Preclinical study of diabetic foot ulcers: From pathogenesis to vivo/vitro models and clinical therapeutic transformation Studi praklinis ulkus kaki diabetik: Dari patogenesis hingga model vivo/vitro dan transformasi terapeutik klinis
Yuqing Du ^(1){ }^{1} | Jie Wang ^(1,2){ }^{1,2} | Weijing Fan ^(1){ }^{1} | Renyan Huang ^(1){ }^{1} | Hongfei Wang ^(1){ }^{1} | Guobin Liu ^(1)^(o+){ }^{1}{ }^{\oplus} Yuqing Du ^(1){ }^{1} | Jie Wang ^(1,2){ }^{1,2} | Penggemar ^(1){ }^{1} Weijing | Renyan Huang ^(1){ }^{1} | Hongfei Wang ^(1){ }^{1} | Guobin Liu ^(1)^(o+){ }^{1}{ }^{\oplus}
^(1){ }^{1} Department of Peripheral Vascular Surgery, Institute of surgery of traditional Chinese Medicine, Shuguang Hospital Affiliated to Shanghai University of Traditional Chinese Medicine, Shanghai, China ^(1){ }^{1} Departemen Bedah Vaskular Perifer, Institut bedah Pengobatan Tradisional Tiongkok, Rumah Sakit Shuguang Berafiliasi dengan Universitas Pengobatan Tradisional Tiongkok Shanghai, Shanghai, Tiongkok ^(2){ }^{2} Endocrinology department, Shanghai Municipal Hospital of Traditional Chinese Medicine, Shanghai University of Traditional Chinese Medicine, Shanghai, China Departemen ^(2){ }^{2} endokrinologi, Rumah Sakit Pengobatan Tradisional Tiongkok Kota Shanghai, Universitas Pengobatan Tradisional Tiongkok Shanghai, Shanghai, Tiongkok
Correspondence Korespondensi
Guobin Liu and Hongfei Wang Department of Peripheral Vascular Surgery, Institute of surgery of traditional Chinese Medicine, Shuguang Hospital Affiliated to Shanghai University of Traditional Chinese Medicine, 201203 Shanghai, China. Guobin Liu dan Hongfei Wang Departemen Bedah Vaskular Perifer, Institut bedah Pengobatan Tradisional Tiongkok, Rumah Sakit Shuguang Berafiliasi dengan Universitas Pengobatan Tradisional Tiongkok Shanghai, 201203 Shanghai, Cina.
Email: drlguobin@126.com; w15801738507@126.com
Funding information Informasi pendanaan
National Natural Science Foundation of China, Grant/Award Number: 82284528; Shanghai Municipal Science and Technology Commission, Grant/Award Number: 21Y21920200 Yayasan Ilmu Pengetahuan Alam Nasional Tiongkok, Nomor Hibah/Penghargaan: 82284528; Komisi Sains dan Teknologi Kota Shanghai, Nomor Hibah/Penghargaan: 21Y21920200
Abstract Abstrak
Diabetic foot ulcer (DFU), a common intractable chronic complication of diabetes mellitus (DM), has a prevalence of up to 25%25 \%, with more than 17%17 \% of the affected patients at risk of amputation or even death. Vascular risk factors, including vascular stenosis or occlusion, dyslipidemia, impaired neurosensory and motor function, and skin infection caused by trauma, all increase the risk of DFU in patients with diabetes. Therefore, diabetic foot is not a single pathogenesis. Preclinical studies have contributed greatly to the pathogenesis determination and efficacy evaluation of DFU. Many therapeutic tools are currently being investigated using DFU animal models for effective clinical translation. However, preclinical animal models that completely mimic the pathogenesis of DFU remain unexplored. Therefore, in this review, the preparation methods and evaluation criteria of DFU animal models with three major pathological mechanisms: neuropathy, angiopathy and DFU infection were discussed in detail. And the advantages and disadvantages of various DFU animal models for clinical sign simulation. Furthermore, the current status of vitro models of DFU and some preclinical studies have been transformed into clinical treatment programs, such as medical dressings, growth factor therapy, 3D bioprinting and pre-vascularization, Traditional Chinese Medicine treatment. However, because of the complexity of the pathological mechanism of DFU, the clinical transformation of DFU model still faces many challenges. We need to further optimize the existing preclinical studies of DFU to provide an effective animal platform for the future study of pathophysiology and clinical treatment of DFU. Ulkus kaki diabetik (DFU), komplikasi kronis