Contribution of aging and senescence to intervertebral disc degeneration

Abstract

O disco intervertebral é a unidade responsável por absorver o stress mecânico e proporcionar flexibilidade à coluna. Para isso, a composição e organização da matriz extracelular torna.se essencial para preservar o equilíbrio biomecânico deste. Contudo, esta patologia não é devidamente compreendida dada a sua complexidade e falta de modelos experimentais. A degeneração do disco compreende uma vasta apresentação clínica durante o envelhecimento tais como: fibrose, calcificação, hérnia ou apenas degeneração a nível molecular. Para além disto, a relação entre o fundo genético, o envelhecimento e o fenótipo patológico apresentado ainda não foram estabelecidos. Assim, caracterizamos o fenótipo do disco intervertebral de 3 raças de ratinhos com diferentes capacidades regenerativas na cartilagem aos 6 e 23 meses de idade: C57BL/6 (BL6), LG/J e SM/J. Cada espécie de ratinho apresentou uma progressão única de degeneração do disco a nível morfológico e do transcriptoma. Os LG/J mostraram uma grande prevalência de calcificação no disco intervertebral. Por outro lado, os SM/J apresentaram uma degeneração acelerada do compartimento, com desorganização da matriz, morte celular e aumento da deposição de tecido fibrótico em comparação com os BL6. Estes resultados, mostram que a composição genética é um fator essencial no desenvolvimento degeneração do disco e do seu fenótipo durante o envelhecimento. Estudos recentes mostraram também uma associação importante senescência, degeneração do disco e catabolismo de matiz celular, quer em modelos animais quer em humanos. De facto, a eliminação de células positivas para o marcador de senescência, p16Ink4a, diminuiu a patologia associada a diferentes doenças do envelhecimento, incluindo a degeneração do disco intervertebral. Assim, caracterizamos pela primeira vez a evolução da senescência nas células do disco intervertebral de ratinhos jovens e envelhecidos e avaliamos o fenótipo de ratinhos envelhecidos p16Ink4a “condition knockout” (cKO). Adicionalmente, exploramos o potencial terapêutico da combinação de Dasatinib (D) e Quercetina (Q), na diminuição de células senescentes no disco e na prevenção da degeneração do mesmo durante o envelhecimento. Estes resultados sugerem que a regulação da senescência é importante na promoção e manutenção da homeostasia das células do disco, e que pode ser usado com alvo terapêutico para a prevenção e tratamento da degeneração do disco durante o envelhecimento.

The intervertebral disc is a critical structure of the spinal column, responsible for mechanical loads and flexibility. Importantly, disc extracellular matrix (ECM) is complex and highly contributes to the biomechanical properties of the disc. However, it is still not well understood due to its complexity and lack of experimental models. Disc degeneration presents a broad spectrum of clinically degenerative phenotypes during aging, such as fibrosis, calcification, herniation, and mild degeneration. Moreover, the interaction between genetic background and aging, degenerative outcomes has not been established. Hence, we characterized the spinalphenotype of 3 mouse strains with varying cartilage-regenerative potential at 6- and 23-months: C57BL/6 (BL6), LG/J, and SM/J. Interestingly, each strain presented an unique aging phenotype and transcriptome modulation during intervertebral disc aging. LG/J mice showed a high prevalence of dystrophic disc calcification in caudal discs, while SM/J evidenced accelerated degeneration compared to BL6, with cellular disorganization, cell loss together, and fibrosis of the NP. These studies suggested that disc aging and degeneration depends on the genetic background and involves changes in various molecular pathways, which might help to explain the diverse phenotypes seen during disc disease. Additionally, recent studies have shown that senescence may play a role in age-related disc degeneration and matrix catabolism in humans and mouse models. Clearance of p16Ink4a, one of the main markers of cell senescence, positive cells reduce the degenerative phenotype in age-associated diseases, including disc degeneration. Therefore, we first characterized the senescence status of discs in young and old mice and accessed the degeneration status of aged p16Ink4a conditional knockout mice. Additionally, we explored the potential of Dasatinib and Quercetin combination in targeting senescence in disc compartment and preventing progression of the disease with age. These results suggested that senescence plays an essential role in governing disc homeostasis during aging and can be used as a therapeutic target to treat disc disease.