Desregulació proteolítica i inflamatòria tissular en l’hèrnia incisional abdominal humana. Paper del fibroblast com a possible factor de risc independent i nova diana terapèutica

Abstract

L’hèrnia incisional (HI) abdominal és una de les complicacions més freqüents secundàries a una intervenció quirúrgica abdominal. L’elevat nombre d’intervencions d’aquest tipus que es realitzen anualment als hospitals, a més de les taxes elevades d’incidència i recurrència, són responsables que aquest desordre generi una despesa econòmica important per al Sistema Nacional de Salut. Generalment, l’aparició de l’HI s’atribueix a factors tècnics durant l’operació, com el tipus d’incisió practicada o el tipus de tancament aplicat. De tota manera, hi ha prou evidències per considerar que, almenys en un subgrup de pacients, podria haver-hi una alteració del teixit connectiu subjacent que permetria parlar d’una biologia de l`hèrnia. Estudis recents han evidenciat l’associació entre malalties associades amb alteracions en el col·lagen i una major probabilitat d’aparició de l’HI. En aquest sentit, s’ha analitzat algunes molècules relacionades amb el metabolisme de la matriu extracel·lular (MEC) dels teixits abdominals però sense arribar a la profunditat molecular d’altres tipus d’hèrnies, com la inguinal. De tota manera, l’evidència de factors de risc inherents al pacient o externs, com la infecció, sembla que podrien afavorir la formació de l’HI i posen de manifest que el problema va més enllà d’un desordre en el col·lagen. El fibroblast, com a cèl·lula predominant del teixit connectiu, podria ser la cèl·lula majoritàriament implicada en el procés i en la resposta al tractament mitjançant malles quirúrgiques. La identificació del fenotip alterat dels fibroblasts procedents dels teixits abdominals podria posar al descobert una sèrie de rutes implicades en el procés de formació de l’HI. En la present tesi es pretén millorar el coneixement del procés d’iniciació i formació de l’HI a través de la identificació de les alteracions al nivell cel·lular i molecular que afecten els teixits que conformen la paret abdominal. A més, també es pretén millorar el coneixement de la resposta cel·lular al tractament amb malles quirúrgiques per identificar les rutes implicades en la biointegració. Es van analitzar biòpsies de múscul esquelètic i d’aponeurosi de la zona abdominal de pacients amb HI i es van comparar amb els de pacients sense HI. També es va comparar els perfils d’expressió gènica dels fibroblasts primaris procedents d’ambdós grups de pacients. Finalment, es va comparar el comportament dels fibroblasts procedents d’aponeurosi d’ambdós grups de pacients en contacte amb malles de polipropilè utilitzades per al tractament de l’HI. S’ha observat una desestructuració dels teixits abdominals dels pacients amb HI, en comparació amb els de pacients sense HI, a més d’unes alteracions en el metabolisme de la MEC associades a una desregulació en la senyalització molecular inflamatòria. Concretament, s’ha observat una relació MMPs/TIMPs alterada en favor d’una major activitat proteolítica i una desregulació dels nivells i la regulació d’algunes citocines pro-inflamatòries. Aquests alteracions són teixit-específiques però desemboquen en conseqüències similars. A més, s’ha identificat un perfil d’expressió gènica diferencial mitjançant l’ús de xips d’expressió gènica en els fibroblasts procedents dels teixits abdominals. S’ha observat que les rutes alterades en els fibroblasts procedents d’aponeurosi guarden relació amb el cicle cel·lular i la reparació del dany cel·lular, mentre que en el múscul esquelètic participen en la resposta immunològica. A més, s’han identificat un conjunt de gens que poden tenir una importància destacada en el procés de formació de l’HI. Finalment, s’ha establert un model d’estudi in vitro de la interacció dels fibroblasts primaris procedents d’aponeurosi amb malles quirúrgiques de polipropilè. S’ha observat que l’adhesió cel·lular és feble i que podria produir canvis en l’organització de molècules del citoesquelet que podrien desembocar en la mort cel·lular. A més, la malla de polipropilè podria modificar el cicle cel·lular alterat dels fibroblasts de pacients amb HI atenuant el seu fenotip.

Abdominal incisional hernia (HI) is one of the most common complications of abdominal surgery. The large number of this type of interventions performed annually at hospitals, in addition to high incidence and recurrence rates, are responsible for a significant economic cost to the National Health System. Usually, IH is attributed to technical-related risk factors, such as the type of incision practiced or the applied closure procedure. However, there are sufficient evidences that suggest a biological underlying connective tissue disorder, so-called the biology of hernia, at least in a subset of patients. Recent studies demonstrated the association between collagen diseases and higher IH occurrence rates. Several molecules related to the metabolism of extracellular matrix (ECM) of abdominal tissues have been analyzed, without the molecular complexity achieved in other types of hernia, including groin hernias. However, evidences for patient-related risk factors and also external factors, such as infection, which might seem to favour IH formation suggest that this complication goes beyond a disorder of collagen. The fibroblast is the mostly abundant connective tissue cell and might be mainly involved in the process of IH formation and also in the response to treatment with surgical meshes. The identification of an altered phenotype of fibroblasts from the abdominal tissues may reveal a considerable number of pathways involved in the process of IH formation. The present thesis aims to improve the knowledge of the initiation and formation of IH through identifying cellular and molecular alterations that affect abdominal wall tissues. It also aims to improve the understanding of the cellular response of fibroblast interaction with surgical meshes used for IH treatment in order to identify the routes involved in biointegration. Biopsies from abdominal skeletal muscle and aponeurosis tissues of IH patients were analyzed and compared with those of non-IH patients. The gene expression profiles of skeletal muscle and aponeurosis primary fibroblasts extracted from both patients were also compared. Finally, the behaviour of the aponeurosis fibroblasts from both patients in contact with polypropylene meshes used for IH treatment were compared. A dysfunction in abdominal tissues of IH patients, compared with non-IH patients, in addition to some alterations in the ECM metabolism associated with inflammatory molecular signalling deregulation has been observed. Specifically, an altered MMPs/TIMPs balance in favour of net proteolytic activity and a deregulated signalling and levels of certain pro-inflammatory cytokines has been found. Although these changes are tissue-specific lead to similar consequences. In addition, a differential gene expression profile using DNA microarrays has been identified in fibroblasts from IH abdominal tissues. It has been observed that the altered pathways obtained in fibroblasts from aponeurosis are related to cell cycle and cellular damage repair while in fibroblasts from skeletal muscle are involved in the immune response. In addition, a set of genes that may have a significant relevance in the process of IH formation have been identified. Finally, an in vitro model for studying the interaction between aponeurosis primary fibroblasts and polypropylene meshes has been established. It has been observed that cell adhesion to meshes is weak and could lead to changes in cytoskeletal molecules organization that could lead to cell death. In addition, the polypropylene mesh may modify the altered cell cycle of fibroblasts form IH patients mitigating their phenotype.