Joint pain is the defining symptom of osteoarthritis (OA) but its origin and mechanisms remain unclear. Here, we investigated an unprecedented role of osteoclast-initiated subchondral bone remodeling in sensory innervation for OA pain. We show that osteoclasts secrete netrin-1 to induce sensory nerve axonal growth in subchondral bone. Reduction of osteoclast formation by knockout of receptor activator of nuclear factor kappa-B ligand (Rankl) in osteocytes inhibited the growth of sensory nerves into subchondral bone, dorsal root ganglion neuron hyperexcitability, and behavioral measures of pain hypersensitivity in OA mice. Moreover, we demonstrated a possible role for netrin-1 secreted by osteoclasts during aberrant subchondral bone remodeling in inducing sensory innervation and OA pain through its receptor DCC (deleted in colorectal cancer). Importantly, knockout of Netrin1 in tartrate-resistant acid phosphatase-positive (TRAP-positive) osteoclasts or knockdown of Dcc reduces OA pain behavior. In particular, inhibition of osteoclast activity by alendronate modifies aberrant subchondral bone remodeling and reduces innervation and pain behavior at the early stage of OA. These results suggest that intervention of the axonal guidance molecules (e.g., netrin-1) derived from aberrant subchondral bone remodeling may have therapeutic potential for OA pain.

Whether sensory nerve can sense bone density or metabolic activity to control bone homeostasis is unknown. Here we found prostaglandin E2 (PGE2) secreted by osteoblastic cells activates PGE2 receptor 4 (EP4) in sensory nerves to regulate bone formation by inhibiting sympathetic activity through the central nervous system. PGE2 secreted by osteoblasts increases when bone density decreases as demonstrated in osteoporotic animal models. Ablation of sensory nerves erodes the skeletal integrity. Specifically, knockout of the EP4 gene in the sensory nerves or cyclooxygenase-2 (COX2) in the osteoblastic cells significantly reduces bone volume in adult mice. Sympathetic tone is increased in sensory denervation models, and propranolol, a β2-adrenergic antagonist, rescues bone loss. Furthermore, injection of SW033291, a small molecule to increase PGE2 level locally, significantly boostes bone formation, whereas the effect is obstructed in EP4 knockout mice. Thus, we show that PGE2 mediates sensory nerve to control bone homeostasis and promote regeneration.

Abstract Background Nucleus pulposus cell (NPC) senescence in intervertebral disc (IVD) tissue is the major pathological cause during intervertebral disc degeneration (IDD). N6-methyladenosine (m6A) methylation and gut microbiota play important roles in the progression of IDD. This study investigated whether methyltransferase-like 3 (METTL3) regulates TLR2 m6A modification and gut microbiota to influence NPC senescence. Methods An IDD rat model was established by lumbar intervertebral disc puncture and NPCs were challenged with IL-1β to mimic IVD injury. IDD rats and IL-1β-exposed NPCs were treated with METTL3-interfering lentivirus and the TLR2 agonist Pam3CSK4. Compositional changes in the rat gut microbiota were analyzed and fecal microbiota transplantation procedures were used. NPC senescence, cell cycle and the expression of senescence-associated secretory phenotype (SASP) factors were assessed. The m6A enrichment of TLR2 and the binding of IGF2BP1 to TLR2 mRNA were examined. Results METTL3 and TLR2 were highly expressed in IDD rats. METTL3 silencing attenuated senescent phenotypes and reduced secretion of SASP factors. Pam3CSK4 reversed the beneficial effects of METTL3 silencing on NPC senescence and IVD injury. METTL3 stabilized TLR2 mRNA in an IGF2BP1-dependent manner. METTL3 silencing restored specific gut microbiota levels in IDD rats, which was further reversed by administration of Pam3CSK4. Fecal microbiota from METTL3 silenced IDD rats altered the pathological phenotypes of IDD rats. Conclusions These results demonstrate the beneficial effects of METTL3 silencing on NPC senescence and amelioration of IVD injury, involving modulation of TLR2 m6A modification and gut microbiota. These findings support METTL3 silencing as a potential therapeutic target for IDD.