Understanding fibrin-mediated immunomodulation in wound healing

点击翻译按钮获取中文摘要

PROJECT SUMMARY    The incidence of acute and chronic wounds from surgery, traumatic injury, diabetes, and metabolic syndrome is  on  the  rise,  affecting  over  three  million  people  in  the  US  alone  and  costing  tens  of  billions  of  dollars  a  year.   Successful wound healing progresses through coagulation/inflammation, proliferation, and remodeling phases,  culminating  in  tissue  regeneration  and/or  contraction  and  scarring.  Macrophages  are  essential  mediators  of  progression  through  these  stages,  and  responsive  to  external  therapeutic  modulation.  Yet,  the  soluble  and  mechanical factors mediating macrophage interactions with these materials and other wound effectors remain  largely unknown. I propose to use immunology and bioengineering approaches to improve our tools and work to  fill  this  unmet  clinical  need.  Our  previous  work  demonstrated  that  fibrin,  a  major  component  of  the  provisional  extracellular  matrix,  skews  murine  bone  marrow  derived  macrophages  (BMDM)  towards  an  anti-­inflammatory  phenotype in vitro, suppressing the stereotyped cytokine response to potent inflammatory stimuli, including LPS.  Preliminary  data  from  5  mm  full-­thickness  skin  wounds  in  mice  showed  anti-­inflammatory  skew  in  the  wound,  measured by Arginase, iNOS, and YAP expression in macrophages, and diminished myofibroblast marker alpha  smooth muscle actin (aSMA) with fibrin treatment, suggesting a role for macrophage-­myofibroblast interactions  in the wound. Additionally, both soft (1.2 kPa) and stiff (840kPa) gels have been shown to increase macrophage  secretion of inflammatory cytokines seen in the stereotyped foreign body response (e.g. TNFa), with intermediate  stiffness  showing  lower  secretion,  indicating  a  mechanical  sweet  spot  for  immunomodulation.  I  propose  to  engineer fibrin-­PEG hydrogels, mechanically optimized for macrophage immunomodulatory capacity, and apply  them to in vitro cocultures to determine macrophage-­fibroblast-­fibrin interaction dynamics and test the hypothesis  that  fibrin  hydrogels  of  moderate  stiffness  (~140  kPa)  will  best  promote  anti-­inflammatory  macrophage  phenotype, facilitating decreased myofibroblast contractility. I also aim to define the mechanisms by which fibrin  hydrogels  modulate  macrophage  phenotype  to  achieve  wound  healing  and  regeneration  in  vivo,  using  a  full  thickness  skin  wound  model  in  wild  type,  and  selective  immune  cell  depletions  models  (macrophage-­  MAFIA,  clodrosome;; neutrophil-­ anti-­GR1, B-­cell-­anti-­CXCL13). I will use histology, flow cytometry, and RNA-­seq to test  the hypothesis that fibrin-­PEG hydrogels of moderate stiffness (~140 kPa) will accelerate wound resolution and  tissue  regeneration  by  promoting  anti-­inflammatory  macrophage  phenotype.  Understanding  the  mediators  of  fibrin-­enhanced  wound  healing  will  help  us  better  understand  physiologic  wound  repair,  and  will  lay  the  groundwork for rational design of novel therapeutics, and better wound care for patients.