Unveiling the molecular mechanism of autologous micro graft-based therapy for skin regeneration through a bioinformatic approach

Traumatic injuries and chronic wounds are leading health and economic problems, hindering patient life, requiring long-term hospitalization and contributing to mortality. Eleven million people worldwide require medical attention yearly, the majority belonging to countries lacking proper medical services. A more complete and deep view of the molecular mechanisms involved in the healing process and its failure is required to speed up the discovery of suitable therapies for impaired wound conditions, acute wound repair acceleration and scarring reduction. Improvement of the wound healing (WH) process denotes the goal of the tissue regeneration. Autologous skin micro grafts (AMG)-based therapies have emerged as an advanced and highly effective new treatment for WH repair, although, detailed mechanistic studies explaining their beneficial effect are still missing. Wound repair is composed by an integrated combination of biological and molecular events, which includes cell migration, proliferation and remodelling of extracellular matrix. In this work, we show how soluble AMG fraction is enriched by a myriad of pro-motility growth factors such as epidermal growth factor (EGF), fibroblast like growth factor (bFGF) and transforming growth factor beta (TGF-β). AMG-based treatments increase cell migration and accelerate scratch closure without affecting cell viability or cell proliferation. In accordance, comparative transcriptome analysis of AMG-treated and untreated cells shows enrichment in cell migration pathways. This may be due because AMG-based treatment induces ERK (extracellular signal-regulated kinase) signalling pathway activation and increases significantly metalloproteinase (MMPs) family transcriptional expression and extracellular MMPs enzymatic activity. In addition, MEK/ERK or MMPs activity inhibition significantly reduces either AMG-dependent cell migration and scratch closure in vitro as wound healing in vivo. Our results demonstrate for the first time that growth factors present in the soluble fraction of AMG drive ERK activation in treated cells, which in turn up-regulates matrix metalloproteinase (MMPs) expression and their enzymatic activity, resulting in accelerated cell migration and faster in vivo wound healing. Therefore, our study sheds light on the molecular mechanisms of AMG-based treatments, which will allow increasing its efficacy in tissue regeneration, accelerating the healing of acute wounds and eventually extending its application to chronic WH disorders.

Lesioni traumatiche acute e ferite croniche, come ferite ed ustioni, rappresentano un grave problema pubblico di salute ed economico, ostacolando la qualità della vita dei pazienti, richiedendo lunghi ricoveri e contribuendo alla mortalità. Undici milioni di persone in tutto il mondo necessitano cure mediche ogni anno e la maggior parte appartengono a paesi poco industrializzati che non dispongono di servizi medici adeguati. Una visione più completa e profonda dei meccanismi molecolari coinvolti nel processo di guarigione delle ferite e dei suoi fallimenti è necessaria al fine di sollecitare la scoperta di nuove efficienti terapie, che siano in grado di stimolare la rigenerazione delle ferite, limitando la formazione di cicatrici. Il miglioramento del processo di guarigione delle ferite (chiamato in inglese wound healing - WH) indica l'obiettivo della del campo di ricerca chiamato rigenerazione dei tessuti. Negli ultimi anni, le terapie autologhe di micro-innesti cutanei (AMG) sono emerse come un nuovo ed efficace trattamento per la rigenerazione dei tessuti ed il miglioramento dell’aspetto delle cicatrici, sebbene non siano ancora disponibili dettagliati studi meccanicistici che spieghino il meccanismo molecolare alla base del loro effetto benefico. Il processo di rigenerazione delle ferite è costituito da una combinazione di eventi biologici e molecolari, includenti migrazione cellulare, proliferazione cellulare e il rimodellamento della matrice extracellulare. In questo lavoro, mostriamo in che modo la frazione solubile degli AMG sia arricchita da una miriade di fattori di crescita, incluso il fattore di crescita epidermico (EGF), il fattore di crescita fibroblastico (bFGF) e il fattore di crescita beta trasformante beta (TGF-β), svolgenti ruoli essenziali nella regolazione della migrazione cellulare. I trattamenti basati su AMG stimolano la migrazione cellulare ed accelerano la chiusura delle ferite senza compromettere la vitalità cellulare e non causando cambiamenti a livelli del ciclo cellulare. In accordo, l'analisi comparativa del trascrittoma eseguita su cellule danneggiate sia trattate con AMG che non trattate mostra un arricchimento di processi biologici relativi alla regolazione della migrazione cellulare. Ciò potrebbe essere dovuto al fatto che il trattamento basato su AMG induce l'attivazione della cascata di segnalazione MAPK – RAS, RAF, MEK ed ERK, la quale aumenta significativamente sia l'espressione trascrizionale della famiglia delle metalloproteinasi (MMPs) sia la loro attività enzimatica. Inoltre, l'inibizione dell'attività di entrambe MEK / ERK o MMPs riduce significativamente la migrazione cellulare AMG-dipendente e di conseguenza la chiusura delle ferite sia in vitro che in vivo. I nostri risultati dimostrano per la prima volta che gli AMG contengono importanti fattori di crescita, i quali ne caratterizzano la frazione solubile e partecipano attivamente all’attivazione della cascata di segnalazione di ERK nelle cellule trattate. Tale regolazione positiva induce a sua volta sia l'espressione sia l’attività catalitica delle metalloproteinasi (MMP), risultando in una migrazione cellulare accelerata e di conseguenza portando ad una più veloce guarigione delle ferite in vivo. Pertanto, il nostro studio fa luce sul meccanismo molecolare alla base dei trattamenti basati su AMG, il quale consentirà di comprenderne meglio la funzione ed aumentare la sua efficacia ed applicabilità nella rigenerazione dei tessuti, accelerando la guarigione di ferite acute e, possibilmente, estendendo la sua applicazione a condizione di ferite croniche.