Abstract Although mesenchymal stem cells ( MSC s) transplantation into the IVD (intervertebral disc) may be beneficial in inhibiting apoptosis of nucleus pulposus cells ( NPC s) and alleviating IVD degeneration, the underlying mechanism of this therapeutic process has not been fully explained. The purpose of this study was to explore the protective effect of MSC ‐derived exosomes ( MSC ‐exosomes) on NPC apoptosis and IVD degeneration and investigate the regulatory effect of mi RNA s in MSC ‐exosomes and associated mechanisms for NPC apoptosis. MSC ‐exosomes were isolated from MSC medium, and its anti‐apoptotic effect was assessed in a cell and rat model. The down‐regulated mi RNA s in apoptotic NPC s were identified, and their contents in MSC ‐exosomes were detected. The target genes of eligible mi RNA s and possible downstream pathway were investigated. Purified MSC ‐exosomes were taken up by NPC s and suppressed NPC apoptosis. The levels of miR‐21 were down‐regulated in apoptotic NPC s while MSC ‐exosomes were enriched in miR‐21. The exosomal miR‐21 could be transferred into NPC s and alleviated TNF ‐α induced NPC apoptosis by targeting phosphatase and tensin homolog ( PTEN ) through phosphatidylinositol 3‐kinase ( PI 3K)‐Akt pathway. Intradiscal injection of MSC ‐exosomes alleviated the NPC apoptosis and IVD degeneration in the rat model. In conclusion, MSC ‐derived exosomes prevent NPC s from apoptotic process and alleviate IVD degeneration, at least partly, via miR‐21 contained in exosomes. Exosomal miR‐21 restrains PTEN and thus activates PI 3K/Akt pathway in apoptotic NPC s. Our work confers a promising therapeutic strategy for IVD degeneration.

Abstract Degenerated endplate appears with cheese-like morphology and sensory innervation, contributing to low back pain and subsequently inducing intervertebral disc degeneration in the aged population. 1 However, the origin and development mechanism of the cheese-like morphology remain unclear. Here in this study, we report lumbar instability induced cartilage endplate remodeling is responsible for this pathological change. Transcriptome sequencing of the endplate chondrocytes under abnormal stress revealed that the Hippo signaling was key for this process. Activation of Hippo signaling or knockout of the key gene Yap1 in the cartilage endplate severed the cheese-like morphological change and disc degeneration after lumbar spine instability (LSI) surgery, while blocking the Hippo signaling reversed this process. Meanwhile, transcriptome sequencing data also showed osteoclast differentiation related gene set expression was up regulated in the endplate chondrocytes under abnormal mechanical stress, which was activated after the Hippo signaling. Among the discovered osteoclast differentiation gene set, CCL3 was found to be largely released from the chondrocytes under abnormal stress, which functioned to recruit and promote osteoclasts formation for cartilage endplate remodeling. Over-expression of Yap1 inhibited CCL3 transcription by blocking its promoter, which then reversed the endplate from remodeling to the cheese-like morphology. Finally, LSI-induced cartilage endplate remodeling was successfully rescued by local injection of an AAV5 wrapped Yap1 over-expression plasmid at the site. These findings suggest that the Hippo signaling induced osteoclast gene set activation in the cartilage endplate is a potential new target for the management of instability induced low back pain and lumbar degeneration.

The design and construction of a new and excellent synthetic graft is of great significance in the field of bone defect repair and reconstruction. In this study, a dopamine modified chitosan hydrogel doped with Cu ions with a mild photothermal effect was designed to provide a better microenvironment to advance the bone repair via promote the angiogenesis and osteogenesis. Characterizations showed the successful synthesis of the material while it also presented excellent biocompatibility and mild photothermal effect under the irradiation of near-infrared light. Further, it could enhance the angiogenesis of HUVECs cells through promoting the ability of migration and tube formation and enhance the osteogenic differentiation of MC3T3-E1 cells via increasing the content of vital osteogenic factors including Runx2, Col-1, OPN, OCN, OSX, etc. The in vivo experiment also testified that it could promote the bone defect repair in rat models. These results indicate the multifunctional hydrogel is an ideal material for the treatment of bone defects and has good clinical application potential.

