The role of MIF-2 in obesity-induced wound healing disorder

Arnke, Kevin (2023): The role of MIF-2 in obesity-induced wound healing disorder. Dissertation, LMU München: Medizinische Fakultät

Abstract

Wounds that do not undergo sufficient healing or even become chronic wounds represent a major challenge for medicine. Obese individuals are prone to non-healing wounds. In this context, the adipose tissue can become chronically inflamed, causing a pathological alteration at the molecular and cellular level. This results in impaired cell migration, proliferation and differentiation, as well as a reduced angiogenesis. Since the adipose tissue is located in immediate vicinity of cutaneous wounds and is involved in wound healing, the obesity-induced cellular and molecular changes also negatively influence the wound healing process. Although obesity-induced chronic wounds have been studied for a long time and a lot is known, there our understanding of the mechanisms is still limited. One pathologically altered protein family is the macrophage migration inhibitor factor (MIF) family, in human encompassing MIF and MIF-2. While MIF has been well studied, MIF 2 was only recently discovered as a homologue of MIF. Both bind to the same receptor, CD74, while only MIF interacts with CXCR2, and they differ in various systemic conditions e.g. in obesity, in which MIF is increased and MIF 2 is decreased. In inflammation, MIF polarizes macrophages towards a pro-inflammatory M1-like phenotype and MIF-2 towards an anti-inflammatory M2-like subtype. The role of MIF in wound healing is still controversially discussed, but it seems that its function differs in distinct phases and tissue types. MIF-2 was recently reported to exhibit a positive effect on wound healing. Thus, in this thesis, the role of MIF-2 in wound healing was investigated in a murine wound healing model employing Mif-2–/– mice, accompanied by mechanistic in vitro experiments. Both mice groups, the obese wild type as well as the Mif-2–/– mice showed a delayed wound healing when compared to the control lean wild type mice. Their wound sizes became even wider during the first days. Immunohistochemical analysis confirmed the impaired healing process in obese and Mif-2–/– mice. Furthermore, tissue examinations and genetic analysis showed reduced collagen production and granulation tissue formation as well as a diminished myofibroblast differentiation, which was most pronounced in the Mif-2–/– mice. In in vitro experiments, NIH/3T3 cells were differentiated into myofibroblasts when treated with recombinant MIF 2 or a MIF 2 inhibitor. When MIF 2 was inhibited, differentiation potential decreased sharply even at low doses. At higher concentrations of recombinant MIF 2, cell differentiation was also partially reduced. My experiments revealed that MIF-2 is crucial for the differentiation from “wound fibroblasts” into myofibroblasts, which are primarily responsible for collagen production and formation of granulation tissue. In an in vivo wound model characterized by obese and Mif 2–/– mice as well as applying in vitro pathway analyses, the deletion of MIF-2 resulted in an impaired differentiation and wound closure. It appeared that MIF-2 influenced the canonical TGF-β/Smad pathway, the main pathway for myofibroblasts differentiation, via an ERK1/2-MAPK downstream cascade and a so far unknown key protein. However, I also obtained evidence in my thesis that an excess of MIF-2 leads to a partial inhibition of the differentiation, most likely also via ERK1/2, suggestive of a differential dose behavior. In conclusion, the obesity-induced downregulation of MIF 2 seems to be one major reason for a delayed and insufficient wound healing process in obese individuals. Furthermore, my results indicates that this impairment is caused by diminished myofibroblast differentiation resulting in delayed granulation tissue formation.

