ABSTRACT Introduction: Intralesional infiltration of epidermal growth factor (EGF) has emerged as a therapeutic alternative for diabetic foot ulcer (DFU) healing. The objectives of this research were: to determine the molecular profile of patients with DFU and to characterize the systemic effects of EGF intralesional treatment in such patients, taking into account redox balance markers, components of the advanced glycation end-product (AGE) pathway, factors related to the extracellular matrix (ECM) stability and pro-inflammatory markers. Methods: Thirteen patients with DFU were characterized in comparison with diabetic patients without ulcers (compensated and non-compensated) and non-diabetic subjects, attending to redox balance markers, components of the AGE pathway, and elements related to the stability of the ECM. The systemic response of patients with DFU to the intralesional treatment with EGF was evaluated according to the same parameters, in addition to other pro-inflammatory markers. Results: Patients with DFU exhibited the most disheveled biochemical profile, with elevated oxidative stress, low antioxidant reserves, increased glycoxidation products and matrix metalloproteases (MMP), with respect to non-ulcerated diabetic patients and to non-diabetic subjects. The intralesional administration of EGF was associated with a significant recovery of the parameters studied and with the systemic attenuation of several pro-inflammatory markers. Conclusions: These results indicate that intralesional infiltration of EGF translates into systemic antioxidant, anti-inflammatory, anti-degradative and anti-AGE effects, which contribute to restoring homeostasis in the diabetic patient.

RESUMEN Introducción: La infiltración intralesional con factor de crecimiento epidérmico (EGF) ha emergido como alternativa terapéutica para la cicatrización de las úlceras de pie diabético (UPD). Los objetivos de esta investigación fueron: determinar el perfil molecular de los pacientes con UPD y caracterizar los efectos sistémicos del tratamiento intralesional con EGF en tales pacientes atendiendo a marcadores de balance redox, componentes de la vía de los productos avanzados de glicación (AGE), factores relacionados con la estabilidad de la matriz extracelular (MEC) y marcadores pro-inflamatorios. Métodos: Se caracterizaron 13 pacientes con UPD en comparación con diabéticos sin úlceras (compensados y no compensados) e individuos no diabéticos, atendiendo a marcadores de balance redox, componentes de la vía de los AGE y elementos relacionados con la estabilidad de la MEC. La respuesta sistémica de los pacientes con UPD al tratamiento intralesional con EGF se evaluó atendiendo a los mismos parámetros, además de otros marcadores pro-inflamatorios. Resultados: Los pacientes con UPD exhibieron un perfil bioquímico muy alterado, con elevado estrés oxidativo, bajas reservas antioxidantes, aumento de los productos de glicoxidación y de las metaloproteasas de la matriz (MMP), con respecto a los diabéticos sin úlceras y a los no diabéticos. La administración intralesional de EGF estuvo asociada a una recuperación significativa de los parámetros estudiados y a la atenuación sistémica de varios marcadores pro-inflamatorios. Conclusiones: Los resultados indican que la infiltración intralesional con EGF se traduce en efectos sistémicos antioxidantes, anti-inflamatorios, anti-degradativos y anti-AGE, que contribuyen a restaurar la homeostasia del paciente diabético.

