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Schichten von Epithelzellen bedecken die äußere Oberfläche aller Metazoen, kleiden innere Organe aus und unterteilen den tierischen Körper in diskrete Kompartimente. Das Epithel trennt auch das Körperinnere von der äußeren Umgebung und schützt es vor Schäden und Infektionen. Daher war das Aufkommen von Epithelschichten ein wesentlicher Bestandteil der Evolution vielzelliger Tiere, und Epithelschichten sind bei allen Tieren von Wirbeltieren bis zu den basalsten Metazoen zu sehen1. Das Epithel einiger Organe ist eine einzige Monoschicht, wie z. B. in den Lungenluftsäcken, Blutgefäßen und Darm2 sowie in der Epidermis von wirbellosen Tieren wie Planarien und Nesseltieren3. In anderen Geweben, wie z. B. der Haut4 und der Hornhaut5 von Wirbeltieren, ist das Epithel geschichtet, was bedeutet, dass es mehrere Epithelzellschichten2 gibt. In allen Fällen ist die basalste Epithelschicht an der Basalmembran befestigt, einem Proteinblatt, das eine spezialisierte Region der extrazellulären Matrix (EZM) bildet6,7,8.
Brüche im Epithel müssen schnell repariert werden, um eine durchgehende Epithelschicht wiederherzustellen. Die Schädigung des Epithels tritt bei natürlichen Prozessen auf, z. B. bei der Ablösung von Epithelzellen im Darm,9,10 und als Folge von Entzündungen oder körperlichen Traumata. Wenn eine einzelne Epithelzelle beschädigt ist, muss sie sich entweder selbst reparieren oder eliminiert werden, damit sich die umgebenden Zellen aneinander anheften und das Loch11,12 schließen können. In Wunden, die größer als die Größe einer einzelnen Zelle sind, müssen sich Epithelzellen bewegen, um sich gegenseitig zu erreichen und das Blatt13 zu reparieren. Dies kann durch Zellausbreitung erreicht werden, wenn die Lücken klein sind, oder kann die Migration von Epithelzellen von den Rändern einer Wunde erfordern, um die Wundlücke zu schließen; Letzteres wird als Reepithelialisierung bezeichnet14,15. In embryonalen Geweben breiten sich Epithelzellen aus und wandern, um Wunden zu schließen, oder werden durch die Kontraktion von Aktomyosinkabeln, die sich zwischen den Zellen am Wundrand bilden, in einem Mechanismus, der einer Geldbeutelschnurähnelt 16, über die Lücke gezogen. In vielen adulten Geweben beinhaltet die Reepithelialisierung die Migration kohärenter Zellschichten, wobei die Zellen ihre Verbindungen zu benachbarten Zellen beibehalten14,17,18. In anderen Geweben werden Zell-Zell-Verbindungen abgebaut und Epithelzellen verhalten sich eher wie mesenchymale Zellen, die sich während der Reepithelialisierung koordiniert, aber unabhängig in die Wundregion bewegen 14,19,20,21.
