Intervertebral Disc Degeneration: Biomaterials and Tissue Engineering Strategies toward Precision Medicine.
biomaterials
discogenic low back pain
intervertebral discs
precision medicine
tissue engineering
Journal
Advanced healthcare materials
ISSN: 2192-2659
Titre abrégé: Adv Healthc Mater
Pays: Germany
ID NLM: 101581613
Informations de publication
Date de publication:
07 2022
07 2022
Historique:
revised:
01
03
2022
received:
19
11
2021
pubmed:
5
4
2022
medline:
9
7
2022
entrez:
4
4
2022
Statut:
ppublish
Résumé
Intervertebral disc degeneration is a common cause of discogenic low back pain resulting in significant disability. Current conservative or surgical intervention treatments do not reverse the underlying disc degeneration or regenerate the disc. Biomaterial-based tissue engineering strategies exhibit the potential to regenerate the disc due to their capacity to modulate local tissue responses, maintain the disc phenotype, attain biochemical homeostasis, promote anatomical tissue repair, and provide functional mechanical support. Despite preliminary positive results in preclinical models, these approaches have limited success in clinical trials as they fail to address discogenic pain. This review gives insights into the understanding of intervertebral disc pathology, the emerging concept of precision medicine, and the rationale of personalized biomaterial-based tissue engineering tailored to the severity of the disease targeting early, mild, or severe degeneration, thereby enhancing the efficacy of the treatment for disc regeneration and ultimately to alleviate discogenic pain. Further research is required to assess the relationship between disc degeneration and lower back pain for developing future clinically relevant therapeutic interventions targeted towards the subgroup of degenerative disc disease patients.
Identifiants
pubmed: 35373924
doi: 10.1002/adhm.202102530
doi:
Substances chimiques
Biocompatible Materials
0
Types de publication
Journal Article
Review
Research Support, Non-U.S. Gov't
Langues
eng
Sous-ensembles de citation
IM
Pagination
e2102530Informations de copyright
© 2022 The Authors. Advanced Healthcare Materials published by Wiley-VCH GmbH.
Références
T. Vos, S. S. Lim, C. Abbafati, K. M. Abbas, M. Abbasi, M. Abbasifard, M. Abbasi-Kangevari, H. Abbastabar, F. Abd-Allah, A. Abdelalim, M. Abdollahi, I. Abdollahpour, H. Abolhassani, V. Aboyans, E. M. Abrams, L. G. Abreu, M. R. M. Abrigo, L. J. Abu-Raddad, A. I. Abushouk, A. Acebedo, I. N. Ackerman, M. Adabi, A. A. Adamu, O. M. Adebayo, V. Adekanmbi, J. D. Adelson, O. O. Adetokunboh, D. Adham, M. Afshari, A. Afshin, et al., Lancet 2020, 396, 1204.
M. N. Raftery, K. Sarma, A. W. Murphy, L. a. De, D. Harpe, C. Normand, B. E. McGuire, Pain 2011, 152, 1096.
B. Fullen, D. A. Hurley, C. Power, D. Canavan, D. O'Keeffe, Ir. J. Med. Sci. 2006, 175, 68.
J. A. Hall, S. Jowett, M. Lewis, R. Oppong, K. Konstantinou, Pain 2021, 162, 702.
I. Belitskaya-Levy, J. David Clark, M. C. Shih, M. J. Bair, J. Pain Res. 2021, 14, 161.
P. B.-G. Pathophysiology, World J. Orthop. 2013, 4, 42.
L. Baumgartner, K. Wuertz-Kozak, C. L. Le Maitre, F. Wignall, S. M. Richardson, J. Hoyland, C. Ruiz Wills, M. A. González Ballester, M. Neidlin, L. G. Alexopoulos, J. Noailly, Int. J. Mole. Sci. 2021, 22, 703.