diabetes mellitus (DM) yang umum dan tidak dapat disembuhkan, memiliki prevalensi hingga 25%25 \% , dengan lebih dari pasien 17%17 \% yang terkena berisiko amputasi atau bahkan kematian. Faktor risiko vaskular, termasuk stenosis atau oklusi vaskular, dislipidemia, gangguan neurosensori dan fungsi motorik, dan infeksi kulit yang disebabkan oleh trauma, semuanya meningkatkan risiko DFU pada pasien dengan diabetes. Oleh karena itu, kaki diabetes bukanlah patogenesis tunggal. Studi praklinis telah berkontribusi besar pada penentuan patogenesis dan evaluasi kemanjuran DFU. Banyak alat terapeutik saat ini sedang diselidiki menggunakan model hewan DFU untuk terjemahan klinis yang efektif. Namun, model hewan praklinis yang sepenuhnya meniru patogenesis DFU masih belum dieksplorasi. Oleh karena itu, dalam tinjauan ini, metode persiapan dan kriteria evaluasi model hewan DFU dengan tiga mekanisme patologis utama: neuropati, angiopati dan infeksi DFU dibahas secara rinci. Dan kelebihan dan kekurangan dari berbagai model hewan DFU untuk simulasi tanda klinis. Selain itu, status model vitro DFU saat ini dan beberapa studi praklinis telah diubah menjadi program perawatan klinis, seperti pembalut medis, terapi faktor pertumbuhan, bioprinting 3D dan pra-vaskularisasi, pengobatan Tradisional Tiongkok. Namun, karena kompleksitas mekanisme patologis DFU, transformasi klinis model DFU masih menghadapi banyak tantangan. Kita perlu lebih mengoptimalkan studi praklinis DFU yang ada untuk menyediakan platform hewan yang efektif untuk studi patofisiologi dan pengobatan klinis DFU di masa depan.
KEYWORDS KATA KUNCI
animal model, clinical therapeutic transformation, diabetes foot ulcer, pathological mechanism, vivo/vitro models Model hewan, transformasi terapeutik klinis, ulkus kaki diabetes, mekanisme patologis, model vivo/vitro
Key Messages Pesan Kunci
the healing process of diabetic foot ulcer is complicated, and the preclinical study provides an experimental basis for the medical transformation of diabetic foot ulcer Proses penyembuhan ulkus kaki diabetik rumit, dan studi praklinis memberikan dasar eksperimental untuk transformasi medis ulkus kaki diabetik
systematic summary of in vivo and in vitro preclinical studies of diabetic foot ulcer provides potential targets and related pathways for molecular research of diabetic foot Ringkasan sistematis studi praklinis in vivo dan in vitro ulkus kaki diabetik memberikan target potensial dan jalur terkait untuk penelitian molekuler kaki diabetes
1 | INTRODUCTION 1 | PERKENALAN
Diabetes mellitus (DM) is a metabolic disease characterized by insufficient insulin secretion or insulin resistance. The International Diabetes Federation (IDF) predicts that the global prevalence of diabetes will increase to 700 million by 2045. ^(1){ }^{1} Diabetic foot ulcer (DFU) is a serious complication of diabetes. The lifetime incidence of DFU in patients with diabetes is 15%-25%15 \%-25 \%. Coupled with a previous history of foot trauma or infection, the incidence of DFU in diabetics will increase to 19%-34%,17%19 \%-34 \%, 17 \% of whom will require amputation. ^(2,3){ }^{2,3} Patients with severe DFU are reported to have more than half the mortality rate as those within 5 years. ^(4,5){ }^{4,5} The 5 -year risk of death in patients with diabetic foot ulcers is 2.5 times higher than that in patients without foot ulcers. ^(6){ }^{6} Therefore, the prevention and treatment of DFU is an urgent issue in the management of DM complications. Diabetes mellitus (DM) adalah penyakit metabolik yang ditandai dengan sekresi insulin yang tidak mencukupi atau resistensi insulin. Federasi Diabetes Internasional (IDF) memprediksi bahwa prevalensi global diabetes akan meningkat menjadi 700 juta pada tahun 2045. ^(1){ }^{1} Ulkus kaki diabetik (DFU) adalah komplikasi serius dari diabetes. Insiden seumur hidup DFU pada pasien dengan diabetes adalah 15%-25%15 \%-25 \% . Ditambah dengan riwayat trauma atau infeksi kaki sebelumnya, insiden DFU pada penderita diabetes akan meningkat hingga 19%-34%,17%19 \%-34 \%, 17 \% yang akan membutuhkan amputasi. ^(2,3){ }^{2,3} Pasien dengan DFU berat dilaporkan memiliki lebih dari setengah tingkat kematian dibandingkan dengan pasien dalam 5 tahun. ^(4,5){ }^{4,5} Risiko kematian 5 tahun pada pasien dengan ulkus kaki diabetik adalah 2,5 kali lebih tinggi daripada pada pasien tanpa ulkus kaki. ^(6){ }^{6} Oleh karena itu, pencegahan dan pengobatan DFU menjadi masalah mendesak dalam pengelolaan komplikasi DM.