Abstract Lower-extremity diabetic ulcers are responsible for 80% of annual worldwide nontraumatic amputations. Epidermal growth factor (EGF) reduction is one of the molecular pillars of diabetic ulcer chronicity, thus EGF administration may be considered a type of replacement therapy. Topical EGF administration to improve and speed wound healing began in 1989 on burn patients as part of an acute-healing therapy. Further clinical studies based on topically administering EGF to different chronic wounds resulted in disappointing outcomes. An analysis of the literature on unsuccessful clinical trials identified a lack of knowledge concerning: (I) molecular and cellular foundations of wound chronicity and (II) the pharmacodynamic requisites governing EGF interaction with its receptor to promote cell response. Yet, EGF intra- and perilesional infiltration were shown to circumvent the pharmacodynamic limitations of topical application. Since the first studies, the following decades of basic and clinical research on EGF therapy for problem wounds have shed light on potential uses of growth factors in regenerative medicine. EGF’s molecular and biochemical effects at both local and systemic levels are diverse: (1) downregulation of genes encoding inflammation mediators and increased expression of genes involved in cell proliferation, angiogenesis and matrix secretion; (2) EGF intervention positively impacts both mesenchymal and epithelial cells, reducing inflammation and stimulating the recruitment of precursor circulating cells that promote the formation of new blood vessels; (3) at the subcellular level, upregulation of the EGF receptor with subsequent intracellular trafficking, including mitochondrial allocation along with restored morphology of multiple organelles; and (4) local EGF infiltration resulting in a systemic, organismal repercussion, thus contributing to attenuation of circulating inflammatory and catabolic reactants, restored reduction-oxidation balance, and decreased toxic glycation products and soluble apoptogenic effectors. It is likely that EGF treatment may rearrange critical epigenetic drivers of diabetic metabolic memory.

Diabetic healing failure is the clinical expression of countless molecular and cellular disorders having hyperglycemia as the proximal trigger. The fibroblast is a critical building-block cell type for the healing process. Under high glucose concentrations fibroblasts physiology is perturbed. The epidermal growth factor receptor (EGFR) signaling system is crucial for different healing events. We examined the effect of high glucose burden on healthy-donor' cutaneous fibroblasts proliferation, so as the EGFR autophosphorylation on a critical tyrosine residue, along with the activation of downstream signaling pathways proximal to cyclin D1 expression. Fibroblasts were cultured in 15 % FBS at either 5 (normal glucose) or 35 (high glucose) mM under standard culture conditions. Concurrent osmotic control was included. After 6 days of incubation under high glucose, doubling time was calculated. Cells suspensions were plated, fixed and immunolabelled with antibodies directed to phosphorylated forms of EGFR (Y1197), AKT1 (S473) and mTOR (S2448), and native forms of PI3K p85 alpha subunit and cyclin D1. The ratio of cells positive to the diaminobenzidine/peroxidase reaction was calculated and its intensity estimated according to published methodologies. High glucose concentration significantly increased doubling time 5-fold, as compared to cells grown in physiological conditions. Hyperglycemia reduced the constitutive EGFR autophosphorylation. Accordingly, PI3K was also significantly attenuated. Downstream switches AKT1 and mTOR were also affected and very significantly on the signal intensity. Cyclin D1 expression was completely abrogated due to high glucose burden. Collectively, these data suggest that high glucose exposure hinders fibroblasts proliferation by disrupting the EGFR/PI3K/AKT1/mTOR/Cyclin D1 axis.

La fisiología de los fibroblastos, esenciales para la cicatrización, se perturba ante altas concentraciones de glucosa. Se estudió el efecto de altas cargas de glucosa sobre la proliferación de fibroblastos cutáneos de donantes sanos a través de la cascada de señalización del factor de crecimiento epidérmico (EGFR): la autofosforilación del EGFR y la activación de intermediarios de la transducción hasta la ciclina D1. Los fibroblastos se cultivaron durante seis días en condiciones estándar con SFB al 15 %, y glucosa a 5 mM (glucosa normal) o 35 mM (glucosa alta). Se incluyó un control osmótico concurrente. Tras seis días se estimó el tiempo de duplicación. Las suspensiones celulares se sembraron, fijaron e inmunomarcaron con anticuerpos específicos contra las formas fosforiladas de EGFR (Y1197), AKT1 (S473) y mTOR (S2448), y las formas nativas de la subunidad p85 alfa de la PI3K y la ciclina D1. Se calculó la proporción de células positivas a la reacción de diaminobenzidina/peroxidasa, y su intensidad según procedimientos estándar. Las altas concentraciones de glucosa multiplicaron en 5 veces el tiempo de duplicación comparado con el de células cultivadas en condiciones fisiológicas. También redujo la autofosforilación constitutiva del EGFR, atenuó significativamente la subsiguiente fosforilación de PI3K y muy significativamente la de sus intermediarios de transducción AKT1 y mTOR. La expresión de la ciclina D1 se abolió ante las altas cargas de glucosa. Los resultados sugieren que la exposición a altas concentraciones de glucosa afecta la proliferación de los fibroblastos al perturbar el eje de transducción EGFR/PI3K/AKT1/mTOR/Ciclina D1.