F. Lyu, H. Cui, H. Pan, K. MC Cheung, X. Cao, J. C. Iatridis, Z. Zheng, Bone Res. 2021, https://doi.org/10.1038/s41413-020-00125-x
H. Morris, C. F. Gonçalves, M. Dudek, J. Hoyland, Q. J. Meng, Ann. Rheum. Dis. 2021, 80, 828.
A. J. Freemont, Rheumatology 2009, 48, 5.
S. E. Navone, G. Marfia, A. Giannoni, M. Beretta, L. Guarnaccia, R. Gualtierotti, D. Nicoli, P. Rampini, R. Campanella, Histol. Histopathol. 2017, 32, 523.
M. V. Risbud, I. M. Shapiro, Nat. Rev. Rheumatol. 2014, 10, 44.
A. Hiyama, K. Suyama, D. Sakai, M. Tanaka, M. Watanabe, J. Orthop. Res. 2021, https://doi.org/10.1002/jor.25136.
Y. Wang, M. Che, J. Xin, Z. Zheng, J. Li, S. Zhang, Biomed. Pharmacother. 2020, 131.
Y. Tian, W. Yuan, N. Fujita, J. Wang, H. Wang, I. M. Shapiro, M. V. Risbud, Am. J. Pathol. 2013, 182, 2310.
X. Wang, H. Wang, H. Yang, J. Li, Q. Cai, I. M. Shapiro, M. V. Risbud, Am. J. Pathol. 2014, 184, 2560.
J. Li, L. Nie, Y. Zhao, Y. Zhang, X. Wang, S. Wang, Y. Liu, H. Zhao, L. Cheng, J. Transl. Med. 2016, 14, 77.
M. Stefanakis, M. Al-Abbasi, I. Harding, P. Pollintine, P. Dolan, J. Tarlton, M. A. Adams, Spine 2012, 37, 1883.
K. T. Weber, D. O. Alipui, C. P. Sison, O. Bloom, S. Quraishi, M. C. Overby, M. Levine, N. O. Chahine, Arthritis Res. Ther. 2016, 18, 3.
J. M. Lee, J. Y. Song, M. Baek, H.-Y. Jung, H. Kang, I. B. Han, Y. D. Kwon, D. E. Shin, J. Orthop. Res. 2011, 29, 265.
N. E. Foster, J. R. Anema, D. Cherkin, R. Chou, S. P. Cohen, D. P. Gross, P. H. Ferreira, J. M. Fritz, B. W. Koes, W. Peul, J. A. Turner, C. G. Maher, Lancet Low Back Pain Series Working Group, Lancet 2018, 391, 2368.
T. Thompson, S. Dias, D. Poulter, S. Weldon, L. Marsh, C. Rossato, J. I. Shin, J. Firth, N. Veronese, E. Dragioti, B. Stubbs, M. Solmi, C. G. Maher, A. Cipriani, J. P. A. Ioannidis, Syst. Rev. 2020, 9, 130.
T. E. Kim, R. K. Townsend, C. L. Branch, E. A. Romero-Sandoval, W. Hsu, Neurosurgery 2020, 87, 166.
C. B. Oliveira, C. G. Maher, R. Z. Pinto, A. C. Traeger, C. C. Lin, J. Chenot, M. van Tulder, B. W. Koes, Eur. Spine J. 2018, 27, 2791.
R. M. Benyamin, L. Manchikanti, A. T. Parr, S. Diwan, V. Singh, F. J. E. Falco, S. Datta, S. Abdi, J. A Hirsch, Pain Phys. 2012, 15, E363.