The pathophysiological basis of DFU is based on a combination of metabolic disorders, hyperglycaemia, hyperlipidemia, high glycoprotein and other factors that lead to peripheral nerve injury and atherosclerosis in patients with diabetics along with external gangrene triggers, which result in skin breakdown of the foot. According to the aetiology, DFU can be broadly classified into three categories: ischemic DFU, infectious DFU and neurological DFU. Currently, DFU treatment includes debridement, anti-infection, revascularization and hyperbaric oxygen. ^(7,8){ }^{7,8} Altho ugh the above treatments can promote angiogenesis, improve neurological function or reduce inflammatory response to promote DFU healing, but can not prevent recurrent DFU, or even lead to amputation. With the rise of new technologies such as metabonomics, proteomics and single cell sequencing, the new regimen of DFU therapy is gradually being recognized. ^(9,10){ }^{9,10} Dasar patofisiologis DFU didasarkan pada kombinasi gangguan metabolisme, hiperglikemia, hiperlipidemia, glikoprotein tinggi dan faktor lain yang menyebabkan cedera saraf perifer dan aterosklerosis pada pasien dengan penderita diabetes bersama dengan pemicu gangren eksternal, yang mengakibatkan kerusakan kulit pada kaki. Menurut etiologi, DFU secara luas dapat diklasifikasikan menjadi tiga kategori: DFU iskemik, DFU infeksius dan DFU neurologis. Saat ini, pengobatan DFU meliputi debridement, anti-infeksi, revaskularisasi dan oksigen hiperbarik. ^(7,8){ }^{7,8} Meskipun perawatan di atas dapat meningkatkan angiogenesis, meningkatkan fungsi neurologis atau mengurangi respons inflamasi untuk meningkatkan penyembuhan DFU, tetapi tidak dapat mencegah DFU berulang, atau bahkan menyebabkan amputasi. Dengan munculnya teknologi baru seperti metabonomik, proteomik, dan pengurutan sel tunggal, rejimen baru terapi DFU secara bertahap diakui. ^(9,10){ }^{9,10}
Although the study of human donor tissue is an excellent asset to improve our understanding of the pathogenesis and clinical treatment of DFU, the acquisition of Meskipun studi tentang jaringan donor manusia merupakan aset yang sangat baik untuk meningkatkan pemahaman kita tentang patogenesis dan pengobatan klinis DFU, akuisisi
human donor tissue is very rare, and the pathological mechanism of DFU can not be fully demonstrated. The animal model solves these problems and improves the success of clinical transformation to a great extent. Therefore, in this literature review, through the summary and induction of the pathophysiology of DFU, we evaluate the advantages and disadvantages of the animal models of the key pathogenesis of DFU, in order to optimize based on the existing models, so as to improve the effectiveness and transformability of preclinical studies of DFU. In addition, we also discussed the opportunities and challenges of DFU preclinical research transformation. jaringan donor manusia sangat jarang, dan mekanisme patologis DFU tidak dapat sepenuhnya ditunjukkan. Model hewan memecahkan masalah ini dan meningkatkan keberhasilan transformasi klinis untuk sebagian besar. Oleh karena itu, dalam tinjauan literatur ini, melalui ringkasan dan induksi patofisiologi DFU, kami mengevaluasi kelebihan dan kekurangan model hewan dari patogenesis utama DFU, untuk mengoptimalkan berdasarkan model yang ada, sehingga dapat meningkatkan efektivitas dan transformabilitas studi praklinis DFU. Selain itu, kami juga membahas peluang dan tantangan transformasi penelitian praklinis DFU.
