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Fragestellung: Die Degeneration von Bandscheiben ist mitverantwortlich für schwere klinische Symptome wie chronische Schmerzen im unteren Rücken, welche zu den häufigsten globalen Gesundheitsproblemen zählen. In vorhergehenden Studien konnten wir zeigen, dass glykobiologische Mechanismen, wie die Interaktion von zellulären Glykanen mit bestimmten glykan-bindenden Proteinen (Galektinen), degenerative Prozesse in Bandscheibenzellen steuern können. Ziel dieses Projekts war es, die Expressionsmuster von Galektin-4 und Galektin-8, zwei Proteinen mit bekannten degenerationsfördernden Funktionen in arthrotischen Knorpelzellen, in der degenerativen humanen Bandscheibe zu untersuchen und den Einfluss dieser Proteine auf isolierte Zellen des Annulus fibrosus (AF) und des Nucleus pulposus (NP) zu analysieren.

Methodik: Bandscheibengewebe von 36 Patient:innen mit Spondylochondrose, Spondylolisthese oder spinalen Deformitäten wurden intraoperativ mit schriftlichem Einverständnis gewonnen. Die immunhistochemische Färbung mit Antikörpern gegen Galektin-4 und -8 wurde mikroskopisch erhoben und mit dem histopathologischen (Rutges score) und radiologischen Grad (Pfirrmann score) der Degeneration, sowie dem Alter, korreliert. Zellen des AF und des NP wurden getrennt unter hypoxischen Bedingungen kultiviert (n=6 Patient:innen) und die Bindungsstellen für Galektine mittels Konfokalmikroskopie untersucht. Die Expression und Sekretion von Interleukin(IL)-1beta und Matrixmetalloproteinase(MMP)-3 wurden nach Behandlung der Kulturen mit rekombinantem Galektin-4 bzw. -8 mittels RT-qPCR und ELISA analysiert. Die Aktivierung des NF-kB-Signalwegs wurde mittels In-Cell-Western bestimmt.

Ergebnisse und Schlussfolgerung: Die Positivität der Bandscheiben für Galektin-4 (Abbildung 1) korrelierte signifikant und altersunabhängig mit deren histopathologischen (p=0.002) und radiologischen (p=0.009) Degenerationsgraden. Galektin-8 zeigte hingegen keine Korrelation. Bindungsstellen für Galektin-4 und -8 wurden an isolierten AF und NP Zellen gefunden. Nach Inkubation mit rekombinanten Galektinen zeigte sich eine generell stärkere Induzierbarkeit von MMP3 und IL1B in NP Zellen als in AF Zellen derselben Patient:innen (Wilcoxon Test). Galektin-4, nicht jedoch Galektin-8, induzierte signifikant höhere mRNA Level an MMP3 in AF und NP Zellen im Vergleich zu unbehandelten Kontrollen (Friedmann Test, p<0.05), was auf Proteinebene bestätigt wurde. IL1B mRNA Level wurden durch Galektin-4 signifikant in AF Zellen erhöht. Galektin-4 aktivierte darüber hinaus die Phosphorylierung des NF-kB-Signalmoleküls p65.

Zusammenfassend geht die humane Bandscheibendegeneration mit einer Überexpression von Galektin-4 im Gewebe einher. Die in-vitro-Behandlung von AF und NP Zellen mit Galektin-4 aktiviert NF-kB und induziert die Expression und Sekretion wichtiger degenerativer Marker, wobei NP Zellen einen größeren Beitrag zum Mechanismus leisten dürften.