S. Carette, S. Marcoux, R. Truchon, C. Grondin, J. Gagnon, Y. Allard, M. Latulippe, N. Engl. J. Med. 1991, 325, 1002.
J. Hayden, M. W. vanTulder, A. Malmivaara, B. W. Koes, Cochrane Database Syst. Rev. 2005, https://doi.org/10.1002/14651858.cd000335.pub2
E. J. Carragee, N. Engl. J. Med. 2005, 352, 1891.
P. P. Raj, Pain Practice 2008, 8, 18.
J. S. Saal, J. A. Saal, Spine 2000, 25, 382.
B. Debono, G. Lonjon, L. A. Galovich, S. Kerever, B. Guiot, S. O. Eicker, O. Hamel, F. Ringel, Spine 2018, 43, 185.
Medtronic. INFUSE™ Bone Graft/Medtronic Interbody Fusion Device. 2022, April. https://global.medtronic.com/xg-en/e/response/infuse-bone-graft.html
I. Radovanovic, J. C. Urquhart, V. Ganapathy, F. Siddiqi, K. R. Gurr, S. I. Bailey, et al., J. Neurosurg. Spine 2017, 26, 448.
P. Fritzell, O. Hagg, P. Wessberg, A. Nordwall, Spine 2001, 26, 2521.
S. A. Mokhtar, P. F. McCombe, O. D. Williamson, M. K. Morgan, G. J. White, W. R. Sears, Spine J. 2010, 10, 306.
A. Khodadadian, S. Darzi, S. Haghi-Daredeh, F. S. Eshaghi, E. Babakhanzadeh, S. H. Mirabutalebi, et al., Int. J. Gen. Med. 2020, 13, 627.
E. A. Ashley, Nat. Rev. Genet. 2016, 17, 507.
M. J. Mitchell, M. M. Billingsley, R. M. Haley, M. E. Wechsler, N. A. Peppas, R. Langer, Nat. Rev. Drug Discovery 2021, 20, 101.
I. L. M. Isa, B. Günay, K. Joyce, A. Pandit, Curr. Mol. Biol. Rep. 2018, 4, 161.
C. W. A. Pfirrmann, A. Metzdorf, M. Zanetti, J. Hodler, N. Boos, Spine 2001, 26, 1873.
J. F. Griffith, Y. X. J. Wang, G. E. Antonio, K. C. Choi, A. Yu, A. T. Ahuja, et al., Spine 2007, 32, E708.
B. B. Zobel, G. Vadalà, R. Del Vescovo, S. Battisti, F. M. Martina, L. Stellato, E. Leoncini, A. Borthakur, V. Denaro, Spine 2012, 37, 1224.
W. Xia, C. Liu, S. Duan, S. Xu, K. Wang, Z. Zhu, et al., PLoS One 2018, 13, e0197470.
J. P. Thompson, R. H. Pearce, M. T. Schechter, M. E. Adams, I. K. Tsang, P. B. Bishop, Spine 1990, 15, 411.
C. L. Le Maitre, C. L. Dahia, M. Giers, S. Illien-Junger, C. Cicione, D. Samartzis, et al., JOR Spine 2021, 4, e1167.
J. P. H. J. Rutges, R. A. Duit, J. A. Kummer, J. E. J. Bekkers, F. C. Oner, R. M. Castelein, W. J. A. Dhert, L. B. Creemers, Osteoarthritis Cartilage 2013, 21, 2039.
P. H. Wu, H. S. Kim, I. Jang, Int. J. Mole. Sci. 2020, 21, 2135.
B. Arnbak, R. K. Jensen, C. Manniche, O. Hendricks, P. Kent, A. G. Jurik, T. Jensen, Arthritis Res. Ther. 2016, 18, 237.
H. E. Gruber, G. L. Hoelscher, J. A. Ingram, E. N. Hanley, Mol. Pain 2012, 8, 63.
K. Joyce, I. L. Mohd Isa, A. Krouwels, L. B. Creemers, A. Devitt, A. Pandit, Eur. Cells Mater. 2021, 40, 401.
V. Tam, P. Chen, A. Yee, N. Solis, T. Klein, M. Kudelko, R. Sharma, W. C. W. Chan, C. M. Overall, L. Haglund, P. C. Sham, K. S. E. Cheah, D. Chan, eLife 2020, 9, e64940.
