Nociceptive and inflammatory factors and toll-like receptors: their role in intervertebral disc degeneration and chronic low back pain

Intervertebral disc degeneration is one of the most common causes of chronic low back pain, which is a leading cause of pain and morbidity worldwide. Current therapeutic strategies are limited by poor etiological understanding and by the lack of disease-modifying drugs. During disc degeneration the extracellular matrix is degraded and fragmented, and the disc undergoes biochemical and structural changes that ultimately lead to biomechanical failure. Non-degenerate discs are minimally innervated, but as they degenerate innervation increases. Proteases, proinflammatory cytokines and neurotrophins all increase within the tissue during degeneration. Proteases degrade the extracellular matrix of the disc. Cytokines and neurotrophins function as nociceptive factors, potentially leading to the development of chronic pain. However, the regulation of these components in disc degeneration is poorly understood. Further understanding will identify possible disease-modifying therapeutic targets. This thesis hypothesized degenerating discs produce and secrete proinflammatory and pronociceptive factors that further degeneration and lead to chronic low back pain. This hypothesis was investigated by carrying out four specific aims. 1)Characterized proinflammatory cytokine and neurotrophin release from non-degenerating and degenerating human discs and investigated the effects of the disc secretome on neurons.2)Determined if NGF is regulated by toll-like receptors (TLR).3)Determined if TLR2 activation induces degenerative changes in non-degenerating human discs. 4)Investigated if TLR inhibition acts as a disease-modifying strategy in a mouse model.We found degenerating discs from chronic low back pain patients secrete increased levels of inflammatory and nociceptive factors that promote pain-related neurochemical changes and increased neurite growth in a nerve growth factor (NGF) dependent manner (Manuscript I). Little was known about the regulation of NGF in pathogenic context so we investigated whether TLRs regulate NGF expression. TLRs are activated by endogenous 'alarmins' such as fragmented aggrecan, fibronectin, and extracellular HMGB1. Discs constitutively express TLRs and TLR1, 2, 4, and 6 expression increases with degeneration grade. We found TLR2 activation regulates NGF production via NF-κB (Mauscript II). This, and previous in vitro studies suggest a role for TLRs in disc degeneration and chronic low back pain. Due to their constitutive expression, TLRs could contribute to the early stages of disc degeneration, which is an ideal time for interventions. However, two questions remained. Would TLR activation be sufficient to induce degenerative changes in intervertebral discs? Second, would TLR inhibition slow disc degeneration and reduce chronic low back pain? Injecting TLR2 ligands into intact non-degenerate human discs induces degenerative changes that are characterized by extracellular matrix destruction and protease and cytokine increases (Manuscript III). Furthermore, inhibiting TLR4 in the SPARC-null mouse model of degeneration reduces behavioral signs of chronic back pain and cytokine secretion by degenerating mouse discs, suggesting TLR4 inhibition slows the progression of degeneration (Manuscript IV). The work in this thesis found degenerating intervertebral discs secrete proinflammatory and nociceptive factors that are regulated by disc cells expressing TLRs in vitro, ex vivo and in vivo. These results increase the understanding of how disc derived nociceptive factors are regulated and how degenerating discs act on neurons to cause pain. This increased understanding can help identify new therapeutic strategies. Specifically, we found TLRs regulate many hallmarks of disc degeneration and their inhibition decrease pain in a mouse model. Therefore, TLRs are potential therapeutic targets to slow the progression of intervertebral disc degeneration and manage the associated chronic low back pain.La dégénérescence des disques intervertébraux est une des causes les plus communes de la douleur chronique lombaire. Lorsque le disque se dégénère, la matrice extracellulaire se dégrade et se fragmente. Alors que les disques sains contiennent peu de nerfs sensoriels, les disques en dégénérescence deviennent innervés. Il y a également une augmentation de protéases, de cytokines pro-inflammatoires et de neurotrophines dans le tissu en voie de dégénérescence. Les cytokines et neurotrophines agissent comme facteurs nociceptifs qui peuvent potentiellement apporter le développement de douleur chronique. Toutefois, la régulation de ces composantes lors de la dégénérescence du disque, spécialement durant les premiers stages, reste mal comprise. Une meilleure compréhension de ces mécanismes va aider à identifier des cibles thérapeutiques pouvant modifier la maladie. Cette thèse hypothétise que les disques souffrant de dégénérescence produisent et sécrètent des facteurs pro-inflammatoires et pro-nociceptifs qui contribuent à la dégénérescence et mènent à la douleur chronique du dos. Cette hypothèse fut investiguée par l'entremise de quatre buts spécifiques. 1) Caractérisation de la libération de cytokines et de neurotrophines par des disques humains dégénérés et non-dégénérés et investigation des effets sur des neurones. 2) Déterminer si NGF (nerve growth factor) se fait réguler par les TLRs(Toll-like receptors). 3) Déterminer si l'activation de TLR2 induit des changements dégénératifs dans des disques humains non-dégénérés. 4) Déterminer si l'inhibition des TLR pourrait agir comme stratégie de modification de la maladie. Nous avons découvert que les disques venant de patients souffrant de douleur lombaire chronique sécrètent plus de facteurs pro-inflammatoires et nociceptifs, ce qui promouvoit des changements neurochimiques reliés à la douleur ainsi qu'une croissance des neurites . NGF fut identifié comme étant une protéine clé dans la régulation de ces changements (Manuscrit 1). Pourtant, très peu de connaissances existent sur la régulation de NGF dans un contexte pathogénique. Nous avons ensuite investigué si les TLRs (toll-like receptors) régulent NGF. En utilisant des tests in vitro en culture cellulaire, nous avons trouvé que l'activation de TLR2 régule NGF au travers de NF- κB. (Manuscrit 2) Cette étude, en complémentarité avec plusieurs autres études in vitro suggèrent la présence du rôle des TLRs durant la dégénérescence des disques intervertébraux et de la douleur chronique lombaire.Toutefois, deux questions restent à répondre. Premièrement, est-ce que l'activation des TLRs seraient suffisante pour induire des changements dégénératifs chez les disques intervertébraux? Deuxièmement, est-ce que l'inhibition de TLRs ralentirait la progression de la dégénérescence et réduirait la douleur lombaire chronique? En injectant des agonistes de TLR2 dans des disques humains non-dégénérés, intacts et isolés, nous avons découvert l'induction de changements dégénératifs caractérisés par la destruction de matrice extracellulaire et de l'augmentation de protéases et de cytokines. (Manuscrit III) En plus, l'inhibition de TLR4 chez le modèle murin de dégénérescence SPARC-null réduit les signes comportementaux reliés à la douleur. L'inhibition de TLR4 décroit également la sécrétion de cytokines par les disques dégénérés de souris, suggérant le ralentissement de la dégénérescence. (Manuscrit IV) Ces résultats aident à mieux comprendre comment les facteurs nociceptifs dérivés du disque sont régulés et comment les disques dégénérés agissent sur les neurones résultant en douleur. Plus précisément, nous avons découvert que les TLRs régulent plusieurs caractéristiques de la dégénérescence du disque et leur inhibition diminue la douleur dans un modèle murin. Finalement, les TLRs sont des cibles potentielles pour ralentir la progression de la dégénérescence des disques intervertébraux et contrôler la douleur chronique lombaire qui y est associée