Beneficial effects of running exercise on intervertebral disc degeneration and low back pain in mice

Chronic low back pain (LBP) affects over 10% of Canadians and seriously decreases quality of life. The aging intervertebral disc (IVD) is prone to degeneration, frequently contributing to low back pain. Physical activity influences IVD physiology, and animal studies show that cyclic loading increases proteoglycan synthesis in the disc, suggesting a role for running exercise in disc repair. Our laboratory has validated a rodent model of LBP, the aging SPARC-null mouse, which displays axial and radiating pain that parallels LBP in humans and is pharmacologically reversible. We therefore aimed to demonstrate that habitual running exercise will delay disc degeneration and decrease pain behavior in the aging SPARC-null mouse. After two months with free access to running wheels, SPARC-null mice show significantly reduced cold sensitivity in the hindpaw compared to baseline (p<.05) and control group (p<.05), indicating reduced radiating LBP. Axial LBP was unaffected, suggesting the effect was specific to radiating pain. In older animals, cold sensitivity was significantly reduced compared to control group after four months (p<.05), suggesting exercise is still beneficial in animals with more advanced disc degeneration. If running wheels are withdrawn from the home cage, SPARC-null mice continue to show reduced cold sensitivity for two months (p<.01). Only after three months without wheel access do they return to baseline behaviour. X-ray analysis showed that both young and older SPARC-null animals display significant improvement in lumbar disc height after habitual exercise (p<.01). However, exercise had no effect on the severity of disc degeneration in SPARC-null mice by histological analysis using the FAST staining method. Immunohistochemical staining of sensory nerve fibers in the IVD revealed that running exercise reduces the number and total length of CGRP-positive nerve fibers in the outer IVD in older SPARC-null mice (p<.05). The number of CGRP-positive nerve fibers in the outer IVD correlated both with disc height and with cold hypersensitivity in the hindpaw in SPARC-null mice, suggesting that IVD nerve ingrowth may mediate the relationship between disc degeneration and radiating low back pain behaviour in mice. Overall, we see that voluntary running exercise specifically reduces radiating LBP and improves disc height, but does not improve axial LBP or histological signs of disc degeneration. Running exercise may reduce IVD sensory nerve ingrowth, which could help explain the relationship between disc health and low back pain behaviour. Improving our understanding of this relationship will hopefully lead to improved therapies and preventions for the LBP patient.La douleur chronique du bas du dos (lombalgie) affecte plus de 10% des Canadiens et diminue gravement la qualité de vie. Le disque intervertébral (DIV) peut dégénérer avec l'âge, ce qui peut contribuer à la lombalgie. L'activité physique peut influencer la physiologie du DIV, et des études chez l'animal montrent que le chargement cyclique augmente la synthèse des protéoglycans dans le disque, ce qui suggère un rôle pour l'exercice dans la réparation du DIV. Notre laboratoire a validé un modèle expérimental de la lombalgie, la souris SPARC-nulle âgée, qui démontre de la douleur axiale et sciatique qui ressemble la lombalgie chez l'humain et est pharmacologiquement réversible. Nous avons donc cherché à démontrer que l'exercice habituel de la course retardera la dégénérescence du DIV et diminuera le comportement indiquant la lombalgie chez la souris SPARC-nulle âgée. Après deux mois en accès libre à des roues tournantes dans leurs cages domestiques, les souris SPARC-nulles montrent une réduction de leur hypersensibilité au froid sur la patte arrière par rapport à leur seuil de départ (p <.05) et au groupe de contrôle sans roues tournantes (p <.05), indiquant une réduction de douleur sciatique. La douleur axiale n'a pas été affectée, ce qui suggère que l'effet était spécifique à la douleur sciatique. Chez les animaux âgés, la sensibilité au froid a été réduite par rapport au groupe de contrôle après quatre mois (p <.05). Si les roues sont retirées des cages, les souris SPARC-nulles continuent à montrer une sensibilité au froid réduite pendant deux mois (p <.01). C'est seulement après trois mois sans accès aux roues qu'ils reviennent au comportement de base. L'analyse radiographique a montré que les souris SPARC-nulles (jeunes et vieux) avec des roues tournantes démontrent une amélioration significative de la hauteur discale lombaire (p <.01). Toutefois, l'exercice n'a eu aucun effet sur la gravité de la dégénérescence discale par l'analyse histologique. La détection immunohistochimique des fibres nerveuses sensorielles dans le DIV a montré que l'exercice habituel réduit le nombre et la longueur totale des fibres nerveuses marquées au CGRP dans le DIV chez les souris SPARC-nulles âgés (p <.05). Le nombre de nerfs dans la DIV corrèle avec la hauteur du disque et aussi avec l'hypersensibilité au froid dans la patte arrière chez la souris SPARC-nulle, ce qui suggère que la croissance des nerfs dans la DIV peut influer la relation entre la dégénérescence discale et la lombalgie chez la souris. En conclusion, nous voyons que l'exercice de course volontaire améliore la douleur sciatique et la hauteur de la DIV, mais n'améliore pas la douleur axiale ou les signes histologiques de dégénérescence de la DIV. L'exercice de course volontaire réduit possiblement la croissance des nerfs dans le DIV, ce qui pourrait aider à expliquer la relation entre la santé du disque et le comportement douloureux chez la souris. Une meilleure compréhension de cette relation devrait mener à l'amélioration des traitements et de la prévention pour le patient lombalgique