2 | DFU PATHOGENESIS AND REPAIR MECHANISM 2 | PATOGENESIS DFU DAN MEKANISME PERBAIKAN
DFU pathogenesis is a crucial breakthrough point for the development of DFU animal and in vitro models. Persistent hyperglycemia is the most basic pathological factor in DFU. Hyperglycemia leads to neurological dysfunction that leads to neurogenic DFU. Hyperglycemia can also induce changes in the peripheral arteries of the foot leading to ischemia, increasing the risk of ischemic DFU. In addition, such as long-term compression of the foot, trauma damage to the skin, poor hygiene habits caused by infection, DFU may also occur. (Figure 1). Patogenesis DFU merupakan titik terobosan penting untuk pengembangan model hewan dan in vitro DFU. Hiperglikemia persisten adalah faktor patologis paling dasar pada DFU. Hiperglikemia menyebabkan disfungsi neurologis yang mengarah ke DFU neurogenik. Hiperglikemia juga dapat menginduksi perubahan pada arteri perifer kaki yang menyebabkan iskemia, meningkatkan risiko DFU iskemik. Selain itu, seperti kompresi kaki jangka panjang, kerusakan trauma pada kulit, kebiasaan kebersihan yang buruk yang disebabkan oleh infeksi, DFU juga dapat terjadi. (Gambar 1).
2.1 | Influence of vascular lesions on DFU disease progression 2.1 | Pengaruh lesi vaskular pada perkembangan penyakit DFU
Hyperglycaemia causes occlusive-like changes in large and micro vessels by promoting atherosclerosis, increasing the hypercoagulable state of blood and increasing vascular resistance, microthrombosis and other pathological processes. ^(11){ }^{11} Furthermore, diabetic microangiopathy Hiperglikemia menyebabkan perubahan seperti oklusif pada pembuluh darah besar dan mikro dengan mempromosikan aterosklerosis, meningkatkan keadaan hiperkoagulasi darah dan meningkatkan resistensi pembuluh darah, mikrotrombosis dan proses patologis lainnya. ^(11){ }^{11} Selanjutnya, mikroangiopati diabetik
FIGURE 1 DFU pathogenesis. Neuropathy, vascular disease and infection are the main pathological mechanisms of DFU. The weakening of sensory, motor and autonomic nerves may lead to dystrophy of Charcot’s foot and skin. In addition, arterial stenosis and dyslipidemia may also lead to DFU. External triggers, such as infection caused by trauma, accelerate the development of DFU. GAMBAR 1 Patogenesis DFU. Neuropati, penyakit pembuluh darah dan infeksi adalah mekanisme patologis utama DFU. Melemahnya saraf sensorik, motorik dan otonom dapat menyebabkan distrofi pada kaki dan kulit Charcot. Selain itu, stenosis arteri dan dislipidemia juga dapat menyebabkan DFU. Pemicu eksternal, seperti infeksi yang disebabkan oleh trauma, mempercepat perkembangan DFU.