Impaired healing in diabetes affects the resolution of both acute and chronic wounds. The vicious circle between wound chronicity and a deficient control of local infection is the cause that diabetic patients constitute 85% of all non-traumatic lower extremity amputations. From an etiological viewpoint, hyperglycemia is what triggers the onset and progression of biochemical disturbances that lead to systemic complications. In contrast to normal wound healing, physiological apoptotic clearance of inflammatory cells is prevented and the inflammatory phase is abnormally prolonged in diabetic wounds. Pro-inflammatory cytokines as tumor necrosis factor-alpha (TNF-a) and interleukin-1b (IL-1b) are increased in diabetic wounds with negative local and remote consequences. The etiopathogenic network consisting of inflammatory cytokines, local proteases, reactive oxygen and nitrogen species produces a cytotoxic and pro-degradation environment within the wound bed that impairs granulation and re-epithelialization. The nonenzymatic glycation of proteins, generating advanced glycation end-products (AGE), acts as an active pathogenic stream affecting healing. The accumulation of AGE interferes with DNA replication, cell anchoring, migration and proliferation. The binding of AGE to a receptor model (RAGE) may completely hamper the healing process. Diabetes impairs the recruitment and differentiation of bone marrow-derived stem cells, thereby limiting the availability of tissue repair cells. Re-epithelialization is also hindered by incomplete activation and/or differentiation of keratinocytes that impair migration. Novel and revolutionary pharmacological interventions are urgently needed to reduce diabetes complications, such as amputations of the lower extremities.

El deterioro de la cicatrización en la diabetes afecta la resolución tanto de heridas agudas como crónicas. Se establece un círculo vicioso interamplificativo entre el fenotipo crónico y el control deficiente de la infección, que determina que el 85% de todas las amputaciones no traumáticas de miembros inferiores se practiquen en individuos diabéticos. La hiperglicemia es el detonador etiopatogénico proximal en el inicio y progresión de los desórdenes bioquímicos que dan lugar a las complicaciones sistémicas. Contrario a lo que ocurre durante la cicatrización normal, la eliminación apoptótica fisiológica de las células inflamatorias se detiene, lo que provoca un anormal estancamiento de la fase inflamatoria en las heridas diabéticas. En estas, además existe una sobre-expresión de citocinas pro-inflamatorias como el factor de necrosis tumoral alfa (del inglés, TNF-a) y la interleucina-1b (IL-1b), lo que trae consigo consecuencias deletéreas de impacto local y remoto. La red etiopatogénica de citocinas inflamatorias, proteasas locales, especies reactivas al nitrógeno y al oxígeno, propician un ambiente citotóxico y pro-degradativo en el lecho de la herida, que perjudica la granulación y re-epitelización. La glicosilación no enzimática de proteínas persiste como un ingrediente patogénico activo en el deterioro del proceso de cicatrización. La acumulación anormal de productos glicosilados interfiere con la replicación del ADN, el anclaje, la migración y la proliferación celular. La diabetes afecta la liberación, el reclutamiento y la diferenciación de las células madre derivadas de médula ósea, lo que limita la disponibilidad de estas células para reparar el tejido. La re-epitelización también se altera debido a la activación y/o diferenciación incompleta de los queratinocitos, lo cual obstruye su migración. Se necesitan de forma urgente abordajes farmacológicos novedosos y revolucionarios para reducir las diversas complicaciones de la diabetes, tales como la temida amputación de miembros inferiores.