R. Rodrigues-Pinto, L. Ward, M. Humphreys, L. A. H. Zeef, A. Berry, K. P. Hanley, et al., Sci. Rep. 2018, 8, 1.
J. T. Martin, D. H. Kim, A. H. Milby, C. G. Pfeifer, L. J. Smith, D. M. Elliott, et al., J. Orthop. Res. 2017, 35, 23.
S. de Vries, D. M. Van, B. Meij, M. Tryfonidou, K. Ito, Tissue Eng., Part A 2019, 25, 830.
S. A. H. de Vries, M. van Doeselaar, B. P. Meij, M. A. Tryfonidou, K. Ito, J. Orthop. Res. 2018, 36, 3188.
H. Capella-Monsonís, J. Q. Coentro, V. Graceffa, Z. Wu, D. I. Zeugolis, Nat. Protoc. 2018, 13, 507.
B. Borde, P. Grunert, R. Härtl, L. J. Bonassar, J. Biomed. Mater. Res. Part A 2015, 103, 2571.
C. G. Jeong, A. T. Francisco, Z. Niu, R. L. Mancino, S. L. Craig, L. A. Setton, Acta Biomater. 2014, 10, 3421.
A. D. Theocharis, S. S. Skandalis, C. Gialeli, N. K. Karamanos, Adv. Drug Delivery Rev. 2016, 97, 4.
M. Yuan, K. W. Leong, B. P. Chan, Spine J. 2011, 11, 947.
E. C. Collin, S. Grad, D. I. Zeugolis, C. S. Vinatier, J. R. Clouet, J. J. Guicheux, P. Weiss, M. Alini, A. Pandit, Biomaterials 2011, 32, 2862.
I. Doench, M. E. W. Torres-Ramos, A. Montembault, P. N. de Oliveira, C. Halimi, E. Viguier, L. Heux, S. Siadous, R. M. S. M Thiré, A. Osorio-Madrazo, Polymers 2018, 10, 1202.
O. Guillaume, S. M. Naqvi, K. Lennon, C. T. Buckley, J. Biomater. Appl. 2015, 29, 1230.
R. Tsaryk, J. Silva-Correia, J. M. Oliveira, R. E. Unger, C. Landes, C. Brochhausen, S. Ghanaati, R. L. Reis, C. J. Kirkpatrick, J. Tissue Eng. Regen. Med. 2017, 11, 637.
M. A. Cruz, S. Mcanany, N. Gupta, R. G. Long, P. Nasser, D. Eglin, A. C. Hecht, S. Illien-Junger, J. C. Iatridis, J. Biomech. Eng. 2017, 139, 084501.
M. Sha'ban, S. J. Yoon, Y. K. Ko, H. J. Ha, S. H. Kim, J. W. So, R. Idrus, G. Khang, J. Biomater. Sci. Polym. Ed. 2008, 19, 1219.
C. Zeng, Q. Yang, M. Zhu, L. Du, J. Zhang, X. Ma, B. Xu, L. Wang, Mater. Sci. Eng. C 2014, 37, 232.
M. Peroglio, D. Eglin, L. M. Benneker, M. Alini, S. Grad, Spine J. 2013, 13, 1627.
A. A. Thorpe, V. L. Boyes, C. Sammon, C. L. Le Maitre, Acta Biomater. 2016, 36, 99.
A. T. Francisco, R. J. Mancino, R. D. Bowles, J. M. Brunger, D. M. Tainter, Y. Chen, W. J. Richardson, F. Guilak, L. A. Setton, Biomaterials 2013, 34, 7381.
D. Thomas, T. O'Brien, A. Pandit, Adv. Mater. 2018, 30.
A. M. Juncan, D. G. Moisă, A. Santini, C. Morgovan, L. L. Rus, A. L. Vonica-Ţincu, F. Loghin, Molecules 2021, 26, 4429.
D. Thomas, G. Marsico, I. L. Mohd Isa, A. Thirumaran, X. Chen, B. Lukasz, G. Fontana, B. Rodriguez, M. Marchetti-Deschmann, T. O'brien, A. Pandit, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2020, 117, 19033.