is mainly due to endothelial cell damage and capillary basement membrane thickening in the injured capillaries, resulting in luminal narrowing or occlusion and tissue ischemia and hypoxia. However, DFU occurs because of extensive accumulation of microvascular lesions below the knee. In addition, inadequate arterial blood supply delays the healing of the original ulcer. ^(12){ }^{12} terutama disebabkan oleh kerusakan sel endotel dan penebalan membran dasar kapiler pada kapiler yang terluka, mengakibatkan penyempitan atau oklusi luminal dan iskemia jaringan dan hipoksia. Namun, DFU terjadi karena akumulasi luas lesi mikrovaskular di bawah lutut. Selain itu, suplai darah arteri yang tidak memadai menunda penyembuhan ulkus asli. ^(12){ }^{12}
2.2 | Influence of neuropathy on disease progression in DFU 2.2 | Pengaruh neuropati pada perkembangan penyakit di DFU
Sustained hyperglycaemia leads to the abnormal accumulation of metabolites, causing oedema and nerve cell degeneration, axonal degeneration and subsequent neuropathy such as dermal segmental demyelination and axonal necrosis. ^(13){ }^{13} Damage to motor nerves alters physical coordination and induces foot deformities and Charcot foot. Moreover, damage to sensory nerves causes repetitive and recurrent damage to the skin of the foot, disrupting skin integrity. Furthermore, autonomic neuropathy leads to loss of sweat and sebaceous gland function, dry and cracked skin and increased susceptibility to breakout and infection. ^(14){ }^{14} Hiperglikemia yang berkelanjutan menyebabkan akumulasi metabolit yang tidak normal, menyebabkan edema dan degenerasi sel saraf, degenerasi aksonal dan neuropati berikutnya seperti demielinasi segmental dermal dan nekrosis aksonal. ^(13){ }^{13} Kerusakan pada saraf motorik mengubah koordinasi fisik dan menginduksi kelainan bentuk kaki dan kaki Charcot. Selain itu, kerusakan saraf sensorik menyebabkan kerusakan berulang dan berulang pada kulit kaki, mengganggu integritas kulit. Selain itu, neuropati otonom menyebabkan hilangnya fungsi keringat dan kelenjar sebaceous, kulit kering dan pecah-pecah serta peningkatan kerentanan terhadap jerawat dan infeksi. ^(14){ }^{14}
2.3 | The inflammatory response is involved in the development of DFU 2.3 | Respon inflamasi terlibat dalam perkembangan DFU
DFU-related infections are often a consequence rather than a cause of DFU. Multiple factors, such as diabetic vasculopathy and neuropathy, metabolic disorders and immune deficiencies, play a role in the colonization and invasion of local microorganisms that proliferate in the host tissues to induce an inflammatory response, causing skin damage and subsequently progressing to joint and even bone inflammation. Among them, Staphylococcus aureus infection is the most common. ^(15){ }^{15} Infection complicates the healing process of DFU, wherein it increases the risk of lower extremity amputation by 50%50 \% compared to patients with DFU having no infection. ^(16){ }^{16} Infeksi terkait DFU seringkali merupakan konsekuensi daripada penyebab DFU. Berbagai faktor, seperti vaskulopati diabetik dan neuropati, gangguan metabolisme dan defisiensi kekebalan tubuh, berperan dalam kolonisasi dan invasi mikroorganisme lokal yang berkembang biak di jaringan inang untuk menginduksi respons inflamasi, menyebabkan kerusakan kulit dan kemudian berkembang menjadi peradangan sendi dan bahkan tulang. Di antara mereka, infeksi Staphylococcus aureus adalah yang paling umum. ^(15){ }^{15} Infeksi mempersulit proses penyembuhan DFU, di mana ia meningkatkan risiko amputasi ekstremitas bawah dibandingkan 50%50 \% dengan pasien dengan DFU yang tidak memiliki infeksi. ^(16){ }^{16}
2.4 | DFU trauma repair process 2.4 | Proses perbaikan trauma DFU
Wound repair is a complex biological process consisting mainly of the inflammatory response, cell proliferation and tissue remodelling phases, which are highly regulated. ^(17){ }^{17} During the early stages of wound healing, neutrophils are recruited to the site of skin injury and are Perbaikan luka adalah proses biologis yang kompleks yang terutama terdiri dari respons inflamasi, proliferasi sel dan fase remodelisasi jaringan, yang sangat diatur. ^(17){ }^{17} Selama tahap awal penyembuhan luka, neutrofil direkrut ke lokasi cedera kulit dan
Yuqing Du and Jie Wang have contributed equally to this article. Yuqing Du dan Jie Wang telah berkontribusi sama untuk artikel ini.