Die Bewegungen der Epithelzellen werden durch komplexe Wechselwirkungen zwischen den migrierenden Zellen und zwischen den Zellen und der EZM reguliert. Obwohl es eine enorme Menge an experimenteller Literatur gibt, die sich mit den Mechanismen der Wundaktivierung von Epithelzellen und der anschließenden Migration befasst, bleibt noch viel zu entdecken. So ist beispielsweise das anfängliche Signal, das Epithelzellen dazu anregt, als Reaktion auf eine Wunde zu migrieren, nicht eindeutig identifiziert22, und es ist auch nicht vollständig verstanden, wie Aktin wieder eingesetzt wird, um Lamellipodien auf der Seite der Epithelzellen zu erzeugen, die der Wunde am nächsten liegt 22,23,24,25,26,27. Die kollektive Zellmigration erfordert, dass Informationen von Zellen an der Wunde mit Zellen distal der Wunde geteilt werden, und der Kommunikationsweg ist noch unklar28. Zell:Zell-Verbindungen und Zell:ECM-Anhänge müssen zerlegt und neu gebildet werden, wenn sich die Zellen in der Folie neu anordnen, aber die Regulation dieses Prozesses ist nur unzureichend verstanden14,29. Fortschritte bei diesen und anderen verwandten Fragen sind nicht nur als grundlegendes biologisches Problem wichtig, sondern auch wegen der klinischen Bedeutung der korrekten Wundheilung. Krankheiten, die die Fähigkeit der Epithelzellen, korrekt zu migrieren, beeinträchtigen, führen zu chronischen Wunden. Ein Beispiel ist die Erbkrankheit Epidermolysis bullosa, bei der Gene, die an der Anheftung der Epithelzellen an die EZM beteiligt sind, mutiert sind, was zu empfindlicher Haut führt, die sich schält und Blasen bildet. Die Reepithelialisierung ist auch in natürlich alternden Geweben beeinträchtigt30,31. Ein besseres Verständnis ist daher unerlässlich, um Interventionen zur Verbesserung der Wundheilungsergebnisse zu entwickeln.
Die Migration von Epithelzellen in der Wundheilung wurde sowohl mit In-vitro-Ansätzen als auch mit Modellorganismen untersucht. Die meisten Studien zur Wundheilung und zu den Mechanismen der Zellmigration wurden in Gewebekulturen durchgeführt, bei denen Monoschichten eines einzelnen Epithelzelltyps auf einem Substrat gezüchtet werden, das die EZM ersetzt. Zellmonoschichten werden entweder zerkratzt oder mit Schablonen gezüchtet, um Lücken in bestimmten Formen und Größen zu erzeugen, und dann beobachtet32,33,34. Das In-vitro-Modell ermöglicht eine ideale Visualisierung des Zellverhaltens sowie die Möglichkeit, die Eigenschaften des Substrats zu verändern, Zellen Medikamenten und abiotischen und biotischen Faktoren auszusetzen und Zellen mit Konstrukten zu transfizieren, die verschiedene Gene von Interesse exprimieren oder unterdrücken. Dieser reduktionistische Ansatz kann jedoch einige der wichtigen Parameter, die am Verhalten von Epithelzellen in einem In-vivo-Kontext beteiligt sind, nicht erfassen, einschließlich der Kommunikation zwischen verschiedenen Zelltypen und Signalereignissen, die in der EZM auftreten11. In-vivo-Modelle liefern den authentischen Kontext einer Wunde mit mehreren Zelltypen, überlappenden Signalwegen und einer komplexen EZM35. Ein solches Modell für Wundheilungsstudien ist die Maus19, bei der die jüngsten Fortschritte es den Forschern ermöglicht haben, Epidermiszellen während der Heilung von Wunden in voller Dicke bei lebenden Tieren zu beobachten36. Die Maus und andere In-vivo-Systeme stellen jedoch eine Herausforderung dar, wenn es darum geht, die Reepithelialisierung zu untersuchen. Erstens wird der große Vorteil der Beobachtung des Zellverhaltens in einem natürlichen Kontext durch die Komplexität der zeitlich überlappenden Ereignisse ausgeglichen, die während der Wundheilung von Wirbeltieren auftreten, einschließlich Blutgerinnung, Rekrutierung von Immunzellen und Entzündungen, Rekrutierung von Fibroblasten und Zelldedifferenzierung, Revaskularisierung und Remodellierung der EZM. Darüber hinaus erschweren undurchsichtige Gewebe die Bildgebung. Die Epidermissysteme der Drosophila-Larven und Zebrafische 37,38 haben einige dieser Schwierigkeiten aufgrund ihrer relativen Einfachheit überwunden 39.