Abstract

Nicht ausreichend heilende Wunden und chronische Wunden stellen eine große Herausforderung für die Medizin dar. Übergewichtige Personen sind anfälliger für nicht heilende Wunden. Ihr Fettgewebe ist chronisch entzündet, was eine pathologische Veränderung auf molekularer und zellulärer Ebene zur Folge hat. Dies führt zu einer beeinträchtigten Zellmigration, -proliferation und -differenzierung sowie einer verminderten Angiogenese. Da sich das Fettgewebe in unmittelbarer Nähe zu kutanen Wunden befindet und an der Wundheilung beteiligt ist, beeinflussen durch Fettleibigkeit bedingte zelluläre und molekulare Veränderungen auch die Wundheilung negativ. Obwohl Adipositas-induzierte chronische Wunden seit langem untersucht werden und bereits einiges darüber bekannt ist, fehlt noch viel, um den gesamten Mechanismus zu verstehen. Eine pathologisch veränderte Protein Gruppe ist die Makrophagen Migration Inhibition Faktor (MIF) Familie, MIF und MIF-2. Während MIF seit langem gut erforscht ist, wurde MIF-2 erst kürzlich als MIF-Homolog entdeckt. Beide binden an denselben Rezeptor, CD74, unterscheiden sich jedoch in verschiedenen systemischen Zuständen wie bei Fettleibigkeit, MIF ist erhöht und MIF-2 erniedrigt. Bei Entzündungen polarisiert MIF Makrophagen zum pro-inflammatorischen M1 und MIF-2 zum anti-inflammatorischen M2 Phänotypen. Die Rolle von MIF in der Wundheilung wird noch kontrovers diskutiert, aber seine Funktion scheint sich in verschiedenen Phasen und Gewebetypen zu unterscheiden. Kürzlich gab es Hinweise für einen positiven Effekt von MIF-2 auf die Wundheilung. Daher wurde in dieser Arbeit die Rolle von MIF-2 bei der Wundheilung in einem murinen Wundheilungsmodel mit Mif-2–/– Mäusen untersucht und mit in-vitro Experimenten zum Mechanismus untermauert. Sowohl die adipösen Wildtypen als auch die Mif-2–/– Mäuse wiesen eine verzögerte Wundheilung auf im Vergleich zu den normalgewichtigen Kontrollmäusen. Während den ersten Tagen hat sich das Wundareal sogar erweitert. Immunhistologische Analysen bestätigten den verschlechterten Heilungsprozess in der adipösen und in der Mif-2–/– Gruppe. Zusätzlich wiesen Gewebeanalysen und genetische Untersuchungen eine reduzierte Produktion von Kollagen und des Granulationsgewebes auf, sowie eine verminderte Myofibroblastendifferenzierung, welche am stärksten bei den Mif-2–/– Mäusen vorhanden war. NIH/3T3 Zellen wurden in in-vitro Experimenten zu Myofibroblasten differenziert unter der Behandlung von rekombinantem MIF-2 oder einem MIF-2 Inhibitor. Wenn die Zellen mit dem MIF-2 Inhibitor behandelt wurden, sank das Differenzierungspotential bereits bei geringer Konzentration rapide ab. Ebenso hatten hohe Dosen vom rekombinantem MIF-2 eine partielle Reduzierung der Differenzierbarkeit zufolge In meiner Arbeit konnte ich zeigen, dass MIF-2 eine zentrale Rolle für die Differenzierung von “Wund-Fibroblasten” zu Myofibroblasten hat, welche hauptverantwortlich sind für die Kollagenproduktion und für die Bildung des Granulationsgewebes. Sowohl in dem in-vivo Wundheilungsmodel als auch in den in-vitro Mechanismusanalysen führte die Deletion von MIF-2 zu einer beeinträchtigen Differenzierung und Wundschliessung. Es scheint, dass MIF-2 den kanonischen TGF β/Smad-Weg, den Hauptweg für die Differenzierung von Myofibroblasten, über die ERK1/2-MAPK-Downstream-Kaskade beeinflusst und ein bisher unbekanntes Schlüsselprotein ist. Allerdings wurde in der Dissertation auch gezeigt, dass ein Überschuss an MIF-2 auch zu einer teilweisen Hemmung der Differenzierung führt, höchstwahrscheinlich auch über ERK1/2. Zusammengefasst scheint die durch Fettleibigkeit induzierte Herunterregulation von MIF-2 ein Hauptfaktor für die verzögerte und unzureichende Wundheilung zu sein, welche bei Adipositas beobachtet werden kann. Weiterhin geben meine Ergebnisse Hinweise darauf, dass die Beeinträchtigung durch eine verminderte Differenzierung von Myofibroblasten herführt, wodurch die Bildung von Granulationsgewebe verzögert wird.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften ; 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin und Gesundheit
• Fakultäten: Medizinische Fakultät
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 13. April 2023
• 1. Bericht­erstatter:in: Bernhagen, Jürgen