Intervertebral disc degeneration (IVDD) is a common degenerative disease which is closely related to low back pain (LBP) and brings huge economic and social burdens. In this study, we explored the therapeutic effects of Homoplantaginin (Hom) for IVDD due to its convincing anti-inflammatory and antioxidant functions. TNF-α was used to simulate the inflammatory environment for nucleus pulposus (NP) cells in vitro. We verified that Hom could alleviate the TNF-α-induced inflammation and disturbance of ECM homeostasis through blocking the NF-κB/MAPK signaling pathways. Subsequently, we screened the binding targets of Hom and confirmed that Hom could directly bind to TAK1 and inhibit its phosphorylation to down-regulate the inflammation-related pathways. The therapeutic effects of Hom on IVDD were further validated through a needle puncture rat model in vivo. Overall, Hom was a promising small molecule for IVDD early intervention, possessing huge clinical translational value.

ABSTRACT Intervertebral disc degeneration (IVDD) is a chronic musculoskeletal disorder causing lower back pain, imposing a considerable burden on global health. Hyperglycemia resulting from diabetes mellitus induces advanced glycation end products (AGEs) accumulation in nucleus pulposus cells, leading to IVDD. Mitigating AGEs accumulation is a novel promising strategy for IVDD management. In our study, palladium nanoparticles (Pd NPs) preferentially colocalized within the endoplasmic reticulum and efficiently degraded AGEs via valosin‐containing protein (VCP)‐mediated autophagy pathways. Pd NPs promoted the ATPase activity of VCPs, upregulated microtubule‐associated proteins 1A/1B light chain 3 (LC3) expression, and increased AGEs‐degrading autophagosome production. They ameliorated mitochondrial function, relieved endoplasmic reticulum stress, and counteracted the detrimental oxidative stress microenvironment in a high‐glucose/high‐fat‐induced nucleus pulposus cell degeneration model. Consequently, Pd NPs effectively rescued nucleus pulposus cell degeneration in vitro, restored disc height and partially recovered the degenerated phenotype of IVDD in vivo. We provide novel insights regarding IVDD management by targeting AGEs degradation, showing potential for clinical practice.

Abstract Intervertebral disc degeneration (IVDD), a disease associated with ageing, is characterised by a notable increase in senescent nucleus pulposus cells (NPCs) as IVDD progresses. However, the specific mechanisms that regulate the senescence of NPCs remain unknown. In this study, we observed impaired autophagy in IVDD-NPCs, which contributed to the upregulation of NPCs senescence and the senescence-associated secretory phenotype (SASP). The dysregulated SASP disrupted NPCs viability and initiated extracellular matrix degradation. Conversely, the restoration of autophagy reversed the senescence phenotype by inhibiting GATA binding protein 4 (GATA4). Moreover, we made the novel observation that a cross-talk between histone H3 lysine 4 trimethylation (H3K4me3) modification and N6-methyladenosine(m 6 A)-methylated modification regulates autophagy in IVDD-NPCs. Mechanistically, lysine methyltransferase 2A (KMT2A) promoted the expression of methyltransferase-like 3 (METTL3) through H3K4me3 modification, whereas METTL3-mediated m 6 A modification reduced the expression of autophagy-associated 4a (ATG4a) by attenuating its RNA stability, leading to autophagy damage in NPCs. Silencing KMT2A and METTL3 enhanced autophagic flux and suppressed SASP expression in IVDD-NPCs. Therefore, targeting the H3K4me3-regulated METTL3/ATG4a/GATA4 axis may represent a promising new therapeutic strategy for IVDD.