S. Lo, M. B. Fauzi, Pharmaceutics 2021, 13, 316.
G. Fontana, D. Thomas, E. Collin, A. Pandit, Adv. Healthcare Mater. 2014, 3, 2012.
J. E. Speer, M. N. Barcellona, M. Y. Lu, Z. Zha, L. Jing, M. C. Gupta, J. M. Buchowski, M. P. Kelly, L. A. Setton, J. Tissue Eng. 2021, 12, 20417314211021220.
J. Speer, M. Barcellona, L. Jing, B. Liu, M. Lu, M. Kelly, J. Buchowski, L. Zebala, S. Luhmann, M. Gupta, L. Setton, Euro. Cells Mater. 2021, 41, 793.
N. I. Md Fadilah, I. L. Mohd Isa, W. S. Wan Kamarul Zaman, Y. Tabata, M. B. Fauzi, Polymers 2022, 14, 476.
W. Niu, T. C. Lim, A. Alshihri, R. Rajappa, L. Wang, M. Kurisawa, M. Spector, Biomedicines 2021, 9, 203.
K. Sako, D. Sakai, Y. Nakamura, J. Schol, E. Matsushita, T. Warita, N. Horikita, M. Sato, M. Watanabe, Int. J. Mol. Sci. 2021, 22, 4723.
R. Kritschil, Z. Zhang, C. Lei, J. Zhong, Q. Dong, J. Lee, C. A. Conover, G. Sowa, A. N. Vallejo, N. Vo, Jor Spine 2020, 3, e1112.
Z. Bian, J. Sun, Int. J. Clin. Exp. Pathol. 2015, 8, 1093.
M. Likhitpanichkul, Y. Kim, O. M. Torre, E. See, Z. Kazezian, A. Pandit, A. C. Hecht, J. C. Iatridis, Spine J. 2015, 15, 2045.
D. J. Gorth, R. L. Mauck, J. A. Chiaro, B. Mohanraj, N. M. Hebela, G. R. Dodge, D. M. Elliott, L. J. Smith, Arthritis Res. Ther. 2012, 14, R179.
A. R. Tellegen, N. Willems, M. Beukers, G. C. M. Grinwis, S. G. M. Plomp, C. Bos, M. Dijk, M. Leeuw, L. B. Creemers, M. A. Tryfonidou, B. P. Meij, J Tissue Eng. Regen. Med. 2018, 12, 642.
K. Kato, K. Akeda, S. Miyazaki, J. Yamada, C. Muehleman, K. Miyamoto, Y. Asanuma, K. Asanuma, T. Fujiwara, M. Lenz, T. Nakazawa, H. An, K. Masuda, Eur. Cells Mater. 2021, 42, 90.
A. Kamali, R. Ziadlou, G. Lang, J. Pfannkuche, S. Cui, Z. Li, R. G. Richards, M. Alini, S. Grad, Theranostics 2021, 11, 27.
A. B. Bello, Y. Kim, S. Park, M. S. Muttigi, J. Kim, H. Park, S. Lee, npj Regenerative Med. 2021, 6, 50.
A. Larrañaga, I. L. M. Isa, V. Patil, S. Thamboo, M. Lomora, M. A. Fernández-Yague, J. Sarasua, C. G. Palivan, A. Pandit, Acta Biomater. 2018, 67, 21.
J. Bai, Y. Zhang, Q. Fan, J. Xu, H. Shan, X. Gao, Q. Ma, L. Sheng, X. Zheng, W. Cheng, D. Li, M. Zhang, Y. Hao, L. Feng, Q. Chen, X. Zhou, C. Wang, Adv. Healthcare Mater. 2020, 9, 1901186.