Unser Labor hat kürzlich ein neues Modell zur Untersuchung der epithelialen Wundheilung vorgestellt: die Medusa-Form (Quallen) des Hydrozoen-Nesseltiers Clytia hemisphaerica (Clytia)40. Clytia ist ein aufstrebender Modellorganismus mit einem vollständig sequenzierten und annotierten Genom41, einem Einzelzell-RNAseq-Transkriptom 42 und Protokollen für die Genommodifikation (Mutagenese und Transgenese)43,44,45. Nesseltiere sind eine der ältesten erhaltenen Abstammungslinien mit Epithelschichten, so dass das Verständnis der Wundheilung von Nesseltieren Einblicke in die Ahnenwege bietet, die die Integrität des Epithels gewährleisteten. Für die Pfade, die im gesamten Baum des Lebens konserviert wurden, bietet Clytia ein aufregendes neues System zur Untersuchung der Epithelzelldynamik und der funktionellen Regulation der Wundheilung in vivo.
Das Epithel, das die Oberseite der Clytia medusa (Exumbrella) bedeckt, ist eine Monoschicht aus transparenten, plattenepithelialen Zellen, die etwa 50 μm breit und 1-2 μm dick sind (Abbildung 1). Sie sind an einer ECM befestigt, die Mesoglea genannt wird – das "Gelee" der Qualle. Die Mesoglea ähnelt in ihrer Zusammensetzung der EZM, die bei anderen Tieren46, 47, 48 einschließlich Wirbeltieren zu finden ist, hat eine Basalmembran 40 und ist vollständig transparent. Die Epithelschicht der Clytia medusa kann leicht zerkratzt oder verwundet werden (siehe unten). Die Einfachheit und Transparenz des Epithels und der EZM ermöglicht eine hochauflösende Bildgebung der Zellen und ihrer Bewegungen während der Heilung. Kürzlich haben Kamran et al. die Heilung kleiner Wunden im Clytia-Epithel detailliert charakterisiert40. Es konnte gezeigt werden, dass die Heilung bei Clytia durch Lamellipodien-basiertes Zellkrabbeln, Zellausbreitung und kollektive Zellmigration sowie durch den Verschluss der Geldbeutelschnur erfolgt, der eher für embryonale Systeme typisch ist (obwohl er zuvor bei erwachsenen Tierstrukturen wie der Hornhaut beobachtet wurde49). Die Wundheilung von Clytia ist extrem schnell, wie bei anderen Systemen beobachtet wurde, denen eine Entzündungsreaktion fehlt40,50. Die Heilung im Clytia exumbrella hängt vollständig von den Bewegungen der vorhandenen Epithelzellen ab – keine Zellen proliferieren oder wandern durch die EZM zur Wundstelle (Supplemental Movie 1). All diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Clytia ein nützliches Modellsystem ist, um die epitheliale Wundheilung zu untersuchen. In der Tat führte die einfache Bildgebung von Epithelzellen in Clytia während der Wundheilung zu der Entdeckung, dass sich Epithelzelllamellipodien über Bereiche exponierter EZM ausdehnen und ausbreiten, solange eine intakte Basalmembran vorhanden ist. Wenn die Basalmembran geschädigt ist, schaltet die Epithelheilung auf einen Geldbeutel-String-Mechanismus40 um. Dies war die erste Demonstration eines Mechanismus, der der Entscheidung zugrunde lag, durch Lamellipodien-basiertes Krabbeln im Vergleich zum Verschluss der Geldbörse zu schließen, was die Bedeutung spezifischer Zell-EZM-Interaktionen für die Heilung und der Beobachtung von Zellen in ihrem natürlichen Kontext unterstreicht.
Im Folgenden werden Protokolle für die Erzeugung und Bildgebung einzelliger Mikrowunden beschrieben, kleine Wunden, die sich hauptsächlich durch Zellausbreitung schließen, und große Wunden, die eine kollektive Zellmigration erfordern, um sich zu schließen. Des Weiteren wird ein Protokoll für die Einschleusung kleiner Moleküle in die EZM und Epithelzellen beschrieben, das experimentelle Störungen von mutmaßlichen Regulationswegen der Wundheilung ermöglicht.