkriptionsfaktor, der die Expression vieler Gene reguliert und mit einer Vielzahl inflammatorischen und degenerativer Erkrankungen verknüpft ist. Das Ziel dieser Doktorarbeit war es aufzuklären, welche physiologischen Auswirkungen oxidativer Stress (und damit das Vorkommen von AGE und die Nitrierung von Tyrosin) auf die Zellen der inneren Bandscheibenregion (Nukleus Pulposus) hat. Sowohl das Vorkommen von AGE, als auch die Nitrierung von Tyrosin führte in den Zellen des Nukleus Pulposus zur nuklearen Translokation der grossen Untereinheit von Nf-kB (= p65 = RelA). Die aktivierten Zielgene variierten hierbei je nach Stimuli: AGE induzierte die Genexpression von MMP-13 (was auf eine Bedeutung im Matrixumbau hindeutet), während Peroxynitrit eine proinflammatorische Reaktion verursachte, die mit einer anhaltender Verschiebung von p65 in den Zellkern einherging. Dies Ergebnisse zeigen, dass sowohl AGE als auch Peroxynitrit in der altersbedingten Veränderung der Bandscheibe eine Rolle spielen könnte