R. D. Bowles, L. A. Setton, Biomaterials 2017, 129, 54.
D. Sakai, G. B. J. Andersson, Nat. Rev. Rheumatol. 2015, 11, 243.
F. J. Lyu, K. M. Cheung, Z. Zheng, H. Wang, D. Sakai, V. Y. Leung, Nat. Rev. Rheumatol. 2019, 15, 102.
B. Huang, Y. Zhuang, C.-Q. Li, L.-T. Liu, Y. Zhou, Spine 2011, 36, 2252.
J. E. Frith, D. J. Menzies, A. R. Cameron, P. Ghosh, D. L. Whitehead, S. Gronthos, A. C. W. Zannettino, J. J. Cooper-White, Biomaterials 2014, 35, 1150.
J. E. Frith, A. R. Cameron, D. J. Menzies, P. Ghosh, D. L. Whitehead, S. Gronthos, A. C. W. Zannettino, J. J. Cooper-White, Biomaterials 2013, 34, 9430.
A. Srivastava, I. L. Mohd Isa, P. Rooney, A. Pandit, Biomaterials 2017, 123, 127.
I. L. M. Isa, A. Srivastava, D. Tiernan, P. Owens, P. Rooney, P. Dockery, A. Pandit, Biomacromolecules 2015, 16, 1714.
I. L. Mohd Isa, S. A. Abbah, M. Kilcoyne, D. Sakai, P. Dockery, D. P. Finn, A. Pandit, Sci. Adv. 2018, 4, aaq0597.
Z. Kazezian, Z. Li, M. Alini, S. Grad, A. Pandit, Acta Biomater. 2017, 52, 118.
Q. Liu, L. Jin, B. H. Mahon, M. D. Chordia, F. H. Shen, X. Li, Spine 2013, 38, 1443.
J. P. O'Callaghan, K. Sriram, D. B. Miller, Ann. N. Y. Acad. Sci. 2008, 1139, 318.
W. D. Snider, S. B. McMahon, Neuron 1998, 20, 629.
J. B. Massie, A. L. Schimizzi, B. Huang, C. W. Kim, S. R. Garfin, W. H. Akeson, Spine J. 2005, 5, 494.
M. Inoue, I. L. Mohd Isa, S. Orita, M. Suzuki-Narita, K. Inage, Y. Shiga, M. Norimoto, T. Umimura, T. Sakai, Y. Eguchi, A. Watanabe, Y. Aoki, A. Pandit, S. Ohtori, Spine 2021, 46, E810.
D. E. Miles, E. A. Mitchell, N. Kapur, P. A. Beales, R. K. Wilcox, J. Mater. Chem. B 2016, 4, 3225.
C. Yu-Chun, S. We-Yu, Y. Shu-Hua, G. Amit, F.-H. L. In, Acta Biomater. 2013, 9, 5181.
C. G. Jeong, A. T. Francisco, Z. Niu, R. L. Mancino, S. L. Craig, L. A. Setton, Acta Biomater. 2014, 10, 3421.
D. Alexeev, S. Cui, S. Grad, Z. Li, S. J. Ferguson, J. Spine 2020, 3, e1107.
P. Grunert, B. H. Borde, S. B. Towne, Y. Moriguchi, K. D. Hudson, L. J. Bonassar, R. Härtl, Acta Biomater. 2015, 26, 215.
N. L. Nerurkar, B. M. Baker, S. Sen, E. E. Wible, D. M. Elliott, R. L. Mauck, Nat. Mater. 2009, 8, 986.
J. T. Martin, A. H. Milby, J. A. Chiaro, D. Hw. Kim, N. M. Hebela, L. J. Smith, D. M. Elliott, R. L. Mauck, Acta Biomater. 2014, 10, 2473.
J. B. Costa, J. Silva-Correia, V. P. Ribeiro, A. da Silva Morais, J. M. Oliveira, R. L. Reis, Mater. Today Commun. 2019, 19, 506.
A. Sadowska, O. N. Hausmann, K. Wuertz-Kozak, Clin. Transl. Neurosci. 2018, 2, 2514183X18761146.