Pathogenesis of Inflammation-driven Intervertebral Disc Herniation: The Role of Syndecan 4

炎症驱动的椎间盘突出症的发病机制:Syndecan 4 的作用

基本信息

  • 批准号:
    9754682
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 46.25万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2019
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2019-04-01 至 2024-01-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

The relationship between the etiology of intervertebral disc degeneration and low back pain has been subjected to considerable scrutiny. Degeneration is thought to be initiated by the abnormal production of a number of pro-inflammatory cytokines, in particular TNF-α and IL-1β. While these studies have shown involvement of cytokines in pathogenesis of disc degeneration and herniation, progress has been slow in delineating new therapeutic targets to block inflammation. This deficit stems from our lack of understanding of molecular mediators that regulate and link cytokine-dependent matrix degradation with immune cell migration into the disc through annular defects. Interestingly, our ongoing work has found an unexpected synergism between heparan sulfate (HS) proteoglycan syndecan4 (SDC4) and these two key inflammatory cytokines. The goal of the proposed investigations is to build on the central role of SDC4 in the pathogenesis of the disc herniation and inflammation. We have formulated two interrelated hypotheses each of which addresses a separate but linked phase of the disease process. The first phase relates to the effect of the inflammatory cytokines on the regulation of aggrecan rich matrix degradation. We will test the hypothesis that SDC4 through HS side chains promotes cytokine-dependent aggrecan rich matrix degradation through ADAMTS and MMP activation. Using gain and loss-of-function studies of SDC4 in NP cells treated with cytokines and RNA-Seq approach we will identify novel SDC4 responsive genes. We will also measure the contribution of MMPs, ADAMTS-1 and ADAM17 produced by NP cells in SDC4 shedding. In addition, we will determine how changes in SDC4 levels relate to aggrecan and collagen turnover in human tissues. The second stage of the disease process is characterized by structural changes in the NP and AF and formation of annular tears and herniations. We propose to test the hypothesis that that in inflammatory milieu of the herniated disc, SDC4 plays an important role in macrophage activation and migration by controlling the activity of select chemokines (CCL5, IL-8 and SDF-1) secreted by the disc cells. This will be achieved using primary macrophages isolated from SDC4-/- mice. Using well characterized painful human disc tissues, we will link changes in chemokines and SDC4 levels to immune cell activation, infiltration and matrix degradation. Finally, to explore the in vivo importance of SDC4 in pathogenesis of TNF--driven disc herniation, we will cross hTNFtg mice with SDC4 -/- animals to generate hTNFtg,SDC4-/- mice. To establish if a deficiency in SDC4 provides protection against cytokine-dependent disc herniation, we will compare molecular, structural and biomechanical properties of the motion segments with that of hTNFtg. To our knowledge, this would be the first attempt to address the contribution of SDC4 to mechanisms linking initiation and propagation of the degenerative cascade and herniation driven by inflammatory cytokines. These studies will provide a foundation for future development of interventional strategies to target SDC4 dependent catabolic and inflammatory phases of degenerative disc disease.
椎间盘退变的病因与腰痛之间的关系一直受到关注 经过仔细研究,退化被认为是由许多异常产生引起的。 虽然这些研究表明促炎细胞因子,特别是 TNF-α 和 IL-1β 也参与其中。 细胞因子在椎间盘退变和突出症发病机制中的作用,在描述新的进展方面进展缓慢 这种缺陷源于我们对分子的缺乏了解。 调节细胞因子依赖性基质降解与免疫细胞迁移至免疫细胞并将其联系起来的介质 通过环形缺陷暗示,我们正在进行的工作发现了意想不到的协同作用。 硫酸乙酰肝素(HS)蛋白聚糖syndecan4(SDC4)和这两种关键的炎症细胞因子的目标。 拟议的研究是基于 SDC4 在椎间盘突出症发病机制中的核心作用 我们提出了两个相互关联的假设,每个假设都解决了一个单独的问题。 疾病过程的相关阶段第一阶段涉及炎症细胞因子对炎症的影响。 我们将测试 SDC4 通过 HS 侧链调节富含聚集蛋白聚糖的基质降解。 通过 ADAMTS 和 MMP 激活促进细胞因子依赖性富含聚集蛋白聚糖的基质降解。 在用细胞因子和 RNA-Seq 方法处理的 NP 细胞中进行 SDC4 功能获得和丧失的研究,我们将 我们还将测量 MMP、ADAMTS-1 和 SDC4 的新贡献。 此外,我们将确定 SDC4 脱落中 NP 细胞产生的 ADAM17 如何变化。 聚集蛋白聚糖和胶原蛋白更新与人体组织有关。疾病过程的第二阶段是。 其特征是 NP 和 AF 的结构变化以及环形撕裂和疝出的形成。 提出检验以下假设:在椎间盘突出的炎症环境中,SDC4 发挥重要作用 通过控制选定趋化因子(CCL5、IL-8 和 SDF-1)由椎间盘细胞分泌,这将使用从 SDC4-/- 小鼠中分离的原代巨噬细胞来实现。 使用特征明确的人类椎间盘疼痛组织,我们将趋化因子和 SDC4 水平的变化与 最后探讨SDC4在体内的重要性。 在 TNF-α 驱动的椎间盘突出症的发病机制中,我们将 hTNFtg 小鼠与 SDC4 -/- 动物杂交以产生 hTNFtg,SDC4-/- 小鼠 确定 SDC4 缺陷是否能提供针对细胞因子依赖性椎间盘的保护作用。 疝气,我们将比较运动节段的分子、结构和生物力学特性 据我们所知,这将是解决 SDC4 对 hTNFtg 的贡献的首次尝试。 连接退行性级联和疝出的启动和传播的机制 这些研究将为介入治疗的未来发展奠定基础。 针对退行性椎间盘疾病的 SDC4 依赖性分解代谢和炎症阶段的策略。

项目成果

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